歡迎來到課題 10.3：生態系統的變化！

在本章中，我們將探索大自然充滿動感的一面。如果你觀察今天的森林，它看起來好像一直都在那裡，但它很可能最初只是一片裸露的土地或岩石。生態系統透過一種稱為演替（succession）的過程不斷演變和改變。我們還會探討各種決定某個區域內生物數量的因素——包括生物和非生物因素。不用擔心內容看起來太多，我們會一步步為你拆解！


1. 演替：生態系統如何「成長」

你可以把演替想像成生態系統的「人生故事」。這是一個區域內物種組成隨時間而改變的過程。你需要掌握兩種主要類型：原生演替（Primary Succession）和次生演替（Secondary Succession）。

原生演替：從零開始

這發生在一個從未有過生物定居的地方。想像一下一個全新的火山島，或者一個冰川退縮後留下的裸露岩石。這裡沒有土壤，只有岩石。

逐步過程：

  1. 定居：最早抵達的生物稱為先鋒物種（pioneer species）（如地衣或藻類）。它們是植物界的「硬漢」，因為它們能在只有極少量水分的裸露岩石上生存。
  2. 風化：當先鋒物種生長時，它們會分解岩石。當它們死亡後，會被微生物分解，將有機物質（腐殖質）添加到岩石碎片中。
  3. 土壤形成：這產生了基本的土壤。現在有了土壤，苔蘚和蕨類等小型植物就能生長了。
  4. 複雜度增加：隨著這些較大的植物死亡，土壤會變得更深、更有營養。這讓更大的植物如草本植物、灌木，最後是樹木能夠進入。
  5. 頂極群落：最終，生態系統達到一個穩定的狀態，稱為頂極群落（climax community）。這通常是一個林地或森林，除非發生重大事件，否則不會有太大變化。

次生演替：捲土重來

這發生在現有的生態系統被清除後（例如森林大火或農夫開墾農田），但土壤依然存在的情況下。由於土壤已經具備，這個過程比原生演替快得多。


類比：新房子

想像一下，原生演替就像從地基開始蓋房子——你必須先打好地基和砌磚。而次生演替就像搬進一間已經蓋好但需要重新裝修的房子——「地基」（土壤）已經在那裡了！


快速回顧：關鍵術語

  • 演替階段（Seral Stage）：演替過程中每一個獨立的變化階段。
  • 先鋒物種（Pioneer Species）：首批在裸露區域定居的物種。
  • 頂極群落（Climax Community）：演替的最後階段，穩定且能自我維持。

你知道嗎？不同的氣候會導致不同的頂極群落。在非常寒冷乾燥的地區，頂極群落可能只是苔蘚和地衣組成的苔原，而不是參天大樹組成的森林！

核心要點：演替是生態系統隨時間的定向變化，從裸露的環境演變為複雜、穩定的頂極群落。


2. 影響種群大小的因素

一個物種的個體數量（種群大小，population size）並非隨機的。它受兩大因素控制：非生物因素（Abiotic）和生物因素（Biotic）。

非生物因素（非生命物質）

這些是環境中的物理和化學部分。如果這些條件不理想，種群就無法增長。例子包括：

  • 光照強度：植物需要光進行光合作用。沒光 = 沒食物 = 種群規模小。
  • 溫度：每個生物都有最適溫度。如果太熱或太冷，酶的活動會變慢，生物需要消耗能量來維持生存。
  • 水分供應：所有生命都需要水！
  • 土壤酸鹼值（pH）：這會影響哪些植物能生長以及礦物質的可用性。

生物因素（生命物質）

這些是生物之間的相互作用。隨著種群增長，這些因素會變得愈發重要。

  • 競爭：生物爭奪相同的資源（食物、空間、配偶）。
    • 種內競爭（Intraspecific competition）：在同一物種成員之間。
    • 種間競爭（Interspecific competition）：在不同物種成員之間。
  • 捕食：如果捕食者數量增加，獵物的數量通常會減少。
  • 疾病：在擁擠的種群中，病原體（如細菌或病毒）傳播得更快，這可能導致種群數量崩潰。

避開常見誤區：學生常以為「穩定」的種群大小意味著數量永遠不變。事實上，它通常是在一個稱為環境容納量（carrying capacity）的水平附近波動（上下起伏）——這是環境所能維持的最大種群數量。

核心要點：種群大小是一種平衡。非生物因素通常決定了一個物種能否在那裡生存，而生物因素則通常決定了種群最終的「規模」。


3. 核心實習 16：調查非生物因素

在這個實習中，你將調查某個非生物因素（如光照強度或土壤濕度）如何影響物種的分佈（distribution）或形態（morphology，即它們長什麼樣子）。

示例方法：

  1. 放置一條樣方線（transect）（一條長皮尺），跨越非生物因素發生變化的區域（例如從樹蔭下延伸到陽光充足的草地）。
  2. 沿著樣方線每隔一段距離放置樣方（quadrats）。
  3. 在每個樣方內，計算所選物種（例如雛菊）的個體數量，或測量它們的葉片大小（形態）。
  4. 使用適當工具測量每個樣方內的非生物因素（例如光度計）。
  5. 分析：使用統計檢定，如斯皮爾曼等級相關係數（Spearman’s Rank Correlation Coefficient），來查看非生物因素與物種之間是否存在顯著關聯。

區分非生物與生物的記憶法：

記住 "A" 在字首通常代表「無」的意思。
Bio = 生命。
Biotic（生物的） = 有生命的。
A-biotic（非生物的） = 無生命的（非生物）。

核心要點：我們使用樣方線和樣方進行科學驗證，證明環境變化（非生物因素）會導致生物體（生物群落）的變化。


章節總結

  • 演替是生態系統從裸露土地發展為頂極群落的過程。
  • 先鋒物種的定居是原生演替的第一步。
  • 非生物因素（非生命）和生物因素（生命）相互作用，共同決定物種的種群大小。
  • 環境容納量是生態系統能支持的最大種群規模。
  • 我們可以利用野外考察技術（如樣方線和樣方）來衡量這些影響。