Nutrient cycles

歡迎來到營養循環的世界！

你好！這章節聽起來可能很複雜，但它其實是生態學中最基礎的概念之一：循環再造。試著把地球想像成一個巨大的生物體——它不能只是不斷消耗新的資源；它必須持續重複利用已有的元素。

在這些筆記中，我們將探討碳 (C) 和氮 (N) 等關鍵元素如何在生態系統的生物（biotic）與非生物（abiotic）部分之間移動。理解這些循環至關重要，因為人類活動對它們有巨大的影響，進而引發全球暖化和污染等重大的全球性問題。

準備好看看大自然是如何回收這些珍貴的成分了嗎？讓我們開始吧！

3.3.5 營養循環的原則

在任何生態系統中，能量會流動（通常始於太陽），但化學元素必須進行循環。它們被不斷地重複利用。

化學元素的關鍵作用

不同的化學元素是生命必不可少的建構單元。例如：

• 碳是所有有機物質（碳水化合物、脂質、蛋白質）所需的基礎。
• 氮是蛋白質（氨基酸）和核酸（DNA/RNA）所需的基礎。
• 磷是DNA、RNA 和 ATP 所需的基礎。

分解者的核心作用

整個營養循環依賴於微生物來解鎖儲存在死亡生物量中的元素。如果沒有它們，營養物質將被永久鎖住，生命活動就會停止！

分解者（主要是細菌和真菌，稱為腐生微生物）是將死亡有機物質和廢物（如糞便）分解回簡單無機形式的生物。

循環步驟：

1. 生物死亡或產生廢物。這些物質含有複雜的有機分子（例如：蛋白質、纖維素）。
2. 分解者將消化酶分泌到死亡物質上。這稱為細胞外消化。
3. 大型有機分子被分解成較小的、可溶性的無機分子（如離子或簡單分子，例如：硝酸鹽離子、銨離子）。
4. 這些無機分子/離子被釋放到土壤、水或大氣中。
5. 生產者（植物）吸收這些簡單的無機分子（例如：透過根部吸收硝酸鹽）。
6. 這些元素被納入生產者新的有機分子中。
7. 當消費者攝食生產者或其他消費者時，透過消化和吸收作用，含有這些元素的物質會被沿著食物鏈傳遞。

將分解者想像成必不可少的清潔隊——它們確保了生命新成分永遠不會永久流失。

重點複習：原則

營養物質會被循環再造，起始於分解者將複雜的有機物質分解為無機離子，隨後被生產者吸收並沿著食物鏈傳遞。

3.3.5.2 碳循環

碳是生命的骨架，主要以二氧化碳 (\(CO_2\)) 的形式在大氣中移動並溶解在海洋中。

碳循環中的關鍵生物過程

• 光合作用： 生產者（植物、藻類）從大氣中移除 \(CO_2\) 以製造有機化合物（葡萄糖）。這將碳從非生物環境帶入生物世界。
• 呼吸作用： 所有生物（植物、動物、微生物）在分解有機分子以釋放能量時，都會釋放 \(CO_2\) 到大氣中。這將碳從生物世界帶回非生物環境。
• 分解作用： 當分解者分解死亡生物量時，它們會透過呼吸作用釋放 \(CO_2\)。

二氧化碳濃度的波動

短期波動（每日/季節性）

這些變化主要歸因於光合作用與呼吸作用之間的平衡：

• 在白天（或夏季）：光合作用速率高，植物攝入大量 \(CO_2\)。濃度趨於下降。
• 在夜間（或冬季）：光合作用停止，但呼吸作用持續。植物和動物釋放 \(CO_2\)。濃度趨於上升。

長期變化（全球性）

這些主要由人類活動驅動：

1. 燃燒化石燃料： 化石燃料（煤、石油、天然氣）儲存了數百萬年前鎖住的碳。燃燒它們會迅速向大氣中釋放大量 \(CO_2\)。
2. 毀林： 樹木是碳匯（儲存碳）。砍伐並焚燒森林會將儲存的碳以 \(CO_2\) 形式釋放，並減少未來光合作用的機會。

溫室效應與氣候變遷

課程大綱要求了解 \(CO_2\) 和甲烷 (\(CH_4\)) 在加劇溫室效應中的作用。

• 溫室效應： 這是一個自然過程，大氣中的氣體（如水蒸氣、\(CO_2\) 和 \(CH_4\)）會截留地球表面輻射出的部分熱量，使地球保持適宜生物生存的溫度。
• 加劇效應： 當人類活動增加了這些氣體的濃度，更多的熱量被截留，導致全球暖化並隨之引發氣候變遷。

你知道嗎？甲烷是一種比 \(CO_2\) 強得多的溫室氣體，儘管它在大氣中停留的時間較短。它主要來自農業來源（如畜牧業）和厭氧分解（如垃圾掩埋場）。

氣候變遷的影響： 學生應具備評估相關數據的能力，例如：
    — 農作物產量減少（由於極端天氣或乾旱）。
    — 害蟲的生命週期和數量的改變（溫暖氣溫讓害蟲存活更好或繁殖更快，擴大了它們的活動範圍）。

總結：碳

碳透過光合作用和呼吸作用在大氣與生物之間快速循環。人類燃燒化石燃料造成了長期的嚴重失衡，導致溫室效應加劇並引發氣候變遷。

3.3.5.3 氮循環

氮是製造蛋白質和核酸的要素，但大氣中的氮氣 (\(N_2\)) 非常不活潑，無法被大多數植物或動物直接利用。

氮循環完全依賴細菌透過四個關鍵過程將氮轉化為可用的形式（離子）。

氮循環過程的記憶口訣：N.A.N.D

Nitrogen fixation（固氮作用）、Ammonification（氨化作用）、Nitrification（硝化作用）、Denitrification（脫氮作用）。

1. 固氮作用 (N₂ 轉化為氨/銨)

這是大氣中的氮氣 (\(N_2\)) 轉化為含氮化合物（主要是氨 (\(NH_3\))）的過程，氨在土壤中會迅速轉變為銨離子 (\(NH_4^+\))。

• 細菌的作用： 由固氮細菌執行（例如：與豆科植物根瘤共生的根瘤菌，或是土壤中的自生固氮菌）。
• 重要性： 這一階段使大氣中的氮能被生物所利用。

2. 氨化作用 (有機氮 轉化為銨)

這是分解階段——釋放儲存在死亡生物和廢物中的氮。

• 過程： 分解者（細菌和真菌）分解死亡物質和廢物中的有機氮化合物（如蛋白質和尿素）。
• 產物： 將銨離子 (\(NH_4^+\)) 釋放到土壤中。

3. 硝化作用 (銨 轉化為硝酸鹽)

硝化作用是一個兩步過程，將銨離子轉化為植物最容易吸收的形式：硝酸鹽離子。

此過程需要氧氣（屬好氧過程）。

步驟 3a： 銨離子 (\(NH_4^+\)) 轉化為亞硝酸鹽離子 (\(NO_2^-\))。
    — 參與細菌：亞硝化單胞菌 (Nitrosomonas)。

步驟 3b： 亞硝酸鹽離子 (\(NO_2^-\)) 轉化為硝酸鹽離子 (\(NO_3^-\))。
    — 參與細菌：硝化桿菌 (Nitrobacter)。

硝酸鹽離子 (\(NO_3^-\)) 會透過根部的主動運輸被生產者（植物）輕易吸收。

4. 脫氮作用 (硝酸鹽 轉化為 N₂ 氣體)

此過程將循環逆轉，將可利用的氮以不可利用的氮氣形式送回大氣。

• 過程： 脫氮細菌在厭氧條件下，利用硝酸鹽離子而非氧氣進行呼吸。
• 條件： 主要發生在缺氧的水淹土壤中。
• 結果： 硝酸鹽 (\(NO_3^-\)) 被轉化回氮氣 (\(N_2\))。

重點複習：氮循環

該循環由細菌主導。植物主要吸收由硝化作用產生的硝酸鹽 (\(NO_3^-\))。氮的流失則發生在水淹環境下的脫氮作用中。

人類對營養循環的影響：肥料與污染

補充流失的營養

當我們收割作物或移走牲畜時，我們將原本會透過分解作用進行循環的營養物質（如 N 和 P）移出了生態系統。為了確保未來的植物生長，農民必須使用肥料來補充這些流失的營養。

• 天然肥料： 包括糞肥和堆肥。隨著有機物質分解，它們緩慢地釋放營養（氨化作用）。
• 人工（無機）肥料： 合成化學物質（如硝酸銨），含有高濃度的可溶性無機離子（如硝酸鹽）。它們能提供即時營養，提高作物產量。

可溶性肥料的問題

雖然有效，但過度使用人工肥料會導致兩個主要的環境問題：

1. 淋溶 (Leaching)

淋溶發生是因為人工肥料含有極易溶解的無機離子，特別是硝酸鹽 (\(NO_3^-\))。

如果這些離子在植物生長緩慢時使用（例如施肥後大雨），水分會溶解這些離子，並將其帶入土壤深層，進而流入周圍的河流和湖泊。

後果： 這不僅浪費農民的金錢，還會污染飲用水（高濃度的硝酸鹽對嬰兒有毒）。

2. 優養化 (Eutrophication)（淋溶的後果）

優養化是指水體過度富含營養物質，導致毀滅性的生態影響的過程。

優養化步驟：

1. 營養富集： 從農田淋溶的硝酸鹽和磷酸鹽進入河流或湖泊。
2. 藻類爆發： 這些營養物質導致水面上的藻類迅速大量生長（藻華）。
3. 遮蔽陽光： 稠密的藻類表面層阻擋了陽光到達下層水生植物，導致這些植物死亡。
4. 分解與耗氧： 死亡的植物（最終包括藻類本身）被腐生細菌（分解者）分解。這些細菌進行好氧呼吸，消耗水中大量的溶解氧。
5. 水生生物死亡： 氧氣耗盡導致其他好氧生物（魚類、無脊椎動物）死亡。生態系統受到嚴重破壞。

類比：想像在魚缸裡投入過多飼料。魚吃不完，細菌吃掉過剩飼料並大量繁殖，細菌消耗掉所有氧氣，導致魚窒息死亡。

總結：最終重點

人類的收割活動會移除營養。我們雖用肥料補充，但若過度使用，可溶性營養物質會淋溶進入水路，導致優養化，過度生長的藻類隨後經細菌分解耗盡氧氣，殺死水生生物。

請持續練習這些循環，專注於過程的名稱以及相關細菌的特定作用——你一定做得到的！