【本讲教育信息】

一. 教学内容：

生态系统的功能之一——物质循环

二. 良好开端

本节重点：以碳循环为例分析生态系统的物质循环

本节难点：说明能量流动和物质循环的关系

三. 成功之旅

【知识点1】生态系统中的物质循环

1、物质循环的概念

生态系统的物质循环又称为生物地球化学循环，是指在生态系统中，组成生物体的C、H、O、N、P、Ca等基本元素，在生态系统的生物群落与无机环境之间反复循环运动。

2、过程

3、物质循环的几种类型

⑴水循环：水是组成生物体的重要成分，约占体重的60%～95%，体内进行的一切生化反应都离不开水。地球上的水通过蒸发、降雨、植物的蒸腾、吸收等过程反复循环。如下图所示

⑵氮循环：

氮是组成蛋白质和核酸的主要元素，对生物的各项生命活动具有重要意义。氮循环过程非常复杂，在氮循环的很多环节上都有特定的微生物参与。

事实：①大气中的氮非常丰富，主要以氮气的形式存在，约占大气体积的79%。只有经过固氮作用（生物固氮、工业固氮和光电固氮）才能将游离的氮转变为可被植物吸收与利用的硝酸盐和氨等物质。在生物群落与无机环境间反复循环。②在动物体内，部分蛋白质在代谢过程中产生尿素、尿酸等含氮物质。动植物的遗体或遗物经微生物分解成为氮，可再次被植物等循环利用。③氨可以被亚硝化细菌、硝化细菌氧化成为硝酸盐，部分硝酸盐进入湖泊、河流和海洋，被水域生态系统所利用；硝酸盐还可被反硝化细菌逐步转化为游离的氮返回大气。

根据以上事实，我们尝试用流程图（箭头）的形式在上图中绘出氮循环的主要过程。归纳如下图所示

⑶磷循环

磷也是组成生物体不可缺少的元素，是核酸、磷脂、ATP等物质的重要成分。值得一提的是，磷循环中的磷不是来源于大气及水体，而是来源于岩石。磷酸盐岩石是其主要来源，这使得磷循环与其他物质的循环不同。

氮和磷是植物的主要营养元素。人类活动对氮循环的影响很大。过多地施用氮肥、磷肥等会使水体和土壤中的氮、磷含量增多，过多的氮、磷流入水体可能造成“水体富营养化”，使藻类过渡繁殖，进而导致生态系统的稳态被破坏。

⑷碳循环

为了进一步搞清楚生态系统的物质循环全过程，现以碳循环为例重点进行系统的学习。

碳循环的过程：

结合必修1的知识我们可以得出以下结论：

①碳的作用：糖、脂肪、蛋白质、核酸都是构成生物体的基本物质，在它们的分子中都含有大量的碳元素。碳元素大约占生物体干重的47～49%，是有机化合物的“骨架”，没有碳就没有生命。

②碳在无机自然环境中存在的形式：以CO₂和碳酸盐（石灰石、珊瑚礁等）的形式存在。

③碳的循环形式：碳在无机环境与生物群落之间是以CO₂的形式进行循环的。大气中的CO₂进入生物群落，主要是依赖于绿色植物的光合作用，使CO₂中的“C”成为有机物中的“C”，再通过食物链进入动物和其他生物体内，因此从碳循环中可见绿色植物是生态系统的基石。除此之外，还有化能合成作用的微生物也能把CO₂合成为有机物。生物群落中的有机物中的碳再通过生物体的呼吸作用和微生物的分解作用回到大气中。简单归纳如下：

还有一部分生物遗体没有被分解者分解，转变为地下的石油和煤，这部分碳暂时脱离循环，一经开采运到地面燃烧，仍可产生CO₂再返回碳循环中。

在碳循环中，森林生态系统是碳的主要吸收者。但是，近年来由于人类大量地采伐森林，再加上燃烧化石燃料以及环境污染，因而大气中的CO₂浓度明显增加，引起了“温室效应”。这种趋势如果继续发展下去，世界的气候就可能发生剧烈变化，后果令人担忧。

4、物质循环的特点

通过上面的分析可以看出，在物质循环过程中，无机环境中的物质可以被生物群落反复利用。所以它的特点可以归纳为：反复出现、循环流动。

例题1. 下图为碳元素在生态系统中循环的模式图，图中的“圆圈”表示生态系统的生物成分，“箭头”表示过程。请据图回答：

⑴丙为 ，丁为 。

⑵进行①的场所为 ，③为 。

⑶碳元素在生物群落内部传递是沿 实现的。

⑷陆地生态系统的食物链中占有碳元素最多的营养级是 。

解析：由图中关系可以判断甲为生产者，乙为消费者，丙为分解者，丁为非生物成分中的大气CO₂库。碳循环始终伴随着能量流动，而生态系统的能量流动是由生产者——绿色植物的光合作用开始的，光合作用的场所是叶绿体，陆地生态系统的食物链中占有碳元素最多的营养级是第一营养级的生产者（能量也是最多的），并进入生物群落随食物链而流动。生物群落中的碳以二氧化碳的形式返回大气。

答案：⑴分解者 大气中的CO₂库 ⑵叶绿体 呼吸作用 ⑶食物链 ⑷第一营养级

【知识点2】能量流动和物质循环的关系

生态系统的主要功能是进行能量流动和物质循环，这两大功能之间既有明显的差别，又有必然的联系。

1、区别

能量在生态系统内是单向流动的，在逐级流动中递减。因此，生态系统要不断地从外界获得能量（太阳光能），只有这样，生态系统的能量才能持续下去。至于生态系统的物质循环，则是在生物群落和无机环境之间反复出现，循环流动的。

项目	能量流动	物质循环
形式	以有机物的形式	以无机物和有机物的形式
特点	单向传递	反复循环
范围	生态系统的各营养级	生物圈

2、联系

互为因果、相辅相成、不可分割

⑴生态系统的能量流动是随着物质循环而进行的。能量的固定、转移和释放，离不开物质的合成与分解。另一方面，物质的合成与分解，必然伴随着能量的储存与释放。所以说，物质循环的动力来自于能量，而物质又是能量的载体，以保证能量从一种形式转变为另一种形式。⑵能量流动和物质循环是同时进行的，二者均始于生产者通过光合作用合成有机物固定太阳能，然后沿着共同的渠道——食物链和食物网一起运行；彼此相互依存，不可分割。如下图所示：

例题2. 在自然生态系统中，物质是能量的载体。下列叙述正确的是

A. 能量可驱动物质循环 B. 物质和能量可循环利用

C. 能量只能在食物链中流动 D. 能量和生物数量金字塔均可倒置

解析：该题是06年广东高考题的第14题，分值为2分。旨在考查生态系统中能量流动与物质循环的关系。生态系统的基本功能是物质循环和能量流动，完成这两项功能离不开食物链和食物网。在物质循环过程中，能量起到驱动作用，但能量不能循环利用（能量流动是单向且逐级递减的，传递效率为10%～20%）。生物数量金字塔可以是下面小上面大（如：树→虫→鸟），而能量金字塔则不能倒置，一定是低营养级含有的能量多，高营养级含有的能量少。

答案：A

四. 考点分析

随着人类社会的发展，人类活动对环境的影响越来越大，特别是日益严重的环境污染（如温室效应、水体的富营养化等），已经成为人类和所有生物生存和发展的重大问题。与这些问题有关的知识点成为高考的热点内容，特别是生态系统的物质循环、能量流动等功能在高考中所占的比例较大。如2007年广东理科基础52题考查生态系统的功能，2007年天津卷第31题的第Ⅰ题重点考查了生态系统的物质循环的具体过程等。突破方法：运用所学的物质循环和能量流动的相关原理，“对号入座”解决现实生活中的实际问题。

五. 小结

1、生态系统的物质循环

（1）概念

（2）类型

（3）特点

2、物质循环与能量流动的关系

【模拟试题】（答题时间：80分钟）

一、选择题

1. 生态系统的物质循环，其中物质是指（ ）

A. 细胞中的蛋白质和核酸

B. 组成生物体的C、H、O、N、P、Ca等基本元素

C. 组成生物体的各种元素

D. 组成细胞的各种化合物

2. 与自然界的碳循环关系最密切的两种细胞器是（ ）

A. 内质网和高尔基体 B. 叶绿体和线粒体

C. 核糖体和叶绿体 D. 核糖体和高尔基体

3. 在自然界的物质循环中，对物质转化必不可少的生物因素是（ ）

A. 绿色植物和动物 B. 绿色植物和微生物

C. 动物和微生物 D. 绿色植物或微生物

4. 生态系统的物质循环发生在（ ）

A. 生物群落中 B. 生产者和消费者之间

C. 生产者和分解者之间 D. 生物群落与无机环境之间

5. 对于一个处于相对稳定状态的生态系统，下列叙述不正确的是 （ ）

A. 物质不断循环 B. 组成成分相对稳定

C. 能量不断流动 D. 生物个体数量不变

6. 目前地球大气的二氧化碳浓度增高，导致温室效应，主要原因是（ ）

A. 人口剧增，呼出的二氧化碳增多

B. 化石燃料的燃烧和自然资源的不合理利用

C. 大量生物遭灭绝

D. 自然因素破坏了生态稳定

7. 细菌、真菌对每个生物群落来说都是非常重要的，这是因为它们（ ）

A. 可以固定大气中的二氧化碳 B. 是消费者的食物来源

C. 促进水分和无机盐的循环 D. 能将动、植物的残骸分解为无机物

8. 生态系统的碳循环与生物群落的哪些活动有关（ ）.

①光合作用 ② 呼吸作用 ③蒸腾作用 ④微生物的分解作用

A. ①② B. ①②④ C. ①②③ D.①④

9.下图是生态系统中碳循环图解，图中甲、乙、丙各是（ ）

A. 甲是生产者，乙是消费者，丙是分解者

B. 乙是生产者，甲是消费者，丙是分解者

C. 丙是生产者，乙是消费者，甲是分解者

D. 甲是生产者，丙是消费者，乙是分解者

10. 在水藻→小鱼→大鱼组成的食物链中，小鱼不会吃大鱼，但大鱼可以吃小鱼，该食物链的不可逆性，说明在一个生态系统中（ ）

A. 物质循环是单向的 B. 能量流动是单向的

C. 碳循环是单向的 D. 水循环是单向的

11. 在生态系统碳循环中，既能使CO₂进入生物群落，又能将其释放到大气中的生物是（ ）

A. 分解者 B. 植食动物 C. 肉食动物 D. 绿色植物

12. 生物的下列过程中，与碳循环无直接关系的是 （ ）

A. 光合作用 B. 呼吸作用

C. 蒸腾作用 D. 微生物的分解作用

*13. 我国北方处于稳定状态的某森林生态系统，其碳循环如下图，箭头和字母分别表示碳元素的传递方向和转移量。下列选项正确的是

A. 夏季，a﹥b﹢c﹢e

B. 秋季，e﹢f﹤g

C. 春季，g﹦b﹢e﹢f

D. 冬季，d﹥c﹢f

二、非选择题

14. 下图是生态系统碳循环示意图，图中D为大气，

请据图回答问题

（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、D之间的流动是以 形式进行的，在生态系统的各成分中，A为 ，B为 。

（3）图中D~C过程是通过 作用实现的，C～D过程是通过 作用实现的，B~D过程是通过 作用实现的。

（4）生物群落中的一部分碳返回大气中，而另一部分则以 形式储存在地层中，碳在生物群落与无机环境之间主要以 的形式循环。

（5）碳循环的同时一定伴随着 。

15. 下图是生态系统中碳元素循环模式图。图中的箭头表示这种元素的循环利用，但图中缺少了一个重要生理过程，据图回答下列问题：

（1）A、B、C、D各是什么生物？

A B C D

（2）写出①~⑤所示过程的名称

① ② ③ ④ ⑤

（3）图中缺少的生理过程是 。用箭头在图上表示。

（4）参与过程④的生物种类有 。这些生物的新陈代谢类型：同化作用方式属于 ，异化作用方式属于 。

（5）由此可见，生态系统物质循环具有以下特点:

① ；

② 。

16. 下图为自然界中氮循环示意图。请据图回答：（[ ]内填序号）

⑴大气中的氮主要通过[ ] 进入生物群落，其次通过[ ] 、[ ] 等固氮途径也可少量供给植物氮素。

⑵图中A物质可被土壤中的微生物分解形成B物质，B物质在土壤中的 细菌的作用下形成C，C物质代表 。

⑶另一些细菌如 细菌可将C物质经⑤过程最终转化成 返回大气中。由此可见，土壤中这些微生物在包括氮循环在内的自然界中的 中起着重要作用。

⑷目前，全世界每年施用氮素化肥大约有8×10⁷t，这样做对环境可能带来的负面影响

是 。

*17. （2007年天津31 Ⅰ12分）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）化石燃料除燃烧外，还可以通过 _____________________途径产生CO₂。

18. 下图是地球上各种水体相互转化的示意图，请据图回答：

⑴A表示绿色植物的 作用，该作用对植物保持正常生命活动的重要意义是

。

*⑵绿色植物进行B过程的主要部位是 细胞。该细胞渗透吸水主要用于 ，只有少量的水用于 等生理过程。

*⑶人体内所需水的主要来源是 ，水分排出的主要途径是 ，这一体内水分排出途径对人体内水平衡的意义最大。

⑷从生态系统的角度考虑，该图能体现的生态系统的功能是 。

**19. 有A、B、C3个水样，它们是经过如下处理而获得的：

①从泛着绿色的池塘中取水，静置4h，除去上层清液，留下藻类，重复3次，最后加水至900mL。②将900mL藻液搅拌均匀，分成3等份，分别倒入标号为A、B、C的500mL 的烧杯中继续培养。A烧杯中加入0.3g含磷的洗衣粉和0.3g尿素，B烧杯中加入0.3g尿素，C烧杯不做任何处理。

③将A、B、C3个烧杯放置在向阳的窗台上培养5天，分别取得水样A、B、C。

请回答下列问题：

⑴你预计A、B、C3个水样中绿藻密度最大的是 ，理由是

。怎样通过实验来检验你的预测是否正确？

。

⑵洗衣粉是含多种成分的混合物，若要确定其中某一成分对藻类生长繁殖影响的大小，你认为应该如何做？ 。

⑶池塘中藻类大量生长繁殖是水体富营养化的表现，常会导致池塘中的鱼虾缺氧死亡，水质变臭。你认为导致池塘水质变臭的原因是

。

⑷在同一地域的甲、乙两个天然池塘中，往甲中施入一定量的氮肥，乙中施入等量的磷肥，结果发现只有乙出现富营养化，这是否可以说明氮不是藻类生长所必需的元素呢？说出你的理由：

。

【试题答案】

一、选择题

题号	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11	12	13
答案	B	B	D	D	D	B	D	B	B	B	D	C	A

二、非选择题

14. （1）C 生产者 （2）二氧化碳 消费者 分解者 （3）光合 呼吸 分解

（4）化石燃料 二氧化碳 （5）能量流动

15. （1）绿色植物 植食性动物 肉食性动物 腐生细菌、真菌等

（2）①光合作用 ②呼吸作用 ③呼吸作用 ④分解者的呼吸作用⑤燃烧

（3）绿色植物的呼吸作用（从A指向CO₂的箭头）

（4）腐生细菌、真菌等 异养型 需氧性、厌氧性、兼性厌氧型

（5）①带有全球性 ②组成生物体的一些基本化学元素在生物群落和无机环境之间反复循环运动。

16. 答案：⑴① 生物固氮 ② 光电固氮（高能固氮） ③ 工业固氮

⑵硝化 硝酸盐 ⑶反硝化 氮气 物质循环 ⑷水体的富营养化

17. ⑴生物群落与无机环境

⑵化能自养细菌（或硝化细菌等） 有核膜包围的细胞核

⑶c a和b （4）微生物的分解

18. ⑴蒸腾 促进根吸收水分、促进水分和无机盐在植物体内的运输 ⑵根尖成熟区（根毛区）蒸腾作用 光合作用和细胞呼吸 ⑶饮水和饮食 肾脏排尿 ⑷物质循环

19. ⑴A 洗衣粉中含磷，尿素中含氮，营养充分，藻类生长繁殖快 取A、B、C3个水样分别制成装片，随机检测每个装片中的5个（至少5个）视野，藻类密度大的代表该水样藻类多

⑵分析提取洗衣粉中的成分，再用不同成分的纯净物质溶液与纯水培养藻类进行对照实验

⑶细菌分解有机物消耗氧，藻类大量繁殖生长，覆盖池塘水而使池塘中溶氧量减少，发臭则是因为细菌分解有机物产生了大量的NH₃和H₂S等气体。

⑷不能。因为天然池塘中含有固氮细菌和蓝藻，可为池塘中的藻类提供所需的氮，磷则成为制约藻类生长的关键因素。