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2021-2022高中生物 第5章 生态系统及其稳定性 3 生态系统的物质循环学案 新人教版必修3

2021-2022高中生物 第5章 生态系统及其稳定性 3 生态系统的物质循环学案 新人教版必修3

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- 14 -

第3节　生态系统的物质循环
课时素养目标
1.以碳循环为例，构建生态系统中物质循环模型图。(生命观念、科学思维)
2.运用演绎与推理思维，分析物质循环的特点以及物质循环与能量流动的关系。(科学思维)
3.基于物质循环规律的学习，运用物质循环原理，科学指导实践，有效利用生态系统资源。(科学思维、社会责任)
必备知识·自主学习
一、物质循环概念
1.概念：组成生物体的C、H、O、N、P、S等元素，都不断进行着从无机环境到生物群落，又从生物群落到无机环境的循环过程。
2.内容：

二、碳循环
1.碳的存在形式与循环形式：
(1)在生物群落和无机环境之间：主要以CO2的形式循环。
(2)在生物群落内部：以含碳有机物形式传递。
(3)在无机环境中：主要以CO2和碳酸盐形式存在。
2.碳循环的过程图解：

图中①②③④表示的过程分别是：
①光合作用，②呼吸作用，③呼吸作用，④分解作用。
3.温室效应：
结合你对温室效应的理解，判断下列关于温室效应说法正确的是②④⑤⑥。
①太阳能源源不断地辐射到地球上，由此产生了“温室效应”
②温室效应主要与化石燃料燃烧和植被破坏有关
③温室效应的加剧是大气层中臭氧层受到破坏引起的
④发展太阳能、水能以代替煤、石油等燃料，可以防止温室效应的加剧
⑤适度的温室效应能保证地球上的气温恒定，适于动植物生存
⑥植树造林，可以减缓温室效应

　生态系统中物质是可以循环利用的，为什么农民还需要向农田中施加肥料？
提示：农田由于农产品被移出，矿质元素不再返回农田，营养物质变少。要实现作物的持续生产，必须要向农田中施加肥料，否则土壤肥力会耗尽，作物产量也会降低。
三、探究“土壤微生物的分解作用”
1.材料用具：
新鲜土壤、蒸馏水、淀粉糊、碘液、斐林试剂。
2.实验流程及结论：
项目
案例1
案例2
实验假设
微生物能分解落叶使之腐烂
微生物能分解淀粉
实
验
设
计
实验组
对土壤进行高温灭菌处理
A烧杯中加入30 mL土壤浸出液+淀粉糊
对照组
对土壤不做任何处理
B烧杯中加入30mL蒸馏水+等量淀粉糊
自变量
土壤中是否含微生物
土壤中是否含微生物
实验现象
在相同时间内对照组落叶腐烂程度快于实验组
A烧杯中加入碘液蓝色变淡，加入斐林试剂出现砖红色沉淀；而B烧杯未出现此种实验现象
实验结论
微生物对落叶有分解作用
土壤浸出液中的微生物能分解淀粉
四、物质循环和能量流动的关系
判一判：请结合物质循环和能量流动的特点和关系，判断正误(正确的打“√”，错误的打“×”)。
(1)食物链和食物网是能量流动和物质循环的渠道。(√)
(2)生态系统中先进行物质循环，后发生能量流动。 (×)
提示：物质循环伴随能量流动，没有先后之分。
(3)物质作为能量的载体，使能量在生物群落与无机环境之间循环往复。(×)
提示：能量单向流动，不能在生物群落与无机环境之间循环往复。
(4)能量作为动力，使物质在生物群落与无机环境之间循环往复。 (√)
(5)物质是能量流动的载体，能量是物质循环的动力。(√)
(6)物质循环、能量流动二者相互依存，不可分割。 (√)

　与碳循环关系最为密切的两种细胞器是什么？
提示：线粒体、叶绿体。
关键能力·合作学习
　知识点一 碳循环及其对环境的影响 
1.碳循环分析：
(1)图示：碳循环过程。

(2)表解：碳循环的形式。
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
食物链和食物网
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
　(3)碳元素的传递规律：碳元素在无机环境与生物群落之间传递时，只有生产者与无机环境之间的传递是双向的，其他成分之间的传递都是单向的(判断生态系统各成分的依据)。
2.温室效应——碳循环平衡破坏：
(1)成因：
①大量化石燃料的使用，大气中的CO2含量迅速增加，打破了生物圈中碳循环的平衡；
②森林、草原等植被大面积被破坏，大大降低了对大气中CO2的调节能力。
(2)影响：地球气候异常，灾难性气候增加，温度上升，冰川融化，导致海平面上升，对陆地生态系统和人类的生存构成威胁。
(3)措施：
①减少化石燃料的使用，开发新的能源，改进能源结构；
②植树造林，增加绿地面积。

1.拓展探究：有同学在碳循环示意图中看到双向箭头，认为碳循环都是双向的，你认为这种说法正确吗？(科学思维)
提示：碳在生态系统各成分之间的传递并不都是双向的，只有生产者和无机环境之间的传递是双向的，其他各成分的传递都是单向的。
2.拓展探究：大气中的碳元素进入生物群落，除了通过植物的光合作用实现外，还有其他方式吗？(生命观念)
提示：有，还可以通过化能合成作用实现。

　(2020·济南高二检测)如图为碳循环示意图，甲、乙、丙表示生态系统中的三种成分，下列叙述正确的是 (　　)

A.碳循环是指CO2在甲与丙之间不断循环的过程
B.乙所代表的生物在该生态系统中均处于第二营养级
C.甲、乙、丙共同组成了生态系统
D.生物X可能不具有成形的细胞核，生物Y可能含有线粒体
【解题思维】

【解析】选D。碳在生物群落与无机环境之间的循环主要是以CO2的形式进行的，A错误。乙代表消费者，其所代表的生物可以处于不同的营养级，B错误。生态系统是由生物群落和无机环境共同组成的，C错误。生物X可以代表硝化细菌等，不具有成形的细胞核，生物Y可能是真核类型的微生物，可能含有线粒体，D正确。
【审答误区】
(1)A选项的易错点在于对碳循环的概念模糊：碳循环指的是碳元素在生物群落和无机环境之间的循环过程，生物群落应该包括生产者(甲)、消费者(乙)和分解者(丙)。
(2)C选项易错点在于对生态系统的组成成分模糊：生态系统应该包括生物群落和无机环境，而甲、乙、丙只是构成生物群落。
【方法规律】“三看法”快速确认碳循环的各环节

(2020·全国Ⅲ卷)生态系统的物质循环包括碳循环和氮循环等过程。下列有关碳循环的叙述，错误的是 (　　)
A.消费者没有参与碳循环的过程
B.生产者的光合作用是碳循环的重要环节
C.土壤中微生物的呼吸作用是碳循环的重要环节
D.碳在无机环境与生物群落之间主要以CO2形式循环
【解析】选A。本题主要考查生态系统的功能——物质循环。消费者可以加快生态系统的物质循环，消费者通过呼吸作用可以将物质从生物群落释放到无机环境，A项错误；生产者的光合作用可以将无机环境中的碳固定到生物群落中，B项正确；土壤中微生物作为分解者可以通过呼吸作用将动植物遗体残骸和枯枝败叶中的有机物分解为二氧化碳释放到无机环境中，C项正确；碳在无机环境与生物群落之间可以通过光合作用和呼吸作用以CO2形式循环，D项正确。
【补偿训练】
物质循环具有全球性，近年来越来越多的被人们关注。下列关于生态系统中物质循环的叙述，错误的是 (　　)
A.低碳生活方式有助于维持生物圈中碳循环的平衡
B.物质循环是在生产者、消费者、分解者之间进行的
C.碳循环在生物群落内部是以含碳有机物的形式传递
D.生物圈不需要从外界获得物质补给，就能长期维持其正常功能
【解析】选B。由于化石燃料的大量开采使用，使碳循环不平衡，导致温室效应的发生，因此低碳生活方式有助于维持生物圈中碳循环的平衡，A正确；物质循环应是在无机环境与生物群落之间进行的，B错误；碳循环在生物群落内部是以含碳有机物的形式传递，C正确；在生态系统中物质是可以往复循环的，因此生物圈不需要从外界获得任何物质补给，就能长期维持其正常功能，D正确。
　知识点二 能量流动和物质循环的关系 
1.能量流动和物质循环的关系图解：

2.能量流动和物质循环的区别与联系：
项目
能量流动
物质循环
形式
太阳能→化学能→热能

过程
沿食物链(网)单向流动
在无机环境与生物
群落之间反复循环
范围
生态系统各营养级
全球(生物圈)
特点
单向流动、逐级递减
全球性、循环性
联系
(1)能量的固定、储存、转移和释放离不开物质的合成与分解等过程。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，使物质在生物群落和无机环境之间不断地循环往返。
(2)总体上来说，二者之间是相互依存、不可分割，并且同时进行的关系。

1.拓展探究：物质循环和能量流动的主要渠道相同吗？(生命观念)
提示：相同，均是食物链和食物网。
2.拓展探究：生产者和消费者的呼吸作用、分解者的分解作用中向无机环境释放的物质和能量可以被重新利用吗？(科学思维)
提示：物质可以被生产者重新利用从而进入生物群落，但能量不能再次被生产者利用，即物质是可以循环的，能量流动是单向的。

下列关于生态系统物质循环和能量流动的叙述中，正确的是 (　　)
A.使用粪便做肥料，粪便中的能量可以流向植物，从而实现了对能量的多级利用
B.一只狼捕食了一只兔子，则这只兔子中约有10%～20%的能量流入狼的体内
C.碳在生物群落与无机环境之间的循环主要是以CO2的形式进行的
D.食物链中，生物所处的营养级越高，其数量一定越少
【解题思维】

【解析】选C。使用粪便做肥料实现了对物质的循环利用，植物没有获得粪便中的能量，A错误。一只狼捕食了一只兔子，兔子和狼不能代表一个营养级的所有生物，所以二者的能量传递效率不满足10%～20%，B错误。碳在生物群落与无机环境之间的循环主要是以CO2的形式进行的，C正确。食物链中，生物所处的营养级越高，其数量一般越少，但也有特殊情况，如虫吃树叶，但虫的数量多于树，D错误。
【审答误区】
(1)A选项易错点在于对能量流动的过程理解错误：能量流动是单向的且能量流动只在食物链(网)中传递，不进入分解者中。
(2)D选项易错点在于能量金字塔与数量金字塔的形状混淆：数量金字塔一般为正金字塔形，但也会出现倒金字塔形，如虫吃树叶，但虫的数量多于树。
【母题追问】
(1)微生物的分解作用与细胞呼吸等同吗？请说明理由。
提示：不能完全等同。微生物分解作用包括细胞外和细胞内的有机物的分解；而细胞呼吸指的仅仅是细胞内的呼吸作用。
(2)农业生态系统中，沼渣、沼液作为肥料还田，能使能量循环利用吗？请说明理由。
提示：不能。沼液和沼渣可以为农作物提供肥料，加速了物质循环，且能量不能循环利用。

(2020·南通高二检测) 关于生态系统的物质循环和能量流动叙述不正确的是(　　)
A.生产者可通过光合作用合成有机物，使能量从无机环境流入生物群落
B.在一个食物网中碳元素主要以CO2的形式由一个营养级传给下一个营养级
C.能量在生物群落内的流动具有单向性和逐级递减的特点
D.能量流动和物质循环同时进行、相互依存、不可分割
【解析】选B。生产者可通过光合作用合成有机物，将光能转化为化学能储存在有机物中，使能量从无机环境流入生物群落，A正确。在一个食物网中碳元素主要以有机物的形式由一个营养级传给下一个营养级，B错误。能量流动具有单向性和逐级递减的特点，C正确。生态系统的功能中，物质循环和能量流动同时进行、相互依存、不可分割，D正确。
【补偿训练】
如图是生态系统中碳循环示意图，其中“→”表示碳的流动方向。下列叙述不正确的是 (　　)

A.在碳循环过程中，同时伴随着能量流动
B.由于某种原因造成图中E生物数量大量减少，推测短期内与之相邻的两个营养级生物数量发生的变化是D增多，F减少
C.该生态系统的消费者包括图中的D、E、F、B
D.A→C过程中碳主要以CO2的形式进行流动，F→B过程中碳元素主要以含碳有机物的形式进行流动
【解析】选C。物质是能量的载体，能量是物质循环的动力，物质循环总是伴随着能量流动同时进行，不可分割，A项正确。根据题图分析可以知道食物链为A→D→E→F，若E生物数量大量减少，则短期内生物数量发生的变化是D增多，F减少，B项正确。A是生产者，C是无机环境中的二氧化碳，B是分解者，D、E、F是消费者，C项错误。A→C过程指的是生产者到无机环境的过程，碳元素主要以CO2形式进行流动；F→B过程指的是消费者到分解者的过程，碳元素主要是以含碳有机物的形式进行流动，D项正确。
核心素养·情境探究
1.【生活情境】现如今绿色、低碳发展已成为一种新型理念，这种理念已逐渐成为推动养殖产业新一轮发展的驱动力。某市一农场构建了立体生态循环养殖场：稻田养泥鳅，田边种丝瓜，秸秆种蘑菇，全程使用农家肥且杜绝使用农药，既实现了绿色防控，又实现了养殖业高效、优质、生态、健康、安全的可持续发展目标。
(1)泥鳅在稻田里上下游动可以松土，往往能提高肥效，请分析原因。(答出一点即可)(科学思维)
提示：松土能提高土壤的含氧量，促进植物根部吸收矿质元素；促进微生物的分解作用，加快物质循环。
(2)从生态系统主要功能的角度分析，这种养殖模式的好处是什么？ (生命观念、科学思维)
提示：较好地实现了物质的循环利用，同时提高了能量的利用率。
2.【素材情境】为有效防治土地沙漠化、提高森林覆盖率，我国北方某地用飞机在植被稀少的荒山分批播种马尾松，之后封山育林，禁止放牧和采伐。研究者对不同年限的
森林进行了调查。
(1)对不同年限的森林进行调查后发现，封育年限长的森林，土壤肥力显著提高了，请尝试从物质循环的角度分析可能的原因有哪些。(科学思维)
提示：积累的树木凋落物被生态系统成分中的分解者利用，将有机物分解为无机物，并且封闭后物质不再从森林中流出，提高了土壤肥力。
(2)近年来，为了人类的可持续发展，国内外实行了碳汇制度，把森林的生态价值经济化，由高耗能企业向林场出资购买一定量的碳汇以抵消相应CO2排放量。请从企业和林场两方面分析此项举措如何从整体上实现了生态效益和经济效益的统一。(科学思维、社会责任)
提示：碳汇制度一方面可以提高高耗能企业的成本，督促其技术升级、减少CO2排放量，另一方面可以提高林场收入，提高植树造林积极性，有利于植树造林工作的开展，从而在整体上实现了生态效益和经济效益的统一。
课堂检测·素养达标
1.物质循环和能量流动既有区别又有联系，下列关于物质循环和能量流动叙述，错误的是_______。 
①光合作用推动碳循环过程，促进了生物群落中的能量循环
②碳在生物群落与无机环境之间的循环主要以CO2的形式进行
③能量流动和物质循环的特点相同
④能量的固定、转移和释放都离不开物质的合成和分解
⑤只有在光照条件下，生态系统的物质循环和能量流动才是同时进行的
⑥物质是能量流动的载体，能量是物质循环的动力
【解析】选①③⑤。能量不可以循环利用，①错误；碳在生物群落与无机环境之间的循环主要以CO2的形式进行，②正确；能量流动是单向流动、逐级递减的，物质循环具有循环性，③错误；物质作为能量的载体，能量的固定、转移和释放都离不开物质的合成和分解，物质的合成和分解，也必然伴随着能量的储存与释放，④正确；有无光照，生态系统的物质循环和能量流动都是同时进行的，⑤错误；物质是能量流动的载体，能量是物质循环的动力，⑥正确。
2.(2020·昆明高二检测)生态系统的物质循环，其物质是指 (　　)
A.细胞中的蛋白质和核酸
B.组成生物体的C、H、O、N、P、S等基本元素
C.组成生物体的各种元素
D.组成细胞的各种化合物
【解析】选B。生态系统的物质循环是指基本元素的循环，不是指化合物的循环，A错误，D错误。生态系统的物质循环是指组成生物体的C、H、O、N、P、S等基本元素在生物群落和无机环境间的循环，而不是生物体的各种元素，B正确，C错误。
3.(2020·大庆高二检测)在浮游植物→浮游动物→鱼这条食物链中，碳是以哪种形式流动的 (　　)
A.二氧化碳 B.有机物
C.碳酸盐 D.二氧化碳和有机物
【解析】选B。浮游植物、浮游动物和鱼都属于生物群落，而碳在生物群落内部以含碳有机物的形式流动。因此，在浮游植物→浮游动物→鱼这条食物链中，碳的流动形式是有机物。
4.生物群落中的碳返回大气的途径不包括 (　　)
A.植物的光合作用　　 B.植物的呼吸作用
C.消费者的呼吸作用　 D.微生物的分解作用
【解析】选A。碳元素通过植物的光合作用从无机环境进入生物群落，A符合题意；植物、消费者通过呼吸作用将碳元素返回大气，B、C不符合题意；微生物通过分解作用将碳元素返回大气，D不符合题意。
5.在生态系统的碳循环中，既能使CO2进入生物群落，又能使CO2释放到大气中的生物是 (　　)
A.绿色植物 B.植食动物
C.肉食动物 D.营腐生生活的真菌
【解析】选A。绿色植物通过光合作用使CO2进入生物群落，通过呼吸作用使CO2释放到大气中去，A正确；植食动物只能通过呼吸作用使CO2释放到大气中去，B错误；肉食动物只能通过呼吸作用使CO2释放到大气中去，C错误；营腐生生活的真菌是分解者，只能通过分解作用使CO2释放到大气中去，D错误。
6.(2020·天津高二检测)关于生态系统的碳循环，下列说法正确的是(　　)
A.碳循环具有全球性
B.分解者不参与碳循环
C.碳只能通过动植物的呼吸作用返还到无机环境
D.碳在循环中只有二氧化碳一种形式
【解析】选A。碳循环是从无机环境到生物群落，又从生物群落到无机环境的循环过程，具有全球性，A正确。分解者通过分解含碳有机物参与碳循环过程，含碳有机物被分解者转化为二氧化碳进入大气中，进行下一次循环，B错误。分解者可将含碳有机物分解为二氧化碳，所以碳还能通过分解者的分解作用返还到无机环境，C错误。碳被生产者固定后，可以转化为含碳有机物的形式，D错误。
7.如图是生态系统中碳循环示意图，下列叙述错误的是 (　　)

A.D代表了大气中的CO2库
B.C是生态系统的基石
C.B代表的生物都是微生物
D.物质循环是指元素在生物群落和无机环境之间循环
【解析】选C。题图中D代表了大气中的CO2库，A正确；C代表了生产者，是生态系统的基石，B正确；B是分解者，代表的生物是营腐生生活的细菌、真菌或动物，C错误；物质循环是指元素在生物群落和无机环境之间循环，D正确。
8.如图表示生态系统中碳循环示意图，请据图回答：

(1)大气中CO2进入生物群落是通过图中_______(填序号)实现的。 
(2)碳元素在生物群落和无机环境之间的循环形式主要是_______；在生物群落内部，碳元素以_______的形式进行流动。 
(3)进行①过程的生物在生态系统中的成分是_________。 
(4)人类活动对碳循环干扰最大的是________________途径，这一干扰增加了_______的含量，造成的主要环境问题是________________。 
【解析】分析图形可知，①代表分解者的分解作用，②③是呼吸作用，④是光合作用，⑤是化石燃料的燃烧。
(1)大气中CO2进入生物群落是通过图中④实现的。
(2)碳元素在生物群落和无机环境之间主要是以CO2的形式循环。在生物群落内部，是以含碳有机物的形式进行流动的。
(3)进行①过程的生物在生态系统中的成分是分解者。
(4)人类活动对碳循环干扰最大的是过程⑤化石燃料的燃烧，这一干扰使CO2在短时间内大量增多，打破了碳循环平衡，造成了温室效应。
答案：(1)④　(2)CO2　有机物　(3)分解者
(4)煤和石油等化石燃料的燃烧　CO2 　温室效应