115 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》

此題主要在測試考生對於全球碳循環過程的理解，包含碳在不同圈層（大氣、海洋、陸地、生物圈）之間的轉換與移動。

解題思路：
全球碳循環是一個複雜的系統，涉及物理、化學、生物過程。考生需要繪製一個簡化的模型，展示碳在各個主要儲庫（Reservoir）之間的流動（Flux）。

模型應包含的要素：

1. 主要碳儲庫 (Reservoirs)：

   • 大氣 (Atmosphere)：以二氧化碳 ($CO_2$)、甲烷 ($CH_4$) 等氣體形式存在。
   • 陸地生物圈 (Terrestrial Biosphere)：植物、動物、土壤有機質。
   • 海洋 (Ocean)：溶解的 $CO_2$、碳酸鹽、碳酸氫鹽、海洋生物、海洋沉積物。
   • 岩石圈 (Lithosphere)：碳酸鹽岩、化石燃料（煤、石油、天然氣）。

2. 主要的碳流動 (Fluxes)：

   • 光合作用 (Photosynthesis)：植物從大氣中吸收 $CO_2$ 轉化為有機物。
   • 呼吸作用 (Respiration)：生物體將有機物分解，釋放 $CO_2$ 至大氣或土壤。
   • 分解作用 (Decomposition)：微生物分解死亡的有機物，釋放 $CO_2$ 至大氣或土壤。
   • 海洋吸收/釋放 $CO_2$ (Ocean-Atmosphere Exchange)：大氣中的 $CO_2$ 溶解於海水，或海水中的 $CO_2$ 釋放到大氣。

此題考查考生對地球生命支持系統（Earth's life-support system）基本組成部分的認識。這個系統是維持地球生命存在和發展的關鍵。

地球的生命支持系統通常被認為由四個主要部分組成：

1. 大氣圈 (Atmosphere)：

   • 定義：包圍地球的氣體層。
   • 功能：提供生命所需的氣體（如氧氣、$O_2$）、調節地球溫度（溫室效應）、保護生物免受有害的太陽輻射（臭氧層）以及宇宙射線的傷害、參與水的循環和碳循環等。

2. 水圈 (Hydrosphere)：

   • 定義：地球上所有水的總稱，包括海洋、河流、湖泊、地下水、冰川、大氣中的水蒸氣等。
   • 功能：是生命必需的溶劑和介質，參與新陳代謝；調節氣候；是許多生物的棲息地；

此題考查考生對生物多樣性（Biodiversity）內涵的理解，特別是其構成的四個主要層次。

生物多樣性是指地球上生命的多樣性，涵蓋了從基因到生態系統的各個層次。通常，生物多樣性被分為以下四個主要組成部分：

1. 遺傳多樣性 (Genetic Diversity)：

   • 定義：指同一物種內基因的變異程度。它體現為同一物種內不同個體之間基因的差異。
   • 重要性：遺傳多樣性是物種適應環境變化、抵抗疾病和進化能力的基礎。一個物種的遺傳變異越豐富，其在面對環境壓力（如氣候變化、病原體出現）時就越有可能生存和繁衍。

2. 物種多樣性 (Species Diversity)：

   • 定義：指一個區域內物種的豐富程度和均勻程度。它包括物種的數量（豐富度，Species Richness）以及不同物種的相對豐度（均勻度，Species Evenness）。
   • 重要性：物種多樣性是生態系統功能和穩定性的關鍵。

此題旨在評估考生對「物種敏感度分布」（Species Sensitivity Distribution, SSD）概念的理解，以及如何透過圖形來闡述。SSD 是一種用於評估化學物質對不同物種生態毒理影響的工具，尤其在環境風險評估中常用。

核心概念：
物種敏感度分布 (SSD) 描述的是，在給定濃度下，一個生態系統中不同物種對某種化學物質產生不良影響（如生長抑制、死亡）的比例。它假設對同一種化學物質，不同物種的敏感度存在差異。SSD 通常將物種對某種壓力（如化學物質）的反應（通常是劑量-反應關係）進行匯總，形成一個累積分布函數。

如何繪製與解釋圖形：

1. 橫軸 (X-axis)：通常表示化學物質的濃度（Concentration）或劑量（Dose）。由於敏感度不同，為了便於繪製和分析，常採用對數尺度（Log scale），例如 $\log_{10}(\text{Concentration})$。

2. 縱軸 (Y-axis)：表示對該化學物質敏感的物種比例（Percentage of species affected），或累積的物種數量。這是一個累積分布函數，範圍從 0% 到 100%。

3. 曲線 (The Curve)：

   • 曲線從左下角（低濃度，影響少量物種）開始，向右上角（高濃度，影響大部分物種）延伸。
   • 曲線的形狀反映了物種對該化學物質的敏感度分布的特徵。
   • 通常，SSD 曲線會呈現 S 形（sigmoidal shape），尤其是在使用 log-probability 軸時。

4. 圖形的關鍵點與解釋：

   • 左側低百分比區域：表示只有極少數（最敏感的）物種會在此低濃度下受到影響。
   • 中間區域：隨著濃度的增加，越來越多的物種開始受到影響。
   • 右側高百分比區域：表示絕大多數物種（包括較不敏感的物種）在此高濃度下都會受到影響。
   • 曲線上的特定點：

此題為綜合題，要求考生從多個角度解釋物種滅絕的原因，涵蓋自然因素、人類活動以及一些重要的生態學概念。

核心觀念：
物種滅絕是地球生命演化史上的常態，但現代物種滅絕的速度遠超自然背景滅絕率，主要與人類活動有關。理解物種滅絕需要結合長期的演化過程和當前快速變化的環境壓力。

分點闡述：

1. 自然因素與演化 (Nature & Evolution)：

   • 演化過程中的自然選擇：物種在演化過程中，適應性較差的個體或族群會被自然選擇淘汰，這是物種形成和滅絕的自然循環。
   • 環境變遷：地球歷史上，氣候劇烈變化（如冰河期、暖化）、地質事件（如火山爆發、板塊運動）、天文事件（如小行星撞擊）等，都會導致物種棲息地改變或消失，無法適應者滅絕。
   • 競爭與掠食：新出現的物種或外來的競爭者、掠食者，可能對原有物種造成壓力，導致其數量下降甚至滅絕。
   • 疾病與遺傳瓶頸：物種自身的遺傳多樣性不足，容易受到疾病的侵襲而大量死亡。

2. 人類影響 (Human Impact)：這是當前物種滅絕的主要驅動因素。

   • 棲息地破壞與碎片化 (Habitat Destruction and Fragmentation)：農業、城市擴張、工業開發、伐木、採礦等活動，直接摧毀或分割物種的棲息地，使其生存空間縮小，族群隔離，繁殖困難。
   • 過度開發利用 (Overexploitation)：過度捕撈、狩獵、採集，導致許多物種的數量急劇下降，例如商業捕鯨、象牙貿易等。
   • 污染 (Pollution)：工業廢水、農業農藥、塑膠垃圾、空氣污染物等，直接毒害生物，破壞生態系統功能，改變環境條件。

此題要求考生分析都市人口密度持續增加所帶來的環境永續性與人類健康挑戰，並結合提供的四個面向進行論述。這是一道綜合分析題，需要考生展現對都市化問題的深入理解。

核心概念：
都市化是全球趨勢，人口向城市集中，導致城市規模擴大、人口密度增加。這種現象對資源消耗、環境承載力、生態系統健康以及人類居住環境和健康都帶來嚴峻挑戰。

分點闡述：

1. 都市化趨勢與資源壓力 (Urbanization Trends and Resource Pressure)：

   • 都市化趨勢：全球人口持續向城市遷移，導致城市人口規模和密度不斷擴大。預計未來數十年，大部分人口將居住在城市。
   • 資源壓力：
     • 土地資源：城市擴張需要大量土地，侵占農田、森林、濕地等，導致棲息地喪失和生態系統退化。
     • 水資源：城市人口密集，對飲用水、工業用水、農業灌溉用水需求巨大，易引發水資源短缺和水污染問題。
     • 能源資源：城市是能源消耗的中心，對電力、燃料等需求量大，化石燃料的過度使用是溫室氣體排放的主要來源。
     • 食物資源：城市人口依賴外部供應食物，對農業生產和運輸系統造成壓力，同時也增加了食物運輸過程中的碳排放。
     • 建材與其他資源：城市建設和運營需要大量建材、金屬等資源，其開採和加工過程對環境影響巨大。

2. 對環境永續性的挑戰 (Challenges to Environmental Sustainability)：

   • 環境污染：
     • 空氣污染：交通、工業、建築活動產生大量污染物（如 $PM_{2.5}$、$NO_x$、$SO_2$、臭氧），影響空氣品質，危害生態系統。
     • 水污染：城市生活污水、工業廢水、農業徑流（攜帶農藥化肥）排放，嚴重污染河流、湖泊和海洋。
     • 土壤污染：工業廢棄物、垃圾填埋、不當的農業活動等，導致土壤重金屬、有機污染物超標。
     • 噪音污染：交通、建築、商業活動產生的噪音，影響居民生活品質和健康。
   • 廢棄物處理：城市產生龐大數量的生活垃圾和工業廢棄物，對垃圾處理、回收和填埋系統構成巨大壓力，處理不當會造成二次污染。
   • 都市熱島效應 (Urban Heat Island Effect)：城市建築物和硬質地表吸收並儲存更多太陽熱量，使城市溫度高於周邊地區，加劇能源消耗（空調），影響生物多樣性和人體健康。