学年高中生物北师大版必修三教学案第4章 第1节 第3课时 生态系统中的物质循环 Word版含答案.docx
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学年高中生物北师大版必修三教学案第4章第1节第3课时生态系统中的物质循环Word版含答案
第3课时 生态系统中的物质循环
1.生态系统中的物质循环主要包括水的循环、碳的循环和氮的循环。
2．对碳的循环有积极作用的碳库是水圈和大气圈，CO2是碳循环中主要的形式。
3．物质循环的特点是全球性、循环性。
4．物质循环和能量流动同时进行、相互依存，不可分割。
水的循环、碳的循环、氮的循环
[自读教材·夯基础]
1．水循环过程图解
2．碳的循环
（1）循环形式：
在生物群落与无机环境之间主要以CO2的形式进行。
（2）过程图解：
3．氮的循环
（1）固氮：
将处于游离状态的氮气转变成为无机氮的化合物（主要是硝酸盐和氨），供给植物直接利用的过程。
（2）固氮的微生物：
根瘤菌、氨化细菌、亚硝酸盐细菌、硝化细菌等。
CO2是以什么方式进入生物群落的，在生物群落中以什么形式传递？
提示：
CO2通过生产者的光合作用或化能合成作用进入生物群落，在生物群落中以含碳有机物形式传递。
[跟随名师·解疑难]
碳循环图示分析
图乙
（1）由甲图可知：
①大气中的碳元素进入生物群落，是通过植物的光合作用或化能合成作用。
②碳在生物群落和无机环境之间循环是以CO2的形式进行的。
碳元素在生物群落中的传递，主要靠食物链和食物网，传递形式为有机物。
③大气中CO2的来源有三个：
一是分解者的分解作用；二是动植物的细胞呼吸；三是化石燃料的燃烧。
（2）由乙图可知：
①碳在无机环境与生物群落之间传递时，只有生产者与无机环境之间的传递是双向的，其他各成分之间的传递都是单向的。
②煤、石油、天然气等化石燃料的燃烧，使大气中的CO2浓度增高，是形成“温室效应”的最主要原因。
物质循环的特点及与能量流动的关系
[自读教材·夯基础]
（1）特点：
循环流动，具有全球性。
（2）物质循环与能量流动的关系：
①联系：
二者是同时进行的，彼此相互依存，不可分割。
具体如下图：
②差异：
能量流动是单向性的，而且逐级递减；物质循环是循环性的，可以被生物反复利用。
1．探讨物质循环中的“物质”是指元素还是化合物。
提示：
物质循环中的“物质”指组成生物体的C、H、O、N、P、S等化学元素。
2．结合能量流动和物质循环过程，说一下生产者的作用。
提示：
在能量流动中，生产者固定太阳能；使能量流入生物群落；在物质循环中，生产者将无机物转化成有机物，在生物群落中以有机物的形式传递。
[跟随名师·解疑难]
能量流动和物质循环的关系
生态系统的主要功能是进行能量流动和物质循环，这两大功能之间既有明显的差别，又有必然的联系。
（1）区别：
项目
能量流动
物质循环
形式
以有机物为载体
无机物
特点
单向传递，逐级递减
反复循环
范围
生态系统的各营养级
生物圈（全球性）
（2）联系：
同时进行、相互依存、不可分割。
①生态系统的能量流动是随着物质循环而进行的。
能量的固定、转移和释放，离不开物质的合成与分解。
相反，物质的合成与分解必然伴随能量的储存与释放。
②物质作为能量的载体，使能量沿着食物链（网）流动；能量作为动力，使物质能够不断地在生物群落和无机环境之间循环往返。
③生态系统中的各种组成成分，正是通过能量流动和物质循环，才能够紧密地联系在一起，形成一个统一的整体。
碳循环的过程
[例1] 下面是生态系统中碳循环的简明示意图，请据图回答下列问题：
（1）A过程是____________的____________作用，具体包括____________和____________两种类型。
（2）图中缺少的一个重要箭头是____________。
（3）与A过程本质相同的有____________过程（用图中字母填写）。
（4）碳在无机环境中以____________形式存在，而在无机环境与生物群落之间以____________形式进行循环。
碳循环始终与__________结合在一起进行。
（5）生态系统的四种成分通过____________和____________紧密联系在一起而形成一个统一的整体。
（6）2001年2月联合国环境规划署的专家警告说，温室效应将使全球每年因气候变暖而造成的损失达到3000多亿美元。
为了防止CO2在大气中含量的上升，可采取哪些措施：
①________________________________；②______________________。
（写两条）
[精讲精析] 碳元素在无机环境和生物群落之间的循环，离不开生产者（主要是绿色植物）。
首先通过绿色植物的光合作用，被合成有机物进入植物体内，再通过食物链流到各级消费者体内，最后再流入分解者，被分解成CO2释放到大气中，同时各种生物的呼吸作用也产生CO2，直接回到大气中。
另外，人们目前常用的能源，如石油、天然气、煤等燃料燃烧时释放的CO、CO2等物质也直接散放到大气中。
要使大气中CO2浓度不再上升，采取的措施应加大吸收CO2和减少CO2排放。
[答案]
（1）分解者 分解 无氧呼吸 有氧呼吸
（2）从大气中的CO2库到绿色植物 （3）B、C （4）CO2或碳酸盐 CO2 能量流动 （5）物质循环 能量流动 （6）①植树造林，加大对CO2的吸收 ②减少化石燃料的燃烧，进而减少CO2的排放，开发新能源
规律方法
有关碳循环示意图中生态系统成分的判断
（1）首先判断双箭头的两端是生产者和大气中的CO2库，除双箭头外生产者（A）只有出发箭头，大气（B）只有接受箭头。
（2）消费者（C）接受一个箭头而出发两个，分解者（D）则接受两个出发一个，两者之间物质流动方向是从消费者（C）到分解者（D）。
（3）在具体物质循环图中特别注意化石燃料等其他环节，在前两步的基础上灵活判断。
1．如图是自然界碳循环的简图，图中的甲、乙、丙各代表（ ）
A．甲为生产者，乙为分解者，丙为消费者
B．甲为消费者，乙为分解者，丙为生产者
C．甲为分解者，乙为生产者，丙为消费者
D．甲为生产者，乙为消费者，丙为分解者
答案：
A
能量流动和物质循环的关系
[例2] 下面为生物圈中碳循环的部分示意图。
A、B、C、D构成生物群落，箭头①～⑨表示循环过程。
下列有关说法正确的是（ ）
A．大气中的气体X是指二氧化碳和一氧化碳
B．完成①过程的能量主要是由⑧过程提供的
C．D经⑤、⑥、⑦过程获得的能量占A、B、C总能量10%～20%
D．C处在第三营养级
[精讲精析] 生物群落与无机环境之间的碳循环是以CO2形式进行的，故图中大气中的气体X代表CO2；图中A为生产者，B为初级消费者（第二营养级），C为次级消费者（第三营养级）；分解者分解释放的能量（热量）不能再被生产者所利用；捕食食物链中相邻营养级间的林德曼效率为10%～20%。
[答案] D
2．下面是生态系统中碳循环示意图，图中“→”表示碳的流动方向。
请回答：
（1）写出图中含有三个营养级的食物链（用字母表示）
→
→
（2）在物质循环的过程中，同时伴随着________。
若生产者有5000kg，按能量最大传递效率计算，位于第三营养级的生物可增重________kg。
解析：
（1）据图可知，A代表生产者，B代表分解者，C代表大气中的二氧化碳，D、E代表各级消费者；所以食物链可表示为A→D→E。
（2）5000×0.2×0.2＝200。
答案：
（1）A D E
（2）能量流动 200
1．探究生态系统中的碳循环。
2．探究如何建立沼气池等实现资源的再利用。
典例剖析
生态系统的物质循环包括组成生物体的各元素的循环，碳循环是主要的循环之一，如何设计实验来探究有关问题呢？
下面我们来试着做这样一个实验。
实验目的：
探究生态系统中的碳循环。
实验原理：
植物与动物之间有着各种各样的关系，如何将一种植物和一种动物放在一个封闭系统中，可以用pH试纸测定此系统中所发生的CO2浓度的变化来探究碳的转化情况。
实验材料和用具：
试管架、4支试管、铝箔4张、光源、2只田螺、2枝金鱼藻、50mL量筒、去氯的水、pH试纸。
请完善下列实验步骤、得出结果和结论：
试管编号
项目
1
2
3
4
步
骤
第一步
每支试管中加入等量的去氯的水
第二步
一只田螺
一枝金鱼藻
A
第三步
测定每支试管中的pH后用双层铝箔将试管口封住
第四步
B
第五步
每20min测定一次pH，共测8次
实验结果
pH无变化
C
pH上升
D
实验结论
E
完善步骤及结论：
A．________________________________________________________________________；
B．________________________________________________________________________；
C．________________________________________________________________________；
D．________________________________________________________________________；
E．________________________________________________________________________。
[解析] 本题目为探究性实验题目，通过观察各操作组的pH变化，分析CO2浓度的变化来探究碳的转化情况。
第一步：
编号，取4支试管分别编号为1、2、3、4，分别加入等量的去氯的水；第二步：
对照处理。
1号试管不做任何处理，作为对照组；2号试管加入一只田螺，作为消费者；3号试管加入一枝金鱼藻，作为生产者；4号试管加入一只田螺和一枝金鱼藻，作为消费者和生产者。
第三步，测定最初pH后，利用双层铝箔封口；第四步，将4支试管给予适宜强度的光照；第五步，每20min测定一次pH，共测8次。
观察每支试管在此过程中pH的变化来分析生态系统中碳的转化情况。
[答案] A．一只田螺、一枝金鱼藻B．将4支试管放在适宜强度光源下照射 C．pH下降 D．pH基本上没有变化（或略有上升） E．碳在生产者和消费者之间通过光合作用和呼吸作用进行转化，即在生态系统内进行循环
[随堂基础巩固]
1．利用泥浆生物反应器处理污染土壤，原理是将污染土壤用水调成泥浆状，同时加入部分营养物质和菌种等，在有氧条件下剧烈搅拌，使污染物快速分解。
由此推知，该反应器（ ）
A．能够实现物质循环
B．主要处理有机污染
C．可看做一个小型生态系统
D．存在能量输入、传递、转化和散失
解析：
菌种在有氧条件下，使污染物快速分解，所以主要分解的是有机物。
物质循环发生在生物圈范围内，生态系统中必须有生产者，这样才有能量的输入。
答案：
B
2．（北京高考）为研究森林群落在生态系统物质循环中的作用，美国一研究小组在某无人居住的落叶林区进行了3年实验。
实验区是两个毗邻的山谷（编号1、2），两个山谷各有一条小溪。
1965年冬，研究人员将2号山谷中的树木全部砍倒留在原地。
通过连续测定两条小溪下游的出水量和硝酸盐含量，发现2号山谷小溪出水量比树木砍倒前升高近40%。
两条小溪中的硝酸盐含量变化如图所示。
请回答问题：
（1）大气中的N2进入该森林群落的两种途径有__________________。
在森林群落中，能从环境中直接吸收含氮无机物的两大类生物是________________。
（2）氮元素以N2、NO
和________的形式被生物吸收，进入细胞后主要用于合成________________两类生物大分子。
（3）图中显示，1号山谷溪水中的硝酸盐含量出现季节性规律变化，其原因是不同季节生物________________________________________________________________________。
（4）1966年5月后，2号山谷溪水中的硝酸盐含量急剧升高，主要的两个原因是________________________________________________________________________。
（5）氮元素从森林群落输出的两种途径是_______________________________。
（6）该实验结果说明森林群落中植被的两个主要作用是______________________。
解析：
尽管氮元素在进入生物体后，可以用于合成蛋白质、核酸、氨基酸、核苷酸、ATP、ADP等含氮化合物，但这些化合物中只有蛋白质和核酸是生物大分子物质；1号山谷中硝酸盐含量的季节性变化主要与植物的落叶（在2～4月被分解时，含量显著升高）和不同季节对硝酸盐的利用量不同有关；1966年有5月后，2号山谷溪水中的硝酸盐含量急剧升高；主要原因在于：
一是由于2号山谷中的树木全部被砍倒，对硝酸盐的利用量显著降低；二是在微生物的频繁活动下，动植物遗体中的有机氮被大量分解产生硝酸盐并进入溪水。
森林群落中的氮元素输出的两条主要途径是：
一是硝酸盐经过反硝化作用形成N2进入大气，二是硝酸盐及氨等含氮化合物被雨水冲刷而输出；由上述研究中，连续测定出的2号山谷小溪水中的硝酸盐含量明显高于1号山谷小溪水，可知森林群落具有同化无机环境中的氮元素的作用；由2号山谷小溪的出水量比树木砍倒前升高近40%可知，森林群落具有涵养水源的作用。
答案：
（1）生物固氮、闪电固氮 植物和微生物
（2）NH
蛋白质、核酸
（3）对硝酸盐的利用量不同
（4）①丧失了植被对硝酸盐的吸收，②动植物遗体被分解后，产生的硝酸盐进入小溪
（5）通过细菌的作用将硝酸盐最终变成N2返回大气、雨水的冲刷
（6）涵养水源、同化无机环境中的氮元素
3．如图为生态系统碳循环示意图，其中甲、乙、丙表示生态系统中的三种成分。
请据图回答：
（1）生态系统的碳循环是指碳元素在________之间不断循环的过程。
（2）X与甲中图示生物类群的能量来源不同，X代表的生物为________；Y的细胞结构与丙中图示生物不同，Y的细胞结构最主要的特点是____________________________。
（3）大气中的CO2在甲中图示的________处（在a～d中选择）合成有机物，含碳有机物在甲中图示的________处（在a～d中选择）可以分解为CO2。
（4）化石燃料除燃烧外，还可以通过________途径产生CO2。
解析：
（1）生态系统的物质循环是指无机环境中的化学元素经生产者的同化作用进入生物群落，以有机物的形式在生物群落中流动，最后通过分解者的分解作用和各种生物的呼吸作用进入无机环境，这样周而复始地循环。
（2）图中甲所示生物利用的是光能，与其不同的是利用化学能进行化能合成作用的硝化细菌等。
图中丙表示分解者。
丙中图示生物为细菌，Y表示真菌，Y与细菌相比，有核膜包围的细胞核。
（3）CO2的固定发生在植物细胞的叶绿体基质中，如图中的c，葡萄糖等有机物在细胞质基质和线粒体中分解成CO2，如图中的a和b。
（4）植物的枯枝落叶，还可以通过微生物的分解作用产生CO2。
答案：
（1）生物群落与无机环境
（2）化能自养细菌（或硝化细菌等） 有核膜包围的细胞核 （3）c a和b （4）微生物的分解
4．（广东高考）气候变化与生态系统的碳循环密切相关。
下表为A、B两个不同时期陆地生态系统与大气环境的碳交换情况。
时期
碳吸收量（kgC·a－1）
碳释放量（kgC·a－1）
A
1.20×1014
1.20×1014
B
1.20×1014
1.26×1014
（1）生态系统碳的吸收主要是通过________作用实现的，碳的释放主要是通过________作用实现的。
（2）表中__________时期的生态系统处于稳定状态，原因是_______________________。
（3）由于过度的人工碳排放，破坏了生态系统的________，导致大气中________增加，并引起全球气候变化。
（4）人们正在积极开发新能源以减少碳排放。
如“叶绿素太阳能电池”是模仿类囊体吸收光能的特性而制造的，类囊体吸收光能的过程发生在光合作用的________阶段；又如经改造的蓝藻能在细胞内将光合作用产生的__________直接发酵转化为燃料乙醇。
解析：
（1）碳在生物群落与无机环境之间的循环主要以CO2的形式进行，CO2的吸收主要依靠光合作用实现，其次还有化能合成作用；CO2的释放主要依靠呼吸作用实现，其次还有化石燃料的燃烧。
（2）表中A时期碳吸收量等于碳释放量，生态系统维持稳定，而B时期碳吸收量小于碳释放量，生态系统的碳循环遭到破坏。
（3）过度的人工碳排放超过了生态系统的自我调节能力，生态系统的稳定性遭到破坏。
CO2排放的增加导致温室效应，引起全球气候变化。
（4）光合作用的光反应阶段发生在类囊体中，光合作用的产物是有机物和氧气，其中有机物（葡萄糖）可作为发酵的直接原料。
答案：
（1）光合 呼吸
（2）A 碳的释放量等于碳的吸收量
（3）碳平衡 CO2浓度
（4）光反应 有机物
[课时跟踪检测]
（满分50分 时间25分钟）
一、选择题（每小题3分，共30分）
1．右面为生态系统中碳循环的模式图。
相关叙述正确的是（ ）
A．①代表生产者，5可以代表化能合成作用
B．碳元素在①②③④间以含碳有机物的形式传递
C．在食物链中占有碳元素最多的营养级可能是①
D．①②③中含有的有机物可以促进碳元素在群落和无机环境之间循环
解析：
由图可知：
①是生产者；②是消费者；③是分解者；④是无机环境，5代表生产者的呼吸作用；碳元素在①②③之间以含碳有机物的形式传递；①③促进碳元素在生物群落和无机环境之间的循环。
答案：
C
2．以单位面积计，热带雨林中残枝落叶较温带森林的多，那么土壤中有机物的积累量一般是（ ）
A．热带雨林小于温带森林
B．热带雨林大于温带森林
C．热带雨林等于温带森林
D．热带雨林与温带森林无法比较
解析：
热带雨林生态系统的生物种类多，营养结构复杂，土壤里的微生物的种类和数量多→枯枝落叶等有机物的分解速度快，利用效率高，有机物的积累量少。
温带森林由于温度和水分等因素的影响，土壤中微生物的种类和数量相对较少→残枝落叶等含有的有机物被微生物分解的速度慢，积累的有机物多。
答案：
A
3．如图表示生物圈中碳元素的循环过程，下列有关叙述不正确的是（ ）
A．B是生态系统的主要成分
B．③⑤⑧均属于细胞呼吸
C．A和B属于捕食关系
D．温室效应主要是由⑦过程造成的
解析：
由物质循环的箭头指向可以看出B是生产者，是生态系统的主要成分。
同时可以看出A是分解者，不可能与B构成捕食关系。
答案：
C
4．（大连模拟）下图表示生态系统中四种成分（甲、乙和丙、丁、戊所对应方框各代表一种成分）之间的关系，以下相关叙述中正确的是（ ）
A．甲、乙和丙所包含的所有种群构成群落
B．戊不一定是微生物
C．图中存在竞争关系的只有乙2和丙2
D．丁的含量增加将导致臭氧层被破坏
解析：
由图可知，甲为生产者，乙和丙是消费者，戊是分解者，丁是非生物的物质和能量。
群落包含该区域内所有的生物，包括生产者、消费者和分解者；戊是分解者，有些动物如蚯蚓也是分解者；图中乙2和丙2有共同的食物资源丙1，存在竞争关系，乙1和丙1均以甲为食，它们之间也存在竞争关系；由图知丁的主要气体成分是二氧化碳，而导致臭氧层被破坏的主要是含氟的气体。
答案：
B
5．物质循环中参与循环的物质对象（ ）
A．单质
B．化合物
C．C、H、O、N等化学元素
D．含碳的糖类、脂肪、蛋白质等生物体所特有的物质
解析：
生态系统的物质循环是指组成生物体的C、H、O、N等化学元素都不断进行着由无机环境到生物群落，又从生物群落到无机环境的循环过程。
可见参与循环的物质对象既不是单质，也不是生物体特有的化合物，而是组成生物体的化学元素。
答案：
C
6．下面是某营养元素循环简图，下列哪一组合能代表X、Y、Z三种生物（ ）
A．分解者、消费者、生产者
B．消费者、分解者、生产者
C．生产者、消费者、分解者
D．生产者、分解者、消费者
解析：
根据物质循环的特点，非生物的物质和能量首先进入到生产者，生产者和消费者之间通过食物关系相联系，且两者都有一部分有机物被分解者分解，再次进入到无机环境中。
所以生物X为生产者，生物Y为消费者，生物Z为分解者。
答案：
C
7．在碳循环中，CO2通过哪些生理过程进入生物群落（ ）
①光合作用 ②细胞呼吸 ③分解作用 ④燃烧作用 ⑤化能合成作用 ⑥蒸腾作用
A．①③④ B．①⑤
C．②③④D．①⑤⑥
解析：
无机环境中的CO2绝大部分是通过绿色植物的光合作用合成有机物进入生物群落的，还有很小的一部分则通过化能合成作用合成有机物进入生物群落。
答案：
B
8．“猪—沼—茶”是华南山地丘陵地区常见的生态农业模式，由种植（茶树）、养殖（猪）、农户（人）和沼气生产（微生物）四个子系统构成。
该生态农业模式（ ）
A．是由茶树、猪、人和微生物组成的生态系统
B．实现了物质和能量在系统中的多级循环利用
C．使整个生产过程进入了废物资源化的良性循环
D．注重系统内部的自身调节作用，不需要外部投入
解析：
生态系统是一定的时空范围内所有的生物及其无机环境的总和，A中只有生物没有无机环境，不能构成生态系统；能量流动的特点是单向流动、逐级递减，不能循环利用；该生态系统能充分实现废物资源化、减少环境污染、减少投入，但还需要人们不断投入一定的幼猪、茶树、化肥等。
答案：
C
9．下面是生态系统中某元素循环的模式图，对该图说明正确的是（ ）
A．这是碳元素的循环
B．A与B两种生物是生态系统不可缺少的成分
C．图中缺少化石燃料的燃烧
D．该物质循环只在某生态系统内进行
解析：
图中B是消费者，不是生态系统必不可少的成分。
物质循环是在生物圈范围内进行的。
煤和石油属于化石燃料。
答案：
A
10．下列关于生态系统捕食链中能量和物质的叙述，正确的是（ ）
①物质是单向流动，不循环的 ②物质是可循环的
③能量是单向流动，不可循环的 ④能量是单向流动，可循环的 ⑤能量是伴随着物质而流动的 ⑥能量不是伴随物质而流动的
A．①③⑤B．①④⑥
C．②③⑤D．②③⑥
解析：
物质是循环的，是能量流动的载体；能量流动是单向的，推动物质的循环。
答案：
C
二、非选择题（共20分）
11．（8分）下面为生态系统中能量流动和碳循环的关系图，据图回答下列问题：
（1）对物质循环起关键作用的生态系统的成分是[ ]________和[ ]________。
（2）图中的①③⑤表示的生理过程分别是：
①__________，③________，⑤________。
（3）C生物处于第________营养级，若要使C增加200kg至少需要消耗A________kg。
（4）（多选）若该图表示某温带草原生态系统，牧民为了提高畜牧产量，采取了如下措施，其中正确的做法是（ ）
A．彻底捕杀狼等次级消费者，以保护牛羊的安全
B．大力防治害虫和鼠对植被的破坏，使能量尽可能流向对人类有益的方向
C．加大对牧草的水肥管理
D．大量繁殖牛羊
解析：
据生态系统的能量流动和物质循环的原理可知A为生产者，①是光合作用；B是初级消费者
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