3-3 生态系统的物质循环【教学设计】生物选择性必修2 生物与环境

生物选择性必修2 生物与环境【教学设计】
第3节　生态系统的物质循环
[学习目标]
1.分析生态系统中的物质在生物群落与非生物环境之间不断循环的规律,培养归纳与概括等科学思维。
2.通过对温室效应的原因和治理的学习,培养关注环境的问题、生物学社会议题等社会责任感。
3.分析碳循环过程与能量流动、物质循环的关系,培养物质与能量观、结构与功能观等生命观念。
4.阐明某些有害物质会通过食物链不断富集的现象。
【课件自主预习】
一、碳循环
1.物质循环的概念: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。
2.物质循环的范围:生物圈。
3.物质循环的特点
(1)具有全球性,因此又叫生物地球化学循环。
(2)物质在生态系统中循环往复运动。
4.物质循环的实例——碳循环
(1)二氧化碳能溶于水,因此可在大气和海洋、河流之间进行交换。
(2)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。
(3)由于二氧化碳能够随着大气环流在全球范围内进行,因此,碳循环具有全球性。此外,海洋对于调节大气中的碳含量起着非常重要的作用。
(4)世界范围内,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,引起全球性的气候变化。我国一方面采取积极措施减少二氧化碳排放,另一方面大力植树种草,提高森林覆盖率。
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)食物链中营养级越高,生物富集的某种物质浓度就越大。
(2)具有全球性。
三、能量流动和物质循环的关系
1.区别
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;能量在流经生态系统各营养级时是逐级递减的,而且流动是单方向不循环的。
2.联系
(1)能量流动和物质循环是生态系统的主要功能,它们同时进行,彼此相互依存,不可分割。
(2)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。
①物质作为能量的载体,使能量沿着食物链(网)流动。
②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.背景资料
(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等微生物,它们在生态系统中的成分主要为分解者。
(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.案例设计
项目 案例1 案例2
实验假设 土壤微生物能分解落叶使之腐烂 土壤微生物能分解淀粉
实 验 设 计 实验组 土壤放在60 ℃恒温箱中处理 A烧杯中加入30 mL土壤浸出液+淀粉糊
对照组 土壤不做 处理(自然状态) B烧杯中加入30 mL蒸馏水+与A烧杯等量的淀粉糊
自变量 土壤中是否含有微生物 是否加土壤 浸出液
实验现象 在相同时间内实验组落叶腐烂程度小于对照组 A A1 不变蓝
A2 产生砖 红色 沉淀
B B1 变蓝
B2 不产生 砖红色 沉淀
结论分析 土壤微生物对落叶有分解作用 土壤微生物能分解淀粉
注:在A1、B1中加入碘液,在A2、B2中加入斐林试剂并加热。
【预习检测】
1.判断下面有关生态系统物质循环说法的正误。
(1)物质循环中的“物质”指的是组成生物体的各种化合物。(　×　)
(2)沼渣等作为肥料还田,使物质能够循环利用。(　√　)
(3)化石燃料的大量燃烧是造成温室效应的主要原因。(　√　)
(4)碳元素在非生物环境与生物群落之间传递时,只有生产者与非生物环境之间的传递是双向的,其他成分间是单向的。(　√　)
(5)物质循环和能量流动是两个独立的过程。(　×　)
(6)生态系统的物质循环和能量流动的渠道都是食物链和食物网,所以物质和能量都是循环往复的。(　×　)
(7)只有在光照的条件下,生态系统的物质循环和能量流动才是同时进行的。(　×　)
(8)铅、钙等通过生物富集主要出现在高营养级生物体内。(　×　)
2.判断下面有关探究土壤微生物的分解作用说法的正误。
(1)可采用加热烘干的方法除去实验组中的土壤微生物。(　×　)
(2)应将实验组和对照组的土壤放在隔绝空气的条件下。(　×　)
(3)对照组中落叶的分解速度明显高于实验组。(　√　)
(4)实验组和对照组可以分别选择不同种类的落叶进行实验。(　×　)
【课堂互动探究】
探究点一　碳循环过程和生物富集
[活动1] 如图是自然界碳循环的简图,据图分析下列有关问题。
(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:甲为分解者、乙为消费者、丙为生产者。①、②、③过程为通过分解者、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)大气中二氧化碳进入生物群落的主要途径是④(用图中序号表示)。
(3)碳循环都是双向的吗
提示:不都是。①二氧化碳在生物群落和非生物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。
(4)氮元素在生物群落和非生物环境之间也是不断循环的,为什么还要往农田中不断地施加氮肥
提示:物质循环是指在生物圈范围内物质是循环的。农田中不断有粮食产出,基本元素不断地被输出,所以要不断地施加氮肥。
(5)若人们乱砍滥伐,现代工业化石燃料的大量燃烧对碳循环有何影响 如何解决“温室效应”
提示:打破生物圈中碳循环的平衡,造成“温室效应”。措施:①减少煤、石油等化石燃料的燃烧;②开发新的洁净能源,如核能、太阳能、风能、水能等;③大面积植树造林,降低空气中二氧化碳含量。
[活动2] 下表是某生态系统中生物体内残留有机汞的情况:
生物体 A B C D E
有机汞 浓度/ppm 0.05 7 0.51 68 0.39
(1)据表写出该生态系统可能的营养结构。
提示:由于生物富集现象,随着营养级的增加,有机汞浓度增加,表中A有机汞浓度最低,处于第一营养级,C和E的有机汞浓度差不多,表明两者属于同一营养级,D有机汞浓度最高,处于最高营养级,那么,最可能的食物网如图所示 。
(2)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,这说明物质循环具有什么特点
提示:全球性。
[归纳总结] 生态系统的碳循环图解的判断方法
(1)图1——先根据双向箭头判断:A和B为生产者和非生物的物质和能量,再结合A均为指出的箭头,B均为指入的箭头可确定A和B分别为生产者和非生物的物质和能量。再根据A→D、C→D判断:C为消费者,剩下的D为分解者。
(2)图2——根据A与C之间的双向箭头及A、C的指入和指出箭头判断:A是生产者,C是非生物的物质和能量。根据A、B、D的箭头都流向E,可进一步判断:B是初级消费者,D是次级消费者,E是分解者。
(3)图3——根据A与E之间的双向箭头及A、E的指入和指出箭头判断:A为非生物的物质和能量,E为生产者。然后观察剩余的几个成分,其中其他生物部分的箭头都指向C,所以C是分解者,剩余的B、D、F则为消费者。图中的食物链是E→F→D→B。
[应用] 如图是生态系统中碳循环示意图,“→”表示碳的流动方向,下列说法正确的是(　C　)
A.图中甲是生产者,乙、丁、戊是消费者,丙是分解者
B.该生态系统的成分包括甲、乙、丙、丁、非生物的物质和能量
C.该生态系统中的食物链可表示为甲→丁→戊
D.甲和乙的种间关系为捕食
解析:图中甲、丙之间为双向箭头,分别为生产者和大气中的二氧化碳库的其中之一,由于生产者、消费者、分解者均能进行呼吸作用产生二氧化碳流向大气中的二氧化碳库,因此丙是大气中的二氧化碳库,甲是生产者,则丁、戊为消费者,乙为分解者;该生态系统的成分包括甲、乙、丁、戊、非生物的物质(包括丙)和能量;该生态系统中的食物链可表示为甲→丁→戊;乙为分解者,所以甲和乙的种间关系不是捕食。
探究点二　能量流动和物质循环的关系
1.探究能量流动和物质循环的关系
[情境] 如图为碳元素在生态系统中循环的模式图,图中甲、乙、丙表示生态系统的生物成分,箭头表示生理过程。请据图分析回答下列问题。
[思考] (1)甲、乙、丙、丁分别代表生态系统的什么成分 并简述判断的理由。
提示:甲和丁之间有双向箭头,且其他几种成分都有箭头指向丁,所以丁为大气中的二氧化碳库,甲为生产者;甲和乙都有箭头指向丙,所以丙为分解者,则乙为消费者。
(2)碳在甲、乙、丙之间的流动形式是什么 在甲(或乙或丙)与丁之间的流动形式又是什么
提示:在甲、乙、丙之间的流动形式是含碳有机物,在甲(或乙或丙)与丁之间的流动形式是二氧化碳。
(3)图中的字母分别表示什么过程
提示:b代表光合作用或化能合成作用,d和c代表细胞呼吸,f代表微生物的分解作用,a代表捕食,e和g代表动植物的遗体、排遗物等提供给分解者。
[归纳总结] 物质循环与能量流动的联系
(1)物质循环与能量流动的区别
项目 能量流动 物质循环
形式 太阳能→化学能→热能
过程 沿食物链(网)单向流动 在非生物环境与生物群落之间反复循环
范围 生态系统各营养级 全球(生物圈)
特点 单向流动、逐级递减 全球性、循环往复
(2)物质循环与能量流动的联系
[应用] 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(　C　)
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非生物环境之间循环往复
C.能量①和能量④能被生产者再度利用,实现能量的循环利用
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
解析:生产者不能利用能量①和能量④,能量是不能循环利用的。
2.探究土壤微生物的分解作用
[活动] 阅读教材P65～P66“探究·实践”,回答下列问题。
(1)“参考案例1”中分析实验自变量和因变量是什么 如何控制自变量
提示:自变量是土壤微生物的有无;因变量是土壤中落叶的分解程度。对实验组土壤进行处理,以尽可能排除土壤中微生物的作用,同时要尽可能避免土壤理化性质的改变(例如,将土壤用塑料袋包好,放在60 ℃恒温箱中处理1 h);对照组土壤不做处理。
(2)“参考案例2”中鉴定不同糖类用到的试剂分别是什么 使用时有什么注意事项
提示:鉴定淀粉需用碘液,碘液不可滴加过多,通常滴加 1～2滴即可。鉴定淀粉分解产生的还原糖可用斐林试剂,通常需要加热2 min。
(3)实验中应注意控制哪些无关变量
提示:如温度、湿度、pH、处理时间、埋藏深度等都属于无关变量,实验组与对照组的无关变量都是相同的。
[应用] 某生物兴趣小组以带有落叶的表层土壤(深5 cm 左右)为实验材料,研究土壤微生物在适宜温度下的分解作用,对土壤处理情况见下表。下列有关叙述不正确的是(　C　)
组别 1组 2组 3组 4组
土壤 处理 灭菌 不灭菌 灭菌 不灭菌
湿润 湿润 较干燥 较干燥
A.该实验能探究不同土壤湿度条件下,土壤微生物对落叶的分解作用
B.为了控制实验中的无关变量,作为实验材料的落叶也应进行灭菌处理
C.该实验的自变量为土壤是否灭菌处理,实验中的对照组是1组和3组
D.预期结论是1、3组的落叶不被分解,2、4组中的落叶被不同程度地分解
解析:该实验中1、2组是湿润土壤,3、4组是较干燥土壤,可以探究不同土壤湿度条件下,土壤微生物对落叶的分解作用;该实验中对土壤采取了灭菌和不灭菌的处理,这是对自变量的处理,落叶上存在的微生物属于无关变量,为了避免无关变量对实验的干扰,应将各组的落叶进行灭菌处理;该实验的自变量为土壤是否灭菌处理及土壤的湿度,若该实验的自变量为土壤是否灭菌处理,那么实验中的对照组是2组和4组;该实验的预期结论是1、3组的落叶不被分解,2、4组的落叶被不同程度地分解。
课堂小结
完善概念图 记忆节节清
1.物质循环:指的是组成生物体的C、H、O、N、P、S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。 2.物质循环特点:全球性和循环往复运动。 3.温室效应:过度燃烧化石燃料而形成的。 4.物质是能量流动的载体,能量是物质循环的动力。
随堂反馈
1.判断下列关于物质循环说法是否正确。
(1)生物群落内部进行碳循环的物质形式是二氧化碳。(　×　)
(2)探究落叶是否在土壤微生物的作用下腐烂,该实验的自变量是土壤中是否含有微生物。(　√　)
(3)组成生物体的各种元素在生态系统中都是循环的,没有全球性。(　×　)
2.生态系统的物质循环包括碳循环和氮循环等过程。下列有关碳循环的叙述,错误的是(　A　)
A.消费者没有参与碳循环的过程
B.生产者的光合作用是碳循环的重要环节
C.土壤中微生物的呼吸作用是碳循环的重要环节
D.碳在无机环境与生物群落之间主要以CO2形式循环
解析:消费者的存在能加快生态系统的物质循环;生产者的光合作用能将二氧化碳和水转化成有机物,使大气CO2库中的碳进入生物群落即生产者的光合作用是碳循环的重要环节;土壤中的微生物可以通过呼吸作用将含碳有机物中的碳返回大气中,土壤中微生物的呼吸作用是碳循环的重要环节;碳在生物群落和无机环境之间的循环主要以CO2的形式进行,在生物群落内部主要以含碳有机物的形式传递。
3.下图为部分碳循环示意图,有关叙述正确的是(　D　)
A.图中由生产者、Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ和Ⅳ构成的食物链中,能量最少的是Ⅲ
B.生产者为第一营养级,①②⑥⑧过程所含能量之和为生产者固定的总能量
C.根瘤菌与豆科植物互利共生时,其生命活动所需的有机碳来自⑥过程
D.①⑦⑧过程主要以CO2 的形式进行,②③④⑤⑥过程以有机物的形式进行
解析:Ⅰ和生产者之间有来回双箭头,Ⅰ为大气中的CO2 库,Ⅳ是分解者,二者不能参与食物链的构成;生产者同化的能量为光合作用固定的能量,即①过程所含的能量;根瘤菌与豆科植物互利共生时,其生命活动所需的有机碳来自豆科植物的光合作用,即①过程。
4.(不定项选择)下列关于生态系统中物质循环和能量流动的叙述,不正确的是(　CD　)
A.光合作用促进了生物群落中的物质循环
B.碳以二氧化碳的形式在生物群落与非生物环境之间循环
C.生态系统中能量的初始来源只有太阳能
D.防治稻田害虫可提高生产者和人类之间的能量传递效率
解析:生态系统中物质可以循环使用,光合作用促进了生物群落中的物质循环;碳以二氧化碳的形式在生物群落与非生物环境之间循环,以含碳有机物的形式在生物群落内部流动;生态系统中能量的初始来源可以是太阳能,或者有机物分解释放的化学能;防治稻田害虫,即调节能量流动的关系,使能量流向对人类有益的部分,能达到提高能量利用率的目的,但不能提高能量传递效率。
5.为积极应对全球气候变化,我国政府在2020年的联合国大会上宣布,中国力争2030年前实现碳达峰(CO2排放量达到峰值),在2060年前实现碳中和(CO2排放量与减少量相等) ,这是中国向全世界的郑重承诺,彰显了大国责任。下图是某自然生态系统中碳循环示意图,其中a、b、c、d构成生物群落。回答下列问题。
(1)在生态系统中,碳元素在生物群落中的传递渠道是　　　　　　　　。从生态系统的组成成分考虑,图中生物c属于　　　　,其在生态系统物质循环过程中发挥的重要作用是　。
(2)图中b同化的能量最终去向是　　　　　　　　　　　　　　　　　,生态系统的能量流动不同于物质循环的特点是　　　　　　　　　　　。
(3)在自然生态系统的碳循环过程中,植物等从大气中摄取碳的速率与生物的　　　　　　作用释放碳的速率大致相等。
(4)全球变暖是当今国际社会共同面临的重大问题,从全球碳循环的主要途径来看,增加　　　　、减少　　　　是实现碳达峰和碳中和的重要举措。
解析:(1)碳元素在生物群落中的传递渠道是食物链和食物网;根据箭头指向分析,d为生产者,a、b为消费者,c为分解者,分解者能将动植物遗体和动物的排遗物分解成无机物。
(2)b为图示中最高营养级,不被其他生物捕食,因此其同化的能量最终去向是自身的呼吸作用散失和被分解者利用。生态系统能量流动不同于物质循环的特点是单向流动,逐级递减。
(3)碳进入生物群落是通过生产者的固定,而返回无机环境是通过各种生物的呼吸作用,在自然生态系统的碳循环过程中,植物等从大气中摄取碳的速率与生物的呼吸(和分解)作用释放碳的速率大致相等。
(4)从全球碳循环的主要途径来看,减少碳排放量和增加碳吸收量是实现碳达峰和碳中和的重要举措。
答案:(1)食物链和食物网　分解者　能将动植物遗体和动物的排遗物分解成无机物　(2)自身的呼吸作用散失和被分解者利用　单向流动、逐级递减
(3)呼吸(和分解)　(4)碳固定量(或碳吸收量,碳存储量)　碳排放量