# 生态系统中的循环

> 爱德思国际GCSE生物 · 4BI1 2017年考纲
> 来源: https://www.owlsprep.com/zh/study/edexcel-igcse-biology-s4-cycles-within-ecosystems/

本指南涵盖爱德思IGCSE生物第4部分要求掌握的两大关键养分循环：所有考生都需掌握的核心碳循环，以及仅面向试卷2要求的生物专属氮循环，包含评分标准要求的所有相关过程。

**先修:** [生态系统与食物链](https://www.owlsprep.com/zh/study/edexcel-igcse-biology-s4-ecosystems-food-chains/); [光合作用与呼吸作用基础](https://www.owlsprep.com/zh/study/edexcel-igcse-biology-s2-photosynthesis-respiration/)

## 学习目标

- 描述碳循环的所有阶段，包括光合作用、呼吸作用、分解作用和燃烧作用
- （仅生物学科要求）描述氮循环的各个阶段，包括关键功能细菌类群的作用
- 解释养分如何在生态系统的生物组分与非生物组分之间循环利用

## 生态系统养分循环概述

碳、氮等养分属于有限资源。生态系统依赖这些元素在生物有机体（生物群落）与环境的非生命部分（大气、土壤、水）之间持续循环，以支撑新生命生长、维持生态运转。

**养分循环** — 一种在生态系统的生物组分与非生物组分之间不断循环必需元素，使元素可以被反复利用的自然过程。

**概念自测**

1. Why are nutrient cycles essential for ecosystems?

   - They create new elements to support growth
   - They recycle finite elements for repeated use
   - They remove toxic waste from the atmosphere
   - They increase the total mass of elements available

   *答案:* They recycle finite elements for repeated use

   *解析:* Correct! Elements like carbon and nitrogen are not created out of nothing, so cycles allow them to be reused by new generations of organisms.

*计算器:* allowed

## 碳循环（所有考生要求，4.10）

碳循环描述了碳原子在大气（以$CO_2$形式存在）、生物量、化石燃料和海洋之间的持续运动。所有符合评分标准的答案都必须包含考纲中列出的四个指定过程。

**例题:** 按照爱德思IGCSE生物考试答题要求，简述碳循环的主要阶段。

1. 1. 大气中的$CO_2$是碳的主要非生物储库。
2. 2. 光合作用：植物和藻类从空气中吸收$CO_2$合成葡萄糖用于生长，将碳锁定在植物生物量中。当动物取食植物或其他动物时，碳沿食物链传递。
3. 3. 呼吸作用：所有生物（植物、动物、分解者）都通过呼吸作用释放能量，该过程会将$CO_2$返回大气。
4. 4. 分解作用：分解者（真菌、细菌）分解死亡生物和代谢废物，通过自身的呼吸作用将$CO_2$释放回空气中。
5. 5. 燃烧作用：燃烧化石燃料（由数百万年间被压缩的死亡生物形成）或木材，会将储存的碳以$CO_2$的形式释放到大气中。

> **考试提示**
>
> 在分值为3分及以上的碳循环相关题目中，即使你绘制了清晰的示意图，也必须明确写出全部四个过程（光合作用、呼吸作用、分解作用、燃烧作用）才能拿到满分。

**小结**

- 光合作用将$CO_2$从大气中移除；呼吸作用、分解作用和燃烧作用将$CO_2$返回大气
- 碳通过取食行为在不同营养级之间传递

*计算器:* allowed

## 氮循环（仅生物学科要求，试卷2，4.11B）

> **仅生物学科要求内容**
>
> 氮循环仅面向爱德思IGCSE生物（4BI1）单项认证考生，在试卷2中考查。双认证（4SD0）考生不需要学习本部分内容。

氮是氨基酸（构成蛋白质的基本单位）和DNA的核心组成成分，因此对所有生物的生长和繁殖都至关重要。大气中78%的成分为$N_2$气体，但它化学性质不活泼，无法被大多数动植物直接利用。

**例题:** 依据爱德思（Edexcel）考试大纲的要求，描述细菌在氮循环中的作用。

1. 1. 固氮细菌：将大气中性质不活泼的$N_2$转化为植物可吸收的含氮化合物（铵盐或硝酸盐）。部分固氮细菌生活在豆科植物（如豌豆、菜豆）的根瘤中，其余则在土壤中自由生活。闪电也能将少量大气中的$N_2$固定为可利用形态。
2. 2. 分解者：将死亡生物体内的蛋白质以及动物排泄物中的尿素分解为土壤中的铵类化合物。
3. 3. 硝化细菌：将土壤中的铵类化合物转化为硝酸盐，这是最易被植物根系吸收的氮元素形态。
4. 4. 反硝化细菌：这类细菌分布在积水、低氧的土壤中，可将土壤中过量的硝酸盐重新转化为$N_2$气体，释放回大气中，完成整个循环。
5. 5. 额外阶段：植物吸收硝酸盐合成自身所需的蛋白质；动物通过摄食植物或其他动物、消化其蛋白质获取所需的氮元素。

> **考试范围提示**
>
> 你无需记忆细菌的具体属名，例如*Rhizobium*或*Nitrosomonas*。仅需参照上文列出的细菌功能作用作答即可获得满分。

> **mnemonic**
>
> 记忆口诀：硝化细菌生成*硝酸盐（Nitrates）*，二者均以“硝（Nitr）”开头；*反（De）*硝化细菌会从土壤中*移除（Delete）*硝酸盐。

*计算器:* allowed

## 常见错误

- **错误做法:** Forgetting to include decomposition as a process that returns $CO_2$ to the atmosphere in the carbon cycle.
  - 原因: Many students only list respiration and combustion, missing that decomposers respire as they break down dead matter, which is a required mark point.
  - 正确做法: Always explicitly name photosynthesis, respiration, decomposition, and combustion as the four key carbon cycle processes.
- **错误做法:** Stating that plants can absorb atmospheric nitrogen gas directly.
  - 原因: Nitrogen gas is unreactive, so plants cannot use it without first being converted into nitrates or ammonium by bacteria.
  - 正确做法: Specify that plants only absorb nitrogen in the form of nitrates from soil via their roots.
- **错误做法:** Naming specific bacteria species (e.g., *Rhizobium*) in nitrogen cycle answers.
  - 原因: The Edexcel specification explicitly states specific bacterial names are not required, and including them wastes time and risks misspelling and losing marks.
  - 正确做法: Refer only to the functional groups: nitrogen-fixing, nitrifying, denitrifying, and decomposer bacteria.
- **错误做法:** Confusing the roles of nitrifying and denitrifying bacteria.
  - 原因: Students often mix up which bacteria convert ammonium to nitrates and which convert nitrates back to nitrogen gas.
  - 正确做法: Use the mnemonic: nitrifying bacteria make nitrates, denitrifying bacteria remove nitrates from soil.
- **错误做法:** Omitting feeding as a way carbon and nitrogen move along food chains.
  - 原因: Many students focus only on abiotic transfers, forgetting that both elements are passed between trophic levels when organisms eat other organisms.
  - 正确做法: Add a line stating carbon/nitrogen is passed up food chains via feeding in longer answer questions.

## 速查表

| Cycle | Key Processes / Roles | Inputs to atmosphere | Outputs from atmosphere |
| --- | --- | --- | --- |
| Carbon Cycle (All candidates) | Photosynthesis, respiration, decomposition, combustion, feeding | Respiration, decomposition, combustion | Photosynthesis ($CO_2$ uptake) |
| Nitrogen Cycle (Biology only) | Nitrogen fixation, decomposition, nitrification, denitrification, feeding | Denitrification ($N_2$ release) | Nitrogen fixation (bacteria + lightning) |

## 下一步

Now that you have mastered the core nutrient cycles in ecosystems, you can move on to learning about human impacts on these cycles, including how excess $CO_2$ from combustion drives global warming and how excess nitrogen fertilisers cause eutrophication, which are covered in the next ecology sub-topic. You should also practice past paper questions on both cycles to familiarise yourself with mark scheme wording, and make sure you can label blank cycle diagrams from memory for 4-6 mark structured questions. Double Award candidates can skip nitrogen cycle revision and move directly to human impacts content.

---

来自 [OwlsPrep](https://www.owlsprep.com) —— A-Level / IB / AP / IGCSE 免费学习指南，依据官方考纲编写。原页面：https://www.owlsprep.com/zh/study/edexcel-igcse-biology-s4-cycles-within-ecosystems/