版高中生物 第4章 生物与环境的协调发展 第1节 生态系统是一个相对稳定的系统 第.docx

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版高中生物第4章生物与环境的协调发展第1节生态系统是一个相对稳定的系统第

第3课时　生态系统中的物质循环

[目标导读]　1.分析教材图4－11和图4－12，概述水循环、碳循环和氮循环的过程，并归纳物质循环的特点。

2.阅读教材P99最后一段，比较能量流动和物质循环的过程和特点，归纳二者的区别和联系。

[重难点击]　1.生态系统的物质循环过程和特点。

2.物质循环与能量流动的关系。

一　水的循环、碳的循环和氮的循环

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，请结合教材内容分析它们的具体过程，并归纳其共同特点。

1．水的循环

（1）分析图中数据：

海洋蒸发量比降水量多出0.37，陆地的降水量比蒸发量多出0.37，这可以说明海洋中蒸发的水量大部分直接以降水的形式回到海洋，小部分降到了陆地上。

而陆地上多出的这部分水量就以地表径流的形式归还到海洋中。

（2）海洋和陆地的总蒸发量为5.2，总降水量为5.2，二者相等，说明水分可以循环往复的利用。

（3）水的循环是局部性的，还是全球性的？

答案　全球性的。

2．碳的循环

（1）碳在自然界的储存库主要是水圈和大气圈，_CO2是碳循环中主要的形式。

（2）自然界中的碳元素是以CO2的形式被生产者利用，通过光合作用合成有机物储存在体内，进入生物群落。

（3）碳元素在生物群落中以有机物的形式，沿着食物链和食物网往下传递，最终流向分解者。

（4）动植物的呼吸作用和分解者的分解作用，以及化石燃料的燃烧都可以把有机物分解成无机物，以CO2的形式归还给环境。

（5）如果人们不按生态规律办事，乱砍滥伐森林，对生态系统的碳循环有何影响？

答案　打破了碳循环平衡，使大气中CO2进入群落的过程受阻，大气中CO2的含量就会明显增多。

（6）化石燃料的大量燃烧，对生态系统的碳循环有何影响？

又有什么危害？

答案　CO2在很短时间内释放出来，打破了碳循环平衡，使大气中CO2的含量增高，进而导致温室效应。

危害：

加快极地和高山冰川的融化，导致海平面上升，进而对人类和其他许多生物的生存构成威胁。

3．氮的循环

（1）氮的气体形式在空气中的含量高达79%，但不能被植物直接利用，要经过固氮菌（如根瘤菌）的固氮过程转化为硝酸盐和氨后，再供给植物利用。

（2）动植物遗体、排遗物等中的含氮有机物先经过氨化细菌的作用生成NH3，再经过亚硝酸盐细菌和硝酸盐细菌的作用生成硝酸盐，一部分硝酸盐可以被植物体再利用，另一部分硝酸盐被反硝化细菌还原成氮气归还到大气中去。

（3）综上可见，氮循环的形式有N2、NH3、NO

、含氮有机物等。

（4）氮循环是否具有全球性的特点？

答案　是。

4．结合以上的实例，归纳物质循环的特点

（1）循环再生、反复利用；

（2）全球性。

归纳提炼

项目

水的循环

碳的循环

氮的循环

实质

H、O元素的循环

C元素的循环

N元素的循环

循环的形式

水蒸气、液态水

CO2、含碳有机物

N2、NH3、NO

、含氮有机物等

主要过程

蒸发、降水、动植物的吸收

光合作用、细胞呼吸、分解作用、燃烧

固氮作用、硝化作用、反硝化作用、燃烧、分解作用

共同特点

循环性、全球性

活学活用

1．如图为生态系统中碳循环过程，其中甲、乙、丙、丁构成生态系统的生物群落，箭头表示物质循环方向。

请判断下列说法的正误：

（1）图中①过程可以表示绿色植物的光合作用（　　）

（2）缺少类群甲则生态系统的物质循环不能正常进行（　　）

（3）类群丙无氧呼吸是产生大气中气体X的途径之一（　　）

（4）碳在乙、丙中以有机物的形式存在（　　）

（5）参与物质循环的对象是含碳的糖类、脂肪、蛋白质等有机物（　　）

（6）碳循环是在组成生态系统的生物群落的生物体内的循环过程（　　）

（7）碳循环是碳元素在生物群落与无机环境之间的循环过程（　　）

问题导析　

（1）据图，气体X为CO2，与其具有双向箭头的乙为生产者，乙、丙、丁都指向甲，甲为分解者，丙为初级消费者，丁为次级消费者。

（2）碳在生物群落内的存在形式是有机物。

（3）碳循环是组成生物体的元素的循环，而不是化合物的循环。

答案　

（1）√　

（2）√　（3）×　（4）√　（5）×　（6）×　（7）√

二　物质循环和能量流动的关系

物质循环和能量流动是生态系统的两大主要功能，它们之间既有区别，又相互联系，结合下图分析二者的关系。

1．完成下表，归纳二者的区别

项目

物质循环

能量流动

特点

反复利用、循环流动

单向流动、逐级递减

范围

全球性

生态系统的各营养级

2.阅读教材，归纳二者的联系

（1）物质为能量的流动提供载体，使能量能够在食物链和食物网中进行传递。

（2）能量的固定、贮存、转换、释放都伴随着物质的合成和分解过程。

（3）能量的流动使得非生物环境和生物群落之间的物质不断循环往复，所以说，能量是物质循环的动力。

归纳提炼

绘制物质循环和能量流动图解时应注意的问题

（1）绘制物质循环图解时，注意物质是可以循环的，即物质循环的箭头可以是双向的。

（2）能量流动是单向的，生产者的能量可流向消费者和分解者，但消费者与分解者中的能量不能流向生产者。

（3）绘制能量流动图解时，只要存在有机物传递即伴随着能量的传递（如动植物遗体、残枝败叶→沼气池；沼渣→食用菌等，均既有物质传递，又有能量流动）。

活学活用

2．如图为某生态系统的部分物质循环简图，其中M表示非生物成分。

下列叙述正确的是（　　）

A．若M表示大气中的CO2，则碳元素在图中④过程是以有机物形式传递的

B．从图中我们可以看出能量伴随着物质循环而循环

C．若M表示大气中的CO2，则碳元素可在生物群落中反复循环利用

D．若M表示非生物环境中的能量，则①的能量值为②与③对应的能量值之和

答案　A

解析　碳元素在生物群落中是以含碳有机物的形式传递的；能量在生态系统中沿食物链单向流动，而不能循环利用；碳元素是在非生物环境和生物群落之间可被反复循环利用，而不是在生物群落的内部；①代表的是生态系统中固定的总能量，它不仅包括②③，还包括消费者通过呼吸作用散失到无机环境中的能量。

当堂检测

1．大气中水分的主要来源是（　　）

A．陆地水蒸发B．海洋水蒸发

C．森林树木的蒸腾作用D．太空

答案　B

解析　大气中的水分主要来自海洋水分的蒸发，树木蒸腾作用产生的水属于陆地上的水分。

2．如图为碳循环的主要途径，下列有关叙述错误的是（　　）

A．图中B能实现光能→化学能的转化

B．由B→C→D的林德曼效率是变化的

C．B、E是实现生物群落与非生物环境沟通的关键环节

D．B、C、D被E食用而处于第二、三、四营养级

答案　D

解析　图中A表示无机环境，B表示生产者，C表示初级消费者，D表示次级消费者，E表示分解者。

生产者能实现光能→化学能的转化。

不同营养级之间的林德曼效率约为10%～20%，但不一定是某个固定值。

连接生物群落和非生物环境的两大桥梁是生产者和分解者。

图中的B、C、D分别处于第一、第二和第三营养级。

3．从物质循环的角度看，人体内的碳元素究其根源来自（　　）

A．燃料中的碳B．所食动物体内的碳

C．食物中的碳D．大气中的二氧化碳

答案　D

解析　人类直接或间接以生产者为食，都是来自生产者，生产者固定的CO2来自大气。

4．图1表示某生态系统中碳循环的示意图，甲、乙、丙、丁代表生态系统的4种成分。

图2表示能量流经第二营养级的示意图，A表示该营养级的摄入量。

回答下列问题：

（1）图1中，①表示的生理过程主要是________，此过程中碳的传递形式主要是________。

③过程中碳的传递形式是________。

⑤表示的生理过程是__________________________。

（2）图2中，B、D、E依次表示的能量为________、______________________、____________________。

要确保该生物的能量需求，其生存领地的相关植物所固定的能量至少应达到B的________倍。

答案　

（1）光合作用　CO2　有机物　微生物的呼吸作用

（2）同化量　呼吸作用散失的能量　流向分解者的能量　5

解析　

（1）据图可知甲为生产者，乙为消费者，丙为分解者，丁为大气中的CO2。

①过程为生产者的光合作用，②为生产者的呼吸作用。

在生产者和大气之间（①②），碳以CO2的形式循环。

在生产者和消费者之间碳是以有机物的形式传递的。

⑤表示微生物的呼吸作用。

（2）某一营养级同化的能量，其中的一部分通过呼吸作用以热能的形式散失了，另一部分用于生长、发育和繁殖等生命活动。

后者中，一部分被下一营养级利用，一部分被分解者分解。

40分钟课时作业

[学考达标]

知识点一　物质循环的实例

1．下图是地球上各种水体相互转化的示意图。

请从生态系统的角度考虑，指出该图体现的生态系统功能是（　　）

A．能量流动B．物质循环

C．信息传递D．物质更新

答案　B

解析　生态系统的主要功能是物质循环和能量流动。

该图表示水的全球循环过程，能体现的是物质循环。

2．在碳循环中，非生物环境和生物群落相联系的生理作用是（　　）

①光合作用　②呼吸作用　③蒸腾作用　④化能合成作用

A．①②B．③④

C．①②④D．①②③④

答案　C

解析　生产者能从非生物环境中固定二氧化碳，固定二氧化碳的生理过程有光合作用和化能合成作用；生产者、消费者和分解者的呼吸作用都能产生二氧化碳，释放到无机环境中。

3．在生态系统中，对碳循环起决定作用的关键环节是（　　）

A．微生物的分解作用

B．绿色植物的光合作用和微生物的分解作用

C．动物的呼吸作用

D．煤和石油的燃烧

答案　B

解析　生态系统中的碳在生物群落和非生物环境之间主要以CO2的形式循环，而非生物环境中的CO2必须通过生产者的光合作用或化能合成作用转化为有机物，才能被消费者利用。

生产者和消费者中的有机物一部分可以通过自身的呼吸作用将碳回归到非生物环境中。

还必须通过微生物的分解作用，将动植物遗体、排遗物和残落物中的有机物分解成CO2，返回非生物环境。

因此选B。

知识点二　能量流动与物质循环的关系

4．下列关于生态系统中物质循环和能量流动的叙述，不正确的是（　　）

A．生态系统中能量的输入、传递、转化和输出的整个过程为生态系统中的能量流动

B．生产者通过光合作用合成有机物，能量就从非生物环境流入生物群落

C．物质是能量流动的载体，生态系统的能量是伴随物质而循环利用的

D．碳在生物群落与非生物环境之间的循环主要是以CO2的形式进行的

答案　C

解析　生态系统中能量只能是单方向流动，不能循环。

5．下列叙述不正确的是（　　）

A．生态系统中的能量可随物质循环而循环流动

B．物质是能量流动的载体

C．能量是物质循环的动力

D．能量在流经生态系统各个营养级的时候，是逐级递减的

答案　A

解析　生态系统的物质是循环流动的，而能量是单向流动、逐级递减的，A错误；能量储存在有机物中，因此物质是能量流动的载体，B正确；能量是生态系统的动力，因此能量是物质循环的动力，C正确；能量在流经生态系统各个营养级的时候，是逐级递减的，每一级大约减少80%～90%，D正确。

6．分析以下生态系统的能量流动和物质循环的关系简图，不能得到的结论是（　　）

A．物质作为能量流动的载体，使能量沿着食物链（网）流动

B．能量作为动力，使物质能够不断地在生物群落和非生物环境之间循环往返

C．能量①②③④的总和便是生产者所固定的太阳能总量

D．碳在生物群落和非生物环境之间的循环主要是以CO2的形式进行的

答案　C

解析　生产者所固定的太阳能总量是指生产者总的同化量，①②③④的总和与生产者所固定的太阳能总量无法比较。

生态系统的物质循环与能量流动紧密联系、缺一不可，物质作为载体，能量作为动力。

[高考提能]

7.如图为生态系统中碳循环的部分示意图，下列说法不正确的是（　　）

A．物质循环伴随着能量的流动

B．能完成该循环的生物一定含有叶绿体或线粒体

C．A、B所示的物质循环具有全球性

D．进行A过程的生物是自养型生物

答案　B

解析　物质循环和能量流动是同时进行的，能量是物质循环的动力，物质是能量流动的载体；能完成A过程的生物不一定具有叶绿体，能完成B过程的生物能进行呼吸作用但不一定具有线粒体；物质循环具有全球性；能进行A过程将CO2转化成有机物的生物是自养型生物。

8．图中a、b、c、d表示某生态系统的四种成分，箭头表示各成分之间的关系，下列有关叙述正确的是（　　）

A．a和c所包含的所有种群构成群落

B．c1的同化量越大，流向c2的能量就越少

C．d不一定是原核生物

D．b的含量增加将减缓温室效应

答案　C

解析　已经知道a、b、c、d表示某生态系统的四种成分，根据箭头的指向可以确定：

a为生产者，b为非生物环境，因为a和b有箭头相互指向，非生物环境的物质进入生物群落是通过生产者实现的，而生产者代谢产生的物质也会进入非生物环境。

非生物环境只有一个箭头指向生产者，而a、c、d的箭头都指向非生物环境，即生产者、消费者、分解者代谢产物都会进入非生物环境。

生物群落包括生产者a、消费者c、分解者d。

根据能量流动特点，c1的同化量越大，流向c2的能量就越大。

d一般是细菌和真菌，其中真菌就是真核生物。

b是生态系统的无机物，它的含量增加只会加重温室效应而不会减缓温室效应。

9．下列有关物质循环的叙述，正确的是（　　）

A．无机环境中的物质只有通过植物的光合作用才能进入生物群落

B．无机环境中的物质只能通过微生物的分解作用才能返回无机环境

C．物质循环与能量流动先后进行

D．无机环境中的物质可以被生物群落反复利用

答案　D

解析　硝化细菌的化能合成作用也可以使无机环境中的物质进入生物群落；消费者、分解者、生产者的呼吸作用都可以产生CO2；生态系统的物质循环与能量流动同时进行，相互依存，不可分割。

10．下图是生态系统中碳循环示意图，其中“→”表示碳的流动方向。

下列叙述不正确的是（　　）

A．在碳循环过程中，同时伴随着能量流动

B．由于某种原因造成图中E生物数量大量减少，推测短期内与之相邻的两个营养级生物数量发生的变化是D增多，F减少

C．该生态系统的消费者包括图中的D、E、F、B

D．A→C过程中碳主要以CO2的形式进行循环，F→B以含碳有机物的形式进行流动

答案　C

解析　分析图形，A、B、D、E、F均有箭头指向C，则C是无机环境中的二氧化碳库。

A、C之间为双向箭头，A为生产者。

A、D、E、F均有箭头指向B，则B为分解者，D、E、F为消费者。

图示中包含的食物链为A→D→E→F，故E减少，短时间内D增多，F减少。

碳在生物群落与非生物环境之间主要以CO2的形式循环，在生物群落内部是以有机物的形式流动。

11.下图是生态系统中碳循环示意图，图中D为大气，请据图回答下列问题：

（1）此生态系统的能量流动是从[C]________固定太阳能开始的。

（2）碳元素在大气中与A、B、C之间的流动是以______形式进行的，在生态系统各成分中A为________，B为____________。

（3）图中D→C过程主要是通过________作用实现的，C→D过程是通过________作用实现的，B→D过程是通过________作用实现的。

（4）生物群落中的一部分碳返回大气中，而另一部分则以____________形式储藏在地层中。

碳在无机环境中以________和________形式存在。

（5）碳循环始终与____________结合在一起。

答案　

（1）生产者　

（2）CO2　消费者　分解者　（3）光合　呼吸　分解　（4）化石燃料　CO2　碳酸盐　（5）能量流动

解析　在无机环境中，碳以二氧化碳或碳酸盐的形式存在；在生物群落中，碳主要以含碳有机物的形式存在。

在无机环境与生物群落之间，碳主要以CO2的形式进行循环。

碳从无机环境进入生物群落的途径主要为绿色植物的光合作用，碳从生物群落回到无机环境的途径为生物的呼吸作用、化石燃料的燃烧。

12．下图是自然界中氮循环示意图，请据图回答下列问题：

（1）大气中的氮主要通过[　]________进入生物群落，其次通过[　]________、[　]________等途径也可少量供给植物氮素。

（2）图中A物质代表__________________，可被土壤中的微生物分解形成B物质。

B物质在土壤中硝化细菌的作用下形成C，C物质代表________。

（3）将B物质转化成C物质的细菌，其新陈代谢的类型属于________________。

（4）在________的情况下，一些细菌可将C物质最终转化成________返回到大气中，由此可见，土壤中这些微生物在包括氮循环在内的自然界中的____________中起着重要作用。

（5）目前，全世界每年施用的氮素化肥大约有8×107t，这样做对环境可能带来的负面影响是____________________。

据你所学的知识，提出一种既不会影响环境，又能满足农作物对氮素需求的方案或设想：

_____________________________________________________________

________________________________________________________________________。

答案　

（1）①　生物固氮　②　光电固氮　③　工业固氮

（2）尿素及动植物遗体　硝酸盐

（3）自养需氧型

（4）氧气不足　氮气　物质循环

（5）水体的富营养化　将固氮微生物的固氮基因分离出或人工合成后导入农作物中，并使之表达

解析　

（1）大气中的氮主要通过生物固氮进入生物群落，其次是光电固氮和工业固氮。

（2）图中A物质来自动植物，它代表的是动物体内的一部分蛋白质在分解中产生的尿素等含氮物质，以及动植物遗体中的含氮物质。

它们被土壤中的微生物分解后形成B物质——氨，氨经过土壤中硝化细菌的作用，最终转化成C物质——硝酸盐。

（3）硝化细菌能利用氨氧化成硝酸盐过程中释放的化学能，将CO2和H2O合成有机物，因此从同化角度看，它属于自养型。

硝化细菌需在有O2条件下生存，因此从异化角度看，它属于需氧型。

（4）在氧气不足的情况下，土壤中的另一些细菌（反硝化细菌）可以将硝酸盐转化成亚硝酸盐并最终转化成氮气返回大气中。

氮循环属于自然界中的物质循环。

（5）大量施用氮肥，容易引起水体的富营养化。

要减少氮素进入水体，又要满足植物对氮素的需求，可借助基因工程，将固氮基因导入农作物中。

[个性拓展]

13．如图甲为一个长期处于稳定状态的生态系统的物质循环示意图；表丙是对图甲中生态系统各组成成分的能量流动情况调查结果；图乙是该生态系统中人类对物质与能量的利用情况部分示意图。

请据图回答问题：

（单位：

×102kJ·m－2·a－1）

Pg

Pn

R

X

870.7

369.4

501.3

Y

211.5

20.1

191.4

Z

141.0

61.9

79.1

丙

（1）大气中二氧化碳的来源有三个，分别是动植物的呼吸作用、________________________、______________________________。

若图甲中的“→”仅表示二氧化碳的流动方向，则不会存在的过程有____________________________________________________________。

（2）若图甲表示碳循环示意图，则D指的是生态系统中的________________，①过程表示的是________________________________________________________________________。

（3）表丙中的Pg表示同化作用固定的总能量，Pn表示生物体内贮存的能量，则R表示的生物学含义是________________________________________________________________________

________________________________________________________________________。

每平方米每年流经该生态系统的总能量为__________×102kJ。

（4）图乙表示人类在草原上放养牲畜的目的是调整生态系统中的________关系。

答案　

（1）微生物的分解作用　化石燃料的燃烧　③④⑦　

（2）大气中的二氧化碳库　光合作用

（3）生态系统中各生物成分的呼吸量　870.7

（4）能量流动

解析　大气中二氧化碳的来源有三个：

动植物的呼吸作用，微生物的分解作用和化石燃料的燃烧；能直接利用二氧化碳的只有生产者；各营养级生物所同化的总能量除了在自身体内贮存外，还用于呼吸作用、传递给下一营养级和分解者，但最终都通过呼吸作用散失；生产者固定太阳能的总量是流经该生态系统的总能量；人工生态系统的特点是使能量流向对人类最有益的部分，提高能量的利用率。