高中生物第四章生态工程第13课时生态工程及其原理学案苏教版选修3.docx
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高中生物第四章生态工程第13课时生态工程及其原理学案苏教版选修3
第13课时生态工程及其原理
[学习目标] 1.说出生态工程的概念。
2.掌握生态工程的四个基本原理。
一、生态工程的概念
1．生态系统的结构包括哪些部分？
答案 生态系统的结构包括生态系统的组成成分、食物链和食物网，前者又包括非生物的物质和能量、生产者、消费者和分解者。
2．生态系统有哪些功能？
答案 生态系统的功能包括物质循环、能量流动和信息传递。
3．研究能量流动有何意义？
答案
（1）帮助人们科学规划、设计人工生态系统，使能量得到最有效的利用；
（2）能实现对能量的多级利用，从而大大提高能量的利用率；（3）帮助人们合理地调整生态系统中的能量流动关系，使能量持续高效地流向对人类最有益的部分。
4．传统粗放的经济模式存在哪些弊端？
答案 传统粗放的经济发展模式正在毁坏水、大气、土壤和生物资源等，不注重生态环境的保护，没有考虑生态成本，经济的发展以巨大的生态环境破坏为代价。
5．什么是生态工程？
答案 是指人类应用生态学、系统学等学科的基本原理和方法，通过系统设计、调控和技术组装，修复或重建已破坏的生态环境，改善传统的生产方式，并提高生态系统的生产力，达到经济效益、生态效应和社会效益同步发展的工程体系。
6．与传统的工程相比，生态工程有何特点？
答案 是一类少消耗、高效益、可持续的工程体系。
二、生态工程的基本原理
阅读教材，回答相关问题。
1．物质循环再生原理
（1）完善生态系统物质循环和能量流动简图
（2）在农业生态系统中，如何实现物质的循环利用？
物质是以什么形式循环的？
答案 该生态系统的人畜粪便、作物残留物都再返回到农田土壤里，通过分解者的分解作用再供生产者利用。
物质循环是以元素形式循环的。
（3）什么是物质循环再生原理？
其理论基础是什么？
答案 物质不断地在各类生态系统中进行区域小循环和全球大循环，实现物质的分层、分级利用。
理论基础：
生态系统的物质循环。
2．物种多样性原理
（1）为什么人工林一旦发生虫害，极易造成林木的大面积损害？
答案 人工林的生物多样性低，食物链短而单调，缺少害虫的天敌，而成片单一的林木又为其提供了丰富的食物来源，因而会导致树林的毁坏。
（2）为什么物种多样性程度高的生态系统抵抗力稳定性也较高？
答案 生态系统中的各种生物都占有一定的生态位，它们通过复杂的食物链和食物网联系起来。
一旦某一生态位中的某种生物因故而灭绝；该生态位的其他生物可迅速替代，从而维持生态系统结构功能的稳定。
（3）物种多样性原理的核心是什么？
答案 物种多样性原理的核心是生态学中物种多样性与生态系统稳定性关系的原理。
3．协调与平衡原理
（1）什么叫环境承载力？
超过这个量，对生态环境有何影响？
答案 环境承载力（又称环境容纳量）是指在环境条件不受破坏的情况下，一定空间中所能维持的生物种群的最大数量。
如果生物的数量超过了环境承载力的限度，就会引起系统的失衡和破坏。
（2）生物氧化塘法主要是利用水塘中藻类和细菌等对有机废水进行生物处理的方法。
其基本原理是什么？
答案 基本原理是通过水塘中的“藻、菌共生系统”进行废水净化，即水塘中细菌分解废水中的有机物，产生CO2、磷酸盐、铵盐等营养物质供藻类生长，藻类光合作用产生的O2又可供细菌生长繁殖。
（3）在生物氧化塘中，不同水层的微生物是如何对污水进行治理的？
答案 藻类及好氧菌一般位于表层（好氧层），好氧菌能直接摄取污水中的小分子有机物；无色杆菌、假单孢菌、芽孢杆菌等优势菌种通常位于下层（兼性层）；硫酸还原细菌、甲烷细菌等厌氧菌位于底部（厌氧层）。
（4）协调与平衡原理的核心是什么？
答案 协调与平衡原理的核心是生态学中生物与环境相适应的原理。
4．整体性原理
（1）依据整体性原理，在进行生态工程建设时，是以哪些部分作为一个整体？
答案 自然生态系统是通过生物与环境、生物与生物之间协同进化而形成的一个不可分割的有机整体。
在进行生态工程建设时，不但要考虑到自然生态系统的规律，还要考虑到经济和社会等系统的影响，包括社会习惯和相关的法律制度等，使社会、经济、自然三方面协调统一，保障整个系统的稳定与平衡。
（2）为什么说农林牧副渔一体化生态工程体现了整体性原理？
答案 农林牧副渔一体化生态工程建设的关键是调控系统内部的结构和功能，进行优化组合，提高生态系统物质再生和能量转化的能力，充分挖掘物质生产的潜力，尽量利用原料、产品、副产品、废弃物以及时间、空间和营养生态位，提高整体的综合效益。
（3）整体性原理的核心是什么？
答案 整体性原理的核心是生态学、系统学和经济学相统一的原理。
5．系统学和工程学原理
（1）什么是系统结构决定功能原理？
答案 生态工程设计时，要充分考虑人工生态系统内部不同成分之间的结构，通过优化这种结构，达到改善系统功能的效果。
（2）什么是系统整体性原理？
答案 协调系统内部各部分的关系、比例，只有这样才能顺利完成能量、物质、信息等的转换和流通，并且实现整体功能大于各部分之和的效果，即“1＋1>2”。
（3）你能举出系统整体功能大于部分之和的例子吗？
答案 豆科作物和固氮菌的共生就是一例。
固氮菌为豆科作物提供氮素，而豆科作物为其提供能量和其他营养，两者的共生使豆科作物能够在氮素缺乏的土地上生长；当把它们分开时，两者的生长都要受到损害。
（4）试描述“稻田养鱼”生态工程是如何体现系统学和工程学原理的。
答案 在稻田养鱼的农业生态系统中，鱼类取食杂草，减少了杂草与水稻在阳光、养分方面的竞争；鱼类中含有丰富的氮、磷，增加了水稻的肥源；滤食性鱼和杂食性鱼能取食稻田中的浮游生物、底栖动物等。
一、生态工程所遵循的基本原理
1．生态工程所遵循的基本原理比较
项目
理论基础
意义
实例
物质循环再生原理
物质循环
使废弃物资源化，为物质生产和再生提供更多机会，实现对资源的充分利用
农作物秸秆的多级利用
物种多
样性原理
生态系统的稳定性
生物多样性程度高，可提高系统的抵抗力稳定性
天然林比人工林抵抗力稳定性强
协调与
平衡原理
生物与环境的协调与平衡
生物数量不超过环境承载力，可避免系统的失衡和破坏
生物氧化塘净化污水
整体性
原理
社会—经济—自然复合系统
统一协调各种关系，保障系统的平衡与稳定
农林牧副渔一体化生态工程
系统学
和工程
学原理
系统结构决定功能原理
改变和优化系统的结构以改善功能
稻田养鱼
系统整体性原理：
整体大于部分之和
保持系统较高的生产力
相关玉米副产品的生态工程
2.将下列现象与所遵循的基本原理用线连起来
二、生物氧化塘
下图是生物氧化塘的作用示意图，完善此图回答相关问题：
（1）生物氧化塘的表层（好氧层）的主要生物是__________________，主要是降解污水中的______________和无机盐（如________、________等），位于下层（兼性层）的生物主要有______________、______________、______________等原核生物，与酵母菌相比，其主要特点是__________________________。
位于底层（厌氧层）的生物主要有____________、____________等。
（2）生物氧化塘内的转化过程实际上是一个连续处理污水的________________过程：
藻类进行光合作用产生的________和空气中的________，有利于________降解污水中的有机物；兼性厌氧菌和厌氧菌通过有氧或无氧呼吸也分解污水中的有机物；各种菌分解过程中产生的________等无机物又能被________充分利用。
（3）在进行各项生态工程建设时，通过模拟自然生态系统可以促进生态工程内__________________和__________________，从而更好地________环境。
（4）生物氧化塘处理污水，应用的生物学原理主要有____________原理和______________原理。
（5）根据生态工程中的物种多样性这一原理，有人认为生态农业建设中，应使食物链越长和营养级越多越好。
请你结合所学的有关生态工程原理，分析该结论是否正确？
为什么？
________________________________________________________________________
________________________________________________________________________
________________________________________________________________________。
（6）结合该污水处理工程，分析其优缺点。
________________________________________________________________________
________________________________________________________________________。
答案
（1）藻类和好氧菌 小分子有机物 N P 无色杆菌 假单孢菌 芽孢杆菌 无核膜包被的细胞核 硫酸还原细菌 甲烷细菌
（2）生物循环 氧气 氧气 好氧菌 CO2 藻类 （3）物质的良性循环 能量的高效利用 保护 （4）物种多样性 协调与平衡 （5）不正确。
因为食物链越长，各营养级中的生物数量难以达到一定规模，影响经济效益；营养级越多，高层次营养级生物获得的能量越少，该营养级生物数量也越少 （6）优点：
投资少、设备简易、操作容易。
缺点：
占用土地面积大
1．下列关于生态工程的叙述，不正确的是（ ）
A．当人类赖以生存的生态系统出现了严重的健康问题时，生态工程应运而生
B．生态工程能够减少环境污染
C．生态工程以牺牲环境和资源为前提，生产出更多的产品
D．生态工程力求达到生态效益、经济效益和社会效益的协调统一
答案 C
解析 A选项为生态工程产生的背景，B、D选项为生态工程的意义，C项描述会破坏环境和浪费资源，不是可持续发展，明显错误。
2．下图说明我国现有的生产模式严重违反了什么生态工程原理（ ）
A．整体性原理
B．协调与平衡原理
C．系统的结构决定功能原理
D．物质循环再生原理
答案 D
解析 从题图中不难看出，综合污染物与能源消耗呈逐年上升的趋势，说明了生产活动产生的物质不能被充分利用，造成了能源的消耗过大。
3．对生态农业原理中能量多级利用的理解，正确的是（ ）
A．尽可能设计一条很长的食物链
B．使流向人类的能量最多
C．实现“原料—产品—原料—产品”的生产模式
D．通过生物防治减少能量损失
答案 C
解析 在农业生态系统中，要合理利用资源，实现物质的多级利用，使能量最大限度地流向人类或人类所需的产品。
食物链过长，能量在食物链中流动时逐级消耗，人类所获得的能量太少。
4．人们为了解决某些在农、牧、渔业等生产中产生的生态问题而采取了下列各项措施，其中可能导致完全相反的结果的是（ ）
A．更好的人口控制方法
B．制造更强、更有效的农药
C．合理地放养牲畜
D．把科学的耕作技术运用于海洋
答案 B
解析 人口的迅速增加必然会给生态系统增加更大的压力，所以控制人口增长是解决生态问题的有效方法；合理地放养牲畜和科学合理地利用海洋资源是解决生态问题的有效途径；但制造更强、更有效的农药必然会对环境造成严重的污染，这与人们的愿望是完全相反的。
对于病虫害的防治应致力于生物防治方法的研究与开发，这样才能有效地解决病虫害的防治和环境污染问题。
5．我国西北土地沙化和盐渍化非常严重，原因有多种，其中一个主要原因是超载放牧，导致草地退化。
试分析上述事实主要违背了生态工程的什么原理（ ）
A．系统学和工程学原理
B．协调与平衡原理
C．物种多样性原理
D．整体性原理
答案 B
解析 协调与平衡原理是生态工程的基本原理之一，该原理的一个重要方面就是考虑环境承载力，即生态系统的自我调节能力。
基础再现
1．下列观点不符合生态农业建设思路的是（ ）
A．调整产业结构，开发多种经营
B．保持生态系统内的生态平衡
C．以高能量获得农业的高产量
D．循环利用农业有机废弃物
答案 C
解析 以高能量获得农业的高产量是“石油农业”的做法，生态农业的设计要求是投入少，产出多。
2．生态工程建设的实质目的是（ ）
A．减少生产消耗，增加生产效益
B．减少环境污染，发挥资源潜力
C．征服自然世界，主宰经济发展
D．遵循自然规律，实现可持续发展
答案 D
解析 生态工程建设的目的是在促进自然界良性循环的前提下，充分发挥资源的生产能力，防治环境污染，达到经济效益和生态效益的同步发展。
其实质是实现经济的可持续发展。
3．下列叙述违背生态工程中生态学原理的是（ ）
A．充分考虑环境因子对生物的影响
B．尽可能减少种间竞争所产生的耗损
C．实现生态系统的良性循环
D．以单一种群获得经济效益的最大化
答案 D
解析 设计生态工程的目的是在促进自然界良性循环的前提下，充分发挥资源的生产潜力，防止环境污染，达到生态效益与经济效益的同步发展，D选项单纯追求经济效益，显然违背了生态学原理。
4．在进行林业工程建设时，一方面要号召农民种树，另一方面要考虑贫困地区农民的生活问题，如粮食、烧柴以及收入等问题。
以上做法依据的生态工程原理是（ ）
A．系统整体性原理
B．整体性原理
C．系统的结构决定功能原理
D．以上都不是
答案 B
解析 从本题中可以看出，在生态恢复的过程中，不但要考虑到生态效益，还要考虑与经济、社会的关系，应属于整体性原理。
5．下图是“无废弃物农业”物质和能量流动图，该图所体现的主要生态工程原理是（ ）
A．物种多样性原理B．整体性原理
C．物质循环再生原理D．协调与平衡原理
答案 C
解析 题图突出了“无废弃物农业”，实现了物质的区域小循环以及物质和能量的分层分级利用，因此主要体现了物质循环再生原理。
能力提升
6．下列关于生态工程设计的叙述，错误的是（ ）
A．生态工程设计的依据是生态学和工程学的基本原理
B．用玉米芯生产木糖醇采用的是生态工程的食物链（网）的“相接”法
C．生物氧化塘是生态工程设计的一个实例
D．利用藻类和细菌等生物之间的协同作用可处理污水
答案 B
解析 用玉米芯生产木糖醇采用的是生态工程的食物链（网）的“加环”法。
生物氧化塘内的转化过程实际上是一个连续处理污水的生物循环过程，是生态工程设计的一个实例。
生物氧化塘就是利用藻类和细菌等生物之间的协同作用用来处理污水的，藻类产生的O2有利于好氧菌降解污水中的有机物，各种菌产生的CO2等无机物又能被藻类充分利用。
7．在“三北”防护林工程建设中注意了以下两个问题：
①考虑到树种的生态适应性问题；②考虑到树种多样性问题。
这分别体现了生态工程的哪些原理（ ）
A．系统学原理和物种多样性原理
B．协调与平衡原理和物种多样性原理
C．整体性原理和物种多样性原理
D．物种多样性原理与整体性原理
答案 B
解析 “三北防护林工程”中考虑到树种的生态适应性问题是“避免系统的失衡和破坏”，考虑到树种多样性问题是为了“提高系统的抵抗力稳定性，提高系统的生产力”。
8．在我国珠江三角洲地区，桑基鱼塘模式有良好的经济效益和生态效益。
它遵循的是系统的结构决定功能原理，这种原理的突出特点是（ ）
A．优化结构，改善系统的功能
B．重视调整系统内各组分之间的比例关系
C．为农作物和牲畜营造良好的生活条件
D．设计成自然—社会—经济复合系统
答案 A
解析 桑基鱼塘模式就是把很多单个生产系统通过优化组合，有机整合在一起，达到改善系统功能的目的，A正确；B选项涉及的是系统整体性原理；C选项涉及到生物与环境的协调与平衡原理；D选项则涉及到整体性原理，都不是系统的结构决定功能原理的特点。
9．生物氧化塘是利用藻类和细菌处理污水的一种生态系统。
下图是生物氧化塘内部成分之间的关系，相关分析不正确的是（ ）
A．生物氧化塘利用了生态工程的协调与平衡、物种多样性等原理
B．在该氧化塘中引进硝化细菌有利于对污水的处理
C．B层中的藻类和细菌具有种间互助关系
D．出水处只要对细菌数量进行有效控制便可排放
答案 D
解析 据图分析，A层中有机物被各种微生物分解，产生的产物到B层中可与细菌代谢产物一同被藻类利用产生O2，而O2又可被好氧型细菌所利用。
由此可知，生物氧化塘利用了协调与平衡和物种多样性等原理，且B层中的藻类和细菌具有种间互助关系。
如果在该塘中引进硝化细菌，则可将产生的多余的NH3转变为NO
，利于污水的净化。
而污水经处理后是否达到排放标准，不仅需要对细菌等微生物数量进行控制，还要对主要污染物进行检测，合格后才能排放。
10．某草原牧区，在进行草场建设时，既注重不同牧草种类的搭配种植，又对单位面积内的放牧量做了一定控制。
这种做法体现了（ ）
A．实行“循环经济”的原则
B．低消耗、多效益的原则
C．遵循物种多样性和协调与平衡原理
D．建立自然—社会—经济复合系统
答案 C
解析 物种多样性和协调与平衡原理都是生态工程建设应当遵循的原理。
进行牧区草场建设时，既要考虑系统结构和功能的复杂性，又要考虑生物与环境的协调平衡，才能保证生态系统的稳定。
11．建设社会主义新农村的关键是发展生态农业，走可持续发展道路。
下图是泰州某地尝试的生态农业模式图。
它利用雏鸭旺盛的杂食性吃掉稻田里的杂草和害虫；利用鸭不间断的活动产生中耕浑水效果，既刺激了水稻生长，又促进了土壤中原有农药的分解；水稻的秸秆用作养猪、养鸭、培育蘑菇、生产沼气，鸭粪、沼渣等肥田，从而生产出无污染大米与蛋肉类。
请据图回答有关问题：
（1）该生态系统把很多单个生产系统通过优化组合有机地整合在一起，这体现了__________
___________________________________________________________________________原理。
（2）储存在生产者体内的能量最终去向是___________________________________________。
（3）氮元素能在生物群落和无机环境中不断循环，为什么还要往农田中不断施加氮肥？
________________________________________________________________________________
_______________________________________________________________________________。
（4）该生态系统的主要成分是______________________________________________________。
答案
（1）系统的结构决定功能
（2）流向下一营养级、流向分解者 （3）氮素不断通过产品输出该生态系统 （4）水稻、杂草、蔬菜
解析 系统的结构决定功能原理需要考虑系统内部不同组分之间的结构，通过改变和优化结构，达到改善系统功能的目的。
储存在生产者体内的能量可流向分解者和下一营养级。
农田生态系统要输出农产品。
12．“四位一体”（人居—种植—养殖—沼气）生态农业是我国北方典型的生态农业模式，它以沼气为纽带，将沼气池、猪禽舍、蔬菜栽培与日光温室有机地组合在一起。
下图是该系统物质循环的示意图，请分析回答下列问题。
（1）图中有________条食物链。
沼气的产生依赖该生态系统中的成分是________。
（2）该生态系统中能量能否循环利用？
________。
（3）“四位一体”应用了____________________________等生态工程原理，与自然生态系统相比，它的抵抗力稳定性________（高/低）。
（4）举例说明“四位一体”农业有哪些生态效益？
________________________________________________________________________
________________________________________________________________________
________________________________________________________________________。
（至少写出两点）。
答案
（1）2 分解者
（2）不能 （3）物质循环再生、物种多样性、整体性、系统学与工程学（任写2个即可）
低 （4）①使用清洁、高效的沼气，减少了对薪柴的砍伐量，有利于植被保护和水土保持；②人、畜粪便的无害化处理，改善了农村卫生条件；③沼渣、沼液的合理利用，提高了土壤肥力，从而减少化肥用量；④减少农药用量，有利于环境保护
解析 题图中有两条食物链，分别是蔬菜→人、蔬菜→猪→人，沼气是由分解者的分解作用产生的。
能量在生态系统中不能循环利用。
“四位一体”应用了物质循环再生、物种多样性、整体性、系统学与工程学原理等，由于该系统内生物种类和数目少，因而它的抵抗力稳定性较自然生态系统低。
个性拓展
13．现有一生活污水净化处理系统，处理流程为“厌氧沉淀池→曝气池→兼氧池→植物池”，其中植物池中生活着水生植物、昆虫、鱼类、蛙类等生物。
污水经净化处理后，可用于烧灌绿地。
请回答问题：
（1）污水流经厌氧沉淀池、曝气池和兼氧池后得到初步净化。
在这个过程中，微生物通过__________________呼吸将有机物分解。
（2）植物池中，水生植物、昆虫、鱼类、蛙类和底泥中的微生物共同组成了________（生态系统、群落、种群），在植物池的食物网中，植物位于第________营养级。
植物池中所有蛙类获得的能量最终来源于________所固定的________能。
（3）生态工程所遵循的基本原理有整体性原理、协调与平衡原理、______________和______________等。
（4）一般来说，生态工程的主要任务是对________________________进行修复，对造成环境污染和破坏的生产方式进行改善，并提高生态系统的生产力。
答案
（1）无氧和有氧（细胞）
（2）群落 一 生产者 太阳 （3）物质循环再生原理 物种多样性原理 （4）已被破坏的生态环境（或受损的生态系统）
解析
（1）生活污水流经厌氧沉淀池时，厌氧微生物通过无氧呼吸将有机物分解；流经曝气池时，其中的需氧微生物通过有氧呼吸将有机物分解；流经兼氧池时，其中的微生物则通过有氧呼吸和无氧呼吸将有机物分解。
（2）水生植物、昆虫、鱼类、蛙类和底泥中的微生物组成的整体，不止一种生物，故排除种群；不包含无机环境，故排除生态系统，则这个整体属于群落。
植物为生产者，属于第一营养级；生态系统中消费者和分解者的能量都是最终来源于生产者固定的太阳能。
（3）生态工程的建设要把社会、经济和自然作为一个统一的整体来考虑，需要考虑生物与环境的协调与平衡，分层、多级利用废弃物中的物质，并增加生物的种类以增强生态系统的稳定性，故生态工程需遵循的基本原理有整体性原理、协调与平衡原理、物质循环再生原理和物种多样性原理等。
（4）生态工程对恢复和重建受损的生态系统有着重要作用，通过生态工程对已被破坏的生态环境进行修复和改善，可提高生态系统的生产力。
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