版高中生物 第四章 生态系统的稳态 第二节 生态系统稳态的维持 第2课时学案 苏教.docx
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版高中生物第四章生态系统的稳态第二节生态系统稳态的维持第2课时学案苏教
第2课时 生态系统中的物质循环
[学习目标] 1.结合教材P103图4－15，说出生态系统中物质循环的特点，阐明碳循环失调与温室效应的关系。
2.通过实例分析，说明物质循环与能量流动的关系。
方式一
上图为美国耗资2亿美元建立的地球生物圈2号。
它是透明的，为什么呢？
需要输入光能。
它又是封闭的，难道
它不需要外界提供所需要的各种物质吗？
方式二 20世纪50年代，人们曾经在农田中广泛使用DDT杀虫剂，并取得了较好的杀虫效果，然而让人们意想不到的是，在远离施药地区的南极大陆的企鹅体内竟也发现了DDT！
DDT是如何进入南极企鹅体内的呢？
生态系统中的物质是否也能流动？
具有什么特点？
学完这节“生态系统中的物质循环”后，我相信同学们就能解释这些问题了。
一、物质循环的概念和实例
1．物质循环的概念及特点
项目
内容
概念
物质
组成生物体的C、H、O、N、P、Ca等元素
范围
无机环境和生物群落之间
特点
具有全球性
生物地球化学循环
具有循环性
物质可以被生物群落反复利用
2.实例
（1）水循环：
①水循环受太阳能、大气环流等因素的影响；降水和蒸发是水循环过程中的主要环节；植物的蒸腾作用对水循环有重要的促进作用。
②水循环过程可以进行不断往复地迁移和转化（固态、液态和气态）。
（2）碳循环
①碳存在形式
②过程
③碳循环形式
项目
进入生物群落
生物群落内部
返回无机环境
形式
CO2
含碳有机物
CO2
方式
光合作用和化能合成作用
通过食物链或食物网
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
是否双向
是
否
是
3.人类活动影响——水体富营养化
（1）原因：
水体中氮、磷含量过多。
（2）结果：
藻类等过度繁殖导致生态系统的稳态被破坏。
知识整合
1．碳循环的过程模式图
2．碳平衡的失调——温室效应
例1
下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⑤、⑥、⑦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 生物群落与无机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；图中A为生产者（第一营养级），B为初级消费者（第二营养级），C为次级消费者（第三营养级）；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%。
一题多变
（1）上题中的生物A的细胞中一定含有叶绿体吗？
答案 不一定，A为生产者，可能是绿色植物、蓝藻、光合细菌或硝化细菌等可以进行光合作用或化能合成作用的生物，而只有绿色植物细胞中含有叶绿体。
（2）适度松土可以促进图中的什么过程？
答案 适度松土可促进分解者的分解作用即过程⑧。
（3）若D中含有细胞核，则D中将含碳有机物转化为CO2的具体场所是什么？
答案 细胞质基质或线粒体基质。
（4）写出图中的食物链。
答案 A→B→C。
（5）图中碳元素以有机物形式进行传递的过程有哪些？
答案 ②③⑤⑥⑦。
例2
图1为科学家提供的大气中每月平均二氧化碳浓度图；图2为碳元素在生态系统中循环的模式图，甲、乙、丙表示生态系统的生物成分，箭头表示生理过程。
下列相关叙述中正确的是（ ）
A．图1所示CO2浓度逐渐升高，主要原因是植物被破坏使CO2消耗减少
B．图2中c过程代表光合作用，f过程代表微生物的呼吸作用
C．图2中甲所示的营养级在生态系统的食物链中占有的碳元素最多
D．图2中丙所代表的生物的细胞内没有由核膜包被的细胞核
答案 C
解析 从图中无法判断图1所示CO2浓度逐渐升高的主要原因，可能是植物被破坏，更可能是化石燃料的大量燃烧使CO2增多，A错误；图2中c过程代表呼吸作用，b代表光合作用，f过程代表分解者的呼吸作用，B错误；图2中甲所示的营养级是第一营养级，在生态系统的食物链中占有的碳元素最多，C正确；图2中丙是分解者，所代表的生物是营腐生生活的细菌和真菌，也包括腐生动物等，其中原核细胞内没有由核膜包被的细胞核，但真核细胞内有由核膜包被的细胞核，D错误。
方法链接
碳循环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；又因为其他各个成分都有箭头指向④，所以④为大气中的CO2、①为生产者。
其他生物部分的箭头都指向③，所以③是分解者，剩余的②为消费者。
二、物质循环与能量流动的关系
列表比较物质循环和能量流动的关系
项目
能量流动
物质循环
形式
光能→化学能→热能（一般形式）
以化学元素形式流动
过程
沿食物链（网）单向流动
在无机环境和生物群落间往复循环
范围
生态系统各营养级
全球性
特点
单向流动，逐级递减
反复出现，循环流动
联系
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，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能量是物质在生物群落和无机环境之间往返循环的动力
提醒
（1）农田中不断地施加氮肥的原因是：
物质循环是指在生物圈范围内的物质是循环的，农田中不断有粮食产出，基本元素不断地被输出，所以要不断地施加氮肥。
（2）伴随着物质循环过程，环境中的一些有毒物质会出现生物富集现象，即沿着食物链，营养级越高，富集物浓度越高。
例3
如图为生态系统中能量流动和碳循环的关系图，据图回答下列问题：
（1）对物质循环起关键作用的生态系统的成分是[ ]________和[ ]________。
（2）图中的①③⑤表示的生理过程分别是：
①________，③____________，⑤______________。
（3）c生物处于第________营养级，若要使c增加200kg，至少需要消耗a________kg。
答案
（1）a 生产者 d 分解者
（2）光合作用 呼吸作用 分解作用 （3）三 5000
解析 据生态系统的能量流动和物质循环的原理可知，a为生产者，①是光合作用；b是初级消费者；c为次级消费者，②③④为呼吸作用；d为分解者，⑤为分解作用。
按照能量逐级递减的原则，若使c增加200kg至少需要a的量为200÷20%÷20%＝5000kg。
方法链接
能量流动和物质循环关系分析
（1）能量流动和物质循环相伴而行，但能量在传递过程中由光能→化学能→热能，而物质在循环中，由无机物（CO2）→有机物→无机物（CO2）。
（2）能量流动的终点是热能散失到无机环境中，不能循环利用。
而物质循环产生的CO2又被重新利用，所以没有终点。
1．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，碳元素都是来自生产者，而生产者固定的CO2来自大气。
2．下列关于生态系统的物质循环的叙述，不正确的是（ ）
A．所说的物质是指组成生物体的化学元素
B．所说的生态系统是地球最大的生态系统——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
答案 D
解析 物质循环的实质为化学元素在生物圈这个最大的生态系统中往复出现、循环利用，在这个过程中物质是守恒的。
3．科学家把“末日之钟”的时间从晚11点53分调至晚11点55分，警示气候变化构成的威胁“接近核武器的可怕水平”，“温室效应”将给人类带来灾难。
下面叙述不恰当的是（ ）
A．化石燃料的燃烧是导致温室效应的主要原因
B．碳元素在生物群落和无机环境之间以CO2的形式循环
C．碳元素在生物群落中主要以有机物的形式存在
D．植树造林、退耕还林是解决温室效应的最主要措施
答案 D
解析 温室效应是由于大气中CO2等气体含量增加，使全球气温升高的现象。
产生的主要原因是化石燃料的大量燃烧。
开发新能源，减少化石燃料的燃烧是解决温室效应的最主要措施。
4．在自然生态系统中，物质是能量的载体。
下列叙述正确的是（ ）
A．能量可驱动物质循环
B．物质和能量可循环利用
C．能量只能在食物链中流动
D．能量和生物数量金字塔均可倒置
答案 A
解析 生态系统的主要功能是能量流动和物质循环，二者是同时进行的，彼此相互依存，不可分割。
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无机环境之间往返循环；能量金字塔不可倒置，生物数量金字塔可倒置。
5．如图是生态系统的碳循环图解。
图中A～D代表生态系统的4种成分，①～⑦代表碳元素在生态系统中循环的途径。
请仔细分析下图，并回答下列问题：
（1）图中A代表________，碳在C中以________形式存在。
（2）图中代表光合作用的是________，代表分解作用的是________（填序号）。
（3）图中B代表________，它在生态系统中的作用是____________________________________
________________________________________________________________________。
（4）碳元素在⑤和⑦中是以_______________形式流动，在①和⑥中是以________的形式流动。
答案
（1）生产者 含碳有机物
（2）③ ⑦（3）分解者 将动植物的遗体、排出物和残落物等复杂的有机物分解为简单的无机物（4）CO2 含碳有机物
解析 图中A和D进行双向的物质传递，而且A指向B、C、D，而A、B、C均指向D可知，A是生产者，C是消费者，B是分解者，D是无机环境。
图中的箭头表现了生物群落中的不同生物与无机环境的相互作用。
③是光合作用，将无机环境中的CO2转化为有机物中的碳。
动植物的遗体、排出物和残落物等复杂的有机物通过B分解者的分解作用分解为简单的无机物。
[对点训练]
题组一 物质循环的概念和实例
1．生态系统中C、N等元素流动的特点是（ ）
①单向的 ②全球性的 ③逐级递减 ④循环的，可由一种形式转化成另一种形式
A．①④B．②③
C．①③D．②④
答案 D
解析 物质循环具有全球性、循环性的特点。
2．在碳循环中，无机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 生产者能从无机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。
蒸腾作用是指植物体内的水分通过叶片的气孔以水蒸气的形式散失到大气中去的一个过程，与生态系统的碳循环无关，故C项正确。
3．如图是自然界碳循环的简图，图中的甲、乙、丙各代表（ ）
A．生产者、分解者、消费者
B．消费者、分解者、生产者
C．分解者、生产者、消费者
D．生产者、消费者、分解者
答案 B
解析 据图分析可知，大气中CO2之间具有双向箭头的丙为生产者，甲、丙都有箭头指向乙，乙为分解者，甲为消费者。
4．（2017·盐城高二上期末）下图表示生物圈中碳元素的循环过程，下列有关叙述不正确的是（ ）
A．B是生态系统的主要成分，增加B有利于减缓温室效应
B．③⑤⑧均属于呼吸作用
C．A和B属于捕食关系
D．温室效应主要是由⑦过程造成的
答案 C
解析 由物质循环的箭头指向可以看出B是生产者，在生态系统中处于主导地位。
A是分解者，不可能与B构成捕食关系。
5．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无机环境之间是以CO2的形式循环的，而无机环境中的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无机环境中，还可以通过微生物的分解作用，将动植物遗体、排出物和残落物中的有机物分解成CO2，返回到无机环境中。
因此选B。
题组二 物质循环与能量流动的关系
6．下列关于生态系统中的能量流动和物质循环的叙述，不正确的是（ ）
A．能量流动和物质循环是独立进行的两个过程
B．能量流动和物质循环是相互依存的两个过程
C．物质循环的进行需要能量的推动
D．能量流动的载体是各种有机物
答案 A
解析 能量流动和物质循环相互依存，不可分割。
物质循环的进行需要能量的推动，能量沿食物链（网）流动时是以各种有机物为载体的。
7．（2018·南京校级检测）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。
8．（2018·周口调研）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；能进行A过程将CO2转化成有机物的生物是自养型生物；物质循环具有全球性。
9．大气中CO2过多与碳循环失衡有关。
根据下图所做出的判断不正确的是（ ）
A．增加自养生物的种类和数量有利于降低大气中的CO2含量
B．大气中CO2的增加主要与异养生物②的数量增加有关
C．该生态系统中的自养生物与所有异养生物构成了生物群落
D．该图能表示物质循环过程，不能准确表示能量流动的方向
答案 B
解析 自养生物可通过光合作用吸收CO2，因此增加自养生物的种类和数量有利于降低大气中CO2含量；大气中CO2的增加主要与化石燃料的大量燃烧有关；生物群落是由生态系统中的所有生物组成的，包括所有自养生物（生产者）与所有异养生物（消费者和分解者）；该图不能说明生物之间的关系，不能准确表示能量流动的方向。
[综合强化]
10．（2017·咸阳中学高二期末）下图为碳循环的部分示意图，下列叙述正确的是（ ）
A．图中由生产者、Ⅱ、Ⅲ和Ⅳ构成的食物链中，能量流动是单向、逐级递减的
B．生产者为第一营养级，①②⑥⑧之和为生产者固定的总能量
C．①⑦⑧过程以CO2的形式进行，②③④⑤⑥过程以有机物的形式进行
D．根瘤菌与豆科植物互利共生时，其生命活动所需的有机碳来自⑥过程
答案 C
解析 图中Ⅰ为大气中的二氧化碳、Ⅱ和Ⅲ为消费者、Ⅳ为分解者。
分解者（Ⅳ）不是食物链的组成成分，A错误；生产者固定的总能量可用①表示，其去向有三个：
流入下一营养级（②）、被分解者分解利用（⑥）和自身呼吸消耗（⑧），B错误；碳元素由无机环境进入生物群落（①）和由生物群落返回无机环境（⑦⑧）以CO2的形式进行，在生物群落内（②③④⑤⑥）以有机物的形式进行，C正确；根瘤菌是消费者，它与豆科植物互利共生时，其生命活动所需有机物应来自于②，D错误。
11.如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，碳主要以二氧化碳的形式进行循环。
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．下图为生态系统碳循环示意图，其中甲、乙、丙表示生态系统中的三种成分。
请据图回答下列问题：
（1）生态系统的碳循环是指碳元素在________________________之间不断循环的过程。
（2）X与甲中图示生物类群的能量来源不同，X代表的生物为____________________；Y的细胞结构与丙中图示生物不同，Y的细胞结构最主要的特点是____________________。
（3）大气中的CO2在甲中图示的________处（在a～d中选择）合成有机物；含碳有机物在甲中图示的________处（在a～d中选择）可以分解为CO2。
答案
（1）生物群落与无机环境
（2）化能自养细菌（或硝化细菌等） 有由核膜包被的细胞核 （3）c a和b
13．某陆地生态系统中，除分解者外，仅有甲、乙、丙、丁、戊5个种群。
调查得知，该生态系统有4个营养级，营养级之间的能量传递效率为10%～20%，且每个种群只处于一个营养级。
一年内输入各种群的能量数值如下表所示，表中能量数值的单位相同。
种群
甲
乙
丙
丁
戊
能量
3.56
12.80
10.30
0.48
226.50
回答下列问题：
（1）请画出该生态系统中的食物网。
（2）甲和乙的种间关系是________；种群丁是该生态系统生物组分中的__________。
（3）一般来说，生态系统的主要功能包括____________、____________，此外还具有信息传递等功能。
碳对生物和生态系统具有重要意义，碳在____________和____________之间的循环主要以CO2的形式进行。
答案
（1）
（2）捕食 消费者（3）物质循环 能量流动 生物群落 无机环境
解析
（1）根据生态系统中相邻两营养级间能量的传递效率为10%～20%和能量流动逐级递减的理论进行分析。
戊含有的能量最多，处于第一营养级；乙和丙含有的能量较多且相差很小，都处于第二营养级；甲含有的能量较少，处于第三营养级；丁含有的能量最少，处于第四营养级。
该生态系统的食物网图见答案。
（2）根据食物网可以看出：
甲和乙的种间关系是捕食，戊是生产者，甲、乙、丙和丁都为消费者。
（3）生态系统的功能是能量流动、物质循环和信息传递等。
碳循环是生态系统中物质循环的重要组成部分，碳在生物群落中是以有机物的形式进行传递的，而在无机环境和生物群落之间的循环主要以CO2的形式进行。
14．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；表乙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；图丙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
乙
（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、______________、______________。
（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）表乙中的Pg表示同化作用固定的总能量，Pn表示生物体内储存的能量，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）图丙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
（2）无机环境（或大气中的二氧化碳） 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；各营养级生物所同化的总能量除了一部分在自身体内储存外，另一部分在呼吸作用中以热能的形式散失；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。
15．（经典高考题）气候变化与生态系统的碳循环密切相关。
下表为A、B两个不同时期陆地生态系统与大气环境的碳交换情况。
时期
碳吸收量（kgC·a－1）
碳释放量（kgC·a－1）
A
1.20×1014
1.20×1014
B
1.20×1014
1.26×1014
（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）表中________时期的生态系统处于稳定状态，原因是_______________________________。
（3）由于过度的人工碳排放，破坏了生态系统的________，导致大气中________增加并引起全球气候变化。
（4）人们正在积极开发新能源以减少碳排放，如“叶绿素太阳能电池”是模仿类囊体吸收光能的特征而制造的，类囊体吸收光能的过程发生在光合作用的________阶段；又如经过改造的蓝藻能在细胞内将光合作用产生的________直接发酵转化为燃料乙醇。
答案
（1）光合 呼吸
（2）A 碳吸收量等于碳释放量（3）碳平衡 CO2 （4）光反应 有机物
解析
（1）生态系统中碳的吸收主要是通过光合作用实现的，碳的释放主要是通过呼吸作用实现的。
（2）生态系统处于稳定状态时，生态系统吸收CO2的量和释放CO2的量应相等。
而在表中A时期时，生态系统吸收CO2的量和释放CO2的量相等。
（3）人工碳排放，破坏了生态系统的碳平衡，导致大气中CO2含量增多而出现温室效应。
（4）类囊体吸收光能的过程发生在光合作用的光反应阶段。
光合作用的产物是有机物。
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