3.3 生态系统的物质循环-【优选课】2024-2025学年高二生物同步备课课件（人教版2019选择性必修2）

第3节 生态系统的物质循环 第3章 生态系统及其稳定性 三千年的等待 问题探讨 胡杨能抗干旱、御风沙、耐盐碱，可顽强地在荒漠中生存繁衍。然而，受水资源短缺的影响，一些远离水源的胡杨也难逃死亡的厄运。这些死亡的胡杨虽历经烈日和荒漠的摧残，却依然傲立于大漠，其枝干往往呈现出千姿百态的奇特造型。 1.胡杨死亡后，为什么很长时间都没有腐烂？ 荒漠中缺乏水分，分解者数量很少，因此死亡后的胡杨无法被快速分解。 2.有研究表明，长有胡杨的荒漠土壤一般比草原的贫瘠，这是为什么？ 荒漠中生产者的种类与数量很少，能制造的有机物总量就少； 消费者与分解者也少，物质循环缓慢； 土壤中可供分解者分解的动植物遗体等很少，且分解速度较慢，因此土壤中积累的营养物质很少； 而且，胡杨还会从土壤中吸收营养物质，因此，长有胡杨的荒漠土壤比草原的更为贫瘠。 情境导入 现在在教室的我们，全班人一起呼出了很多二氧化碳分子，这些分子离开你后，会开始怎样的旅行？绘制一幅 “碳宝宝”旅行路线图。 人 CO2 植物 摄食 呼吸 光合作用 非生物环境 生物 群落 再想想二氧化碳分子中的碳元素和氧元素，是怎样来到你体内的？ 两种元素在生物群落和非生物环境之间是不断循环的。 生物群落 非生物环境 C O O 不断循环 生物体中的碳：蛋白质、糖类、脂质和核酸等都是以碳链为基本骨架形成的有机物 大气： 碳主要是二氧化碳无机物 二者的碳含量都长期维持相对稳定的状态，怎样维持？ 分析碳循环的过程 资料 二氧化碳能溶于水，因此可在大气和海洋、河流之间进行交换。此外，碳还可以长期固定或保存在非生命系统中，如固定于煤、石油或木材中。人类对煤和石油等能源的利用，向大气中排放了大量的二氧化碳。 讨论： 1.碳在非生物环境和生物体内分别以什么形式存在? 2.碳是如何进出生产者、消费者、分解者的? 3.尝试构建碳循环的模型。 大气中的二氧化碳库 煤、石油 碳的存在形式： 生物群落中的有机物 煤、石油 ②在生物群落中 主要是含碳有机物的形式 ①在非生物环境中 主要是CO2的形式 还有碳酸盐、碳氢化合物等形式 大气中的二氧化碳库 分析碳循环的过程 大气中的二氧化碳库 煤 石油 光合作用 呼吸作用 溶解 光合作用 （1）光合作用和化能合成作用：将二氧化碳转化为有机物 （2）呼吸作用： 将有机物分解为二氧化碳。 生产者 分析碳循环的过程 摄食 呼吸作用 （1）摄食：将前一营养级有机物转化为自身有机物 （2）呼吸作用：将有机物分解为二氧化碳。 消费者 分解作用 （1）食腐、腐生：将现成有机物转化为自身有机物； （2）呼吸作用：将有机物分解为二氧化碳。 分解者 微生物的分解作用 分解者 大气中的二氧化碳库 煤、石油 水体中的HCO3-等 岩石中的CaCO3等 （1）CO2与HCO3-的相互转化； （2）CaCO3与HCO3-的相互转化； （3）煤、石油等化石燃料的开采与使用。 将有机物分解为二氧化碳等。 其他途径： 分析碳循环的过程 碳循环模型 遗体和排出物 摄食 燃烧 生产者 消费者 分解者 化石燃料 呼吸作用 呼吸作用 光合作用 大气中的CO2库 分解作用 非生物环境 生物 群落 水圈中的CO2库 碳在生态系统各成分之间传递并不都是双向的，只有生产者与无机环境间传递是双向的，其他各成分间传递均单向。 S z L w h 碳循环图解中各成分判定方法 突破口：(1)先看双箭头：双箭头代表生产者、大气中的CO2库。 其他所有成分都指向C的为大气中的CO2库。 (2)除了C之外，有最多被指向箭头的为分解者，即B为分解者。 生产者 大气中的CO2库 消费者 分解者 现学现用 S z L w h 1.碳的存在形式 主要以CO2的形式存在 主要以含碳有机物的形式存在 非生物环境中： 在生物体内： 2.碳的循环形式 ①在生物群落和非生物环境之间：碳主要以 形式循环。 ②在生物群落内部：碳以 形式沿食物链、食物网传递。 含碳有机物 CO2 一、碳循环 总结： 3.碳进入生物群落的途径： 生产者的光合作用和化能合成作用 4.碳返回非生物环境的途径： ①生产者、消费者的 。 ②分解者的 (实质是呼吸作用)。 ③化石燃料的 。 呼吸作用 分解作用 燃烧 S z L w h 一、碳循环 5.碳在生物群落中传递的主要途径： 食物链、食物网 6.与自然界碳循环关系最为密切的两种细胞器： 线粒体和叶绿体 7.碳循环特点： 全球性、循环往复运动 总结： 8.碳循环具全球性的原因： CO2能够随着大气环流在全球范围内进行 9.海洋对调节大气中的碳含量起着非常重要的作用 如何看待人类活动对碳循环的影响？ S z L w h 一、碳循环 积极影响 但人类又大力开展植树造林、开发新能源、发展节能产业等，有利于降低大气中的二氧化碳浓度，维持生物圈的碳平衡。 消极影响 人类活动对煤和石油等资源的利用，会向大气中排放大量的二氧化碳，打破了生物圈中碳循环的平衡，加剧温室效应，引起全球性的气候变化； S z L w h 汽车尾气 砍伐树木 燃烧煤炭 人类活动增加大气中二氧化碳含量 大气中的温室气体(CO2、CH4、N2O、 O3等)相当于保温层。大气中CO2越多，地球上的温度升高就越快，这种现象就叫做“温室效应”。 能量以光的形式到达地球， 大部分最后以红外线的形式从地球再辐射出去。 在大气层中， CO2对光辐射没有阻挡，但能吸收红外线并阻挡红外线通过，就像温室的玻璃顶罩一样，能量进入容易出去难。 S z L w h S z L w h 碳循环 1 危害 气温升高 加快极地冰川融化 海平面上升 洪灾、旱灾不断 土地荒漠化加剧 威胁人类和生物的生存。 将何去何从？我们还能 活多久？ 缓解措施： ①减少二氧化碳排放：开发新能源，减少化石燃料燃烧； ②增加CO2的吸收和固定量：大力植树种草，提高森林覆盖率； ③提高秸秆还田率，提高土壤储碳量 S z L w h 国家环保行动: 签署气候协议 垃圾分类回收 号召节约粮食 退耕还林工程 天然林保护工程 沙漠治理行动 城市绿化 无废弃物农业 实施秸秆还田 推广高产作物 发展清洁能源 加大科研投入 个人低碳生活: 关水电、节约纸 点适量、不浪费 乘公交、少开车 戒奢侈、捐旧衣 重隔热、简装修 低碳生活 S z L w h 一、碳循环 ①碳排放在由升转降过程中，排放的最高点 ②大多数发达国家已实现碳达峰 ③我国目前碳排放增速放缓，但仍呈增长态势，尚未达峰。 ①人为排放源与通过植树造林、碳捕集与封存技术等人为吸收汇达到平衡 国家主席习近平在2020年9月22日召开的联合国大会表示：“中国将提高国家自主贡献力度，采取更加有力的政策和措施，CO2排放力争于2030年前达到峰值，争取在2060年前实现碳中和。 碳汇一般是指从空气中清除二氧化碳的过程、活动、机制。 ②碳中和吸收汇只包括通过植树造林、森林管理和碳捕获与封存等人为活动增加的碳汇，而不是自然碳汇。 组成生物体的C、H、O、N、P、S等元素，都不断进行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，叫做生态系统的物质循环。这里所说的生态系统是指地球上最大的生态系统——生物圈。物质循环具有全球性，又叫生物地球化学循环。 生态系统的物质循环（matter cycle） 注意 1.“物质循环”中的物质指的是碳、氢、氧、氮、磷、硫等元素，而不是化合物或者单质； 2.“物质循环”中的循环发生在非生物环境与生物群落之间，在生物群落内部物质是沿食物链和食物网单向流动的。 大气环流 海洋洋流 特点：全球性、循环往复运动 大气中的N2 工业固氮 闪电固氮 生物固氮 尿素及动植物遗体 硝化细菌 土壤微生物 反硝化细菌 氮氧化物 氮肥 NO3— NO3— NH4+ 自然固氮（高能固氮） 工业固氮 生物固氮 氮循环 (1)植物吸收的氮以什么形式存在？ 离子。 固氮生物的固氮作用。 (3)生物群落中的氮最终通过什么途径返回大气中？ 反硝化作用。 (2)大气中的氮气通过什么途径进入生物群落？ (4)据图可知氮元素是不断循环的，但农田生态系统为什么仍需不断施加氮肥？ 农田土壤中氮元素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土壤，所以需施加氮肥。 氮循环 氮循环 磷循环 磷循环是不完全循环：磷缺乏气态形式，从海洋返回到陆地许几万年的时间 磷主要以磷酸盐形式贮存于沉积物中，以磷酸盐溶液形式被植物吸收。但土壤中的磷酸根在碱性环境中易与钙结合，酸性环境中易与铁、铝结合，都形成难以溶解的磷酸盐，植物不能利用。而且磷酸盐易被径流携带而沉积于海底。磷质离开生物圈即不易返回，除非有地质变动或生物搬运。因此磷的全球循环是不完善的。磷与氮、硫不同，在生物体内和环境中都以磷酸根的形式存在，因此其不同价态的转化都无需微生物参与，是比较简单的生物地球化学循环。 水循环 生命活动离不开水，自然界许多化学反应也都是在水溶液中进行。 此外，水携带大量各种化学物质周而复始地循环，极大影响着各类化学物质在地球上分布。 因此可说没有水循环就没有物质循环。 物质在生态系统中循环往复的运动的特点，对于改进农业生产方式有多方面启示： 一、碳循环 稻田养鸭养鱼（种养结合模式） 充分利用稻田资源，水稻秧苗生根后，在稻田里套放一定数量的幼鸭，起到生态循环利用、增加效益作用。稻田里的病虫、杂草可以作为鸭饲料，减少虫害和农药施用；鸭的排泄物直接还田，增加肥力，减轻稻田肥料施用量，降本增效。 （1）动物的取食、消化能促进物质循环； （3）动物呼出的CO2还可为水稻的光合作用补充原料 （2）动物粪便被分解者分解后可供植物吸收利用; 土壤中的微生物能够分解有机物，这是物质循环过程中重要的一环。 生态系统中的消费者能够加快物质的循环过程。 非生物 环境 生物 群落 回归 进入 是不是所有物质都能较快地通过食物链回归非生物环境呢？ 思考 生物富集 二 二、生物富集 实例1——铅的富集 煤燃烧 有色金属冶炼 大气 沉降 土壤表面 植被表面 水体 根从土壤中吸收铅 叶片摄入吸附的铅 水中植物、浮游动物会直接吸收水中的铅 颗粒 排放 动物饮用含有铅的水，也会直接摄入铅 人体 进入体内的铅形成多种比较稳定的铅化合物，分布于生物体的多种组织细胞中，导致铅不易被排出，积蓄在体内。 含铅的生物被更高营养级的动物食用，铅就会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 1.概念： 二、生物富集 生物体从 吸收、积蓄某种元素或 的化合物，使其在机体内浓度 环境浓度的现象。 超过 周围环境 难以降解 ①重金属： 如铅(Pb)、镉(Cd)、汞(Hg)等 ②人工合成的有机化合物： 如DDT、六六六等 2.常见的生物富集物质： ①在环境和生物体中存在形式是比较稳定的； ②富集物质必须是生物体能够吸收的且不易排出的； ③富集物质在生物代谢过程中是不易被分解的； 食物链、食物网 3.发生生物富集的物质的特点： 4.生物富集的主要途径： ③一些放射性物质： 如铀 核污染水中含高达64种核放射性元素，并且七成以上都是超标的，多核素设备难以完全处理，核污水中含碘-129、锶-90、钌-106、碳-14等放射性元素。其中，碘-129可以导致甲状腺癌，锶-90更被世界卫生组织列入一类致癌物清单，易致白血病。 二、生物富集 5.特点： 思考：农田中大量使用的DDT杀虫剂，为什么会在南极的企鹅体内检测到? ①具有全球性 测定结果显示DDT浓度沿食物链放大了一千万倍 ②有害物质在生物体内的浓度 会沿食物链不断升高 鱼鹰（2.5×10-5） 大鱼（2×10-6） 小鱼（5×10-7） 植物（4×10-8） 水（3×10-12） 有害物质在生物体内的浓度 6.危害： 香烟 食品 玩具 工业废气 化妆品 餐具 燃烧 容器 汽车 尾气 进入人体的甲基汞在体内代谢缓慢，且不易排出，严重时会引起中毒。通过血脑屏障进入大脑的汞会侵害脑神经，导致脑萎缩。 1952年，日本5万多只猫集体跳海自尽 得水俣病（汞中毒）的日本患者呼吁加强管控 7.缓解措施： 合理利用资源，减少排放；实施垃圾分类；种植能富集有害重金属元素的植物。 二、生物富集 a.在湖泊里种植大量芦苇，芦苇可以吸收水中的有毒物质，而且芦苇抗毒能力非常强，然后将芦苇进行封存，防止有毒物质重新进入环境。 b.某些有益的物质(如：黄金、钽等珍贵稀有物质)也可沿食物链浓缩，这就为人类从生物体中提取某些稀有物质或元素提供一种方法。 三、能量流动和物质循环的关系 能量流动 物质循环 形式 群落环境间主要以CO2形式 化学元素(无机物→有机物→无机物) 光能→化学能→热能 主要以有机物中化学能 在无机环境与生物群落间循环往返(封闭型) 过程 沿食物链（网）单向流动 (开放型) 各营养级间(生物群落) 生物圈(全球性) 范围 特点 单向流动、逐级递减 全球性、循环往复 二者同时进行、相互依存、不可分割： ①能量的固定、储存、转移和释放，离不开物质的合成和分解； ②物质是能量沿食物链(网)流动的载体； ③能量是物质在生态系统中往复循环的动力 联系 探究土壤微生物的分解作用 四 1.《探究土壤微生物在落叶分解中的作用》该实验的自变量、因变量、无关变量是什么？在实验中是如何控制自变量的？实验结果是怎样的？ 2.《探究土壤微生物对淀粉的分解作用》该实验的自变量和因变量是什么？实验中选用什么试剂检测因变量的变化？该实验的设计思路是什么？ 探究土壤微生物的分解作用 探究·实践 一、 探究土壤微生物的分解作用 探究·实践 资料 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，这些生物的数量是极其繁多的，如一茶匙表层土就可能含有亿万个细菌。 由于各地气候与环境等因素不同，落叶在土壤中被分解的时间也是不同的，一般在温暖、湿润的环境中需要一至数月时间。 秋天刚收获的花生 第二年春天从土中刨出的花生 提出问题 作出假设 1 2 3 设计实验方案 进行实验 4 5 分析结果、得出结论 表达和交流 6 二 探究土壤微生物的分解作用 探究·实践 探究土壤微生物的分解作用 探究·实践 提出问题 实验假设 实验设计 自变量 实验组 对照组 实验现象 结论分析 落叶是在土壤微生物的作用下腐烂的吗？ 落叶在土壤微生物的作用下可以腐烂 土壤中是否含微生物 对土壤高温处理（灭菌） 对土壤不做任何处理（自然状态） 相同时间内对照组落叶腐烂，实验组不腐烂 土壤微生物对落叶有分解作用 参考案例1 落叶是在土壤微生物的作用下腐烂的吗？ 土壤进行处理，排除土壤微生物的作用 土壤不进行处理，自然状态 注意：实验组的土壤要进行处理，以尽可能排除土壤微生物的作用，同时要尽可能避免土壤理化性质的改变（例如，将土壤用塑料袋包好，放在60℃恒温箱中处理一小时) 实验结果： 落叶未腐烂 落叶腐烂 探究土壤微生物的分解作用 探究·实践 参考案例1 落叶是在土壤微生物的作用下腐烂的吗？ 提出问题 实验假设 实验设计 自变量 实验组 对照组 实验现象 加入 碘液 A1 B1 加斐林试剂，水浴加热 A2 B2 结论分析 土壤微生物能分解淀粉吗？ 土壤微生物能分解淀粉 土壤中是否含有分解淀粉的微生物 A杯中加入适量淀粉糊+30mL土壤浸出液 B杯中加入等量淀粉糊+30mL蒸馏水 不变蓝 变蓝 产生砖红色沉淀 不产生 土壤浸出液中的微生物能分解淀粉 探究土壤微生物的分解作用 探究·实践 参考案例2 探究土壤微生物对淀粉的分解作用 探究土壤微生物的分解作用 探究·实践 参考案例2 探究土壤微生物对淀粉的分解作用 纱布 烧杯 土壤 水 玻璃棒 取出 （1）配制土壤浸出液 淀粉 碘液 变蓝 淀粉 葡萄糖 产生砖红色沉淀 分解 斐林试剂 加热 1.实验原理： 2.实验步骤： 减少土壤中带颜色的颗粒物 S z L w h 探究土壤微生物的分解作用 探究·实践 参考案例2 探究土壤微生物对淀粉的分解作用 （2）另取两只烧杯，编号A、B,放入淀粉糊 2.实验步骤： 淀粉糊 加入土壤浸出液 加入碘液 加入蒸馏水 A1 A2 B1 B2 加入碘液 加入斐林试剂 加入斐林试剂 实验结果 不变蓝 出现砖红色沉淀 变蓝 不出现砖红色沉淀 室温（20℃）环境放置7d后 S z L w h 小结 动 力 生态 系统 结构 功能 能量流动 物质循环 信息传递 载体 决定 过程 特点 生物富集 组成成分 营养结构 渠道 参与 一、概念检测 练习与应用 1.能量流动和物质循环是生态系统的主要功能。判断下列相关表述是否正确。 (1)物质循环发生在生物群落与非生物环境之间。 （ ） (2)能量流动和物质循环是两个相对独立的过程。 （ ） 2.竹子中纤维素含量很高。大熊猫每天要吃大量竹子，但一般只能利用其中一小部分纤维素。研究表明，大熊猫的基因组缺少编码纤维素酶的基因，但是肠道中有多种纤维素分解菌。 (1)大熊猫与它肠道内某种纤维素分解菌的种间关系为（ ） A.捕食 B.寄生 C.互利共生 D.原始合作 (2)下列叙述不合理的是（ ） A.大熊猫是初级消费者，属于第二营养级 B.大熊猫未消化的纤维素会被分解者利用循环 C.纤维素分解菌促进了生态系统中的物质 D.能量流动方向是竹子→大熊猫一纤维素分解菌 3.在生态系统中，使二氧化碳进入生物群落的生物主要是（ ） A.细菌 B.真菌 C.动物 D.绿色植物 ✔ ✘ C D D 2.同碳元素一样，氮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? 农田是人工生态系统，是以提高农作物的产量，使能量更多地流向人类，满足人类需要为目的的。 农田土壤中氮含量往往不足以使作物高产，加之农产品源源不断自农田生态系统输出，其中氮元素并不能都归还土壤，所以需施加氮肥。这与物质循环并不矛盾。 1.生物圈是不是一个在物质上自给自足的系统?为什么? 是。生物圈指地球上所有生物与其非生物环境总和，它们通过物质循环构成一个物质上自给自足的系统。 3.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 D和E A B和C 二、拓展应用 练习与应用 低碳生活，从你我做起 Lavf58.20.100 Lavf58.20.100 Lavf58.20.100 Bilibili VXCode Swarm Transcoder v0.2.5(gap_fixed:False) Multimedia Cloud Transcode (cloud.baidu.com) Lavf58.20.100 Bilibili VXCode Swarm Transcoder v0.6.4 Lavf58.20.100 Bilibili VXCode Swarm Transcoder r0.2.61(gap_fixed:False) Lavf58.30.100 Lavf56.15.100 Lavf57.58.101 Lavf58.51.100 Lavf58.30.100 Lavf58.76.100 Lavf58.20.100 Lavf60.16.100 Lavf58.20.100 Tencent CAPD MTS FormatFactory : www.pcfreetime.com $$