生态系统：结构和组成成分
生态系统是自然界的一部分，那里的生物和它们的周围环境合在一起，像一个整体一样运转。它可以很大（森林、海洋），也可以很小（池塘、鱼缸）。农田或水族箱属于人工生态系统。
组成成分
- 非生物（没有生命）：阳光、温度、水、土壤、空气、矿物质。
- 生物（有生命）：生产者（绿色植物、浮游植物）、消费者（草食动物和肉食动物）和分解者（细菌、真菌）。
结构
结构指的是有哪些物种，以及它们是怎样排列的。物种组成就是物种的名单。垂直分层是指纵向分层：在森林里，最上面是乔木，然后是灌木，再下面是草本植物和青草。每一层得到的光不一样多。
四大功能
每个生态系统都做四件事：生产力、分解、能量流动和物质循环。
池塘：一个简单的例子
非生物部分：水、溶解的矿物质、阳光。生产者：浮游植物、藻类、漂浮植物和扎根的水草。消费者：浮游动物、小鱼、大鱼。分解者：生活在底部的细菌和真菌。
生产力：GPP 和 NPP
初级生产量是植物在一定时间内、单位面积上制造的生物量（有机物）的多少。制造它的速率叫生产力，单位写作 g m⁻² yr⁻¹ 或 kcal m⁻² yr⁻¹。
- 总初级生产力（GPP）：光合作用制造有机物的总速率。
- 呼吸（R）：GPP 中被植物自己用掉的那一部分。
- 净初级生产力（NPP）：留给动物和分解者的部分：NPP = GPP − R。
- 次级生产力：消费者合成新有机物的速率。
生产力取决于植物种类、阳光、温度、水和养分。整个地球每年制造约1700亿吨（干重）有机物。海洋约占地球表面的70%，却只产出约550亿吨，因为深海得到的光和养分都很少。
分解作用：五个步骤
分解者把复杂的死亡有机物（碎屑：枯叶、树皮、落花、动物尸体、粪便）分解成简单的无机物，比如 CO₂、水和养分。
- 破碎：像蚯蚓这样的碎屑食者把碎屑咬成很小的碎片。
- 淋溶：能溶于水的养分随水渗入土壤，以盐的形式沉积下来。
- 分解代谢：细菌和真菌的酶把碎屑分解成更简单的无机物。
- 腐殖化：形成一种深色、像海绵一样的物质，叫腐殖质。它不容易被微生物分解，分解得非常慢，是养分的储存库。
- 矿化：腐殖质被微生物慢慢分解，释放出无机养分。
什么决定分解的快慢
碎屑里氮和糖分多、环境温暖又潮湿时，分解快。碎屑里木质素和几丁质多，或者环境寒冷、干燥、没有氧气（厌氧）时，分解慢。分解需要氧气。
能量流动
太阳是几乎所有生态系统唯一的能量来源（深海热泉是个例外）。阳光中只有不到50%是光合有效辐射（PAR），而植物只能捕获其中约2–10%。就是这一小部分，维持着整个生物界。
能量只朝一个方向流动：太阳 → 生产者 → 消费者。它不会被循环利用。每传递一次，大量能量就以热的形式散失，这正是热力学第二定律所说的。
食物链和营养级
- 捕食食物链（GFC）：从绿色植物开始：草 → 山羊 → 人。
- 碎屑食物链（DFC）：从死亡有机物开始：碎屑 → 分解者（真菌、细菌） → 碎屑食者。在陆地生态系统中，流经碎屑食物链的能量比流经捕食食物链的多得多。
- 许多食物链连在一起就是食物网。
- 营养级：生产者（第1级），草食动物 / 初级消费者（第2级），肉食动物 / 次级消费者（第3级），三级消费者（第4级）。
- 现存量：某一营养级在某一时刻所含的生物体质量。
10%定律
一个营养级的能量只有约10%传给下一级（林德曼）。所以植物中的10,000 J → 草食动物中的1,000 J → 100 J → 10 J。这就是为什么食物链很少超过4–5个营养级。
生态金字塔：数量、生物量、能量
把生产者画在底部，每个更高的营养级叠在上面。金字塔可以表示数量、生物量（干重）或能量。
- 数量金字塔：草原上是正的（草很多，蚱蜢少一些，青蛙更少）。一棵大树上有许多昆虫和鸟，会形成倒置或纺锤形。
- 生物量金字塔：在陆地上通常是正的。在海里它是倒置的：浮游植物在某一时刻的总质量很小，因为它们长得快、也被吃得非常快，而鱼的质量反而更大。
- 能量金字塔：永远是正的，因为每一步都有能量损失，一个营养级的能量绝不可能比供养它的那一级更多。
金字塔的局限
它没有考虑同一个物种可以同时处在两个营养级，它假定食物链很简单（自然界其实是食物网），而且它漏掉了腐生生物（分解者），尽管它们非常重要。
考试常考什么
常见题目：说出 GPP 和 NPP 的定义并写出 NPP = GPP − R；列出并解释分解的各个步骤和影响因素；解释为什么能量金字塔永远是正的；举出数量或生物量倒置金字塔的例子；用10%定律计算更高营养级的能量；比较捕食食物链和碎屑食物链。计算题简短，是容易拿的分数：一定要先写公式。
重点公式和概念
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例题讲解
1. 一块田的 GPP = 20,000 kcal m⁻² yr⁻¹，植物呼吸消耗 4,000 kcal m⁻² yr⁻¹。求 NPP。
NPP = GPP − R = 20,000 − 4,000 = 16,000 kcal m⁻² yr⁻¹。
2. 一个湖的 NPP = 6,000，R = 2,000 kcal m⁻² yr⁻¹。求 GPP。
GPP = NPP + R = 6,000 + 2,000 = 8,000 kcal m⁻² yr⁻¹。
3. 植物捕获了50,000 J。用10%定律，次级消费者能得到多少？
初级消费者：50,000 的10% = 5,000 J。次级消费者：5,000 的10% = 500 J。
4. 一条蛇（三级消费者）得到25 J。生产者中原来有多少能量？
倒着算：每一步乘以10。次级消费者：250 J，初级消费者：2,500 J，生产者：25,000 J。
5. 一片森林接收到1,000,000 J 的 PAR，GPP 储存了20,000 J。求光合效率。
效率 = 20,000 ÷ 1,000,000 × 100 = 2%。这在通常的2–10%范围之内。
6. 草地上草食动物含有1,500 kJ，吃它们的肉食动物含有120 kJ。求生态效率，并与10%定律比较。
效率 = 120 ÷ 1,500 × 100 = 8%。它比10%略低，这很正常：10%只是一个平均值。
7. 一种作物的 GPP 是30,000 kcal m⁻² yr⁻¹，呼吸消耗是 GPP 的30%。牛吃掉 NPP 的10%。牛摄入多少能量？
R = 0.3 × 30,000 = 9,000。NPP = 30,000 − 9,000 = 21,000。牛：21,000 的10% = 2,100 kcal m⁻² yr⁻¹。
8. 为什么食物链很少超过五个营养级？请从100,000 J 开始用数字说明。
100,000 → 10,000 → 1,000 → 100 → 10 → 1 J。到第六级只剩1 J，远远不够养活一个动物种群。
9. 下面各种情况中哪种金字塔是倒置的？(a) 一棵榕树和昆虫的数量金字塔，(b) 海洋中的生物量金字塔，(c) 池塘中的能量金字塔。
(a) 倒置（一棵树，许多昆虫）。(b) 倒置（浮游植物质量小，鱼的质量更大）。(c) 绝不会倒置：能量金字塔永远是正的。
常见错误
- 把 NPP 写成 GPP + R。呼吸是损耗，所以 NPP = GPP − R。
- 说能量在生态系统中循环。循环的是物质；能量只朝一个方向流动，最后以热的形式散失。
- 以为生物量金字塔永远是正的。在海里它是倒置的。
- 把腐殖化（形成腐殖质）和矿化（腐殖质被分解并释放矿物质）弄混。