# 核心：生态系统

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> 来源: https://www.owlsprep.com/zh/study/ib-biology-hl-u2-core-ecosystems/

本亚主题涵盖生态系统的结构和关键过程，包括生物与非生物组分之间的相互作用、营养级之间的单向能量流动，以及封闭的物质循环。

**先修:** [细胞呼吸](https://www.owlsprep.com/zh/study/ib-biology-hl-u1-cell-respiration/); [光合作用](https://www.owlsprep.com/zh/study/ib-biology-hl-u1-photosynthesis/)

## 学习目标

- 区分生态系统中的生物组分和非生物组分
- 描述生态系统中的能量流动和物质循环
- 识别食物网中生物所处的多个营养级
- 解释分解者在养分循环中的作用

## 生态系统结构：生物组分与非生物组分

**生态系统** — 由生物群落（生物组分）与其非生物物理环境相互作用构成的单一统一系统。生态系统大小不一，小到水坑，大到整片雨林。

*例:* 岩岸生态系统包括海藻和螃蟹（生物因素），以及水温、岩石pH值和盐度（非生物因素）。

所有生态系统因素可分为两大核心类别：生物组分包括所有活生物体及它们之间的生物相互作用，而非生物组分包括所有影响环境的非生物物理和化学因素。

- 常见非生物因素：温度、水分可得性、光照强度、土壤pH、养分浓度、盐度
- 常见生物因素：捕食、竞争、共生、疾病、分解

**例题:** 一名学生列出了温带森林的以下特征：1. 橡树、2. 土壤pH值5.5、3. 落叶分解速率、4. 冬季温度2°C。请将每个特征归类为生物因素或非生物因素。

1. 回忆两者的定义：生物因素 = 与活生物体/其活动相关；非生物因素 = 非生物的物理/化学性质。
2. 1. 橡树：生物因素（它是活生物体）
3. 2. 土壤pH值5.5：非生物因素（土壤的非生物化学性质）
4. 3. 落叶分解速率：生物因素（分解由活生物体进行，属于生物相互作用）
5. 4. 冬季温度2°C：非生物因素（非生物物理环境因素）

> **考试提示:** 时刻记住：分解、竞争这类生物过程都归类为生物因素，而非非生物因素。

## 营养级与取食关系

**营养级** — 生物在食物链或食物网中所处的位置，由其从其他生物获取能量和养分的方式定义。

生产者（自养生物）占据第一营养级，通过光合作用合成自身的有机物。消费者（异养生物）占据更高营养级，通过取食其他生物获取能量。分解者分解死有机物以循环利用养分。

**例题:** 灰狼既捕食鹿（以草为食的初级消费者），也捕食河狸（以植食性鱼类为食的次级消费者）。请找出灰狼占据的所有营养级。

1. 梳理第一条取食链：草（T1：生产者）→ 鹿（T2：初级消费者）→ 灰狼。在这条链中，灰狼处于第三营养级（次级消费者）。
2. 梳理第二条取食链：藻类（T1：生产者）→ 植食性鱼类（T2：初级消费者）→ 河狸（T3：次级消费者）→ 灰狼。在这条链中，灰狼处于第四营养级（三级消费者）。
3. 结论：灰狼占据两个营养级：第三营养级（次级消费者）和第四营养级（三级消费者）。

> **tip**
>
> 大多数杂食动物和广食性捕食者根据捕食对象的不同占据多个营养级。永远不要假设生物在食物网中只有一个固定的营养级。

## 生态系统中的能量流动

能量在生态系统中单向流动，不会循环利用。相邻营养级之间大约只有10%的能量能够传递。剩余90%的能量会通过细胞呼吸以热量形式散失，被用于生物体自身的生长和维持，或未被消化无法被下一营养级利用。

**例题:** 如果草原中的生产者通过光合作用固定了10,000 kJ的能量，那么次级消费者可获得多少能量？

1. 回忆相邻营养级之间的10%传递定律。
2. 计算初级消费者（第二营养级）可获得的能量：
3. $$0.1 \times 10000 = 1000 \text{ kJ}$$
4. 计算次级消费者（第三营养级）可获得的能量：
5. $$0.1 \times 1000 = 100 \text{ kJ}$$
6. 最终答案：次级消费者可获得100 kJ的能量。

> **info**
>
> 10%能量以热量形式散失符合热力学第二定律，该定律指出所有能量转化都是低效的，总有一部分能量会以无序（热量）形式散失。

## 生态系统中的物质循环

与能量不同，养分（碳、氮、磷）在生态系统的闭合生物地球化学循环中被循环利用。分解者（腐生细菌、真菌和食碎屑生物）发挥关键作用，它们分解死有机物，将无机养分释放回环境供生产者重新利用。

**生物地球化学循环** — 将养分在地球的生物（活的）和非生物（非活）库之间循环的闭合系统，长期来看总养分没有净增加或净损失。

**例题:** 请解释为什么生态系统中物质循环是闭合系统，而能量流动是开放系统。

1. 定义开放系统和闭合系统：开放系统与外界交换能量和物质，而闭合系统在内部循环物质，没有净变化。
2. 对于能量流动：能量以阳光形式进入生态系统，最终通过细胞呼吸以热量形式永久散失，因此它持续与外界交换，属于开放系统。
3. 对于物质循环：养分永远不会从生态系统中消失，它们持续在生物库和非生物库之间循环，因此对于物质来说是闭合系统。

## 常见错误

- **错误做法:** 将分解归类为非生物因素
  - 原因: 分解是完全由活的分解者进行的生物过程，因此属于生物之间的相互作用
  - 正确做法: 将分解和所有其他生物过程（竞争、捕食）归类为生物因素
- **错误做法:** 计算时假设营养级之间的能量传递效率为100%
  - 原因: 学生经常忘记大部分能量在细胞呼吸过程中以热量形式散失，只有约10%能在营养级之间传递
  - 正确做法: 能量计算问题永远使用10%传递定律，记住能量不会循环
- **错误做法:** 为食物网中的每个生物只分配一个固定的营养级
  - 原因: 杂食动物和广食性捕食者根据猎物不同在多个营养级取食，因此它们有多个营养位置
  - 正确做法: 根据食物网中显示的所有取食关系，找出该生物占据的所有营养级
- **错误做法:** 认为养分在循环过程中会永久从生态系统中消失
  - 原因: 学生经常混淆能量流动和物质循环，错误地将能量单向流动的规律套用在养分上
  - 正确做法: 记住养分在生态系统中持续循环和重复利用，只有能量是单向流动并以热量形式散失

## 速查表

| 概念 | 核心要点 | 基本规律 |
| --- | --- | --- |
| 生物因素 | 活生物体、捕食、分解 | 全部与活生物体活动相关 |
| 非生物因素 | 温度、pH、盐度、光照 | 非生物的物理/化学性质 |
| 能量流动 | 从太阳能到热量的单向传递 | 营养级之间约10%传递效率 |
| 物质循环 | 碳循环、氮循环、磷循环 | 闭合系统，养分被循环利用 |
| 营养级 | 1：生产者、2：初级消费者、3：次级消费者、4：三级消费者 | 杂食动物占据多个营养级 |

## 下一步

理解生态系统核心结构是IB生物HL中进一步学习更复杂生态学主题的基础。你将在此知识基础上，分析气候变化对生态系统的影响，构建种群增长动态模型，评估生物多样性保护策略。本主题还联系了细胞生物学中的核心能量概念，将光合作用和呼吸作用这类分子水平过程与大尺度生态系统功能联系起来。

- [AHL: 蛋白质结构与功能](https://www.owlsprep.com/zh/study/ib-biology-hl-u2-ahl-protein-structure-and-function/)
- [AHL: 膜结构与运输](https://www.owlsprep.com/zh/study/ib-biology-hl-u2-ahl-membrane-structure-and-transport/)
- [AHL: 脊椎动物器官系统](https://www.owlsprep.com/zh/study/ib-biology-hl-u2-ahl-vertebrate-organ-systems/)

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