資源簡介

第3節 生態系統的物質循環
【學習目標】
1.通過探究學習認識碳循環過程和生物富集現象，明確研究碳循環過程和生物富集現象的意義。(科學思維)
2.通過探究學習了解土壤微生物的分解作用，理解土壤微生物與物質循環之間的關系，逐步完善生態平衡觀。(生命觀念)
3.通過探究學習掌握碳循環、生物富集和土壤微生物的分解作用，掌握模型分析、實驗探究等科學方法。(科學探究)
【自主預習】
一、生態系統的物質循環
1.概念:組成生物體的碳、氫、氧、氮、磷、硫等　元素　，都在不斷進行著從非生物環境到　生物群落　，又從生物群落到　非生物環境　的循環過程。
2.特點
(1)這里所說的生態系統是指　生物圈　，物質循環具有　全球　性，又叫生物地球化學循環。
(2)物質在生態系統中　循環往復　運動。
二、碳循環
1.主要形式:碳在生物群落與非生物環境之間的循環主要以　二氧化碳　的形式進行。
2.特點:具有全球性。
3.過程
(1)碳進入生物群落的途徑:生產者的　光合　作用或　化能合成　作用。
(2)碳返回非生物環境的途徑
①生產者、消費者的　呼吸　作用。
②分解者的　分解　作用(實質是呼吸作用)。
③化石燃料等的　燃燒　。
三、生物富集
1.概念:生物體從周圍環境吸收、積蓄某種　元素　或　難以降解　的化合物，使其在機體內濃度　超過　環境濃度的現象。
2.特點:沿著　食物鏈　逐漸在生物體內聚集，最終積累在食物鏈的　頂端　；具有　全球性　。
四、能量流動和物質循環的關系
同時進行，彼此相互依存，不可分割。物質作為能量的　載體　，使能量沿著　食物鏈(網)　流動；能量作為　動力　，使物質能夠不斷地在　生物群落和非生物環境　之間循環往返。
【合作探究】
情境導入　
材料:鯨起萬物滅，鯨落萬物生，一條鯨魚在海洋中死亡，龐大的身軀經過一系列的演變，最后形成了獨特的海洋生態系統。鯨落從盲鰻、睡鯊等食腐動物的吞食開始，到多毛類和甲殼類動物的入駐，接著鯨骨的脂類在厭氧細菌的分解中釋放硫化物，一些硫細菌可通過氧化這些硫化物來制造有機物，為深海貽貝、蛤和海蝸牛一類生物提供營養。最終，鯨的遺骸作為礁巖，成為一大批海洋生物的宜居場所。鯨落是一種生命的奇跡，是地球上最壯美的重生。
問題探討:
1.鯨魚細胞中的核心元素是什么？它主要來自哪里？鯨魚死亡后該元素又去了哪里？
提示　碳元素。來自攝取的有機物。該元素回到非生物環境。
2.鯨落后尸體有什么作用？
提示　尸體落入海底的過程長達數月至數年，會為多種生物，包括深海魚類、甲殼類、多毛類，還有各種細小的生物提供食物。鯨的遺骸作為礁巖，成為一大批海洋生物的宜居場所。
任務1　認識碳循環和生物富集
活動1　認識碳循環和生物富集
1.生態系統的碳循環如下圖所示，思考并回答下列問題:
(1)碳從非生物環境進入生物群落的生理過程是什么？
(2)碳在生物群落內部以什么形式傳遞？
(3)碳從生物群落進入非生物環境的生理過程有哪些？
(4)生態系統中產生CO2的非生物途徑有哪些？
(5)化石燃料的過量開采和使用對環境可能會有什么影響？
(6)氫、氧、氮、硫、磷等元素的循環有什么共同特點？
(7)請結合圖示分析能量流動和物質循環的區別與聯系，將下表補充完整。
項目 能量流動 物質循環
圖示
形式 以有機物為載體 因元素不同而異
特點 　　　　　 　　　　　　　　
范圍 　　　　　 　　　　　　　　
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　　　　　　　　 ②物質是能量沿　　　　　　　　　流動的載體 ③能量是物質在生態系統中循環往返的　　　 ④連接生物群落和非生物環境的兩大成分是　　　　　　　　
提示　(1)生產者的光合作用或化能合成作用。
(2)碳在生物群落內部主要以含碳有機物的形式進行單向傳遞。
(3)生產者、消費者的呼吸作用和分解者的分解作用(呼吸作用)。
(4)化石燃料的燃燒和水圈釋放CO2。
(5)在使用過程中，化石燃料中的碳迅速轉變為CO2進入大氣，使大氣中的CO2濃度增大，加劇溫室效應。
(6)這些元素不斷地從非生物環境進入生物群落中，又從生物群落回到非生物環境中。
(7)單向流動、逐級遞減　循環往復運動、具有全球性　生態系統各營養級　生物圈(全球性)　物質的合成和分解　食物鏈(網)　動力　生產者和分解者
2.下圖表示鉛在食物鏈中的富集情況。回答下列問題:
(1)什么是生物富集現象？
(2)生物富集現象具有哪些特點？
提示　(1)生物體從周圍環境吸收、積蓄某種元素或難以降解的化合物，使其在機體內濃度超過環境濃度的現象。
(2)同一個生態系統中營養級越高的生物體內聚集的有害物質濃度越高；具有全球性。
認知生成
1.物質循環中所說的生態系統并不是一般的生態系統，而是指地球上最大的生態系統——生物圈，因此物質循環具有全球性。
2.生態系統物質循環中的物質是指組成生物體的化學元素，而非化合物，在物質循環過程中伴隨著復雜的物質和能量的轉化。
3.碳在非生物環境中主要以碳酸鹽和CO2的形式存在，碳在非生物環境與生物群落之間主要以CO2的形式傳遞，在生物群落內部主要以含碳有機物的形式傳遞。
4.大氣中CO2的主要來源包括:動植物的細胞呼吸、分解者的分解作用、化石燃料的燃燒等。碳在非生物環境與生物群落之間傳遞時，只有生產者與非生物環境之間的傳遞是雙向的，其他成分之間的傳遞都是單向的。
5.溫室效應
(1)成因:①化石燃料的大量使用，使得沉積在地層中的碳在短時期內大量釋放，超過植物的吸收量；②森林、草原等植被大面積被破壞，大大降低了對大氣中CO2的固定能力。
(2)影響:使地球氣候異常，災難性氣候增加，溫度上升，加快極地冰川融化，導致海平面上升，對陸地生態系統和人類的生存構成威脅。
(3)解決辦法:①植樹造林，增加綠地面積；②減少化石燃料的燃燒；③開發清潔能源，如利用太陽能、風能、水能等。
例1　右圖為碳循環的模式圖，圖中甲、乙、丙表示生態系統的生物成分，箭頭表示生理過程。下列相關敘述不正確的是(　　)。
A.d過程代表光合作用，b過程代表呼吸作用
B.甲所示的營養級在食物鏈中占有的碳元素最多
C.碳元素在甲、乙、丙之間以有機物的形式傳遞
D.碳元素可在非生物環境和生物群落之間反復利用
【答案】A
【解析】丁為大氣中的CO2庫，甲為生產者，乙為消費者，丙為分解者。d過程代表呼吸作用，b過程可代表光合作用，A不正確；甲(生產者)在食物鏈中所含的有機物最多，即在食物鏈中占有的碳元素最多，B正確；碳元素在生物群落內部主要以含碳有機物的形式進行傳遞，在非生物環境與生物群落間主要以CO2的形式進行傳遞，C正確；碳元素可以在生物群落和非生物環境之間循環往返，D正確。
對點練1　(不定選)下圖為某生態系統碳循環過程示意圖，其中字母代表生物類型，序號代表過程。據圖判斷，下列相關敘述正確的是(　　)。
　A.圖中A屬于生產者，D和C屬于消費者，B屬于分解者
B.圖中序號代表呼吸作用過程的有②③⑤，①代表的主要是光合作用
C.碳循環具有全球性，碳元素在①④⑥過程中均以有機物的形式傳遞
D.該圖還缺少化石燃料的燃燒，該過程容易加劇溫室效應
【答案】ABD
【解析】圖中A與CO2之間為雙向箭頭，故A屬于生產者，D和C屬于消費者，B屬于分解者，A正確；圖中②③表示消費者的呼吸作用，⑤表示分解者的分解作用，其實質為分解者的呼吸作用，①主要代表綠色植物的光合作用，還包括化能合成作用，B正確；碳循環具有全球性，①表示碳由非生物環境進入生物群落，該過程中碳元素主要以二氧化碳的形式傳遞，④⑥表示碳在生物群落中傳遞，該過程中碳元素主要以有機物的形式傳遞，C錯誤；該圖還缺少化石燃料的燃燒，化石燃料的燃燒過程中會產生大量的二氧化碳，因而容易加劇溫室效應，D正確。
技巧總結　　辨析碳循環過程中生態系統的各成分
據上述方法快速推斷甲、乙、丙圖中各成分:
1.圖中雙向箭頭所指向的分別代表生產者、大氣中的CO2庫，其他所有成分都指向的為大氣中的CO2庫，即C為大氣中的CO2庫，A是生產者。
2.除了C之外，有最多被指向箭頭的為分解者，即B為分解者。
3.三幅圖的模式其實一致，不同的地方在于消費者的劃分，圖甲中消費者只有D，圖乙中消費者有D、E，圖丙中消費者有D、E、F。
4.圖甲中的食物鏈為A→D，圖乙中的食物鏈為A→D→E，圖丙中的食物鏈為A→D→E→F。
素能提升
1.碳循環和溫室效應(觀察記憶能力)
氣候變化與生態系統的碳循環密切相關。下表表示A、B兩個不同時期陸地生態系統與大氣環境的碳交換情況。
時期 碳吸收量/(kg C·a-1) 碳釋放量/(kg C·a-1)
A 1.20×1014 1.20×1014
B 1.20×1014 1.26×1014
(1)生態系統碳的吸收主要是通過　　　　　　作用實現的，碳的釋放主要是通過　　　　　　作用實現的。碳在生物群落的傳遞主要是以　　　　　　的形式進行的。
(2)由碳循環可知，生態系統中，物質是可以循環的，而生態系統中能量流動的特點是　　　　　　　　　　。
(3)表中　　　　　　時期的生態系統處于穩定狀態，原因是　　　　　　　　　　　　　。
(4)過度的人工碳排放，破壞了生態系統的　　　　　　，導致大氣中　　　　　　增加并引起全球氣候變化。
(5)人們正在積極開發新能源以減少碳排放。例如，“葉綠素太陽能電池”是模仿類囊體吸收光能的特性而制造的，類囊體吸收光能的過程發生在光合作用的　　　　　　階段；經改造的藍細菌能在細胞內將光合作用產生的　　　　　　直接發酵轉化為燃料乙醇。
【答案】(1)光合　呼吸　含碳有機物　(2)單向流動，逐級遞減　(3)A　碳的吸收量等于碳的釋放量　(4)碳平衡　CO2濃度　(5)光反應　有機物
【解析】(1)生態系統主要通過生產者的光合作用吸收CO2，而碳的釋放主要是通過生物的呼吸作用實現的。(2)生態系統中能量流動的特點是單向流動，逐級遞減。(3)A時期的生態系統碳吸收量與碳釋放量相等，應該處于穩定狀態。(4)過度的人工碳排放會破壞生態系統內正常的碳循環過程，導致大氣中CO2濃度增加，從而引起全球氣候變化。(5)光能的吸收過程發生在光合作用的光反應階段。光合作用的直接產物葡萄糖可經無氧呼吸轉化為乙醇(酒精)。
2.能量流動和物質循環的關系(簡單推理能力)
為研究森林生態系統的碳循環，研究人員對西黃松老齡(未砍伐50~250年)和幼齡(砍伐后22年)生態系統的有機碳庫及年碳收支進行測定，結果見下表。據表回答:
碳量 西黃松　　　 生態系統 　 生產者 活生物量/ (g/m2) 死有 機質/ (g/m2) 土壤 有機碳/ (g/m2) 凈初級 生產力/ [g/(m2·a)] 異養呼吸/ [g/(m2·a)]
老齡 12 730 2560 5330 470 440
幼齡 1460 3240 4310 360 390
注:凈初級生產力指生產者光合作用固定總碳的速率減去自身呼吸作用消耗碳的速率。異養呼吸指消費者和分解者的呼吸作用。
(1)大氣中的碳主要在葉綠體　　　　　　中被固定，進入生物群落。每年每平方米的幼齡西黃松群落有　　　　　　克碳用于生產者的生長、發育、繁殖，儲存在生產者活生物量中；其中，部分通過生態系統中　　　　　　的呼吸作用，部分轉變為死有機質和土壤有機碳后通過　　　　　　的分解作用，返回大氣中的CO2庫。
(2)西黃松幼齡群落中每克生產者活生物量的凈初級生產力　　　　(填“大于”、“等于”或“小于”)老齡群落。根據年碳收支分析，幼齡西黃松群落　　　　(填“能”或“不能”)降低大氣碳總量。
【答案】(1)基質　360　消費者　分解者　(2)大于　不能
【解析】(1)大氣中的碳主要以CO2的形式在葉綠體基質中被固定，進入生物群落。用于生產者生長、發育、繁殖，儲存在生產者活生物量中的碳=生產者的同化量-生產者的呼吸消耗量，即表格中的凈初級生產力，每年每平方米的幼齡西黃松群落有360克碳用于生產者的生長、發育、繁殖，儲存在生產者活生物量中。幼齡西黃松群落一部分被消費者食用，一部分(殘枝敗葉)轉變為死有機質和土壤有機碳，二者分別通過消費者的呼吸作用和分解者的分解作用，返回大氣中的CO2庫。(2)由圖可知，幼齡西黃松群落中每克生產者活生物量的凈初級生產力為360/1460≈0.25；老齡西黃松群落中每克生產者活生物量的凈初級生產力為470/12 730≈0.04，因此，西黃松幼齡群落中每克生產者活生物量的凈初級生產力大于老齡群落。根據年碳收支分析，幼齡西黃松群落的凈初級生產力為360 g/(m2·a)，異養呼吸消耗速率為390 g/(m2·a)，凈初級生產力小于異養呼吸消耗速率，故幼齡群落不會有有機物的積累，即幼齡西黃松群落不能降低大氣碳總量。
任務2　探究土壤微生物的分解作用
活動2　探究土壤微生物的分解作用
案例 1:探究土壤微生物在落葉分解中的作用
1.實驗的自變量和因變量分別是什么？
提示　自變量是土壤微生物的有無，因變量是土壤中落葉的分解程度。
2.實驗中是如何控制自變量的？
提示　實驗組土壤經高溫處理，以排除土壤中微生物的作用，且同時要盡可能避免土壤理化性質的改變；對照組土壤不做任何處理。
案例2:探究土壤微生物對淀粉的分解作用
3.實驗的自變量和因變量分別是什么？
提示　自變量是土壤微生物的有無，因變量是淀粉的分解程度。
4.實驗中選用什么試劑檢測因變量的變化？
提示　用碘液和斐林試劑檢測。
認知生成
1.案例1中對照組的土壤不做處理(自然狀態)；實驗組的土壤要進行處理(如將土壤用塑料袋包好，放在60 ℃恒溫箱中處理1 h)，以盡可能排除土壤微生物的作用，同時盡可能避免土壤理化性質的改變。
2.本探究活動最好在實驗室中進行，以便控制變量，避免環境中不可控制因素的影響。
3.各地氣候與環境等因素不同，落葉在土壤中被分解的時間也有差異，落葉的分解一般需要適宜的溫度、濕度等條件。
例2　(2022·六安月考)為探究落葉是否在土壤微生物的作用下腐爛，探究人員對實驗進行了以下設計，其中不符合實驗目的的步驟是(　　)。
A.可選擇帶有落葉的土壤為實驗材料，篩選出落葉和土壤
B.將落葉平均分成兩份，把土壤也平均分成兩份
C.將滅菌的落葉設為對照組，不做處理的落葉設為實驗組
D.將落葉分別埋入兩組土壤中，觀察腐爛情況
【答案】C
【解析】分解落葉的微生物往往在含有落葉的土壤中分布較多，所以可選擇帶有落葉的土壤為實驗材料，篩選出落葉和土壤，A不符合題意；由實驗目的可知，實驗應分兩組，一組為實驗組，一組為對照組，所以要將落葉平均分成兩份，把土壤也平均分成兩份，B不符合題意；應將滅菌的土壤設為實驗組，不做處理的土壤設為對照組，C符合題意；將落葉分別埋入兩組土壤中，一段時間后，觀察腐爛情況，D不符合題意。
對點練2　為驗證土壤微生物能分解農藥，并盡快得出實驗結論，有人用“敵草隆”(一種除草劑)進行實驗:取等量沙土分裝于相同的兩個容器中，a組高壓滅菌，b組不滅菌。下列有關敘述正確的是(　　)。
A.向a、b組中噴入等量的“敵草隆”，再將兩容器置于同一恒溫箱中培養相同時間
B.檢測“敵草隆”的含量變化，預計a組中的“敵草隆”大量減少，b組中的“敵草隆”含量基本不變
C.只用沙土的實驗效果比用幾種典型土壤混合的好
D.再增加c組作為對照，c組不噴入“敵草隆”，其他處理與a、b組相同
【答案】A
【解析】實驗組為a組，對照組為b組，實驗遵循單一變量原則，A正確；a組中“敵草隆”含量應該不變，b組中“敵草隆”含量可能會減少，B錯誤；典型土壤中含微生物多，所以用幾種典型土壤混合的效果比只用沙土的好，C錯誤；本實驗的目的是驗證土壤中的微生物對農藥“敵草隆”具有分解作用，若不噴入“敵草隆”，則不能證明土壤中的微生物的分解作用，D錯誤。
【隨堂檢測】
課堂小結 課堂小測
1.碳可在森林群落和非生物環境之間進行循環。 (√) 2.非生物環境中的物質可以通過多種途徑被生物群落反復利用。 (√) 3.生物富集具有全球性。 (√) 4.植物可通過呼吸作用和光合作用參與生態系統的碳循環。 (√) 5.生態系統的物質循環和能量流動是獨立進行的。 (×) 6.物質是單向流動、不可循環的。 (×)
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