# 氮循环与养分循环

> IB 生物 SL · IB 生物 SL 2025 大纲
> 来源: https://www.owlsprep.com/zh/study/ib-biology-sl-u3-nitrogen-and-nutrient-cycling/

本模块讲解养分循环的核心原理、氮循环的关键步骤与微生物的作用，以及人类活动对自然养分循环的影响，这是IB生物SL生态学中频繁考察的知识点。

**先修:** [生态系统结构与能量流动](https://www.owlsprep.com/zh/study/ib-biology-sl-u3-ecosystem-energy-flow/)

## 学习目标

- 描述生态系统中能量流动与养分循环的核心区别
- 概述微生物在氮循环每个步骤中的作用
- 解释人类活动对自然养分循环的影响
- 分析氮循环中互利共生关系相关的考题

## 养分循环的原理

与能量不同：能量以太阳光的形式进入生态系统，最终以热量的形式流失，而养分（碳、氮、磷、水）是可以持续重复利用的。它们在非生物组分（土壤、空气、水）和生物组分（生物）之间反复循环。

**养分循环** — 必需无机元素从环境进入生物体，再回到环境的持续移动过程，维持地球生命的运转。

*例:* 你DNA中的氮原子，可能曾经属于某只恐龙或某种古植物。

腐生细菌和真菌（分解者）是推动这一过程的核心生物，它们分解死亡的有机质，将无机养分释放回土壤，供新的植物生长吸收利用。

**例题:** 解释为什么能量流动被描述为线性，而养分循环被描述为循环性。

1. 步骤1：能量以太阳光的形式进入生态系统，被生产者转化为化学能，之后在营养级之间传递。
2. 步骤2：每个营养级都会通过细胞呼吸以热量的形式流失能量，而热量无法被生态系统重新利用。能量从不循环，因此流动是单向的（线性）。
3. 步骤3：生物死亡后，分解者分解其有机质组织，将无机养分释放回土壤。
4. 步骤4：这些养分随后会被新植物吸收，用来构建新组织，因此相同的原子会被无限重复利用，所以这个过程是循环性的。

## 氮循环的关键过程

大气中78%是氮气（N₂），但几乎所有生物都不能直接利用N₂。氮循环将氮在不同化学形态之间转化，使其可用于构建氨基酸和DNA等生物分子。

- **固氮作用**：N₂ → 氨（NH₃），由固氮细菌完成
- **硝化作用**：氨 → 亚硝酸盐 → 硝酸盐（NO₃⁻），由硝化细菌完成
- **同化作用**：植物根系吸收硝酸盐，整合到有机分子中，沿食物链传递
- **氨化作用**：分解者分解死亡生物/废物中的有机氮，转化为氨
- **反硝化作用**：硝酸盐 → N₂，释放回大气，由厌氧细菌完成

**例题:** 解释为什么根瘤菌和豆科植物之间的关系是互利共生。

1. 步骤1：根瘤菌是生活在豆科植物（豆类、三叶草）根瘤中的固氮细菌。
2. 步骤2：根瘤菌将大气中的氮转化为氨，供植物用来合成氨基酸和核酸，这是植物获得的益处。
3. 步骤3：作为回报，植物为根瘤菌提供光合作用产生的碳水化合物，以及固氮作用所需的无氧保护环境，这是细菌获得的益处。
4. 步骤4：因为两种生物都能从这个关系中获益，所以它被归类为互利共生。

> **考试提示:** 考试几乎一定会考你命名或描述氮循环的某一个步骤，所以一定要记住全部五个核心过程。

## 微生物在氮循环中的作用

氮循环中所有主要的化学转化都完全由原核微生物完成。如果没有这些细菌，地球上几乎没有生物能够获得可利用的氮，因此它们对所有生态系统都至关重要。

> **info**
>
> 固氮细菌可以是在土壤中自由生活的（例如*Azotobacter*），也可以是共生在植物根瘤中的（例如*Rhizobium*）。

**例题:** 一位农民的土壤中硝酸盐浓度非常低。他们应该促进哪类细菌生长来提高硝酸盐水平，为什么？

1. 步骤1：分解者从土壤中的死亡有机质释放氨，但植物无法轻易利用大量的氨，它们需要硝酸盐。
2. 步骤2：硝化细菌先将氨转化为亚硝酸盐（亚硝化单胞菌属 *Nitrosomonas*），再将亚硝酸盐转化为硝酸盐（硝化杆菌属 *Nitrobacter*）。
3. 步骤3：硝酸盐是植物根系最容易吸收的氮形态，因此促进硝化细菌生长可以提高土壤的硝酸盐水平。

## 人类活动对养分循环的影响

人类活动使进入全球生态系统的固定氮量增加了一倍，这主要来自农业生产的人工化肥制造。过量的氮造成了广泛的环境破坏。

化肥中过量的氮和磷经常被径流从农田冲刷进入河流、湖泊和海洋。这会引发富营养化，这是一个常见的考点。

**例题:** 概述化肥径流进入湖泊后引发富营养化的过程。

1. 步骤1：径流带来的过量氮磷提高了湖水中的养分浓度。
2. 步骤2：高养分水平引发藻类快速不受控生长，即藻华（水华）。
3. 步骤3：藻华遮挡了阳光，沉水植物无法进行光合作用，因此死亡。
4. 步骤4：藻类死亡后，被好氧分解细菌分解。
5. 步骤5：分解作用几乎耗尽了湖水中所有的溶解氧，形成缺氧（低氧）环境。
6. 步骤6：大多数鱼类等水生生物无法在低氧环境中生存，导致大量死亡，形成生物多样性极低的“死亡区”。

## 常见错误

- **错误做法:** 声称能量会和养分一起在生态系统中循环
  - 原因: 学生经常混淆这两个生态学核心概念，因为二者都会沿营养级传递
  - 正确做法: 始终记住：能量单向流动，最终以热量形式流失，而养分持续循环
- **错误做法:** 将反硝化作用与氨化作用（分解）混淆
  - 原因: 氮循环步骤名称相似，容易混淆
  - 正确做法: 反硝化作用将N₂返回大气，氨化作用从死亡有机质中释放氨
- **错误做法:** 认为植物直接从空气中吸收氮
  - 原因: 学生忘记大气氮化学性质惰性，只有细菌可以固氮
  - 正确做法: 植物只能通过根系从土壤吸收硝酸盐或铵盐
- **错误做法:** 解释根瘤菌互利共生时，只描述植物获得的益处
  - 原因: IB考题要求你证明你理解互利共生对双方都有益
  - 正确做法: 始终记住：根瘤菌获得碳水化合物和保护，植物获得固定氮
- **错误做法:** 认为富营养化过程中藻类耗尽了所有氧气
  - 原因: 学生错误归因富营养化水体中氧气消耗的原因
  - 正确做法: 藻华死亡后，好氧细菌分解死亡藻类和植物的过程消耗了氧气

## 速查表

| 过程 | 执行生物 | 产物 |
| --- | --- | --- |
| 固氮作用 | 固氮细菌（Rhizobium, Azotobacter） | 氨（NH₃） |
| 硝化作用 | 硝化细菌 | 亚硝酸盐 → 硝酸盐 (NO₃⁻) |
| 同化作用 | 植物/动物 | 有机氮（氨基酸、DNA） |
| 氨化作用 | 腐生分解者 | 氨 |
| 反硝化作用 | 厌氧反硝化细菌 | 大气N₂ |

## 下一步

掌握氮循环和养分循环，是理解其他所有生物地球化学循环以及人类对全球生态系统影响的基础，这是IB生物SL生态学的核心主题。该知识点经常在Paper 1单选题和Paper 2拓展回答题中考察，因此重点掌握不同微生物的作用和富营养化的步骤可以帮你轻松拿到考试分数。接下来，你可以在本知识的基础上，学习其他核心生物地球化学循环以及人类对全球生物多样性的影响。

- [生物多样性保护](https://www.owlsprep.com/zh/study/ib-biology-sl-u3-conservation-of-biodiversity/)
- [主题D：延续与变化](https://www.owlsprep.com/zh/study/ib-biology-sl-u4-overview/)
- [DNA复制与转录](https://www.owlsprep.com/zh/study/ib-biology-sl-u4-dna-replication-and-transcription/)

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