114 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》

本題主要在測試考生對於地球大氣垂直分層結構及其與溫度變化的關係的理解。
解題關鍵在於繪製一個正確的溫度垂直分布圖，並標示出大氣的主要分層及其特徵。

地球大氣圈從地表向上可分為對流層 (Troposphere)、平流層 (Stratosphere)、中介層 (Mesosphere) 和熱層 (Thermosphere)。各層的溫度垂直分布特性如下：

1. 對流層 (Troposphere)：
   • 高度：約 0 至 10-15 公里（赤道較高，極地較低）。
   • 溫度變化：隨高度增加而遞減。這是因為地表吸收太陽輻射後加熱空氣，離地表越遠溫度越低。
   • 特徵：大氣絕大部分質量、水氣、天氣現象（如雲、雨、風）發生在此層。
2. 平流層 (Stratosphere)：
   • 高度：約 10-15 公里至 50 公里。
   • 溫度變化：隨高度增加而遞增。這是因為此層含有臭氧 (Ozone, $O_3$)，臭氧會吸收太陽的紫外線輻射，將其轉化為熱能，導致溫度升高。

本題主要在測試考生對族群散佈型態 (Population Dispersion Patterns) 的理解，並能透過圖形輔助說明。

族群散佈型態是指同一物種的個體在棲息地空間分布的模式。主要有三種基本型態：

1. 均勻分布 (Uniform Dispersion / Even Dispersion)：

   • 特徵：個體之間距離大致相等，分布非常規律，呈規則的網格狀或均勻分布。
   • 原因：通常是個體間的競爭（如爭奪資源）或相互排斥（如領域行為、化學物質排斥）所導致。
   • 圖形繪製：繪製一個區域，其中個體（點）以規則的間隔排列，例如點之間距離大致相同。
   • 範例：沙漠中的仙人掌、企鵝群體巢穴。

2. 隨機分布 (Random Dispersion)：

   • 特徵：個體的分布位置與其他個體無關，個體在空間中的出現機率在棲息地內各處相等。
   • 原因：通常發生在棲息地均勻、資源充足且個體間無明顯相互作用（吸引或排斥）的情況下。

本題主要在測試考生對生態演替 (Ecological Succession) 中兩種主要過程：初級演替 (Primary Succession) 和次級演替 (Secondary Succession) 的定義與區別的理解。

生態演替是指一個生態系統在時間的推移下，物種組成和結構發生規律性變化的過程。

(a) 初級演替 (Primary Succession)

• 定義：發生在從未有過生物生存的地區，或者原有生物群落被完全清除，連土壤也幾乎不存在的環境。這個過程是從零開始建立新的生態系統。
• 起始條件：裸露的岩石、火山噴發後的熔岩地、新形成的沙丘、冰川退縮後留下的陸地。
• 過程特點：
  • 首先出現的是耐旱、耐貧瘠的先驅物種 (Pioneer Species)，通常是地衣 (lichens) 和苔蘚 (mosses)。
  • 這些先驅物種能分解岩石、累積有機物，逐漸形成薄層土壤。
  • 隨著土壤的形成和肥力增加，草本植物、灌木，最終到喬木等更複雜的群落會陸續取代先驅物種。
  • 演替過程較為緩慢，可能需要數百年甚至數千年。
• 例子：火山島嶼上生命的起源，冰川退去後裸露地表的植物演替。

本題主要在測試考生對於黑水虻 (Black Soldier Fly, Hermetia illucens) 的認知及其在生態系中的功能。

黑水虻 (Black Soldier Fly, BSF)

• 簡介：黑水虻是一種原產於美洲的雙翅目昆蟲，屬於兵蠅科 (Stratiomyidae)。成蟲體型較大，外觀類似黃蜂，但牠們不叮咬，也不會傳播疾病。牠們的幼蟲（蛆）才是生態系中重要的分解者。
• 生命週期：成蟲壽命約一週，主要任務是交配和產卵，通常產在潮濕、富含腐敗有機物的環境。卵孵化後為幼蟲，幼蟲期約 2-4 週，在此期間牠們會積極取食並快速成長。當幼蟲成熟後，會離開食物源尋找乾燥處化蛹，然後羽化為成蟲。

在生態系中的角色 (Role in the Ecosystem)
黑水虻，特別是其幼蟲，在生態系中扮演著至關重要的分解者角色，牠們的主要功能包括：

1. 有機廢棄物分解與資源回收：
   • 黑水虻幼蟲對各種有機廢棄物具有極強的消化能力，包括廚餘、畜禽糞便、農業廢棄物、食品加工殘渣等。
   • 牠們能將這些廢棄物轉化為牠們自身的生物質（幼蟲體），並產生富含養分的糞肥 (frass)。

本題旨在測試考生對碳封存 (Carbon Sequestration) 兩種主要方法的理解：地質碳封存 (Geological Carbon Sequestration) 和生物碳封存 (Biological Carbon Sequestration)。

碳封存是指將大氣中捕獲的二氧化碳 ($CO_2$) 儲存起來，以減少其在大氣中的濃度，減緩溫室效應。

(a) 地質碳封存 (Geological Carbon Sequestration)

• 定義：將捕獲的 $CO_2$ 注入地下的特定地質構造中進行長期儲存。這是一種工程技術手段。
• 過程：
  1. 捕捉 (Capture)：從大型排放源（如發電廠、工業設施）或直接從空氣中捕捉 $CO_2$。
  2. 運輸 (Transport)：將捕獲的 $CO_2$ 透過管道或船運送至儲存地點。
  3. 注入與儲存 (Injection and Storage)：將高壓液態 $CO_2$ 注入地下的多孔岩層中，這些岩層上方通常被一層緻密的、不透水的岩石（蓋岩, caprock）所封閉，以防止 $CO_2$ 洩漏。
• 儲存地點：
  • 枯竭的油氣藏 (Depleted oil and gas reservoirs)：這些構造已經證明能長期儲存碳氫化合物，相對安全。
  • 深部鹽水層 (Deep saline aquifers)：含有鹽水的地下多孔岩層，儲存潛力巨大。
  • 深部煤層 (Deep unmineable coal seams)： $CO_2$ 可吸附在煤層上，同時釋放甲烷。
  • 玄武岩 (Basalts)： $CO_2$ 與玄武岩中的礦物質反應，形成穩定的碳酸鹽礦物。
• 優點：潛在儲存量巨大，可快速減少大氣 $CO_2$ 濃度。
• 挑戰：成本高昂，技術複雜，存在 $CO_2$ 洩漏風險，需要長期監測。

本題為申論題，屬於環境生態學與環境管理結合的範疇，主要探討再生能源設施（風力發電場、太陽能發電場）對生態系統的影響，以及如何將這些影響最小化。

核心觀念：再生能源雖是減緩氣候變遷的關鍵，但其建設和運營過程仍會對環境和生態造成衝擊，必須進行評估與管理。

一、再生能源設施對生態系統的影響

(A) 風力發電場 (Wind Farms)

1. 對鳥類與蝙蝠的影響：

   • 碰撞死亡 (Collision Mortality)：鳥類和蝙蝠可能因飛行時與旋轉的葉片碰撞而死亡。特別是遷徙性鳥類、夜行性蝙蝠，以及對塔架結構或旋轉葉片感到好奇的物種。
   • 棲息地干擾與破碎化 (Habitat Disturbance and Fragmentation)：風力發電機塔架、道路建設、電纜鋪設等會破壞或改變野生動物原有的棲息地，影響其覓食、繁殖和遷徙路徑。
   • 行為改變 (Behavioral Changes)：噪音、視覺干擾可能導致動物避開發電場區域，影響其活動範圍和資源利用。

2. 對陸域生態系的影響：

   • 土地利用：風力發電場需要廣闊的土地，包括機組基座、內部道路、變電站等，這會改變原有的土地覆蓋，影響植被和土壤。
   • 土壤與水文影響：道路建設可能導致土壤侵蝕和水文改變。
   • 景觀衝擊：大型風力發電機可能對景觀造成視覺衝擊。

3. 對海洋生態系的影響 (離岸風電)：

   • 噪音：水下打樁過程產生的巨大噪音可能對海洋哺乳動物（如鯨豚）和魚類造成聽覺損傷、行為改變，甚至影響其覓食和溝通。
   • 棲息地改變：基座的設立改變了海底棲息地。
   • 電磁場：海底電纜產生的電磁場可能影響某些對電磁敏感的海洋生物。
   • 船隻交通：建設和維護期間的船隻活動可能增加碰撞風險。

(B) 太陽能發電場 (Solar Farms)

1. 土地利用與棲息地喪失：

   • 大規模土地需求：太陽能電池板需要廣闊的平坦區域，這可能導致原有植被清除、農田轉變，進而造成野生動物棲息地的喪失、破碎化，特別是對於地面活動的物種（如爬行動物、小型哺乳動物）影響較大。
   • 景觀改變：大型太陽能電站改變了原有的景觀。

2. 對生物多樣性的影響：

   • 鳥類：部分鳥類可能將太陽能電池板誤認為水源（如鳥類誤食學說, "lake effect"）而嘗試降落，造成碰撞或受傷。
   • 昆蟲：太陽能電池板的顏色和反光可能影響昆蟲的識別和行為。
   • 植物：為建設太陽能電站而清除植被，可能導致當地植物種類減少。

3. 對土壤和水文的影響：

   • 土壤壓實與侵蝕：建設過程中的機械作業可能導致土壤壓實，雨水沖刷可能加劇土壤侵蝕。
   • 微氣候改變：太陽能電池板下的陰影和反射可能改變地表溫度和濕度。

4. 水資源消耗：

   • 在一些乾旱地區，太陽能電池板的清潔需要大量的水資源。

二、將影響最小化的策略

(A) 風力發電場

本題為申論題，分為兩大部分：一是定義「慣行/傳統農業」，二是探討農業系統如何演進以改善土壤健康、水資源保育及生物多樣性。

核心觀念：傳統農業模式可能對環境造成壓力，現代農業需要朝向永續、生態友善的方向演進。

一、什麼是「慣行/傳統農業」(Conventional/Traditional Farming)？

「慣行農業」或「傳統農業」在不同的語境下可能略有差異，但通常指的是在現代工業化農業發展背景下，以最大化產量和效率為主要目標，並廣泛採用以下技術和方法的農業模式：

1. 高度依賴化學投入：

   • 化學肥料：大量使用合成氮肥、磷肥、鉀肥，以快速提供作物所需養分，追求高產。
   • 化學農藥：廣泛使用殺蟲劑、殺菌劑、除草劑，以防治病蟲草害，減少作物損失。
   • 化學助劑：如生長調節劑、除草劑等。

2. 單一作物栽培 (Monoculture)：

   • 大面積、單一品種的種植，雖然有利於機械化操作和管理，但降低了農田生態系統的複雜性，增加了對病蟲害的易感性，並可能導致土壤養分單一化。

3. 機械化與大規模生產：

   • 依賴大型農業機械進行耕作、播種、收割，以提高效率和降低勞動力成本。

4. 集約化土地利用：

   • 追求土地的最大利用率，可能導致過度耕作、不合理的灌溉，以及對自然棲息地的侵占。

5. 對環境的潛在影響：

   • 土壤退化：過度耕作、化肥濫用、缺乏有機質補充，可能導致土壤結構破壞、有機質含量下降、土壤板結、侵蝕加劇。
   • 水污染：農藥和過量肥料的徑流進入水體，導致富營養化（優養化）和水質惡化。
   • 生物多樣性喪失：化學農藥殺死非目標生物（包括益蟲、傳粉者、土壤微生物），單一作物栽培降低了農田的生態複雜性。
   • 溫室氣體排放：化肥生產、農業機械使用、土壤管理不當（如酸化、缺氧）會產生 $N_2O$、$CO_2$、$CH_4$ 等溫室氣體。
   • 抗藥性問題：長期使用農藥可能導致病蟲草產生抗藥性，需要使用更強或更多的農藥。

二、農業系統如何演進以改善土壤健康、水資源保育和生物多樣性？

農業系統的演進方向是朝向永續農業 (Sustainable Agriculture)、生態農業 (Ecological Agriculture)、再生農業 (Regenerative Agriculture) 等模式發展，強調在生產的同時，保護和恢復生態系統功能。

(A) 改善土壤健康 (Improving Soil Health)

1. 增加土壤有機質：
   • 覆蓋作物 (Cover Cropping)：在主作物休耕期種植非經濟作物（如豆科、禾本科植物），其根系可固持土壤、增加有機質，並固定氮素。
   • 綠肥 (Green Manure)：將特定作物（如三葉草、紫雲英）耕翻入土，增加有機質和養分。
   • 施用堆肥和有機肥 (Compost and Organic Fertilizers)：利用農作物殘渣、畜禽糞便等製作堆肥，補充土壤有機質和養分。
   • 免耕或少耕 (No-till or Minimum Tillage)：減少對土壤的物理擾動，保護土壤結構，防止有機質流失和侵蝕。