新教材高中生物第3章生态系统及其稳定性第3节生态系统的物质循环学案新人教版选择性

第3节生态系统的物质循环
课标解读课标要求学习目标学习指导
2.举例说明利用循环规
律，人们能够更加科学、
有效地利用生态系统中
的资源
1.根据质量守恒定律，建立
生命系统的物质和能量观
（生命观念）
2.理解物质循环的过程，培
养运用理想思维分析问题、
解决问题的能力（科学思
维）
3.尝试探究土壤生物的分
解作用，提高实验技能与探
究能力（科学探究）
4.合理利用物质循环原理，
增强环保意识（社会责任）
1.通过分析生态系统的物
质循环和能量流动的关
系，建立生命系统的物质
和能量观
2.应用模型建构法，通过
构建和分析物质循环的模
式图，理解物质循环的过
程
3.通过物质与能量的关
系，分析物质循环与能量
流动的关系
自主学习·必备知识
一、碳循环
（1）图中①~⑥表示的过程分别是：
①光合作用，②呼吸作用，③呼吸作用，④捕食，⑤分解作用，⑥燃烧。

（2）A、B、C、D表示的生物类群是：⑦生产者、分解者、次级消费者、初级消费者。

【提醒】碳在生态系统各成分之间的传递并不都是双向的，只有生产者与无机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。

（1）在生物群落与非生物环境间：主要以⑧CO2的形式进行。

（2）在生物群落内：以⑨含碳有机物的形式进行。

（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：生产者、消费者的呼吸作用，分解者的分解作用，化石燃料的燃烧。

（5）⑩海洋对于调节大气中的碳含量起着非常重要的作用。

（1）形成原因：⑪化石燃料的开采和使用，大大增加了二氧化碳的排放，加剧了温室效应。

（2）危害：引起全球性气候变化。

（3）我国采取措施：减少二氧化碳排放和大力提倡植树种草，提高森林覆盖率。

组成生物体的⑫碳、氢、氧、氮、磷、硫等元素，都在不断进行着⑬从非生物环境到⑭生物群落，又从⑮生物群落到⑯非生物环境的循环过程，又叫生物地球化学循环。

物质循环具有⑰全球性。

二、生物富集
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。

（1）重金属：如铅、镉、汞等。

（2）人工合成的有机化合物：如DDT、六六六等。

（3）某些放射性物质。

（1）沿着食物链逐渐在生物体内聚集，最终⑱积累在食物链的顶端。

（2）具有全球性。

三、能量流动和物质循环的关系
（1）物质循环具有⑲ 全球性 和循环性的特点。

（2）能量流动是⑳ 逐级递减 的，是单方向不循环的。

（1）二者同时进行，彼此相互依存，不可分割。

（2）物质作为能量的㉑ 载体 ，使能量沿着食物链（网）流动；能量作为㉒ 动力 ，使物质能够不断地在㉓ 生物群落和非生物环境 之间循环往返。

四、探究土壤微生物的分解作用
（1）土壤中生活着细菌、真菌、放线菌等微生物，它们在生态系统中主要充当分解者。

在不同的气候与环境条件下，落叶在土壤中被分解的时间不同。

（2）淀粉→微生物 还原糖→
斐林试剂水浴加热 砖红色沉淀。

项目 案例1 案例2 实验假设 土壤微生物能分解落叶使之腐烂
土壤微生物能分解淀粉
实验设计 实验组 对土壤高温处理
A 烧杯中加入30 mL 土壤浸出液+淀粉糊
对照组 对土壤不做任何处理（自然状态） B 烧杯中加入㉔ 30 mL蒸馏水 +
与A 等量的淀粉糊
自变量
土壤中㉕ 是否含有微生物 是否加土壤浸出消液
实验现象 在相同时间内实验组落叶腐烂程度小于对照组 A A1 不变蓝
A2 ㉖ 产生砖红色沉淀
B B1 变蓝
B2 不产生砖红色沉淀
结论分析 ㉗ 微生物对落叶有分解作用 ㉘ 土壤浸出液中的微生物能分解
淀粉
注：在A1、B1中加入碘液，在A2、B2中加入斐林试剂并水浴加热。

【知识链接】土壤是微生物的天然培养基，大多数的土壤微生物是生态系统中的分解者，能够将土壤中的有机物分解为无机物。

土壤微生物的分解能力受温度和土壤湿度影响较大，一般情况下温度与湿度越高，土壤微生物的分解能力越强；反之，则越弱。

互动探究·关键能力
主题学习一碳循环
情境探究
碳元素是构成生物体的重要元素，在自然界中没有外来碳的供应，生物圈中碳供应却从未短缺，这与自然界中的碳循环密切相关。

自然界中的碳循环是如何进行的下图为生态系统中碳循环过程示意图，其中甲、乙、丙、丁构成生态系统的生物群落，箭头表示物质循环方向，请分析回答下列问题。

（1）图中的X是什么物质?甲、乙、丙、丁分别又是什么生物类群?
（2）过程①②主要是指什么生理过程
（3）过程③④指的是什么过程?碳元素在此过程中以什么形式传递
（4）图中的过程⑤是指微生物的分解作用，具体指哪两种主要形式
（5）温室效应加剧的原因是什么?如何缓解温室效应
答案：提示：（1）X是二氧化碳；甲、乙、丙、丁分别是分解者、生产者、初级消费者、次级消费者。

（2）①是光合作用及化能合成作用，②是细胞呼吸。

（3）③④指的是捕食过程。

碳元素在此过程中以含碳有机物的形式传递。

（4）微生物的分解作用包括有氧呼吸和无氧呼吸两种主要形式。

（5）根本原因是化石燃料的大量燃烧。

根本的缓解措施是减少CO2的排放，此外，还可以通过大力植树造林、开发新能源等措施缓解。

归纳总结
图甲
图乙
（1）碳存在形式{无机环境：CC2和碳酸盐生物群落：含碳有机物
（2）碳循环形式：
项目进入生物群落生物群落内部返回无机环境
形式CO2含碳有机物CO2
方式光合作用和化能合成作用通过食物链和食物网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
是否双向碳循环在生物群落与无机环境之间的传递是双向的，在群落内部的传递是单向的
图1
图2
图3
①图1——先根据双向箭头判断：A和B为生产者和大气中的CO2库，再根据A只有1个指入箭头，确定A为生产者，B为大气中的CO2库，注意B不能写成“非生物环境”，再根据
A、C均指向D判断D为分解者，则C为消费者。

②图2——根据A与C之间的双向箭头判断：A和C为生产者和大气中的CO2库，再根据A 只有一个指入箭头判断，A为生产者，C为大气中的CO2库。

根据A、B、D的箭头都指向E,A、B、D之间的箭头为A指向B，B指向D，可进一步判断：B是初级消费者，D是次级消费者，E是分解者。

③图3——根据A与E之间的双向箭头判断：A和E为大气中的CO2库和生产者，再根据E 只有一个指入箭头判断，E为生产者，A为大气中的CO2库。

然后观察剩余的几个成分，其中其他生物成分的箭头都指向C，所以C是分解者，剩余的B、D、F则为消费者。

图解中的食物链是E→F→D→B。

经典例题
例1 （2021江苏南通如皋中学阶段检测）下图为部分碳循环示意图，有关叙述正确的是( )
A.图中由生产者、Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ和Ⅳ构成的食物链中，能量最少的是Ⅲ
B.生产者为第一营养级，①②⑥⑧过程所含能量之和为生产者固定的总能量
C.根瘤菌与豆科植物互利共生时，其生命活动所需的有机碳来自⑥过程
D.①⑦⑧过程主要以CO2的形式进行，②③④⑤⑥过程以有机物的形式进行
答案： D
解析：分析题图，Ⅰ和生产者之间有来回双箭头，Ⅰ为大气中的CO2库，Ⅳ是分解者，二者不能参与食物链的构成，A错误;生产者同化的碳的总量为光合作用固定的能量，即①过程所含的能量，B错误;根瘤菌与豆科植物互利共生时，其生命活动所需的有机碳来自豆科植物的光合作用，即②过程，C错误;碳在生物群落和无机环境之间主要以CO2的形式流动，在生物群落内部以有机物形式流动，即①⑦⑧过程主要以CO2的形式流动，②③④⑤⑥过程以有机物的形式流动，D正确。

素养解读
本题结合碳循环的部分过程示意图，考查生态系统的功能，重点考查生态系统中的碳循环，要求考生识记生态系统中碳循环的具体过程，能准确判断图中各数字的含义，培养科学思维能力，并建立稳态平衡的自然观。

素养落实
1.（2020辽宁葫芦岛质量检测）下列关于生态系统中物质循环的叙述，错误的是( )
A.如果没有细胞呼吸，物质循环将会无法进行
C.物质循环是在生产者、消费者、分解者之间进行的
答案： C
解析：通过细胞呼吸能够完成物质由生物群落返回到无机环境的过程，如果没有细胞呼吸，物质循环将会无法进行，A正确;构成生物体的所有元素都能参与到物质循环中，B正确;物质循环应是在非生物环境与生物群落之间进行的，C错误;化石燃料的大量燃烧打破了生物圈中碳循环的平衡，短时间内二氧化碳大量释放，导致温室效应，D正确。

主题学习二能量流动和物质循环的关系与生物富集
情境探究
能量流动和物质循环是生态系统的两大功能，两者共同维持着生态系统的稳定。

下图为生态系统中能量流动和物质循环的关系图，据图回答下列问题：
（1）对物质循环起关键作用的成分是[a] 和[d] 。

（2）图中的①③⑤表示的生理过程分别是①，③，⑤。

（3）物质循环和能量流动的起点和终点是否相同？
（4）能量为什么不能随着物质循环而循环？
（5）两位同学在观看有关恐龙的影片时，甲同学提出：“我体内的能量中可能有远古恐龙体内的能量。

”乙同学也提出：“我体内的物质中可能有远古恐龙体内的物质。

”这两位同学的说法对吗？试分析原因。

（6）如图是某生态系统的结构模式图，该图中只表示物质流向的箭头是哪些？可表示能量流动的箭头有哪些？（用图中的数字标号表示）若该地发生铅污染，谁是群落中含铅量最高的群体？这种现象只会发生在污染地区吗？
答案：（1）生产者; 分解者
（2）光合作用 ; 呼吸作用 ; 分解作用
（3）不同，能量流动起点和终点分别是生产者固定太阳能和以热能的形式散失；而物质循环过程中物质是循环利用的，所以是没有起点和终点的。

（4）能量流动过程中，在呼吸作用中有一部分能量以热能的形式散失到周围环境中，不能再被任何生物利用，所以能量不会随着物质循环而循环。

（5）甲同学的说法错误，乙同学的说法正确。

因为能量是单向流动的，不能循环利用，而物质是可以循环利用的。

（6）②和⑤。

①③和④。

人体内含铅量最高。

铅污染可通过大气、水和生物迁移等途径扩散到世界各地。

归纳总结
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，而农药或重金属盐则存在“生物富集作用”，即营养级越高，该物质浓度越高。

如图所示：
DDT沿食物链放大
项
目
能量流动物质循环
形
式
太阳能→化学能→热能化学元素（无机物→有机物→无机物）
特
点
单向流动、逐级递减循环往复
范
围
生态系统中的生物生物圈（全球性）
联系①能量的固定、储存、转移、释放离不开物质的合成和分解等过程，两者同时进行、彼此相互依存、不可分割
②能量流动和物质循环都借助食物链和食物网进行
③物质是能量沿食物链（网）流动的载体
能量是物质在生态系统中反复循环的动力
经典例题
例2 分析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复
C.能量①②③④的总和便是生产者所固定的太阳能
CO2的形式进行的
答案： C
解析：物质是能量的载体，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无机环境之间循环往复，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，③的能量属于②，能量①②③④的总和大于生产者固定的太阳能，C错误；碳在生物群落和无机环境之间的循环主要是以CO2的形式进行的，在生物群落内是以含碳有机物的形式流动的，D正确。

素养解读
本题结合图示，联系生态系统中物质循环、能量流动的过程与特点，理解生态系统中物质是能量的载体，能量是动力，使物质在生物群落与无机环境间往复循环；物质循环的过程中伴随能量流动，建立物质循环和能量流动相互依存，不可分割的自然观。

素养落实
2.环境中的汞、铅等重金属随食物、饮水进入生物体内后储存在脂肪、神经组织中，不容易被排出体外。

某生态系统有甲、乙、丙、丁四个营养级，在某一时间测得生物体内所含某种重金属的浓度如图所示。

下列相关叙述错误的是( )
A.所处营养级越高的生物，其体内重金属浓度越高
C.该生态系统中物质流动渠道是丙→甲→乙→丁
答案： C
解析：重金属会沿食物链和食物网在生物体内富集，所处营养级越高的生物，其体内重金属浓度越高，A正确；乙营养级摄入的能量包括同化的能量和未同化的能量，因此乙营养级摄入的能量多于乙营养级同化的能量，B正确；该生态系统中的物质流动渠道是丁→乙→甲→丙，C错误；DDT和重金属都可通过食物链积累，D正确。

主题学习三探究土壤微生物的分解作用
情境探究
阅读教材P65~66探究·实践，思考并回答以下问题：
（1）参考案例1和参考案例2的自变量分别是什么？
（2）参考案例1中实验组应该如何处理？
（3）参考案例2中鉴定不同糖类用到的试剂分别是什么？使用时有什么注意事项？
（4）实验中应注意控制哪些无关变量？
答案：（1）参考案例1的自变量是土壤中是否含有微生物，参考案例2的自变量是是否含有微生物。

（2）实验组的土壤要进行灭菌处理，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，如将土壤用塑料袋包好，放在60 ℃恒温箱中处理1 h灭菌。

（3）鉴定淀粉需用碘液，碘液不可滴加过多，通常滴加1~2滴即可。

鉴定淀粉分解产生的还原糖可用斐林试剂，需要50∼65 ℃水浴加热2 min。

（4）如温度、湿度、pH、处理时间、埋藏深度等都属于无关变量，实验组与对照组的无关变量都应该是相同的。

经典例题
例3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，对土壤处理情况如表所示。

下列有关叙述不正确的是( )
1组2组3组4组
土壤处理灭菌不灭菌灭菌不灭菌
土壤湿度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.该实验的自变量为土壤是否灭菌，因变量是土壤的湿度
C.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
D.预期结论是1、3组的落叶不被分解，2、4组中的落叶被不同程度分解
答案： B
解析：题中表格有两个自变量：土壤是否灭菌和土壤湿度，因此可以探究不同土壤湿度条件下，土壤微生物对落叶的分解作用，A正确；该实验的自变量是土壤湿度和是否灭菌，因变量是落叶分解程度，B错误；作为实验材料的落叶也应进行灭菌处理，防止落叶中的微生物影响实验结果，C正确；1、3组土壤灭菌，土壤中没有微生物分解落叶，2、4组没有灭菌，土壤中有微生物分解落叶，只是在湿润和较干燥的环境中分解程度不同，D正确。

素养解读
本题通过表格呈现实验结果，考查考生利用实验结果，分析实验目的、实验变量及实验变量的控制方法等，培养考生科学思维与实验探究能力。

素养落实
3.（2020吉林白山高二期末）下列关于土壤微生物的叙述，错误的是( )
答案： C
解析：土壤中的细菌大多是异养型生物，只有少数（如硝化细菌等）为自养型，A正确；土壤中与大豆共生的根瘤菌可作为生态系统的消费者，B正确；土壤微生物主要是分解者，分解者不参与生态系统食物链中的能量流动，C错误；动植物遗体经土壤微生物分解后产生的无机盐和二氧化碳等物质可被农作物吸收再利用，D正确。

评价检测·课堂达标
课堂小结
课堂检测
1.下列叙述，正确的打“√”，错误的打“×”。

（1）碳可在森林群落和无机环境之间进行循环。

( √ )
（2）无机环境中的物质可以通过多种途径被生物群落反复利用。

( √ )
（3）生物富集具有全球性。

( √ )
（4）植物可通过呼吸作用和光合作用参与生态系统的碳循环。

( √ )
（5）生态系统的物质循环和能量流动是独立进行的。

( × )
（6）物质是单向流动、不可循环的。

( × )
（7）可采用加热烘干的方法除去实验组中的土壤微生物。

( × )
2.下列有关生态系统的物质循环的叙述，错误的是( )
答案： D
解析：生态系统的物质循环具有全球性，A正确；物质是指组成生物体的基本元素，B正确；碳循环在生物群落与无机环境之间以二氧化碳形式传递，并且循环往复，C正确；物质循环是在生物群落与无机环境之间而不是在生态系统的各营养级之间，D错误。

3.如图是生物圈中碳循环的示意图。

下列相关分析不正确的是 ( )
B.a是消费者，c是生产者，各成分间以CO2的形式传递碳元素
答案：B
解析：图中，a是消费者，c是生产者，碳在生物群落内部以含碳有机物的形式传递，在生物群落和非生物环境之间主要以CO2的形式循环，B错误。

4.关于有害物质在生物体内富集的说法错误的是( )
答案： C
解析：有害物质会沿着食物链逐渐在生物体内聚集，最终积累在食物链顶端，故食物链顶端动物体内有害物质浓度最高，C错误。

5.某同学完成了“探究土壤微生物的分解作用”的对照实验，对照组为( )
A.土壤不做处理，自然状态
答案： A
解析：对照实验中的对照组，就是接近于自然状态的一组，即不施加变量处理的一组，实验组是灭菌处理的土壤，故选A。

6.下图是碳循环示意图。

据图回答下列问题：
（1）在生物圈碳循环中，碳元素在和间循环。

岩石圈中的碳（填“直接”或“不直接”）参与碳循环。

（2）图中的①是作用，②表示的是关系。

过程③主要是在细胞内的中进行的。

④表示的是作用。

（3）碳循环的进行伴随着能量流动，物质作为能量的，使能量沿着流动。

由于生物体不能在代谢中利用能，能量流动具有单向流动、逐级递减的特点。

答案：（1）非生物环境; 生物群落 ; 不直接（2）光合; 捕食; 线粒体 ; 分解者的分解（3）载体; 食物链（网） ; 热
解析：（1）在生物圈的碳循环过程中，碳元素在非生物环境与生物群落之间主要以二氧化碳的形式进行循环，岩石圈中的碳不直接参与碳循环。

（2）据图分析，图中①表示光合作用，②表示捕食关系，③表示呼吸作用，线粒体是有氧呼吸的主要场所，④表示分解者的分解作用。

（3）物质循环伴随着能量流动，物质是能量的载体，能量是物质循环的动力，能量流动的渠道是食物链和食物网。

因为生物体不能利用在代谢中产生的热能，所以生态系统能量流动的特点是单向流动、逐级递减。