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第3节 生态系统的物质循环
教学目标
1. 通过分析碳循环的过程，建构概念模型，概述生态系统的物质循环。
2. 通过分析比较生态系统物质循环和能量流动的过程，说明两者的关系。
3. 根据生态系统物质循环的规律，为科学、有效地利用生态系统中的资源等提出有价值的建议和措施。
4. 通过对案例的分析讨论，阐明生物富集的成因和危害，并提出科学的防治建议。
问题探讨
讨论：
1.胡杨死亡后，为什么很长时间都没有腐烂？
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？
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。
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。
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。
思考●讨论
分析碳循环的过程
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。
讨论：
1.碳在非生物环境和生物体内分别以什么形式存在？
CO2和碳酸盐
含碳有机物
2.碳是如何进出生产者、消费者、分解者的（以什么形式、通过哪种生命活动、形成哪些产物等）？
请同学们阅读课本62页，结合图3-10碳循环示意图构建碳循环的模型。
构建碳循环模型
非生物环境
（CO2和碳酸盐）
生物群落
（含碳有机物）
光合作用或
化能合成作用
呼吸作用或
分解作用
接下来展开生物群落┉
动植物遗体和排泄物
泥炭
煤
石油
呼吸作用
大气中的CO2库
厂房、汽车等
呼吸作用
光合作用
微生物的分解作用
燃烧
摄食
一、碳循环
一. 碳循环
构建碳循环模型一
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
一. 碳循环
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
消费者
捕食
化
石
燃
料
遗体残骸
遗体残骸
分解者
遗体
遗体
水圈中的CO2库
构建碳循环模型二
一. 碳循环
总结：
1.碳的存在形式：
主要以CO2的形式存在，还有碳酸盐
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
（组成生物体的蛋白质、糖类、脂质和核酸等都是以碳链为基本骨架形成的）
CO2
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
6.实现碳循环的关键因素
生产者和分解者
5.碳在生物群落中传递的主要途径：
食物链、食物网
总结：
7.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
总结：
8.碳循环特点：
全球性
9.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
10.海洋对调节大气中的碳含量起着非常重要的作用
11.碳循环失调的后果：
温室效应
（1）温室气体：
二氧化碳等
（2）主要原因：
①化石燃料的开采和使用大大增加了CO2的排放
②森林、草原等植被遭到大面积破坏
（3）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
一. 碳循环
使气温升高，加快极地和高山冰川的融化，导致海平面上升，进而对人类和其他许多生物的生存构成威胁
(4)影响：
CO2
生产者
分解者
消费者
a
b
c
d
碳循环示意图
a代表光合作用 b、d代表呼吸作用
c代表微生物的分解作用
现学现用：识图
A__________
B__________
C__________
D__________
A__________
B__________
C__________
D__________
E__________
F__________
生产者
大气中的二氧化碳库
消费者
分解者
大气中的二氧化碳库
三级消费者
分解者
次级消费者
生产者
初级消费者
思考：
若使上图表示完整的碳循环，需补充____________
化石燃料的燃烧
（二）、物质循环的概念：
组成生物体的　　　　　　　　　　等基本元素，都在不断进行着
从　 　　　 到　　　 　，又从　 　　　 的循环过程。
非生物环境
C、H、O、N、P、S
范围：
物质：
循环过程：
特点：
生物圈，又叫生物地球化学循环
C、H、O、N、P、S等
非生物环境 生物群落
循环往复运动，全球性
生物群落
生物群落到非生物环境
2、
3、应用实例：
种养结合-如稻田中养鱼养鸭
1、
温室效应
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
减少化石燃料的使用
开发新能源
保护植被，增大绿化面积
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
4、人类活动对碳循环的影响
冰川融化
化石燃料的燃烧
1、概念：
2、物质：
3、特点：
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。
重金属：如铅(Pb)、镉(Cd)、汞(Hg)
人工合成的有机物：如DDT、六六六
（1）从非生物环境进入生物体，
沿食物链（网）逐级富集。
（2）毒性强，危害大。
（3）稳定而不易分解，积累而不易排出。
水
植物
小鱼
大鱼
鱼鹰
随营养级升高，浓度逐级递增，呈现生物放大现象。
二、生物富集
4.有害物质富集的实例——铅的富集
煤和矿石中的铅
空气中的铅颗粒
土壤、水体中的铅
生产者、浮游动物
各级消费者
最高营养级含铅量最高
燃烧冶炼
降雨
吸收
捕食
积累
铅在生物体内
的浓度沿食物
链不断升高
5.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
6.研究生物富集的意义
减少有害物质在生物体内的富集，提高水产品的安全性。
项目 能量流动 物质循环
范围
形式
特点
联系 主要以有机物形式流动
主要是食物链（网）各营养级中
生物圈
主要以无机物形式循环
循环往复，全球性
单向流动、逐级递减
（1）二者是生态系统的主要功能，同时进行、相互依存，不可分割。
（2）物质是能量流动的载体，使能量沿着食物链（网）流动；
（3）能量是物质反复循环的动力。
1.能量是物质循环的动力
2.物质是能量流动的载体
实验原理：
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，数量是极其繁多的。
探究土壤微生物的分解作用
探究·实践
它们在生态系统中的成分为分解者。分解速度主要与环境温度和湿度有关。
提出问题：
土壤微生物能分解淀粉吗？
作出假设：
土壤微生物能分解淀粉
设计实验：
（1）材料用具：土壤、烧杯、玻璃棒、试管、蒸馏水、碘液、斐林试剂、淀粉糊等。
（2）实验原理：土壤微生物通过分泌淀粉酶能将淀粉分解为还原性糖（麦芽糖、果糖、葡萄糖），通过碘液检测，可以证明淀粉被分解；通过斐林试剂（水浴加热）的检测，可以证明淀粉被分解为还原性糖。
（3）实验步骤：
1. 配置土壤浸出液
一、实验原理
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
实验课题：探究土壤微生物对淀粉的分解作用
枯枝落叶层
有机碎屑层
腐殖质层
淀积层
枯枝落叶层
有机碎屑层
进行实验：
淀粉糊
加入土壤浸出液
加入碘液
A
B
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
结论：
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
实验证明土壤中的微生物能分解淀粉
碘液检测 斐林试剂检测
A1、A2取自加土壤
浸出液的一组
B1、B2取自加入蒸馏水的一组
探究活动
案例1 探究土壤微生物对落叶的作用
准备土壤
实验组：土壤灭菌处理 对照组：土壤不做处理
准备落叶
实验组与对照组叶片数量与大小基本一致
分别埋入落叶
一段时间后,检测树叶分解情况
案例2 落叶是在土壤微生物的作用下腐烂的吗？
对照组：
土壤不做处理
实验组：
土壤做处理，排除微生物的作用
实验结果：
落叶未腐烂
落叶腐烂
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呢
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。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。生物圈是指地球上所有生物与其非生物环境的总和，它们通过物质循环构成一个物质上自给自足的系统。
二、拓展应用
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
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。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远高于A、B和C，因此D和E可能是肉食性鱼。

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