第3節生態系統的物質循環目標素養1.通過分析生態系統的物質循環與能量流動的關系,建立生命的物質與能量觀。2.通過分析生態系統中碳循環的模式圖,培養運用理性思維分析問題和解決問題的能力。3.通過分析溫室效應產生的原因以及預防措施,培養關注環境問題及生物學社會議題等的社會責任感。4.闡明某些有害物質會通過食物鏈不斷富集的現象,認同生物富集的成因和危害,了解保護環境的必要性和迫切性。知識概覽一、物質循環的實例——碳循環1.碳的存在形式(1)非生物環境:以

二氧化碳

和

碳酸鹽

等形式存在。(2)生物群落:主要以

含碳有機物

的形式存在。

2.循環形式(1)碳在生物群落與非生物環境之間的循環主要是以

二氧化碳

的形式進行的。

(2)在生物群落內以

含碳有機物

的形式進行。

3.過程圖解

(1)寫出圖中①~⑥表示的過程。①

光合作用或化能合成作用

,②

呼吸作用

,③

呼吸作用

,④

捕食

,⑤

分解作用

,⑥

燃燒

。

(2)寫出A、B、C、D表示的生物類群。A.生產者

,B.

分解者

,C.

初級消費者

,D.

次級消費者

。

4.循環特點(1)二氧化碳能溶于水,因此可在大氣和海洋、河流之間進行交換。(2)由于二氧化碳能夠隨著大氣環流在全球范圍內流動,因此,碳循環具有全球性。此外,海洋對于調節大氣中的碳含量起著非常重要的作用。5.溫室效應(1)原因:世界范圍內,

化石燃料

的開采和使用大大增加了二氧化碳的排放,加劇了

溫室效應

,引起全球性的氣候變化。

(2)措施:我國一方面采取積極措施減少二氧化碳排放,另一方面大力

植樹種草

,提高森林覆蓋率,這在吸收和固定二氧化碳方面發揮了重要作用。

微思考如果人們不按生態規律辦事,對森林亂砍濫伐,對生態系統的碳循環將會造成什么影響?提示:對森林亂砍濫伐,會打破碳循環的平衡,使大氣中的二氧化碳進入生物群落過程受阻,大氣中二氧化碳的含量就會明顯增多,從而加劇溫室效應。微訓練下列有關下圖所示碳循環的部分過程的分析,錯誤的是(

)A.參與①過程的生物包括生產者、消費者和分解者B.②過程增強后,①過程隨之增強,故不能通過增強②來減少大氣中的二氧化碳C.在生物群落內,碳循環的形式是含碳有機物D.人類減少對③的依賴是當前緩解溫室效應的重要措施答案:B解析:生物群落由生產者、消費者和分解者組成,它們通過呼吸作用(分解作用)將二氧化碳釋放到非生物環境中。可以通過植樹種草等途徑增強植物的光合作用,減少大氣中的二氧化碳含量。二、物質循環的概念及特點1.概念組成生物體的

碳、氫、氧、氮、磷、硫

等元素,都在不斷進行著

從非生物環境到生物群落,又從生物群落到非生物環境

的循環過程,這就是生態系統的物質循環。2.特點(1)

全球性

——生物地球化學循環。

(2)

循環往復運動

——物質可被生物群落反復利用。

三、生物富集1.概念生物富集是指生物體從周圍環境吸收、積蓄某種元素或難以降解的化合物,使其在機體內濃度超過環境濃度的現象。

2.特點(1)食物鏈中營養級越高,生物富集的某種物質濃度就越大。(2)具有全球性。3.舉例:鉛(Pb)、鎘(Cd)、汞(Hg)等重金屬,DDT、六六六等有機化合物以及一些放射性物質。四、能量流動和物質循環的關系1.聯系能量流動和物質循環是生態系統的主要功能,它們同時進行,彼此相互依存,不可分割。能量的固定、儲存、轉移和釋放,都離不開物質的合成和分解等過程。(1)物質作為能量的

載體

,使能量沿著食物鏈(網)流動。

(2)能量作為

動力

,使物質能夠不斷地在生物群落和非生物環境之間

循環往返

。

2.區別(1)在物質循環過程中,非生物環境中的物質可以被生物群落

反復

利用。

(2)能量在流經生態系統各營養級時,是逐級遞減的,而且流動是

單方向不循環

的。

五、探究土壤微生物的分解作用1.實驗原理微生物能分泌多種水解酶,將大分子有機物分解成小分子有機物,如纖維素酶、淀粉酶可將纖維素、淀粉水解成

葡萄糖

。小分子有機物被分解者吸收到細胞中進行氧化分解,最終形成二氧化碳、水和各種無機鹽,同時釋放能量。

2.實驗方案

微判斷1.物質循環中的“物質”指的是組成生物體的各種化合物。(

)2.物質循環和能量流動是兩個獨立的過程。(

)3.生態系統的物質循環和能量流動的渠道都是食物鏈和食物網,所以物質和能量都是循環往復的。(

)4.只有在光照的條件下,生態系統的物質循環和能量流動才是同時進行的。(

)××××5.可采用加熱烘干的方法除去實驗組中的土壤微生物。(

)6.實驗組和對照組可以分別選擇不同種類的落葉進行實驗。(

)××一

碳循環問題探究右圖是自然界碳循環的簡圖。據圖回答下列有關問題。1.圖中的甲、乙、丙分別表示什么?并簡述判斷的理由。提示:甲為分解者,乙為消費者,丙為生產者。丙和大氣中的二氧化碳庫之間有雙向箭頭,且其他幾種成分都有箭頭指向大氣中的二氧化碳庫,同時丙和乙都有箭頭指向甲,所以丙為生產者,甲為分解者,乙為消費者。2.圖中的序號分別表示什么過程?提示:①代表分解者的分解作用,②和③代表呼吸作用,④代表光合作用或化能合成作用,⑤代表捕食,⑥和⑦代表動植物的遺體、動物的排遺物等提供給分解者。3.大氣中的二氧化碳進入生物群落的主要途徑是什么(用圖中序號表示)?碳在甲、乙、丙之間的流動形式主要是什么?提示:④。含碳有機物。4.氮元素在生物群落與非生物環境之間能否循環利用?如何解釋需不斷向農田中施加氮肥?提示:能。農田是人工生態系統,是以提高農作物的產量和效益、使能量更多地流向對人類最有益的部分為目的的,農田土壤中氮的含量往往不足以使作物高產,加之農產品源源不斷地從農田生態系統中輸出,其中的氮元素并不能都歸還土壤,所以需要施加氮肥。歸納總結

2.碳循環的形式。

比較項目進入生物群落生物群落內部返回非生物環境形式二氧化碳含碳有機物二氧化碳方式光合作用和化能合成作用通過食物鏈或食物網①生產者和消費者的呼吸作用②分解者的分解作用③化石燃料的燃燒3.碳循環過程模式圖

4.碳循環常見變式圖解分析

(1)圖甲——先根據雙向箭頭和有三個箭頭指向B判斷,A和B分別為生產者、非生物的物質和能量;再根據A和C均指向D判斷,D為分解者,C為消費者。(2)圖乙——根據A與C之間的雙向箭頭以及其他成分均有指向C的箭頭判斷,A是生產者,C是非生物的物質和能量;根據A、B、D都有箭頭指向E,可進一步判斷,B是初級消費者,D是次級消費者,E是分解者。(3)圖丙——根據A與E之間的雙向箭頭以及其他成分均有指向A的箭頭判斷,A為非生物的物質和能量,E為生產者。然后觀察剩余的幾個成分,其中各成分都有箭頭指向C,所以C是分解者,剩余的B、D、F則為消費者。整個圖解中,食物鏈是E→F→D→B。(4)圖丁——根據大氣中的二氧化碳庫與A之間的雙向箭頭判斷,A是生產者,A、B、C均有箭頭指向動植物遺體和動物的排遺物,其箭頭又指向D,說明D是分解者,進一步判斷B為初級消費者,C為次級消費者。典例剖析【例1】下圖是生物圈中碳循環的部分示意圖。A、B、C、D構成生物群落,①~⑨表示循環過程。下列有關說法正確的是(

)A.大氣中的氣體X是指二氧化碳和一氧化碳B.完成①過程的能量主要是由⑧過程提供的C.D經⑤⑥⑦過程獲得的能量占A、B、C總能量的10%~20%D.C處于第三營養級答案:D解析:生物群落與非生物環境之間的碳循環是以二氧化碳的形式進行的,故題圖中大氣中的氣體X代表二氧化碳。①主要表示光合作用,該過程所需的能量主要來自太陽能。兩個相鄰營養級之間的能量傳遞效率為10%~20%,而題圖中D為分解者,不參與食物鏈的組成。題圖中A為生產者,B為初級消費者(第二營養級),C為次級消費者(第三營養級)。規律總結(1)判斷生態系統的成分的依據:碳元素在非生物環境與生物群落之間傳遞時,只有生產者與非生物環境之間的傳遞是雙向的,其他成分之間的傳遞都是單向的。(2)利用“三看法”快速確認碳循環的各環節。

學以致用1.下圖是生態系統中碳循環示意圖,“→”表示碳的流動方向。下列說法正確的是(

)A.圖中甲是生產者,乙、丁、戊是消費者,丙是分解者B.該生態系統的成分包括甲、乙、丙、丁、非生物的物質和能量C.該生態系統中的食物鏈可表示為甲→丁→戊D.甲和乙的種間關系為捕食答案:C解析:由題圖中甲、丙之間為雙向箭頭且乙、丁、戊均指向丙可知,甲為生產者,丙為大氣中的二氧化碳庫,又由甲、丁、戊均指向乙可知,丁、戊為消費者,乙為分解者。該生態系統的成分包括甲、乙、丁、戊、非生物的物質(包括丙)和能量。該生態系統中的食物鏈可表示為甲→丁→戊。乙為分解者,所以甲和乙的種間關系不是捕食。二

生態系統中能量流動和物質循環的關系

問題探究能量流動和物質循環是生態系統的功能,二者之間的相互關系如下圖所示。請思考回答下列問題。1.請分析上圖,完善圖中內容。提示:圖中字母表示的成分是A生產者,B初級消費者,C次級消費者,D分解者;圖中的能量形式分別是①熱能,②化學能,③化學能,④熱能。2.物質循環和能量流動是各自獨立進行的,這種說法正確嗎?為什么?提示:不正確。能量的固定、儲存、轉移和釋放,都離不開物質的合成和分解等過程。3.生態系統中的能量流動和物質循環之間有何聯系和區別?提示:聯系:物質是能量沿著食物鏈(網)流動的載體,能量是物質在生態系統中往復循環的動力。區別:在物質循環過程中,非生物環境中的物質可以被生物群落反復利用;能量流動則不同,能量在流經生態系統各營養級時,是逐級遞減的,而且流動是單方向不循環的。歸納總結1.圖示2.能量流動和物質循環的區別與聯系典例剖析【例2】

下圖是生態系統的能量流動和物質循環的關系簡圖,根據下圖不能得到的結論是(

)A.物質作為能量的載體,使能量沿著食物鏈(網)流動B.能量作為動力,使物質能夠不斷地在生物群落和非生物環境之間循環往返C.能量①②③④的總和便是生產者所固定的太陽能總量D.碳在生物群落和非生物環境之間的循環主要是以二氧化碳的形式進行的答案:C解析:生產者所固定的太陽能總量是指生產者總的同化量,①②③④的總和小于生產者所固定的太陽能總量。學以致用2.下圖為一個簡化的生態系統能量流動和物質循環示意圖。下列關于圖中箭頭含義的表述,錯誤的是(

)A.④和⑤可表示生物群落中能量的散失B.⑤可表示生物群落中的物質回歸非生物環境C.②表示能量在生物體間單向流動D.①可表示碳元素從二氧化碳轉變為有機物答案:A解析:生物群落中的能量通過呼吸作用(④)以熱能的形式散失,⑤表示生物群落中的物質回歸非生物環境。1.某生態系統中,鎘在沿著食物鏈轉移的過程中產生生物富集作用。該生態系統有甲、乙、丙、丁四個營養級,各營養級所積累的鎘的相對濃度如下圖所示。下列相關敘述錯誤的是(

)A.上述四個營養級可以構成食物網B.四個營養級中處于最高營養級的是丙C.鎘不屬于該生態系統的組成成分D.四個營養級所同化的能量值的關系可表示為丁>甲+乙+丙答案:C解析:題圖中不同的營養級的生物可以構成食物網,A項正確。生態系統中某些有害物質會沿食物鏈積累,因此圖中含有鎘的濃度越高,營養級越高,故丙所處的營養級最高,B項正確。生態系統的組成成分包括生物群落和非生物的物質和能量,鎘屬于生態系統的組成成分,C項錯誤。由題圖可知,丁的鎘濃度最低,說明其所處的營養級最低,則其固定的能量最多,由于能量是單向流動、逐級遞減的,因此四個營養級所同化的能量值的關系可表示為丁>甲+乙+丙,D項正確。2.下圖為某生態系統的部分物質循環簡圖,其中M表示非生物的物質和能量。下列相關敘述正確的是(

)A.若M表示大氣中的二氧化碳庫,則碳元素在④過程中是以含碳有機物的形式傳遞的B.從圖中可以看出能量伴隨著物質循環而循環C.若M表示大氣中的二氧化碳庫,則碳元素可在生物群落中反復循環利用D.若M表示非生物環境中的能量,則①的能量值為②與③對應的能量值之和答案:A解析:碳元素在生物群落中是以含碳有機物的形式傳遞的,A項正確。能量在生態系統中沿食物鏈單向流動,B項錯誤。碳元素是在非生物環境和生物群落之間反復循環利用的,而不是在生物群落的內部,C項錯誤。①代表的是生態系統中生產者固定的總能量,它不僅包括②③④,還包括消費者通過呼吸作用散失到非生物環境中的能量以及流向下一營養級的能量等,D項錯誤。3.某生物興趣小組以帶有落葉的表層土壤(深5cm左右)為實驗材料,研究土壤微生物在適宜溫度下的分解作用,對土壤處理情況見下表。下列有關敘述錯誤的是(

)組別1組2組3組4組土壤處理滅菌不滅菌滅菌不滅菌濕潤濕潤較干燥較干燥A.該實驗能探究不同土壤濕度條件下,土壤微生物對落葉的分解作用B.為了控制實驗中的無關變量,作為實驗材料的落葉也應進行滅菌處理C.該實驗的自變量為土壤是否進行滅菌處理,實驗中的對照組是1組和3組D.預期結論是1、3組的落葉不被分解,2、4組中的落葉被不同程度地分解答案:C解析:該實驗中1、2組是濕潤土壤,3、4組是較干燥土壤,2組與4組對照,可以探究不同土壤濕度條件下,土壤微生物對落葉的分解作用。該實驗中對土壤采取了滅菌和不滅菌的處理,這是對自變量的處理,落葉上存在的微生物屬于無關變量,為了避免無關變量對實驗的干擾,應對各組的落葉進行滅菌處理。該實驗的自變量為土壤是否滅菌處理及土壤的濕度,若該實驗的自變量為土壤是否滅菌處理,那么實驗中的對照組是2組和4組。該實驗的預期結論是1、3組的落葉不被分解,2、4組的落葉被不同程度地分解。4.下圖為我國北方處于穩定狀態下的某森林生態系統中碳循環示意圖,圖中A、B、C、D分別代表生態系統的組成成分,①~⑦代表碳元素的傳遞過程。請據圖回答下列問題。(1)寫出字母或標號代表的生態系統的組成成分或碳循環過程:B為

;C為

;