# 生态系统与碳循环

> IB 生物 SL · 主题C：相互作用与相互依存
> 来源: https://www.owlsprep.com/zh/study/ib-biology-sl-u3-ecosystems-and-carbon-cycling/

本小节讲解生态系统结构，包括生物成分与非生物成分的区别，随后拆解碳在地球圈层中的移动。我们会讲解碳循环的关键过程、人类影响以及常见考试要求。

**先修:** [细胞呼吸](https://www.owlsprep.com/zh/study/ib-biology-sl-u2-cellular-respiration/); [光合作用](https://www.owlsprep.com/zh/study/ib-biology-sl-u2-photosynthesis/)

## 学习目标

- 区分生态系统中的生物成分与非生物成分
- 概述全球碳循环的主要碳库与过程
- 解释人类活动如何改变碳通量并影响气候
- 分析碳循环和生态系统结构相关的常见考题

## 生态系统结构

**生态系统** — 生物群落（生物成分）与其非生物（非生物成分）物理环境相互作用形成的系统。生态系统的范围可从小水坑到整个生物圈。

*例:* 珊瑚礁生态系统包含珊瑚、鱼类、藻类（生物成分）以及水温、溶解矿物质、阳光（非生物成分）。

所有生态系统都依赖两个核心过程：单向的能量流动和养分循环。与能量（以热量形式散失，无法重复利用）不同，碳等养分会在生物与非生物成分之间不断循环。

**例题:** 将温带森林的以下组成成分分类为生物因子和非生物因子：掉落的橡树叶、土壤pH、狼、蘑菇、降雨量、阳光。

1. 步骤1：回忆生物因子（任何活的/曾经活过的物质）和非生物因子（任何无生命的物理/化学组成）的定义。
2. 步骤2：对每个成分分类：
- 生物成分：掉落的橡树叶（来自活树的死亡有机质）、狼、蘑菇
- 非生物成分：土壤pH、降雨量、阳光

> **考试提示:** 死亡有机质（碎屑、落叶、死亡生物）即使不再存活，也始终归类为生物成分。

## 碳循环的碳库与过程

**碳通量** — 碳循环中碳在不同碳库（储存库）之间移动的速率。碳通量的单位是单位时间内的碳质量。

碳储存于四个主要全球碳库中，不同过程推动碳在碳库之间移动：

- **大气圈**：碳以二氧化碳 ($CO_2$) 和甲烷 ($CH_4$) 形式储存
- **生物圈**：碳以有机质形式储存于活的和死亡的生物体内
- **水圈**：碳以溶解无机碳形式储存于海洋中
- **岩石圈**：碳以化石燃料和碳酸盐岩形式储存（长期储存）

- 光合作用: $CO_2$ 从大气圈/水圈 → 生物圈
- 细胞呼吸: 碳从生物圈 → 大气圈，以 $CO_2$ 形式存在
- 分解作用: 分解者分解有机质，通过呼吸作用释放 $CO_2$
- 燃烧: 生物质/化石燃料燃烧将储存的碳释放到大气中
- 化石形成: 死亡有机质形成化石燃料，碳从生物圈 → 岩石圈

**例题:** 确定光合作用的碳通量方向，并解释其在碳循环中的作用。

1. 步骤1：光合作用由自养生物（植物、藻类、蓝细菌）进行，合成有机葡萄糖用于生长。
2. 步骤2：碳的通量方向是从大气圈（水生自养生物则是从水圈）到生物圈。
3. 步骤3：该过程从大气中去除二氧化碳，将其固定为有机碳，可供生态系统中其他生物利用。

## 人类对碳循环的影响

过去200年间，人类活动极大改变了自然碳通量，导致大气温室气体浓度净增加，引发全球气候变化。

> **info**
>
> IB考官经常考察大气 $CO_2$ 升高与海洋酸化的关联：溶解 $CO_2$ 增加会降低海洋pH，损害珊瑚和贝类等钙化生物。

- 化石燃料燃烧：将岩石圈（化石燃料）中储存的碳释放到大气中，导致大气 $CO_2$ 大幅净增加
- 森林砍伐：减少了光合作用固定的 $CO_2$ 量，使更多碳留在大气中
- 永久冻土层融化：气温升高使北极冻土层融化，促使储存的有机质分解，释放 $CO_2$ 和甲烷，形成正反馈循环

**例题:** 解释为什么永久冻土层融化是气候变化的正反馈循环。

1. 步骤1：大气温室气体增加引发的初始变暖升高了北极气温，导致冻土层融化。
2. 步骤2：冻土层储存了数千年未分解的冷冻死亡有机质。
3. 步骤3：融化后，分解者分解有机质，将 $CO_2$ 和甲烷这两种温室气体释放到大气中。
4. 步骤4：额外的温室气体捕获更多热量，引发进一步变暖和更多冻土层融化，形成自我增强的循环。

## 碳循环考题的应试技巧

**考试命令词**

本主题常见命令词有明确的考试要求：

- **Outline** — 给出简洁清晰的描述，不需要详细的因果解释 *(Outline the role of decomposers in the carbon cycle)*

- **Explain** — 给出详细的因果说明，将过程与结果联系起来 *(Explain how human activity alters carbon fluxes)*

- **Draw/Label** — 每个正确标注的碳库或通量都会给分，保持图示简洁即可 *(Draw and label the carbon cycle showing four key pools)*

**概念自测**

1. 以下哪项是湿地生态系统中的非生物因子？

   - 香蒲枯茎
   - 水pH
   - 蜻蜓
   - 细菌

   *解析:* 正确！水pH是无生命的化学性质，因此属于非生物。其他所有选项都是生物成分。

2. 森林砍伐会导致哪项碳通量增加？

   - 碳从大气圈到生物圈的移动
   - 碳从生物圈到大气圈的移动
   - 碳从岩石圈到生物圈的移动
   - 碳从大气圈到水圈的移动

   *解析:* 正确！森林砍伐去除了通过光合作用固定碳的树木，死亡植物材料分解释放碳到大气中。

## 常见错误

- **错误做法:** 将死亡有机质归类为非生物成分
  - 原因: 死亡有机质来源于生物，因此始终归类为生物成分
  - 正确做法: 将所有活的和死亡的生物材料归为生物成分，仅将无生命的物理/化学因子归为非生物成分
- **错误做法:** 认为碳和能量一样在生态系统中单向流动
  - 原因: 能量以热量形式散失无法循环，但碳会被不断重复利用，在碳库之间循环
  - 正确做法: 记住：能量单向流动，碳等养分循环往复
- **错误做法:** 混淆碳库和碳通量
  - 原因: 碳库是碳的储存位置，而碳通量是碳在碳库之间移动的过程
  - 正确做法: 当要求识别碳通量时，始终选择过程，而非储存碳的位置
- **错误做法:** 假设所有人类活动都会增加大气碳含量
  - 原因: 部分人类活动会增加从大气中去除的碳量，例如重新造林和碳封存
  - 正确做法: 单独分析每项活动以确定通量变化的方向
- **错误做法:** 忘记甲烷是含碳温室气体
  - 原因: 大多数学生只提到二氧化碳，但甲烷是碳循环和气候变化的关键组成部分
  - 正确做法: 在讨论永久冻土层融化和厌氧分解时包含甲烷

## 速查表

| 类别 | 实例 | 关键作用 |
| --- | --- | --- |
| 生物成分 | 活生物、死亡有机质 | 生物圈碳库的一部分 |
| 非生物成分 | 温度、pH、水、岩石 | 生态系统的无生命因子 |
| 大气圈碳库 | $CO_2$, $CH_4$ | 短期碳储存，驱动温室效应 |
| 生物圈碳库 | 植物、动物、碎屑 | 短/中期有机碳储存 |
| 岩石圈碳库 | 化石燃料、碳酸盐岩 | 长期碳储存 |
| 通量：大气圈 → 生物圈 | 光合作用 | 将碳固定为有机质 |
| 通量：生物圈 → 大气圈 | 呼吸作用、分解作用 | 释放 $CO_2$ |
| 通量：岩石圈 → 大气圈 | 化石燃料燃烧 | 人类活动导致 $CO_2$ 增加 |
| 正反馈循环 | 永久冻土层融化 | 加速气候变化 |

## 下一步

理解生态系统和碳循环是学习IB生物SL主题C所有相互作用的基础。本主题建立在光合作用和细胞呼吸的核心概念之上，是后续学习生态系统能量流动、气候变化和人类对生物多样性影响的基础。掌握碳库、碳通量和人类影响是主题C大多数拓展回答题的要求，因此复习本内容对考试准备至关重要。

- [分类与生物多样性](https://www.owlsprep.com/zh/study/ib-biology-sl-u3-classification-and-biodiversity/)
- [生物多样性保护](https://www.owlsprep.com/zh/study/ib-biology-sl-u3-conservation-of-biodiversity/)
- [种群动态](https://www.owlsprep.com/zh/study/ib-biology-sl-u3-population-dynamics/)

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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/ib-biology-sl-u3-ecosystems-and-carbon-cycling/