3.3 生态系统的物质循环（Word教参）-【状元桥·优质课堂】2024-2025学年高中生物选择性必修2 生物与环境（人教版2019）

第3节　生态系统的物质循环 [课标要求]1.举例阐述生态系统中的物质循环和生物富集现象。　2.分析物质循环和能量流动的关系。　3.尝试“探究土壤微生物的分解作用”。 知识点1　生态系统的物质循环1.碳循环 (1)碳的存在形式 ①非生物环境：以__CO2__和碳酸盐(石灰岩、珊瑚礁)等形式存在。 ②生物群落：主要以含碳有机物的形式存在。 (2)碳在非生物环境与生物群落间循环的主要形式是__CO2__，在生物群落内部传递的途径是食物链(网)。 (3)循环过程 图中[①]__光合作用__是碳从非生物环境进入生物群落的主要途径，而生物群落中的碳元素返回到非生物环境中的途径有[②]__分解者的分解作用__和动植物的__呼吸作用__以及[③]__化石燃料的燃烧__等，此外__海洋__对于调节大气中的碳含量起着非常重要的作用。 (4)化石燃料的开采和使用大大增加了CO2的排放，打破了碳平衡，引起全球性__气候变化__，可以通过__减少CO2的排放__和提倡植树种草以__增加CO2的吸收和固定__两方面措施进行缓解。 2．物质循环的概念及特点 (1)概念：组成生物体的碳、氢、氧、氮、磷、硫等__元素__，都在不断进行着从__非生物环境__到__生物群落__，又从生物群落到非生物环境的循环过程。循环的范围是__生物圈__。 (2)特点 ①__全球性__——生物地球化学循环。 ②循环性——物质在生态系统中__循环往复__运动。 知识点2　生物富集1.定义 生物体从周围环境__吸收__、__积蓄__某种元素或__难以降解__的化合物，使其在机体内浓度__超过环境浓度__的现象，称作生物富集。 2．常见的发生生物富集的元素或物质有__铅__、镉、__汞__等重金属，__DDT__、六六六等有机化合物以及一些__放射性物质__。 3．特点 (1)沿着__食物链__逐渐在生物体内__聚集__，最终积累在食物链的__顶端__。 (2)有害物质可以通过大气、水和__生物迁移__等途径扩散到世界各地，因此生物富集具有__全球性__。 知识点3　能量流动和物质循环的关系1.区别 (1)物质循环具有__全球性__和循环性的特点。 (2)能量流动是__逐级递减__的，是单方向不循环的。 2．联系 (1)二者__同时进行__，相互依存，不可分割。 (2)物质是能量流动的__载体__，能量是物质循环的__动力__。 1．基础判断(正确的打“√”，错误的打“×”) (1)碳可在森林群落和非生物环境之间进行循环。(√) (2)非生物环境中的物质可以通过多种途径被生物群落反复利用。(√) (3)生物富集就是指各种有害重金属元素沿食物链不断积累的过程。(×) (4)土壤微生物参与生态系统的物质循环。(√) (5)生态系统的物质循环和能量流动是同时进行、相互依存且不可分割的。(√) 2．教材习题改编小练(教材P67“概念检测”改编) 下列与生态系统物质循环相关的叙述，错误的是(　　) A．物质循环发生在生物群落与非生物环境之间 B．大熊猫的肠道中有多种纤维素分解菌，这些分解菌可分解大熊猫未消化的纤维素 C．纤维素分解菌促进了生态系统中的物质循环 D．生物圈在物质和能量上都不能实现自给自足 答案　D 解析　生物圈在物质上可实现自给自足，D项错误。 (教材P67“练习与应用”)下表为生活在某库区水域中层的几种鱼体内重金属的含量(单位：ng·g－1)。请据表推测，这几种鱼中，草食性的鱼是________，杂食性的鱼是________，肉食性的鱼是________，为什么？_____________________ _____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________。 鱼的种类 A B C D E Hg 17.8 61.9 70.4 117.0 112.0 Pb 27.3 34.9 52.5 84.3 75.8 Cd 8.8 14.1 10.3 21.9 41.6 解析 A鱼体内三种重金属的含量都是最低的，因此A为草食性鱼，B和C鱼体内，三种重金属的含量都高于A，但低于D和E，因此B和C可能是杂食性鱼；D和E鱼体内，三种重金属的含量都大大高于A、B和C，因此D和E可能是肉食性鱼。 答案 A　B和C　D和E　这三种重金属(Hg、Pb、Cd)会富集在鱼体内，并沿食物链逐渐在鱼体内聚集，营养级越高，它们的相对含量越高 探究点1　生态系统的物质循环及其特点 1．如图是自然界碳循环的简图，据图分析，回答下列有关问题： (1)图中的甲、乙、丙分别是什么？①②③分别表示什么过程？ 分解者、消费者、生产者。①②③分别表示通过分解者的分解作用及生产者、消费者的呼吸作用将生物群落内的有机物分解为CO2，返回大气中。 (2)大气中CO2进入生物群落的主要途径是__④__(用图中序号表示)。 (3)碳循环都是双向的吗？请说明理由。 不都是。CO2在生物群落和非生物环境之间是双向循环的；而在生物群落内部，沿食物链(网)传递时，碳循环不是双向的，只能由低营养级向高营养级单向传递。 (4)如果人们不按生态平衡规律办事，乱砍滥伐森林，对生态系统的碳循环有何影响？ 会打破生态系统碳循环平衡，使大气中的CO2进入生物群落过程受阻，大气中的CO2含量明显增多。 (5)与碳元素一样，氮元素在生物群落和非生物环境之间也是不断循环的。为什么还要往农田中不断地施加氮肥呢？ 农田是人工生态系统，是以提高农作物的产量和效益，使能量更多地流向人类，满足人类的需求为目的的。农田土壤中氮的含量往往不足以使作物高产，加之农产品源源不断地自农田生态系统输出，其中的氮元素并不能都归还给土壤，所以需要施加氮肥。这与物质循环并不矛盾。 2．餐厨垃圾逐年增多，既带来了严重的环境污染，又导致大量生物能源的浪费。传统的处理方法以填埋、饲料化和好氧堆肥为主，为更好地处理餐厨垃圾，某兴趣小组进行了相关探究，思考并回答下列问题： (1)餐厨垃圾中物质转化主要依赖生态系统的哪类成分完成？这类成分可促进生态系统的哪类功能并维持生态系统稳定性？ 分解者。可促进生态系统的物质循环并维持生态系统稳定性。 (2)好氧堆肥是我国处理厨余垃圾的常用技术之一，其过程大致如图所示： →→→→→ ①在一次发酵后温度会显著升高，需要降温后才能进行二次发酵，出现这种情况的原因是什么？ 分解者的代谢活动产热，温度过高会抑制分解者活动。 ②影响好氧堆肥效果的主要因素除了垃圾的性质和分解者的种类以外，还有哪些？ 温度、水分、含氧量、二氧化碳的浓度等。 碳循环分析 1．碳存在形式 2．碳循环形式 项目 进入生物群落 生物群落内部 返回非生物环境 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 a.生产者和消费者的呼吸作用； b．分解者的分解作用； c．化石燃料的燃烧 方向 在群落内部单向，群落与非生物环境之间双向 3.碳循环示意图中各组成成分的判断 (1)分析图甲：先根据A、B之间为双向箭头且指向B的箭头最多可判断B为大气中的二氧化碳库，A为生产者；再根据A、C的箭头都指向D判断D为分解者；最后可知C为消费者。 (2)图乙分析：根据A、C之间为双向箭头且指向C的箭头最多可判断A是生产者，C是大气中的二氧化碳库；根据A、B、D的箭头都指向E可判断E是分解者；最后可知B是初级消费者，D是次级消费者。 【例1】 某同学画出如下三幅生态系统部分碳循环示意图，下列分析错误的是(　　) A．图1中，C能加快生态系统的物质循环 B．若使图1、图2、图3表示完整的碳循环，需补充化石燃料燃烧产生CO2 C．图2中，A、B、D、E构成群落，碳在其中流动的形式是有机物 D．三幅图中生产者都是A 答案　D 解析　图1中的C为消费者，消费者的存在，可以加快生态系统的物质循环，A项正确；若使图1、图2、图3表示完整的碳循环，则大气中的CO2除了来自生物的呼吸作用，还来自化石燃料的燃烧，B项正确；图2中A为生产者，E为分解者，B、D均为消费者，则A、B、D、E构成群落，碳在生物群落中流动的形式是有机物，C项正确；图1中A为生产者，图2中A为生产者，图3中E为生产者，D项错误。 “三看”法判断碳循环示意图 【例2】 (2024·安徽)磷循环是生物圈物质循环的重要组成部分。磷经岩石风化、溶解、生物吸收利用、微生物分解，进入环境后少量返回生物群落，大部分沉积并进一步形成岩石。岩石风化后磷再次参与循环。下列叙述错误的是(　　) A．在生物地球化学循环中，磷元素年周转量比碳元素少 B．人类施用磷肥等农业生产活动不会改变磷循环速率 C．磷参与生态系统中能量的输入、传递、转化和散失过程 D．磷主要以磷酸盐的形式在生物群落与无机环境之间循环 答案　B 解析　细胞中碳元素的含量高于磷元素，故在生物地球化学循环中，磷元素年周转量比碳元素少，A项正确；人类施用磷肥等农业生产活动，使部分磷留在无机环境里，改变磷循环速率，B项错误；植物吸收利用的磷可用于合成磷脂、ATP、DNA、RNA等物质，故磷参与生态系统中能量的输入、传递、转化和散失过程，C项正确；磷主要以磷酸盐的形式在生物群落与无机环境之间循环，D项正确。 探究点2　生物富集及能量流动和物质循环的关系 1．含铅汽油的燃烧、对铅的开采及提取等人类活动都可以增加大气和土壤中的铅含量。植物能吸收含铅物质，动物通过取食植物而在体内积累铅。铅在人体内达到一定浓度后可导致智力障碍、神经麻痹甚至死亡。思考并回答下列问题： (1)营养级越高的生物，其体内铅含量越__多__。因为__生态系统中的物质和能量是沿着食物链和食物网流动的，环境中有些元素(如铅)或化合物具有化学性质稳定、不易分解的特点，会在生物体内积累而不易排出__。 由此可见，人类多吃__素食__(填“素食”或“肉食”)更有助于降低铅中毒的概率。 (2)铅可以在生物群落和非生物环境之间循环吗？为什么？ 铅作为一种元素，可以在生物群落和非生物环境之间循环。 (3)我们应如何减少大气中铅的来源？又如何对铅进行集中处理？ 加大清洁能源利用，可减少含铅汽油的使用，进而减少大气中铅的来源。可采用生物吸收等方法对铅进行集中处理。 2．如图是某生态系统的结构模式图，该图中只表示物质流向的箭头是哪些？可表示能量流动的箭头有哪些？(用图中的数字标号表示) 提示　②⑤　①③④ 1．重金属盐和DDT等农药的生物富集作用 生物富集作用与能量流动正好相反，能量在沿食物链流动时逐级递减，而农药或重金属盐则存在“生物富集作用”，即营养级越高，该物质浓度越高，如图所示。 2．能量流动和物质循环的关系 项目 能量流动 物质循环 形式 主要以有机物为载体 无机物、有机物 特点 单向流动、逐级递减 循环往复运动 范围 生态系统各营养级 生物圈(全球性) 联系 同时进行，相互依存，不可分割。能量的固定、储存、转移和释放，离不开物质的合成和分解；物质是能量沿食物链(网)流动的载体；能量是物质在生态系统中循环往复的动力 图示 【例3】 (2023·辽宁)磷(P)是导致水体富营养化的重要营养元素之一、湖水中P会随生物遗体残骸、排泄物等沉入底泥。当遇到风浪扰动时，浅水型湖泊底泥中的P会进入上层水体而被生物重新利用；深水型湖泊因水体过深，底泥中的P无法被风浪扰动进入上层水体。若仅考虑P循环，下列叙述正确的是(　　) A．水中P沿食物链在生物体内聚集，最终积累在食物链顶端 B．定期清除底泥对减缓两种类型湖泊富营养化具有同等效果 C．减少外源P的输入是控制深水型湖泊富营养化的关键措施 D．相同条件下，浅水型湖泊比深水型湖泊更易发生富营养化 答案　D 解析　水中P可被生产者吸收利用，生物体内的含磷化合物会被分解，不会积累在食物链顶端，A项错误；结合题干“当遇到风浪扰动时，浅水型湖泊底泥中的P会进入上层水体而被生物重新利用；深水型湖泊因水体过深，底泥中的P无法被风浪扰动进入上层水体”可知，定期清除底泥对减缓浅水型湖泊富营养化具有较好的效果，对深水型湖泊富营养化效果不大，B项错误；深水型湖泊因水体过深，底泥中的P无法被风浪扰动进入上层水体，减少外源P的输入是控制浅水型湖泊富营养化的关键措施，C项错误；磷(P)是导致水体富营养化的重要营养元素之一、湖水中P会随生物遗体残骸、排泄物等沉入底泥，而当遇到风浪扰动时，浅水型湖泊底泥中的P会进入上层水体而被生物重新利用，深水型湖泊因水体过深，底泥中的P无法被风浪扰动进入上层水体，故相同条件下，浅水型湖泊比深水型湖泊更易发生富营养化，D项正确。 关于生物富集的3个易错点 (1)生物富集的对象一般是有害重金属元素和某些人工合成的难以降解的化合物。 (2)生物富集现象并不意味着这些元素和化合物不能循环，只是原有的平衡被打破。 (3)生物富集的结果是这些有害元素或化合物在生物机体内的浓度超过环境浓度。 【例4】 环境中的汞、铅等重金属随食物、饮水进入生物体内以后储存在脂肪、神经组织中而不易排出体外。某生态系统有甲、乙、丙、丁四个营养级，在某一时间测得某种重金属的相对浓度如图所示。下列叙述中正确的是(　　) A．甲在该生态系统中处于第二营养级 B．该重金属在极地生态系统的生物体内可检测到 C．该重金属可以通过食物链回归非生物环境 D．丁可能是该生态系统的分解者 答案　B 解析　由图分析可知，乙属于第二营养级，甲属于第三营养级，A项错误；重金属会沿食物链和食物网在生物体内富集，营养级越高的生物体内重金属浓度的相对值越高，但不会通过食物链回到非生物环境，C项错误；甲、乙、丙、丁为四个营养级，而分解者不参与食物链的构成，所以丁不可能是该生态系统的分解者，D项错误。 探究点3　探究土壤微生物的分解作用 1．探究原理 (1)土壤中生活着肉眼看不见的细菌、丝状真菌和呈放射状的放线菌等，它们在生态系统中主要充当分解者。在不同的气候与环境条件下，落叶在土壤中被分解的时间也不同。 (2)淀粉还原糖砖红色沉淀。 2．案例设计 提出问题：落叶是在土壤微生物的作用下腐烂的吗？分解过程中物质发生怎样的变化(以淀粉为例)？ 项目 案例1 案例2 实验假设 土壤微生物能分解落叶使之腐烂 土壤微生物能分解淀粉 实验设计 实验组 将土壤用塑料袋包好，放在60 ℃恒温箱中处理1 h A烧杯中加入30 mL土壤浸出液＋淀粉糊 对照组 对土壤不做处理(自然状态) B烧杯中加入30 mL蒸馏水＋与A烧杯中等量的淀粉糊 自变量 土壤中是否含有微生物 浸出液中是否含有土壤中的微生物 实验 现象 相同的时间内，实验组落叶腐烂程度小于对照组 A A1 加碘液不变蓝 A2 加斐林试剂，水浴加热产生砖红色沉淀 A B1 加碘液变蓝 B2 加斐林试剂，水浴加热不产生砖红色沉淀 结论 分析 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 【例5】 关于“探究土壤微生物对淀粉的分解作用”的课题，下列设计不合理的是(　　) A．用等量土壤浸出液和蒸馏水处理等量淀粉糊 B．实验应分别对土壤浸出液和蒸馏水进行高温消毒后再处理淀粉糊 C．应在20 ℃左右下处理7天后，再进行相关检测 D．用碘液检测淀粉的剩余量，用斐林试剂检测还原糖的生成量 答案　B 解析　根据题干可知，该实验的自变量是土壤微生物的有无，因此对照组用蒸馏水处理淀粉糊，而实验组用土壤浸出液处理淀粉糊，A项正确；对土壤浸出液和蒸馏水进行高温消毒后，土壤浸出液中的微生物被杀死，无法达到实验目的，B项错误；土壤微生物分解淀粉需要时间，实验中应将实验组和对照组在20 ℃左右下处理7天后，再进行相关检测，C项正确；土壤微生物可将淀粉分解成还原糖，实验可用碘液检测淀粉的剩余量，用斐林试剂检测还原糖的生成量，D项正确。 【例6】 下列关于探究土壤中微生物的分解作用的实验的说法，错误的是(　　) A．实验设计要遵循单一变量原则和对照原则 B．可以用斐林试剂来检测微生物是否分解了淀粉 C．实验中的对照组要进行灭菌处理 D．对土壤进行高温处理的目的是杀死土壤中的微生物 答案　C 解析　实验设计要遵循单一变量原则和对照原则，A项正确；可用斐林试剂来检测微生物是否分解了淀粉，B项正确；实验中的实验组要进行灭菌处理，去除土壤中的微生物，C项错误；对土壤进行高温处理的目的是杀死土壤中的微生物，D项正确。 核心知识小结 [要点回眸] [答题必备] 1.生态系统的物质循环是指组成生物体的C、H、O、N、P、S等元素，不断地进行着从非生物环境到生物群落，又从生物群落到非生物环境的循环过程。 2．物质循环具有全球性和循环性的特点。 3．生态系统中的消费者能够加快物质循环过程。 4．有害物质可以通过大气、水和生物迁移等途径扩散到世界各地，故生物富集也具有全球性的特点。 5．物质作为能量的载体使能量沿食物链(网)流动；能量作为动力，使物质不断地在生物群落和非生物环境之间循环往返。 1．下列关于物质循环的叙述，错误的是(　　) A．CO2和有机物在生物群落与非生物环境之间的循环叫作碳循环 B．生产者与分解者的部分生理活动是完成物质循环的重要环节 C．能量为物质在生物群落和非生物环境间的循环提供动力 D．湖泊生态系统的物质循环不能在生态系统内独立进行 答案　A 解析　在生物群落与非生物环境之间，碳元素以CO2的形式循环，A项错误；生产者的光合作用、分解者的分解作用等是完成物质循环的重要环节，B项正确；能量作为动力，使物质能够不断地在生物群落和非生物环境间循环往复，C项正确；物质循环的范围是整个生物圈，D项正确。 2．下列关于物质循环和能量流动的说法，错误的是(　　) A．物质是能量流动的载体，能量是物质循环的动力 B．非生物环境中的物质可通过多种途径被生物群落反复利用 C．通过绿色植物的光合作用，可完成生态系统的碳循环 D．食物链和食物网是能量流动和物质循环的渠道 答案　C 解析　绿色植物的光合作用能将二氧化碳中的碳转化为有机物中的碳，这只是碳循环的一步，并没有完成整个生态系统的碳循环，C项错误。 3．如图是一个生态系统中不同营养级同化的能量相对值示意图，其中C是第一营养级(生产者)。若该生态系统受到含汞的废电池浸出液污染，生物体内含汞最多的营养级是(　　) 答案　A 解析　图中丙表示的营养级同化的能量最多，营养级级别最低，A表示的营养级同化的能量最少，营养级级别最高，所以图示食物链是C→D→B→A，有害物质沿着食物链流动并逐渐积累，因此生物体内含汞最多的营养级是A。 4．使用催腐剂(含腐生细菌、真菌)有助于解决由焚烧秸秆、稻草等带来的环境污染等问题。为探究催腐剂对植物落叶的分解作用，某研究小组将带有落叶的表层土壤均分为甲、乙、丙三组，其中甲组不作处理，浇上等量的蒸馏水。三组一起放在无菌且其他条件适宜的环境中，每隔一段时间测定未腐烂的落叶量，结果如图所示。下列相关分析合理的是(　　) A．乙组可能是对带有落叶的表层土壤进行了灭菌处理 B．甲组中参与落叶中有机物分解的生物都是细菌或真菌 C．丙组可能是一段时间后在灭菌的带有落叶的表层土壤中加入了催腐剂 D．催腐剂降解落叶产生的能量和CO2可被植物重新吸收利用 答案　A 解析　分析题图可知，乙组落叶未被分解，应该是缺乏分解者，可推测乙组对带有落叶的表层土壤进行了灭菌处理，A项正确；土壤中参与落叶中有机物分解的生物除了细菌、真菌外，还有土壤小动物等，B项错误；丙组的结果在开始一段时间内与甲组一致，一段时间后，丙组的落叶量明显少于甲组，可推测丙组是一段时间后在带有落叶的表层土壤中加入了催腐剂，但未灭菌，C项错误；催腐剂降解落叶产生的CO2可释放到空气中，被植物吸收，用于光合作用，但能量不能被循环利用，D项错误。 5．下图是生态系统中某元素循环状态模式图，这种元素是按箭头方向运动的。然而，图中缺少了一个重要的箭头。回答下列问题： (1)图中所缺的箭头是_______________________________________________ _________________________________。 (2)这是________元素的循环。 (3)A、B、C、D各是什么生物？A.________；B.________；C.________；D.________。 (4)由此可见，生态系统的物质循环具有如下特点：①________；②________。 (5)写出①～⑥所示过程的名称：①__________；②________；③________；④________；⑤__________；⑥________。 解析 图示是生态系统中碳元素循环的模式图。A能利用CO2，是生产者；其次判断分解者，分解者除了一个箭头指向无机环境外，其他箭头都指进来，因此B为分解者；其余均为消费者，即A、D和C均为消费者。①表示光合作用；②③表示呼吸作用；④表示捕食；⑤表示分解者的分解作用；⑥表示燃烧。 答案 (1)由A到CO2的箭头　(2)碳　(3)绿色植物　腐生细菌、真菌等　肉食动物　植食动物　(4)全球性　往复循环　(5)光合作用　呼吸作用　呼吸作用　捕食　分解者的呼吸作用　燃烧 学科网（北京）股份有限公司 $$