生态系
进阶生态系由生物群落和非生物因子组成，能量经食物链单向流动、每级约只有一成传给下一级，营养级愈高能量愈少；碳和氮等物质则循环不息，生物间捕食、竞争与共生的关系织成互相依赖的食物网。
- 生态学层次：物种→种群→群落→生态系→生物群系→生物圈；生态系＝生物群落＋非生物因子。
- 食物链每一环是一个营养级，箭头示能量流向；多条食物链织成食物网，物种互相依赖。
- 能量流动单向、每级约传一成：排遗流失加呼吸热散失，锥体逐层收窄，热能不能循环再用。
文体小知识：科学知识说明文——由组织层次到食物网，讲解生态系的成分、能量单向递减流动与碳氮循环，并分析捕食、竞争、共生等生物间关系与生态演替。
§课文原文 Passage
1生态学以层次组织研究自然：同种生物的个体组成种群，不同种群在同一环境聚成群落，群落与非生物因子相互作用便构成生态系，最大的层次是生物圈。香港常见的生态系包括淡水河流、岩岸、红树林、草地和林地，各有独特的生物组合与环境条件，是本地生态研习的好素材。
2生态系的成分分两大类：非生物因子如光强度、温度、水分、含氧量和酸碱度，影响生物的分布与多度；生物群落则按营养角色分为生产者（绿色植物和藻类，把光能转成化学能）、消费者（动物，以其他生物为食）和分解者（细菌和真菌，把尸体和排遗分解成无机物归还环境），三者缺一不可。
3生物间的摄食关系连成食物链，多条食物链交织成食物网。每一环节是一个营养级：生产者是第一营养级，草食动物第二，肉食动物再往上。能量沿食物链单向流动，每经一级都大量散失，只有约一成传给下一级，所以能量锥体逐层递减，顶级捕食者的数量和生物量都很有限，数量锥体和生物量锥体亦常呈同样形态。
4能量递减的原因有三：部分生物未被下一级捕食或食物未被消化，能量随排遗流失；摄入的能量不少在呼吸作用中以热能形式散失；余下才用于生长，能被下一级利用。热能散失后不能循环再用，所以生态系必须不断输入光能才能运转。物质则与能量不同：碳、氮等元素经光合作用、呼吸作用、分解作用和燃烧，在生物与环境间循环不息。
5食物网内的物种互相依赖，移除一个物种可能引起连锁反应：猎物爆增、竞争者扩张或上级捕食者断粮。生态演替则描述群落随时间的定向变化：在从未有生物的原地开始的属原生演替，在受干扰后有残余土壤处开始的属次生演替，最终发展至相对稳定的顶级群落。掌握这些规律，是保育与环境管理的基础。
1重点摘要 Summary
生态系由生物群落和非生物因子组成，能量经食物链单向流动、每级约只有一成传给下一级，营养级愈高能量愈少；碳和氮等物质则循环不息，生物间捕食、竞争与共生的关系织成互相依赖的食物网。
2生字卡 Vocabulary
在一定时间和空间内，同种生物个体的总和。
同一环境内所有种群的集合，彼此以各种关系相互作用。
生物群落与其非生物环境相互作用的系统，是生态学研究的基本单位。
生物或种群栖息的自然环境，内含特定的非生物条件。
能以光合作用把光能转成化学能的自养生物，如绿色植物和藻类，是食物链的起点。
以其他生物为食的异养生物，包括草食性和肉食性动物。
把尸体和排遗分解成无机物的生物，主要是细菌和真菌，让物质重归环境循环。
食物链上生物所占的营养位置：生产者第一级，草食动物第二级，其上为各级肉食动物。
多条食物链互相交织而成的摄食关系网，反映物种间的互相依赖。
群落随时间定向变化的过程，由先锋物种开始，最终达至稳定的顶级群落。
3逐步讲解 Steps
- 第一步：组织层次与本地生态系生态学按层次由小到大研究自然：物种→种群→群落→生态系→生物群系→生物圈。种群是同种个体的总和，群落把不同种群聚在一起，群落加非生物环境便是生态系。香港的五类常见生态系——淡水河流、岩岸、红树林、草地和林地——各有代表性物种。举个例子：红树林位于河口咸淡水交界，盐度多变、泥土缺氧，红树以支柱根和排出盐分的特殊构造立足，正是生物配合非生物因子的示范。
- 第二步：非生物因子与三类生物角色非生物因子包括光强度、温度、水分、含氧量、酸碱度和盐度，它们决定生物在哪里可以生存和数量多寡。生物群落按营养角色分三类：生产者自制养分，是能量进入生态系的入口；消费者直接或间接以生产者为食；分解者把尸体和排遗分解成无机物，让生产者重新利用。举个例子：溪流上游水急、含氧量高，适合需氧量高的水生昆虫幼虫；下游水流缓、含氧量低，生物组合随之改变，可见非生物因子如何塑造群落。
- 第三步：食物链、营养级与食物网食物链以箭头连结摄食关系，箭头方向表示能量流动方向，由被摄食者指向摄食者。每一环是一个营养级：生产者第一级，吃植物的草食动物第二级，捕食草食动物的肉食动物第三级，如此类推；现实中食物链很少超过四五级，因为能量经不起多级递减。多条食物链交织成食物网，令物种关系更真实。举个例子：一条典型陆地食物链是草→蚱蜢→青蛙→蛇→鹰；同一片草地上蚱蜢可能被多种鸟类捕食，把这些链叠起来便是食物网。
- 第四步：能量流动单向递减约一成能量沿食物链单向流动，每级只约一成传给下一级，递减的原因有三：部分生物未被捕食、部分食物未被消化，能量随排遗流失；摄入能量有不少在呼吸作用中转成热能散失；余下的才用于生长，供下一级利用。散失的热能不能循环再用，所以生态系必须持续输入光能。能量锥体因此逐层收窄。举个例子：若草固定的能量为十万千焦，理论上蚱蜢级约得一万千焦，青蛙级约一千千焦，到鹰一级只剩约一百千焦，这解释了顶级捕食者为何稀少。
- 第五步：碳循环与氮循环物质与能量不同，会循环不息。碳循环：二氧化碳经光合作用被生产者固定成有机物，沿食物链传递；生物经呼吸作用、分解者经分解作用、化石燃料经燃烧，都把二氧化碳释回大气。氮循环概略：大气氮气经固氮作用转成可供植物吸收的含氮物质，生物的蛋白质经尸体和排遗由分解者分解，氮再回归土壤循环使用。举个例子：森林大火和燃烧煤、石油都在短时间内把大量碳以二氧化碳形式释回大气，是碳循环受人类活动干扰的明证。
- 第六步：生物间的各种关系同一生境内的生物关系多样：捕食是一方杀死并摄食另一方；竞争是双方争夺相同的资源如食物、空间和光线；偏利共栖是一方得益另一方无损；互利共生是双方都得益；寄生是寄生者依附寄主取得养分，通常不会即时令寄主死亡。辨清关系类型，才能推断数量变化。举个例子：牛胃内的微生物帮牛分解纤维素、牛供给住所和养分，属互利共生；菟丝子以吸器吸取寄主养分属寄生；稻田内杂草与水稻争光争肥属竞争。
- 第七步：演替、稳定性与保育生态演替是群落随时间的定向变化：原生演替在从未有生物的裸地（如新形成的熔岩）开始，次生演替在受干扰但留有土壤的地方（如山火后）开始，经先锋物种逐步更替，最终达至相对稳定的顶级群落。食物网内物种互相依赖，移除一种可引起连锁效应。举个例子：山火后的草地先长出草本植物，再被灌木取代，数十年后可能重返林地；若把草地食物网中的蛇移除，青蛙和鼠类数量短期内上升，对草和农作物的压力随之增加。
4图解 Diagrams
5例题示范 Example
例题：某草地生态系的食物链为 草→蚱蜢→青蛙→蛇，草固定的总能量为 100000 千焦。假设各营养级间的能量传递效率为一成，试计算理论上传至蚱蜢、青蛙和蛇的能量，并解释能量逐级递减的两个原因；再指出若移除青蛙，蚱蜢的种群数量短期内会有何变化，以及对草的影响。
- 逐级计算：草 100000 千焦，蚱蜢级得 100000 × 110 = 10000 千焦，青蛙级得 10000 × 110 = 1000 千焦，蛇级得 1000 × 110 = 100 千焦。
- 递减原因一：部分生物未被下一级捕食，部分食物未被消化，能量以排遗形式流失。
- 递减原因二：摄入的能量有不少在呼吸作用中转成热能散失，热能不能循环再用，所以能量流动是单向的。
- 移除青蛙后，蚱蜢失去主要捕食者，短期内种群数量上升；牠们对草的摄食增加，令草的生物量下降，并进一步影响蛇的食物来源。
- 答案：传递效率一成下：蚱蜢约 10000 千焦、青蛙约 1000 千焦、蛇约 100 千焦。能量递减因排遗流失与呼吸作用以热能散失；热能不能再用，能量流动单向。移除青蛙令蚱蜢短期内数量上升，草被过度摄食而生物量下降，蛇亦因食物减少而受影响。
6常见错误 Mistakes
75 题快测 Quick check
Q1生态系的成分可分为哪两大类？生物群落按营养角色分为哪三类？
Q2能量为何在食物链中逐级递减？
Q3碳以什么形式进入生物体？又以哪些途径返回大气？
Q4捕食和寄生有何分别？
Q5什么是顶级群落？
8重点回顾 Recap
- 生态学层次：物种→种群→群落→生态系→生物群系→生物圈；生态系＝生物群落＋非生物因子。
- 食物链每一环是一个营养级，箭头示能量流向；多条食物链织成食物网，物种互相依赖。
- 能量流动单向、每级约传一成：排遗流失加呼吸热散失，锥体逐层收窄，热能不能循环再用。
- 物质循环不息：碳经光合作用固定、经呼吸分解燃烧释放；氮经固氮进入生物、经分解回归土壤。
- 生物间关系多样（捕食、竞争、偏利共栖、互利共生、寄生）；演替终至顶级群落；移除食物网中一种物种会引起连锁效应。