生物新同步人教必修3第5章第3节 生态系统的物质循环.docx
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生物新同步人教必修3第5章第3节生态系统的物质循环
一、物质循环
1．概念
（1）物质：
组成生物体的C、H、O、N、P、S等元素。
（2）过程：
无机环境生物群落。
（3）范围：
生物圈。
2．特点
（1）全球性——生物地球化学循环。
（2）循环性——物质可被生物群落反复利用。
二、碳循环
1．循环形式
（1）在生物群落与无机环境间：
主要以CO2的形式进行。
（2）在生物群落内：
以含碳有机物的形式进行。
2．过程图解
3．温室效应
（1）形成原因：
化石燃料短时间内大量燃烧使大气中CO2含量迅速增加，打破了生物圈碳循环的平衡。
（2）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。
三、能量流动和物质循环的关系
1．区别
无机环境中的物质可以被生物群落反复利用，而能量流动是逐级递减的，是单方向的。
2．联系
（1）能量流动和物质循环是生态系统的主要功能，二者是同时进行的，彼此相互依存，不可分割。
（2）能量的固定、储存、转移和释放离不开物质的合成和分解等过程。
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，使物质不断地在生物群落和无机环境之间循环往返。
1．什么是生态系统的物质循环？
有什么特点？
2．碳循环的过程是什么？
3．造成温室效应的原因是什么？
有哪些减缓温室效应的措施？
4．能量流动与物质循环有何关系？
探究点一
碳循环
[共研探究]
碳是构成生命有机体的重要元素之一。
阅读教材，试以碳循环为例，思考问题：
1．碳在自然界中以CO2和碳酸盐的形式存在，在大气中以CO2的形式存在。
2．CO2的来源、去路
（1）自然界中的碳元素以CO2的形式被生产者利用，通过光合作用或化能合成作用合成含碳有机物储存在生产者体内，进入生物群落。
（2）碳元素在生物群落中以含碳有机物的形式，沿着食物链、食物网往下传递，最终流向分解者。
（3）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的形式归还大气。
（4）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？
提示：
打破碳循环平衡，使大气CO2进入生物群落过程受阻，大气中CO2的含量就会明显增多。
3．造成温室效应的原因是什么？
减缓温室效应可以采取哪些措施？
提示：
温室效应的主要原因是化石燃料的大量燃烧以及森林草原等植被的破坏造成了大气中CO2浓度的升高。
减缓温室效应可以采取以下措施：
一是开发新能源，减少化石燃料的使用；二是大力植树造林，增加对CO2的吸收。
4．使用农药DDT（难降解）的只有一小部分地区，可是远在南极的动物体内也发现了DDT，这一现象说明物质循环具有全球性。
5．生态系统的物质循环中的“生态系统”和“物质”分别是指什么？
提示：
“生态系统”指的是地球上最大的生态系统——生物圈；“物质”是指组成生物体的基本元素，如C、H、O、N、P、S等，而不是指生物体内的糖类、脂质、蛋白质等化合物。
[总结升华]
1．碳进出生物群落的途径
2．碳循环图示中各成分的确定方法
图中①与④之间为双箭头，故一个为生产者，另一个为大气中的CO2库；由于①有多个箭头指向其他，所以①为生产者，又由于有多个箭头指向④，所以④为大气中的CO2库；除④外，①和②都指向③，③为分解者，剩余的②为消费者。
[对点演练]
1．如图是自然界碳循环的简图，图中甲、乙、丙各代表生态系统中的哪种成分（ ）
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
解析：
选A 生态系统的成分包括生产者、消费者、分解者和非生物的物质和能量。
生产者可通过光合作用固定CO2，也可通过呼吸作用释放CO2，所以生产者与非生物的物质和能量之间是双向箭头，生产者和消费者中均有一部分含碳有机物被分解者分解，故甲为生产者，乙为分解者，丙为消费者。
2．如图为某水域生态系统的能量金字塔和碳循环示意图，请回答：
（1）A、B、C、D分别代表____________、______________、____________、____________。
（2）从甲、乙两图中反映出能量流动和物质循环的特点分别为__________________和________________________________________________________________________。
（3）图甲中的能量传递效率约为______________。
（4）图乙中A、E之间的箭头分别表示____________作用和____________作用。
（5）图乙中反映出物质循环发生在____________和____________之间，反复循环。
（6）能量流动是物质循环的________，能量流动又离不开物质的________与________。
（7）由于化石燃料的大量燃烧，造成图乙______（填字母）中的________气体含量大幅度上升，引起__________。
解析：
结合两图判断，A、B、C分别代表生产者、初级消费者、次级消费者，D为分解者，E为非生物的物质和能量。
能量传递效率，A→B为10.28%，B→C为19.96%，所以从总体看，能量传递效率约为10%～20%。
图乙中的双箭头为生产者与大气中的CO2之间的光合作用与呼吸作用。
化石燃料的大量燃烧会造成E中的CO2含量升高，引起温室效应。
答案：
（1）生产者 初级消费者 次级消费者 分解者
（2）单向流动、逐级递减 循环性 （3）10%～20%
（4）光合 呼吸 （5）生物群落 无机环境 （6）动力 合成 分解 （7）E CO2 温室效应
探究点二
探究土壤微生物的分解作用
[共研探究]
1．原理
（1）土壤中存在种类、数目繁多的营腐生生活的细菌、真菌等微生物，它们在生态系统中为分解者。
（2）分解者的作用：
将环境中的有机物分解为无机物，其分解速度与环境中的温度、水分等生态因子相关。
2．过程
案例1
案例2
实验假设
微生物能分解
落叶使之腐烂
微生物能分解淀粉
实验设计
实验组
对土壤进行高温灭菌处理
A杯中加入淀粉糊和
30mL土壤浸出液
对照组
对土壤不做任何处理
B杯中加入等量淀粉
糊和30_mL蒸馏水
自变量
土壤中是否含有微生物
是否含有微生物
实验现象
在相同时间内实验组落叶腐烂程度小于对照组
A
A1
不变蓝
A2
产生砖红色沉淀
B
B1
变蓝
B2
不变色
结论分析
微生物对落叶有分解作用
土壤浸出液中的微生物能分解淀粉
注：
在A1、B1中加入碘液，在A2、B2中加入斐林试剂并加热。
3．实验注意事项
（1）探究活动最好在实验室中进行，以便控制变量，避免环境中不可控制的因素的影响。
（2）各地气候与环境等因素不同，微生物分解落叶的功能也不同，需要的时间有差异，一般需要适宜的温度、湿润的条件。
[总结升华]
实验组、对照组的确定
（1）验证实验中二者如何确定：
根据题意首先弄清实验研究的自变量是什么，然后找到进行自变量处理的为实验组，没进行自变量处理，仅为排除无关变量干扰而设置的实验为对照组。
（2）探究实验中二者如何确定：
接受自变量处理的，实验结果是未知的为实验组；未接受自变量处理的，实验结果是已知的为对照组。
[对点演练]
3．探究课题：
土壤中农药的分解主要是依赖土壤的物理因素的作用，还是土壤中微生物的分解作用。
探究准备：
几种有代表性的土壤、较大的容器若干个、灭菌仪器、检测仪器、喷壶、敌草隆（一种除草剂）等。
探究步骤：
（1）选取几种有代表性的土壤混合均匀，等量地分装在一些相同的容器中。
（2）容器分成两组，编号A、B，将A组进行高压蒸汽灭菌；B组________。
（3）分别向A、B两组容器内的土壤上喷施等量的无菌农药敌草隆，测定A、B两组土壤中敌草隆的平均含量（M），然后把两组容器放入恒温箱中培养。
（4）六周以后，检测A、B两组容器中敌草隆的剩余量并计算各组农药剩余量的平均值（NA、NB）。
结果预测：
（1）________________________________________________________________________
________________________________________________________________________。
（2）________________________________________________________________________
________________________________________________________________________。
（3）________________________________________________________________________
________________________________________________________________________。
探究结论：
（1）该实验中________组为实验组，________组为对照组。
（2）把A、B两组土壤放入温室中培养数周后，测得结果分别为图中的曲线A和B。
①A曲线的形成原因是______________________________________________
________________________________________________________________________；
②B曲线的形成原因是__________________________________________________
________________________________________________________________________；
③由该结果得到的结论是___________________________________________________
________________________________________________________________________。
解析：
如果农药的分解只有微生物的作用，那么结果应是A组农药含量不下降，B组农药含量下降；如果农药的分解只有物理因素的作用，则两组农药的含量均下降，且下降的量相同；如果两种因素都起作用，则两组农药含量均下降，但B组下降快。
答案：
探究步骤：
（2）不进行灭菌
结果预测：
（1）当M＝NA，M>NB时，说明农药的分解仅是微生物分解的结果
（2）当M>NA，M>NB，NA＝NB时，说明农药的分解仅是物理分解的结果
（3）当M>NA，M>NB，NA>NB时，说明农药的分解是物理分解和微生物分解共同作用的结果
探究结论：
（1）A B
（2）①高压灭菌杀死了土壤中的微生物，农药分解较慢 ②没有经过灭菌，土壤中含有微生物，农药分解较快 ③土壤中农药消失的主要原因是微生物的分解作用
探究点三
能量流动与物质循环的关系
[共研探究]
生态系统的主要功能是能量流动和物质循环，它们之间既有区别又有联系。
完善下图并回答相关问题：
1．由图示看出生态系统的主要功能是能量流动和物质循环。
2．能量流动的特点是单向流动、逐级递减，物质循环的特点是全球性、循环性。
3．能量流动的渠道是食物链和食物网，物质循环发生在无机环境和生物群落之间。
4．能量流动和物质循环的关系
（1）能量的固定、储存、转移和释放，离不开物质的合成和分解。
（2）物质是能量沿食物链（网）流动的载体。
（3）能量是物质在生态系统中往复循环的动力。
[总结升华]
1．能量流动和物质循环的关系
项目
能量流动
物质循环
形式
光能→化学能→热能
化学元素
（无机物→有机物→无机物）
特点
单向流动、逐级递减
往复循环
范围
生态系统各营养级
生物圈（全球性）
联系
①能量的固定、储存、转移、释放离不开物质的合成和分解等过程，两者同时进行、相互依存、不可分割
②能量流动和物质循环都借助食物链和食物网进行
③物质是能量沿食物链（网）流动的载体
④能量是物质在生态系统中反复循环的动力
2.重金属盐和DDT等农药的生物富集作用
生物富集作用与能量流动正好相反，能量在沿食物链流动时逐级递减，而农药或重金属盐则存在“生物富集作用”，即营养级越高，该物质浓度越高。
如图所示：
【易错易混】 物质循环并非都是双向的
（1）CO2在生物群落和无机环境之间是双向循环的。
（2）在生物群落内部，沿食物链（网）传递时，物质循环不是双向的，只能由低营养级向高营养级单向传递。
[对点演练]
4．如图为某生态系统的部分物质循环简图，其中M表示非生物的物质和能量。
相关叙述正确的是（ ）
A．若M表示大气中的CO2，则碳元素在图中④过程中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表示无机环境中的能量，则①的能量值为②与③对应的能量值之和
解析：
选A 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；碳元素是在无机环境和生物群落之间反复循环利用的，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以及用于生物群落生长、发育的能量。
5．如图为现代版“桑基鱼塘”农业生态系统的能量流动和物质循环模式图，据图分析正确的是（ ）
A．“
→桑”不能代表能量流动
B．模式图中不应有“
→池塘”的箭头
C．鱼是次级消费者
D．该生态农业促进了能量流动和物质循环
解析：
选D “
→桑”代表该生态系统能量的输入；该池塘水体中还有其他的生产者，模式图中应有“
→池塘”的箭头；图中显示鱼以蚕粪为食，是初级消费者；该生态农业促进了物质循环，提高了能量的利用率。
1．下列关于生态系统物质循环的叙述，错误的是（ ）
A．所指的物质是组成生物体的C、H、O、N、P、S等基本化学元素
B．所说的生态系统是地球上最大的生态系统——生物圈
C．所说的循环是指物质在生物群落与无机环境之间反复出现、循环流动
D．物质在循环过程中不断递减
解析：
选D D项叙述的是能量流动的特点。
2．碳在生物群落与无机环境之间的循环主要是通过（ ）
A．光合作用 B．呼吸作用和光合作用
C．呼吸作用D．蒸腾作用和呼吸作用
解析：
选B 在生态系统的碳循环过程中，碳循环是以有机物和二氧化碳的形式进行的。
通过绿色植物的光合作用，使无机环境中的二氧化碳进入生物群落，生物群落中的碳以有机物形式存在，生产者、各级消费者及分解者又通过呼吸作用将有机物分解成二氧化碳而回到无机环境中去。
因此，碳在生物群落和无机环境之间的循环是通过光合作用和呼吸作用进行的。
3．如图是人们设想的宇宙飞船生态系统模式图，以下叙述正确的是（ ）
A．图中①～⑤可表示航天员所需的食物、氧气和水等生活资源
B．飞船中的能量循环利用，使飞船生态系统保持长期稳定
C．分解罐中的微生物可将流入的排出物分解，为立体农业中的植物提供物质和能量
D．该生态系统营养结构简单、自我调节能力差，需航天员进行调控
解析：
选D ①表示航天员呼吸释放CO2，②③④可表示航天员所需食物、氧气和水等生活资源，⑤表示微生物将排出物分解成无机物，同时产生CO2，因而可以向立体农业中的植物提供无机盐和CO2，但不能为植物提供能量。
物质可以循环利用，但能量传递是单向流动、逐级递减的，因此需要吸收太阳能，才能使飞船生态系统保持长期稳定。
该人工生态系统涉及的生物种类较少，营养结构简单，自我调节能力差，需要航天员进行调控。
4．为了解土壤微生物能否分解农药，并尽快得出实验结论，有人用“敌草隆”（一种除草剂）进行实验：
取等量砂土分装于相同的两个容器中，a组高压灭菌，b组不灭菌。
下列有关事项的叙述中正确的是（ ）
A．向a、b组中喷入等量的“敌草隆”，再置于同一恒温箱中培养相同时间
B．检测“敌草隆”的消失情况，预计a组的“敌草隆”全部消失，b组的基本不变
C．只用砂土实验效果比用几种典型土壤混合后的好
D．再增加c组作为对照，不喷入“敌草隆”，其他处理与a、b组相同
解析：
选A 实验组为a组，对照组为b组，控制单一变量。
a组的“敌草隆”应该是不变，b组的“敌草隆”可能会部分减少。
因为典型土壤中含微生物多，所以用几种典型土壤混合后的好。
没有必要再加一个对照组。
5．目前公认包括二氧化碳、甲烷、氧化亚氮等温室气体的排放，是造成以全球变暖为主要特征气候变化的主要原因。
为此“低碳生活”将成为人类共同的选择。
结合图甲和图乙回答与生物圈碳循环相关的问题：
（1）生态系统中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）图甲中成分A在碳循环中的主要作用是________。
画出图甲中缺少的过程：
________（用图中物质、字母和箭头表示）。
（3）图甲中与⑤过程本质相同的有________过程（用图中数字表示）。
（4）在物质循环过程中伴随着________。
若图甲中生产者所固定的太阳能总量为mkJ，则图中最高营养级获得的能量最多为________kJ。
若由于某种原因造成图中D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________________________________________________________________________
________________________________________________________________________。
（5）图乙反映了我国北方某地20年间CO2浓度的变化。
分析发现，每年的冬季CO2浓度较高，从碳循环角度分析主要原因是图甲中_______________________________________；
每年夏季CO2浓度与前一年冬季相比________。
（6）下列说法中符合“低碳经济”理念的是__________（填序号）。
①改造或淘汰高能耗、高污染的产业
②大力发展火力发电
③研制和开发新能源替代传统能源
④优化建筑结构，增强室内自然采光，减少照明用电
答案：
（1）光合 呼吸
（2）吸收大气中的CO2 A→CO2
（3）②③ （4）能量流动 m/25 A生物数量增多，C生物数量减少 （5）①过程大大减少，并且⑥过程增加
下降 （6）①③④
【基础题组】
1．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：
选B 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，还有很小的一部分通过化能合成作用合成有机物进入生物群落。
2．下列关于生态系统中物质循环的叙述，错误的是（ ）
A．物质循环是在生产者、消费者、分解者之间进行的
B．碳元素主要通过植物的光合作用进入生物群落
C．化石燃料的大量燃烧打破了生物圈中碳循环的平衡
D．物质循环和能量流动是同时进行的，二者相互依存
解析：
选A 物质循环应是在无机环境与生物群落之间进行的；碳元素主要通过植物的光合作用进入生物群落；化石燃料的大量燃烧使二氧化碳在短时间内被大量释放到无机环境中，打破了生物圈中碳循环的平衡；物质循环和能量流动是同时进行的，物质是能量的载体，使能量沿食物链（网）流动，能量是物质循环的动力，因此二者相互依存。
3．在浮游植物→浮游动物→鱼这条食物链中，碳是以哪种形式流动的（ ）
A．二氧化碳B．有机物
C．碳酸盐D．二氧化碳和有机物
解析：
选B 碳在食物链中（生物群落内部）以有机物形式流动，而在生物群落和无机环境之间以CO2形式循环。
4．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：
选A 因为热带雨林生态系统的生物种类多，营养结构复杂，其物质循环和能量流动的速度快，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。
5．下面是某营养元素循环简图，下列能代表X、Y、Z三种生物的组合是（ ）
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：
选C 根据物质循环的特点，非生物的物质和能量首先进入生产者，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。
6．如图表示生物圈中碳元素的循环过程，其中甲、乙、丙表示生态系统的不同成分，下列有关叙述正确的是（ ）
A．③过程代表绿色植物的光合作用
B．甲、乙分别代表消费者和生产者
C．⑦是温室效应的主要原因
D．疏松土壤可以加快⑤过程
解析：
选D 由图可知：
甲代表分解者，乙代表生产者，丙代表消费者；化石燃料的燃烧⑥是形成温室效应的主要原因。
7．下图为碳循环示意图，甲、乙、丙表示生态系统中的三种生物成分，下列叙述正确的是（ ）
A．碳循环是指二氧化碳在甲与丙之间不断循环的过程
B．乙在该生态系统中均处于第二营养级
C．甲、乙、丙共同组成生物群落
D．生物X可能不具有细胞核，生物Y不可能含有线粒体
解析：
选C 分析题图可知，甲为生产者，乙为消费者，丙为分解者。
碳循环是指碳元素在甲、乙、丙与无机环境之间不断循环的过程。
乙在该生态系统中处于第二、第三等多个营养级。
甲、乙、丙共同组成了该区域中的所有生物，即生物群落。
生物X是生产者，可能不具有成形的细胞核，如硝化细菌；生物Y是分解者，可能含有线粒体，如蚯蚓。
8．“哥本哈根气候变化大会”引起了人们对温室气体排放的关注，大会所倡导的低碳生活获得普遍认同。
根据下图所示碳循环的部分过程进行有关分析，正确的是（ ）
A．生物群落内部进行碳循环的物质形式是CO2
B．参与过程②的生物只有消费者和分解者
C．不能通过增强过程③减少大气中CO2的含量
D．开发太阳能、水能、核能等新能源，可减少人类对过程①的依赖
解析：
选D 生物群落内部碳元素以有机物的形式循环；过程②指的是生物群落内部生产者、消费者、分解者通过细胞呼吸作用释放CO2；可以通过增强过程③减少空气中CO2的含量；开发新能源能减少人类对化石燃料的使用。
【能力题组】
9．如图是生态系统中碳循环示意图，“→”表示碳的流动方向，下列说法正确的是（ ）
A．图中a是生产者，b、d、e是消费者，c是分解者
B．该生态系统的成分包括a、b、c、d，非
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