# 核心内容：生态系统

> IB 生物 HL · IB DP 生物 HL 2025
> 来源: https://www.owlsprep.com/zh/study/ib-biology-hl-u4-core-ecosystems/

本模块介绍生态学研究的基本单位——生态系统的核心结构与功能。你将学习生物和非生物成分如何相互作用，能量如何流动，以及物质如何循环以维持地球上的生命。

**先修:** [基础生态学原理](https://www.owlsprep.com/zh/study/ib-biology-hl-introduction-to-ecology/); 按营养方式对生物体进行分类

## 学习目标

- 区分生态系统中的生物成分和非生物成分
- 解释生态系统中能量的单向流动和物质的循环运动
- 识别营养级并计算营养级之间的能量传递
- 对比简化食物链和复杂的真实食物网

## 生态系统的生物成分与非生物成分

**生态系统** — 由生物群落与其非生物物理环境相互作用形成，可与外界环境进行能量和物质交换的统一系统。

*例:* 海岸红树林沼泽，包括树木、鱼类、沉积物、盐度和阳光。

生物因素包括所有来源于活生物体的成分，即使该生物体已经死亡。非生物因素是环境中无生命的物理和化学性质，它们决定了生物体能够生存的区域。

**例题:** 将下列各项分类为生物因素或非生物因素：(a) 枯枝落叶层，(b) 海水温度，(c) 土壤中的细菌，(d) 湖泊中溶解的二氧化碳

1. 步骤1：记住任何来源于曾经存活生物体的物质都是生物因素。枯枝落叶来源于活植物，因此(a)是生物因素。
2. 步骤2：水温是无生命的物理性质，因此(b)海水温度是非生物因素。
3. 步骤3：细菌是活生物体，因此(c)是生物因素。
4. 步骤4：溶解的二氧化碳是环境中无生命的化合物，因此(d)是非生物因素。

> **考试提示:** IB考试经常考察你是否知道死有机质属于生物因素，而非非生物因素。

## 营养级与能量流动

**营养级** — 生物体在食物链中所处的位置，由其获取能量和营养的方式定义。

*记法:* T1 = primary producers, T2 = primary consumers, T3 = secondary consumers, T4 = tertiary consumers

能量在生态系统中单向流动：能量以太阳光（化能自养生物则为化学能）的形式进入生态系统，在每个营养级通过细胞呼吸以热量的形式散失。平均而言，只有约10%的能量能从一个营养级传递到下一个营养级，这个经验规律被称为10%定律。这种较低的传递效率限制了大多数生态系统所能支撑的营养级数量。

**例题:** 热带稀树草原生态系统的初级生产者储存了15000 kJ的能量。计算次级消费者可获得的大致能量。

1. 步骤1：将10%的传递效率转换为小数：10% = 0.1
2. 步骤2：初级生产者（T1）的能量 = 15000 kJ
3. 初级消费者（T2）的能量：
4. $$15000 \times 0.1 = 1500 \text{ kJ}$$
5. 步骤3：次级消费者（T3）的能量：
6. $$1500 \times 0.1 = 150 \text{ kJ}$$

> **考试提示:** 如果题目未指定传递百分比，默认使用10%。

## 生态系统中的物质循环

与能量不同，物质（包括碳、氮和水）在生态系统的生物和非生物成分之间持续循环。分解者（真菌和细菌）对该过程至关重要：它们分解死有机质，将营养物质释放回土壤或大气，供生产者重新利用。

**例题:** 概述大气中的氮如何成为植物细胞可用于合成蛋白质的物质。

1. 步骤1：大气中的惰性氮气(N₂)被固氮细菌固定为氨(NH₃)，固氮细菌要么生活在豆科植物的根瘤中，要么自由生活在土壤中。
2. 步骤2：硝化细菌先将氨转化为亚硝酸盐(NO₂⁻)，再转化为硝酸盐(NO₃⁻)，这是植物可以吸收的氮形式。
3. 步骤3：植物通过根系吸收硝酸盐，并用其合成含氮有机分子如氨基酸，再组装为蛋白质。
4. 步骤4：植物死亡后，分解者将有机氮分解回氨，完成循环。

## 食物链与食物网

**食物网** — 由相互连接的食物链构成的复杂、符合现实的网络，展示了生态系统中所有的营养关系，同时考虑了可在多个营养级进食的生物体。

*例:* 在森林食物网中，熊既可以是初级消费者（食用浆果时），也可以是三级消费者（食用鱼类时）。

食物链是简化的线性营养关系模型，而食物网体现了真实生态系统的复杂性。更复杂的食物网通常更稳定，因为一个物种的消失可以通过其他营养关系得到补偿。

**例题:** 狐狸在下列食物链中占据什么营养级：草 → 蝗虫 → 青蛙 → 狐狸

1. 步骤1：初级生产者永远是营养级1，因此草 = T1。
2. 步骤2：依次计数每个营养级：蝗虫（吃草）= T2（初级消费者），青蛙（吃蝗虫）= T3（次级消费者），狐狸（吃青蛙）= T4（三级消费者）。
3. 结论：狐狸是三级消费者，处于营养级4。

## 常见错误

- **错误做法:** 将死有机质分类为非生物因素
  - 原因: 虽然生物体已经死亡，但该物质来源于曾经存活的生物体，因此应归类为生物因素
  - 正确做法: 将所有来源于生物体的有机质归类为生物因素，无论该生物体是否仍然存活
- **错误做法:** 认为能量和物质一样在生态系统中循环
  - 原因: 能量以太阳光的形式进入生态系统，之后以热量的形式永久散失，因此无法循环
  - 正确做法: 记住口诀：能量流动，物质循环
- **错误做法:** 应用10%能量定律时乘以10而非0.1
  - 原因: 这会导致答案比正确值大100倍，是考试中常见的计算错误
  - 正确做法: 相乘前始终将百分比转换为小数：10% = 0.1，15% = 0.15
- **错误做法:** 假设一个物种始终占据同一个营养级
  - 原因: 许多杂食物种会根据食物来源占据多个营养级
  - 正确做法: 始终根据给定食物链或食物网中的具体相互作用确定营养级，而非以物种整体分类

## 速查表

| 核心概念 | 定义 | 核心规则/事实 |
| --- | --- | --- |
| 生态系统 | 生物群落 + 相互作用的非生物环境 | 与外界进行能量和物质交换 |
| 生物因素 | 来源于活生物体的组成成分 | 包括死有机质 |
| 非生物因素 | 无生命的物理/化学组成成分 | 例如温度、pH、阳光 |
| 能量流动 | 沿营养级单向移动 | 营养级间传递效率约为10% |
| 物质循环 | 元素的持续循环 | 分解者是养分循环的必需生物 |
| 营养级1 | 初级生产者 | 能自行制造食物的自养生物 |

## 下一步

理解生态系统的核心结构与功能是IB生物HL所有高级生态学主题的基础。该子主题经常出现在选择题和拓展回答题中，也是计算和数据分析题的常见得分点。掌握此处的核心概念会让你更容易理解生态系统如何应对变化，包括人类活动造成的干扰。接下来，你将探索更具体的主题，包括养分循环、种群动态和人类对全球生态系统的影响，这些内容占IB生物HL考试生态学部分的很大比例。

- [AHL: 核酸结构](https://www.owlsprep.com/zh/study/ib-biology-hl-u4-ahl-nucleic-acid-structure/)
- [AHL: DNA复制扩展内容](https://www.owlsprep.com/zh/study/ib-biology-hl-u4-ahl-dna-replication-extensions/)
- [AHL: 转录与翻译拓展](https://www.owlsprep.com/zh/study/ib-biology-hl-u4-ahl-transcription-and-translation-extensions/)

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