4.3 生态工程（导学案）生物人教版选择性必修2

该高中生物学导学案聚焦生态工程，涵盖概念、基本原理（自生、循环、协调、整体）、实例及发展前景。通过阅读课本、小组合作分析桑基鱼塘等案例，构建从原理到应用的知识脉络，搭建学习支架。 资料以任务驱动学习，结合实例解析原理，培养生态观（生命观念）和科学思维。习题联系“鱼菜药”等实际模式，提升探究实践能力，增强生态文明意识（态度责任），助力学生理解生物与环境关系。

4.3生态工程（导学案） 1.概述生态工程的概念，关注生态工程的建设。 2.概述生态工程的基本原理，举例说出自生、循环、协调和整体原理的主要内容。 3.通过分析和评价生态工程的实例，说出这些实例所运用的生态工程基本原理。 4.通过评述生态工程的发展前景，增强生态文明意识。 学习重点：生态工程的基本原理和实例。 学习难点: 生态工程的基本原理和实例。 一、生态工程的基本原理 1．关注生态工程建设 （1）生态工程的概念：人类应用生态学和系统学等学科的基本原理和方法，对人工生态系统进行分析、设计和调控，或对已被破坏的生态环境进行修复、重建，从而提高生态系统的生产力或改善生态环境，促进人类社会和自然环境和谐发展的系统工程技术或综合工艺过程。 （2）进行生态工程建设的目的：遵循生态学规律，充分发挥资源的生产潜力，防止环境污染，达到经济效益和生态效益的同步发展。 （3）突出特点：少消耗、多效益、可持续。 2．生态工程所遵循的基本原理 （1）自生原理：①概念：由生物组分而产生的自组织、自我优化、自我调节、自我更新和维持。 ②注意事项：需要在生态工程中有效选择生物组分并合理布设；需要创造有益于生物组分的生长、发育、繁殖，以及它们形成互利共存关系的条件。 （2）循环原理：①概念：在生态工程中促进系统的物质迁移与转化，既保证各个环节的物质迁移顺畅，也保证主要物质或元素的转化率较高。 ②意义：减少整个生产环节“废物”的产生。 ③实例：无废弃物农业。 （3）协调原理：①理论基础：生物与环境、生物与生物的协调与适应。 ②注意事项：需考虑生物与环境的适应性；需考虑环境容纳量。 ③意义：可避免系统的失衡和破坏。 （4）整体原理：①注意事项：要遵从自然生态系统的规律，各组分之间要有适当的比例，不同组分之间应构成有序的结构，通过改变和优化结构，达到改善系统功能的目的；不仅要考虑自然生态系统的规律、更要考虑 经济和社会等系统的影响力。 ②实例：在进行林业工程建设时，一方面要号召农民种树，另一方面一定要考虑贫困地区农民的生活问题，如粮食、烧柴以及收入等问题。 二、生态工程的实例和发展前景 1．生态工程的实例 （1）农村综合发展型生态工程：①问题：农村人口多，人多地少，产出不足。 ②对策：建立农村综合发展型生态工程，实现物质的多级循环利用。 ③案例：北京郊区的某村以沼气工程为中心的物质多级循环利用工程。 （2）湿地生态恢复工程：①湿地作用：具有蓄洪防旱，调节区域气候，控制土壤侵蚀，自然净化污水，为迁飞的鸟类和其他多种动植物提供栖息地，以及为人们提供休闲娱乐的环境等功能。 ②问题：湿地的缩小和破坏问题。 ③对策：采用工程学和生态学措施相结合的方法，使受到干扰的湿地得以恢复；在湿地周围建立缓冲带，以尽量减少人类的干扰，使湿地依靠自然演替等机制恢复其生态功能。 ④案例：厦门筼筜湖的生态恢复工程。 （3）矿区废弃地的生态恢复工程：①问题：山体、土壤和植被，乃至整个地区生态系统的破坏。 ②对策：人工制造表土、多层覆盖、特殊隔离、土壤侵蚀控制、植被恢复工程等。其中，关键在于植被恢复，以及植被恢复所必需的土壤微生物群落的重建。 ③案例：我国赤峰市元宝山矿区生态恢复工程。 2．生态工程的发展前景 （1）我国生态工程存在的问题：①缺乏定量化模型的指导，难以设计出标准化、易操作的生态工程样板。 ②设计缺乏高科技含量，生态系统的调控缺乏及时准确的监测技术的支持，缺乏理论性指导等。 （2）我国面临的生态危机：①生态危机：不单纯是环境污染问题，而是与人口激增、环境与资源破坏、能源短缺等问题结合在一起的“并发症”。 ②解决措施：不但要重视对生态环境的保护，更要注重与经济、社会效益的结合，需要生态工程发挥作用。 任务一：生态工程的基本原理 1. 阅读课本P98第二自然段和P99第一、二自然段，说出生态工程概念、建设的目的、优点 概念：指人类应用生态学和系统学等学科的基本原理和方法，对人工生态系统进行分析、设计和调控，或对已被破坏的生态环境进行了修复、重建，从而提高生态系统的生产力或改善生态环境，促进人类社会和自然环境的和谐发展的系统工程技术或综合工艺过程。 目的:遵循生态学规律，充分发挥资源的生产潜力，防止环境污染，达到经济效益和生态效益同步发展 优点：是一类少消耗、多效益、可持续的工程体系。 2.分析生态工程案例中的原理和应用 阅读课本P102页思考讨论，小组合作完成以下问题。 （1）尝试画出桑基鱼塘中的食物链： 桑树→蚕 甘蔗→人 甘蔗→猪→人 浮游植物→鱼 浮游植物→浮游动物→鱼 （2）桑基鱼塘应用了生态工程的哪些原理？ 自生：桑基鱼塘中生物组分通过合理布设，互利共存，实现了系统结构与功能协调，形成了可以自我维持的有序整体。 循环：“陆基种桑，桑叶饲蚕，蚕沙喂鱼，塘泥培桑”这样的农业生产模式维持着高效的物质循环利用。 协调：所选择的生物与生物，生物与环境达到了协调和平衡。桑和甘蔗适应南方温暖湿润的气候，四大家鱼混养充分利用了群落的空间结构；桑叶饲蚕，利用了种间关系，但养殖的蚕的数量没有多到危机桑的存活。 整体：桑基鱼塘在设计，陆地与水面配比合理，各组分的搭配与比例适当，结构有序，形成了一个不可分割的整体。桑基鱼塘将原本割裂的生产系统优化组合，能够发展多种经营，为农民创造收入，是机构优化的“社会-经济-自然复合系统”。 任务二：生态工程的实例和发展前景 阅读课本P104-105页思考讨论，小组合作完成以下问题。 1.在这一案例中，主要运用了生态工程的哪些基本原理？ 整体、协调、循环、自生等。 2.这一生态系统的结构和功能有哪些特点？ 生态系统中的各组分搭配合理，紧密联系形成一个有序的整体，实现了物质多级循环利用、能量充分利用，减少了废物排放与环境污染。 3.这一生态工程有哪些值得借鉴的做法？ 这一生态工程实现了物质利用的良性循环，提高了土地产出水平，创造了多种劳动力就业机会，增加了农民收入，促进了经济发展，同时降低了环境污染，促进了农村的可持续发展。 1．邯郸涉县农民在梯田内种植农作物，在梯田边缘种植花椒树，种植过程不施化肥、不打农药，作物秸秆可用于饲喂毛驴，驴粪还田。与传统农业相比，这种生态农业的特点是（　　） A．能量传递效率大幅提高 B．碳元素可以在该生态系统中完成循环 C．遵循了能量单向流动的生态工程原理 D．既实现了物质的循环利用，又减轻了环境污染 【答案】D 【详解】A、生态农业通过多途径利用提高能量利用率，但能量传递效率（约10%~20%）由自然规律决定，无法大幅提高，A错误； B、该生态系统是开放系统，农产品输出会导致碳元素流失，无法在系统内完成循环，B错误； C、能量单向流动是生态系统的基本规律，不是生态工程原理，C错误； D、秸秆饲喂毛驴、驴粪还田实现了物质循环利用，不施化肥农药减轻了环境污染，D正确。 故选D。 2．沙棘被广泛用于矿区复垦的生态修复工程中，沙棘具有与弗兰克氏菌（可固定空气中游离氮）互利共生，并形成根瘤的能力，弗兰克氏菌所需能源物质由沙棘提供。下列叙述正确的是（    ） A．弗兰克氏菌能将空气中氨态氮转变为沙棘易吸收的硝酸铵 B．沙棘与弗兰克氏菌之间进行着物质和能量的循环 C．在矿区废弃地生态修复过程中，人工制造表土便于植被恢复，遵循自生原理 D．种植的沙棘能改善土壤结构，保持水土，这体现了生物多样性的直接价值 【答案】C 【详解】A、弗兰克氏菌作为固氮菌，能将空气中的游离氮转化为氨或铵态氮，A错误； B、生态系统中物质可循环，但能量是单向流动、逐级递减的，不能循环，B错误； C、自生原理强调生态系统各组分合理配置，形成物质循环和能量流动的协调关系。人工制造表土为植物生长提供基础条件，属于恢复生态系统的自我维持能力，遵循自生原理，C正确； D、种植的沙棘能改善土壤结构、保持水土，这体现了生物多样性的间接价值，D错误。 故选C。 3．如图为“桑基鱼塘”生态农业模式图，下列说法正确的是（　　） A．桑树可以利用鱼塘中蚕沙中的有机物，促进了该生态系统的物质循环 B．该生态农业模式可以实现物质的循环利用，不需要额外的物质输入 C．该模式使能量更多流向对人类有益的部分，提高了能量传递效率 D．该生态农业模式需要考虑各类生物的环境容纳量，体现了协调原理 【答案】D 【详解】A、桑树不能直接利用鱼塘中蚕沙中的有机物，需要被分解成为无机物才能被植物利用，A错误； B、该生态农业模式可以实现物质的循环，但是因为有蚕丝、鱼等物质的输出，因此需要输入物质，B错误； C、该模式使能量更多流向对人类有益的部分，提高了能量利用率，但是不能提高能量传递效率，C错误； D、该生态农业模式需要考虑各类生物的环境容纳量，体现了协调原理，D正确。 故选D。 4．我国南方部分地区有一种桑基鱼塘的农业生产模式：陆基种桑、桑叶饲蚕、蚕沙(蚕的排泄物)喂鱼、塘泥培桑。将陆地种植与鱼塘养殖结合起来，把原本割裂的生产系统通过优化组合，有机地整合在一起。下列叙述正确的是（　　） A．鱼塘中所有生产者固定的太阳能就是流经鱼塘的总能量 B．桑基鱼塘与“无废弃物农业”都遵循了生态工程的循环原理 C．桑基鱼塘的模式有利于提高生态足迹，促进可持续发展 D．桑基鱼塘能够实现氮元素的自给自足，不需要额外使用氮肥 【答案】B 【详解】A、鱼塘中的生产者包括藻类等，但蚕沙中的有机物属于桑树（生产者）固定的能量，这部分能量通过蚕沙输入鱼塘，因此流经鱼塘的总能量应包含鱼塘生产者固定的太阳能和蚕沙中的化学能，A错误； B、桑基鱼塘通过蚕沙喂鱼、塘泥培桑实现物质循环，“无废弃物农业”同样强调废弃物资源化，两者均遵循生态工程的循环原理，B正确； C、生态足迹反映资源消耗程度，桑基鱼塘通过优化资源利用减少浪费，所以桑基鱼塘的模式有利于降低生态足迹，促进可持续发展，C错误； D、氮元素会随鱼、蚕丝等产品输出系统，需额外补充以维持平衡，无法完全自给自足，D错误。 故选B。 5．在修建铁路等大型工程时，要考虑生态廊道建设。生态廊道的作用主要是（　　） A．防治酸雨 B．减缓气候变暖 C．防止水污染 D．避免生境碎片化 【答案】D 【详解】A、防治酸雨需减少硫氧化物和氮氧化物排放，与生态廊道无直接关联，A错误； B、减缓气候变暖需降低温室气体浓度，生态廊道并非主要手段，B错误； C、防止水污染需控制污染物排放，生态廊道可能辅助净化水质，但非核心作用，C错误； D、生态廊道通过连接破碎化的栖息地，促进物种迁移与基因交流，避免生境碎片化，D正确。 故选D。 “鱼菜药”生态综合种养模式是利用鱼饲料中的氮素同时生产蔬菜和中草药，提高了水和氮素的利用率，生产过程不用化肥和农药，实现了“养鱼不换水而无水质忧患，种菜和药不施肥而生长”的目的，所构建的综合种养模型如图1所示。图2为该生态系统的碳循环示意图，其中甲、乙、丙为生态系统中的三种组成成分，A～D代表某食物链中的4种动物。请回答下列问题。 (1)“鱼菜药”生态综合种养模式中，研究人员建议在种植园中种植多种净化能力强的蔬菜，比如空心菜、水芹等，这体现了生物多样性的 价值；模式中的“养鱼不换水而无水质忧患，种菜和药不施肥而生长”主要利用了生态工程 原理，请从能量流动的角度分析这种模式的意义是 。 (2)池塘中的挺水植物如香蒲、美人蕉等能够向水中分泌萜类化合物、类固醇等，从而抑制藻类的生长，这些挺水植物还能开颜色鲜艳的花，以吸引昆虫传粉，这一现象涉及的信息类型有 。 (3)微生物反应系统将鱼类中的有机物转变成、等离子，然后通过管道输送到种植园中供绿叶作物使用，此过程需控制输送速度，理由是 。 (4)用箭头、文字和字母写出图2中生态系统的营养结构： 。自然状态下如果只有图2中的碳循环途径，则一般不会出现温室效应，那么导致温室效应出现的主要原因是 。 【答案】(1) 直接和间接 循环（+整体） 可以帮助人们科学地规划和设计人工生态系统，使能量得到最有效的利用（实现了对能量的多级利用，从而大大提高了能量的利用率） (2)物理信息和化学信息 (3)输送速度过快，绿叶作物可能不能及时利用营养物质 ，输送速度过慢，绿叶作物可能得不到足够的营养供应，影响其正常生长 (4) 化石燃料的大量燃烧 【分析】研究能量流动的意义：可以帮助人们科学规划，设计人工生态系统，使能量得到最有效的利用，实现对能量的多级利用，从而大大提高能量的利用率；可以帮助人们合理地调整生态系统中的能量流动关系，使能量持续高效地流向对人类最有益的部分。 【详解】（1）生物多样性的价值包括直接价值、间接价值和潜在价值。种植园中种植多种净化能力强的蔬菜，蔬菜能供人食用，且它们能对水体等环境起到净化作用，这体现了生物多样性的直接和间接价值； “养鱼不换水而无水质忧患，种菜和种药不施肥而生长”体现了生态系统中物质可以循环利用，主要利用了生态工程的循环原理；从能量流动角度看，该模式可以帮助人们科学地规划和设计人工生态系统，使能量得到最有效的利用（实现了对能量的多级利用，从而大大提高了能量的利用率）。 （2）池塘中的挺水植物向水中分泌萜类化合物、类固醇等化学物质抑制藻类生长，这属于化学信息；挺水植物开颜色鲜艳的花，以吸引昆虫传粉，花的颜色属于物理信息，所以这一现象涉及的信息类型有化学信息和物理信息。 （3）离子在输送过程中要控制输送速度，输送速度过快，绿叶作物可能不能及时利用营养物质 ，输送速度过慢，绿叶作物可能得不到足够的营养供应，影响其正常生长。 （4）在生态系统的碳循环示意图中，生产者能从大气中吸收二氧化碳进行光合作用，也能通过呼吸作用向大气中释放二氧化碳，所以丙是生产者；消费者通过捕食摄取生产者或其他消费者，同时进行呼吸作用释放二氧化碳，所以乙是消费者；丙能将动植物遗体残骸等分解为二氧化碳释放到大气中，所以甲是分解者。食物链中只有生产者和消费者，A~D代表某食物链中的4种动物，根据能量流动逐级递减，能量相对值越高，所处营养级越低，所以该生态系统的营养结构为。 自然状态下如果只有图2中的碳循环途径，碳循环能保持相对稳定，一般不会出现温室效应。导致温室效应出现的主要原因是化石燃料的大量燃烧，短时间内释放大量的二氧化碳，使大气中二氧化碳含量迅速增加，打破了碳循环的平衡。 / 学科网（北京）股份有限公司 $ 4.3生态工程（导学案） 1.概述生态工程的概念，关注生态工程的建设。 2.概述生态工程的基本原理，举例说出自生、循环、协调和整体原理的主要内容。 3.通过分析和评价生态工程的实例，说出这些实例所运用的生态工程基本原理。 4.通过评述生态工程的发展前景，增强生态文明意识。 学习重点：生态工程的基本原理和实例。 学习难点: 生态工程的基本原理和实例。 一、 生态工程的基本原理 1．关注生态工程建设 （1）生态工程的概念：人类应用__________等学科的基本原理和方法，对人工生态系统进行__________，或对已被破坏的生态环境进行修复、重建，从而提高生态系统的生产力或改善生态环境，促进人类社会和__________和谐发展的系统工程技术或综合工艺过程。 （2）进行生态工程建设的目的：遵循__________规律，充分发挥资源的生产潜力，防止环境污染，达到经济效益和__________的同步发展。 （3）突出特点：少消耗、多效益、__________。 2．生态工程所遵循的基本原理 （1）自生原理：①概念：由生物组分而产生的__________、自我优化、自我调节、自我更新和维持。 ②注意事项：需要在生态工程中有效选择生物组分并合理__________；需要创造有益于生物组分的生长、发育、繁殖，以及它们形成__________关系的条件。 （2）循环原理：①概念：在生态工程中促进系统的物质迁移与__________，既保证各个环节的物质迁移顺畅，也保证主要物质或元素的__________率较高。 ②意义：减少整个生产环节“__________”的产生。 ③实例：__________农业。 （3）协调原理：①理论基础：生物与_________、生物与生物的协调与适应。 ②注意事项：需考虑生物与环境的_________；需考虑环境容纳量。 ③意义：可避免系统的_________。 （4）整体原理：①注意事项：要遵从自然生态系统的规律，各组分之间要有________，不同组分之间应构成有序的结构，通过改变和优化结构，达到改善系统功能的目的；不仅要考虑自然生态系统的规律、更要考虑_________等系统的影响力。 ②实例：在进行林业工程建设时，一方面要号召农民_________，另一方面一定要考虑贫困地区农民的________问题，如粮食、烧柴以及收入等问题。 二、 生态工程的实例和发展前景 1．生态工程的实例 （1）农村综合发展型生态工程：①问题：农村人口多，_________，产出不足。 ②对策：建立农村综合发展型生态工程，实现物质的_________。 ③案例：北京郊区的某村以沼气工程为中心的物质多级循环利用工程。 （2）湿地生态恢复工程：①湿地作用：具有蓄洪防旱，调节_________，控制土壤侵蚀，自然净化污水，为迁飞的鸟类和其他多种动植物提供栖息地，以及为人们提供休闲娱乐的环境等功能。 ②问题：湿地的_________问题。 ③对策：采用_________学和生态学措施相结合的方法，使受到干扰的湿地得以恢复；在湿地周围建立_________，以尽量减少人类的干扰，使湿地依靠自然演替等机制恢复其生态功能。 ④案例：厦门筼筜湖的生态恢复工程。 （3）矿区废弃地的生态恢复工程：①问题：山体、土壤和植被，乃至整个地区________的破坏。 ②对策：人工制造表土、多层覆盖、特殊隔离、土壤侵蚀控制、植被恢复工程等。其中，关键在于植被恢复，以及植被恢复所必需的_______的重建。 ③案例：我国赤峰市元宝山矿区生态恢复工程。 2．生态工程的发展前景 （1）我国生态工程存在的问题：①缺乏定量化模型的指导，难以设计出_______、易操作的生态工程样板。 ②设计缺乏高科技含量，生态系统的调控缺乏及时准确的_______的支持，缺乏理论性指导等。 （2）我国面临的生态危机：①生态危机：不单纯是环境污染问题，而是与人口激增、环境与资源破坏、_______短缺等问题结合在一起的“并发症”。 ②解决措施：不但要重视对生态环境的保护，更要注重与_________的结合，需要生态工程发挥作用。 任务一：生态工程的基本原理 1. 阅读课本P98第二自然段和P99第一、二自然段，说出生态工程概念、建设的目的、优点 2. 分析生态工程案例中的原理和应用 阅读课本P102页思考讨论，小组合作完成以下问题。 （1）尝试画出桑基鱼塘中的食物链： （2）桑基鱼塘应用了生态工程的哪些原理？ 任务二：生态工程的实例和发展前景 阅读课本P104-105页思考讨论，小组合作完成以下问题。 1.在这一案例中，主要运用了生态工程的哪些基本原理？ 2.这一生态系统的结构和功能有哪些特点？ 3.这一生态工程有哪些值得借鉴的做法？ 1．邯郸涉县农民在梯田内种植农作物，在梯田边缘种植花椒树，种植过程不施化肥、不打农药，作物秸秆可用于饲喂毛驴，驴粪还田。与传统农业相比，这种生态农业的特点是（　　） A．能量传递效率大幅提高 B．碳元素可以在该生态系统中完成循环 C．遵循了能量单向流动的生态工程原理 D．既实现了物质的循环利用，又减轻了环境污染 2．沙棘被广泛用于矿区复垦的生态修复工程中，沙棘具有与弗兰克氏菌（可固定空气中游离氮）互利共生，并形成根瘤的能力，弗兰克氏菌所需能源物质由沙棘提供。下列叙述正确的是（    ） A．弗兰克氏菌能将空气中氨态氮转变为沙棘易吸收的硝酸铵 B．沙棘与弗兰克氏菌之间进行着物质和能量的循环 C．在矿区废弃地生态修复过程中，人工制造表土便于植被恢复，遵循自生原理 D．种植的沙棘能改善土壤结构，保持水土，这体现了生物多样性的直接价值 3．如图为“桑基鱼塘”生态农业模式图，下列说法正确的是（　　） A．桑树可以利用鱼塘中蚕沙中的有机物，促进了该生态系统的物质循环 B．该生态农业模式可以实现物质的循环利用，不需要额外的物质输入 C．该模式使能量更多流向对人类有益的部分，提高了能量传递效率 D．该生态农业模式需要考虑各类生物的环境容纳量，体现了协调原理 4．我国南方部分地区有一种桑基鱼塘的农业生产模式：陆基种桑、桑叶饲蚕、蚕沙(蚕的排泄物)喂鱼、塘泥培桑。将陆地种植与鱼塘养殖结合起来，把原本割裂的生产系统通过优化组合，有机地整合在一起。下列叙述正确的是（　　） A．鱼塘中所有生产者固定的太阳能就是流经鱼塘的总能量 B．桑基鱼塘与“无废弃物农业”都遵循了生态工程的循环原理 C．桑基鱼塘的模式有利于提高生态足迹，促进可持续发展 D．桑基鱼塘能够实现氮元素的自给自足，不需要额外使用氮肥 5．在修建铁路等大型工程时，要考虑生态廊道建设。生态廊道的作用主要是（　　） A．防治酸雨 B．减缓气候变暖 C．防止水污染 D．避免生境碎片化 “鱼菜药”生态综合种养模式是利用鱼饲料中的氮素同时生产蔬菜和中草药，提高了水和氮素的利用率，生产过程不用化肥和农药，实现了“养鱼不换水而无水质忧患，种菜和药不施肥而生长”的目的，所构建的综合种养模型如图1所示。图2为该生态系统的碳循环示意图，其中甲、乙、丙为生态系统中的三种组成成分，A～D代表某食物链中的4种动物。请回答下列问题。 (1)“鱼菜药”生态综合种养模式中，研究人员建议在种植园中种植多种净化能力强的蔬菜，比如空心菜、水芹等，这体现了生物多样性的 价值；模式中的“养鱼不换水而无水质忧患，种菜和药不施肥而生长”主要利用了生态工程 原理，请从能量流动的角度分析这种模式的意义是 。 (2)池塘中的挺水植物如香蒲、美人蕉等能够向水中分泌萜类化合物、类固醇等，从而抑制藻类的生长，这些挺水植物还能开颜色鲜艳的花，以吸引昆虫传粉，这一现象涉及的信息类型有 。 (3)微生物反应系统将鱼类中的有机物转变成、等离子，然后通过管道输送到种植园中供绿叶作物使用，此过程需控制输送速度，理由是 。 (4)用箭头、文字和字母写出图2中生态系统的营养结构： 。自然状态下如果只有图2中的碳循环途径，则一般不会出现温室效应，那么导致温室效应出现的主要原因是 。 / 学科网（北京）股份有限公司 $