第3节　生态系统的物质循环

一、碳循环

1．过程图解

(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：A．生产者，B．分解者，C．次级消费者，D．初级消费者。

2．循环形式

(1)在生物群落与无机环境间：主要以二氧化碳的形式进行。

(2)在生物群落内：以含碳有机物的形式进行。

3．温室效应

(1)形成原因：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：引起全球性的气候变化。

(3)我国采取措施：减少二氧化碳排放和大力植树种草，提高森林覆盖率。

4．物质循环的概念及特点

(1)概念

组成生物体的碳、氢、氧、氮、磷、硫等元素，都在不断进行着从非生物环境到生物群落，又从生物群落到非生物环境的循环过程，又叫生物地球化学循环。

(2)特点

①全球性——生物地球化学循环。

②循环性——物质可被生物群落反复利用。

二、生物富集

1．概念

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。

2．特点

(1)沿着食物链逐渐在生物体内聚集，最终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．区别

(1)物质循环具有全球性和循环性的特点。

(2)能量流动是逐级递减的，是单方向不循环的。

2．联系

(1)二者同时进行，彼此相互依存，不可分割。

(2)物质作为能量的载体，使能量沿着食物链(网)流动；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返。

四、探究土壤微生物的分解作用

1．原理

(1)土壤中生活着肉眼看不见的细菌、丝状真菌和呈放射状的放线菌，它们在生态系统中的成分是分解者。

(2)由于各地气候与环境等因素不同，落叶在土壤中被分解的时间也是不同的。

2．实验方案

判断对错(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。(　　)

提示：1．√　2．√　3．√　4．√

5．×　生态系统的物质循环和能量流动同时进行，彼此相互依存，不可分割。

6．×　物质在生物群落与无机环境间可被循环利用。

　碳循环

1．碳循环分析

(1)碳存在形式

(2)碳循环形式

(3)碳元素的传递规律：碳元素在无机环境与生物群落之间传递时，只有生产者与无机环境之间的传递是双向的，其他成分之间的传递都是单向的(判断生态系统各成分的依据)。

2．温室效应

1．如图是自然界碳循环的简图，据图分析并回答下列有关问题：

(1)图中的甲、乙、丙分别是什么？①、②、③分别表示什么过程？

提示：分解者、消费者、生产者。通过分解者、生产者、消费者的呼吸作用将生物群落内的有机物分解为CO2，返回大气中。

(2)大气中CO2进入生物群落的主要途径是什么？(用图中代号表示)

提示：④。

(3)碳循环都是双向的吗？说明理由。

提示：不都是。①CO2在生物群落和无机环境之间是双向循环的。②在生物群落内部，沿食物链(网)传递时，碳循环不是双向的，只能由低营养级向高营养级单向传递。

2．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？

提示：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。

1．如图表示生物圈中碳循环的部分示意图。A、B、C、D构成生物群落，箭头①～⑨表示循环过程。下列有关说法正确的是(　　)

A．大气中的气体X是指二氧化碳和一氧化碳

B．完成①过程的能量主要是由⑧过程提供的

C．D经⑤、⑥、⑦过程获得的能量占A、B、C总能量的10%～20%

D．C处于第三营养级

D　[生物群落与无机环境之间的碳循环是以CO2的形式进行的，故图中大气中的气体X代表CO2；图中A为生产者，B为初级消费者(第二营养级)，C为次级消费者(第三营养级)；完成①过程的能量主要由太阳能转化的活跃的化学能提供；捕食食物链中相邻两营养级之间的能量传递效率约为10%～20%。故选D。]

2．如图为生物圈中碳元素的循环过程，下列有关叙述正确的是(　　)

A．④过程代表绿色植物的光合作用，③过程代表化能合成作用

B．图中甲、乙、丙分别代表消费者、生产者和分解者

C．碳循环是指碳元素在甲、乙、丙之间以CO2的形式传递

D．图中甲、乙、丙包含的所有种群共同构成生物群落

D　[③过程代表绿色植物的呼吸作用，④过程代表光合作用或化能合成作用，A错误；由图可知，甲代表分解者，乙代表生产者，丙代表消费者，B错误；碳元素在生物群落中的传递主要沿食物链和食物网进行，传递形式为有机物，故碳元素在甲、乙、丙之间以有机物的形式传递，C错误。]

根据碳循环过程判断各组成成分

根据图中“箭头”判断碳循环中各成分基本思路：

(1)根据双向箭头C与D确定两者肯定是大气中的CO2库、生产者。

(2)根据箭头指向判断各成分：

①D有三个指出，应为生产者。

②C有三个指入，应为大气中的CO2库。

③A和B中，一个为消费者，另一个为分解者，D(生产者)和A(消费者)均指向B，则B为分解者。

　能量流动、物质循环和生物富集的关系

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

3．生物富集

(1)发生生物富集的条件

①富集物质在环境中的存在形式必须是比较稳定的。

②富集物质必须是生物体能够吸收的。

③富集物质在生物代谢过程中是不易被分解的。

(2)常见存在生物富集现象的污染物

重金属如铅(Pb)、镉(Cd)、汞(Hg)等，人工合成的有机物如DDT、六六六等以及一些放射性物质。

(3)富集的过程

①途径：食物链。

②实例——铅的富集过程

注：人是生物富集的最大受害者。

生物富集的原因

(1)重金属物质如铅、镉、汞等进入生物体后，形成稳定的化合物，分布于多种组织细胞中，不易被排出。

(2)人工合成的一些有机化合物如DDT、六六六等，不易被分解，易积累在组织细胞中。

1．下列关于物质循环、能量流动和生物富集的说法，错误的是 (　　)

A．物质是能量流动的载体，能量是物质循环和生物富集的动力

B．生物圈不需要从外界获得任何物质补给，就能长期维持其正常功能

C．食物链和食物网是能量流动、物质循环和生物富集的渠道

D．仅通过绿色植物的光合作用，就可完成生态系统的碳循环

D　[生态系统中，物质是能量的载体，使能量沿着食物链(网)流动，能量作为动力，使物质在生物群落与非生物环境之间往复循环，使不易分解的物质沿食物链(网)富集，A项正确；物质是可循环的，生物圈不需要从外界获得任何物质补给，就能长期维持其正常功能，B项正确；在生态系统中，能量流动、物质循环和生物富集均可沿着食物链和食物网进行，C项正确；通过绿色植物的光合作用、生产者和消费者的呼吸作用、分解者的分解作用等，才能完成生态系统的碳循环，D项错误。]

2．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．生物圈的物质是自给自足的，能量是需要不断补充的

B．物质作为能量的载体，使能量沿着食物链(网)流动

C．能量②③的总和便是生产者所固定的太阳能总量

D．碳在生物群落和非生物环境之间的循环主要是以CO2的形式进行的

C　[生态系统的物质可循环利用，而能量是单向流动不可循环的，任何生态系统都需要不断得到来自系统外的能量补充，A不符合题意。物质作为能量的载体，使能量沿着食物链(网)流动，B不符合题意。生产者固定的太阳能总量包括生产者自身的呼吸作用消耗的能量、生产者流向初级消费者的能量、生产者流向分解者的能量三部分，而能量②表示生产者流向初级消费者的能量，能量③表示初级消费者流向次级消费者的能量，C符合题意。碳在生物群落和非生物环境之间的循环主要以CO2的形式进行，D不符合题意。]

生物富集虽然是通过大气、水和生物的迁移而进行的，但这三种途径最终都要通过食物链富集。

由材料分析知，绿色低碳发展这种理念推动了养殖产业新一轮的发展，某农场构建的立体生态养殖实现了养殖业的持续发展，由此形成科学思维的学科素养。

1．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。(答出一点即可)(科学思维)

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。

2．从生态系统主要功能的角度分析，这种养殖模式的好处是什么？(科学思维)

提示：较好地实现了物质的循环利用，同时提高了能量的利用率。

[课堂小结]

1．下列有关碳循环的叙述，错误的是(　　)

A．化石燃料的开采和使用是导致温室效应的主要原因

B．碳元素在生物群落和非生物环境之间主要以CO2的形式循环

C．碳元素在生物群落中主要以有机物的形式传递

D．只要植树种草、秸秆还田就可以治理温室效应

D　[温室效应是大气中CO2等气体含量增加，使全球气温升高的现象，产生的主要原因是化石燃料的开采和使用，A正确；碳元素在生物群落和非生物环境之间主要以CO2的形式循环，B正确；碳元素在生物群落中主要以有机物的形式传递，C正确；温室效应是大气中CO2等气体含量增加引起的，治理温室效应除了应采取植树种草、秸秆还田等措施外，还应减少化石燃料的开采和使用等，D错误。]

2．碳在生物群落与无机环境之间的循环主要是通过(　　)

A．光合作用　　　　 B．呼吸作用和光合作用

C．呼吸作用   D．蒸腾作用和呼吸作用

B　[在生态系统的碳循环过程中，碳循环是以有机物和二氧化碳的形式进行的。通过绿色植物的光合作用，使无机环境中的二氧化碳进入生物群落，生物群落中的碳以有机物形式存在，生产者、各级消费者及分解者又通过呼吸作用将有机物分解成二氧化碳而回到无机环境中去。因此，碳在生物群落和无机环境之间的循环是通过光合作用和呼吸作用进行的。]

3．下列关于物质循环和能量流动的说法，错误的是(　　)

A．物质是能量流动的载体，能量是物质循环的动力

B．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

C．通过绿色植物的光合作用，可完成生态系统的碳循环

D．食物链和食物网是能量流动和物质循环的渠道

C　[绿色植物的光合作用能将二氧化碳中的碳转化为有机物中的碳，这只是碳循环的一步，并没有完成生态系统的碳循环，C项错误。]

4．某同学完成了土壤微生物的分解作用的对照实验，对照组是   (　　)

A．土壤不做处理，自然状态

B．土壤进行处理

C．排除土壤微生物的作用

D．尽可能避免改变土壤理化性质

A　[实验组和对照组的单一变量是土壤中是否含有微生物，所以对照组应为不做处理的自然土壤，而实验组应将土壤进行灭菌处理，尽可能排除土壤微生物的作用。]

5．如图为我国北方处于稳定状态的某森林生态系统中碳循环示意图，图中A、B、C、D分别代表生态系统的组成成分，①～⑦代表碳元素的传递过程。请据图回答问题。

(1)写出字母或标号代表的生态系统的组成成分或碳循环过程：B________；C________；①________；⑥____________。

(2)碳元素是通过[　　]________由无机环境进入生物群落的，而在生物群落中是以________的形式沿____________传递的。

(3)生物群落中的碳元素归还到无机环境中主要依靠各类生物的________，而另一部分碳元素则以________的形式储藏于地层中。

(4)从碳循环的过程可知生态系统的物质循环的特点是____________和____________；与碳元素的循环过程相比，能量流动的特点是____________和__________。

(5)人类大量开采并燃烧由古代动植物遗体形成的煤和石油等，使地层中经过千百万年积存的碳元素在短期内大量释放，对环境产生的影响主要是________________________________________________________________

______________________________________________________。

[解析]　(1)据图可判断，B代表生产者，C代表消费者，①表示光合作用，⑥表示分解者的分解作用。

(2)无机环境中的碳主要通过[①]光合作用进入生物群落，在生物群落中以有机物的形式沿食物链(网)传递。

(3)生物群落中的碳元素主要依靠生物的呼吸作用回到无机环境中，另一部分则以化石燃料的形式储藏于地层中。

(4)生态系统物质循环的特点是全球性和循环往复，能量流动的特点是单向流动和逐级递减。

(5)碳元素在短期内大量释放会造成大气中二氧化碳增多，引发温室效应。

[答案]　(1)生产者　  消费者　  光合作用　  分解作用

(2)①　  光合作用　有机物　  食物链(和食物网)

(3)呼吸作用 　 化石燃料

(4)全球性　循环往复　 单向流动 　 逐级递减

(5)产生温室效应(或大气中二氧化碳增多)