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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
课时目标 1.运用物质与能量观，分析生态系统中的物质循环和能量流动的关系。(生命观念)
2．运用模型与建模的方法，分析碳循环的过程和特点。(科学思维)
3．阐明温室效应和生物富集效应的原理，保护环境。(社会责任)
一、生态系统的物质循环
1．碳循环
2．生态系统的物质循环
(1)概念：组成生物体的______________________等元素，都在不断进行着从__________到________，又从________到__________的循环过程。
(2)特点
①全球性：物质循环中所说的生态系统指的是地球上最大的生态系统——生物圈，因此又叫________________。
②物质在生态系统中_________运动。
碳、氢、氧、氮、磷、硫
非生物环境
生物群落
生物群落
非生物环境
生物地球化学循环
循环往复
二、生物富集
1．概念：生物体从________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____环境浓度的现象。
2．特点
(1)沿着______逐渐在生物体内聚集，最终积累在食物链的____。
(2)______。
周围环境
超过
食物链
顶端
全球性
三、能量流动和物质循环的关系
1．区别
项目 能量流动 物质循环
过程 沿____________单向流动 在________与__________之间循环往返
范围 生态系统各营养级 全球(生物圈)
特点 ________、逐级递减 全球性、________运动
食物链(网)
生物群落
非生物环境
单向流动
循环往复
2.联系
(1)能量流动和物质循环是生态系统的主要功能，它们同时进行，彼此相互依存，不可分割。
(2)能量的固定、储存、转移和释放，都离不开物质的__________等过程。
(3)物质作为能量的____，使能量沿着食物链(网)流动；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。
合成和分解
载体
动力
四、探究土壤微生物的分解作用
1．原理
(1)土壤中存在种类、数目繁多的细菌、真菌等微生物，它们在生态系统中主要充当______。
(2)分解者的分解速度与环境中的___________等因素有关。
(3)土壤微生物能分泌_______将淀粉分解成还原糖。
分解者
温度、水分
淀粉酶
2．实验方案
实验过程 案例一 案例二
实验假设 土壤微生物能分解落叶并使之腐烂 土壤微生物能分解淀粉
实验设计 实验组 将土壤用塑料袋包好，放在_______恒温箱中处理1 h A烧杯中加适量淀粉糊＋30 mL土壤浸出液
对照组 对土壤不做任何处理 B烧杯中加与实验组等量的淀粉糊＋_______________
60 ℃
30 mL蒸馏水
实验过程 案例一 案例二
实验
设计 自变量 土壤中是否含微生物 浸出液中是否含有土壤中的微生物
预期实验现象 对照组落叶腐烂程度更高 在A1、B1中加入碘液；在A2、B2中加入斐林试剂，加热。A1______， B1____，A2有砖红色沉淀，B2无砖红色沉淀
不变蓝
变蓝
3.实验结论：土壤微生物具有分解作用。
◆名师点睛
1．生态系统的物质循环中所说的“生态系统”并不是一般的生态系统，而是指地球上最大的生态系统——生物圈，因此物质循环具有全球性。
2．生态系统的物质循环中所说的“物质”并不是指组成生物体的化合物，而是指组成生物体的元素，如碳、氢、氧、氮、磷、硫等。
3．碳在生态系统各成分之间的传递并不都是双向的，只有生产者与非生物环境之间的传递是双向的，其他各成分间的传递均是单向的。
◆助学巧记
温室效应的加剧导致冰川融化，对许多南极生物的生存构成威胁。
◆基础速判(对的画“√”，错的画“×”)
1．沼渣等作为肥料还田，使物质能够循环利用。 (　　)
2．碳循环在生物群落内部以CO2形式进行。 (　　)
3．化石燃料的大量燃烧是温室效应加剧的主要原因。 (　　)
4．生物富集的物质会沿着食物链(网)在生物体内聚集。 (　　)
5．营养级越高的生物，其体内富集的有害物质的浓度越高。(　　)
6．“泉眼无声惜细流，树阴照水爱晴柔。小荷才露尖尖角，早有蜻蜓立上头。”诗句描绘出一幅初夏池塘景色图。结合所学知识判断下列说法的正误：
√
√
√
√
×
(1)“树”和“小荷”属于该生态系统的基石，它们都能将太阳能固定在其制造的有机物中。(　　)
(2)在诗中所描述的生态系统中，蜻蜓等的存在能够加快生态系统的物质循环。(　　)
(3)“树阴照水爱晴柔”中的“水”不属于生态系统的组成成分。(　　)
(4)池水中的有毒物质会沿食物链逐渐在生物体内聚集，最终积累在分解者体内。(　　)
√
√
×
×
◆思维启迪
1．哲学家早就有关于“物质运动和变化”的表述——日月更迭，寒暑交替，万物化育，生生不息。这体现了生态系统的什么功能？
提示：体现了生态系统的物质循环功能。
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？
提示：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。
任务一__碳循环
下图是碳循环过程的概念模型。
[问题探究]
1．碳在非生物环境和生物体内分别主要以什么形式存在？
答案：二氧化碳；有机物。
2．碳是如何进出生产者、消费者和分解者的(以什么形式、通过哪种生命活动、形成哪些产物等)
答案：碳以二氧化碳的形式通过光合作用被生产者固定在合成的有机物中，又以二氧化碳的形式通过呼吸作用返还非生物环境；生产者中的碳以有机物的形式被消费者摄食同化，形成消费者体内的有机物，又以二氧化碳的形式通过呼吸作用返还非生物环境；动植物遗体和动物的排遗物中的有机物，经过分解者的分解作用，以二氧化碳的形式返还非生物环境。
3．温室效应加剧的主要原因是什么？有哪些缓解措施？
答案：化石燃料的大量燃烧，打破了碳平衡。一方面采取措施减少二氧化碳的排放，如减少化石燃料燃烧，开发新能源等；另一方面增加二氧化碳的吸收和固定，如大力植树种草，提高森林覆盖率等。
1．碳循环分析
(1)碳循环图示
(2)碳循环过程分析
2．能量流动与物质循环关系的模型构建
(1)能量流动和物质循环相伴而行，但能量在传递过程中为光能→化学能→热能，而物质在循环过程中为无机物(CO2)→有机物→无机物(CO2)。
(2)能量流动的终点是以热能的形式散失到非生物环境中，不能循环利用；而物质循环产生的CO2又被重新利用，所以没有终点。
(1)误认为能量流动和物质循环能独立进行。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)误认为物质和能量都是循环的。物质不断循环，能量单向流动、逐级递减，不循环。
1．海洋“微型生物碳泵(MCP)”理论由我国科学家提出：微型生物将活性溶解有机碳转化为惰性溶解有机碳，使其不易被分解释放CO2，从而构成了海洋储碳。下列说法错误的是(　　)
A.水体中的藻类、蓝细菌和光合细菌能参与CO2的固定
B．碳元素在海洋生物群落中可以循环流动
C．可以用同位素标记法检测海洋微生物群落中有机碳的来源和去向
D．增强海洋“微型生物碳泵”有利于加快“碳中和”进程
B
解析：
水体中的藻类、蓝细菌和光合细菌均能利用光能进行光合作用，参与 CO2 的固定，A正确；碳元素在生物群落中是单向流动的，不能循环流动，B错误；为了检测海洋微生物群落中有机碳的来源和去向，可以用同位素标记法进行追踪，通过检测放射性确定，C正确；题意显示，“微型生物碳泵(MCP)”理论是指微型生物将活性溶解有机碳转化为惰性溶解有机碳，使其不易被分解释放 CO2 ，从而构成了海洋储碳，因此，增强海洋“微型生物碳泵”有利于增加海洋储碳，减少空气中的CO2，能加快“碳中和”进程，D正确。
2．某同学画出3幅表示生态系统部分碳循环的示意图，下列分析错误的是(　　)
　
A．3幅图中生产者都是A
B．图1中C能加快生态系统的物质循环
C．图2中A、B、D、E构成群落，碳在其中流动的形式是有机物
D．若使图1、图2、图3完整表示碳循环，需补充化石燃料燃烧产生CO2
A
解析：
图1中A为生产者，图2中A为生产者，图3中E为生产者，A错误；图1中C为消费者，能加快生态系统的物质循环，B正确；图2中A为生产者，E为分解者，B、D为消费者，A、B、D、E构成生物群落，碳在其中流动的形式是有机物，C正确；若使图1、图2、图3完整表示碳循环，需补充化石燃料燃烧产生CO2，D正确。
“三看法”快速确认碳循环的各环节
3．(2024·天津高二检测)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返
C
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
解析：
物质作为能量的载体，使能量沿着食物链(网)流动，A正确；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，B正确；生产者所固定的太阳能总量是指生产者总的同化量，能量③属于能量②，并且能量②③中的部分能量通过能量①散失，因此无法比较能量①②③④的总和与生产者固定的太阳能总量，C错误；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，D正确。
任务二__生物富集
DDT是一种有机氯农药，化学结构稳定，在环境中不易被降解，作为杀虫剂具有广谱杀虫、药效强劲持久、容易生产等诸多优点。然而大规模使用DDT对以游隼为代表的猛禽来说，却是一场噩梦的开始。
[问题探究]
1．DDT作为杀虫剂使用，为什么会在顶级捕食者游隼体内的脂肪中大量积累？
答案：DDT是一种有机氯农药，化学结构稳定，在环境中不易降解，会通过生物富集现象在顶级捕食者游隼体内的脂肪中大量积累。
2．研究发现，世界各分布区的游隼体内均有不同程度的DDT积累，这反映出生态系统的物质循环具有什么特点？
答案：全球性。
重金属和DDT等的生物富集作用
生物富集作用与能量流动正好相反，能量在沿食物链流动时逐级递减，而重金属或DDT等则存在“生物富集作用”，即营养级越高，该物质浓度越高。如下图所示：
1．(2025·福州高二检测)核废水中含有的放射性物质可能会对海洋生物和人类健康造成危害。若核废水不进行有效处理就排放，可能会对多种生物造成深远的影响，如在空气或蔬菜中可能会检测到131I。下列解释最合理的是(　　)
A．131I通过水和大气循环被带到其他区域
B．131I通过海洋生物捕食被带到其他区域
C．131I通过食物链富集在高营养级生物体内
D．131I插入蔬菜细胞的DNA造成基因突变
A
解析：
131I通过水和大气循环被带到其他区域，因此在空气和蔬菜中可能会检测到131I，这体现了物质循环的全球性，A正确。
2．某城市河流水质逐渐恶化，经过治理后，河水又恢复了清澈。图1表示该河流的能量金字塔(甲、乙、丙为3种鱼，丁为以这三种鱼为食的1种水鸟，甲不摄食藻类，箭头指示能量流动方向)，图2表示部分能量流动关系(图中数字表示同化的能量)。下列说法正确的是(　　)
A
A．图1食物网中遗漏了一条能量流动途径，该途径应该是水草→甲→丁
B．图1所示食物网中，次级消费者是甲和乙
C.结合图2分析，图1食物网中第一营养级到第二营养级的能量传递效率为7.6%
D．经检测，水体中含有某种可被生物富集的农药，推测此农药含量最高的生物是分解者
解析：
由题干信息可知，图1食物网中遗漏了一条能量流动途径，该途径应该是水草→甲→丁，A正确；图1所示食物网中，次级消费者是丙和丁，B错误；食物网中第一营养级到第二营养级的能量传递效率为两营养级的同化量之比，第二营养级包括甲和乙，由于甲的同化量未知，故无法计算第一营养级到第二营养级的能量传递效率，C错误；水体中含有某种可被生物富集的农药，推测此农药含量最高的生物是位于最高营养级的丁，D错误。
3．(2025·武汉高二检测)曾震惊世界的水俣病是人吃了被有机汞污染的鱼、虾和贝类所引起的。对水俣湾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进行分析，结果如下表：
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
则以下叙述不正确的是(　　)
A．生物体内甲基汞含量的积累是通过食物链实现的
B．丁体内甲基汞含量最高，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．这五种生物的能量流动过程是甲→戊→丙→乙→丁
D．该生态系统内碳循环开始于生产者
C
解析：
在食物链中，营养级越高有毒物质积累得越多，营养级越低有毒物质积累得越少。五种生物中，丙和戊的甲基汞浓度接近，因此两者处于同一营养级。能量流动是沿着食物链进行的，故这五种生物的能量流动过程是 ，C错误。
任务三__探究土壤微生物的分解作用_
根据教材P65～66“探究·实践”，探究土壤微生物对落叶的分解作用，并回答下列问题：
1．取材时，是在落叶多的地方取泥土还是落叶少的地方取泥土？说明理由。
答案：落叶多的地方，因为落叶多的地方微生物密集。
2．取表面上层土还是深入地下？为什么？
答案：表面上层土，因为大部分微生物需要进行有氧呼吸，分布在土壤的表层。
探究土壤微生物对落叶的分解作用的实验提醒
(1)该实验的自变量是微生物的有无。无关变量有温度、水分、空气等。
(2)该实验过程中落叶需要特殊处理：需要去除水分，避免实验误差。
(3)实验中对照组和实验组的实验材料的改变要有衡量标准，该实验的衡量标准是落叶的“腐烂程度”。
1．为探究落叶是否在土壤微生物的作用下腐烂，下列各项构成了一个实验设计，其中不符合实验目的的步骤是(　　)
A．可选择带有落叶的土壤为实验材料，筛选出落叶和土壤
B．将落叶平均分成两份，把土壤也平均分成两份
C．将灭菌的落叶设为实验组，不做处理的落叶设为对照组
D．将落叶分别埋入两组土壤中，观察腐烂情况
C
解析：
分解落叶的微生物往往在含有落叶的土壤中分布较多，所以可选择带有落叶的土壤为实验材料，筛选出落叶和土壤，A正确；由实验目的可知，实验分两组，一组为实验组，一组为对照组，所以要将落叶平均分成两份，把土壤也平均分成两份，B正确；应将灭菌的土壤设为实验组，不做处理的土壤设为对照组，C错误；将落叶分别埋入两组土壤中，观察腐烂情况，D正确。
2．某小组为探究土壤微生物对落叶的分解作用，进行了相关实验。下列相关叙述错误的是(　　)
A．本实验设置的因变量是土壤微生物的种类和数量
B．根据土壤中同种落叶的腐烂程度可以判断土壤微生物的分解作用
C．将带有落叶的土壤在60 ℃恒温箱中处理1 h的目的是杀死土壤微生物
D．实验中土壤的温度和含水量、落叶的种类和大小都应保持相同且适宜
A
解析：
本实验设置的因变量是落叶的腐烂程度，A错误；土壤中同种落叶的腐烂程度可以作为检测的指标，B正确；放在60 ℃恒温箱中处理1 h的目的是灭菌，同时尽可能避免土壤理化性质的改变，C正确；实验中土壤的温度和含水量、落叶的种类和大小属于无关变量，无关变量应保持相同且适宜，D正确。
关注农田生态系统的碳循环——科学思维与社会责任
生物兴趣小组对某农田生态系统的碳循环过程进行了调查，并绘制了碳循环过程示意图。
设计1：考查对图示信息及教材知识的理解能力
(1)在农田生态系统中，农作物通过过程①__________从大气中吸收二氧化碳并固定在农作物体内。土壤碳库中的有机物由分解者通过过程②____________转变成无机物重新被植物利用。
设计2：考查知识迁移与推断能力
(2)碳元素在大气碳库、植物碳库和土壤碳库之间循环的主要形式是____________，人类活动________(填“加速”或“减缓”)了碳循环的进程。
设计3：考查信息获取与长句表达能力
(3)物质循环过程伴随着能量流动，据图分析，输入农田生态系统的能量包括__________________________________________。
设计4：考查批判性思维及长句表达能力
(4)有同学认为生态系统中的物质是循环利用的，无须往农田中不断地施加肥料。你是否同意该同学的观点？________________________，请给出你的理由：____________________________________________
__________。
答案：(1)光合作用　分解作用
(2)二氧化碳　加速
(3)农作物固定的太阳能、种子和有机肥中含有的能量
(4)不同意　农产品源源不断地从农田生态系统中输出，其中的元素不能归还土壤，所以需要不断地施加肥料
解析：
(1)过程①是从大气中吸收二氧化碳并固定在农作物体内，表示光合作用；过程②是分解者的分解作用，通过该过程将土壤碳库中的有机物转变成无机物。(2)碳元素在大气碳库、植物碳库和土壤碳库之间循环的主要形式是二氧化碳。人类作为消费者可以加快生态系统的物质循环，所以人类活动加速了碳循环的进程。(3)从图中可以看出，输入农田生态系统中的能量有农作物固定的太阳能、种子和有机肥中含有的能量。(4)不同意该同学的观点。由于农产品源源不断地从农田生态系统中输出，其中的元素不能归还土壤，所以需要不断地施加肥料，这与物质循环不矛盾。
1．下列关于碳循环的说法，正确的是(　　)
A．碳在生物群落与非生物环境之间的循环主要是以二氧化碳的形式进行的
B．碳在生物群落内是以有机物的形式循环的
C．碳在整个生物圈是以二氧化碳的形式循环的
D．非生物环境中的碳都是以光合作用的形式进入生物群落的
A
解析：
生态系统中的碳在生物群落与非生物环境之间是以二氧化碳的形式循环的，但是在生物群落内是以含碳有机物的形式传递的，不能进行循环，A正确，B、C错误；碳通过生物群落的光合作用与化能合成作用以二氧化碳的形式进入生物群落，同时通过生物群落的呼吸作用以二氧化碳的形式返回非生物环境，D错误。
2．如图为碳循环的部分示意图，下列叙述正确的是(　　)
A.伴随过程甲的进行，能量输入生物群落中
B．过程乙只代表生物的呼吸作用
C．能完成该循环的生物一定含有叶绿体和线粒体
D．群落内部、群落与非生物环境之间碳循环形式相同
A
解析：
伴随过程甲(光合作用或化能合成作用)的进行，能量输入生物群落中，A正确；过程乙可以代表生物的呼吸作用、分解者的分解作用和化石燃料的燃烧等，B错误；蓝细菌和硝化细菌等原核生物没有叶绿体和线粒体，也能完成该循环，C错误；碳在非生物环境与生物群落之间以CO2的形式进行循环，而在生物群落内部以含碳有机物的形式进行传递，D错误。
3．下列关于生态系统的物质循环的叙述，不正确的是(　　)
A．化石燃料的大量开采和使用加剧了温室效应
B．所指的物质是组成生物体的各种元素
C．所说的生态系统是指地球上最大的生态系统——生物圈
D．温室效应具有全球性，但生物富集现象只限于生物圈的局部
D
解析：
化石燃料的大量开采和使用大大增加了二氧化碳的排放，加剧了温室效应，A正确；物质循环是指组成生物体的碳、氢、氧、氮、磷、硫等元素在生物群落和非生物环境之间不断循环的过程，即所指的物质是组成生物体的各种元素，B正确；物质循环具有全球性，所说的生态系统是指地球上最大的生态系统——生物圈，C正确；一些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，因此生物富集现象具有全球性，D错误。
4．(2024·大庆高二检测)有科学家指出：“没有物质，什么都不存在；没有能量，什么都不会发生；没有信息，任何事物都没有意义”。下列关于生态系统功能的叙述，正确的是(　　)
A．营养级越高，生物个体所含能量越低
B．任何生态系统都需要不断得到来自系统外的能量补充
C．生态系统中能量流动可以双向进行
D．能量流动和物质循环紧密地联系在一起，具有相同的特点
B
解析：
营养级越高，生物个体所含能量不一定越低，但是营养级越高，整个营养级所含有的能量越低，A错误；任何生态系统都会通过呼吸作用将大部分的能量散失，故都需要不断得到来自系统外的能量补充，以便维持生态系统的正常功能，B正确；生态系统中能量流动是单向的、逐级递减的，C错误；能量流动和物质循环紧密地联系在一起，但两者特点不同，前者是单向流动、逐级递减，后者具有循环往复、全球性等特点，D错误。
5．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，对土壤处理情况如下表所示。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，实验中的对照组是1组和3组
D.预期结果是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
解析：
若该实验的自变量为土壤是否进行灭菌处理，则1、2组对照可探究湿润土壤中微生物对落叶的分解作用，3、4组对照可探究较干燥土壤中微生物对落叶的分解作用，其中2组和4组为对照组，1组和3组为实验组，C错误。
6．(2025·广州高二检测)为积极应对全球气候变化，我国政府宣布了“双碳”目标：于2030年前确保“碳达峰”(CO2排放量达到峰值)，力争在2060年前实现“碳中和”(CO2排放量与减少量相等)。这是我国向全世界的郑重承诺，彰显了大国担当。请回答下列问题：
(1)光在维持碳平衡的过程中有着重要作用，光可为________的光合作用提供________，还可作为信息调节生产者、消费者和分解者的生命活动。
(2)全球变暖是当今国际社会共同面临的重大问题，从全球碳循环的主要途径来看，增加____________、减少____________是实现碳达峰和碳中和的重要举措。
(3)在自然生态系统中，植物等从大气中摄取碳的速率与生物的呼吸作用和分解作用释放碳的速率大致相等，可以自我维持__________。自工业革命以来，大气中CO2的浓度持续增加，引起全球气候变暖，导致的生态后果主要是______________________________________________
______________。
(4)碳在生物群落与非生物环境之间的循环主要是以____________的形式进行的；大气中的二氧化碳能够随着大气环流在全球范围内流动，因此，碳循环具有________；消费者通过食物网(链)将碳元素以________________的形式进行传递。
答案：(1)生产者　能量
(2)碳固定量(或碳吸收量)　碳排放量
(3)碳平衡　极地冰雪和高山冰川融化、海平面上升等
(4)二氧化碳　全球性　含碳有机物
解析：
(1)光在维持碳平衡的过程中，为生产者(绿色植物)的光合作用提供能量，还作为信息调节生产者、消费者和分解者的生命活动。(2)从全球碳循环的主要途径来看，应对全球变暖问题，实现碳达峰和碳中和的重要举措为增加碳固定量(或碳吸收量、碳存储量)、减少碳排放量。(3)在自然生态系统中，植物等生产者从大气中摄取碳的速率与生物的呼吸作用和分解作用释放碳的速率大致相等，能够实现碳平衡的自我维持。自工业革命以来，由于大量的化石燃料的燃烧产生了大量的CO2，导致大气中CO2的浓度持续增加，引起全球气候变暖，进而导致极地冰雪和高山冰川融化、海平面上升等生态后果。
解析：
(4)碳循环主要是以二氧化碳的形式在生物群落与非生物环境之间进行的；大气中的CO2随着大气环流在全球范围内流动，具有全球性；消费者通过食物网(链)将碳元素以含碳有机物的形式进行传递。

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