生态系统的物质循环高二上生物人教版选择性必修2

第3节生态系统的物质循环

胡杨能抗干旱、御风沙、耐盐碱，可顽强地在荒漠中生存繁衍。然而，受水资源短缺的影响，一些远离水源的胡杨也难逃死亡的厄运。这些死亡的胡杨虽历经烈日和荒漠的摧残，却依然傲立于大漠，其枝干往往呈现出千姿百态的奇特造型。讨论1.胡杨死亡后，为什么很长时间都没有腐烂？2.有研究表明，长有胡杨的荒漠土壤一般比草原的贫癖，这是为什么？荒漠缺水分，分解者数量少，无法快速分解物质循环缓慢，土壤积累的有机物少呼一口气，许多CO2就离开你的身体，进入大气中。你能想象这些CO2分子的去向吗？有的分子可能进入你身边一棵小草的叶肉细胞，有的可能随着大气环流飘向异国他乡。再想一下，这些CO2分子中的碳元素和氧元素，是怎样来到你体内的？进入你体内之前存在于什么物质中？这两种元素在生物群落和非生物环境之间是不断循环的。CO2大气植物体内有机物人动物呼吸作用呼吸作用消化吸收同化作用光合作用碳是构成生物体的重要元素之一，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。大气中的碳主要是CO2。生物体和大气中的碳含量，都长期处于稳定的状态。CO2(主要)、CaCO3、煤、石油、木材有机物一、碳循环

CO2能溶于水，因此可在大气和海洋、河流之间进行交换。此外，碳还可以长期固定或保存在非生命系统中，如固定于煤、石油或木材中。人类对煤和石油等能源的利用，向大气中排放了大量CO2。讨论：1.碳在非生物环境和生物体内分别以什么形式存在？分析碳循环的过程分析碳循环的过程2.碳是如何进出生产者、消费者、分解者的(以什么形式、通过哪些生命活动、形成哪些产物)？分解作用摄食大气中的CO2库生产者消费者分解者生物群落遗体残骸光能自养化能自养CO2+H2O(CH2O)+O2呼吸作用呼吸作用煤、石油燃烧ACDB①②③④①②③④甲乙丙丁abcde①②③③④建模：碳循环非生物环境：CO2生物群落：有机物CO2生产者消费者分解者有氧呼吸(线粒体为主)无氧呼吸(细胞质基质)呼吸作用CO2光合作用(叶绿体)化能合成作用生产者☆碳在生物群落与非生物环境之间的循环主要以CO2的形式进行的由于CO2能够随着大气环流在全球范围内流动，碳循环具有全球性。海洋对于调节大气中的碳含量起着非常重要的作用：当大气中CO2含量增加，水圈中的CO2含量也随之增加；如果大气中的CO2发生局部短缺，水圈中的CO2能及时进入大气。大气中的CO2库分解者消费者生产者呼吸作用呼吸作用光合作用粪便遗体残枝败叶化石燃料燃烧海洋、河流溶解释放(1)碳进入生物群落的途径：光合作用(主要)、化能合成作用(2)碳在生物群落内的传递形式：含碳有机物主要途径：食物链、食物网(3)碳返回非生物环境的途径：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)与碳循环关系密切的细胞器：线粒体、叶绿体分解者的分解作用是否等同于呼吸作用?分解者的分解作用是碎裂、异化、淋溶的综合。分解者的分解作用≠呼吸作用破坏碳循环平衡的后果1.原因：①世界范围内，化石燃料的开采和使用大大增加了CO2的排放②森林、草原等植被遭到大面积破坏加剧了温室效应，引起全球性的气候变化。2.危害①加快冰川融化，海平面上升

②气候反常，海洋风暴频繁③生物多样性锐减打破了生物圈碳循环的平衡，使大气中CO2含量迅速增加太阳热CO2CO23.缓解措施

①我国一方面采取积极措施减少CO2排放②开发新能源，减少化石燃料燃烧

③另一方面大力植树种草，提高森林覆盖率，这在吸收和固定CO2方面发挥了重要作用。研究发现，我国大面积人工林的成长显示出巨大的固碳潜力。

④20多年来，由于采取秸秆还田等措施，我国农田表层土壤也储存了大量的碳。如果进一步提高秸秆还田率，农田土壤储碳量还可以进一步提高。通过植树造林，节能减排等形式，抵消自身产生的CO2或温室气体排放量，实现正负抵消，达到相对“零排放”。碳中和碳达峰某一个时刻，CO2排放量达到历史最高值，之后逐步回落。氮循环空气中的氮气体动植物体中的蛋白质和氨基酸遗体分解者NH4+生物固氮土壤中的固氮菌硝化细菌NO3-反硝化细菌硫循环大气中的SO2生产者消费者分解者石油等化石燃料火山爆发土壤或水体中的SO42-燃烧燃烧吸收吸收降雨动植物遗体、碎屑、排出物磷循环植物蒸腾降水蒸发地下径流下渗地表径流海洋蒸发降水水循环

①组成生物体的碳、氢、氧、氮、磷、硫等元素，都在②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。③这里所说的生态系统指的是地球上最大的生态系统----生物圈，④物质循环具有全球性，因此又叫生物地球化学循环。对象过程范围特点⑤物质在生态系统中循环往复运动的特点，对于改进农业生产方式有多方面的启示。可采用种养结合的模式，在稻田中养鸭养鱼，动物的取食、消化能促进物质循环，它们排出的粪便中氮、磷等可供水稻吸收利用，它们呼出的CO2还可为水稻的光合作用补充原料。特点水稻和杂草鸭和鱼微生物分解取食、消化CO2N、P等粪便土壤中的微生物能够分解有机物，这是物质循环过程中的重要一环。生态系统中的消费者能够加快物质的循环过程。那么，是不是所有物质都能较快地通过食物链回归非生物环境呢？人类活动向环境中排放了很多有害物质，包括一些重金属，如铅(Pb)、镉(Cd)、汞(Hg)等，以及人工合成的有机化合物，如DDT、六六六等。这些有害物质一进入环境便参与生态系统的物质循环，但是它们的循环过程却与碳、氮等元素的循环过程不同。二、生物富集铅是一种毒性很强的化学元素，原本以比较稳定的形式存在于环境中，但人类活动加速了铅的循环，改变了铅在环境中的分布。沉降沉降空气水体人体作物动物土壤饮水摄入吸入吸收煤燃烧、有色金属冶炼铅在煤燃烧、有色金属冶炼的过程中，铅会以直径不足0.5um的微小颗粒被排放进入大气，然后沉降在土壤和植被表面。一部分铅颗粒随降水进入土壤，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，能够形成多种比较稳定的铅化合物，分布于生物体的多种组织细胞中，导致铅不易被生物体排出，从而积蓄在体内。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，称作生物富集。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顶端。磷虾三文鱼鳕鱼汞甲基汞金枪鱼鲨鱼食物链含汞量镉、汞等重金属，DDT、六六六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，这种现象也是全球性的。三、能量流动和物质循环的关系能量流动和物质循环是生态系统的主要功能，它们同时进行，彼此相互依存，不可分割。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。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非生物环境之间循环往返。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。生产者初级消费者次级消费者分解者CO2、热量散失CO2、热量散失遗体分解作用遗体呼吸呼吸残枝败叶同化同化CO2H2O光能物质循环能量流动尽管能量流动和物质循环紧密交织在一起，但是它们具有不同的特点。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，而且流动是单方向不循环的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。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至数月时间。参考案例1

落叶是在土壤微生物的作用下腐烂的吗？以带有落叶的土壤为实验材料。采用对照实验的办法，设计实验组和对照组。对照组的土壤不做处理(自然状态)；实验组的土壤要进行处理，以尽可能排除土壤微生物的作用，同时要尽可能避免土壤理化性质的改变(例如，将土壤用塑料袋包好，放在60℃恒温箱中处理1h)探究土壤微生物的分解作用落叶实验组对照组5cm5cm土壤土壤土壤进行处理，排除土壤微生物的作用土壤不进行处理，自然状态参考案例2探究土壤微生物对淀粉的分解作用1.将取自农田、林地或花盆等处的土壤放入里面垫有厚纱布的烧杯中，加水搅拌，然后将纱布连同土壤一起取出。将留在烧杯中的土壤浸出液静置一段时间备用。2.另取两个烧杯，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。3.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。4.在A1、B1中加入碘液；在A2、B2中加入斐林试剂，加热。5.观察试管中溶液的颜色变化，记录实验结果。步骤①②③④⑤结果A烧杯适量淀粉糊30mL土壤浸出液20℃7dA烧杯溶液20mL(A1)碘液A烧杯溶液20mL(A2)斐林试剂，加热B烧杯适量淀粉糊30mL蒸馏水20℃7dB烧杯溶液20mL(B1)碘液B烧杯溶液20mL(B2)斐林试剂，加热蓝色浅砖红色深蓝色深砖红色浅分析结果，得出结论实验结果是否支持所作的假设？实验结论是__________________________1.落叶是在土壤微生物的作用下腐烂的。2.土壤微生物能分解淀粉1.能量流动和物质循环是生态系统的主要功能。判断下列相关表述是否正确。(1)物质循环发生在生物群落与非生物环境之间。()(2)能量流动和物质循环是两个相对独立的过程。()2.竹子中纤维素含量很高。大熊猫每天要吃大量竹子，但一般只能利用其中一小部分纤维素。研究表明，大熊猫的基因组缺少编码纤维素酶的基因，但是肠道中有多种纤维素分解菌。(1)大熊猫与它肠道内某种纤维素分解菌的种间关系为A.捕食B.寄生C.互利共生D.原始合作(2)下列叙述不合理的是A.大熊猫是初级消费者，属于第二营养级B.大熊猫未消化的纤维素会被分解者利用C.纤维素分解菌促进生态系统的物质循环D.能量流动方向是竹子→大熊猫→纤维素分解菌3.在生态系统中，使二氧化碳进入生物群落的生物主要是A.细菌B.真菌C.动物D.绿色植物√×CDD课后习题二、拓展应用1．生物圈是不是一个在物质上自给自足的系统？为什么？2．同碳元素一样，氮在生物群落和非生物环境之间也是不断循环的。为什么还要往农田中不断地施加氮肥呢？3．下表为生活在某库区水域中层的几种鱼体内重金属的含量（单位：ng·g-1）。请据表推测，这几种鱼中，草食性的鱼是_____，杂食性的鱼是_____，肉食性的鱼是______。物质循环实现物质上自给自足的系统。能量是不可循环的，必须依赖太阳能的不断输入。在生物圈范围内物质是循环的农田中不断有粮食产出，所以要不断地补充氮肥，才能保证氮循环平衡ABCDE重金属在食物链中存在富集现象1.某红树林生态系统的碳循环如图所示。图中A是一种气体，B、C、D、E和F表示生物成分，箭头表示碳流动的方向。(1)图中A表示__________________，生物成分E表示___________，生物成分F表示__________，生物成分_______表示初级消费者。(2)题图所示的成分中，能量在生物群落中的流动方向是________，最终以________散失(3)碳循环过程中，碳从生物群落回到无机环境的途径有三条①生产者和消费者的呼吸作用。②_________________________。③_________________________。大气中的CO2库生产者分解者C单向的热能分解者的分解作用化石燃料的燃烧2.某放牧草地有一些占地约1m2的石头。有人于石头不同距离处，调查了蜥蜴个体数、蝗虫种群密度和植物生物量(干重)，结果见下图。(1)该放牧草地中，蝗虫属于第_____营养级。(2)放置石头，引起群落的_______结构发生明显变化，进而引起群落发生_______演替(3)蜥蜴活动地点离石头越远，蜥蜴个体数越少，原因是______________________。(4)与距离石头10m相比，在距离石头5m范围内能量流向对人类有益的部分较多，原因是_____________________________________________________________________。二水平次生距石头越近，蜥蜴被捕食的风险越大距石头越近，蜥蜴数量多，捕食蝗虫多，被蝗虫摄食的牧草少，流向牛羊的能量多3.某地区环境变化剧烈，一块弃耕多年的农田生态系统中食物链之一是“甲→乙→丙”。生态学家对甲、乙、丙的能量情况进行了短期调查研究，调查结果如下表(单位：105J)。甲乙丙固定的能量摄入量同化量呼吸消耗量摄入量同化量呼吸消耗量245001057571.58.4464.38⑴甲、乙、丙在该弃耕农田中肯定只占据一个营养级的是________，流经该生态系统的总能量应______________(填“大于或等于”、“等于”或“小于”)24500×105J。(2)该弃耕农田的演替属于_______演替，演替过程中因_____________________，其抵抗外界干扰的能力逐渐增强。(3)若该生态系统只有这条食物链，与调查前相比，种群乙的数量减少。请结合表中数据说明其理由。_________________________________________________。甲大于或等于次生营养结构趋于复杂，自我调节能力增强丙的摄入量大于乙用于自身生长发育繁殖的能量4.蓝莓的果实营养丰富，被称为“水果皇后”，达州“秦巴蓝莓主题公园”是生产蓝莓的基地(1)碳元素在蓝莓和摄食蓝莓的昆虫之间的传递形式是________。蓝莓果实中蛋白质、氨基酸含量非常高，从物质循环的角度分析，为进一步提高蓝莓产量，要定期给蓝莓生态系统施氮肥的主要原因是___________________________________________。昆虫昆虫的天敌能量(kJ·㎝-2·a-1)摄入呼吸散失粪便摄入呼吸散失粪便数值50012030015010130由表中数据可知，昆虫用于自身生长、发育和繁殖的能量为________kJ·㎝-2·a-1，据此推测昆虫是________(填“是”或“不是”)天敌唯一的食物来源。理由是_______________________________________________________________________。(2)为抑制昆虫采食蓝莓，研究人员适当引入昆虫的天敌。在昆虫及天敌的数量达到相对稳定后，对它们的能量流动进行了调查，得到如下数据。有机物该生态系统中部分氮元素会随产品被输出80不是昆虫天敌摄入量远大于昆虫用于自身生长、发育和繁殖的能量5.为探究全球气候变暖对生态系统的影响，研究者将若干人工淡水池塘均分成两组，对照组保持环境温度不变，实验组始终比对照组高4℃。第15年时，池塘中浮游植物和浮游动物生物量的检测结果如图(1)投入池塘的水生生物甲在一段时间后种群密度长时期保持相对稳定而不再上升，从环境因素考虑其原因有_______________________________________。在选择甲种群密度调查方法时，需要以甲的个体大小、______________________(至少填两点)等作为依据。(2)区分池塘群落和湖泊群落的重要特征是两者的__________不同。向池塘投放水生生物后，池塘群落将发生_______演替。(3)池塘生态系统中，浮游动物通过食物链(网)获取碳元素，而浮游植物通过_________获取碳元素。全球气候变暖，导致的生态后果主要是____________锐减。(4)从能量流动角度分析，升温导致该生态系统生物量降低的原因是________________食物有限、生存空间有限、天敌捕食等活动范围、活动能力物种组成次生光合作用生物多样性浮游植物减少，固定的太阳能减少6.回答下列有关玉米田生态系统的问题：单位：104kJ/年

(1)在玉米生态系统的组成成分中，玉米螟属于___________。(2)如图是玉米田中能量流经玉米螟的示意图，图中A、B分别代表___________________________、_________________________________，一年内玉米螟获得的能量中流向分解者的能量是______________kJ。(3)玉米固定的太阳能中，有些能量没被利用，有些被利用了。被利用的能量包括哪些？____________________________________________。(4)玉米田收割后，耕地未做任何处理而发生了演替，这种演替类型为__________。消费者玉米螟呼吸作用散失的能量玉米螟生长、发育和繁殖的能量4.19×106自身呼吸作用消耗、被下一营养级和分解者利用次生演替(1)生态系统的主要功能是物质循环、______________________。输入该生态系统的总能量有______________________________________。(2)图2中乙所含的能量_______(大于/小于/等于)甲所含能量。(3)图2中甲、乙、丙、丁代表生态系统的4种成分，丙为__________；图中以CO2形式流动的是_____________(填序号)。(4)该人工生态系统中的芦苇、藻类等植物生长迅速，其主要原因是_____________________________________________________________________。当生活污水过度流入人工湿地生态系统会使该生态系统遭到破坏，这说明生态系统的________________是有一定限度的。能量流动、信息传递生产者固定的太阳能、污水中的化学能小于分解者①②⑤⑥水中微生物分解污水中有机物，为植物提供N、P和光合作用所需的CO2自我调节能力78.下图为某地区生态系统的物质循环及能量分布情况，其中甲、乙、丙是生态系统的成分，A、B、C、D是乙中的四种生物。(1)图中丙为___________。(2)该生态系统中可能存在的食物链为______________________。(3)该生态系统的总能量为现有所有生物中含有的能量加上______________________，食物链中能量流动逐级递减的原因是__________________________________________。分解者所有生物呼吸作用消耗的能量一个营养级同化的能量除了自身呼吸消耗外，还有一部分未被下一营养级利用9.研究人员对以“作物-害虫-天敌”相互作用为中心的棉田(全年均不施农药)进行生态系统能量流动的调查与分析，结果如下表(单位：103kJ/(m2·a)。(1)流经该生态系统的总能量为__________×103kJ(m2·a)。(2)棉蚜靠吸取棉株的汁液生长，属于生态系统组成成分中的_________。从表中数据可以看出棉蚜是棉田的主要害虫之一，依据是____________________________________

消费者棉蚜摄入量占棉田害虫总摄入量的45.7%36.62棉花和杂草棉田害虫捕食性天敌棉蚜其他害虫(共22种)瓢虫等固定的太阳能摄入量同化量呼吸量摄入量同化量呼吸量摄入量同化量呼吸量36.621.380.770.301.640.900.620.160.120.08(3)由棉田害虫流入捕食性天敌体内的能量为______×103kJ/(m2·a)，其中________×103kJ/(m2·a)储存在捕食性天敌体内的有机物中，用于生长、发育和繁殖等生命活动。(4)调查表明，棉田中捕食性天敌对害虫抑制作用大。与施用农药防治害虫相比，利用捕食性天敌(瓢虫等)防治害虫除了可以减少环境污染之外，还有利于___________________________________________________。0.120.04提高棉田抵抗外界干扰的能力(物种的多样性)10.如图Ⅰ为某生态系统的碳循环示意图，图Ⅱ为该生态系统中部分生物构成的食物网。(1)图Ⅰ中构成生物群落的是__________(填字母)。与CO2从无机环境进入生物群落有关的生理活动主要是④__________，其中①过程表示________________作用，大气中CO2的来源除了图中所示之外，还可来自于__________________等。(2)图Ⅱ中有______条食物链，处于最高营养级的生物是______；丙和丁的关系是_____________。该食物网中，若生产者固定的总能量为1×108kJ，能量传递效率按10%～20%计算，则最高营养级至少能获得__________kJ的能量。(3)若由于某种原因，造成图Ⅰ中绿色植物的数量锐减，该生态系统中其他生物的数量发生了较大波动后又逐渐趋于稳定，说明生态系统具有自我调节能力，这种能力是通过________调节来实现的。ABDE光合作用分解者的分解化石燃料的燃烧4戊竞争、捕食1×104负反馈11.如表所示是某营养级昆虫摄食植物后能量流动的情况。项目摄食量粪便量呼吸消耗量储存在有机物量能量/kJ41021013070(1)从能量流动角度分析，昆虫从上一营养级获得的同化的能量为________kJ，其上一营养级的能量至少是________kJ，该表体现了能量流动具有_____________的特点。控制农作物田地中植食昆虫的数量的意义是____________________________________________________________________。(2)从碳循环的角度分析，昆虫同化的碳通过昆虫自身的呼吸作用以CO2形式、_____________________________、__________________________等途径参与循环(3)从信息交流角度分析，昆虫释放的吸引异性昆虫的性外激素属于________(填“化学”、“物理”或“行为”)信息，人们通过在田野中释放激素类似物，破坏昆虫____________，从而控制昆虫的繁殖，达到减少虫害的目的。2001000逐级递减调整生态系统(群落)内能量关系，让能量持续高效地流向对人类最有益的部分通过分解者的分解作用以CO2形式通过食物链以有机物的形式化学性别比例12.某陆地生态系统除分解者外，仅有甲乙丙丁戊5个种群、4个营养级。1年内输入各种群的能量如表(单位相同)。种群甲乙丙丁戊能量3.5612.8010.300.48226.50(1)请画