第四节　生态系统中的物质能被循环利用

一、物质循环

生态系统中的无机物，在光合作用中被合成为可被生物利用的有机物。这些有机物的一部分通过生物的呼吸作用又被分解为无机物，而大部分是在生物死亡后才被分解者分解为无机物的。这些无机物可以重新回到生态系统中被生产者吸收利用，从而完成生态系统中的物质循环。

二、生物在水循环中起的作用很小

1．水循环的两种方式：降水和蒸发是水循环的两种方式。

2．水循环的过程

大气中的水汽以雨、雪、冰雹等形式落到地面或海洋。而地面上和海洋中的水又通过蒸发进入大气中，因此，水循环是由太阳能推动的。地球表面的蒸发量和降水量基本持平，但陆地的降水量大于蒸发量，海洋的降水量小于蒸发量。海洋亏损的水分通过陆地江河的汇集流入海洋而得以弥补，从而维持地球的水循环。

3．生物在全球水循环过程中所起的作用：很小。

三、二氧化碳是碳循环的主要形式

1．碳的存在形式：地球上的碳绝大部分是以碳酸盐的形式存在于岩石圈中，其次是储存在化石燃料中。

2．碳的利用形式：生物可直接利用的碳是水圈和大气圈中以二氧化碳形式存在的碳。

3．碳循环示意图

4．海洋对于调节大气圈中的碳含量的作用

二氧化碳在大气圈和水圈的界面上通过扩散作用而互相交换着，大气中如果发生局部的二氧化碳短缺，水圈中的二氧化碳会更多地进入大气圈。同样，如果水圈中的碳酸氢根离子在光合作用中被植物过量利用，也可以通过其他途径或从大气圈中得到补偿，从而维持碳循环的平衡。

四、固氮菌等细菌在氮循环中发挥重要作用

1．大气中的氮被利用的形式：大气中的氮只有被固定为无机氮化合物(主要是硝酸盐和氨)以后，才能被生物所利用。

2．氮循环的过程

(1)固氮的途径

①高能固氮：通过闪电、宇宙射线、陨石、火山爆发等所释放的能量进行固氮，形成的氨或硝酸盐随着降雨到达地球表面，属于天然固氮方式。

②工业固氮：在高温、高压、催化剂的作用下，将氮气还原为氨气。

③生物固氮：通过固氮菌和蓝藻等自养或异养微生物进行固氮。

(2)氨化作用

当固定的无机氮被生物利用后，在体内形成含氮有机化合物，通过代谢产生尿素和尿酸等产物，排出体外。尿素和尿酸等通过土壤和水中的很多异养细菌、放线菌和真菌的代谢活动，转变为无机化合物(氨)并把它释放出来，这个过程就称为氨化作用。

(3)硝化作用

一般说来，氨和铵盐难以被直接利用，必须通过硝化作用转化为硝酸盐。氨和铵盐被硝化细菌(包括亚硝酸盐细菌和硝酸盐细菌)氧化为亚硝酸盐和硝酸盐的过程称为硝化作用。

(4)反硝化作用

硝酸盐等含氮化合物在反硝化细菌的作用下转化为N2、NO和N2O，这个过程称为反硝化作用。

因此，在自然生态系统中，一方面通过各种固氮作用使氮可以被生物所利用，另一方面又通过反硝化作用使氮不断重返大气，从而使氮的循环处于一种平衡状态。

五、人类运用生态系统的物质循环规律，在生产实践中实现资源多层次利用

1．意义：运用物质循环规律可以帮助人们合理地调整生态系统的物质循环和能量流动，使物质中的能量更多地流向对人类有益的方向。

2．实例：(1)农作物秸秆“过腹还田”“蔬菜－鸡、猪－沼气”系统以及“桑基鱼塘”生态工程都属于物质循环利用的农业生态工程。

(2)城市生活垃圾进行减量化、无害化、资源化处理，将生活垃圾中有机部分、人畜的粪便转化为优质生态复合肥等物质循环利用的生态工程也得到了极大的发展。

3．实例表明：人们根据生态学的原理，用系统工程的方法和技术指导生产实践，就可以实现资源的多层次利用或循环利用，使人和自然环境共同受益。

判断对错(正确的打“√”，错误的打“×”)

1．地球上的水通过蒸发、冷凝等过程进行不断的循环。 (√)

2．碳在生产者、消费者和分解者之间循环流动。 (×)

提示：碳在生物群落与无机环境之间循环流动。

3．碳在生态系统中的含量，不能通过碳循环的自我调节机制得到调整。                                          (×)

提示：能够通过。

4．氮循环包括固氮、氨化、硝化和反硝化等过程。 (√)

5．工业固氮是最重要的固氮途径。 (×)

提示：生物固氮是最重要的固氮途径。

6．“过腹还田”的方法既减少了田间焚烧秸秆给环境带来的污染，又增加了产值。                            (√)

　生态系统的物质循环

1．碳循环分析

(1)图示：碳循环过程

(2)碳循环形式

①存在形式

②流动形式

③进入生物群落的途径

④返回无机环境的途径

2．图解氮循环的过程

说明：氮循环的进行需要固氮作用、氨化作用、硝化作用和反硝化作用等过程。

1．由于生物圈中物质是循环的，所以地球是一个自给自足的系统。这种观点对吗？

提示：地球在物质上是循环的，但需要有能量输入，从能量角度分析，地球并不能算一个自给自足的系统。因此该观点不对。

2．碳循环中，CO2进入生物群落，又从生物群落返回无机环境主要依赖生物的哪些代谢活动？

提示：生产者的光合作用或化能合成作用能将CO2固定到有机物中，生物可通过呼吸作用将有机物中的碳以CO2的形式返回大气中。

1．下图是研究某草原生态系统碳循环的示意图，其中甲、乙、丙、丁为生态系统的组成成分，A、B、C、D是丙中四种关系密切的生物。下列有关叙述正确的是(　　)

A．图中以植食性动物为食的消费者只有D

B．碳主要以含碳有机物的形式在生物群落和无机环境之间循环

C．如果去掉丁，则对碳循环没有影响

D．乙、丙、丁中的碳主要是通过呼吸作用释放到甲中

D　[图中甲是无机环境、乙是生产者、丙代表各级消费者，其中A为植食性动物，以植食性动物为食的消费者有B、C、D，A错误；碳主要以二氧化碳的形式在生物群落和无机环境之间循环，B错误；分解者的作用是将植物的残枝落叶、动物粪便、遗体等有机碳分解形成二氧化碳的过程，如果去掉分解者，腐殖质中的碳元素返回无机环境将受阻，碳循环受阻，C错误；乙是生产者、丙代表各级消费者、丁代表分解者，三者中的碳主要是通过呼吸作用释放到无机环境中，D正确。]

2．秸秆还田是当今世界上普遍采用的一项培肥地力的增产措施，利用机械将收获后的农作物秸秆粉碎翻埋是我们北方最常用的一种方式。秸秆还田在杜绝了秸秆焚烧所造成的大气污染的同时还有增肥增产作用。但若方法不当，也会导致作物减产。下列说法错误的是(　　)

A．秸秆还田能有效提高土壤中的有机质

B．秸秆还田能有效增加土壤中的微生物数量

C．微生物分解秸秆为作物生长提供物质和能量从而实现增产

D．机械还田过程中由于秸秆中含有部分病原体可能导致作物减产

C　[秸秆中含有大量有机物，秸秆还田能有效提高土壤中的有机质，A正确；秸秆中的有机物为微生物的繁殖提供了充足的营养，秸秆还田能有效增加土壤中的微生物数量，B正确；微生物分解秸秆产生的无机物可以为作物生长提供物质，但是不能提供能量，C错误；机械还田过程中由于秸秆中含有部分病原体可能导致作物减产，D正确。]

(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)碳在生态系统各成分之间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。

　能量流动、物质循环、生物富集之间的关系

1．能量流动、物质循环与生物富集的关系

2．能量流动、物质循环与生物富集的关系图解

1．根据能量守恒定律可知，不仅物质可循环利用，能量也可循环。你认为这种说法对吗？为什么？

提示：不对。物质以元素的形式，可以循环利用，而能量是单向流动、逐级递减的。

2．泥鳅在稻田里上下游动可以松土，往往能提高肥效，请分析原因。

提示：松土能提高土壤的含氧量，促进植物根部吸收矿质元素；促进微生物或分解者的分解作用，加快物质循环。

1．如图为某生态系统中碳循环的模式图，其中甲、乙、丙表示生态系统的生物成分，字母表示生理过程。下列相关叙述正确的是(　　)

A．b代表呼吸作用，d代表光合作用

B．碳循环进行的同时伴随着能量流动

C．丁所示的营养级在食物链中占有的碳元素最多

D．碳是以二氧化碳的形式在生物群落与无机环境之间及生物群落内部往复循环

B　[由图可知：甲是生产者，乙是消费者，丙是分解者，丁是大气当中的二氧化碳库，d代表呼吸作用，b代表光合作用，A错误；碳循环是物质循环中的一种，在物质循环过程中伴随着能量流动，B正确；生产者是生态系统中的第一营养级，在食物链中占有的碳元素最多，故甲最多，C错误；碳元素在生物群落与无机环境之间是以二氧化碳的形式进行循环而反复利用，但在生物群落内部是以有机物的形式传递，D错误。]

2．2020年，中国科研人员在南海海底首次发现了鲸落，附近有数十只铠甲虾、红虾、鼬鳚鱼等。所谓“一鲸落，万物生”，就是鲸死亡后落入深海逐渐形成的生态系统，能够持续数十年甚至上百年，其中包括化能自养型细菌利用厌氧菌产生的H2S合成有机物的阶段。下列叙述不正确的是(　　)

A．鲸落形成之初鲸鱼尸体为深海动物和微生物提供营养物质

B．可通过观测鲸落随时间推移发生的变化研究深海群落演替

C．鲸落这一特殊生态系统只有捕食者和消费者没有生产者

D．鲸落中的各种细菌促进了系统中的物质循环和能量流动

C　[鲸落形成之初鲸尸为深海动物和微生物提供营养物质和能量，A正确；随着时间推移，鲸落中会发生群落的演替，可通过观测鲸落随时间推移发生的变化研究深海群落演替，B正确；鲸落中有化能自养型细菌，属于生产者，C错误；鲸落中的各种细菌可以分解有机物，可以促进系统中的物质循环和能量流动，D正确。]

以“桑基鱼塘”为真实情境信息，通过设问(1)考查科学思维；通过设问(2)考查社会责任。

(1)“→桑”可以代表能量流动中的一个环节吗？为什么？(科学思维)

提示：可以，“太阳→桑”表示植物光合作用固定太阳能，能量由此流入生态系统，故“太阳→桑”可代表能量流动中的一个环节。

(2)该生态农业怎样体现资源的多级利用？(社会责任)

提示：通过蚕粪产生沼气，为人类提供生活能源，通过蚕粪养鱼为人类提供食物，实现对能量的多级利用，提高能量的利用率。

[课堂小结]

1．下列有关物质循环的叙述，正确的是(　　)

A．非生物环境中的物质只有通过植物的光合作用才能进入生物群落

B．生物群落中的物质只能通过分解者的分解作用才能返回非生物环境

C．能量流动和物质循环是独立进行的两个过程

D．非生物环境中的物质可以被生物群落反复利用

D　[非生物环境中的物质可以通过植物或光合细菌等的光合作用或者硝化细菌等的化能合成作用进入生物群落，A错误；生物群落中的物质通过生产者、消费者的呼吸作用和分解者的分解作用返回非生物环境，B错误；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循环往复的动力，二者相互依存，不可分割，C错误；在物质循环过程中，非生物环境中的物质可以被生物群落反复利用，D正确。]

2．果树—草菇立体农业是利用果树下弱光潮湿的环境条件，用枯草等材料栽培草菇。栽培草菇剩下的基质，又给果树提供了营养。有关叙述正确的是(　　)

A．草菇属于消费者，促进了物质和能量循环

B．果树利用栽培草菇剩下的基质，属于分解者

C．枯草的能量既可以流向草菇，也可以流向果树

D．果树—草菇立体农业生产模式可以提高能量利用率

D　[草菇在该生态系统中属于分解者，A错误；果树可将光能转化为有机物中的化学能，属于生产者，B错误；生态系统的能量流动是单向的，枯草的能量可流向草菇，但不能流向果树，C错误；果树—草菇立体农业生产模式可以提高能量利用率，使能量持续高效地流向对人类最有益的部分，D正确。]

3．“落红不是无情物，化作春泥更护花”体现了生态系统中物质循环的原理。根据这一原理，下列说法不正确的是(　　)

A．物质循环中的“物质”指的是组成生物体的各种元素

B．物质循环中的“循环”指的是在生物群落和无机环境之间的循环

C．物质是能量的载体，物质循环也可以促进能量循环利用

D．生态农业可以加快生态系统的物质循环

C　[物质循环中的“物质”指的是组成细胞的各种元素，A正确；物质循环中的“循环”指的是在无机环境与生物群落之间的循环，B正确；生态系统的能量流动是单向的，不能循环利用，C错误；生态农业中利用人的调控作用，可以加快物质循环，D正确。]

4．如图是我国北方处于平衡状态的某森林生态系统的碳循环示意图，其中箭头表示碳的传递方向，字母表示碳传递途径。则下列叙述错误的是(　　)

A．碳从植物体流入动物体的主要形式是有机物

B．a途径是通过光合作用实现的，b、d、g途径是通过呼吸作用实现的

C．碳在生物群落与非生物环境之间的循环主要以二氧化碳的形式进行

D．如果图中的字母表示碳元素传递的数量，植物正常生长，则夏季a、b、c、e之间的关系可表示为a＝b＋c＋e

D　[碳从植物体内以含碳有机物的形式被动物摄食，并使得能量流入动物体内，A正确；由图形分析可知，a表示植物的光合作用，b表示植物的呼吸作用，d表示动物的呼吸作用，g表示分解者的分解作用(呼吸作用)，B正确；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，在生物群落内部以含碳有机物的形式进行，C正确；e、f代表动植物的遗体和动物的排遗物流向分解者，夏季植物正常生长，则植物体内存在有机物积累，进入植物体的碳元素数量应多于从植物体传递出的碳元素数量，则a>b＋c＋e，D错误。]

5．放牧对草原生态系统的碳循环和氮循环具有重要的影响，下图是草原生态系统的碳、氮循环的模式图(局部)。据此回答问题：

(1)组成生物体的碳、氮元素，不断地从非生物环境到生物群落，又从生物群落到非生物环境，这个过程叫作生态系统的________，其中氮元素进入生物体内可用于合成的生物大分子的类别有______________。

(2)图中缺少的生态系统组成成分是________，①、③代表的生理过程分别为__________________。

(3)下表为不同密度的放牧行为分别对植物碳库、氮库和土壤碳库、氮库的影响。若植物和土壤分别代表环境中的地上和地下部分，则对地上部分碳库、氮库影响最小的放牧密度是________，对地下部分碳库、氮库影响最小的放牧密度是________。

注：表格中正数代表增加，负数代表减少，表格中的数字代表改变的百分比。

(4)据表得知，长期重度放牧带来的结果是________________，超过了生态系统的自我调节能力，生态系统的________急剧下降，导致生态平衡遭到严重破坏，草原退化甚至沙漠化。

(5)若气候条件不发生改变，在退化的草原上植株造林可行吗？请回答并分析原因__________________________________________________________

_____________________________________________________________。

(6)2003年国家启动退牧还草工程，因地制宜，不断提升草原的生态承载力。到2017年，我国天然草原面积已跃居世界第一位。在退牧还草的过程中，生态系统发生的变化有哪些________。

a．所有种群的K值增加

b．群落的物种丰富度增加

c．群落的结构更复杂

d．食物网更复杂

e．相邻营养级间的能量传递效率增加

f．群落对光能的利用率增加

[解析]　(1)组成生物体的碳、氮元素，不断地从非生物环境到生物群落，又从生物群落到非生物环境，这个过程叫作生态系统的物质循环，其中氮元素进入生物体内可用于合成的生物大分子的类别有蛋白质、核酸。

(2)植物属于生产者，土壤微生物属于分解者，大气CO2属于非生物的物质，所以图中缺少的生态系统组成成分是消费者，①、③代表的生理过程分别为植物的光合作用和呼吸作用。

(3)表格中正数代表增加，负数代表减少，表格中的数字代表改变的百分比，根据表格数据可知，若植物和土壤分别代表环境中的地上和地下部分，则对地上部分碳库、氮库影响最小的放牧密度是中度放牧，对地下部分碳库、氮库影响最小的放牧密度是轻度放牧。

(4)根据表格数据可知，长期重度放牧会使生态系统中的碳库和氮库含量均减小，超过了生态系统的自我调节能力，生态系统的稳定性急剧下降，导致生态平衡遭到严重破坏，草原退化甚至沙漠化。

(5)草原地区降水量低，不宜植树造林，即在退化的草原上植树造林不可行。

(6)退牧还草可提升草原的生态承载力，使某些种群数量有所增加，但由于各种生物之间可能存在的捕食或竞争关系，所以不会使所有种群的K值增加；由于植被的数量增加，输入到生态系统中的能量也增加，故会使草原上生物的种类增加，构成的食物网也越复杂，进而使群落的结构更复杂，对光能的利用率增加，但不能提高相邻营养级间的能量传递效率。综上分析，在退牧还草的过程中，生态系统发生的变化有bcdf。

[答案]　(1)物质循环　蛋白质、核酸　(2)消费者　光合作用、呼吸作用　(3)中度放牧　轻度放牧　(4)生态系统中的碳库和氮库含量均减小　稳定性　(5)不可行，因为草原地区降水量低，不宜植树造林　(6)bcdf