113 年 國立臺灣大學環境工程研究所規劃與管理組《環境生態學》

本題主要在考察學生對於族群動態模型的基本理解，包含指數增長模型與邏輯斯諦增長模型。

核心觀念： 族群大小會受到出生率、死亡率、遷入率與遷出率等因素影響而隨時間改變。不同的模型描述了在不同環境條件下，族群增長的不同趨勢。

A. 指數增長模型 (Exponential Model)

• 觀念說明： 指數增長模型描述的是在理想環境下，資源無限制、無天敵、無疾病等情況下，族群的理論最大增長速率。族群的增長率與當前族群大小成正比。

• 假設 (Assumptions)：

  • 環境資源無限供應。
  • 沒有天敵、疾病或競爭。
  • 出生率 (b) 和死亡率 (d) 為常數，與族群大小無關。
  • 遷入率和遷出率為零，或總淨遷入/遷出為零。
  • 所有個體具有相同的繁殖潛力。

• 數學式 (Equations)：
  族群數量 $N$ 隨時間 $t$ 的變化率可表示為：
  $\frac{dN}{dt} = (b - d)N$
  令 $r = b - d$ 為內在增長率 (intrinsic rate of increase)，則：
  $\frac{dN}{dt} = rN$
  此微分方程的解為：
  $N(t) = N_0 e^{rt}$
  其中 $N(t)$ 為時間 $t$ 時的族群數量，$N_0$ 為初始族群數量，$e$ 為自然對數的底數。

• 圖形說明 (Figure)：
  繪製一條向上彎曲的曲線，橫軸為時間 $t$，縱軸為族群數量 $N$。曲線會隨著時間的增加而越來越陡峭，顯示族群數量呈指數級增長。

  🖼️【此處應繪製指數增長曲線圖】
  （圖示：橫軸為時間 t，縱軸為族群數量 N。一條從原點附近開始，隨時間增加而呈指數級上升的曲線。）

• 【答案】 指數增長模型描述族群在無限資源下的理論增長，其數學式為 $\frac{dN}{dt} = rN$ 或 $N(t) = N_0 e^{rt}$，圖形為一條向上彎曲的曲線。

B. 邏輯斯諦增長模型 (Logistic Model)

• 觀念說明： 邏輯斯諦增長模型描述的是在有限資源的環境下，族群增長趨於穩定的情況。

本題在考察學生對族群生存策略分類的理解，即 r 策略與 K 策略。這兩種策略是關於生物如何在不同環境條件下最大化其生存與繁殖機會的兩種基本途徑。

核心觀念： 生物為了在各種環境中生存和繁衍，演化出了不同的生存策略。 r 策略和 K 策略是兩種極端的分類，用來描述生物的繁殖和生長特性。

r 策略 (r-strategy)

• 觀念說明： r 策略生物傾向於在資源豐富、環境相對不穩定或經常發生擾動的環境中生存。牠們的特點是快速生長、早熟、產大量後代、後代存活率低，並且對資源的利用效率較低。牠們的目標是盡快繁殖，以利用短暫出現的機會，並將基因傳播出去。
• 主要特徵：
  • 高內在增長率 (r)： 能夠快速增加族群數量。
  • 早熟： 較早達到性成熟。
  • 繁殖頻繁： 每年繁殖多次。
  • 高繁殖力： 每次繁殖產下大量後代。
  • 後代存活率低： 由於資源有限或環境壓力，大部分後代無法存活至成年。
  • 體型小： 通常體型較小。
  • 壽命短： 通常壽命較短。
  • 對環境變動反應敏感： 能夠快速擴散到新棲地。
• 代表性生物： 昆蟲（如蚜蟲）、囓齒動物（如老鼠）、一年生植物、細菌。

K 策略 (K-strategy)

本題要求繪製圖形來解釋掠食者與獵物之間的交互作用。這是一個生態學中非常經典的模型，通常使用 Lotka-Volterra 方程式來描述。

核心觀念： 掠食者與獵物之間的數量變動是相互影響、相互制約的動態過程。獵物的數量增加會導致掠食者食物充足而增加，獵物數量減少則反之；掠食者的數量增加會增加對獵物的捕食壓力，導致獵物數量減少，獵物數量減少又會導致掠食者食物不足而減少。

圖形說明 (Figure)：

此圖通常繪製兩個隨時間變化的曲線，一個代表獵物族群數量 ($N$)，另一個代表掠食者族群數量 ($P$)。橫軸為時間 ($t$)。

• 獵物曲線 ($N$)： 通常呈現週期性的波動，當掠食者數量較少時，獵物數量會上升；當獵物數量達到高峰時，掠食者數量開始增加；隨著掠食者數量增加，獵物數量開始下降；當獵物數量下降到低點時，掠食者數量也開始下降；接著獵物數量又開始回升。
• 掠食者曲線 ($P$)： 通常也呈現週期性的波動，但其峰值會稍微落後於獵物曲線的峰值。當獵物數量增加時，掠食者數量隨後也會增加；當獵物數量減少時，掠食者數量也會隨後減少。

本題要求闡述生物多樣性保育的重要性，並從原因、影響/後果以及解決方案三個面向進行說明。這是一個綜合性的生態學與環境保護議題。

核心觀念： 生物多樣性是指地球上生命的多樣性，包括物種多樣性、遺傳多樣性以及生態系統多樣性。生物多樣性的維持對地球生態系統的穩定運行、人類福祉以及地球的永續發展至關重要。

一、 保育生物多樣性的重要性 (Why it's important to preserve biodiversity?)

生物多樣性對生態系統的健康、穩定性和功能至關重要，同時也直接或間接影響人類的福祉。

二、 生物多樣性喪失的原因 (Causes of biodiversity loss)

導致生物多樣性喪失的主要原因，通常被歸納為以下幾點（可簡稱為 HIPPO）：

1. 棲地破壞、破碎化與退化 (Habitat Destruction, Fragmentation, and Degradation)： 這是最主要的因素。農業擴張、城市化、工業發展、森林砍伐、濕地填埋等活動，直接破壞了生物賴以生存的棲地，使其無法獲得食物、水、庇護所和繁殖場所。棲地的破碎化則使得族群被隔離，基因交流受阻，小型化族群更容易滅絕。
2. 入侵種 (Invasive Species)： 外來物種被引入新環境後，若缺乏天敵制約，可能快速繁殖並與本土物種競爭資源、捕食本土物種、傳播疾病，甚至改變棲地環境，對本土生物多樣性造成毀滅性打擊。
3. 污染 (Pollution)： 包括化學污染（農藥、重金屬、工業廢水）、塑膠污染、光污染、噪音污染等，都會直接毒害生物，干擾其生理機能，破壞生態系統的平衡。
4. 族群過度開發 (Overexploitation)： 過度捕撈、過度狩獵、非法盜獵、過度採伐植物等，直接導致某些物種族群數量急劇下降，甚至瀕臨滅絕。
5. 氣候變遷 (Climate Change)： 全球暖化導致的溫度升高、降雨模式改變、極端天氣事件頻繁、海平面上升等，改變了生物的棲息環境，許多物種無法快速適應這些變化，面臨生存危機。

三、 生物多樣性喪失的影響與後果 (Effects/Consequences of biodiversity loss)

生物多樣性喪失的後果是深遠且多方面的，不僅影響自然生態系統，也威脅人類社會。

1. 生態系統功能減弱與不穩定：
   • 生產力下降： 物種組成改變可能影響初級生產力（植物生長）。
   • 營養循環受阻： 參與分解、固氮等過程的微生物或動物種類減少，影響物質循環。
   • 水土保持能力下降： 植被覆蓋減少，容易導致水土流失、洪災和乾旱。
   • 病蟲害防治能力減弱： 生態系統的生物相多樣性降低，寄生性或捕食性生物減少，可能導致病蟲害爆發。
   • 生態系統服務功能喪失： 如授粉、淨化空氣和水源、調節氣候、提供食物和藥材等功能減弱。
2. 遺傳資源損失： 許多物種攜帶有獨特的基因，這些基因可能對農業（抗病、抗旱品種）、醫藥（新藥開發）和工業（生物技術）具有潛在價值。物種滅絕意味著這些寶貴的遺傳資源永久消失。
3. 經濟損失： 生態系統服務功能的喪失會直接或間接造成經濟損失，例如漁業資源枯竭、農業產量下降、觀光收入減少、因災害造成的損失增加。

本題要求舉例說明自然生態系統中的互利共生 (Mutualistic) 與敵對性 (Antagonistic) 交互作用，並深入分析這些交互作用的生態學和演化學意義與結果。

核心觀念： 生物之間的交互作用是生態系統結構與功能的基石。這些交互作用塑造了物種的分布、豐度、族群動態，並驅動了物種的演化。

一、 互利共生交互作用 (Mutualistic Interactions)

互利共生是指兩種不同物種之間的一種交互作用，其中雙方都能從中獲得好處。

• 例子 (Examples)：
  1. 蜜蜂與開花植物： 蜜蜂採集花蜜（提供能量）和花粉（提供蛋白質），在採集過程中，花粉會附著在蜜蜂身上，當蜜蜂飛到另一朵花時，便完成了植物的授粉過程，促進了植物的繁殖。
     • 生態學意義： 確保了植物的繁殖成功率，維持了植物族群的穩定；蜜蜂獲得食物來源，維持其族群生存。這形成了植物和傳粉者之間緊密的協同演化關係。
     • 演化學意義： 植物演化出吸引蜜蜂的花朵（顏色、香氣、花蜜），蜜蜂則演化出特殊的口器和採集行為以有效獲取資源。這種相互選擇壓力促進了雙方的適應。
  2. 根瘤菌與豆科植物： 豆科植物的根部細胞可以與根瘤菌形成共生關係。根瘤菌能將空氣中的氮氣轉化為植物可吸收的氨（固氮作用），而植物則為根瘤菌提供碳水化合物和棲地。
     • 生態學意義： 增加了土壤中的氮素含量，促進了植物的生長，尤其是在貧瘠的土壤中。這對整個生態系統的初級生產力有重要貢獻。
     • 演化學意義： 植物演化出與特定根瘤菌共生的機制，根瘤菌也演化出與植物根部互動並進行固氮的能力。這種共生關係在陸地生態系統的演化中扮演了重要角色。
  3. 珊瑚蟲與蟲黃藻 (Zooxanthellae)： 珊瑚蟲體內共生著一種單細胞藻類（蟲黃藻）。藻類進行光合作用，為珊瑚蟲提供能量和氧氣，並幫助其排出代謝廢物；珊瑚蟲則為藻類提供保護和光合作用所需的二氧化碳及營養鹽。
     • 生態學意義： 珊瑚礁生態系統的建立和維持，很大程度上依賴於這種共生關係。珊瑚礁是地球上生物多樣性最高的生態系統之一。
     • 演化學意義： 珊瑚蟲與蟲黃藻之間形成了高度特化的共生體，這是珊瑚礁生態系得以蓬勃發展的關鍵。

二、 敵對性交互作用 (Antagonistic Interactions)