生物世界：生态系统

AP 环境科学 · 知识点 1

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1.1

生态系统导论

教学大纲

持久理解（ERT-1）： 生态系统是生物因素与非生物因素相互作用的结果。

学习目标 ERT-1.A： 解释资源的可获得性如何影响物种间的相互作用。

ERT-1.A.1 在捕食关系中，捕食者是指以另一种生物（即猎物）为食的有机体。
ERT-1.A.2 共生是指生态系统中两个物种之间紧密且长期的相互作用。共生的类型包括互利共生、偏利共生和寄生。
ERT-1.A.3 当资源有限时，竞争可以在同一物种内部或不同物种之间发生。资源分割——即以不同的方式、地点或时间利用资源——可以减少竞争对生存产生的负面影响。

来源：College Board AP 课程与考试说明

一个生态系统是所有生物（生物成分）和非生物（非生物成分）在一个区域内的总和，它们相互作用。生物彼此依赖并依赖其物理环境，捕食、竞争和共生（互利共生、偏利共生、寄生）等相互作用塑造了群落结构。

探索

探索种群如何增长

改变增长率 $r$ 和 环境容纳量 $K$。当种群较小时增长迅速，随后随着资源短缺和生态系统填满而趋于平稳。

1.2

陆地生物群系

教学大纲

持久理解 (ERT-1)： 生态系统是生物与非生物因素相互作用的结果。

学习目标 ERT-1.B： 描述陆地生物群系的全球分布及其主要环境特征。

ERT-1.B.1 生物群系包含特有的动植物群落，这些群落是由其气候所塑造的，并且已经适应了该气候条件。
ERT-1.B.2 主要的陆地生物群系包括泰加林、温带雨林、温带季节性森林、热带雨林、灌丛、温带草原、稀树草原、沙漠和苔原。
ERT-1.B.3 非矿产陆地自然资源（如水资源和木材用树木）的全球分布各不相同，这是由于气候、地理位置、纬度与海拔、养分可获取性以及土壤等多种因素综合作用的结果。
ERT-1.B.4 生物群系的全球分布是动态变化的；这种分布在历史上曾发生过改变，并可能因全球气候变化而再次发生迁移。

来源：College Board AP 课程与考试说明

一个生物群系是由气候和典型生命形式定义的大区域。陆地生物群系（沙漠、草原、热带雨林、温带森林、泰加林、苔原）主要由温度和降水决定。每个生物群系都有适应这些条件的动植物。

下面两张图片位于降水尺度的两端，因此它们的生命形态截然不同：

雾气缭绕的热带雨林，陡峭山坡上覆盖着茂密分层的绿色树冠 — 热带雨林：全年炎热多雨，形成茂密分层的植物群落，拥有陆地生物群系中最丰富的生物多样性。

一片几乎没有植物的裸露沙丘干涸沙漠 — 沙漠：降水极少，仅有稀疏的耐旱生物能够生存。

探索

把生物群系与它的气候配对

按照定义每个陆地生物群系的温度和降雨,给它们分类。

词汇训练

English	中文	拼音
ecosystem/ˈiːkəʊsɪstəm/	生态系统	shēng tài xì tǒng
predation/prɪˈdeɪʃn/	捕食	bǔ shí
competition/ˌkɒmpəˈtɪʃn/	竞争	jìng zhēng
symbiosis/ˌsɪmbaɪˈəʊsɪs/	共生	gòng shēng
biome/ˈbaɪəʊm/	生物群系	shēng wù qún xì
temperature and precipitation/ˈtemprɪtʃə ænd prɪˌsɪpɪˈteɪʃn/	降水	jiàng shuǐ
tropical rainforest/ˈtrɒpɪkl ˈreɪnfɒrɪst/	热带雨林	rè dài yǔ lín
desert/ˈdezət/	沙漠	shā mò
salinity/seɪˈlɪnɪti/	盐度	yán dù
Estuaries/ˈestjuːəriz/	河口	hé kǒu

1.3

水生生物群系

教学大纲

持久理解（ERT-1）： 生态系统是生物因素与非生物因素相互作用的结果。

学习目标 ERT-1.C： 描述全球水生生物群落的分布及其主要环境特征。

ERT-1.C.1 淡水生物群落包括溪流、河流、池塘和湖泊。这些淡水生物群落是至关重要的饮用水资源。
ERT-1.C.2 海洋生物群落包括海洋、珊瑚礁、沼泽地和河口。海洋生物群落中的藻类提供了地球上很大一部分氧气，同时也从大气中吸收二氧化碳。
ERT-1.C.3 非矿产海洋自然资源（如不同种类的鱼类）的全球分布各不相同，这是由盐度、深度、浊度、营养物质可用性和温度等因素的某种组合所决定的。

来源：College Board AP 课程与考试说明

水生生物群系覆盖的地球面积比陆地更大。淡水（溪流、湖泊、湿地）和海洋（开阔大洋、珊瑚礁、河口）系统在盐度、阳光和养分方面有所不同。河口（河流入海处）和珊瑚礁的生产力和生物多样性尤为丰富。

水下视角拍摄的珊瑚礁，紧邻海面下方，布满珊瑚 — 珊瑚礁：温暖、阳光充足且水浅，使其成为所有生物群系中生产力最高、生物多样性最丰富的之一。

探索

淡水、海洋,还是中间?

按照盐度给每个水生生物群系分类——淡的、咸的,或它们相遇处的半咸水混合。

词汇训练

English	中文	拼音
coral reef/ˈkɒrəl riːf/	珊瑚礁	shān hú jiāo

1.4

碳循环

教学大纲

持久理解（ERT-1）： 生态系统是生物与非生物相互作用的结果。

学习目标 ERT-1.D： 解释碳循环中的步骤及储库间的相互作用。

ERT-1.D.1 碳循环是指含有碳元素的原子和分子在源与汇之间移动的过程。
ERT-1.D.2 碳循环中的一些储库会将碳化合物储存很长时间，而另一些储库则仅储存相对较短的时间。
ERT-1.D.3 碳在生物体的光合作用与细胞呼吸之间循环。
ERT-1.D.4 动植物分解导致碳在数百万年间被储存下来。燃烧化石燃料迅速将这部分储存的碳以二氧化碳的形式释放到大气中。

来源：College Board AP 课程与考试说明

碳循环

碳循环 碳循环在大气、生物体、海洋和岩石之间移动碳。光合作用 移除 $\text{CO}_2$；呼吸作用、分解作用 和燃烧 化石燃料 化石燃料将其返回。燃烧化石燃料增加碳的速度远快于自然过程移除它的速度。

碳循环在大气、生物体和化石燃料之间移动碳

词汇训练

English	中文	拼音
carbon cycle/ˈkɑːbən ˈsaɪkl/	碳循环	tàn xún huán
fossil fuels/ˈfɒsl ˈfjuːəlz/	化石燃料	huà shí rán liào

1.5

氮循环

教学大纲

持久理解（ERT-1）： 生态系统是生物与无机环境相互作用的结果。

学习目标 ERT-1.E： 解释氮循环中的步骤及储库间的相互作用。

ERT-1.E.1 氮循环是指含氮元素（氮）的原子和分子在源与汇之间的移动过程。
ERT-1.E.2 氮循环中大多数含有氮化合物的储库仅能短暂储存这些化合物。
ERT-1.E.3 固氮作用是指将大气中的氮气转化为植物可吸收利用并用于合成植物组织的氮形态（主要是氨）的过程。
ERT-1.E.4 大气是氮的主要储库。

来源：College Board AP 课程与考试说明

氮循环

氮循环 氮循环使氮对生命可用。固氮固氮（由细菌完成）将大气中的 $\text{N}_2$ 转化为氨；硝化和同化作用使其通过生物体传递；反硝化作用 将 $\text{N}_2$ 返回空气中。化肥添加活性氮，可能导致水体污染。

氮循环：N被固定为土壤硝酸盐，经食物链传递，并由反硝化作用返回空气 — 氮循环：N$_2$被固定为土壤硝酸盐，经食物链传递，并由反硝化作用返回空气

词汇训练

English	中文	拼音
nitrogen cycle/ˈnaɪtrədʒn ˈsaɪkl/	氮循环	dàn xún huán
Nitrogen fixation/ˈnaɪtrədʒn fɪkˈseɪʃn/	固氮	gù dàn

1.6

磷循环

教学大纲

持久性理解 (ERT-1)： 生态系统是生物与非生物因素相互作用的结果。

学习目标 ERT-1.F： 解释磷循环中的步骤及储库间的相互作用。

ERT-1.F.1 磷循环是指含磷元素的原子和分子在源与汇之间的迁移过程。
ERT-1.F.2 磷循环中的主要储库是含有含磷矿物的岩石和沉积物。
ERT-1.F.3 磷循环中没有大气组分，这导致海洋中的磷难以返回陆地，使得磷在水生生态系统和许多陆地生态系统中天然匮乏。在未受干扰的生态系统中，磷是生物系统的限制因子。

来源：College Board AP 课程与考试说明

磷循环 磷循环 没有大气（气体）阶段——磷在岩石、土壤、水和生物体之间移动。该过程缓慢，通常是生长的 限制性营养 限制性营养，因此额外添加的磷（化肥、洗涤剂）可能引发藻类爆发。

磷循环：岩石风化形成土壤磷酸盐并缓慢沉积回归，无气态阶段

词汇训练

English	中文	拼音
phosphorus cycle/ˈfɒsfɔːrəs ˈsaɪkl/	磷循环	lín xún huán
limiting nutrient/ˈlɪmɪtɪŋ ˈnjuːtrɪənt/	限制性营养	xiàn zhì xìng yíng yǎng

1.7

水循环

教学大纲

持久理解 (ERT-1)： 生态系统是生物与非生物因素相互作用的结果。

学习目标 ERT-1.G： 解释水循环中的各个步骤及其与储库之间的相互作用。

ERT-1.G.1 水循环由太阳驱动，是指水以固态、液态和气态等各种相态在源与汇之间移动的过程。
ERT-1.G.2 海洋是地表水的主要储库，而冰盖和地下水则是规模小得多的储库。

来源：College Board AP 课程与考试说明

水文（水）循环

水循环 水循环通过蒸发蒸发、蒸腾蒸腾（来自植物）、凝结、降水和径流移动水分。它分配淡水并塑造气候；人类使用和土地变化可能会改变其流动。

水循环：蒸发和蒸腾将水分输送至空中；降水和径流将其带回地面

词汇训练

English	中文	拼音
water cycle/ˈwɔːtə ˈsaɪkl/	水循环	shuǐ xún huán
evaporation/ɪˌvæpəˈreɪʃn/	蒸发	zhēng fā
transpiration/trænspəˈreɪʃn/	蒸腾	zhēng téng

1.8

初级生产力

教学大纲

持久理解 (ENG-1)： 能量可以从一种形式转化为另一种形式。

学习目标 ENG-1.A： 解释太阳能是如何被生物体获取并传递的。

ENG-1.A.1 初级生产力是指单位时间内通过光合作用将太阳能（阳光）转化为有机化合物的速率。
ENG-1.A.2 总初级生产力是给定区域内光合作用的总速率。
ENG-1.A.3 净初级生产力是指光合生物在给定区域内的能量储存速率，即从光合作用固定的能量中减去呼吸作用消耗的能量后剩余的部分。
ENG-1.A.4 生产力的测量单位为“单位面积单位时间内的能量”（例如：$\text{kcal/m}^2\text{/yr}$）。
ENG-1.A.5 大部分红光在水面下1米内即被吸收，而蓝光仅在清澈的水域中才能穿透超过100米的深度。这影响了水生生态系统中的光合作用，其中的光合生物已进化出适应机制以应对可见光不足的问题。

来源：College Board AP 课程与考试说明

初级生产力 初级生产力是生产者捕获能量的速率（通常通过光合作用）。总初级生产力 (GPP) 是捕获的总量；净初级生产力 (NPP) 是生产者自身呼吸作用后剩余的部分——即生态系统中其余部分可用的能量。温暖、湿润、阳光充足的环境（如雨林、珊瑚礁）生产力最高。

示例。 若草原生态系统的生产者捕获了 $20{,}000\ \text{kcal/m}^2/\text{yr}$的能量（GPP），并在自身呼吸中消耗了 $8{,}000\ \text{kcal/m}^2/\text{yr}$，则 $\text{NPP}=\text{GPP}-R=20{,}000-8{,}000=12{,}000\ \text{kcal/m}^2/\text{yr}$。只有这部分NPP——而非全部GPP——可供上一级消费者利用。

*净初级生产力是植物自身呼吸消耗后，总初级生产力剩余的部分

探索

探索总初级生产力（GPP）、呼吸作用和净初级生产力（NPP）

生产者捕获的能量（GPP）分为用于自身呼吸消耗的 $R$ 和剩余的作为新生物量的部分 —— $\text{NPP} = \text{GPP} - R$，且有用+浪费总是等于输入量。

词汇训练

English	中文	拼音
Primary productivity/ˈpraɪməri ˌprɒdəkˈtɪvɪti/	初级生产力	chū jí shēng chǎn lì
trophic levels/ˈtrəʊfɪk ˈlevlz/	营养级	yíng yǎng jí
producers/prəˈdjuːsəz/	生产者	shēng chǎn zhě
primary, secondary, and tertiary consumers/ˈpraɪməri ˈsekəndəri ænd ˈtɜːʃjəri kənˈsuːməz/	消费者	xiāo fèi zhě
decomposers/ˌdiːkəmˈpəʊzəz/	分解者	fēn jiě zhě
food chain/fuːd tʃeɪn/	食物链	shí wù liàn

1.9

营养级

教学大纲

持久理解 (ENG-1)： 能量可以从一种形式转化为另一种形式。

学习目标 ENG-1.B： 解释能量如何在营养级之间流动以及物质如何循环。

ENG-1.B.1 所有生态系统都依赖于高质量能量的持续输入，以维持其结构并通过生物地球化学循环在环境与生物体之间转移物质来保持其功能。
ENG-1.B.2 生物地球化学循环对生命至关重要，且每个循环都体现了物质的守恒定律。
ENG-1.B.3 在陆地和近海表层群落中，能量从太阳流向最低营养级的生产者，然后向上流动至更高的营养级。

来源：College Board AP 课程与考试说明

能量流动与 10%定律

生物占据营养级：包括生产者（自行制造食物）、初级、次级和三级消费者，以及在各层级中循环养分的分解者。每一层都依赖于其下方捕获的能量。

探索

构建营养级金字塔

堆叠营养级——底部的生产者喂养每个更高级别的消费者。

1.10

能量流动与10%定律

教学大纲

持久理解 (ENG-1): 能量可以从一种形式转化为另一种形式。

学习目标 ENG-1.C: 确定能量在流经生态系统时是如何减少的。

ENG-1.C.1 10%定律近似表明，在能量从一个营养级传递到下一个营养级的过程中，只有约10%的能量会被传递下去。
ENG-1.C.2 当能量从较低营养级向较高营养级移动时发生的能量损失，可以通过热力学定律来解释。

来源：College Board AP 课程与考试说明

能量在生态系统中单向流动，并在每次传递时以热量形式散失。10%定律：前一营养级的能量仅有约10%传递给下一营养级；其余90%用于生命过程并以热量散失。这就是为什么食物链很短且顶级捕食者稀少的缘故。

示例演算。 假设生产者水平的净初级生产量为$12{,}000\ \text{kcal/m}^2/\text{yr}$，则初级消费者获得约$10\%=1{,}200\ \text{kcal}$，次级消费者获得$\approx120\ \text{kcal}$，而三级消费者仅获得$\approx12\ \text{kcal}$。经过三次传递后，能量减少了一千倍——这就是为何第四或第五营养级通常无法支撑更多生物存在的算术原因。

能量金字塔：仅有约10%的能量传递至下一个营养级 — 能量金字塔：仅有约10%的能量传递给下一个营养级

探索

探索10%规则

设定生产者捕获的能量和生态效率，然后观察仅约十分之一传递到每一上层级——这就是为什么顶级捕食者剩余极少且食物链保持短小的原因。

1.11

食物链与食物网

教学大纲

持久理解（ENG-1）： 能量可以从一种形式转化为另一种形式。

学习目标 ENG-1.D： 描述食物链和食物网及其按营养级划分的组成成员。

ENG-1.D.1 食物网是相互交织的食物链模式模型，描绘了两个或两个以上食物链中能量和养分的流动。
ENG-1.D.2 正反馈回路和负反馈回路在食物网中均可发挥作用。当某一物种从特定食物网中被移除或加入时，其余部分的食物网可能会受到影响。

来源：College Board AP 课程与考试说明

食物链是单一的就谁吃谁的连线；食物网将多条食物链连接起来，呈现真实的摄食关系图景。由于物种相互关联，移除其中一种（尤其是关键种）可能破坏整个网络。

食物网连接多条食物链；箭头指示能量流动方向

探索

沿食物链的能量

跟随能量从生产者沿链向上,每一环损失大约 90%。

词汇训练

English	中文	拼音
food web/fuːd web/	食物网	shí wù wǎng
keystone species/ˈkiːstəʊn ˈspiːsiːz/	关键种	guān jiàn zhǒng

1.11

考试技巧

牢记能量流动并散失（遵循10%定律），而物质循环（碳、氮、磷、水）。
沿食物链应用10%定律，并了解NPP = GPP − 呼吸作用（只有NPP可供消费者利用）。
掌握每个生物地球化学循环的储量及人类对其的干扰方式（燃烧化石燃料增加CO₂；化肥使用增加氮/磷）。
生产者数量最多，因为极少能量能到达顶端。
在自由回答数学题中使用正确单位并展示计算过程（不使用计算器，保持数字取整）。

该知识点的互动课程

逐步完成，配合即时检查练习。

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