112 年 國立臺灣大學地理環資系碩士班甲組《自然地理學》

此題主要在測試考生對生物地理學中，利用氣候圖（特別是生物群落帶狀圖，Biome Gradient Diagram）來劃分不同生態系的能力，以及預測氣候變遷對特定生態系影響的分析能力。

第一部分：生態系標示於氣候圖

生物群落帶狀圖（Biome Gradient Diagram）通常是以年均溫（Mean Annual Temperature）和年總降水量（Annual Precipitation）為座標軸，來劃分不同的生物群落（Biomes）。雖然題目中未提供圖示，但根據各生態系的典型氣候特徵，可將其標示於圖中大致位置：

• A. Tropical rainforest (熱帶雨林)：高溫、豐沛的年降水量。位於圖的右上角（Warm, Wet）。
• B. Tropical seasonal forest (熱帶季風林/乾濕季林)：高溫，但年降水量有明顯的乾濕季變化，整體降水量較熱帶雨林少。位於熱帶雨林下方，往乾旱方向移動。
• C. Tropical thorn scrub and woodland (熱帶荊棘灌叢與林地)：高溫，但年降水量較少，常有乾旱期。位於熱帶季風林下方，更乾旱的區域。
• D. Desert (沙漠)：高溫或低溫皆有可能，但年降水量極少。位於圖的右下角或左下角（Warm/Cold, Dry）。
• E. Temperate rainforest (溫帶雨林)：溫和的氣溫，豐沛的年降水量。位於圖的左上角（Cool/Moderate, Wet）。
• F. Temperate forest (溫帶森林)：溫和的氣溫，中等至豐沛的年降水量。位於溫帶雨林下方，往乾旱方向移動。
• G. Savanna (稀樹草原)：高溫，有明顯的乾濕季，年降水量介於森林與沙漠之間。位於熱帶區域，但降水量較少。
• H. Taiga (泰加林/北方針葉林)：低溫，年降水量中等，但蒸發量低。位於圖的左側，較冷的區域（Cold）。
• I. Grassland (草原)：溫和至涼爽的氣溫，年降水量中等，不足以支持森林。位於溫帶森林下方，往乾旱方向移動。
• J. Tundra (苔原)：極低溫，年降水量少，但蒸發量極低。位於圖的最左側，最冷的區域（Cold, Dry）。

此題考驗考生對不同地表覆蓋類型（都市、草澤濕地、森林）在水文循環和能量收支方面的理解與比較能力。考生需要繪製示意圖並進行文字說明。

核心觀念：
水文循環涉及蒸發、蒸騰、降水、滲漏、地表徑流等過程；能量收支則涉及太陽輻射的吸收、反射、轉換為感熱、潛熱以及地表能量的傳輸。不同的地表覆蓋會顯著影響這些過程的效率與特徵。

繪圖說明（示意圖，需考生自行繪製）：
考生需繪製三張示意圖，分別代表都市、草澤濕地、森林，並標示出水文循環的關鍵路徑（降水、蒸發、蒸騰、滲漏、徑流）和能量收支的關鍵要素（入射太陽輻射、反照率、地表吸收輻射、感熱通量、潛熱通量、土壤熱通量等）。

比較說明：

1. 都市地區 (Urban Area)

   • 水文循環：
     • 蒸發/蒸騰：極低。由於地表被不透水層（建築、道路）覆蓋，且植被稀少，植物蒸騰作用微弱。
     • 滲漏：極低。不透水表面阻礙水分下滲進入土壤。
     • 地表徑流：極高。降水迅速形成大量地表徑流，容易導致都市洪災。排水系統加速徑流匯集。
     • 蒸發：從不透水表面（如屋頂、道路）蒸發可能較快，但總體蒸發量低。
   • 能量收支：
     • 反照率 (Albedo)：低。建築物、瀝青路面等深色表面吸收大量太陽輻射。
     • 吸收輻射：高。
     • 感熱通量：高。大部分吸收的能量轉化為加熱空氣的感熱，導致都市熱島效應。
     • 潛熱通量：低。因蒸發散量極少。
     • 土壤熱通量：較低（相對總能量）。
     • 總體效應：地表溫度顯著升高（都市熱島效應）。

2. 草澤濕地 (Wetland/Grassland)

   • 水文循環：
     • 蒸發/蒸騰：高。豐富的水分和植被（草本植物）提供了大量的蒸發散機會。
     • 滲漏：高。土壤通常較為疏鬆，且飽和度高，但仍有一定程度的滲漏。
     • 地表徑流：中等至低。

核心觀念

本題考查露點與水蒸氣壓、相對濕度、比濕度，以及大氣直減率與穩定度。露點溫度是空氣冷卻至飽和時的溫度，因此測站的實際水蒸氣壓等於露點溫度下的飽和水氣壓。比濕度可由水蒸氣壓與總氣壓計算；大氣穩定度則比較環境直減率、乾絕熱直減率與濕絕熱直減率。

解題方法

原卷給定測站位於海平面，氣壓為 $100\ \text{kPa}$、氣溫為 $28.0^\circ\text{C}$、露點為 $24.0^\circ\text{C}$；測站正上方 $500\ \text{m}$ 處的氣溫為 $24.5^\circ\text{C}$。以下以露點求實際水蒸氣壓，再計算相對濕度與比濕度；穩定度則由地面至 $500\ \text{m}$ 的環境直減率判斷。

（1）水蒸氣壓、相對濕度與比濕度

(a) 測站實際水蒸氣壓等於露點溫度 $24.0^\circ\text{C}$ 下的飽和水氣壓：

(b) 相對濕度為實際水蒸氣壓除以測站氣溫下的飽和水氣壓：

(c) 比濕度 $q_v$ 為水蒸氣質量除以濕空氣總質量。以水氣與乾空氣的氣體常數比 $\varepsilon\approx0.622$ 表示：

因此，比濕度約為 $18.8\ \text{g kg}^{-1}$。將水蒸氣壓代回比濕度公式，所得數值小於 $1$ 且約為每公斤濕空氣含 $18.8$ 克水氣，符合比濕度的量級。

（2）大氣穩定度

環境直減率為地面至 $500\ \text{m}$ 的溫度變化率：

此題考驗考生對土壤形成（風化作用）過程的理解，包括其步驟、過程以及最終形成的特徵。

核心觀念：
土壤是岩石經過物理、化學和生物作用（風化作用）後，與有機質混合而形成的鬆散表層物質。風化作用是將固態岩石轉化為可供植物生長的土壤的關鍵過程。

步驟與過程：

土壤形成是一個漫長且複雜的過程，主要包含以下幾個步驟：

1. 母質 (Parent Material)：

   • 說明：土壤形成的第一步是存在可以被風化的岩石或沉積物。這就是母質。母質可以是原地岩石（In situ），即岩石在其原位置被風化；也可以是搬運來的沉積物（如冰磧、沖積、風積等）。
   • 特徵：母質的種類（如花崗岩、砂岩、頁岩等）決定了土壤的初始礦物成分、質地和陽離子交換量。

2. 風化作用 (Weathering)：

   • 說明：母質受到各種環境因素的影響而破碎、分解、轉化，這個過程稱為風化。風化作用可分為物理風化、化學風化和生物風化。
   • 物理風化 (Physical Weathering)：
     • 過程：通過溫度變化（熱脹冷縮）、水的作用（凍融、水楔）、鹽類結晶、風力、重力等物理力量，將大塊岩石破碎成較小的顆粒（礫石、砂、粉砂、黏土）。
     • 特徵：物理風化主要改變岩石的粒度（大小），但不改變其化學成分。例如，石英砂就是物理風化後的產物。
   • 化學風化 (Chemical Weathering)：
     • 過程：通過水的溶解、氧化還原、水解、碳酸作用等化學反應，使岩石中的礦物成分發生變化，生成新的礦物（如黏土礦物）或可溶性物質。
     • 特徵：化學風化改變岩石的化學成分，將不穩定的礦物轉化為穩定的礦物，並釋放出養分。例如，長石水解生成高嶺石（黏土礦物）和可溶性的矽酸鹽、鉀離子等。
   • 生物風化 (Biological Weathering)：
     • 過程：生物體（植物根系、微生物、動物）通過物理和化學方式對岩石進行破壞和分解。例如，植物根系楔入岩石縫隙，微生物分泌酸性物質等。
     • 特徵：生物風化是物理和化學風化的協同作用，加速了岩石的破碎和分解。

3. 土壤有機質的積累 (Accumulation of Organic Matter)：

此題為應用題，結合了自然地理學的知識，要求考生針對蘭陽溪流域的地理環境特徵，評估在氣候變遷缺水威脅下興建大型水壩的可行性與潛在問題。

核心觀念：
評估水利工程（如水壩）的適宜性，需要綜合考量流域的自然地理條件，並結合氣候變遷的預測影響。

蘭陽溪流域地理環境特徵與水壩評估：

1. 地質 (Geology)

   • 蘭陽溪流域地質概況：蘭陽溪上游位於中央山脈與雪山山脈的東北麓，地質構造複雜，多為變質岩與沉積岩。下游則進入蘭陽平原，沖積層厚。
   • 潛在問題：
     • 斷層與活動性：該區域位於台灣東部的板塊交界帶附近，地質構造活躍，可能存在活動斷層。大型水壩的興建可能誘發地震，或受地震影響而失效，造成嚴重災害。
     • 岩石穩定性：上游山區部分岩石可能較破碎或易於滑動，壩址的選擇需極度謹慎，以避免潛在的山體滑坡和壩體潰決風險。
     • 輸砂問題：蘭陽溪流域土石鬆動，輸砂量大。水庫淤積問題會嚴重縮短水庫壽命，影響蓄洪與供水功能。

2. 地形 (Topography)

   • 蘭陽溪流域地形概況：上游為高山峽谷地形，坡度陡峻；中游漸趨寬闊；下游為寬廣的蘭陽平原。
   • 潛在問題：
     • 壩址選擇困難：適合興建大型水壩的狹窄峽谷地形可能較少，或地質條件不佳。
     • 淹沒問題：若選擇在較寬闊處或平原上游興建水壩，可能淹沒大面積土地，包括農田、聚落，造成社會經濟衝擊。
     • 輸砂影響：陡峻地形加速了岩石風化和侵蝕，增加輸砂量，加劇水庫淤積。

3. 氣候 (Climate)

   • 蘭陽溪流域氣候概況：屬於副熱帶季風氣候，迎風坡（東北季風）降雨充沛，尤其在冬季。但近年來極端天氣事件增加，包括乾旱期延長和強降雨事件。
   • 氣候變遷下的缺水威脅：
     • 降雨不確定性增加：雖然蘭陽溪整體降雨量仍算充沛，但氣候變遷可能導致旱季延長、降雨強度變化，使傳統的水文預測模式失效。
     • 供水壓力：隨著氣候變遷，如果長期降雨量減少或分配不均，單靠水庫蓄水可能無法穩定滿足灌溉、民生和工業用水需求。
     • 極端降雨：另一方面，氣候變遷也可能導致更強的颱風和豪雨，增加水庫洩洪壓力，甚至引發潰壩風險。

4. 水文 (Hydrology)

   • 蘭陽溪流域水文概況：蘭陽溪水量豐沛，是台灣主要河流之一，但其水量受季節性降雨和颱風影響顯著，有明顯的枯水期和豐水期。
   • 潛在問題：
     • 枯水期供水風險：氣候變遷導致旱季延長，水庫蓄水量可能不足以應付枯水期的用水需求。

此題為名詞解釋與比較題，共包含五個小項，旨在測試考生對地理學中重要基礎概念的掌握程度，以及比較分析不同概念間關係的能力。

1. 生物多樣性 (Biodiversity) 與 地景多樣性 (Landscape Diversity)

• 生物多樣性 (Biodiversity)：

  • 概念：指地球上生命形式的多樣性，包括遺傳多樣性（同一物種內的基因變異）、物種多樣性（物種的豐富度和均勻度）以及生態系多樣性（棲地的種類和數量）。它強調的是生命體本身的豐富程度。
  • 例子：一個熱帶雨林擁有成千上萬種植物、動物、真菌和微生物；不同品種的稻米；海洋中的不同珊瑚礁生態系。

• 地景多樣性 (Landscape Diversity)：

  • 概念：指一個區域內空間異質性（Spatial Heterogeneity）的程度，即地景（Landscape）由多少不同類型的地景單元（Landscape Elements，如森林、農田、河流、聚落、濕地等）組成，以及這些單元在空間上的配置和結構。它強調的是空間結構和組成上的差異。
  • 例子：一個同時包含森林、草原、河流、湖泊和農田的區域，其地景多樣性就高；一個只有單一地貌（如大面積的森林）的區域，地景多樣性較低。

• 相似之處：

  • 關聯性：生物多樣性往往與地景多樣性高度相關。地景中存在越多樣化的棲地（地景單元），就越能支持更多樣化的物種和生態系，從而提高生物多樣性。例如，破碎化的地景（多種地景單元混合）可能支持比單一地景更高的物種數量。
  • 空間尺度：兩者都與地理空間有關，描述的是某一區域內的差異性。

• 相異之處：

  • 核心關注點：生物多樣性關注的是「生命」本身的豐富度，而地景多樣性關注的是「空間結構」和「地貌組成」的豐富度。
  • 組成元素：生物多樣性由生物體（基因、物種、生態系）構成；地景多樣性由非生物（地貌、水體、人造物）和生物（植被、棲地）構成的空間單元構成。
  • 尺度影響：地景多樣性是生物多樣性的空間載體。一個地景可以支持多樣的生物，但其地景本身的組成可能較單一（例如，一個由許多大小不一的湖泊組成的大區域，地景單元是湖泊，但湖泊內的生物多樣性才是生物多樣性）。

2. 內營力 (Endogenic Forces) 與 外營力 (Exogenic Forces)

• 內營力 (Endogenic Forces)：

  • 概念：指來自地球內部的能量所驅動的地表營力，主要與地球內部放射性元素的衰變、地函對流、岩漿活動等有關。這些力量通常導致地殼的變形、抬升、沉降、火山活動和地震。
  • 例子：造山運動（板塊碰撞）、火山噴發、地震、地殼的斷裂與褶皺、岩漿侵入。

• 外營力 (Exogenic Forces)：

  • 概念：指來自地球外部（主要是太陽輻射和重力）的能量所驅動的地表營力，作用於地球表層，主要表現為風化、侵蝕、搬運和沉積。
  • 例子：河流侵蝕、風力侵蝕、冰川侵蝕、海浪侵蝕、降雨的沖刷、重力滑坡、風化作用。

• 相似之處：

  • 影響地表形態：兩者都是塑造地球表面形態的主要營力。
  • 相互作用：內營力創造了高聳的山脈、深邃的裂谷等地形，為外營力提供了作用的舞台和能量來源（例如，高山提供了高差，使河流侵蝕作用更強烈）。

• 相異之處：

  • 能量來源：內營力來自地球內部；外營力來自地球外部（太陽能、重力）。
  • 作用方向：內營力通常是「創造性」的，使地表抬升、褶皺，形成高差；外營力通常是「破壞性」或「夷平性」的，使地表降低、平坦化。
  • 時間尺度：內營力的作用往往是劇烈且快速的（如地震、火山爆發），但也可能緩慢長期的（如造山運動）；外營力的作用通常是緩慢、漸進的，但持續不斷。
  • 結果：內營力形成構造地形（如褶皺山、斷層崖）；外營力形成侵蝕地形（如河谷、峽谷）和沉積地形（如三角洲、沙丘）。

3. 物理風化 (Physical Weathering) 與 化學風化 (Chemical Weathering)

• 物理風化 (Physical Weathering)：

  • 概念：通過物理力量（如溫度變化、水的作用、壓力變化）將大塊岩石破碎成較小的岩石碎塊，但不改變其化學成分。
  • 過程：凍融作用（Frost Wedging）、熱脹冷縮（Thermal Expansion）、壓力釋放（Pressure Release）、鹽類結晶（Salt Crystallization）、水力作用（Hydraulic Action）。
  • 特徵：主要改變岩石的粒度，增加岩石的表面積。

• 化學風化 (Chemical Weathering)：

  • 概念：通過化學反應（如溶解、氧化、水解、碳酸作用）改變岩石的化學成分和礦物組成，生成新的礦物或可溶性物質。
  • 過程：溶解（Solution）、氧化（Oxidation）、水解（Hydrolysis）、碳酸作用（Carbonation）。
  • 特徵：將不穩定的礦物轉化為穩定的礦物，釋放出離子，是土壤形成過程中提供養分的關鍵。

• 相似之處：

  • 共同目標：兩者都作用於岩石，旨在將其分解、破碎，為土壤形成奠定基礎。
  • 協同作用：物理風化通過破碎岩石，增加了岩石的表面積，為化學風化提供了更多的反應接觸面，從而加速了化學風化。