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第三章生态系统及其稳定性
第3节 生态系统的物质循环
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？
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？
胡杨林
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。
问题探讨
不难看出，这两种元素在生物群落和非生物环境之间是不断循环的。
呼一口气，许多二氧化碳分子就离开你的身体，进入大气中。
你能想象这些二氧化碳分子的去向吗？
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？进入身体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
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？
碳在非生物环境中主要以CO2的形式存在(还有碳酸盐)，在生物体内主要以有机物的形式存在。
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）？
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。
思考·讨论·分析碳循环的过程
CO2
生产者
消费者
分解者
光合作用
呼吸作用
呼吸作用
分解作用
有机物
有机物
有机物
有机物
一、碳循环
光合作用
光合作用
光合作用
大气中的CO2库
呼吸作用
呼吸作用
呼吸作用
呼吸作用
微生物的分解作用
煤 石油
分解者
溶解
摄食
无机环境
非生物的物质和能量 生产者、消费者、分解者
生物群落
碳循环
一、碳循环
大气中CO2
生产者
（CH2O）
碳从无机环境进入生物群落的途径：
绿色植物的光合作用（主要）
化能合成作用
光合作用
光合作用
光合作用
大气中的CO2库
呼吸作用
呼吸作用
呼吸作用
呼吸作用
微生物的分解作用
煤 石油
分解者
溶解
摄食
一、碳循环
大气中CO2
生产者
（CH2O）
（CH2O）
捕 食
消费者
碳在生物群落内部进行传递的渠道：
食物链（网）
形式？
含碳有机物
一、碳循环
光合作用
光合作用
光合作用
大气中的CO2库
呼吸作用
呼吸作用
呼吸作用
呼吸作用
微生物的分解作用
煤 石油
分解者
溶解
摄食
大气中CO2
分解者
化石燃料
生产者
（CH2O）
（CH2O）
（CH2O）
生物群落
无机环境
捕 食
消费者
碳从哪些途径从生物群落返回无机环境
（1）生产者和消费者的呼吸作用
（2）化石燃料的燃烧
（3）分解者有分解作用
一、碳循环
光合作用
光合作用
光合作用
大气中的CO2库
呼吸作用
呼吸作用
呼吸作用
呼吸作用
微生物的分解作用
煤 石油
分解者
溶解
摄食
大气中CO2
分解者
化石燃料
生产者
（CH2O）
（CH2O）
（CH2O）
生物群落
无机环境
捕 食
消费者
碳在无机环境与生物群落间是以_______ 的形式循环。
CO2
一、碳循环
光合作用
光合作用
光合作用
大气中的CO2库
呼吸作用
呼吸作用
呼吸作用
呼吸作用
微生物的分解作用
煤 石油
分解者
溶解
摄食
碳循环各种成分的判断步骤：生产者、消费者、分解者、大气中的CO2
1、看双向箭头：对应的是“生产者”和“大气中的 CO2”；
生物群落所有生物都可以通过呼吸作用释放 CO2 到大气中， 所有箭头都指向的为“大气中的CO2”，另外一个则为“生产者”。
剩下的为“消费者”和“分解者”。
2、生产者和消费者都可以被分解者分解。
B
A
C
D
（3）图中D到C过程是通过 作用实现的，C到D过程是通过 作
用实现的，B到D过程是通过 作用实现的。
碳循环始终与 结合在一起。
（4）生物群落中有一部分碳以 形式储藏在地层中。碳在无机环境中以 形式存在。
C
D
B
A
（1）此生态系统的能量流动是从[ ] 固定太阳能开始的。
（2）碳元素在大气中与A、B、C之间的流动是以 形式进行的，在生态系统各成分中A为 ，B为 。
例：下图示生态系统碳循环示意图，图中D为大气，请据图回答：
C
生产者
CO2
消费者
分解者
光合作用
呼吸作用
微生物的分解
能量流动
化石燃料
CO2和碳酸盐
【方法技巧】巧辨图形判断参与碳循环的四种成分
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、箭头指向最多的是大气中的CO2库，其次是分解者
（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）
1.碳的存在形式
非生物环境：
CO2（主要）和碳酸盐
生物群落：
含碳有机物
2.碳在生物群落和非生物群落之间循环的形式：
CO2
3.碳在生物群落内的传递形式：
含碳有机物
4.碳进入生物群落的途径：
光合作用（主要）和化能合成作用
5.碳在生物群落中传递的主要途径：
食物链、食物网
6.碳返回非生物环境的途径：
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
小结：
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
8.碳循环特点：
全球性、反复循环流动
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。
一、碳循环
大气循环
海洋循环
小结：
你如何看待人类活动对碳循环的影响？
《与社会的联系》
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；
人类活动增加大气中二氧化碳含量
温室效应影响：全球气候变暖，冰川融化，海平面上升，自然灾害频繁。
温室效应主要原因:
①化石燃料的开采和使用大大增加了二氧化碳的排放；
②森林、草原等植被遭到大面积破坏。
1.概念：组成生物体的碳、氢、氧、氮、磷、硫等元素，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，又叫生物地球化学循环。
2.范围：生物圈。
3.特点：
（1）全球性：物质循环的范围为生物圈。
（2）循环往复运动：物质可被生物群落反复利用，对改进农业生产方式有多方面的启示，例如可以采用种养结合的模式。
二、生态系统的物质循环
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。
课堂练习
1.如图为碳元素在生态系统中循环的模式图，图中甲、
乙、丙表示生态系统的生物成分，箭头表示生理过程。
下列相关叙述中，不正确的是( )
A.d过程代表光合作用，b过程代表呼吸作用
B.甲所示的营养级在食物链中占有的碳元素最多
C.碳元素在甲、乙、丙之间以有机物的形式传递
D.碳元素可在非生物环境和生物群落之间反复利用
2.下列关于生态系统中物质循环的叙述，错误的是（　　）
A.碳元素主要通过植物的光合作用进入到生物群落中
B.物质循环和能量流动是同时进行的，彼此相互依存
C.物质循环是生物群落与非生物环境之间进行的
D.分解者的分解作用打破了生物圈中碳循环的平衡
A
D
1.概念: 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。
2.物质
人工合成的有机物: 如DDT、六六六等。
重金属: 如铅(Pb)、镉(Cd)、汞(Hg)等。
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______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
4.生物富集的主要途径——______________
食物链、食物网
鱼鹰
大鱼
小鱼
植物
水
二、生物富集
铅在生物体内的浓度沿食物链不断升高
5.生物富集实例——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
二、生物富集
6.生物富集现象的特点
①具有全球性
原因：
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
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
如右图测定结果显示DDT浓度沿食物链放大了一千万倍
二、生物富集
能量流动 物质循环
范围
形式
特点
过程
联系
生物群落（生态系统各营养级之间）
生物圈
主要以有机物中的化学能的形式
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
二者是生态系统的主要功能，它们同时进行，相互依存，不可分割：①能量的固定、储存、转移和释放，都离不开物质的合成和分解等过程；②物质作为能量的载体，使能量沿着食物链（网）流动；③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返。
三、能量流动和物质循环的关系
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
1.实验原理：土壤中存在种类、数目繁多的细菌、丝状真菌和呈放射状的放线菌，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。
采集带有落叶的土壤
土壤垂直剖面模式图
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
★采集土壤微生物的方法
材料准备
1.实验器具：小烧杯、试管、三角瓶、玻璃棒、恒温培养箱、纱布、网袋、塑料袋、烘箱等。
2.试剂：淀粉、斐林试剂、碘液、无菌水等。
探究土壤微生物的分解作用
参考案例1
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
探究土壤微生物的分解作用
探究土壤微生物的分解作用
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
参考案例2
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
探究土壤微生物的分解作用
纱布
烧杯
土壤
水
玻璃棒
水
取出
碘液
斐林试剂
加热
（1）配制土壤浸出液
1.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
2.实验步骤
探究土壤微生物的分解作用
2.另取两只烧杯，编号A、B
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
室温（20℃）环境放置7d后
探究土壤微生物的分解作用
案例二
结论: 土壤浸出液中的微生物能分解淀粉
课堂练习
1.下面是甲、乙、丙、丁四个种群在一个达到生态平衡的环境中残留农药的DDT的平均浓度：
（1）这四个种群中属于生产者的是______。
（2）DDT在生物体内富集时，在能量流动的渠道中，_______越高，生物体内的DDT浓度越高。
（3）写出四个种群的能量流动渠道：______________________。
甲
种群 甲 乙 丙 丁
DDT浓度 0.04 0.35 0.39 3.4
营养级
乙
甲
丙
丁

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