108 年 國立中山大學生物科學系碩士班甲組《生態學》

本題主要考驗學生對熱量傳遞方式與生態學中相關概念的理解。蒸發是水由液態轉變為氣態的過程，這個過程需要吸收大量的熱能，這部分能量的轉移稱為潛熱。

• 潛熱通量 (Latent heat flux)：指由於蒸發或凝結所引起的熱量傳輸。蒸發時，水吸收熱量（潛熱）變成水蒸氣，帶走熱量；凝結時，水蒸氣釋放潛熱。

本題探討不同生態環境的季節變異程度。極端的季節變異通常與緯度、氣候模式（如降雨量、溫度）的劇烈變化有關。

• 潮池 (Tide pools)：受潮汐影響，水溫、鹽度等可能快速變化，但整體季節性差異相較於高緯度地區較不明顯。
• 熱帶雨林 (Tropical forests)：全年溫度和降雨量相對穩定，季節變異不明顯。
• 開闊海洋 (Open oceans)：受洋流和全球氣候影響，季節性變化相對緩和。

本題考驗學生對生物營養階層 (trophic level) 的基本概念，以及消費者種類的定義。

• Milkweed beetles：顧名思義，牠們以 milkweed (馬利筋) 為食。
• 草食性動物 (Herbivore)：以植物為食的動物。
• 肉食性動物 (Carnivore)：以動物為食的動物。
• 雜食性動物 (Omnivore)：同時以植物和動物為食的動物。
• 碎屑食性動物 (Detritivore)：以死亡的有機物（碎屑）為食的動物。

Milkweed beetles 以植物（milkweed）為食，因此牠們是草食性動物 (herbivore)。

本題考查化學合成作用 (chemosynthesis) 的機制，特別是深海熱泉生態系中的化學合成細菌。

化學合成細菌利用無機化合物氧化所釋放的能量來合成有機物，而不是像光合作用那樣利用光能。在深海熱泉生態系中，常見的化學合成細菌利用的無機物包括硫化物、甲烷、亞鐵離子等。其中，利用硫化物進行化學合成的細菌非常普遍。

這些細菌將無機物（如硫化物，$\text{H}_2\text{S}$）氧化，釋放能量，然後利用這些能量將二氧化碳（$\text{CO}_2$）固定，合成為有機物（如碳水化合物）。在這個過程中，無機物作為電子供體 (electron donor)，而氧化反應中失去電子的物質通常是硫化物。

核心觀念

本題考查生態系統中的初級生產量，尤其是總初級生產量與淨初級生產量的區別。

植物等自營生物透過光合作用固定二氧化碳形成有機物。單位時間、單位面積內所固定的有機碳總量，稱為總初級生產量（gross primary production, GPP）：

$$\mathrm{GPP}=\text{自營生物經光合作用固定的總碳量}$$

植物在進行光合作用的同時，也會透過呼吸作用消耗部分有機物。因此，扣除植物呼吸作用後，實際累積於植物生物量中的部分稱為淨初級生產量（net primary production, NPP）：

$$\mathrm{NPP}=\mathrm{GPP}-R$$

其中 $R$ 代表自營生物的呼吸作用消耗量。

題幹所說的「total amount of photosynthesis」強調的是光合作用固定碳的總量，尚未扣除呼吸作用，因此對應 GPP。

解題方法

判斷關鍵在於「total」與「net」的差別：

1. 光合作用固定的全部碳量，是總初級生產量 GPP。
2. 扣除植物自身呼吸消耗後的碳量，是淨初級生產量 NPP。
3. 題目沒有提到扣除呼吸作用，因此選擇 GPP。

因此，標準生態學術語為 gross primary production。

選項分析

• (A) net primary production (NPP)：錯誤。NPP 是 GPP 扣除自營生物呼吸作用後的淨生產量，並非光合作用固定的總量。

本題考查「互補假說」(Complementarity Hypothesis) 在生物多樣性與生態系功能關係中的應用。

• 互補假說 (Complementarity Hypothesis)：此假說認為，不同物種在生態位 (niche) 的資源利用、功能等方面的差異性越大，當物種豐富度增加時，就能更有效地利用環境中的資源，從而提高生態系統的功能（如生產力、養分循環效率）。換句話說，隨著物種豐富度的增加，不同物種的生態位重疊減少，資源利用效率提高，生態系統功能也隨之增強。

根據互補假說，當物種豐富度增加時，由於不同物種能更有效地利用不同的資源或以不同的方式進行生態過程，因此生態系統的功能（例如總生產力、養分利用率）應該會隨之提升。這種提升通常不會是無限的，當物種豐富度達到一定程度後，增加更多物種可能對整體功能影響不大，或者達到飽和點。

本題考查古地理學知識，特別是二疊紀末期 (Permian Period) 地球大陸的分布狀況。

大約在2.5億年前的二疊紀末期，地球上存在一個超級大陸，稱為「盤古大陸」(Pangaea)。盤古大陸是當時地球上幾乎所有陸地面積的集合，是一個單一、巨大且連續的大陸。在盤古大陸形成之前，曾經有幾個較小的陸塊，但到了二疊紀末期，這些陸塊已經聚合成了盤古大陸。隨後，盤古大陸才開始分裂，形成了後來的幾個大陸。

本題考查生態演替 (succession) 和共生關係，特別是固氮作用在演替過程中的作用。

• 生態演替 (Ecological Succession)：指一個群落被另一個群落取代的過程，通常從先驅群落 (pioneer community) 開始，經過一系列中間階段，最終達到頂極群落 (climax community)。
• 先驅群落 (Pioneer community)：在演替初期出現的群落，通常由能夠在貧瘠、不穩定環境中生存的物種組成。
• 固氮作用 (Nitrogen fixation)：將大氣中的氮氣（$N_2$）轉化為生物可利用的氨（$\text{NH}_3$）或其他含氮化合物的過程。

本題考查干擾 (disturbance) 對群落形成 (community formation) 的影響，特別是干擾的強度 (intensity) 和頻度 (frequency)。

群落的形成和維持受到多種因素的影響，其中干擾扮演著重要角色。干擾可以清除現有的生物，為新的物種入侵和群落重組提供機會。然而，極端或頻繁的干擾會阻礙群落的建立和穩定。

• 干擾強度 (Intensity)：指干擾對生物體造成的破壞程度。
• 干擾頻度 (Frequency)：指干擾發生的頻率。

一般認為，中等強度和中等頻度的干擾 (Intermediate disturbance hypothesis, IDH) 有利於維持較高的物種豐富度和複雜的群落結構，因為它既能清除一些強勢種，又能為其他物種提供生存機會，避免物種被完全清除或被單一物種壟斷。

本題旨在區分「交互作用網」(interaction webs)與「食物網」(food webs)的概念。

• 食物網 (Food webs)：主要描繪生態系統中生物之間的「取食」關係，即能量流動的路徑，通常以生產者、初級消費者、次級消費者等營養階層來表示。

本題主要考驗學生對熱量傳遞方式與生態學中相關概念的理解。蒸發是水由液態轉變為氣態的過程，這個過程需要吸收大量的熱能，這部分能量的轉移稱為潛熱。

• 潛熱通量 (Latent heat flux)：指由於蒸發或凝結所引起的熱量傳輸。蒸發時，水吸收熱量（潛熱）變成水蒸氣，帶走熱量；凝結時，水蒸氣釋放潛熱。

本題探討不同生態環境的季節變異程度。極端的季節變異通常與緯度、氣候模式（如降雨量、溫度）的劇烈變化有關。

• 潮池 (Tide pools)：受潮汐影響，水溫、鹽度等可能快速變化，但整體季節性差異相較於高緯度地區較不明顯。
• 熱帶雨林 (Tropical forests)：全年溫度和降雨量相對穩定，季節變異不明顯。
• 開闊海洋 (Open oceans)：受洋流和全球氣候影響，季節性變化相對緩和。

本題考驗學生對生物營養階層 (trophic level) 的基本概念，以及消費者種類的定義。

• Milkweed beetles：顧名思義，牠們以 milkweed (馬利筋) 為食。
• 草食性動物 (Herbivore)：以植物為食的動物。
• 肉食性動物 (Carnivore)：以動物為食的動物。
• 雜食性動物 (Omnivore)：同時以植物和動物為食的動物。
• 碎屑食性動物 (Detritivore)：以死亡的有機物（碎屑）為食的動物。

Milkweed beetles 以植物（milkweed）為食，因此牠們是草食性動物 (herbivore)。

本題考查化學合成作用 (chemosynthesis) 的機制，特別是深海熱泉生態系中的化學合成細菌。

化學合成細菌利用無機化合物氧化所釋放的能量來合成有機物，而不是像光合作用那樣利用光能。在深海熱泉生態系中，常見的化學合成細菌利用的無機物包括硫化物、甲烷、亞鐵離子等。其中，利用硫化物進行化學合成的細菌非常普遍。

這些細菌將無機物（如硫化物，$\text{H}_2\text{S}$）氧化，釋放能量，然後利用這些能量將二氧化碳（$\text{CO}_2$）固定，合成為有機物（如碳水化合物）。在這個過程中，無機物作為電子供體 (electron donor)，而氧化反應中失去電子的物質通常是硫化物。

核心觀念

本題考查生態系生產力中「總初級生產量」與「淨初級生產量」的定義。

植物透過光合作用固定無機碳，所形成的全部有機物量稱為總初級生產量（gross primary production, GPP）。其中一部分有機物會被植物自身呼吸作用消耗，剩餘部分才是淨初級生產量（net primary production, NPP）。

兩者關係為：

$$\mathrm{NPP}=\mathrm{GPP}-R$$

其中 $R$ 代表植物呼吸作用所消耗的有機物量。因此：

$$\mathrm{GPP}=\mathrm{NPP}+R$$

題幹所說的 “total amount of photosynthesis” 指的是光合作用所固定的全部能量或碳，包括後續被植物呼吸作用消耗的部分，故為 GPP。

解題方法

看到關鍵字 total amount，應判斷題目詢問的是「總量」，而不是扣除呼吸作用後的淨量。

• 總初級生產量：GPP，代表光合作用固定的全部碳。
• 淨初級生產量：NPP，代表扣除植物呼吸作用後，實際累積於植物體內、可供植食者利用的有機物。

所以正確答案是總初級生產量 GPP。

選項分析

• (A) net primary production (NPP)：錯誤。NPP 是 GPP 扣除植物呼吸作用後的淨生產量，不是光合作用的總量。

本題考查「互補假說」(Complementarity Hypothesis) 在生物多樣性與生態系功能關係中的應用。

• 互補假說 (Complementarity Hypothesis)：此假說認為，不同物種在生態位 (niche) 的資源利用、功能等方面的差異性越大，當物種豐富度增加時，就能更有效地利用環境中的資源，從而提高生態系統的功能（如生產力、養分循環效率）。換句話說，隨著物種豐富度的增加，不同物種的生態位重疊減少，資源利用效率提高，生態系統功能也隨之增強。

根據互補假說，當物種豐富度增加時，由於不同物種能更有效地利用不同的資源或以不同的方式進行生態過程，因此生態系統的功能（例如總生產力、養分利用率）應該會隨之提升。這種提升通常不會是無限的，當物種豐富度達到一定程度後，增加更多物種可能對整體功能影響不大，或者達到飽和點。

本題考查古地理學知識，特別是二疊紀末期 (Permian Period) 地球大陸的分布狀況。

大約在2.5億年前的二疊紀末期，地球上存在一個超級大陸，稱為「盤古大陸」(Pangaea)。盤古大陸是當時地球上幾乎所有陸地面積的集合，是一個單一、巨大且連續的大陸。在盤古大陸形成之前，曾經有幾個較小的陸塊，但到了二疊紀末期，這些陸塊已經聚合成了盤古大陸。隨後，盤古大陸才開始分裂，形成了後來的幾個大陸。

本題考查生態演替 (succession) 和共生關係，特別是固氮作用在演替過程中的作用。

• 生態演替 (Ecological Succession)：指一個群落被另一個群落取代的過程，通常從先驅群落 (pioneer community) 開始，經過一系列中間階段，最終達到頂極群落 (climax community)。
• 先驅群落 (Pioneer community)：在演替初期出現的群落，通常由能夠在貧瘠、不穩定環境中生存的物種組成。
• 固氮作用 (Nitrogen fixation)：將大氣中的氮氣（$N_2$）轉化為生物可利用的氨（$\text{NH}_3$）或其他含氮化合物的過程。

本題考查干擾 (disturbance) 對群落形成 (community formation) 的影響，特別是干擾的強度 (intensity) 和頻度 (frequency)。

群落的形成和維持受到多種因素的影響，其中干擾扮演著重要角色。干擾可以清除現有的生物，為新的物種入侵和群落重組提供機會。然而，極端或頻繁的干擾會阻礙群落的建立和穩定。

• 干擾強度 (Intensity)：指干擾對生物體造成的破壞程度。
• 干擾頻度 (Frequency)：指干擾發生的頻率。

一般認為，中等強度和中等頻度的干擾 (Intermediate disturbance hypothesis, IDH) 有利於維持較高的物種豐富度和複雜的群落結構，因為它既能清除一些強勢種，又能為其他物種提供生存機會，避免物種被完全清除或被單一物種壟斷。

本題旨在區分「交互作用網」(interaction webs)與「食物網」(food webs)的概念。

• 食物網 (Food webs)：主要描繪生態系統中生物之間的「取食」關係，即能量流動的路徑，通常以生產者、初級消費者、次級消費者等營養階層來表示。

營養階層 (Trophic Level)

營養階層是指生態系統中生物根據其食物來源和能量獲取方式所處的位置。它描述了一個生物體在食物鏈中的地位。

1. 定義: 營養階層是生態系統中生物體由於其食物來源（即其能量和營養的來源）而處於的相對位置。每一個營養階層代表了能量從一個生物體傳遞到另一個生物體的步驟。
2. 主要營養階層:
   • 第一營養階層 (Producers)：生產者，主要是能進行光合作用的植物、藻類和藍綠菌，它們能將無機物轉化為有機物，是生態系統的能量基礎。
   • 第二營養階層 (Primary Consumers)：初級消費者，以生產者為食的動物，即草食性動物。
   • 第三營養階層 (Secondary Consumers)：次級消費者，以初級消費者為食的動物，通常是肉食性動物或雜食性動物。

雜食性動物 (Omnivores)

雜食性動物是指其食性涵蓋植物和動物兩大類食物的動物。

1. 定義: 雜食性動物 (Omnivore) 是一種生物，牠們的飲食包含兩種或更多不同來源的食物，通常是植物性食物和動物性食物。
2. 生態學意義:
   • 生態位 (Niche)：雜食性動物通常具有較廣泛的生態位，因為牠們可以利用多種資源。這使得牠們在不同環境條件下具有較強的適應性。
   • 食物鏈/食物網中的位置: 雜食性動物可以同時位於不同的營養階層。

葉面積指數 (Leaf Area Index, LAI)

葉面積指數 (LAI) 是一個用於量化植被冠層結構的重要參數，特別是在生態學、農業和林業研究中。

1. 定義: 葉面積指數 (LAI) 是指在單位地面面積上，所有葉片的一面總面積與該地面面積的比值。
   $\text{LAI} = \frac{\text{單面葉片總面積}}{\text{單位地面面積}}$
   通常，這個比值是無量綱的，但有時會以「公頃/公頃」或「平方米/平方米」表示。
2. 單位地面面積: 通常指水平投影的地面面積。
3. 葉片面積: 指葉片單一表面的總面積。對於某些非葉狀的結構（如針葉），其面積計算方式可能有所不同。
4. 生態學意義:

資源分配 (Resource Partitioning)

資源分配是指在生態系統中，不同物種為了共存而利用不同資源或以不同方式利用相同資源的現象。這是避免競爭、促進物種共存的重要機制。

1. 定義: 資源分配是指兩個或多個物種通過利用環境中不同種類的資源（如食物、空間、時間、光照、水分等），或以不同方式（如不同的覓食時間、棲息地偏好、食物處理方式）利用同一種資源，從而減少牠們之間的直接競爭。
2. 機制: 資源分配可以通過多種方式實現：
   • 食物資源: 不同物種攝食不同種類的食物，或者攝食相同食物的不同部位或不同大小的個體。
   • 空間資源: 不同物種利用不同的棲息地，如在森林的不同高度活動（樹冠、樹幹、地面），或在水體的不同深度棲息。

冗餘假說 (Redundancy Hypothesis)

冗餘假說，也稱為生態冗餘假說 (Ecological Redundancy Hypothesis) 或功能冗餘假說 (Functional Redundancy Hypothesis)，是關於生物多樣性與生態系統功能之間關係的理論之一。

1. 定義: 冗餘假說認為，在一個生態系統中，許多物種可能在功能上是相似的或可替代的。也就是說，即使某些物種消失，其生態功能也可以被其他物種所替代，從而維持生態系統功能的穩定性。
2. 核心觀點:
   • 功能相似性: 許多物種可能執行相似的生態功能（例如，多種食草動物可能以相同的植物為食，或多種分解者可能分解相同的有機物）。
   • 穩定性: 這種功能上的冗餘性有助於維持生態系統在面臨干擾或物種損失時的穩定性。

區域物種庫 (Regional Species Pool)

區域物種庫是指在一個地理區域內，所有可能到達並在該區域內定殖的物種的總和。它代表了潛在的物種組成，是形成局部群落的「原材料」。

1. 定義: 區域物種庫 (Regional Species Pool)，有時也稱為物種庫 (Species Pool) 或潛在物種庫 (Potential Species Pool)，是指一個較大地理尺度（如一個省、一個國家、一個生態區）內存在的、有能力在特定棲息地定殖並生存的物種集合。
2. 與局部群落的關係:
   • 局部群落 (Local Community)：指在一個特定的、較小的棲息地（如一片森林、一個湖泊）中實際存在的物種集合。
   • 過濾機制 (Filter Mechanisms)：從區域物種庫到局部群落的過程受到一系列「過濾器」的篩選。這些過濾器包括：

演替 (Succession)

演替是指一個生態系統群落隨著時間的推移而發生的、有規律的、非週期性的變化過程。

1. 定義: 生態演替 (Ecological Succession) 是指一個特定地點的生物群落，由一個群落被另一個群落逐步取代，進而發生有序的、可預測的變化過程。這種變化通常涉及物種組成、結構和功能的改變。
2. 類型:
   • 初級演替 (Primary Succession)：發生在一個全新、原本沒有生命的基質上（如火山岩、裸露的沙丘、冰川退去後的土地）。這個過程通常從先驅物種（如地衣、苔蘚）開始，經過漫長的過程，最終形成相對穩定的頂極群落。
   • 次級演替 (Secondary Succession)：發生在一個曾經有過生物群落，但因干擾（如火災、洪水、砍伐、農田廢棄）而遭到破壞，但土壤和部分生物殘存的地區。次級演替通常比初級演替快，因為已有土壤和種子庫可供利用。
3. 階段: 演替過程通常經歷以下階段：