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開園前的臺中都會公園,是一片以臺糖甘蔗田為主的大肚山旱作林地,動物資源貧乏,文獻上多記載著金龜啃食大肚山植物;造成生態破壞等少量紀錄。開園後,因日益豐富的林相,提供穩定的食物來源與安全的庇護棲地, 因此吸引更多動物出現在園區內。哺乳類以甘蔗園最常見的鬼鼠、出沒於相思林的赤腹松鼠,以及早期活躍於低海拔草生地的臺灣野兔(臺灣特有亞種)最為常見,入夜後出現的東亞家蝠,也是常見的哺乳類動物。目前哺乳類名錄共計7科10種。爬蟲類最常見的,莫過於水域中不同齡層;大大小小的外來入侵種紅耳龜(巴西龜),以及數量相對較少的斑龜。樹幹上的斯氏攀蜥、草地上若隱若現的蓬萊草蜥,還有夏季出沒的臭青母、雨傘節等。目前此類名錄共計6科7 種。兩生類動物有中國樹蟾、貢德氏赤蛙、黑眶蟾蜍、小雨蛙、澤蛙。目前此類名錄共計4科5種。魚類方面,分布於景觀湖以及生態湖區,以吳郭魚、鯉魚、鯽魚、大肚魚為主,尤其在生態湖區常可見到親魚護仔的畫面。目前此類名錄共計5科7種。鳥類方面,八十八公頃的園區提供多元食物與遮蔽場所,造就臺中都會公園豐富的鳥類資源。麻雀、白頭翁、紅鳩、綠繡眼等留鳥,在園區內隨處可見,還有披覆雪白羽翼的小白鷺、黃頭鷺,以及追隨鋤草工作的大卷尾,都是常見於園區的鳥類。覓食於林下的白腹鶇、灌木叢裡的小彎嘴、樹洞中築巢的小啄木,以及停棲在西側林內的黑冠麻鷺,皆為穩定的鳥類紀錄種。水域中的綠頭鴨群在自然繁衍後,數量與日俱增。冬季候鳥以秋冬入住的紅尾伯勞為主,過境鳥則屬清明時節的灰面鵟鷹最易觀察,而近年冬天出現的花雀、桑鳲與虎鶇,更讓臺中都會公園成為賞鳥人士冬天的熱門地點,還有出沒於東側人跡較少的大冠鷲,都是臺中都會公園的住民。目前鳥類名錄共計30科50種。最後要介紹的是臺中都會公園族群最大;同時也是世界上生物比例超過75%的昆蟲綱。水域有蜻蜓、豆娘、水黽,草原上有蟋蟀、蝗蟲、螽蟴、竹節蟲,林下有倚賴植物維生的金龜子、天牛、椿象、象鼻蟲,具強悍鐮刀狀狩獵肢的螳螂,以及位於食物鏈底層;扮演分解角色的白蟻。此外,數量與種類眾多的鱗翅目的蝴蝶與蛾,提供園區生態觀察的穩定素材。值得一提的是每年春夏交替之際,從臺灣南方往北移動的斑蝶類,在臺中都會公園有計畫栽植寄主植物與蜜源植物的條件下,已成為臺中都會公園當季特有的生態景觀。園方為此特別舉辦紫斑蝶季,希望透過活動引導,傳遞物種保育與環境維護的重要訊息。目前昆蟲名錄共計83科230種。

臺中都會公園