高考生物一轮复习第4讲生态系统的物质循环信息传递和稳定

第4讲生态系统的物质循环、信息传递和稳定性闺哥2024/3/25考点一生态系统的物质循环1．物质循环的概念组成生物体的碳、氢、氮、磷、硫等基本元素，都在不断进行着从非生物环境到生物群落，又从生物群落到非生物环境的循环过程，这就是生态系统的物质循环。其中的物质循环具有全球性，因此又称为生物地球化学循环。这里所说的生态系统是地球上最大的生态系统——生物圈。(1)物质：组成生物体的化学元素，如C、H、O、N、P、S等。【物质循环伴随着复杂的物质变化和能量变化，即物质循环离不开能量流动】(2)范围：生物群落和无机环境之间。【生物群落起决定作用】(3)特点：全球性、循环往复运动。思考：氮元素在生物群落与无机环境之间能否循环利用？为什么需要不断地向农田中施加氮肥？提示：能。农田是人工生态系统，是以提高农作物的产量和效益，使能量更多地流向人类，满足人类的需要为目的的。农田土壤中氮的含量往往不足以使作物高产，加之农产品源源不断地从农田生态系统输出，其中的氮元素并不能都归还土壤，所以需要施加氮肥。这与物质循环并不矛盾。2．物质循环的实例——碳循环请写出图中各标号的含义：a.生产者；b.消费者；c.呼吸作用；d.光合作用或化能合成作用；e.呼吸作用。（1）特点：①碳的存在形式：非生物环境中：主要是CO2和碳酸盐,生物群落内部：主要是含碳有机物（组成生物体的蛋白质、糖类、脂质和核酸等都是以碳链为基本骨架形成的）②碳循环的形式：生物群落与无机环境间是CO2【双向】生物群落内部是含碳有机物【单向】③碳进入生物群落的途径：绿色植物的光合作用，某些微生物的化能合成作用④碳返回无机环境途径：生产者和消费者的呼吸作用；分解者的分解作用；化石燃料的燃烧；⑤碳在生物体之间传递途径：食物链和食物网⑥与自然界碳循环关系最为密切的两种细胞器：线粒体和叶绿体⑦碳循环具全球性的原因：CO2能够随着大气环流在全球范围内进行。（海洋对调节大气中的碳含量起着非常重要的作用，海洋是巨大的碳库）⑧碳循环失调的后果：温室效应（2）温室效应①温室气体：二氧化碳等②形成原因：碳循环的平衡被打破a.化石燃料的开采和使用大大增加了CO2的排放b.森林、草原等植被遭到大面积破坏，减少了CO2的吸收了解；化石燃料的大量燃烧，导致在很短时间内向大气中释放大量的CO2，打破了生物圈中碳循环的平衡。植被大面积被破坏，大大降低了植物对大气中CO2的吸收能力。③危害：使气温升高，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。另外它还会使地球上的病虫害增加，土地干旱，沙漠化面积增大，气候异常，海洋风暴增多。④缓解措施：a.减少CO2的排放：减少化石燃料的燃烧，开发新能源如核能、太阳能、风能、水能等。【根本上解决温室效应】b.增加CO2的吸收：大力植树造林。提高森林覆盖率；“低碳经济”：低耗能、低排放、低污染c.提高秸秆还田率，增加土壤储碳量3.生物富集（1）概念：（也称生物浓缩作用或生物放大作用）生物体从周围环境吸收、积蓄某种元素或难以降解的化合物，使其在机体内浓度超过环境浓度的现象。常见存在生物富集现象的污染物：①重金属：如铅(Pb)、镉(Cd)、汞(Hg)等②人工合成的有机化合物：如DDT、六六六等（2）发生生物富集的物质的特点：①富集物质在环境和生物体中存在形式是比较稳定的；②富集物质必须是生物体能够吸收的且不易排出的；③富集物质在生物代谢过程中是不易被分解的；（3）生物富集的主要途径：食物链、食物网（4）实例——铅的富集过程。分析铅浓度在生物群落内会放大的原因成因：铅在生物体内形成难以降解的化合物，不易排出。（5）特点①食物链中营养级越高，生物富集的某种物质浓度就越大。逐级积累。（注意：人是生物富集的最大受害者）②生物富集也具有全球性。原因：导致生物富集的有害物质可以通过大气、水和生物迁移等途径扩散到世界各地拓展：①富营养化：指水体中N、P等物质过度排放，导致水中的藻类植物（蓝藻、金藻、甲藻、绿藻、硅藻等）大量繁殖，产生水华（江、河、湖）、赤潮（海）等现象。②氮循环：固氮作用：N2→硝酸盐、氨等氨化作用：有机氮（氨基酸、核酸、尿素）通过氨化细菌的作用转化为氨与氨的化合物。硝化作用：氨化合物通过硝化细菌的作用→NO3和NO2反硝化作用：NO3通过反硝化细菌的作用→N2③硫循环硫在无机环境与生物群落之间的循环主要以SO2形式硫进入生物群落途径：生产者直接从大气中吸收SO2，以主动运输的方式从根系吸收SO42硫返回无机环境的形式：SO2、SO42、H2S硫返回无机环境的途径：分解者的分解作用、燃烧、火山爆发④三种循环相同点：a.在生物群落和无机环境之间都是以无机物形式循环b.都主要是经过生产者的作用进去生物群落c.在生物群落内部主要以有机物形式传递d.三者都依赖水循环，运输离不开水4．物质循环与能量流动的区别与联系项目能量流动物质循环(以碳循环为例)形式太阳能→有机物中的化学能【主】→热能（一般形式）有机物，无机物（为主）过程沿食物链(网)单向流动在无机环境和生物群落间循环往返范围生物群落（生态系统各营养级）生物圈(全球)特点单向流动、逐级递减全球性、循环性联系二者是生态系统的主要功能，它们同时进行，相互依存，不可分割：①能量的固定、储存、转移和释放，都离不开物质的合成和分解等过程；②物质作为能量的载体，使能量沿着食物链（网）流动；③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。5．生态系统碳循环模式图中的信息获取在碳循环中，只有生产者与大气中的CO2库(非生物的物质和能量)之间是双向箭头。生产者、消费者、分解者都有箭头指向大气中的CO2库。除大气中的CO2库外，生产者、消费者都有箭头指向分解者。(1)图甲中A～D代表的成分依次是生产者、大气中的CO2库、消费者、分解者。(2)图乙中代表生产者的是A，代表消费者的是B、D，代表分解者的是E，代表大气中CO2库的是C。(3)图丙中，代表生产者的是E，代表消费者的是B、D、F，代表分解者的是C，代表大气中CO2库的是A。6.探究土壤微生物的分解作用背景资料：土壤中生活着肉眼看不见的细菌、丝状真菌和呈放射状的放线菌，这些生物的数量是极其繁多的，例如一茶匙表层土就可能含有亿万个细菌。（土壤微生物通过分泌胞外酶，将底物分解为简单的分子，然后通过细胞膜吸收营养物质。）由于各地气候与环境等因素不同，落叶在土壤中被分解的时间也是不同的，一般在温暖、湿润的环境中需要一直数月时间。注意：①对土壤高温处理灭菌②A1、B1中加入碘液（鉴定淀粉是否分解完），A2、B2中加入斐林试剂（鉴定淀粉是否开始分解）并水浴加热③遵循单一变量原则，控制无关变量考点二生态系统的信息传递1．生态系统的信息传递（1）信息概述：①信息：在日常生活中，一般将可以传播的消息、情报、指令、数据与信号等称作信息。②信息流：生态系统中的生物种群之间，以及它们内部都有信息的产生与交换，能够形成信息传递，即信息流。③生态系统中信息传递过程的三要素信息源：信息产生的部位。（来自生物或非生物环境）信道：信息传播的媒介。（空气、水以及其他介质等）信息受体：信息接收的生物或其部位。（如动物的眼、鼻、耳、皮肤；植物的叶、芽以及细胞中的特殊物质如光敏色素等）(2)信息的种类（根据生态系统中传递信息的载体不同分）①物理信息：自然界中的光、声、温度、湿度、磁场等，通过物理过程传递的信息。【包括动植物的形态、体色等。】来源：可以是非生物环境，也可以是生物个体或群体。感受物质：眼；耳；皮肤；叶、芽、细胞中的特殊物质（如光敏色素）联系生活:短日照植物黄麻（开花需要短日照），黄麻是为了收获茎秆剥取纤维用于纺织麻袋，若将黄麻北移到山东种植，开花会推迟或不开花，产量提高。（我国位于北半球，越往北每天日照时间越长）②化学信息：在生命活动中，生物产生一些可以传递信息的化学物质。（具有挥发性）——信息素来源：生物体的代谢产物或分泌物。【注意：无机环境可发出物理信息和化学信息，如一些营养物质发出的化学信息（如臭味吸引蜣螂）】举例：植物的生物碱、有机酸等代谢产物。动物的尿液、性外激素。昆虫、鱼类以及哺乳类等生物体中的信息素等。③行为信息：动物的特殊行为，主要指各种动作，这些动作也能够向同种或异种生物传递某种信息，即动物的行为特征可以体现为行为信息。来源：动物的特殊行为。如蜜蜂跳舞、孔雀开屏、鸟类的“求偶炫耀”、乌贼喷墨等。【重在行为、较特殊】（3）生态系统中信息传递的特点①生物可以通过一种或者多种信息类型进行交流。例如：②生态系统中的信息传递既存在于同种生物之内，也发生在不同生物之间。例如：犀牛与牛椋鸟，鸟的鸣叫与跳跃提醒犀牛附件有危险情况③多数情况下，信息传递为双向的；也有单向，并且决定能量流动和物质循环的方向和状态（4）信息的范围：种群内部个体和个体之间，种群和种群之间，生物与无机环境之间。即生物与生物之间，生物与无机环境之间区别：生存斗争类型→生物与生物之间，生物与无机环境之间协同进化类型→不同种生物之间，生物与无机环境之间归纳：信息可在哪些层次进行传递？细胞内部各部分之间、个体的细胞与细胞、种群内的个体与个体、不同种群之间、生物群落与无机环境注意：多细胞生物体细胞间的信息传递是个体内的信息传递，不属于生态系统功能中的信息传。延伸：①生态系统中各种信息的作用不是孤立的，而是相互制约，互为因果的②所有的信息最终都是经由基因和酶的作用，并以激素和神经系统为中介在生物中体现出来的③判断生态系统信息类型的方法a.涉及声音、颜色、植物形状、磁力、温度、湿度这些信号，通过动物的感觉器官，如皮肤、耳朵、眼或植物光敏色素、叶、芽等感受上述信息，则判断为物理信息。b.若涉及化学物质挥发性(如性外激素等)这一特点，则判断为化学信息。c.凡涉及“肢体语言”的均属行为信息。d.在影响视线的环境中(如深山密林)，生物间多依靠“声音”这种物理过程传递信息。e.在噪音嘈杂的环境(如洪水、瀑布旁)，生物多以“肢体语言”这种行为信息进行交流。(5)信息传递的作用课本P70思考•讨论：生态系统中信息传递的重要性①生命活动的正常进行，离不开信息传递。（个体水平）实例：光信息与植物种子萌发、昆虫发育、动物生活习性和行为。海豚捕食、探路、定位和躲避天敌等几乎都依赖于超声波。有些植物（如莴苣、茄、烟草）的种子萌发率与光的波长有关。棉蚜虫被瓢虫捕食时被捕食的蚜虫会立即释放一种报警信息素，使周围蚜虫纷纷跌落到地面，躲避瓢虫②生物种群的繁衍，离不开信息传递。（种群水平）实例：一些两年生植物存在春化作用（接受低温才能促进开花）光周期与植物开花，信息素与动物的交配或交尾，光信息与动物的繁殖③调节生物的种间关系，以维持生态系统的平衡与稳定。（群落和生态系统水平）实例：草原返青时,“绿色”为食草动物提供了可以采食的信息;狼能够依据兔留下的气味去猎捕后者,兔同样也能够依据狼的气味或行为特征来躲避猎捕。萤火虫发出的萤光是一种求偶信号，以此与异性取得联系。但这种信号往往被第三者狼蛛非法利用，结果双双被捕，成了爱情的牺牲品。植物产生的次生代谢物质在植物生长过程中，通过信息抑制其他植物的生长、发育并加以排除的现象，常称为异株克生现象。④信息在生态系统中还有很多未揭示的作用。(6)信息传递的应用①提高农畜产品的产量。如利用模拟的动物信息吸引大量的传粉动物，就可以提高果树的传粉效率和结实率。实例：电子仪器，模拟蜜蜂跳圆圈舞或摆尾舞相同的频率或声音。延长光照时间，刺激鸡卵巢发育和雌激素的分泌，大大提高产蛋率利用温度和湿度延长蔬菜的种植期②对有害动物进行控制（不是直杀灭）。如利用昆虫信息素诱捕或警示有害动物，降低害虫的种群密度。实例：利用光照、声音信号诱捕或驱赶某些动物。利用昆虫信息素诱捕或警示有害动物，降低害虫种群密度还可以利用特殊的化学物质扰乱某些动物的雌雄交配，使有害动物的繁殖力下降。（7）控制动物危害的技术方法比较种类化学防治机械防治生物防治措施喷施化学药剂（如农药）等人工捕捉等引入天敌、寄生虫或使用信息素等优点①作用迅速；②短期效果明显①无污染；②见效快，效果好①效果好且持久；②成本低，无污染缺点①使害虫抗药性增强；②可能杀灭害虫天敌，破坏生态平衡；③污染环境①费时费力；②对体型很小的害虫无法实施天敌数量不确定，甚至可能会引发生态危机（可能引起物种入侵）。见效慢注意：信息素属于化学信息，利用信息素防治害虫属于生物防治（8）归纳总结生态系统三大功能的区别与联系项目能量流动物质循环信息传递来源太阳能生态系统生物或无机环境特点单向流动、逐级递减循环性、全球性往往是双向的（也有单向）范围生态系统中各营养级之间（生物群落中）生物圈生物之间，生物与非生物环境之间途径主要是食物链和食物网多种地位物质循环的动力能量流动的载体决定物质循环和能量流动的方向和状态联系①任何一个生态系统这三个基本功能，三者同时进行，相互依存，不可分割，形成统一整体②能量流动是生态系统运转的动力，物质循环是生态系统的基础，信息传递决定能量流动和物质循环的方向考点三生态系统的稳定性1.生态平衡①概念：生态系统的结构和功能处于相对稳定的状态，就是生态平衡。②特征：结构平衡：生态系统各组分保持相对稳定功能平衡：生产—消费—分解的生态过程正常进行，保证了物质总在循环，能量不断流动，生物个体持续发展和更新；收支平衡：生产者在一定时间内制造的可供其他生物利用的量，处于比较稳定的状态由此可见，生态平衡并不是指生态系统一成不变，而是一种动态平衡。③调节机制：负反馈调节实例一：草、兔子、狼的数量关系说明在生态系统中，生物群落内部能够进行自我调节，以维持生态平衡实例二：森林植被生长、火灾的关系说明在生态系统中，生物群落与无机环境之间也能够自我调节，以维持生态平衡上述生态系统都遇到了破坏或干扰，而对抗这种破坏或干扰，使生态系统恢复平衡的调节机制，是反馈机制。④负反馈定义：在一个系统中，系统工作的效果，反过来又作为信息调节该系统的工作，并且使系统工作的效果减弱或受到限制，它可使系统保持稳定。负反馈调节在生态系统中普遍存在，它是生态系统具备自我调节能力的基础。比较归纳正反馈调节与负反馈调节项目正反馈负反馈调节方式加速最初发生变化的那种成分所发生的变化抑制和减弱最初发生变化的那种成分所发生的变化结果常使生态系统远离稳态有利于生态系统保持相对稳定实例分析已污染的湖泊污染加剧草原上食草动物与植物的平衡2.生态系统的稳定性（1）概念：生态系统维持或恢复自身结构与功能处于相对平衡状态的能力。强调的是生态系统维持生态平衡的能力。（2）原因：生态系统具有一定的自我调节能力。【自我调节能力指不同生态系统都具有在一定范围内消除外来干扰的能力】（3）基础：负反馈调节，既存在于生物群落内部，也存在于生物群落与无机环境之间。（4）特点：生态系统的自我调节能力有一定的限度。当外界干扰因素的强度超过一定限度时，生态系统的稳定性急剧下降，生态平衡遭破坏；例如：我国西北的黄土高原！（5）大小：一般来说，生态系统的组成成分越多样，营养结构越复杂，其调节能力越强。相反，成分越单纯，其营养结构越简单，其调节能力也越小。【生态系统的稳定性主要与生物种类有关，还要考虑生物的个体数量。食物链数量越多越稳定，若食物链数量相同，再看生产者，生产者多的稳定程度高。】（6）生态系统自我调节能力的两条途径1)通过净化作用（一直存在）：当河流受到轻微的污染时，物理沉降、化学分解、微生物的分解是河流生态系统抵抗环境污染的有效途径。2)通过营养结构：生态系统的营养结构具有负反馈调节机制，如在森林生态系统中，通过负反馈调节来抵抗外界干扰，维持自身稳定。4.抵抗力稳定性和恢复力稳定性（1）抵抗力稳定性：生态系统抵抗外界干扰并使自身的结构与功能保持原状（不受损害）的能力。（抵抗干扰，维持原状）抵抗力稳定性高的生态系统特征：各营养级的生物数量多，占有的能量多。生物种类多，食物网复杂，物质循环与能量流动的渠道多。（2）恢复力稳定性：生态系统在受到外界干扰因素的破坏后恢复到原状的能力。（遭到破坏，恢复原状）恢复力稳定性高的生态系统特征：各营养级的生物个体小，数量多，繁殖快。生物种类较少，物种扩张受到的制约较小。生物能以休眠方式渡过不利时期或产生适

应新环境的新类型。辨析：生态系统在受到不同的干扰（破坏）后，其恢复速度与恢复时间是不一样的某一生态系统在受到外界干扰，遭到一定程度的破坏而恢复的过程，应视为抵抗力稳定性，如河流受到轻微的污染时，能通过自身净化（如物理沉降、化学分解和微生物分解），可以很快恢复到接近原来的状态。若遭到彻底破坏，则其恢复过程应视为恢复力稳定性，如火灾后草原的恢复等。（3）联系：相反（或负相关）关系，同时存在于同一系统中的两种截然不同的作用力，它们相互作用，共同维持生态系统的稳定。注意：抵抗力稳定性和恢复力稳定性的关系并不一定都是相反的，如冻土苔原生态系统，由于物种组成成分单一、结构简单，它的抵抗力稳定性和恢复力稳定性都较低。（4）抵抗力稳定性、恢复力稳定性和总稳定性的数学模型a.图中两条虚线之间的部分表示生态系统功能正常的作用范围。b.y的大小可以作为抵抗力稳定性强弱的指标，y越大说明抵抗力稳定性越弱；反之，抵抗力稳定性越强。例如，热带雨林与草原生态系统相比，受到相同干扰，草原生态系统的y值要大于热带雨林的y值。c.x可以表示恢复到原状所需的时间，x越大，表示恢复力稳定性越弱；反之，恢复力稳定性越强。d.TS表示曲线与正常范围之间所围成的面积，可作为总稳定性的定量指标，。TS越大（即x、y越大）生态系统总稳定性越弱。e.y与x的关系：负相关（5）影响生态系统稳定性的因素自然因素；如火山爆发、地震台风、流行病等对生态系统的危害是有限的。人为因素：影响更广泛、更直接、更大，主要是人类对自然资源的不合理开发和利用，造成森林毁灭、水土流失、草原退化、环境污染造成生态系统破坏。5.提高生态系统的稳定性（1）提高生态系统的稳定性的意义可以持续不断地满足人类生活所需；能够使人类生活与生产的环境保持稳定。（2）提高生态系统稳定性的措施①控制对生态系统的干扰强度，在不超过生态系统自我调节能力的范围内，合理适度地利用生态系统。②对人类利用强度较大的生态系统，应给予相应的物质、能量投入，保证生态系统内部结构与功能的协调。如：对农田、果园生态系统要不断施肥、灌溉，增加投入，控制病虫害，才能保证高产出。还可建造“生态屏障”。③引入本地物种思考1：