資源簡介

第四節　生態系統中的物質能被循環利用
導學聚焦 1.生命觀念——通過對水循環、碳循環、氮循環等常見物質的循環過程分析，明確自然界中的物質不是憑空產生的，而是循環利用的，形成穩態與平衡觀。 2.科學思維——①運用歸納與概括，比較分析水循環、碳循環、氮循環的過程及特點；②基于模型與建模構建碳循環、氮循環的模型，認同物質循環在生物與環境連接中的紐帶作用。 3.社會責任——通過對水循環、碳循環、氮循環比較分析，能利用相關原理知道生產過程，提高物質的利用效率。
知識點　生態系統的物質循環
1.生物在水循環中起的作用很小
（1）水循環的概念：指地球上的水通過蒸發、　冷凝　等過程進行不斷的循環過程。
（2）水循環方式：　降水　和　蒸發　。
（3）水循環的動力：　太陽能　。
（4）水循環對生態系統的影響：促進　營養物質　從一個生態系統到另一個新的生態系統。
（5）生物因素與水循環的關系：生物因素在全球水循環過程中所起的作用　很小　。
2.二氧化碳是碳循環的主要形式
（1）碳的存在形式
（2）碳循環的路線
大氣圈→　植物和動物　→分解者→　大氣圈　。
（3）碳循環過程
請寫出圖中各標號的名稱：
①　呼吸作用　；②　光合作用　；③攝食；④　呼吸作用　；⑤燃燒；⑥　分解作用　。
3.固氮菌等細菌在氮循環中發揮重要作用
（1）氮循環概念
自然生態系統中，一方面通過各種固氮作用使氮可以被　生物　所利用，另一方面又通過反硝化作用使氮不斷重返　大氣　，從而使自然環境與生物群落中的氮處于動態的平衡中。氮循環包括　固氮　、氨化、硝化和　反硝化　等過程。
（2）固氮途徑
①　高能　固氮：通過閃電、宇宙射線、隕石、火山爆發等所釋放的能量進行固氮。
②　工業　固氮：在高溫、高壓、催化劑的作用下，將氮氣還原為氨氣。
③　生物　固氮：通過　固氮菌　和藍細菌等自養或異養微生物進行固氮。
（3）氨化作用：指　尿素　和尿酸等通過土壤和水中的　異養　細菌、放線菌和真菌的代謝活動，轉變為　無機化合物（氨）　并把它釋放出來的過程。
（4）硝化作用：指氨和銨鹽被　硝化　細菌氧化為　亞硝酸鹽　和硝酸鹽的過程。
（5）反硝化作用：硝酸鹽等含氮化合物在　反硝化　細菌的作用下轉化為N2、NO和N2O的過程。
4.人類運用生態系統的物質循環規律，在生產實踐中實現資源多層次利用
（1）意義
運用物質循環的規律，可以幫助人們合理地調整生態系統的物質循環和　能量流動　，使物質中的能量更多地流向對人類有益的方向。
（2）舉例
①物質循環利用的生態工程。
a.農作物秸稈的“過腹還田”。
b.桑基魚塘的農業生態工程。
c.“蔬菜—雞、豬—沼氣”系統。
②城市生活垃圾的處理。
5.基于上述學習，判斷下列相關表述的正誤
（1）物質循環的關鍵環節是分解者的分解作用（　√　）
（2）能量流動和物質循環是兩個相對獨立的過程（　×　）
（3）物質循環是在生產者、消費者、分解者之間進行的（　×　）
（4）煤和石油燃燒以及微生物分解產生的CO2促進了碳循環（　√　）
（5）生物在全球水循環中具有主導性作用（　×　）
（6）固氮細菌是唯一能夠把氮氣轉變為植物可利用氮的生物（　×　）
1.分析自然界碳循環的簡圖，回答下列有關問題。
（1）圖中的甲、乙、丙分別是什么？①②③分別表示什么過程？大氣中CO2進入生物群落的主要途徑是什么（用圖中代號表示）？
提示：圖中的甲、乙、丙分別是分解者、消費者、生產者。①②③分別表示通過分解者、生產者、消費者的呼吸作用將生物群落內的有機物分解為CO2，返回大氣中。大氣中CO2進入生物群落的主要途徑是④。
（2）碳循環都是雙向的嗎？說明理由。
提示：不都是。CO2在生物群落和非生物環境之間是雙向循環的。但在生物群落內部，沿食物鏈（網）傳遞時，碳循環不是雙向的，只能由低營養級向高營養級單向傳遞。
（3）如果人們不按生態規律辦事，亂砍濫伐森林，對生態系統的碳循環有何影響？
提示：會打破碳循環平衡，使大氣CO2進入生物群落過程受阻，大氣中CO2的含量就會明顯增多。
2.“哥本哈根氣候變化大會”引起人們對溫室氣體排放的關注，大會所倡導的低碳生活獲得普遍認可。下圖為生物群落、大氣中CO2及化學染料的關系，請用“→”表示三者之間的關系，并描述各“→”的含義。
提示：
，化學染料→大氣中的CO2，此過程表示化學染料的燃燒；生物群落→大氣中的CO2，此過程表示呼吸作用；大氣中的CO2→生物群落，此過程表示光合作用。
3.兩位同學在觀看有關恐龍的影片時，甲同學提出：“我體內的能量中可能有遠古恐龍體內的能量。”乙同學也提出：“我體內的物質中可能有遠古恐龍體內的物質。”這兩位同學的說法對嗎？試分析原因。
提示：甲同學的說法錯誤，乙同學的說法正確。因為能量是單向流動的，不能循環利用，而物質是可以循環利用的。
4.如圖是某生態系統的結構模式圖，該圖中只表示物質流向的箭頭是哪些？可表示能量流動的箭頭有哪些？（用圖中的數字標號表示）
提示：只表示物質流向的箭頭是②和⑤；可表示能量流向的箭頭有①、③和④。
1.對生態系統中物質循環的理解
（1）范圍：生物圈，地球上的每個生態系統都是地球上物質循環的一部分，而只有生物圈才能完成真正的物質循環。
（2）“物質”的含義：指構成生物體的基本元素（主要是指C、H、O、N、P、S等），而不是化合物。
（3）循環過程：非生物環境生物群落。
（4）循環特點
①全球性：物質循環的范圍是生物圈，因此把生態系統的物質循環又叫生物地球化學循環。
②反復利用，循環流動：物質循環，既然稱為“循環”就不像能量流動那樣逐級遞減、單向流動，而是可以在非生物環境與生物群落之間反復利用、循環流動。
2.物質循環實例——碳循環
（1）碳循環的一般形式：CO2→有機物→CO2。
（2）碳循環過程圖解如下
3.物質循環實例——氮循環
（1）氮循環的一般形式：
生物（有機物）→氨→亞硝酸鹽→硝酸鹽→生物（有機物）。
（2）微生物在氮循環中的作用
①模型構建
②模型解讀：
a.生物固氮：將氮氣轉化為氨（只有微生物可以進行）。
b.氨化作用：將有機氮轉化為無機氮（主要是微生物進行）。
c.異化性硝酸鹽還原和反硝化作用：厭氧呼吸（只有微生物可以進行）。
d.硝化作用：化能自養代謝（只有微生物可以進行）。
e.銨鹽和硝酸鹽同化作用，植物和微生物都可以進行。
4.對物質循環過程相關圖解的識別
（1）物質循環過程示意圖
（2）將上圖換成字母，如下面三種變式圖，據圖判斷E、F各代表哪種成分。
①圖1——先根據雙向箭頭判斷：A和B應分別為生產者和非生物環境。再根據A→C，D→C判斷：D為消費者，C為分解者。
②圖2——根據A與C之間的雙向箭頭判斷：A是生產者，C是非生物環境。根據D的箭頭都流向E，可進一步判斷：B是初級消費者，D是次級消費者，E是分解者。
③圖3——根據A與E之間的雙向箭頭判斷：A為非生物環境，E為生產者。然后觀察剩余的幾個成分，其中其他生物部分的箭頭都指向C，所以C是分解者，剩余的F則為消費者。圖解中的食物鏈是E→F→D→B。
5.物質循環和能量流動的比較
項目 能量流動 物質循環（以碳循環為例）
形式 主要以有機物為載體 無機物、有機物
特點 單向流動，逐級遞減 全球性、循環性
范圍 生態系統的各營養級 生物圈（全球性）
聯系 同時進行，相互依存，不可分割：①能量的固定、儲存、轉移和釋放，離不開物質的合成和分解；②物質是能量沿食物鏈（網）流動的載體；③能量是物質在生態系統中循環往復的動力
圖示
考向1　物質循環特點
1.下列有關生態系統的物質循環特點的敘述中，錯誤的是（　　）
A.帶有全球性
B.物質是指組成生物體的某些元素
C.在群落和非生物環境之間循環往復
D.在群落的各個營養級之間循環往復
解析：D　生態系統物質循環的特點包括帶有全球性，A正確；物質是指組成生物體的基本元素，B正確；在生物群落與非生物環境之間以二氧化碳形式傳遞，并且循環往復，C正確；循環是在群落與非生物環境之間而不是在生態系統的各營養級之間，D錯誤。
考向易錯
　　食物鏈或食物網只是物質循環中生物群落的單向物質傳遞過程，但并不是完整的循環過程，要實現物質循環，需要通過生物成分與非生物成分關系（如光合作用、呼吸作用、固氮作用等）實現密切聯系，才能構成循環。
2.下列有關生態系統的物質循環的敘述，錯誤的是（　　）
A.“物質”是組成生物體的C、H、O、N、P、S等元素
B.“生態系統”是指生物圈
C.“循環”是指物質在生物群落與非生物環境之間反復出現、循環流動
D.由于生物營養級越高得到的能量越少，故物質在循環過程中是不斷遞減的
解析：D　生態系統物質循環所指的物質是組成生物體的C、H、O、N、P、S等一些基本化學元素，A正確；組成生物體的元素從生物群落到非生物環境的循環必須在生物圈中進行，故物質循環的“生態系統”是指生物圈，B正確；所說的循環是指物質在生物群落與非生物環境之間反復出現、循環流動，C正確；生態系統的能量流動是單向、逐級遞減的，故生物營養級越高得到的能量就越少，但物質在循環過程中是循環往復、不變的，D錯誤。
考向2　碳循環
3.如圖為碳循環示意圖，下列相關敘述錯誤的是（　　）
A.過程⑤活動加強會打破生物圈中的碳平衡
B.完成碳循環的關鍵環節是①、③和④
C.過程②越復雜，則該生態系統抵抗外力干擾的能力越強
D.大氣中CO2含量能夠保持動態平衡，沒有明顯的季節變化
解析：D　過程⑤為化石燃料的大量燃燒，使CO2被大量釋放，從而打破了生物圈中的碳平衡，A正確；完成碳循環的關鍵環節是①光合作用、③呼吸作用和④微生物的分解作用，B正確；過程②越復雜，說明生態系統的營養結構越復雜，自我調節能力越強，則該生態系統抵抗外力干擾的能力越強，C正確；冬季氣溫低，植物光合作用弱，吸收CO2減少，氣溫低，中高緯度的人們需要燃燒化石燃料取暖，使CO2排放增多，故大氣中CO2含量會隨季節變化，D錯誤。
4.如圖為生態系統中碳循環示意圖，箭頭表示循環方向。下列相關敘述正確的是（　　）
A.缺少類群乙則生態系統的物質循環不能正常進行
B.圖中b、c、d過程均可表示不同生物的呼吸量
C.圖中甲、乙、丙、丁的全部生物構成了該生態系統的生物群落
D.由于呼吸作用的消耗，乙對食物的同化量遠小于攝入量
解析：C　乙表示初級消費者，是生態系統中最活躍的成分，缺少類群乙，生態系統的物質循環能正常進行，A錯誤；據圖分析，b表示呼吸作用，c、d表示捕食關系（含碳有機物），B錯誤；生物群落由生產者、消費者和分解者共同組成，所以甲、乙、丙、丁共同組成了該生態系統的生物群落，C正確；由于攝入的生物中有部分不能被乙消化吸收，所以乙對食物的同化量遠小于攝入量，D錯誤。
考向3　水循環與氮循環
5.水循環促進了地球表面不同生態系統中營養物質的交流、補充，下列關于水循環敘述正確的是（　　）
A.降水和地表徑流是水循環的兩種方式
B.水循環由風推動，實現陸地和海洋水的循環流動
C.水循環往往會造成高海拔地區營養物質流失而土壤貧瘠
D.大氣和生物體內的水占地球總水量的30%以上
解析：C　蒸發和降水是水循環的兩種方式，A錯誤；水循環的動力來自太陽能的推動，B錯誤；由于水從高處向低處流動，高處的營養物質會隨水循環流向低處，因而造成高海拔地區營養物質流失而土壤貧瘠，C正確；水主要存在于海洋中，約占地球總數量的97%，D錯誤。
6.如圖為氮循環示意圖，下列有關敘述錯誤的是（　　）
A.①過程中通過生物固定的氮素遠多于其他途徑固定的氮素
B.進行②過程的生物的代謝類型為異養需氧型
C.進行③和④過程的生物分別主要是生產者和消費者
D.⑤過程能增加土壤的肥力，有利于農業生產
解析：B　①生物固氮過程中通過生物固定的氮素遠多于其他途徑固定的氮素，A正確；進行②硝化作用過程的生物如硝化細菌，其代謝類型為自養需氧型，B錯誤；進行③吸收硝酸鹽的生物主要是綠色植物，屬于生產者；④蛋白質在生物體體內代謝產生尿素，進行該過程的生物主要是動物，屬于消費者，C正確；⑤施肥過程能增加土壤的肥力，有利于農業生產，D正確。
1.下列關于生態系統中的物質循環的說法，錯誤的是（　　）
A.生物圈在物質上是一個自給自足的系統
B.植物可通過呼吸作用和光合作用參與生態系統的碳循環
C.從物質循環的角度看，人體內碳元素的根本來源是大氣中的CO2
D.生態系統的物質循環發生在種群和非生物環境之間
解析：D　非生物環境中物質的循環具有全球性，生物群落和非生物環境之間的物質可以反復出現、反復利用，周而復始進行循環、不會消失，所以物質循環使得生物圈在物質上是一個自給自足的系統，A正確；植物可以通過光合作用吸收二氧化碳、呼吸作用釋放二氧化碳，進而參與生態系統的碳循環，B正確；從同化作用角度考慮，人是異養型生物，其體內的碳元素直接來源于食物中的有機物，食物中的有機物歸根結底來源于植物的光合作用，而光合作用產生的有機物中碳的來源是大氣中的CO2，C正確；生態系統的物質循環發生在生物群落和非生物環境之間，D錯誤。
2.根據聯合國2016年發布的數據，到2025年，全球約有18億人口面臨缺水問題，約三分之二人可能在用水緊張的條件下生活。淡水資源如此緊缺，向海洋奪取淡水成為刻不容緩的任務。某中學研究性小組設計了一個利用太陽能淡化海水的方案（如圖）。圖示方案利用的主要地理原理是（　　）
A.大氣運動　　　　　　B.水循環
C.熱力環流　　D.溫室效應
解析：B　分析圖示，可知存在降水與蒸發，這是水循環的典型方式。
3.在氮循環過程中，對下列生物所起作用的正確表述是（　　）
A.植物能直接利用大氣中的氮
B.生物固氮能將N2轉化為NH3或硝酸鹽
C.根瘤菌能夠為植物體提供氮
D.硝化細菌促進硝酸鹽轉化為氮氣
解析：C　植物不能直接利用大氣中的氮，大氣中的氮必須通過生物固氮等形式變成氨才能被植物吸收利用，A錯誤；生物固氮是固氮生物將大氣中的氮還原成氨的過程，硝化細菌能把大氣中的氮氣轉化為硝酸鹽，B錯誤；根瘤菌能夠將生物固定形成氮的提供給與其共生的植物體，并從植物體獲得有機營養，C正確；反硝化細菌在氧氣不足的情況下，可以將硝酸鹽轉化為亞硝酸鹽并最終轉化為氮氣，D錯誤。
4.如圖是生物圈中碳循環示意圖，下列相關分析錯誤的是（　　）
A.生物圈通過碳循環實現碳元素的反復利用
B.溫室效應的形成與圖中d有關
C.植樹造林可減少D中CO2的含量
D.a為呼吸作用
解析：D　生物圈通過碳循環實現碳元素的自給自足，實現碳元素的反復利用，A正確；溫室效應的形成是由CO2含量大量增多引起，E為化石燃料，d為大量燃燒，CO2釋放到空氣中，造成溫室效應，B正確；植樹造林，通過光合作用能大量吸收CO2，從而維持CO2平衡，C正確；a為光合作用，b為呼吸作用，D錯誤。
5.根據如圖所示碳循環的部分過程進行的有關分析，下列敘述錯誤的（　　）
生物群落大氣中的CO2化學燃料
A.生產者、消費者和分解者均參與過程①和②
B.可以通過增強過程②減少大氣中CO2
C.生物群落內部碳流動的物質形式是含碳的有機物
D.人類減少對③的依賴是當前緩解溫室效應的重要措施
解析：A　生產者、消費者和分解者均參與過程①（呼吸作用），只有生產者參與過程②（光合作用和化能合成作用），A錯誤；可以通過增強過程②（光合作用和化能合成作用）減少大氣中CO2，B正確；生物群落內部碳流動的物質形式是含碳的有機物，C正確；人類減少對③（化學燃料的燃燒）的依賴是當前緩解溫室效應的重要措施，D正確。
6.下列關于氮循環的說法中，錯誤的是（　　）
A.固氮作用把大氣中的氮氣轉化為硝酸鹽和氨等物質
B.動物體內的部分蛋白質在代謝中生成尿素等含氮物
C.大氣中的氮可被藍細菌等固氮微生物轉變為硝酸鹽等物質
D.固氮作用只有生物固氮和工業固氮兩種形式
解析：D　固氮作用是分子態氮被還原成氨和其他含氮化合物的過程，A正確；動物體內的部分蛋白質可通過脫氨基形成尿素通過尿液排出，B正確；固氮藍細菌通過其細胞中固氮酶的作用，將大氣中游離態的分子氮還原成可供植物利用的氮素化合物，C正確；自然界氮的固定有三種方式：高能固氮、生物固氮、工業固氮，D錯誤。
7.如圖是水循環示意圖，能完整組成海陸間水循環至少需要的環節是（　　）
A.①③④⑤　　B.①②③④⑤
C.②③　　D.①②④⑤
解析：A　水循環主要包括蒸發、降水兩種方式，由①水蒸氣輸運和⑤地表徑流構成循環，故A項符合題意。
8.野生草本植物多具有根系發達、生長較快、抗逆性強的特點，除用于生態治理外，其中一些可替代木材栽培食用菌，收獲后剩余的菌渣可作肥料或飼料。相關敘述錯誤的是（　　）
A.種植此類草本植物可以減少水土流失
B.菌渣作為農作物的肥料可實現能量的循環利用
C.用作培養基草本植物給食用菌提供碳源和氮源
D.菌渣作飼料實現了物質在植物、真菌和動物間的轉移
解析：B　此類草本植物根系發達可以固定更多的土壤，故種植此類草本植物可以減少水土流失，A正確；能量可多級利用，但不能循環利用，B錯誤；草本植物含有蛋白質和纖維素，可給食用菌提供碳源和氮源，C正確；草本植物可栽培食用菌，而菌渣可作肥料或飼料，故實現了物質在植物、真菌和動物間的轉移，D正確。
9.生態系統的碳循環過程如圖所示，請分析回答下列問題：
（1）碳在　　　　和　　　　之間的循環，稱作碳循環。
（2）大氣中的二氧化碳通過植物的　　　　作用進入生物群落，并以　　　　的形式在不同營養級間傳遞.
（3）生物體中的碳幾乎都要通過生物的　　　　作用以　　　　的形式返回非生物環境中。
（4）近年來由于人類大量開采利用圖中的[A]　　　　　　　　　　使得大氣中的CO2含量逐漸增加，形成了　　　　，已成為全球環境問題之一。
解析：（1）碳在生物群落和非生物環境之間的循環，稱作碳循環。（2）大氣中的二氧化碳通過植物的光合作用進入生物群落，并以有機物的形式在不同營養級間傳遞。（3）生物體中的碳幾乎都要通過生物的呼吸作用以二氧化碳的形式返回非生物環境中。（4）近年來由于人類大量開采利用煤、石油等化石燃料，使得大氣中的CO2含量逐漸增加，形成的溫室效應，已成為全球環境問題之一。
答案：（1）生物群落　非生物環境　（2）光合　有機物　（3）呼吸　二氧化碳　（4）煤、石油等化石燃料　溫室效應

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