114 年 國立臺灣大學森林環境暨資源學系碩士班甲組《森林生態學》

此題旨在探討基因體結構的特性（基因體大小、多倍體、重複序列）如何影響樹木的育種策略，並要求舉例說明。

核心觀念：

1. 基因體大小 (Genome Size)：基因體大小通常與細胞大小、生長速率、發育時間等有關，也可能影響基因的表達與調控。
2. 多倍體 (Polyploidy)：生物體擁有三套或更多套染色體。在植物中，多倍體常與體型增大、產量增加、抗逆性增強等性狀相關。
3. 重複序列 (Repetitive Sequences)：基因體中重複出現的 DNA 序列，佔據了許多基因體的很大比例，尤其是在高等生物中。它們可能影響基因的結構、表達，或作為調控元件。

影響與育種策略：

• 基因體大小：

  • 影響：較大的基因體可能意味著更多的非編碼 DNA，基因複製和轉錄的時間可能較長，這會影響生長速率和世代時間。同時，基因體大小與染色體數量的變化（如多倍體）有時相關。
  • 育種策略：在選擇育種材料時，需要考慮基因體大小對生長潛力和繁殖週期的影響。例如，若要加速育種進程，可能傾向於選擇基因體較小的物種或品系。然而，基因體大小本身並非單一決定性因素，需與其他基因型和環境因子結合考量。

• 多倍體現象：

  • 影響：多倍體在樹木中相對常見，例如許多針葉樹和闊葉樹。多倍體常伴隨明顯的表型變化，如葉片、種子、果實變大，生長速率加快，對不良環境（如低溫、乾旱）的耐受性增強，以及雜種優勢的增強。
  • 育種策略：
    • 誘導多倍體：利用秋水仙素 (colchicine) 等藥劑誘導非多倍體（如二倍體）產生多倍體。
    • 篩選與利用現有多倍體：在自然群落中尋找優良的多倍體變異株，利用其體型大、生長快、抗逆性強等優勢。
    • 雜交育種：利用多倍體與二倍體雜交，可能產生三倍體或四倍體，有時可以獲得具有特定優良性狀（如無籽）的後代。
  • 舉例：
    • 楊樹 (Populus)：一些楊樹品種是天然的多倍體，或可通過誘導獲得。四倍體楊樹常表現出比二倍體更快的生長速率和更大的生物量，這對生產生物能源或木材具有潛在價值。

此題要求解釋菌類在植物-土壤反饋 (Plant-Soil Feedback, PSF) 機制中扮演的角色，特別是它們如何促成正面或負面的 PSF 效應，進而影響森林植物群落的動態與分布。

核心觀念：

1. 植物-土壤反饋 (PSF)：指植物透過其生長、代謝產物（如根分泌物、凋落物）等，改變土壤微生物群落的組成與功能，而這些改變又反過來影響後續植物的生長。PSF 是一種植物與其周圍土壤微環境之間的互動迴路。
2. 菌類 (Fungi)：在土壤生態系統中，菌類是重要的分解者、共生者和病原體，對土壤結構、養分循環和植物健康有著深遠影響。
3. 正面 PSF (Positive PSF)：前代植物的土壤殘留物或微生物群落促進了後代植物的生長。
4. 負面 PSF (Negative PSF)：前代植物的土壤殘留物或微生物群落抑制了後代植物的生長。

菌類在 PSF 中的作用機制：

• 正面 PSF 的機制：

  • 養分有效性提升：
    • 菌根菌 (Mycorrhizal Fungi)：特別是內生菌根菌 (Arbuscular Mycorrhizal Fungi, AMF) 和外生菌根菌 (Ectomycorrhizal Fungi, ECM)。ECM 在森林生態系統中尤為普遍，能與許多樹種形成共生關係。ECM 菌絲能擴展到土壤中，獲取植物難以吸收的養分（如磷、氮），並將其傳遞給植物，同時植物提供碳水化合物。前代植物的 ECM 菌網絡殘留，或其產生的穩定土壤結構，可能有利於後代植物的定殖和生長。
    • 分解菌 (Decomposer Fungi)：某些分解菌能有效分解難以利用的有機質，釋放養分，改善土壤肥力。如果前代植物的殘落物富含特定菌類，這些菌類有助於後代植物獲取養分。
  • 病原體抑制：
    • 拮抗作用：某些土壤真菌（如某些鏈黴菌、木黴菌 Trichoderma spp.）能產生抗生素或酶，抑制對植物有害的病原菌（細菌或真菌）的生長。前代植物留下的豐富微生物群落中，可能包含這些有益的拮抗菌。
  • 土壤結構改善：
    • 菌絲能將土壤顆粒黏結成團聚體 (aggregates)，改善土壤的通氣性、保水性和結構穩定性。這對植物根系的生長和水分吸收有利。

• 負面 PSF 的機制：

  • 病原體累積：
    • 病原性真菌：如果前代植物對某種土壤傳播的真菌病原體（如引起苗木猝倒病的病原菌）敏感，那麼其生長會促進該病原菌在土壤中的累積。當後代植物（特別是同種或近緣種）在其生長空間定殖時，會暴露在高濃度的病原體下，導致生長受抑制，甚至死亡。

此題要求結合森林演替的過程，描述不同階段的植群結構特徵，並闡述這些結構特徵如何影響群落的功能。

核心觀念：

1. 森林演替 (Forest Succession)：指在特定地點，由一種植群類型逐漸被另一種植群類型取代的過程，通常是從開闊地或受擾動的區域開始，朝向相對穩定的頂極群落發展。
2. 植群結構 (Vegetation Structure)：指群落內生物體的空間排列方式，包括物種組成、生物量、高度、葉面積指數 (LAI)、分層（喬木層、灌木層、草本層）、樹冠覆蓋度、生物多樣性等。
3. 群落功能 (Community Function)：指群落對生態系統過程的貢獻，如生產力 (NPP)、養分循環、水分利用、碳儲存、棲息地提供、物種互動（競爭、傳粉、傳播）等。

不同演替階段的植群結構特徵與群落功能影響：

• 早期演替階段 (Early Successional Stage) / 先驅群落 (Pioneer Community)：

  • 植群結構特徵：
    • 物種組成：以生長快速、繁殖力強、對光照需求高、對貧瘠土壤或擾動環境適應性強的草本植物、灌木或陽性樹種為主。物種多樣性可能較低，但個體數量可能很高（尤其草本）。
    • 生物量與 LAI：生物量和 LAI 較低。
    • 分層：結構簡單，可能只有單一層或兩層。
    • 競爭：競爭相對較弱，主要競爭光照和空間。
  • 對群落功能的影響：
    • 生產力：初級生產力（NPP）相對較低，但快速建立植被覆蓋。
    • 養分循環：養分循環可能較快，但儲存量低，容易流失。
    • 土壤改良：初期植被覆蓋有助於防止土壤侵蝕，釋放的有機質開始改良土壤。
    • 棲息地：為早期進入的動物提供食物和棲息地，但結構單一。
    • 光照：是主要的限制因子，陽性樹種在此階段佔優勢。

• 中期演替階段 (Mid-Successional Stage) / 過渡群落 (Transition Community)：

  • 植群結構特徵：
    • 物種組成：陽性樹種逐漸成熟，部分陰性樹種開始出現並在林下生長。灌木層和草本層結構開始複雜化，樹種多樣性增加。
    • 生物量與 LAI：生物量和 LAI 顯著增加，樹冠開始閉合。
    • 分層：出現明顯的喬木層、灌木層和草本層，樹冠結構複雜。
    • 競爭：光照、水分和養分競爭加劇。
  • 對群落功能的影響：
    • 生產力：NPP 達到較高水平，碳儲存能力增強。
    • 養分循環：養分循環趨於穩定，土壤有機質含量增加。
    • 水分調節：植被蒸騰作用增強，影響區域水文。

此題要求分析高密度與低密度林分的生態特徵、優缺點，並設計一個實驗或調查來驗證其中一項優缺點。

核心觀念：

1. 林分密度 (Stand Density)：單位面積內的林木數量或其生長潛力。常以每公頃株數、基材因子 (Basal Area Factor, BAF)、林分標準化密度指標 (Stand Density Index, SDI) 等表示。
2. 生態特徵：指不同密度林分對環境因子（光、水、養分）的利用、生物競爭、物候、生物多樣性等方面的表現。
3. 優缺點：從生態、經濟、社會等多角度考量不同密度林分的有利和不利方面。
4. 實驗/調查設計：基於科學方法，提出具體方案來驗證某一假設。

高密度林分與低密度林分的生態特徵及優缺點：

1. 高密度林分 (High-Density Stands)

• 生態特徵：
  • 競爭：林木間光照、水分、養分競爭極為激烈。
  • 生長：個體生長速率（尤其是徑向生長）普遍較慢，但總生物量和碳儲存量可能較高。
  • 樹冠：樹冠較小，節約空間。
  • 更新：林下光照極低，天然更新困難，尤其對喜光樹種。
  • 生物多樣性：可能因結構單一、競爭激烈而降低，但對特定依賴密林環境的物種（如某些鳥類）可能有利。
  • 病蟲害：某些病蟲害（如真菌病害）可能因濕度高、通風差而易於傳播。
• 優點：
  • 經濟：適合生產細長、少節的優質木材（如用於造紙、建築結構材），木材產量（單位面積）相對較高。
  • 生態：單位面積碳儲存量高；良好的冠層覆蓋有助於防止土壤侵蝕，維持土壤水分。
  • 社會：提供良好的視覺屏障，增加隱密性。
• 缺點：
  • 經濟：個體材積小，採伐成本相對較高；生長慢，輪伐期可能延長。
  • 生態：競爭過度可能導致林木生長衰弱，抗逆性（如抗旱、抗風）降低；林下更新困難，影響物種多樣性；易受病蟲害影響。

2. 低密度林分 (Low-Density Stands)

• 生態特徵：
  • 競爭：林木間競爭較弱，個體能獲得較充足的光、水、養分。
  • 生長：個體生長速率（尤其是徑向生長）較快，易形成大徑級木，但總生物量和碳儲存量可能較低。
  • 樹冠：樹冠較大，展開度高。
  • 更新：林下光照充足，有利於陽性及部分陰性樹種的天然更新。
  • 生物多樣性：結構較為開放，可能支持更多樣化的草本、灌木層，吸引更多依賴開闊環境的物種。
  • 病蟲害：通風透光，濕度相對較低，不利於某些病蟲害的發生和傳播。
• 優點：
  • 經濟：適合生產大徑級、高價值的木材；個體生長快，輪伐期可縮短；材積產量相對較低，但材種可能較好。
  • 生態：個體生長旺盛，抗逆性強；有利於林下更新和生物多樣性；病蟲害風險相對較低。
  • 社會：林下空間較大，便於活動、遊憩。
• 缺點：
  • 經濟：木材產量（單位面積）較低；木材可能節子較多，材性不如高密度林分細膩。
  • 生態：單位面積碳儲存量較低；土壤水分蒸發可能較大；易受風害影響（若樹冠過大、根系不穩）。

實驗/調查設計範例：驗證「高密度林分不利於林下天然更新」

• 研究問題 (Research Question)：高密度林分是否顯著降低了特定樹種的幼苗存活率與生長？
• 假設 (Hypothesis)：與低密度林分相比，高密度林分將顯著降低目標樹種（例如，某種陽性或喜光樹種）幼苗的存活率和生長量。