資源簡介

生物選擇性必修2 生物與環境【教學設計】
第3節　生態系統的物質循環
[學習目標]
1.分析生態系統中的物質在生物群落與非生物環境之間不斷循環的規律,培養歸納與概括等科學思維。
2.通過對溫室效應的原因和治理的學習,培養關注環境的問題、生物學社會議題等社會責任感。
3.分析碳循環過程與能量流動、物質循環的關系,培養物質與能量觀、結構與功能觀等生命觀念。
4.闡明某些有害物質會通過食物鏈不斷富集的現象。
【課件自主預習】
一、碳循環
1.物質循環的概念:組成生物體的碳、氫、氧、氮、磷、硫等元素,都在不斷進行著從非生物環境到生物群落,又從生物群落到非生物環境的循環過程。
2.物質循環的范圍:生物圈。
3.物質循環的特點
(1)具有全球性,因此又叫生物地球化學循環。
(2)物質在生態系統中循環往復運動。
4.物質循環的實例——碳循環
(1)二氧化碳能溶于水,因此可在大氣和海洋、河流之間進行交換。
(2)碳在生物群落與非生物環境之間的循環主要是以二氧化碳的形式進行的。
(3)由于二氧化碳能夠隨著大氣環流在全球范圍內進行,因此,碳循環具有全球性。此外,海洋對于調節大氣中的碳含量起著非常重要的作用。
(4)世界范圍內,化石燃料的開采和使用大大增加了二氧化碳的排放,加劇了溫室效應,引起全球性的氣候變化。我國一方面采取積極措施減少二氧化碳排放,另一方面大力植樹種草,提高森林覆蓋率。
二、生物富集
1.概念:生物體從周圍環境吸收、積蓄某種元素或難以降解的化合物,使其在機體內濃度超過環境濃度的現象。
2.特點
(1)食物鏈中營養級越高,生物富集的某種物質濃度就越大。
(2)具有全球性。
三、能量流動和物質循環的關系
1.區別
在物質循環過程中,非生物環境中的物質可以被生物群落反復利用;能量在流經生態系統各營養級時是逐級遞減的,而且流動是單方向不循環的。
2.聯系
(1)能量流動和物質循環是生態系統的主要功能,它們同時進行,彼此相互依存,不可分割。
(2)能量的固定、儲存、轉移和釋放,都離不開物質的合成和分解等過程。
①物質作為能量的載體,使能量沿著食物鏈(網)流動。
②能量作為動力,使物質能夠不斷地在生物群落和非生物環境之間循環往返。
四、探究土壤微生物的分解作用
1.背景資料
(1)土壤中生活著肉眼看不見的細菌、絲狀真菌和呈放射狀的放線菌等微生物,它們在生態系統中的成分主要為分解者。
(2)由于各地氣候與環境等因素不同,落葉在土壤中被分解的時間也是不同的。
2.案例設計
項目 案例1 案例2
實驗假設 土壤微生物能分解落葉使之腐爛 土壤微生物能分解淀粉
實 驗 設 計 實驗組 土壤放在60 ℃恒溫箱中處理 A燒杯中加入30 mL土壤浸出液+淀粉糊
對照組 土壤不做 處理(自然狀態) B燒杯中加入30 mL蒸餾水+與A燒杯等量的淀粉糊
自變量 土壤中是否含有微生物 是否加土壤 浸出液
實驗現象 在相同時間內實驗組落葉腐爛程度小于對照組 A A1 不變藍
A2 產生磚 紅色 沉淀
B B1 變藍
B2 不產生 磚紅色 沉淀
結論分析 土壤微生物對落葉有分解作用 土壤微生物能分解淀粉
注:在A1、B1中加入碘液,在A2、B2中加入斐林試劑并加熱。
【預習檢測】
1.判斷下面有關生態系統物質循環說法的正誤。
(1)物質循環中的“物質”指的是組成生物體的各種化合物。(　×　)
(2)沼渣等作為肥料還田,使物質能夠循環利用。(　√　)
(3)化石燃料的大量燃燒是造成溫室效應的主要原因。(　√　)
(4)碳元素在非生物環境與生物群落之間傳遞時,只有生產者與非生物環境之間的傳遞是雙向的,其他成分間是單向的。(　√　)
(5)物質循環和能量流動是兩個獨立的過程。(　×　)
(6)生態系統的物質循環和能量流動的渠道都是食物鏈和食物網,所以物質和能量都是循環往復的。(　×　)
(7)只有在光照的條件下,生態系統的物質循環和能量流動才是同時進行的。(　×　)
(8)鉛、鈣等通過生物富集主要出現在高營養級生物體內。(　×　)
2.判斷下面有關探究土壤微生物的分解作用說法的正誤。
(1)可采用加熱烘干的方法除去實驗組中的土壤微生物。(　×　)
(2)應將實驗組和對照組的土壤放在隔絕空氣的條件下。(　×　)
(3)對照組中落葉的分解速度明顯高于實驗組。(　√　)
(4)實驗組和對照組可以分別選擇不同種類的落葉進行實驗。(　×　)
【課堂互動探究】
探究點一　碳循環過程和生物富集
[活動1] 如圖是自然界碳循環的簡圖,據圖分析下列有關問題。
(1)圖中的甲、乙、丙分別是什么 ①、②、③分別表示什么過程
提示:甲為分解者、乙為消費者、丙為生產者。①、②、③過程為通過分解者、生產者、消費者的呼吸作用將生物群落內的有機物分解為CO2,返回大氣中。
(2)大氣中二氧化碳進入生物群落的主要途徑是④(用圖中序號表示)。
(3)碳循環都是雙向的嗎
提示:不都是。①二氧化碳在生物群落和非生物環境之間是雙向循環的。②在生物群落內部,沿食物鏈(網)傳遞時,碳循環不是雙向的,只能由低營養級向高營養級單向傳遞。
(4)氮元素在生物群落和非生物環境之間也是不斷循環的,為什么還要往農田中不斷地施加氮肥
提示:物質循環是指在生物圈范圍內物質是循環的。農田中不斷有糧食產出,基本元素不斷地被輸出,所以要不斷地施加氮肥。
(5)若人們亂砍濫伐,現代工業化石燃料的大量燃燒對碳循環有何影響 如何解決“溫室效應”
提示:打破生物圈中碳循環的平衡,造成“溫室效應”。措施:①減少煤、石油等化石燃料的燃燒;②開發新的潔凈能源,如核能、太陽能、風能、水能等;③大面積植樹造林,降低空氣中二氧化碳含量。
[活動2] 下表是某生態系統中生物體內殘留有機汞的情況:
生物體 A B C D E
有機汞 濃度/ppm 0.05 7 0.51 68 0.39
(1)據表寫出該生態系統可能的營養結構。
提示:由于生物富集現象,隨著營養級的增加,有機汞濃度增加,表中A有機汞濃度最低,處于第一營養級,C和E的有機汞濃度差不多,表明兩者屬于同一營養級,D有機汞濃度最高,處于最高營養級,那么,最可能的食物網如圖所示 。
(2)使用農藥DDT(難降解)的只有一小部分地區,可是遠在南極的動物體內也發現了DDT,這說明物質循環具有什么特點
提示:全球性。
[歸納總結] 生態系統的碳循環圖解的判斷方法
(1)圖1——先根據雙向箭頭判斷:A和B為生產者和非生物的物質和能量,再結合A均為指出的箭頭,B均為指入的箭頭可確定A和B分別為生產者和非生物的物質和能量。再根據A→D、C→D判斷:C為消費者,剩下的D為分解者。
(2)圖2——根據A與C之間的雙向箭頭及A、C的指入和指出箭頭判斷:A是生產者,C是非生物的物質和能量。根據A、B、D的箭頭都流向E,可進一步判斷:B是初級消費者,D是次級消費者,E是分解者。
(3)圖3——根據A與E之間的雙向箭頭及A、E的指入和指出箭頭判斷:A為非生物的物質和能量,E為生產者。然后觀察剩余的幾個成分,其中其他生物部分的箭頭都指向C,所以C是分解者,剩余的B、D、F則為消費者。圖中的食物鏈是E→F→D→B。
[應用] 如圖是生態系統中碳循環示意圖,“→”表示碳的流動方向,下列說法正確的是(　C　)
A.圖中甲是生產者,乙、丁、戊是消費者,丙是分解者
B.該生態系統的成分包括甲、乙、丙、丁、非生物的物質和能量
C.該生態系統中的食物鏈可表示為甲→丁→戊
D.甲和乙的種間關系為捕食
解析:圖中甲、丙之間為雙向箭頭,分別為生產者和大氣中的二氧化碳庫的其中之一,由于生產者、消費者、分解者均能進行呼吸作用產生二氧化碳流向大氣中的二氧化碳庫,因此丙是大氣中的二氧化碳庫,甲是生產者,則丁、戊為消費者,乙為分解者;該生態系統的成分包括甲、乙、丁、戊、非生物的物質(包括丙)和能量;該生態系統中的食物鏈可表示為甲→丁→戊;乙為分解者,所以甲和乙的種間關系不是捕食。
探究點二　能量流動和物質循環的關系
1.探究能量流動和物質循環的關系
[情境] 如圖為碳元素在生態系統中循環的模式圖,圖中甲、乙、丙表示生態系統的生物成分,箭頭表示生理過程。請據圖分析回答下列問題。
[思考] (1)甲、乙、丙、丁分別代表生態系統的什么成分 并簡述判斷的理由。
提示:甲和丁之間有雙向箭頭,且其他幾種成分都有箭頭指向丁,所以丁為大氣中的二氧化碳庫,甲為生產者;甲和乙都有箭頭指向丙,所以丙為分解者,則乙為消費者。
(2)碳在甲、乙、丙之間的流動形式是什么 在甲(或乙或丙)與丁之間的流動形式又是什么
提示:在甲、乙、丙之間的流動形式是含碳有機物,在甲(或乙或丙)與丁之間的流動形式是二氧化碳。
(3)圖中的字母分別表示什么過程
提示:b代表光合作用或化能合成作用,d和c代表細胞呼吸,f代表微生物的分解作用,a代表捕食,e和g代表動植物的遺體、排遺物等提供給分解者。
[歸納總結] 物質循環與能量流動的聯系
(1)物質循環與能量流動的區別
項目 能量流動 物質循環
形式 太陽能→化學能→熱能
過程 沿食物鏈(網)單向流動 在非生物環境與生物群落之間反復循環
范圍 生態系統各營養級 全球(生物圈)
特點 單向流動、逐級遞減 全球性、循環往復
(2)物質循環與能量流動的聯系
[應用] 分析以下生態系統的能量流動和物質循環的關系簡圖,不能得到的結論是(　C　)
A.物質作為能量的載體,使能量沿著食物鏈(網)流動
B.能量作為動力,使物質能夠不斷地在生物群落和非生物環境之間循環往復
C.能量①和能量④能被生產者再度利用,實現能量的循環利用
D.碳在生物群落和非生物環境之間的循環主要是以CO2的形式進行的
解析:生產者不能利用能量①和能量④,能量是不能循環利用的。
2.探究土壤微生物的分解作用
[活動] 閱讀教材P65～P66“探究·實踐”,回答下列問題。
(1)“參考案例1”中分析實驗自變量和因變量是什么 如何控制自變量
提示:自變量是土壤微生物的有無;因變量是土壤中落葉的分解程度。對實驗組土壤進行處理,以盡可能排除土壤中微生物的作用,同時要盡可能避免土壤理化性質的改變(例如,將土壤用塑料袋包好,放在60 ℃恒溫箱中處理1 h);對照組土壤不做處理。
(2)“參考案例2”中鑒定不同糖類用到的試劑分別是什么 使用時有什么注意事項
提示:鑒定淀粉需用碘液,碘液不可滴加過多,通常滴加 1～2滴即可。鑒定淀粉分解產生的還原糖可用斐林試劑,通常需要加熱2 min。
(3)實驗中應注意控制哪些無關變量
提示:如溫度、濕度、pH、處理時間、埋藏深度等都屬于無關變量,實驗組與對照組的無關變量都是相同的。
[應用] 某生物興趣小組以帶有落葉的表層土壤(深5 cm 左右)為實驗材料,研究土壤微生物在適宜溫度下的分解作用,對土壤處理情況見下表。下列有關敘述不正確的是(　C　)
組別 1組 2組 3組 4組
土壤 處理 滅菌 不滅菌 滅菌 不滅菌
濕潤 濕潤 較干燥 較干燥
A.該實驗能探究不同土壤濕度條件下,土壤微生物對落葉的分解作用
B.為了控制實驗中的無關變量,作為實驗材料的落葉也應進行滅菌處理
C.該實驗的自變量為土壤是否滅菌處理,實驗中的對照組是1組和3組
D.預期結論是1、3組的落葉不被分解,2、4組中的落葉被不同程度地分解
解析:該實驗中1、2組是濕潤土壤,3、4組是較干燥土壤,可以探究不同土壤濕度條件下,土壤微生物對落葉的分解作用;該實驗中對土壤采取了滅菌和不滅菌的處理,這是對自變量的處理,落葉上存在的微生物屬于無關變量,為了避免無關變量對實驗的干擾,應將各組的落葉進行滅菌處理;該實驗的自變量為土壤是否滅菌處理及土壤的濕度,若該實驗的自變量為土壤是否滅菌處理,那么實驗中的對照組是2組和4組;該實驗的預期結論是1、3組的落葉不被分解,2、4組的落葉被不同程度地分解。
課堂小結
完善概念圖 記憶節節清
1.物質循環:指的是組成生物體的C、H、O、N、P、S等元素,都在不斷進行著從非生物環境到生物群落,又從生物群落到非生物環境的循環過程。 2.物質循環特點:全球性和循環往復運動。 3.溫室效應:過度燃燒化石燃料而形成的。 4.物質是能量流動的載體,能量是物質循環的動力。
隨堂反饋
1.判斷下列關于物質循環說法是否正確。
(1)生物群落內部進行碳循環的物質形式是二氧化碳。(　×　)
(2)探究落葉是否在土壤微生物的作用下腐爛,該實驗的自變量是土壤中是否含有微生物。(　√　)
(3)組成生物體的各種元素在生態系統中都是循環的,沒有全球性。(　×　)
2.生態系統的物質循環包括碳循環和氮循環等過程。下列有關碳循環的敘述,錯誤的是(　A　)
A.消費者沒有參與碳循環的過程
B.生產者的光合作用是碳循環的重要環節
C.土壤中微生物的呼吸作用是碳循環的重要環節
D.碳在無機環境與生物群落之間主要以CO2形式循環
解析:消費者的存在能加快生態系統的物質循環;生產者的光合作用能將二氧化碳和水轉化成有機物,使大氣CO2庫中的碳進入生物群落即生產者的光合作用是碳循環的重要環節;土壤中的微生物可以通過呼吸作用將含碳有機物中的碳返回大氣中,土壤中微生物的呼吸作用是碳循環的重要環節;碳在生物群落和無機環境之間的循環主要以CO2的形式進行,在生物群落內部主要以含碳有機物的形式傳遞。
3.下圖為部分碳循環示意圖,有關敘述正確的是(　D　)
A.圖中由生產者、Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ和Ⅳ構成的食物鏈中,能量最少的是Ⅲ
B.生產者為第一營養級,①②⑥⑧過程所含能量之和為生產者固定的總能量
C.根瘤菌與豆科植物互利共生時,其生命活動所需的有機碳來自⑥過程
D.①⑦⑧過程主要以CO2 的形式進行,②③④⑤⑥過程以有機物的形式進行
解析:Ⅰ和生產者之間有來回雙箭頭,Ⅰ為大氣中的CO2 庫,Ⅳ是分解者,二者不能參與食物鏈的構成;生產者同化的能量為光合作用固定的能量,即①過程所含的能量;根瘤菌與豆科植物互利共生時,其生命活動所需的有機碳來自豆科植物的光合作用,即①過程。
4.(不定項選擇)下列關于生態系統中物質循環和能量流動的敘述,不正確的是(　CD　)
A.光合作用促進了生物群落中的物質循環
B.碳以二氧化碳的形式在生物群落與非生物環境之間循環
C.生態系統中能量的初始來源只有太陽能
D.防治稻田害蟲可提高生產者和人類之間的能量傳遞效率
解析:生態系統中物質可以循環使用,光合作用促進了生物群落中的物質循環;碳以二氧化碳的形式在生物群落與非生物環境之間循環,以含碳有機物的形式在生物群落內部流動;生態系統中能量的初始來源可以是太陽能,或者有機物分解釋放的化學能;防治稻田害蟲,即調節能量流動的關系,使能量流向對人類有益的部分,能達到提高能量利用率的目的,但不能提高能量傳遞效率。
5.為積極應對全球氣候變化,我國政府在2020年的聯合國大會上宣布,中國力爭2030年前實現碳達峰(CO2排放量達到峰值),在2060年前實現碳中和(CO2排放量與減少量相等) ,這是中國向全世界的鄭重承諾,彰顯了大國責任。下圖是某自然生態系統中碳循環示意圖,其中a、b、c、d構成生物群落?；卮鹣铝袉栴}。
(1)在生態系統中,碳元素在生物群落中的傳遞渠道是　　　　　　　　。從生態系統的組成成分考慮,圖中生物c屬于　　　　,其在生態系統物質循環過程中發揮的重要作用是　。
(2)圖中b同化的能量最終去向是　　　　　　　　　　　　　　　　　,生態系統的能量流動不同于物質循環的特點是　　　　　　　　　　　。
(3)在自然生態系統的碳循環過程中,植物等從大氣中攝取碳的速率與生物的　　　　　　作用釋放碳的速率大致相等。
(4)全球變暖是當今國際社會共同面臨的重大問題,從全球碳循環的主要途徑來看,增加　　　　、減少　　　　是實現碳達峰和碳中和的重要舉措。
解析:(1)碳元素在生物群落中的傳遞渠道是食物鏈和食物網;根據箭頭指向分析,d為生產者,a、b為消費者,c為分解者,分解者能將動植物遺體和動物的排遺物分解成無機物。
(2)b為圖示中最高營養級,不被其他生物捕食,因此其同化的能量最終去向是自身的呼吸作用散失和被分解者利用。生態系統能量流動不同于物質循環的特點是單向流動,逐級遞減。
(3)碳進入生物群落是通過生產者的固定,而返回無機環境是通過各種生物的呼吸作用,在自然生態系統的碳循環過程中,植物等從大氣中攝取碳的速率與生物的呼吸(和分解)作用釋放碳的速率大致相等。
(4)從全球碳循環的主要途徑來看,減少碳排放量和增加碳吸收量是實現碳達峰和碳中和的重要舉措。
答案:(1)食物鏈和食物網　分解者　能將動植物遺體和動物的排遺物分解成無機物　(2)自身的呼吸作用散失和被分解者利用　單向流動、逐級遞減
(3)呼吸(和分解)　(4)碳固定量(或碳吸收量,碳存儲量)　碳排放量

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