3.3 生态系统的物质循环课件-2025-2026学年高二上学期生物人教版选择性必修2

第3节 生态系统的物质循环 1 1.概述生态系统的物质循环过程。 2.通过分析生物富集的过程，说明生物富集的危害， 认同应采取措施减少危害。 一、学习目标 二、重点 分析碳循环的过程，概述生态系统的物质循环过程。 说明能量流动和物质循环的过程。 三、难点 3.说明能量流动和物质循环的关系。 4.尝试探究土壤微生物的分解作用。 胡杨能抗干早、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。 讨论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，分解者的数量少，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? 问题探讨 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。 碳、氧分子在 和 之间是不断循环的。 呼一口气，许多二氧化碳分子就离开你的身体，进入大气中。 这些二氧化碳分子离开你后，会开始怎样的旅行？ 这些二氧化碳分子中的碳元素和氧元素又是怎样来到你体内的？ 进入你体内之前又存在于什么物质中？ 食物 人体的细胞呼吸 CO2 植物的光合作用 生物群落 非生物环境 一、碳循环 4 请同学们自主阅读教材P61-63，思考以下问题： 1.碳在非生物环境和生物体内分别以什么形式存在？ 2.碳以什么形式通过什么途径进入生物群落；碳以什么形式通过什么途径在群落内部传递？ 3.生物群落中的碳以什么形式返回无机环境？通过哪些途径？ 4.请用关键词、线段、箭头、方框等构建碳循环的模型。 5.碳循环与温室效应有什么关系？如何缓解温室效应？ 6.你如何看待人类活动对碳循环的影响？ 一、碳循环 碳是构成生物体的重要元素之一。 组成生物体的蛋白质、糖类、脂质和核酸等都是以 为基本骨架形成的。 氨基酸结构通式 葡萄糖结构 核糖核苷酸结构 大气中的碳主要是二氧化碳。生物体和大气中的碳含量，都长期处于稳定的状态，这是怎样维持的呢？ 碳链 碳元素： 一、碳循环 6 资料1：二氧化碳能溶于水，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、石油或者木材中，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。 一、碳循环 思考●讨论 分析碳循环的过程 讨论： 1.碳在非生物环境和生物体内分别以什么形式存在？ 非生物环境中：主要是二氧化碳，少许碳酸盐。 生物体内：含碳有机物 碳在生物群落与非生物环境之间的循环主要以CO2的形式进行的。 2.碳是如何进出生产者、消费者、分解者的？（以什么形式，通过哪些生命活动、形成哪些产物等？） 大气中的CO2库 生产者 生产者 生产者 光 合 作 用 光 合 作 用 溶解 光合作用 呼 吸 作 用 呼 吸 作 用 呼吸作用 生产者 (2)呼吸作用:将有机物分解为二氧化碳。 (1)光合作用等:将二氧化碳转化为有机物。 生产者 生产者 生产者 光 合 作 用 光 合 作 用 溶解 光合作用 呼 吸 作 用 呼 吸 作 用 呼吸作用 消费者 摄食 呼 吸 作 用 呼 吸 作 用 消费者 消费者 (2)呼吸作用等:将有机物分解为二氧化碳。 (1)摄食等：将前一营养级的有机物转化为自身的有机物。 大气中的CO2库 生产者 生产者 生产者 光 合 作 用 光 合 作 用 溶解 光合作用 呼 吸 作 用 呼 吸 作 用 呼吸作用 消费者 摄食 呼 吸 作 用 呼 吸 作 用 消费者 分解者 用 作 解 分 的 物 生 微 分解者 (2)微生物的分解作用等：将有机物分解为二氧化碳。 (1)食腐、腐生等:将现成有机物转化为自身有机物。 大气中的CO2库 生产者 生产者 生产者 光 合 作 用 光 合 作 用 溶解 光合作用 呼 吸 作 用 呼 吸 作 用 呼吸作用 消费者 摄食 呼 吸 作 用 呼 吸 作 用 消费者 分解者 用 作 解 分 的 物 生 微 煤、 石油 3.碳的进出除生产者、消费者、分解者外，还有没有其他途径？ 其他途径：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。 大气中的CO2库 大气中的CO2库 生产者 光合作用 呼吸作用 分解作用 呼吸作用 燃烧 食物链和食物网 捕食 化 石 燃 料 遗体、排遗物 遗体残骸 遗体 遗体 思考：动植物遗体一定会被分解者分解吗？ 不一定 消费者 分解者 请用箭头和简短的文字表明碳元素在下述各成分之间的联系。 碳元素在生物群落是循环的吗？ 不是，在生物群落中是沿着食物链(网)单向流动的。 构建碳循环模型 大气中的CO2库 生产者 光合作用 呼吸作用 分解作用 呼吸作用 燃烧 食物链和食物网 捕食 化 石 燃 料 遗体、排遗物 遗体残骸 遗体 遗体 水圈中的CO2库 消费者 分解者 构建的碳循环模型图是否要进行补充？ 海洋对于调节大气中的碳含量起着非常重要的作用。 当大气中二氧化碳含量增加，水圈中的二氧化碳含量也随之增加。 如果大气中的二氧化碳发生局部短缺，水圈中的二氧化碳也能及时进入大气。 构建碳循环模型 【拓展】碳循环图解中各成分的判定方法 大气中的CO2库 生产者 分解者 消费者 生产者 初级消费者 大气中的CO2库 次级消费者 分解者 大气中的CO2库（非生物的物质和能量） 生产者 初消 次消 三级消 分解者 辨图要点： ① 碳循环中，只有生产者与非生物环境之间的箭头是双向的。 ② 箭头指入最多的是大气中的CO2库，其次是分解者。指出最多的是生产者 1. 先看双箭头：双箭头代表生产者、大气中的CO2库； 2. 其他所有成分都指向C，则C为大气中的CO2库； 3. 除了C之外，有最多被指向箭头的为分解者，即B为分解者。 14 二氧化碳能溶于水，因此能在大气和海洋、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，向大气排放了大量的二氧化碳。 ①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； ②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。 问题.你如何看待人类活动对碳循环的影响？ 一、碳循环 (1）原因 化石燃料的大量燃烧（主要原因） 森林、草原等植被的破坏 (2）危害 (3）缓解措施 极地和高山冰川加速融化 海平面上升 气温升高 对人类和其他生物的生存构成威胁 减少化石燃料的使用，开发新能源 大力植树种草，提高森林覆盖率 提高秸秆还田率，提高土壤储碳量。 土地荒漠化加剧，洪灾、旱灾不断 ——温室效应 碳循环失调的后果 大气中的温室气体（CO2、CH4、N2O等）相当于保温层。大气中的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” 16 一、碳循环 与社会的联系——温室效应 中国国家主席习近平在2020年9月22日召开的联合国大会上表示：“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。 化石燃料的大量燃烧 大气中CO2含量增加 温室效应 碳排放在由升转降的过程中，碳排放的最高点即碳峰值 大多数发达国家已经实现碳达峰 我国目前碳排放增速放缓，但仍呈增长态势，尚未达峰。 2060年 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 碳中和的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。 碳达峰 2030年 碳中和 (2)碳的流动形式： ①生物群落与非生物环境之间： 。 ②生物群落内部：　 　　　　。 ③在生物群落内部沿着__________________传递。 (3)碳进入生物群落的途径：　　　　　　　　　　　 。 (4)碳返回非生物环境的途径： 、 、 和 。 (1)碳的存在形式： ①非生物环境中： 。 ②生物群落内部： 　　　 。 CO2和碳酸盐 含碳有机物 CO2 含碳有机物 生产者的光合作用或化能合成作用 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 (5)实现碳循环的关键成分： 。 生产者和分解者 食物链和食物网 最为密切的两种细胞器是 。 叶绿体和线粒体 一、碳循环 组成生物体的碳、氢、氧、氮、磷、硫等 ，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，这就是生态系统的物质循环。 ①循环往复运动：----反复利用、循环流动 物质循环又叫生物地球化学循环 ②具有全球性：----物质循环的范围为生物圈 1 概念 2 特点 元素 生物群落 非生物环境 组成生物体的C、H、O、N、P、S等元素 反复循环 二、生态系统的物质循环 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。 19 根据氮循环示意图，回答下列问题： (1)植物吸收的氮主要以什么形式存在？ 离子（NO3-）。 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土壤，所以需要施加氮肥。 补充：氮循环 20 鱼稻共生 稻田的水给鱼提供生长环境，鱼可吃害虫，排泄物可为水稻提供有机肥，鱼和水稻形成了一个无公害的生物微循环 鱼菜共生 大棚里，既养鱼又种菜，不影响产量还能节水节肥，实现养鱼不换水，种菜不施肥的神奇效果。鱼帮菜、菜帮鱼，和谐互助 鸭子可吃掉水稻叶片上害虫及虫卵，粪便可作有机肥料，其在水里游动，加快水稻对养分吸收，也改良了土壤通透性，达到了生态高效种植效果 稻田养鸭 种养结合模式 3.在农业方面的应用 例.如图是生物圈中碳循环示意图，下列相关分析错误的是（　　 ） A、生物圈通过碳循环实现碳元素的自给自足 B、A是消费者，C是生产者，碳在各成分间以CO2的形式传递 C、对E过度开发利用会打破生物圈中碳循环的平衡 D、碳循环过程需要能量驱动，同时又是能量的载体 B 大气中的CO2库 生产者 分解者 消费者 化石燃料的燃烧 例、下图为碳循环示意图，甲、乙、丙表示生态系统中的三种成分，下列叙述正确的是（　 ） 碳循环是指二氧化碳在甲与丙之间不断循环的过程 B. 乙在该生态系统中均处于第二营养级 C. 甲、乙、丙共同组成生物群落 D. 生物X不可能不具有细胞核，生物Y不可能含有线粒体 C 例、稻鸭共作是我国传统的生态种养模式，在水稻栽种后至抽穗前将鸭子放养在水稻田中。鸭子可为稻田除草、灭虫；稻田可为鸭子的生长提供食物等生活条件。下列对稻鸭共作模式的生态学优点的分析不正确的是（　 　） A．稻鸭共作模式能够减少饲料的投入，降低饲养成本 B．稻鸭共作模式能够减少化学农药的使用，减轻环境污染 C．稻鸭共作模式很好地实现了物质和能量的循环利用 D．稻鸭共作模式的设计兼顾了生态效益和经济效益 C 请同学们自主阅读教材P63-65，思考以下问题： 1.什么是生物富集？常见参与生物富集的物质有哪些？ 2.发生生物富集的物质的特点？ 3.生物富集的主要途径？ 4.生物富集与生物放大的区别与联系。 5.若某地发生铅污染，谁会是群落中铅含量最高的群体？这种现象只会发生在污染地区吗？从中归纳总结出生物富集的特点？ 6.生物富集有何危害？如何有效地减少生物富集现象？ 三、生物富集 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； ③一些放射性物质。 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。 1.概念： 2.常见存在生物富集现象的物质 三、生物富集 4.生物富集的主要途径： 食物链、食物网 3.发生生物富集的物质的特点： ①在环境和生物体中存在形式是比较稳定的； ②必须是生物体能够吸收的且不易排出的； ③在生物代谢过程中是不易被分解的。 生物富集与生物放大的区别与联系 生物放大作用 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。 27 生物富集与生物放大的区别与联系 比较 项目 生物富集 生物放大 区别 联系 有害物质在生物体内形成稳定的不易排出的物质 通过食物链逐步浓缩 生物富集是生物放大的前提 28 4.实例: 铅的富集 煤燃烧、有色金属冶炼 铅被排放进入大气 沉降在土壤和植被表面 进入土壤 进入水体 植物根吸收叶片摄入铅 水生植物、浮游动物直接吸收铅，动物饮用含铅的水，直接摄入铅 铅进入体内形成多种比较稳定的铅的化合物，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 含铅生物被更高营养级动物食用，沿食物链聚集 最终积累在食物链的顶端 5. 生物富集现象的特点 ①具有全球性： 生物富集的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。 ②有害物质在生物体内的浓度会沿食物链不断升高。 如上图测定结果显示DDT浓度沿食物链放大了一千万倍 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） < < 2 ppm 5 ppm 200 ppm 1600 ppm 浮游生物 鱼 水鸟 水 6.生物富集的危害： 在生物体内形成积累性中毒 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 2017年9月24日《水俣公约》第一届缔约国会议开幕 日本患者呼吁加强管控 7.减少生物富集的的措施： 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 水俣yu∨病 31 例、环境中的汞、铅等重金属随食物、饮水进入生物体内，能够形成多种比较稳定的化合物，分布于生物体的多种组织细胞中，不易被排出体外。某生态系统有甲、乙、丙、丁四个营养级，在某一时间测得所含某种重金属的浓度，结果如图。下列关于该生态系统的叙述，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 B 例、曾震惊世界的日本水俣病是人吃了被甲基汞污染的鱼所引起的，经检测，水俣湾海水中甲基汞的含量为0.017 mg/L(符合0.5 mg/L以下的安全标准)，对海水中具营养关系的甲、乙、丙、丁、戊五种生物体内残存甲基汞的含量分析，结果如表：下列描述不正确的是（ ） A.生物体内甲基汞含量的积累是通过食物链的途径实现的 B.种群丁体内甲基汞含量约是海水的3 000倍，对这个现象的正确解释是甲基汞 沿食物链逐级积累，此现象称为生物富集 C.这五种生物能量流动过程是甲→戊→丙→乙→丁 D.该生态系统内碳循环开始于生产者 C 生物 甲 乙 丙 丁 戊 甲基汞浓度(mg·L－1) 0.05 5.00 0.51 50.00 0.48 思考：请在碳循环过程模型上绘制能量流动过程。 光能 热能 生产者 大气中的 二氧化碳 消费者 分解者 ①物质循环与能量流动有什么关系？ ②假如没有物质循环，能量是否能在营养级间实现流动？ ③假如没有能量的供应，物质循环是否能正常进行？ 同时进行，相互依存，不可分割 能量的固定、储存、转移和释放，都离不开物质的合成和分解等过程 能量是物质循环的动力 物质是能量沿食物链网流动的载体； 四、物质循环与能量流动的区别与联系 34 能量流动 物质循环 范围 形式 特点 渠道 联系 生物群落(各营养级之间) 生物圈 主要以有机物中的化学能的形式 单向流动、逐级递减 全球性、循环往复运动 沿食物链、食物网单向流动 在生物群落（食物链、网）和非生物环境之间循环往返 ①同时进行，相互依存，不可分割 ②能量的固定、储存、转移和释放，都离不开物质的合成和分解等过程； ③物质是能量沿食物链网流动的载体； ④能量是物质循环的动力。 光能→化学能→热能 化学元素 (无机物→有机物→无机物) 四、物质循环与能量流动的区别与联系 例、分析以下生态系统的能量流动和物质循环的关系简图，不能得到的结论是 A.物质作为能量的载体，使能量沿着食物链(网)流动 B.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之间循环往复 C.能量①②③④的总和便是生产者所固定的太阳能总量 D.碳在生物群落和非生物环境之间的循环主要是以CO2的形式进行的 C 例、下列有关生态系统的物质循环和能量流动的叙述，错误的是 A.参与能量流动的总能量大小与生产者数量有关，与食物链长短无关 B.处于最高营养级的生物所同化的能量不会再提供给其他生物 C.农民拔草或杀灭害虫，虽然影响了食物链但可以调整能量流动关系 D.食物链既是物质传递链又是能量传递链，物质与能量相互依存、不可分割 B （1）土壤中存在种类、数目繁多的细菌、真菌等微生物，它们在生态系统中的成分为 。 （2）分解者的作用是将环境中的 分解为 ，其分解速度与环境中的 、 等环境因素有关。 分解者 有机物 无机物 温度 湿度 1.实验原理 三、生物富集 五、探究土壤微生物的分解作用 探究•实践 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 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 案例1：落叶是在土壤微生物的作用下腐烂的吗？ 对土壤高温处理 （灭菌） 土壤不进行处理，自然状态 实验结果： 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。 落叶未腐烂 落叶腐烂 探究•实践 案例2：探究土壤微生物对淀粉的分解作用 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 加入斐林试剂 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 不产生砖红色沉淀 土壤浸出液中的微生物能分解淀粉 分解 案例2：探究土壤微生物对淀粉的分解作用 1.实验原理： 淀粉 碘液 变蓝 淀粉 葡萄糖 产生砖红色沉淀 斐林试剂 加热 2.实验步骤： （1）配制土壤浸出液 2.实验步骤： （2）另取两只烧杯，编号A、B 淀粉糊 加入30ml土壤浸出液 加入碘液 A B 加入30ml蒸馏水 A1 A2 B1 B2 加入碘液 加入斐林试剂 加入斐林试剂 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 3.结论： 土壤浸出液中的微生物能分解淀粉 例、某生物兴趣小组以带有落叶的表层土壤(深5 cm左右)为实验材料，研究土壤微生物在适宜温度下的分解作用，对土壤处理情况如表所示。下列有关叙述不正确的是（ ） C 组别 1组 2组 3组 4组 土壤处理 灭菌 不灭菌 灭菌 不灭菌 湿润 湿润 较干燥 较干燥 A.该实验能探究不同土壤湿度条件下，土壤微生物对落叶的分解作用 B.为了控制实验中的无关变量，作为实验材料的落叶也应进行灭菌处理 C.若该实验的自变量为土壤是否进行灭菌处理，实验中对照组是1组和3组 D.预期结论是1、3组的落叶不被分解，2、4组中的落叶被不同程度地分解 例、一位同学要探究土壤微生物能否分解农药，并尽快得出实验结论，用“敌草隆”(一种除草剂)进行实验：取等量沙土分装于相同的两个容器中，a组高压灭菌，b组不灭菌。下列有关叙述正确的是（ ） A.检测“敌草隆”的消失情况，预计a的“敌草隆”全部消失，b的基本不变 B.向a、b中喷入等量的“敌草隆”，再置于同一恒温箱中培养相同时间 C.只用沙土实验效果比用几种典型土壤混合后的好 D.再增加c组作为对照，不喷入“敌草隆”，其他处理与a、b组相同 B 若不配入敌草隆，则不能证明土壤中的微生物的此种作用，D错 45 生态系统的物质循环 物质循环 对象：组成生物体的元素 特点：全球性，循环性 碳循环 物质循环应用 范围：生物圈 实例 过程 本节小结 $$