2022-2023学年 选择性必修2 人教版 生态系统的物质循环 教案

第3节生态系统的物质循环新课程标准素养达标1.分析生态系统中的物质在生物群落与非生物环境之间不断循环。2．理解生态系统的碳循环以及物质循环和能量流动的关系。3．阐明某些有害物质会通过食物链不断富集的现象。1.生命观念、科学思维——运用物质与能量观，分析生态系统中的物质在生物群落和非生物环境之间不断循环的过程及特点。2．生命观念、科学思维——运用物质与能量观，阐明某些有害物质会通过食物链不断富集的现象。3．社会责任——基于对物质循环的理解，构建碳循环模式图，并利用模式图解释碳循环失衡与温室效应的关系，强化社会责任。研习1碳循环与生物富集1．碳循环(1)循环形式：在生物群落与非生物环境间主要以________的形式循环。(2)过程图解图中：①________，②________，③植物(生产者)，④动物(消费者)，⑤________，⑥________。(3)大气和海洋在碳循环之间的关系当大气中二氧化碳含量增加，________中的二氧化碳含量也随之增加；如果大气中的二氧化碳发生局部短缺，水圈中的二氧化碳也能及时________。(4)温室效应①形成原因：主要是________的开采和使用使大气中________含量迅速增加，打破了生物圈________的平衡。②应对方法：一方面要________________，另一方面要提高____________。(5)物质循环①物质：组成生物体的____________等元素。②范围：________与________之间循环。③特点：具有________性、________性。又称为生物地球化学循环。④应用：农业生产中采用________的模式。答案：(1)CO2(2)光合作用呼吸作用呼吸作用微生物的分解作用(3)水圈进入大气(4)①化石燃料CO2碳循环②减少二氧化碳的排放森林覆盖率(5)①C、H、O、N、P、S②生物群落非生物环境③全球循环④种养结合2．生物富集(1)铅积蓄在体内的过程在________燃烧、________冶炼的过程中，铅以微小颗粒被排放进入________，然后沉降在土壤和植被表面。一部分铅颗粒随降雨进入________，另一部分进入水体。植物的根从土壤中吸收铅，叶片也会摄入吸附的铅。在水中生活的植物、浮游动物会直接吸收水中的铅。动物饮用含有铅的水，也会直接摄入铅。进入体内的铅，能够形成多种比较________的铅化合物，分布于生物体的多种组织细胞中，导致铅________________，从而积蓄在体内。(2)概念：是指生物体从周围环境吸收、积蓄某种元素或________________，使其在机体内浓度________环境浓度的现象。(3)特点①一旦含有铅的生物被更高营养级的动物食用，铅就会沿着食物链逐渐在生物体内聚集，最终积累在食物链的________。②镉、汞等重金属，________、________等有机化合物以及一些放射性物质，也存在这样的生物富集现象。由于这些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，因此，这种现象也是________的。答案：(1)煤有色金属大气土壤稳定不易被生物体排出(2)难以降解的化合物超过(3)①顶端②DDT六六六全球性[自查自纠](1)物质循环中的“物质”指的是组成生物体的各种化合物。()(2)沼渣等作为肥料还田，使物质能够循环利用。()(3)碳循环在生物群落内部以CO2形式进行。()(4)化石燃料的大量燃烧是造成温室效应的主要原因。()(5)碳元素在非生物环境与生物群落之间传递时，只有生产者与非生物环境之间的传递是双向的，其他成分间是单向的。()答案：(1)解析：物质循环中的“物质”指的是组成生物体的碳、氢、氧、氮、磷、硫等元素，而非化合物。(2)√(3)解析：碳循环在生物群落内部以有机物形式进行。(4)√(5)√[互动探究]1．下图是某生态系统碳循环的示意图，请据图思考讨论：(1)图中属于生物群落的是什么？(用字母回答)，碳在生物群落内部主要是以什么形式进行流动的？(2)碳从非生物环境中进入生物群落的途径①和从生物群落进入非生物环境的途径③分别表示的是什么？(3)据图提出一项实现“低碳”减缓温室效应的措施。答案：(1)A、B、C、D；(含碳)有机物。(2)光合作用和化能合成作用；呼吸作用。(3)减少化石燃料的使用(或者植树造林，增加植被；或开发水能、太阳能等新能源)。2．DDT是一种有机氯农药，化学结构稳定，在环境中不易被降解，作为杀虫剂具有广谱杀虫、药效强劲持久、容易生产等诸多优点。然而大规模使用DDT对以游隼为代表的猛禽来说，却是一场噩梦的开始。思考讨论：(1)DDT作为杀虫剂使用，为什么会在顶级捕食者游隼体内的脂肪中大量积累？(2)研究发现，世界各分布区的游隼体内均有不同程度的DDT积累，这反映出生态系统的物质循环具有什么特点？答案：(1)提示：DDT是一种有机氯农药，化学结构稳定，在环境中不易降解，通过生物富集现象在顶级捕食者游隼体内的脂肪中大量积累。(2)提示：全球性。1．结合模式图，明确碳循环的四个要点(1)存在形式eq\b\lc\{\rc\(\a\vs4\al\co1(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))(2)流动形式eq\b\lc\{\rc\(\a\vs4\al\co1(生物群落与非生物环境之间：CO2,生物群落内部：含碳有机物))(3)进入生物群落的途径eq\b\lc\{\rc\(\a\vs4\al\co1(光合作用,化能合成作用))(4)eq\a\vs4\al(返回非生物机,环境的途径)eq\b\lc\{\rc\(\a\vs4\al\co1(①生产者、消费者的呼吸作用,②分解者的分解作用,③化石燃料的燃烧))2．辨析物质循环的三个易误点(1)生态系统的物质循环中所说的“生态系统”并不是一般的生态系统，而是指地球上最大的生态系统——生物圈，因此物质循环具有全球性。(2)生态系统的物质循环中所说的“物质”并不是指组成生物体的化合物，而是指组成生物体的化学元素，如C、H、O、N、P、S等。(3)碳在生态系统各成分之间的传递并不都是双向的，只有生产者与非生物环境之间的传递是双向的，其他各成分间的传递均是单向的。3．碳循环平衡的破坏——温室效应(1)成因：生物圈中碳循环的平衡被打破。①化石燃料的大量开采和使用，增加了大气中CO2的含量。②森林、草原等绿色植物被大面积破坏，降低了对大气中CO2的利用和调节。(2)危害：导致气温升高，加快极地和高山冰川的融化，导致海平面上升，对人类和其他许多生物的生存构成威胁。(3)缓解措施①采取积极措施，如开发清洁能源，减少CO2的排放。②植树种草，提高森林、草原覆盖率。【特别提醒】碳循环形式项目进入生物群落生物群落内部返回非生物环境形式二氧化碳含碳有机物二氧化碳方式光合作用和化能合成作用通过食物链和食物网①生产者和消费者的呼吸作用；②分解者的分解作用；③化石燃料的燃烧4.生物富集(1)生物个体或处于同一营养级的许多生物种群，从周围环境中吸收并积累某种元素或难分解的化合物，导致生物体内该物质的平衡浓度超过环境中浓度的现象，叫生物富集，又叫生物浓缩。(2)生物富集常用富集系数或浓缩系数(即生物体内污染物的平衡浓度与其生存环境中该污染物浓度的比值)来表示。此外还有人用生物累计、生物放大等术语来描述生物富集现象。前者是指同一生物个体在生长发育的不同阶段生物富集系数不断增加的现象；后者指在同一食物链上，生物富集系数从低位营养级到高位营养级逐级增大的现象。(3)污染物是否沿着食物链积累，取决于以下三个条件：即污染物的浓度在环境中必须是比较稳定的，污染物必须是生物能够吸收的，污染物是不易被生物代谢所分解的。目前最典型的还是DDT在生态系统中的转移和积累。(4)在生态系统中，污染物的浓度在沿食物链流动过程中随营养级的升高而增加，其富集系数在各营养级中可达到极其惊人的含量。【易错易混】比较生物富集与碳循环的异同项目生物富集碳循环不同点不易排出，营养级越高浓度越高容易排出相同点全球性1．如图表示某生态系统的碳循环过程中4种成分之间的关系。以下相关叙述中正确的是()A．1和2包含着所有种群构成的群落B．3代表的一定是原核生物C．①代表光合作用，②代表呼吸作用D．4可以表示大气中的CO2库答案：D解析：据图分析，1是生产者，2是消费者，3是分解者，4是非生物的物质和能量，而群落是指一定区域内的全部生物，A错误；3是分解者，主要指腐生的细菌和真菌，另外也包括一些动物，如蚯蚓，真菌、动物不是原核生物，B错误；①代表1被2捕食，②代表2进行呼吸作用向大气中释放CO2，C错误；生态系统中，通过生物的呼吸作用向大气中释放CO2，同时又通过光合作用将CO2转化成有机物，所以4可以表示大气中的CO2库，D正确。2．如图是生态系统碳循环示意图，箭头表示碳的流动方向，下列说法正确的是()A．该生态系统的结构包括A、B、C、D、EB．该生态系统中的食物链可表示为：A→D→E→BC．碳循环进行的同时一定伴随着能量流动和信息传递D．碳是以二氧化碳的形式在生物群落与非生物环境之间及生物群落内部往复循环的，这种循环带有全球性答案：C解析：生态系统的结构包括生态系统的组成成分和营养结构，故该生态系统的结构包括A、B、C、D、E以及由生产者和消费者构成的食物链、食物网，A错误；B是分解者，不参与食物链组成，B错误；碳循环进行的同时一定伴随着能量流动和信息传递，C正确；碳主要是以二氧化碳的形式在生物群落与非生物环境之间循环，以有机物的形式在生物群落内部流动，碳循环带有全球性，D错误。3．如图表示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⑤⑥⑦过程获得的能量占A、B、C总能量的10%～20%D．C处于第三营养级答案：D解析：生物群落与非生物环境之间的碳循环是以CO2的形式进行的，故图中大气中的气体X代表CO2；完成①过程的能量主要由太阳能转化的活跃的化学能提供；捕食食物链中相邻两营养级之间的能量传递效率约为10%～20%，D为分解者，不存在于捕食食物链中；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)。研习2能量流动和物质循环的关系1．能量流动与物质循环的关系(1)联系：物质作为能量的________，使能量沿着食物链(网)流动；能量作为________，使物质能够不断地在生物群落和非生物环境之间________。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。(2)区别：在物质循环过程中，非生物环境中的物质可以被生物群落________；能量流动则不同，能量在流经生态系统各营养级时，是________的，而且流动是单方向不循环的。答案：(1)载体动力循环往返(2)反复利用逐级递减2．图解答案：沿食物链(网)生物群落与非生物环境单向流动循环往复同时进行不可分割固定储存转移合成分解食物链(网)能量流动和物质循环[自查自纠](1)生态系统的物质循环和能量流动的渠道都是食物链和食物网，所以物质和能量都是循环往复的。()(2)物质循环和能量流动是两个独立的过程。()(3)物质循环中的物质和作为能量流动的载体的物质，含义不同。()(4)物质是能量流动的载体，能量流动是物质循环的动力。()(5)能量作为动力，使物质在生物群落与非生物环境之间循环往复。()(6)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。()答案：(1)解析：能量是单向流动的，不能通过食物链和食物网循环。(2)解析：物质循环、能量流动二者相互依存，不可分割。(3)√(4)√(5)√(6)√[互动探究]结合下图，分析物质循环与能量流动的关系。(1)完善两者之间的关系图解。(2)概括物质循环和能量流动之间的区别和联系。答案：(1)提示：图中字母表示的成分依次是A生产者，B初级消费者，C次级消费者，D分解者；图中的能量形式分别是①热能，②化学能，③化学能，④热能。(2)提示：①联系：物质是能量沿食物链(网)流动的载体，能量是物质在生态系统中循环往复的动力。②区别：在物质循环过程中，非生物环境中的物质可以被生物群落反复利用；能量流动则不同，能量在流经生态系统各营养级时，是逐级递减的，而且能量流动是单方向、不循环的。1．能量流动和物质循环的关系图解2．能量流动和物质循环的关系项目能量流动物质循环形式以有机物的形式流动主要以化学元素的形式循环过程沿食物链(网)单向流动在非生物环境和生物群落间循环范围生态系统各营养级生物圈特点单向流动、逐级递减全球性、循环性联系①能量的固定、转移、释放都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循环的动力1．如图为一个简化的生态系统能量流动和物质循环示意图，对图中箭头的含义表述错误的是()A．④和⑤可表示生物群落中能量的散失B．⑤可表示生物群落中的物质回归非生物环境C．②可表示能量在生物体之间单向流动D．①可表示碳元素从二氧化碳转变为有机物答案：A解析：读图可知，生物群落中能量以热能的形式散失——④呼吸作用，生物群落中的物质回归非生物环境——⑤分解者的分解作用，A错误，B正确；能量在生物体之间单向流动，如图中的②③，C正确；碳元素从二氧化碳转变为有机物——①光合作用或化能合成作用合成有机物，D正确。2．下列关于生态系统物质循环和能量流动的叙述，正确的是()A．使用粪便做肥料，其能量可以流向植物，实现了对能量的多级利用B．一只狼捕食了一只兔子，则这只兔子中约有10%～20%的能量流入狼的体内C．非生物环境中的物质可以被生物群落反复利用D．食物链中初级消费者数量越多，次级消费者能够获得的能量一定就越少答案：C解析：使用粪便做肥料是通过分解者将粪便中的有机物分解为无机物，植物利用的是无机物，没有对能量进行多级利用，A错误。能量传递效率中的10%～20%指的是营养级与营养级之间的传递效率，不是个体与个体之间的，B错误。物质中的元素在生态系统中具有循环往复性，C正确。食物链中的初级消费者越多，其总能量越多，又因为能量在相邻两个营养级之间的传递效率是不变的，所以捕食它们的次级消费者获得的能量越多，D错误。研习3探究土壤微生物的分解作用答案：分解者将动植物遗体残骸中的有机物分解为无机物温度水分是否含有微生物相同时间内土壤中落叶的腐烂程度不做任何处理小于30mL蒸馏水＋淀粉糊产生砖红色沉淀不产生砖红色沉淀[自查自纠]某兴趣小组设计实验来探究土壤微生物对落叶的分解作用，判断以下操作过程及分析的正误。(1)可采用加热烘干的方法除去实验组中的土壤微生物。()(2)应将实验组和对照组的土壤放在隔绝空气的条件下。()(3)对照组中落叶的分解速度明显高于实验组。()(4)实验组和对照组可以分别选择不同种类的落叶进行实验。()答案：(1)解析：在探究土壤微生物对落叶的分解作用的实验中，对实验组的处理要尽可能避免土壤理化性质的改变，可以将土壤用塑料袋包好，放在60℃恒温箱中灭菌1h。(2)(3)√(4)[互动探究]1．土壤微生物对落叶的分解作用(科学探究，科学思维)【实验情境】完成教材“探究落叶是在土壤微生物的作用下腐烂的吗”，分析下列问题：(1)取材是在落叶多的地方取泥土还是落叶少的地方取？说明理由。(2)取表面上层土还是深入地下？为什么？(3)该实验的自变量是___________________________。无关变量有________、________、________等。(4)实验过程中落叶是否需要特殊处理？(5)实验中对照组和实验组的实验材料的改变要有衡量标准，本实验的衡量标准是什么？(6)“腐烂程度”通过什么表现？答案：(1)提示：落叶多的地方，这个地方微生物密集。(2)提示：表面上层土，因为大部分微生物需要进行呼吸作用。(3)微生物的有无温度水分空气(4)提示：需要去除水分，避免实验误差。(5)提示：落叶的“腐烂程度”。(6)提示：落叶的质量变化，视觉感受等。2．探究土壤微生物对淀粉的分解作用(1)实验的自变量和因变量是什么？(2)实验中选用什么试剂检测因变量的变化？(3)实验的设计思路是什么？答案：(1)提示：自变量是土壤微生物的有无；因变量是淀粉的分解程度。(2)提示：用碘液和斐林试剂检测。(3)提示：取两个烧杯编号为A、B，放入等量淀粉糊。在A烧杯中加入30mL土壤浸出液，B烧杯中加入30mL蒸馏水。在室温(20℃左右)环境放置7d后，分别取A、B烧杯中的溶液20mL，各放入两支试管中，分别编号为A1、A2、B1、B2。在A1、B1中加入碘液，在A2、B2中加入斐林试剂后水浴加热。观察试管中溶液的颜色变化，记录实验结果。1．探究土壤微生物分解作用的过程项目案例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处理放入等量淀粉糊的A烧杯中加入30mL土壤浸出液对照组对土壤不做任何处理放入等量淀粉糊的B烧杯中加入30mL蒸馏水自变量土壤中是否含微生物溶液中是否含有分解淀粉的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AA1不变蓝A2产生砖红色沉淀BB1变蓝B2不产生砖红色沉淀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2.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，而没进行自变量处理，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。1．(2022·湖南期末)某生物兴趣小组以带有落叶的表层土壤(深5cm左右)为实验材料，研究土壤微生物在适宜温度下的分解作用，对土壤的处理情况见下表。下列叙述不正确的是()项目1组2组3组4组土壤处理灭菌不灭菌灭菌不灭菌湿润湿润较干燥较干燥A.该实验的目的之一是探究土壤微生物分解落叶时与土壤湿度间的关系B．该实验的自变量之一为土壤是否灭菌处理，实验中的实验组是1组和3组C．为了保证实验的效果，实验中作为实验材料的落叶不能进行灭菌处理D．预期结果是1、3组的落叶不被分解，2、4组的落叶被不同程度分解答案：C解析：根据表格分析可知，该实验的自变量之一为土壤的湿润条件，因此该实验的目的之一是探究土壤微生物分解落叶时与土壤湿度间的关系，A正确；该实验的自变量有土壤是否灭菌处理、土壤的湿润条件，实验中的对照组是2和4,1和3是实验组，B正确；为了控制实验中的无关变量，作为实验材料的落叶也应进行灭菌处理，消除微生物的影响，C错误；根据以上分析已知，1、3组灭菌后没有微生物，落叶不会被分解。而2、4组有微生物，但是湿润程度不同，所以落叶被分解程度不同，D正确。2．某生物兴趣小组的同学为证明某细菌对树叶的分解作用，分别提出三种实验方案。其共同之处：将同一种树的落叶分成甲、乙两等份，实验过程中保持树叶湿润，其他实验条件和步骤如下表所示。以下哪种实验方案能达到目的()序号实验处理甲乙方案一无菌条件自然条件方案二先灭菌，再置于适宜条件下自然条件方案三先灭菌，再置于适宜条件下先灭菌，然后接种某种细菌，最后置于适宜条件下A.方案一B．方案二C．方案三D．三个方案都不能达到答案：C解析：欲证明树叶的分解是由某种细菌所引起的，应先将树叶灭菌，排除其他微生物对实验结果的干扰，同时应将灭菌后的树叶平均分成两组，一组接种该细菌，另一组不接种，两组均置于适宜条件下培养，以便对比分析得出结论。[网络构建][要语必背]1．组成生物体的碳、氢、氧、氮、磷、硫等元素，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。2．物质循环具有全球性和往复循环的特点。3．碳在非生物环境和生物群落之间是以CO2的形式循环的，在生物群落内部是以有机物的形式传递的。4．物质是能量流动的载体，能量是物质循环的动力。5．生物体从周围环境中吸收、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，称为生物富集。巩固提升1．下列不属于生物群落中的碳返回大气中的途径的是()A．生物的呼吸作用B．某些细菌的化能合成作用C．分解者的分解作用D．森林火灾答案：B解析：生物群落中的碳返回大气中的途径有动植物的呼吸作用、微生物的分解作用以及燃烧。硝化细菌的化能合成作用是使非生物环境中的碳进入生物群落中的途径。2．与生态系统的能量流动相比较，物质循环具有的特点是()A．循环流动B．单向流动C．逐级递减D．不能循环答案：A解析：物质循环的特点是循环性和全球性，能量流动的特点是单向流动、逐级递减。3．某些人工合成的化合物如农药DDT、六六六等，进入环境后便参与生态系统的物质循环，但是，这些化合物难以被降解并在生物体内蓄积。下表是某水域生态系统在结构和功能处于相对稳定状态时，甲、乙、丙、丁四个种群所含有的总能量和残留DDT的平均浓度。下列说法错误的是()项目甲乙丙丁能量(kJ)2.8×1091.3×1089.1×1072.9×107DDT浓度(ppm)0.040.350.393.4A.该生态系统的水体中DDT的浓度小于0.04ppmB．四个种群最简单的能量流动渠道是形成了一条食物链C．甲是该生态系统组成成分中的生产者D．丁种群个体死亡后释放的DDT还可能再进入丁种群答案：B解析：表中数据是在该生态系统处于平衡时，甲、乙、丙、丁四个种群所含有的总能量和残留DDT的平均浓度，其含量关系应符合能量传递和生物富集规律，因此，甲是生产者，乙和丙位于同一营养级，均属于生态系统的初级消费者，丁是次级消费者，处于食物链的第三营养级，四个种群形成两条食物链，综上所述，B错误，A、C、D正确。4．如图为生态系统碳循环示意图，图中字母代表生态系统组成成分，数字表示碳的流动过程。下列叙述正确的是()A．图中生产者、A、B、C构成了两条食物链B．大力增强过程①可一定程度上缓解温室效应C．经过程③的碳全部储存于B体内的有机物中D．农业上的中耕松土可以加强过程⑦答案：B解析：据图分析可知，A表示大气中的二氧化碳库，B表示消费者，C表示分解者，食物链中只有生产者和消费者，所以生产者、A、B、C不能构成食