資源簡介

第5節 生態系統的穩定性
【學習目標】
1.通過探究學習，認識生態系統的抵抗力穩定性和恢復力穩定性，明確研究生態系統的穩定性的意義，并運用相關知識分析和解決生活中的實際問題。(科學思維、社會責任)
2.通過探究學習，分析反饋調節的過程，理解生態平衡與生態系統的穩定性之間的關系，逐步完善生態平衡觀。(生命觀念)
3.通過探究學習，掌握設計制作生態缸，觀察其穩定性的實驗方法。(科學探究)
【自主預習】
一、生態平衡
1.概念:生態系統的　結構和功能　處于相對穩定的一種狀態。
2.原因:由于生態系統具有　自我調節能力　，生態系統才能夠維持相對穩定。
3.基礎:　負反饋　調節。它是指在一個系統中，系統工作的效果，反過來又作為信息調節該系統的工作，并且使系統工作的效果　減弱或受到限制　，它可使系統保持　穩定　。
二、生態系統的穩定性
1.概念:人們把生態系統　維持或恢復　自身結構與功能處于相對平衡狀態的能力，叫作生態系統的穩定性。生態系統的穩定性，強調的是生態系統維持　生態平衡　的能力。
2.類型
(1)抵抗力穩定性:生態系統抵抗外界干擾并使自身的結構與功能　保持原狀　(不受損害)的能力。
(2)恢復力穩定性:生態系統在受到外界干擾因素的　破壞　后　恢復到原狀　的能力。
三、提高生態系統的穩定性
1.控制對生態系統的　干擾強度　，在不超過生態系統自我調節能力的范圍內，合理適度地利用生態系統。
2.對人類利用強度較大的生態系統，應給予相應的　物質、能量　的投入，保證生態系統內部結構與功能的協調。
【合作探究】
情境導入　
材料一:在北極北部冰雪覆蓋的荒原地帶和北極南部的森林生物群落之間，有一大片叫作凍原的過渡地區。凍原的溫度很低，除了生活在南部邊緣地帶的幾種灌木以外，其他樹木根
本無法在那里生長。凍原生態系統的消費者主要有馴鹿、麝牛、北極兔、旅鼠、北極狐和狼等，還有一些鳥類。那里幾乎沒有爬行動物和兩棲動物，昆蟲種類也很少。
材料二:在熱帶雨林中，每公頃土地上能有幾百種樹木。
熱帶雨林全年高溫多雨，無明顯的季節區別，年平均溫度為25~30 ℃。熱帶雨林生長著眾多喬木，樹干高大挺直，一年四季都有植物開花結果，森林常綠。昆蟲、兩棲類、爬行類等變溫動物在這里廣泛發展。熱帶雨林是地球上動物種類最豐富的地區，如巴拿馬附近的一個面積不到0.5 km2的小島上，就生活著50多種哺乳動物。
問題探討:
1.生活在北極凍原和熱帶雨林生態系統中的動植物種類和數量有何差異？
提示　北極凍原生態系統中的動植物種類和數量遠遠少于熱帶雨林生態系統中的。
2.當受到外界干擾時，兩者中哪個生態系統更容易遭到破壞？
提示　北極凍原生態系統。
3.當遭到一定強度的破壞后，兩者中哪個生態系統更容易恢復？
提示　熱帶雨林生態系統。
任務1　認識生態平衡與生態系統的穩定性
活動1　分析生態平衡與生態系統的穩定性
1.亞馬孫森林已經存在至少上千萬年了，中間盡管經常遭受洪澇、火燒、蟲害，也遭受人類的砍伐與放牧等活動的干擾，但現在依然保持著生態平衡。
(1)維持生態平衡的亞馬孫森林應具有哪些特征？
(2)下圖表示亞馬孫森林中食蟲鳥種群和害蟲種群之間的調節關系。試分析亞馬孫森林維持生態平衡的主要原因。
提示　(1)結構平衡、功能平衡與收支平衡。
(2)亞馬孫森林生態系統組分多，食物網復雜，生態系統具有一定的自我調節能力，其基礎是負反饋調節。
2.生態系統自我調節能力的大小與生態系統的穩定性之間有怎樣的關系？
提示　生態系統的組分越多，食物網越復雜，其自我調節能力就越強，抵抗力穩定性就越高。
3.為什么說負反饋調節是生態系統具備自我調節能力的基礎？
提示　負反饋調節能夠抑制或減弱外界干擾對生態系統產生的影響，有利于生態系統達到并保持相對穩定。
4.某地農業部門在防治棉鈴蟲問題上，提出了兩種方案:一種是噴灑高效農藥；另一種是放養赤眼蜂(其為棉鈴蟲天敵)。哪種方案更有利于提高農田生態系統的穩定性？為什么？
提示　放養赤眼蜂。因為噴灑高效農藥，在消滅棉鈴蟲的同時，也會殺死大量的棉鈴蟲天敵，棉鈴蟲失去了天敵的控制，就容易再度大爆發；在農田中放養赤眼蜂，由于棉鈴蟲和赤眼蜂在數量上存在相互制約的關系，因此能夠將棉鈴蟲的數量長期控制在較低水平。
認知生成
1.生態平衡主要包括:
(1)結構平衡，即生態系統各組分相對穩定，動植物種類及數量不是不變的，而是在一定范圍內波動，但不會變化太大。
(2)功能平衡，即生態系統功能相對穩定，生產—消費—分解的生態過程正常進行，保證了物質總在循環，能量不斷流動，生物個體持續發展和更新。
(3)收支平衡，生物群落能量的輸入與輸出保持相對平衡，物質的輸入與輸出保持相對平衡。
2.生態平衡是一種狀態，生態系統穩定性是一種能力。
3.負反饋調節不僅存在于生物群落內部，也存在于生物群落與非生物環境之間。
4.生態系統能維持相對穩定，是因為其具有自我調節能力，但自我調節能力是有限的。
5.生態系統中的組分越多，食物網越復雜，其自我調節能力就越強，抵抗力穩定性就越高。
6.生態系統穩定性的種類及其比較
項目 抵抗力穩定性 恢復力穩定性
區別 實質 保持自身結構與功能相對穩定 恢復自身結構與功能相對穩定
核心 抵抗干擾，保持原狀 遭到破壞，恢復原狀
影響 因素 一般生態系統中物種豐富度越高，營養結構越復雜，抵抗力穩定性越高 一般生態系統中物種豐富度越低，營養結構越簡單，恢復力穩定性越高
聯系 ①兩者是同時存在于同一生態系統中的兩種截然不同的作用力，它們相互作用，共同維持生態系統的穩定 ②抵抗力穩定性和恢復力穩定性一般呈相反關系，抵抗力穩定性高的生態系統，恢復力穩定性低
注:抵抗力穩定性與恢復力穩定性并不都呈負相關。在某些特殊生態系統中，抵抗力穩定性和恢復力穩定性都很低，如北極凍原生態系統和沙漠生態系統等，由于干旱缺水、極度嚴寒等極端環境不適于生物的生存，物種組分少，結構簡單，抵抗力穩定性較低，同時破壞后恢復所需的時間非常長，恢復力穩定性也較低。
例1　下列關于生態系統穩定性的敘述，正確的是(　　)。
A.負反饋調節是生態系統具備自我調節能力的基礎
B.自我調節能力越強的生態系統，其恢復力穩定性往往就越高
C.不同生態系統的抵抗力穩定性和恢復力穩定性基本相同
D.提高生態系統穩定性，就是要禁止對生態系統的干擾和利用
【答案】A
【解析】自我調節能力越強的生態系統，其抵抗力穩定性往往就越高，恢復力穩定性往往越低，B錯誤；不同生態系統的抵抗力穩定性和恢復力穩定性不一定相同，C錯誤；提高生態系統穩定性，是要對生態系統進行合理開發和利用，D錯誤。
對點練1　(2022·安慶期中)下圖為某一生態系統的穩定性圖解，對此圖理解不正確的是(　　)。
A.一般情況下，b曲線可代表恢復力穩定性
B.一般情況下，自我調節能力與a曲線相似
C.抵抗力穩定性與營養結構復雜程度呈正相關
D.各生態系統都符合這一數學模型
【答案】D
【解析】一般情況下，生態系統中組分越多，營養結構越復雜，自我調節能力越強，抵抗力穩定性越高，恢復力穩定性越低，則a曲線表示抵抗力穩定性，b曲線表示恢復力穩定性，A、B、C正確；并不是所有生態系統都符合這一數學模型，如北極凍原生態系統，其營養結構簡單，抵抗力穩定性低，恢復力穩定性也低，D不正確。
技巧歸納
1.正反饋和負反饋的比較
項目 類型
負反饋調節 正反饋調節
作用 是生態系統具備自我調節能力的基礎，能使生態系統達到并保持平衡和穩定 使生態系統遠離穩態
項目 類型
負反饋調節 正反饋調節
結果 抑制和減弱最初所發生的變化 加速最初所發生的變化
實例
2.區分正反饋和負反饋的方法
(1)正反饋:指A的變化引起B的變化，B的變化結果反過來促進A的變化。舉例:A增加→B增加→A進一步增加。
(2)負反饋:指A的變化引起B的變化，B的變化結果反過來抑制A的變化。舉例:A增加→B增加→A減少。
3.生態系統抵抗力穩定性、恢復力穩定性和總穩定性的關系
素能提升　運用穩態與平衡觀，理解并區分抵抗力
穩定性與恢復力穩定性(復雜推理能力)
兩個不同生態系統同時受到同等強度的干擾(a)后，其結構和功能的曲線變化情況如圖，由圖不能得出的結論是(　　)。
A.同等強度的干擾下，乙生態系統的抵抗力穩定性比甲高
B.若甲生態系統的干擾強度增大，則C點右移
C.甲生態系統中的營養結構可能比乙生態系統簡單
D.圖中偏離正常范圍的程度體現了恢復力穩定性的大小
【答案】D
【解析】從圖中可以看出，甲、乙兩個生態系統受到干擾后，甲生態系統的結構和功能波動范圍大，說明甲生態系統的抵抗力穩定性低，乙生態系統的抵抗力穩定性高，A不符合題意；若對甲生態系統的干擾強度增大，則恢復原狀所需要的時間延長，C點右移，B不符合題意；一般而言，生態系統的組分越少，結構越簡單，抵抗力穩定性越低，故甲生態系統中的營養結構可能比乙生態系統簡單，C不符合題意；圖中偏離正常范圍的程度體現了抵抗力穩定性的大小，D符合題意。
任務2　設計制作生態缸，觀察其穩定性
活動2　設計制作生態缸，觀察其穩定性
1.為保證生態缸中的物質循環和能量流動，使其在一定時期內保持生態系統的穩定，從生態系統的組成成分角度考慮，生態缸中必須具備哪些成分？
提示　生產者、消費者、分解者、非生物的物質和能量。
2.生態缸的材料需要透明的原因是什么？
提示　使生產者吸收光能，進行光合作用。
3.為什么生態缸要留有約1/5的空間？
提示　儲備一定量的空氣供生態缸中各種生物進行呼吸作用。
4.衡量生態缸的指標時，可通過什么來判斷生態系統的穩定性？
提示　可通過觀察動植物的生活情況、水質變化、基質變化等來判斷生態系統的穩定性。
5.該生態缸能否構成一個完整的生態系統？若將該生態缸置于黑暗處會怎樣？
提示　該生態缸具備了生態系統的四類成分——非生物的物質和能量、生產者、消費者、分解者，故可構成一個完整的生態系統。若將生態缸置于黑暗處，則生態系統會因喪失能量的持續供應而崩潰，其內生物將很快死亡。
認知生成
1.生態缸中的生物只能存活一段時間。雖然生態缸中生態系統成分齊全，但其結構比較簡單，自我調節能力差。
2.人工生態系統的穩定性是有條件的，也可能是短暫的。不同的生態缸中生態系統維持其穩定性的時間有長有短。
3.放入生態缸中的生產者和消費者要能形成一條或幾條食物鏈。
4.生態缸中一定要有足夠多的分解者。
5.生態缸的實驗設計要求
設計要求 相關分析
生態缸必須是封閉的 防止外界環境或生物因素的干擾
生態缸中投放的幾種生物必須具有很強的生命力，成分齊全(具有生產者、消費者和分解者) 生態缸中能夠進行物質循環和能量流動，在一定時期內保持穩定
各組分及營養級之間的比例要合適 能量流動逐級遞減且各營養級之間的能量傳遞效率只有10%~20%
設計要求 相關分析
生態缸宜小不宜大，缸中的水量應占其容積的4/5，要留出一定的空間 便于操作，缸內儲備一定量的空氣供生物進行呼吸作用
生態缸的采光用散射光 防止陽光直射導致水溫過高，使水生生物死亡
選擇生命力強的生物，動物不宜太多，個體不宜太大 容易適應新生態環境，減少對O2的消耗，防止O2的產生量小于消耗量
例2　某生物興趣小組的同學用河水、池泥、水藻、植食性小魚等材料制作了2個生態瓶(如圖所示)，并用凡士林將廣口瓶密封，觀察其穩定性。請回答下列問題:
(1)每個生態瓶構成一個　　　　　　，其中各種生物存活時間更長的是　　　　瓶，原因是　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　。
(2)小魚為水藻提供　　　　　　　　　　，加速生態系統的　　　　　　　　。
(3)當甲瓶達到穩定狀態時，向瓶中再投放一定數量的植食性小魚，水藻的種群密度將　　　　，甲瓶的抵抗力穩定性將　　　　。
【答案】(1)生態系統　甲　甲瓶有光照，植物能進行光合作用　(2)CO2等無機物　物質循環　(3)下降　降低
【解析】(1)每個生態瓶中都含有河水、池泥、水藻、植食性小魚，其中河水、池泥為非生物的物質，水藻屬于生產者，小魚屬于消費者，而池泥中的微生物屬于分解者，因此每個生態瓶構成一個生態系統。甲瓶中各種生物存活時間更長，原因是甲瓶有光照，植物能進行光合作用。(2)小魚進行呼吸作用等，為水藻提供CO2等無機物，加速生態系統的物質循環。(3)當甲瓶達到穩定狀態時，向瓶中投放一定數量的植食性小魚，小魚以水藻為食，水藻的種群密度將下降，該生態系統的抵抗力穩定性將降低。
對點練2　(不定選)現有甲、乙、丙、丁4個密閉、透明的生態瓶，各瓶內的組成和條件見下表。經過一段時間的培養和觀測后，發現甲瓶是最穩定的生態系統。下列有關敘述正確的是(　　)。
生態系統組成 光 水草 藻類 浮游動物 小魚 泥沙
生態瓶 編號 甲 + + + + - +
乙 - + + + - +
丙 + + + + - -
丁 + + + + + +
注:“+”表示有，“-”表示無。
A.乙瓶中藻類的種群密度逐漸下降
B.由于丙瓶中沒有小魚，所以其比甲瓶積累的有機物多
C.與甲瓶相比，丁瓶氧氣含量少
D.本實驗說明非生物的物質和能量、生產者、消費者、分解者是構成生態系統必不可少的四種成分
【答案】AC
【解析】乙瓶無光照，藻類因無法進行光合作用而死亡，種群密度下降，A正確；與甲瓶相比，丙瓶缺少泥沙，分解者少，無法將瓶中的動植物遺體、動物排遺物等分解為無機物，所以其比甲瓶積累的有機物多，B錯誤；與甲瓶相比，丁瓶多小魚，小魚進行呼吸作用消耗水中大量氧氣，因此丁瓶的氧氣含量比甲瓶的少，C正確；本實驗對生產者、消費者未設置實驗組，不能說明生態系統的各種成分是否為必不可少的，D錯誤。
技巧歸納
生態缸不能較長時間保持穩定的可能原因還有:
①未洗凈生態缸，造成誤差。
②注入的水過多，在某些情況下，缸內壓力等與自然狀態下有差別，影響生物的生存。
③投入的生物過多，導致一些個體死亡，影響水質和生物生存。
④選用的玻璃缸透明度差，影響光線射入。
⑤放在直射的陽光下，缸內溫度過高，使藻類植物死亡。
⑥生態缸密封性欠佳，難以形成獨立的生態系統。
【隨堂檢測】
課堂小結 課堂小測
1.一般地說，生態系統的成分越單一，營養結構越簡單，自我調節能力就越弱，抵抗力穩定性就越低。 (√) 2.生態系統的自我調節能力表現在自身凈化作用、群落內部的負反饋調節和生物群落與非生物環境之間的負反饋調節等方面。 (√) 3.生態平衡并不是指生態系統一成不變，而是一種動態的平衡。 (√) 4.生態系統內部結構與功能的協調，可以提高生態系統的穩定性。 (√) 5.就生態系統結構而言，生態瓶的穩定性取決于物種數。 (×)
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