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第3章 生态系统及其稳定性
第3节 生态系统的物质循环
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。
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。
问题探讨
讨论1：碳在非生物环境和生物体内分别以什么形式存在？
碳在非生物环境中主要以CO2的形式存在（还有碳酸盐）；
在生物体内主要以含碳有机物的形式存在。
一、碳循环
思考·讨论：分析碳循环的过程
讨论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）？
请用关键词、线段、箭头、方框等
构建碳循环的模型。
一、碳循环
思考·讨论：分析碳循环的过程
大气中的二氧化碳库
光合作用
呼吸作用
溶解
光合作用
生产者
（1）光合作用、化能合成
作用等；
将CO2转化为有机物；
（2）呼吸作用；
将有机物分解为CO2。
大气中的二氧化碳库
消费者
（1）摄食等；
将前一营养级的有机物转
化为自身的有机物；
（2）呼吸作用等；
将有机物分解为CO2。
呼吸作用
摄食
大气中的二氧化碳库
分解者
微生物的分解作用等；
将动植物的遗体和动物的排遗物分解成无机物（包括CO2）。
微生物的分解作用
分解者
大气中的二氧化碳库
分解者
大气中的二氧化碳库
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CO2等。
煤、石油
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
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
【思考】若使上图表示完整的碳循环，需补充 。
现学现用
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
化石燃料的燃烧
现学现用
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
讨论3：你如何看待人类活动对碳循环的影响？
人类活动对煤和石油等能源的利用，会向大气中排放大量的CO2；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CO2浓度，维持生物圈的碳氧平衡。
一、碳循环
思考·讨论：分析碳循环的过程
1.碳的存在形式
2.碳在生物群落和非生物群落之间循环的主要形式：
3.碳在生物群落内的传递形式：
4.碳进入生物群落的途径：
5.碳在生物群落中传递的主要途径：
6.碳返回非生物环境的途径：
一、碳循环
非生物环境：
CO2（主要）和碳酸盐
生物群落：
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
含碳有机物
光合作用（主要）和化能合成作用
食物链、食物网
①生产者和消费者的呼吸作用；
②分解者的分解作用；
③化石燃料的燃烧。
一、碳循环
7.与自然界碳循环关系最为密切的两种细胞器：
8.碳循环特点：
9.碳循环具全球性的原因：
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：
（1）温室气体：
（2）主要原因：
（3）缓解措施：
线粒体和叶绿体
全球性、循环往复运动
CO2能够随着大气环流在全球范围内进行
温室效应
CO2等
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。
①减少CO2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
1.当今提倡的“低碳生活”有何生态学意义？
2.有人说：“把有害物质排放到远离人群的地方就安全了。”你如何理解？
★海洋对调节大气中的碳含量起着非常重要的作用。
二氧化碳在大气圈和水圈的界面上可以通过扩散作用而相互交换，从而维持大气圈的碳平衡。
减少化石燃料燃烧，缓解温室效应，有利于碳循环的平衡。
有些有害物质可通过大气、水和生物迁移等途径扩散到世界各地，最终对人类造成危害。
二、氮循环
1.概念：
组成生物体的________________________等______，都在不断进行着从_____________到__________，又从__________到____________的_____过程，这就是生态系统的物质循环，又叫生物地球化学循环。
碳、氢、氧、氮、磷、硫
元素
非生物环境
生物群落
生物群落
非生物环境
循环
三、生态系统的物质循环
2.特点：
3.物质循环的过程中起重要作用的生物：
三、生态系统的物质循环
①_______：物质循环的范围为生物圈；
②_____________：物质可被生物群落反复利用。
全球性
循环往复运动
完成了物质和能量的输入；
实现了物质和能量的输出；
加快了物质循环。
生产者
分解者
消费者
4.在农业方面的应用及意义：
三、生态系统的物质循环
物质在生态系统中循环往复运动的特点，对改进农业生产方式有多方面的启示。
例如，可以可采用种养结合的模式，在稻田中养鸭养鱼，动物的摄取食、消化能促进物质循环，它们排出的粪便中氮、磷等可供水稻吸收利用，它们呼出的二氧化碳还可以为水稻的光合作用补充原料。
日常生活中铅的应用
香烟
食品
玩具
工业
废气
化妆品
餐具
燃烧
容器
汽车
尾气
铅与人类的生活息息相关。
四、生物富集
实例——铅的富集
结论：
铅对人体血液、血管、肾脏、生殖腺和神经系统等均有毒害作用。在儿童中，铅中毒症状尤为明显。
自2013年起，联合国环境规划署和世界卫生组织联合号召：每年十月底在全球开展“预防铅中毒国际行动周”活动。
资料1
资料2
铅在植物组织中可致光合作用及脂肪代谢的强度减弱，吸水量减少，耗氧量增大，阻碍植物生长，甚至导致死亡。
资料3
铅对微生物也具有毒害作用。
铅是一种毒性很强的化学元素。
实例——铅的富集
结论：
实例——铅的富集
不同采样点中水、水底沉积物和中国血蛤体内铅浓度
结果：
中国血蛤
水
水底沉积物
中国血蛤
铅浓度(ppm)
采样点1 采样点2 采样点3 采样点4
资料4
生物富集
铅在中国血蛤体内的浓度超过环境浓度。
美洲钩虾
时间（天）
体内铅浓度(nmol/g)
实例——铅的富集
资料5
结果：
铅在美国钩虾体内浓度随浸泡时间延长而增加。
置于0.48 nmol/g铅溶液中美国钩虾体内铅浓度随时间的变化
实例——铅的富集
铅循环的主要过程：
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
燃烧冶炼
降雨
吸收
捕食
积累
（ ）
（ ）
（ ）
（ ）
最高营养级含铅量最高
四、生物富集
1.概念：
2.物质：
3.发生生物富集的物质的特点：
4.生物富集的主要途径——____________________。
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。
人工合成的有机物：DDT、六六六等。
重金属：铅（Pb）、镉（Cd）、汞（Hg）等；
①在环境和生物体中存在形式是比较______的；
②必须是生物体能够______的且_____________的；
③在生物代谢过程中是________________的。
稳定
吸收
不易被分解
不易排出
食物链、食物网
+一些放射性物质
四、生物富集
5.特点：
——具有全球性
①导致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。
——有害物质会沿_________逐渐在生物___________，最终积累在食物链的_________（即随营养级升高，浓度逐级递增，呈现生物放大现象）。
②如下图测定结果显示：
鱼鹰
大鱼
小鱼
植物
水
有害物质在生物体内的浓度
食物链
体内聚集
顶端
四、生物富集
6.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
四、生物富集
6.学习有害物质流动的特点对我们的启示：
①树立环境保护的意识，实施垃圾分类，合理利用资源；
②开发新技术和新材料，有效地减少铅等有害物质的使用和排放；
③利用某些生物能够富集有害物质的特征，进行被污染环境的生物修复。
五、能量流动和物质循环的关系
能量流动 物质循环
范围
形式
特点
过程
联系 二者是生态系统的主要功能，它们 ：①能量的 ，都离不开物质的 等过程；②物质作为能量的 ，使能量沿着食物链（网）流动；③能量作为 ，使物质能够不断地在生物群落和非生物环境之间循环往返。 生物群落（生态系统各营养级之间）
生物圈
光能→化学能→热能
碳在生物群落和非生物环境间主要以二氧化碳的形式
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
在生物群落和非生物环境之间循环往返
同时进行，相互依存，不可分割
固定、储存、转移和释放
合成和分解
载体
动力
五、能量流动和物质循环的关系
物质循环和能量流动的起点和终点是否相同？
不同。能量流动的起点是生产者固定的太阳能，终点是以热能的形式散失。物质循环没有起点和终点。
例：图中所示为一个简化的草原生态系统能量流动和物质循环示意图，①~⑦是对图中箭头含义的描述，所属箭头号码正确的是（ ）
①生物群落中能量的散失
②生物群落中的物质回归无机环境
③无机环境的能量进入生物群落
④能量在生物体之间传递转化
⑤能量沿着食物链流动
⑥碳元素从有机物变二氧化碳
⑦碳元素进入生物群落
A. ①—（2）（3）； ②—（3） B. ③—（1）；④—（2）
C. ④—（2）（3）；⑤—（2）（3） D. ⑥—（4）（5）；⑦—（1）
D
3.如图表示某生态系统一年中CO2的释放和消耗状况。有关叙述正确的是（ ）
A. 流经该生态系统的总能量可用④表示
B. ②的量越小，说明该生态系统施用的有机肥料越多
C. 该生态系统中消费者同化量的多少可用③表示
D. 该生态系统一年中CO2的释放量与消耗量相等
A
生产者用于生长、发育和繁殖的能量？
现学现用
1.右图表示a、b、c三地区森林土壤有机物分解状况，则分解者的作用强弱是（ ）
A. a>c＝b 　　　
B. c>b>a
C. c＝b>a 　　　
D. a>b>c
D
现学现用
2.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（ ）
A. 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
3.图1是某生态系统碳循环示意图，其中A、B、C、D是生态系统内各生物成分，1、2、3、4、5、6表示有关的生理过程；图2为该生态系统中某一食物链及部分能量流动情况。下列说法正确的是（ ）
A. 在图1中，B、C分别属于初级消费者、生产者
B. 图1中能表示呼吸作用过程的只有2、4、5
C. 在图2的食物链中，②/①的比值代表兔与狼（生物之间）的能量传递效率
D. 如果A发生瘟疫，D的数量将先增加后减少最后趋于稳定
D
生产者
初级消费者
分解者
次级
消费者
摄入量
粪便量
被分解者分解利用
狼的同化量
六、探究土壤微生物的分解作用
秋天刚收获的花生
第二年春天从土中刨出的花生
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，例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直数月时间。
★分解速度取决于：
环境温度和湿度
六、探究土壤微生物的分解作用
采集带有落叶的土壤
土壤垂直剖面模式图
腐殖质层
淀积层
枯枝落叶层
有机碎屑层
土壤微生物通过分泌胞外酶，将底物分解为简单的分子，然后通过细胞膜吸收营养物质。
采集土壤微生物的方法：
带有落叶的土壤中含有土壤微生物较多，
好氧微生物主要生活于土壤表层。
探究实验1：落叶是在土壤微生物的作用下腐烂的吗？
①实验分析：
自变量：
因变量：
无关变量：
土壤中是否含微生物
落叶的腐烂程度
土壤温度、含水量、pH、落叶的种类和大小、土壤理化性质、处理时间、掩埋深度等。
②实验设计：
提出问题
实验假设
实验设计 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
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
实验组：
对自变量
进行处理
将土壤用塑料袋包好，放在60℃恒温箱中处理1h
土壤不进行处理，自然状态
增加重复次数（每组落叶等量若干，组内设置多组等）
探究实验1：落叶是在土壤微生物的作用下腐烂的吗？
②实验设计：
目的：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
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 A1
B1
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
加入
碘液
加入斐
林试剂
探究实验2：土壤微生物能分解淀粉吗？
一、概念检测
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
√
×
C
一、概念检测
2.（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
C. 纤维素分解菌促进了生态系统中的物质循环
D. 能量流动方向是竹子→大熊猫→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
D
D
二、拓展应用
1.生物圈是不是一个在物质上自给自足的系统？为什么？
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？
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。
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。
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？
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。
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
A
B和C
D和E

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