物質的循環：碳循環與氮循環全攻略 | 莫斯利自然科學

在生態系中，能量的流動是「單向消耗」的（最終以熱能散失），而維持生命運作的各種化學元素（如碳、氮等）卻是在生物界與非生物環境之間周而復始、循環利用的。這就是生態學中極為重要的「物質循環」。

 選修生物IV 碳循環

選修生物IV 氮循環

一、 碳循環 (Carbon Cycle)

碳是構成所有有機化合物（如蛋白質、脂質、醣類、核酸）的核心骨架，地球上的碳主要以二氧化碳（CO₂）、碳酸氫根、有機物以及化石燃料的形式存在。

1. 碳進入生物界的主要途徑：

   
   

   • 光合作用： 生產者（如綠色植物、藻類）利用太陽能，將大氣中或水中的二氧化碳轉化成有機物（葡萄糖），將無機碳固定進入生物體內。   

     
     

2. 碳在生物體間的傳遞：

   
   

   • 透過食物鏈的攝食關係，碳元素以有機物的形式從生產者流向消費者。

     
     

3. 碳返回大氣環境的主要途徑：

   
   

   • 呼吸作用： 所有生物（包括生產者、消費者、分解者）進行有氧呼吸，將有機物分解並釋放二氧化碳回到大氣中。

     
     

   • 分解作用： 分解者（細菌和真菌）分解動植物的屍體與排泄物，過程中也會釋放二氧化碳。

     
     

   • 燃燒作用： 燃燒木材或化石燃料（煤、石油、天然氣）會將原本封存地底的碳快速釋放為二氧化碳，加劇溫室效應。

     
     

二、 氮循環 (Nitrogen Cycle)

大氣中充滿了高達 78% 的氮氣（N₂），但絕大多數的生物都無法直接利用空氣中的游離氮氣，必須依賴特定的土壤微生物將其轉化為植物能吸收的含氮無機鹽（如銨根離子 NH₄⁺、硝酸根離子 NO₃⁻）。

氮循環主要包含以下四個關鍵的微生物作用步驟：

1. 固氮作用 (Nitrogen Fixation)：

   
   

   • 將大氣中安定且無法直接利用的氮氣（N₂）轉化為生物可利用的含氮化合物。

     
     

   • 主要途徑：

     
     

     • 生物固氮： 生物固氮菌（如寄生在豆科植物根部的根瘤菌，以及自由生活的固氮菌、藍綠菌）將氮氣轉化為氨（NH₃）或銨鹽。

       
       

     • 非生物固氮： 閃電的高能量使空氣中的氮氣與氧氣反應形成氮氧化物，隨雨水溶入土壤成為硝酸鹽。

       
       

2. 硝化作用 (Nitrification)：

   
   

   • 土壤中的硝化細菌分兩階段將銨鹽（NH₄⁺）氧化為亞硝酸鹽，再進一步氧化為硝酸鹽（NO₃⁻）。硝酸鹽是植物最容易吸收利用的氮肥形式。

     
     

3. 植物吸收與同化：

   
   

   • 植物透過根系吸收土壤中的硝酸鹽或銨鹽，並將其同化合成植物自身的蛋白質與核酸；動物則透過攝食植物獲得含氮有機物。

     
     

4. 脫氨作用（氨化作用，Ammonification）：

   
   

   • 動植物的排泄物（如尿素）或遺體中的蛋白質，經由分解者（細菌和真菌）分解，轉化釋放出氨（NH₃）或銨鹽（NH₄⁺）。

     
     

5. 脫硝作用（反硝化作用，Denitrification）：

   
   

   • 在缺氧或積水土壤中，脫硝細菌（反硝化細菌）會將土壤中的硝酸鹽還原成氮氣（N₂），並釋放回大氣中，完成氮循環的閉環。

     
     

三、 碳循環與氮循環比較總表

比較項目	碳循環 (Carbon Cycle)	氮循環 (Nitrogen Cycle)
主要大氣儲存形式	二氧化碳（CO₂）	氮氣（N₂，佔大氣 78%）
進入生物界的方式	生產者的光合作用固定碳。	土壤微生物的固氮作用（如根瘤菌）。
返回環境的方式	呼吸作用、分解作用、化石燃料燃燒。	脫硝細菌的脫硝作用將硝酸鹽轉回氮氣。
高度依賴的生物	綠色植物（生產者）與各類分解者。	各類土壤特化細菌（根瘤菌、硝化細菌、脫硝細菌）。

四、 講義精選例題解析

【題型一：碳循環與呼吸、光合作用的關係】

【題目】 關於生態系中「碳循環」的敘述，下列何者正確？

1. 大氣中的碳主要是藉由動物的呼吸作用進入生物體內。

   
   

2. 生產者透過光合作用將無機的二氧化碳轉化為有機碳，是碳進入生物界的唯一主要門徑。   

   
   

3. 碳在生物體與環境之間的流動是單向消耗的，不需要分解者參與。

   
   

4. 燃燒化石燃料會減少大氣中的二氧化碳濃度。

   
   

【解析】

• 選項 (1) 錯誤：動物不會光合作用，碳是先由生產者光合作用進入生物體。   

  
  

• 選項 (2) 正確：生產者利用光合作用將無機碳固定為有機物。   

  
  

• 選項 (3) 錯誤：分解者分解屍體釋放 CO₂，是碳循環不可或缺的一環。

  
  

• 選項 (4) 錯誤：燃燒化石燃料會大量釋放 CO₂，加劇溫室效應。

  
  

• 正確答案：(2)   

  
  

【題型二：氮循環與土壤細菌的功能判斷】

【題目】 在生態系的氮循環中，關於各種土壤細菌功能的敘述，下列何者正確？

1. 根瘤菌與豆科植物互利共生，能將大氣中的氮氣轉化為植物可利用的含氮養分。

   
   

2. 脫硝細菌（反硝化細菌）的作用是將土壤中的氮氣轉化為硝酸鹽供植物吸收。

   
   

3. 硝化細菌負責將動植物排泄物直接分解成大氣氮氣。

   
   

4. 植物可以直接吸收大氣中 78% 的游離氮氣來合成蛋白質。

   
   

【解析】

• 選項 (1) 正確：根瘤菌進行生物固氮，將氮氣轉化為氨或銨鹽供豆科植物利用。

  
  

• 選項 (2) 錯誤：脫硝細菌是將硝酸鹽還原成「氮氣」放回大氣中。

  
  

• 選項 (3) 錯誤：將排泄物分解成氨或銨鹽的是「分解者」（細菌和真菌的氨化作用），而非硝化細菌。

  
  

• 選項 (4) 錯誤：高等植物無法直接利用空氣中的氮氣，必須靠土壤中的固氮與硝化作用轉化為無機鹽後才能吸收。

  
  

• 正確答案：(1)

  
  

五、 莫斯利重點整理

1. 碳循環核心口訣： 光合作用抓碳進來（固定），呼吸與燃燒吐碳出去（釋放）。   

   
   

2. 氮循環三大主角細菌：

   
   

   • 固氮菌／根瘤菌： 空氣氮氣 ➔ 氨／銨鹽（固氮）。   

     
     

   • 硝化細菌： 銨鹽 ➔ 亞硝酸鹽 ➔ 硝酸鹽（植物最愛用的氮肥）。

     
     

   • 脫硝細菌： 硝酸鹽 ➔ 空氣氮氣（還原放回大氣）。

     
     

3. 物質與能量的最大差異： 能量是單向流動、最終耗散；而碳、氮等物質則是周而復始、循環利用的。