高中生物必修3(同步课程讲解+练案)第5章 第19课时

第19课时生态系统的物质循环
[目标导读] 1.结合教材P
图5－11和温室效应示意图，分析生态系统物质循环的特点，并
101
说明碳循环失调与温室效应的关系。

2.结合教材P102～103内容，设计实验探究“土壤微生物的分解作用”。

3.尝试建立概念图，说明物质循环与能量流动的关系。

[重难点击] 1.生态系统的物质循环过程和特点。

2.物质循环与能量流动的关系。

一碳循环
碳完善下面的碳循环模式图，并思考回答下面的问题：
1．碳循环过程
(1)碳在自然界中以CO2和碳酸盐的形式存在，在大气中以CO2的形式存在。

(2)自然界中的碳元素以CO2的形式被生产者利用，通过光合作用或化能合成作用合成含碳有机物储存在生产者体内，进入生物群落。

(3)碳元素在生物群落中以含碳有机物的形式，沿着食物链和食物网往下传递，最终流向分解者。

(4)动植物的呼吸作用和分解者的分解作用，以及化学燃料的燃烧都可以把有机物分解成无机物，以CO2的形式归还大气。

(5)由此看出，碳循环其实就是碳元素在生物群落和无机环境间的循环过程。

所以，物质循环就是指组成生物体的C、H、O、N、P、S等元素，不断在无机环境和生物群落中循环的过程，物质循环的范围是整个生物圈。

2．碳循环特点
使用农药DDT(难降解)的只有一小部分地区，可是远在南极的动物体内也发现了DDT，这一现象说明物质循环具有全球性，因此物质循环又叫生物地球化学循环。

3．如果人们不按生态规律办事，乱砍滥伐森林，对生态系统的碳循环有何影响？
答案打破碳循环平衡，使大气CO2进入生物群落过程受阻，大气中CO2的含量就会明显增多。

4．化学燃料的大量燃烧，对生态系统的碳循环有何影响？又有什么危害？
答案CO2在很短时间内释放出来，打破碳循环平衡，使大气中CO2的含量增高，进而导致温室效应。

危害：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。

归纳提炼
碳循环中各成分的确定方法
图中①与④之间为双箭头，故一个为生产者，另一个为大气中的CO2库；又因为其他各个成分都有箭头指向④，所以④为大气中的CO2库，①为生产者。

其他生物部分的箭头都指向③，所以③是分解者，剩余的②为消费者。

活学活用
1．如图为生态系统中碳循环过程，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。

请判断下列说法的正误：
(1)图中①过程可以表示绿色植物的光合作用()
(2)缺少类群甲则生态系统的物质循环不能正常进行()
(3)碳在乙、丙中以有机物的形式存在()
(4)参与物质循环的对象是含碳的糖类、脂肪、蛋白质等有机物()
(5)碳循环是在组成生态系统的生物群落的生物体内的循环过程()
(6)碳循环是生物群落与无机环境之间的循环过程()
(7)图中的生态系统可以是果园生态系统()
问题导析(1)据图，气体X为CO2，与其具有双向箭头的乙为生产者，乙、丙、丁都指向甲，甲为分解者，丙为初级消费者，丁为次级消费者。

(2)碳在生物群落内的存在形式是含碳有机物。

(3)碳循环是组成生物体的元素的循环，而不是化合物的循环。

答案(1)√(2)√(3)√(4)×(5)×(6)√(7)×
解析由图可知，气体X为二氧化碳，类群乙为生产者，类群丙为消费者。

联系生物群落与无机环境的两种成分是生产者和分解者，图中甲为分解者，如果甲缺少，生态系统的物质循环将不能正常进行。

参与循环的物质对象是组成生物体的C、H、O、N、P、S等元素。

生物
地球化学循环指的是地球上最大的生态系统(生物圈)中的物质循环，在生物圈的生物群落与无机环境之间的循环过程。

二土壤微生物的分解作用
1．实验原理
(1)土壤中存在种类、数目繁多的细菌、真菌等微生物，它们在生态系统中的成分为分解者。

(2)分解者的作用是将环境中的有机物分解为无机物，其分解速度与环境中的温度、水分等生态因子相关。

2．案例设计
(注：在A1、B1中加入碘液，在A2、B2中加入斐林试剂并加热。

)
小贴士碘液与斐林试剂的检测程度不同：前者检测淀粉的分解是否彻底完成，后者检测淀粉的分解是否发生。

知识拓展
实验组、对照组的确定
(1)验证实验中二者如何确定：根据题意首先弄清实验研究的自变量是什么，然后找到进行自变量处理的实验即为实验组，没进行自变量处理，仅为排除无关变量干扰而设置的实验为对照组。

(2)探究实验中二者如何确定：接受自变量处理的实验结果是未知的为实验组；未接受自变量
处理的实验结果是已知的为对照组。

活学活用
2．同学们在课外活动中发现植物的落叶在土壤里会逐渐腐烂，形成腐殖质。

他们猜测落叶的腐烂是由于土壤微生物的作用，不同生态系统的土壤微生物分解能力不同，并设计了实验进行验证。

(1)实验设计首先要遵循的是______原则和______原则。

(2)以带有同种落叶的土壤为实验材料，均分为A和B两组。

实验时A组不做处理(自然状态)；B组用塑料袋包好，放在60 ℃的恒温箱中灭菌1小时。

B组处理的目的是
________________________________________________________________________。

(3)第(2)问中实验的自变量是________________________，因变量是____________________，无关变量是_______________________________________________________(至少写出两点)。

(4)如果同学们的猜测是正确的，若干天后(2)中B组的落叶________________________________________________________________________。

(5)如果同学们用带有相同量同种植物落叶的冻土苔原和热带雨林
的等量土壤为实验材料，分别模拟原生态系统的无机环境条件进
行C组和D组的实验，定期抽样检测样品土壤中未腐烂的落叶的
含量，请根据预测结果在右图中绘出相应的曲线。

问题导析(1)该实验的目的是验证落叶的腐烂是由于土壤微生物的作用，实验的自变量是土壤中微生物的有无，因变量是落叶的腐烂程度。

(2)为遵循实验设计的对照原则和单一变量原则，所以应尽量减少无关变量对实验的影响，如土壤温度、湿度、pH、落叶的种类和大小等。

(3)由于(2)中B组已灭菌，则依据同学们的猜测可知若干天后(2)中B组的落叶腐烂程度小于对照组。

(4)在绘制曲线时，应注意以下几点：①明确横坐标和纵坐标的意义，其中纵坐标为未腐烂的落叶量；②两曲线的起点相同，注意纵坐标初始值不为0；③由于微生物的分
解作用，两曲线呈下降趋势，且D组下降速度较C组_快；④随时间延长，微生物的数量增多，故两曲线的下降趋势是由慢到快。

答案(1)单一变量对照(2)杀死土壤微生物，同时避免土壤理化
性质的改变(3)土壤微生物(作用)的有无落叶的腐烂程度土壤
温度、含水量、pH、落叶的种类和大小等(合理即可)(4)腐烂程度
小于对照组(5)如右图
解析由题意可知该实验的目的是验证落叶的腐烂是由于土壤微生物的作用，实验的自变量
是土壤中微生物的有无，因变量是落叶的腐烂程度。

为遵循生物实验设计的对照原则和单一变量原则，所以应尽量减少无关变量对实验的影响，如土壤温度、湿度、pH、落叶的种类和大小等。

在绘制曲线时，应注意以下几点：①明确横坐标和纵坐标的意义，其中纵坐标为未腐烂的落叶量；②两曲线的起点相同，注意纵坐标初始值不为0；③由于微生物的分解作用，两曲线呈下降趋势，且D组下降速度较C组快；④随时间延长，微生物的数量增多，故两曲线的下降趋势是由慢到快。

三能量流动与物质循环的关系
物质循环和能量流动的特点虽不相同，却是紧密联系在一起的。

分析下图并回答问题：
1．从图中可以看出，无机环境为生物成分提供物质和能量。

2．生态系统的主要功能是能量流动和物质循环。

二者均开始于生产者通过光合作用合成有机物、固定太阳能，然后沿共同的渠道——食物链(网)一起进行。

3．能量流动的特点是单向流动、逐级递减，物质循环的特点是全球性、循环性。

4．能量流动和物质循环的关系
(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，使能量沿着食物链和食物网流动。

(3)能量作为动力，使物质能够不断地在无机环境和生物群落之间循环往返。

能量以物质形式存在和流动，能量促进了物质的循环。

易错警示
绘制物质循环和能量流动图解时应注意的问题
(1)绘制物质循环图解时，注意物质是可以循环的，即物质循环的箭头可以是双向的。

(2)能量流动是单向的，生产者的能量可流向消费者和分解者，但消费者与分解者中的能量不能流向生产者。

(3)绘制能量流动图解时，只要存在有机物传递即伴随着能量的传递(如动植物遗体、残枝败叶→沼气池；沼渣→食用菌等，均既有物质传递，又有能量流动)。

活学活用
3．如图是某森林生态系统物质和能量流向示意图，h、i、j、k表示不同用途的有机物(j是未利用部分)，方框大小表示使用量，下列叙述正确的是()
A．进入该生态系统的CO2量与各h产生的CO2总量相等
B．生产者i的量大于被初级消费者同化有机物的量
C．流向分解者的k可被生产者直接吸收利用
D．流经该生态系统的物质和能量可循环利用
问题导析(1)图中h、i、k分别指代用于细胞呼吸、流入下一营养级、流向分解者的有机物量。

(2)进入该生态系统的CO2量应该包括各h产生的CO2总量和未利用部分的总和。

(3)因为能量流动是逐级递减的，所以生产者i的量大于被初级消费者同化有机物的量。

(4)能量流动是单向的，所以流向分解者的k不能被生产者直接吸收利用。

答案 B
解析进入该生态系统的CO2量应该包括各h产生的CO2总量和未利用部分的总和，A项错误；能量流动是逐级递减的，所以生产者i的量大于被初级消费者同化有机物的量，B项正确；能量流动是单向的，所以流向分解者的k不能被生产者直接吸收利用，C、D项错误。

当堂检测
1．若甲代表生产者，乙代表消费者，丙代表分解者，丁代表大气中的CO2库，则图中能正
确表示甲、乙、丙、丁在碳循环中的关系的是()
答案 B
解析生产者从大气中吸收CO2进行光合作用或化能合成作用，合成的有机物一部分被消费者利用，一部分被分解者利用，一部分未被利用，还有一部分用于呼吸作用产生CO2释放到大气中；消费者只能从生产者获得有机物，一部分用于呼吸作用产生CO2释放到大气中，一部分传递给分解者，一部分未被利用，还有一部分传递给下一级消费者(最高营养级除外)；分解者可以从生产者、消费者中获得有机物，最终通过呼吸作用产生CO2释放到大气中。

2．某同学完成了土壤微生物的分解作用的对照实验，对照组要求()
A．土壤不做处理，自然状态
B．土壤做高温灭菌处理
C．排除土壤微生物的作用
D．尽可能避免土壤理化性质的改变
答案 A
解析探究土壤微生物的分解作用的实验中，对照组的土壤不做处理，保持自然状态。

实验
组的土壤要进行高温灭菌处理，以排除土壤微生物的分解作用，同时要尽可能避免土壤理化性质的改变。

3．如图表示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＞b＞c B．c＞b＞a
C．c＝b＞a D．a＞c＝b
答案 A
解析由题图可知，a地区落叶量大，但土壤中有机物的含量最少，说明a地区的有机物分解速度快，依次类推b地区有机物的分解速度小于a大于c。

由此可推知，分解落叶的能力a ＞b＞c。

4．两位同学在科技馆观看有关恐龙的化石时，甲同学提出“我体内的能量有部分可能是远古恐龙体内的能量”，乙同学接着说“我体内的物质有部分可能是远古恐龙体内的物质”。

下列有关叙述正确的是()
A．两位同学的说法都有道理
B．两位同学的说法都没有道理
C．只有甲同学的说法有道理
D．只有乙同学的说法有道理
答案 D
解析能量是单向流动的，不能循环利用，最终都以热能的形式散失，所以甲同学的说法错误；物质是可循环往复利用的，组成生物体的元素在无机环境和生物群落之间可被反复利用，所以乙同学的说法有些道理。

5．下面是生态系统的碳循环示意图，请据图回答下列问题：
(1)生态系统中碳循环首先依赖于绿色植物的________________。

(2)图中分解者通过______________或______________方式将生物组织内的碳释放到大气中。

(3)图示A中的碳，除碳酸盐外，通过________________作用回到大气中。

(4)在无机环境与生物群落之间，碳元素主要以________的形式进行循环，循环始终与______________结合在一起进行。

碳元素在生物群落中以__________________的形式存在。

答案(1)光合作用(2)有氧呼吸无氧呼吸(3)燃烧(4)CO2能量流动有机物
解析(1)无机环境中的碳一般通过绿色植物的光合作用进入生物群落。

(2)分解者能够通过有氧呼吸或无氧呼吸将生物组织内的碳释放到大气中。

(3)图示A中的碳，除碳酸盐外，一般通过化学燃料燃烧的形式返回到大气中。

(4)碳在无机环境与生物群落之间主要以CO2的形式进行循环；物质循环往往伴随着能量流动。

在生物群落中，碳主要以有机物的形式存在。

40分钟课时作业
基础过关
知识点一碳循环
1．如图是生态系统中某元素循环的模式图，对该图的叙述正确的是()
A．这是碳元素的循环
B．A与B两种生物是生态系统中不可缺少的成分
C．图中缺少化学燃料的燃烧
D．该物质循环只在某生态系统内进行
答案 A
解析图中B是消费者，不是生态系统中必不可少的成分。

物质循环是在生物圈范围内进行的。

煤和石油属于化学燃料。

2.如图是自然界碳循环的简图，图中甲、乙、丙各代表()
A．甲为生产者、乙为分解者、丙为消费者
B．甲为消费者、乙为分解者、丙为生产者
C．甲为分解者、乙为生产者、丙为消费者
D．甲为生产者、乙为消费者、丙为分解者
答案 A
解析碳在生物群落和无机环境之间主要是以二氧化碳的形式进行循环的。

首先通过光合作用或化能合成作用，被合成有机物进入生产者体内，再通过食物链流到各级消费者体内，各营养级部分有机物流到分解者，被分解成二氧化碳再释放到大气中，同时各种生物的呼吸作用也产生二氧化碳，直接回到大气中。

知识点二土壤微生物的分解作用
3．如图是两个生态系统中腐殖质总量随时间的变化情况，这两个生态系统分别是()
A．A是热带草原，B是热带雨林
B．A是热带雨林，B是温带草原
C．A是冻土苔原，B是热带雨林
D．A是冻土苔原，B是温带草原
答案 C
解析腐殖质是落叶等与土壤的混合物，含有大量的未完全分解的动植物残体。

对这些残体进行分解的是分解者，分解者在热带雨林中的数量和种类最多，因此在该环境中，腐殖质的数量少，而矿质元素等营养物质的含量高。

4．利用泥浆生物反应器处理污染土壤，原理是将污染土壤用水调成泥浆状，同时加入部分营养物质和菌种等，在有氧条件下剧烈搅拌，使污染物快速分解。

由此推知，该反应器() A．能够实现物质循环
B．主要处理有机污染
C．可看作一个小型生态系统
D．存在能量输入、传递、转化和散失
答案 B
解析菌种在有氧条件下使污染物快速分解，所以主要分解的是有机物。

物质循环发生在生
物圈范围内，生态系统中必须有生产者，这样才有能量的输入。

知识点三能量流动与物质循环的关系
5．下列关于生态系统中物质循环和能量流动的叙述中，不正确的是()
A．生态系统中能量的输入、传递、转化和散失的过程为生态系统的能量流动
B．生产者通过光合作用合成有机物，能量就从无机环境流入生物群落
C．物质是能量的载体，生态系统的能量是伴随物质而循环利用的
D．碳在生物群落与无机环境之间的循环主要是以CO2的形式进行的
答案 C
解析生态系统中能量只能单方向流动，不能循环。

6．下列与生态系统功能相关的描述中，错误的是()
A．碳循环过程需要能量的驱动
B．物质与能量在生物与环境之间循环流动
C．植物的光合作用和生物的死亡分解是碳循环的一部分
D．全球气候变暖与地球上大气中碳的收支不平衡有关
答案 B
解析物质循环指组成生物体的C、H、O、N、P、S等元素在生物群落和无机环境间的往返循环，能量流动是动力，但能量不能循环，能量流动是单向流动、逐级递减的。

能力提升
7．火灾常给森林带来较大危害，但是在某些国家有时会对寒带地区森林中的残枝落叶等进行有限度的人工火烧，来对森林进行资源管理。

这种人工火烧的主要目的是()
A．消灭森林病虫害
B．刺激树木种子萌发
C．加速生态系统的分解过程
D．提高森林的蓄水能力
答案 C
解析寒带地区温度低，微生物的代谢活动弱，对有机物的分解能力低，致使残枝落叶大量积累，而不能及时分解，使生态系统的物质循环出现了障碍。

对残枝落叶进行有限度的人工火烧，既能保证微生物有足够的食物，又可以加速残枝落叶的分解，促进了生态系统的物质循环。

8．如图表示生物圈中碳元素的循环过程，下列有关叙述正确的是()
A．③过程代表绿色植物的光合作用
B．图中A、B分别代表消费者和生产者
C．温室效应主要是由⑦过程造成的
D．农业生产中的中耕松土可以增大⑤过程
答案 C
解析化学燃料的大量燃烧是造成温室效应的主要原因。

③过程表示呼吸作用，A表示分解者，中耕松土对过程③有促进作用。

9．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无机环境之间循环往返
C．能量①②③④的总和便是生产者所固定的太阳能总量
D．碳在生物群落和无机环境之间的循环主要是以CO2的形式进行的
答案 C
解析生产者所固定的太阳能总量是指生产者总的同化量，①②③④的总和不等于生产者所固定的太阳能总量。

生态系统的物质循环与能量流动紧密联系、缺一不可，物质作为能量的载体，能量作为物质循环的动力。

10．如图为生态系统碳循环模式图，下列分析错误的是()
A．f表示大气中的二氧化碳库
B．该图中有三条食物链
C．图中的a一定是自养生物，b、c、d、e一定是异养生物
D．碳以有机物的形式由a传到b
答案 B
解析因为研究对象为碳循环，所以要考虑生物及非生物的物质和能量，只有生产者才能吸收二氧化碳，生产者、消费者和分解者都要产生二氧化碳，所以a为生产者，b为分解者，f 为无机环境，图中只有一条食物链，B项错误。

11．如图甲为一个长期处于稳定状态的生态系统的物质循环示意图；表乙是对图甲中生态系统各组成成分的能量流动情况调查结果；图丙是该生态系统中人类对物质与能量的利用情况部分示意图。

请据图回答问题：
(单位：×102 kJ·m－2·a－1)
(1)大气中二氧化碳的来源有三个，分别是动植物的呼吸作用、__________________、__________________。

若图甲中的“→”仅表示二氧化碳的流动方向，则不会存在的过程有____________。

(2)若图甲表示碳循环示意图，则D指的是生态系统中的________，①过程表示的是________________________________________________________________________。

(3)表乙中的Pg表示同化作用固定的总能量，Pn表示生物体内储存的能量，则R表示的生物学含义是________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________。

每平方米每年流经该生态系统的总能量为________×102 kJ。

(4)图丙表示人类在草原上放养牲畜的目的是调整生态系统中的________关系。

答案(1)微生物的分解作用化学燃料的燃烧③④⑦(2)非生物的物质(或大气中的二氧化碳库)光合作用(3)生态系统中各生物成分的呼吸量870.7(4)能量流动
解析大气中二氧化碳的来源有三个：动植物的呼吸作用，微生物的分解作用和化学燃料的燃烧；能直接利用二氧化碳的只有生产者；各营养级生物所同化的总能量除了在自身体内储存外，还用于呼吸作用、传递给下一营养级和分解者，但最终都通过呼吸作用散失；生产者
固定太阳能的总量是流经该生态系统的总能量；人工生态系统的特点是使能量流向对人类最有益的部分，提高能量的利用率。

个性拓展
12．下图为生态系统碳循环示意图，其中甲、乙、丙表示生态系统中的三种成分。

请据图回答：
(1)生态系统的碳循环是指碳元素在________________之间不断循环的过程。

(2)X与甲中图示生物类群的能量来源不同，X代表的生物为______________________________________；Y的细胞结构与丙中图示生物不同，Y的细胞结构最主要的特点是_____________________________________________________________。

(3)大气中的CO2在甲中图示的________处(在a～d中选择)合成有机物；含碳有机物在甲中图示的________
处(在a～d中选择)可以分解为CO2。

(4)化学燃料除燃烧外，还可以通过________________途径产生CO2。

答案(1)生物群落与无机环境(2)化能自养细菌(或硝化细菌等)有以核膜为界限的细胞核
(3)c a和b
(4)微生物的分解
解析绿色植物的光合作用或某些化能自养型生物的化能合成作用(常见的有硝化细菌等)，把大气中的二氧化碳和水合成为糖类等有机物。

生产者合成的含碳有机物被各级消费者所利用。

生产者和消费者在生命活动过程中，通过呼吸作用，又把二氧化碳释放到大气中。

生产者和消费者的遗体被分解者所利用，分解后产生的二氧化碳也返回到大气中。

另外，由古代动植物遗体变成的煤和石油等，被人们开采出来后，通过燃烧把大量的二氧化碳排放到大气中，也加入到生态系统的碳循环中。

由此可见，碳在生物群落与无机环境之间的循环主要是以二氧化碳的形式进行的。

在植物细胞中，二氧化碳在叶绿体中被利用，又可通过呼吸作用在细胞质基质和线粒体中产生。