第3节 生态系统的物质循环
[学习目标] 1.分析生态系统物质循环的特点，并说明碳循环失调与温室效应的关系。2.设计实验探究“土壤微生物的分解作用”。3.尝试建立概念图，说明物质循环与能量流动的关系。
一、物质循环
1．碳循环
(1)碳元素在自然界和大气中分别以什么形式存在？
答案 碳元素在自然界中以CO2和碳酸盐的形式存在，在大气中以CO2的形式存在。
(2)自然界中的碳元素通过什么生理过程进入生物群落？
答案 自然界中的碳元素以CO2的形式被生产者利用，通过光合作用或化能合成作用合成含碳有机物储存在生产者体内，进入生物群落。
(3)碳元素在生物群落中以什么形式存在？沿着什么渠道进行传递？
答案 在生物群落以含碳有机物的形式存在。碳元素在生物群落中沿着食物链和食物网往下传递，最终流向分解者。
(4)生物群落中的碳元素是如何回归无机环境的？以什么形式回归无机环境？
答案 动植物的呼吸作用和分解者的分解作用，以及化石燃料的燃烧都可以把有机物分解成无机物。以CO2的形式回归大气。
2．物质循环的概念
(1)物质循环就是指组成生物体的C、H、O、N、P、S等元素，不断在无机环境和生物群落之间循环的过程。物质循环又叫生物地球化学循环。
(2)物质循环的范围是什么？
答案 物质循环的范围是整个生物圈。
二、土壤微生物的分解作用
1. 实验原理
(1)土壤中存在种类、数目繁多的细菌、真菌等微生物，它们在生态系统中的成分主要为
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分解者。
(2)分解者的分解速度与环境中的温度、水分等生态因子相关。
(3)土壤微生物能分泌淀粉酶将淀粉分解成还原糖(麦芽糖)，淀粉遇碘变蓝。还原糖遇斐林试剂，在加热条件下，产生砖红色沉淀。
2．取材是在落叶多的地方取泥土还是在落叶少的地方取泥土？并说明理由。
答案 落叶多的地方。因为这个地方微生物密集。
3. 取表面上层土还是深入地下土？
答案 表层上层土，大部分微生物需要进行呼吸作用。
4. 课本案例1中，对实验中对照组和实验组的实验材料的改变，要有衡量标准，本实验的衡量标准是什么？
答案 落叶的“腐烂程度”。
5．课本案例2中，用碘液和用斐林试剂检测的效果一样吗？
答案 碘液与斐林试剂的检测程度不同：前者检测淀粉的分解是否彻底完成，后者检测淀粉的分解是否发生。
三、能量流动与物质循环的关系
1．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。
2．物质作为能量的载体，使能量沿着食物链和食物网流动。
3．能量作为动力，使物质能够不断地在无机环境和生物群落之间循环往返。
分析碳循环的过程图解
如图为生态系统中碳循环过程示意图，其中甲、乙、丙、丁构成生态系统的生物群落，箭头表示物质循环方向，请分析：
1．图中的X是什么物质？甲、乙、丙、丁分别又是什么生物类群？
答案 X是二氧化碳；甲、乙、丙、丁分别是分解者、生产者、初级消费者、次级消费者。
2．过程①②主要是指什么生理过程？
答案 ①是光合作用，②是细胞呼吸。
3．过程③④指的是什么过程？碳元素在此过程中的形主要以什么形式？
答案 ③④指的是捕食过程。碳元素在此过程中以含碳有机物的形式传递。
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4．图中的过程⑤是指微生物的分解作用，具体指哪两种主要形式？
答案 微生物的分解作用包括有氧呼吸和无氧呼吸两种形式。
5．⑥过程的加剧对生态系统的碳循环有何影响？又有什么危害？
答案 CO2在短时间内大量释放出来，打破碳循环平衡，使大气中CO2的含量增高，进而导致温室效应。危害：加快极地和高山冰川的融化，导致海平面上升，进而对人类和其他许多生物的生存构成威胁。
6．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？
答案 打破碳循环平衡，使大气中CO2进入生物群落过程受阻，大气中CO2的含量明显增多。
7．根据以上分析，你认为如何才能有效的减缓温室效应？
答案 一方面减少CO2的排放：(1)减少化石燃料的使用；(2)开发太阳能等新型能源；(3)控制汽车等交通工具的数量，倡导绿色出行等。
另一方面，大力进行植树造林，增加CO2的吸收。
【方法指导】 碳循环中各成分的判断方法
先据双向箭头“”确定“大气中的CO2库”和“生产者”，再判断两者中指出箭头多的①为“生产者”，指入箭头多的④为“大气中的CO2库”，最后根据，确定②为消费者、③为分解者。
1．碳循环是生态系统中重要的物质循环类型。下列过程与碳循环无直接关系的是( )
A．生物的细胞呼吸 B．植物的光合作用
C．化石燃料的燃烧 D．植物的蒸腾作用
答案 D
解析 生物的细胞呼吸是碳从生物群落进入无机环境的途径之一，A正确；植物的光合作用是碳从无机环境中进入生物群落的途径之一，B正确；化石燃料的燃烧是碳从生物群落进入无机环境的途径之一，C正确；植物的蒸腾作用与碳循环没有直接关系，D错误。
2．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( )
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A．该生态系统的结构包括A、B、C、D与非生物的物质和能量
B．该生态系统中捕食链构成的食物网可表示为：A→D→E→B
C．A固定的能量＝D固定的能量＋A传递给B的能量＋A细胞呼吸消耗的能量
D．碳是以二氧化碳的形式在生物群落与无机环境中往复循环，这种循环带有全球性
答案 D
解析 生态系统的结构包括组成成分和营养结构，组成成分是指A、B、C、D与非生物的物质和能量，营养结构是指A、D、E形成的食物链，A错误；该生态系统中捕食链为A→D→E，B错误；生产者固定的能量的去向包括呼吸作用消耗、流向分解者、流向下一营养级和未被利用，C错误；碳元素是以二氧化碳的形式在生物群落与无机环境中循环往复的，碳循环的特点是具有全球性和循环性，D正确。
3．火灾常给森林带来较大危害，但是某些国家有时对寒带地区森林中的残枝落叶等进行有限度的人工火烧，以对森林进行资源管理，这种人工火烧的主要目的是( )
A．消灭森林病虫害
B．刺激树木种子萌发
C．加速生态系统的分解过程
D．提高森林的蓄水能力
答案 C
解析 腐生性的细菌、真菌能分解森林中的残枝落叶等，属于分解者，但由于寒带地区森林中分解者的数量相对较少，所以某些国家对寒带地区森林中的残枝落叶等进行有限度的人工火烧，以利于对森林进行资源管理。
4．珠江三角洲的农民建立了高产稳产的桑基鱼塘，桑基鱼塘是将低洼稻田挖深作塘，塘内养鱼，塘基上种桑，用桑养蚕，从而获得稻、鱼、桑三丰收。与该生态系统不符的叙述是( )
A．人在该生态系统中的作用突出
B．使物质能够更好的循环
C．使能量流向了对人类有益的部分
D．提高了能量传递的效率
答案 D
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解析 在人工生态系统中，人的调控作用突出，A正确；根据题干信息“桑基鱼塘是将低洼稻田挖深作塘，塘内养鱼，塘基上种桑，用桑养蚕”可知，该生态系统使物质能够更好地循环，B正确；该生态系统中，人为调整能量流动的方向，使能量流向了对人类有益的部分，进而获得稻、鱼、桑三丰收，C正确；该生态系统能提高能量利用率，但不能提高能量传递效率，D错误。
5．下列有关生物圈中碳循环的叙述，错误的是( )
A．碳循环的主要形式是含碳有机物
B．分解者在生物圈的碳循环过程中扮演着重要的角色
C．碳循环具有全球性
D．碳循环的过程中伴随着能量流动
答案 A
解析 碳循环的主要形式是碳元素以二氧化碳的形式往返于无机环境与生物群落，在生物群落内部碳元素以含碳有机物的形式进行传递，A错误；分解者是生态系统不可缺少的成分，可以把生产者和消费者的遗体和粪便分解为无机物返回无机环境，在生物圈的碳循环过程中扮演着重要的角色，B正确；碳循环的特点是具有全球性与循环性，C正确；物质循环是能量流动的载体，能量流动是物质循环的动力，所以碳循环的过程中伴随着能量流动，D正确。
知识点一 碳循环
1．在生态系统的碳循环中，既能使CO2进入生物群落，又能使CO2释放到大气中的生物是( )
A．绿色植物 B．植食动物
C．肉食动物 D．营腐生生活的真菌
答案 A
解析 绿色植物通过光合作用使CO2进入生物群落，通过细胞呼吸使CO2释放到大气中去，A正确；植食动物只能通过呼吸作用使CO2释放到大气中去，B错误；肉食动物只能通过呼吸作用使CO2释放到大气中去，C错误；营腐生生活的真菌是分解者，只能通过分解作用使CO2释放到大气中去，D错误。
2．如图为生态系统碳循环的示意图，下列相关叙述，正确的是( )
A．图中Ⅱ代表消费者，Ⅲ代表分解者
B．Ⅰ→Ⅲ→Ⅱ是因捕食关系而形成的食物链
C．一定自然区域内Ⅰ、Ⅲ代表的各种生物不能构成生物群落
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D．碳元素沿图示箭头循环时，能量也随着循环流动
答案 C
解析 据图分析，Ⅱ是分解者，Ⅲ是消费者，A错误；分解者不是营养结构的成分，Ⅰ→Ⅲ是因捕食关系而形成的食物链，B错误；Ⅰ是生产者，Ⅱ是分解者，Ⅲ是消费者，生产者和消费者不能构成生物群落，C正确；生态系统的物质可以循环，能量只能单向传递，D错误。
3．如图表示生物圈中碳元素的循环过程，下列有关叙述正确的是( )
A．图中的A没有以核膜为界限的细胞核
B．增加C的种类能提高生态系统的能量传递效率
C．温室效应主要是由⑦过程造成的
D．农业生产中的中耕松土可直接促进⑤过程
答案 C
解析 图中的A是分解者，分解者不一定是原核生物，还可以是蚯蚓、秃鹫等真核生物，A错误；能量传递效率一般为10%～20%，增加C消费者的种类一般不影响能量传递效率，B错误；温室效应是由于大气中二氧化碳骤然增多导致的，大气中二氧化碳的来源有各种生物的呼吸作用和化石燃料的燃烧，而化石燃料的燃烧是大气中二氧化碳增多的主要原因，C正确；图中⑤过程为消费者(动物)的有氧呼吸过程，动物一般在地面活动，所以农业生产中的中耕松土对⑤过程几乎没有影响，D错误。
4．如图是生物圈中碳循环示意图，下列相关分析错误的是( )
A．生物圈通过碳循环实现碳元素的自给自足
B．A是消费者，C是生产者，碳在各成分间以CO2的形式传递
C．对E过度开发利用会打破生物圈中碳循环的平衡
D．碳循环过程需要能量驱动，同时又是能量的载体
答案 B
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解析 生物圈通过碳循环实现碳元素的自给自足，A正确；A是消费者，C是生产者，碳在生物群落中以有机物的形式传递，在生物群落和无机环境之间以二氧化碳的形式循环，B错误；E为化石燃料，若对此过度开发利用会打破生物圈中碳循环的平衡导致温室效应的产生，C正确；能量是物质循环的动力，物质是能量的载体，D正确。
5．在生态系统中是生产者，从细胞结构来看属于原核生物，在生态系统碳循环中起重要作用的是( )
A．蓝藻 B．乳酸菌 C．水稻 D．病毒
答案 A
解析 蓝藻是原核生物，能够进行光合作用将二氧化碳和水合成贮存能量的有机物，在生态系统碳循环中起重要作用，A正确；乳酸菌是原核生物，属于分解者，B错误；水稻不是原核生物，C错误；病毒无细胞结构，D错误。
知识点二 分解者的分解作用
6．如图表示某农田生态系统一年中CO2的释放和消耗状况，其中各数字序号表达的含义分别为：①生产者呼吸释放量；②分解者呼吸释放量；③消费者呼吸释放量；④生产者光合作用消耗总量。下列有关叙述正确的是( )
A．流经该农田生态系统的总能量可用④表示
B．②的量越小，说明该农田生态系统施用的有机肥料越多
C．消费者同化作用的大小可用③表示
D．该农田生态系统一年中CO2的释放量与消耗量相等
答案 A
解析 流经该农田生态系统的总能量就是生产者所固定的全部太阳能，④表示生产者光合作用消耗总量，即生产者总的光合作用的情况，故流经该农田生态系统的总能量可用④表示；有机肥料必须经过分解者的分解作用变成无机物，才能被生产者利用，故②的量越小，说明该农田生态系统施用的有机肥料越少；消费者同化作用大于消费者呼吸释放量，故消费者同化作用的大小不能用③表示；该农田生态系统一年中CO2的释放量应小于消耗量。
知识点三 能量流动与物质循环的关系
7．下列叙述不正确的是( )
A．生态系统中的能量可随物质循环而循环流动
B．物质是能量流动的载体
C．能量是物质循环的动力
D．能量在流经生态系统各个营养级的时候，是逐级递减的
答案 A
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解析 生态系统的物质是循环流动的，而能量是单向流动、逐级递减的，A错误；能量储存在有机物中，因此物质是能量流动的载体，B正确；能量是生态系统的动力，因此能量是物质循环的动力，C正确；能量在流经生态系统各个营养级的时候，是逐级递减的，每一级大约减少80%～90%，D正确。
8．下列关于生态系统物质循环的叙述中，正确的是( )
A．物质循环指的是构成生物体的各种化合物在生物群落和无机环境之间的循环过程
B．碳在生物群落和无机环境之间的循环主要是以二氧化碳的形式进行的
C．物质循环与能量流动不可同时进行
D．物质循环是单向的
答案 B
解析 物质循环中的“物质”是指元素，而不是化合物，A错误；碳在生物群落和无机环境之间主要是以二氧化碳的形式进行循环的，B正确；物质循环与能量流动是相互伴随进行的，两者相辅相承，是密不可分的统一整体，C错误；物质循环的特点是循环往复、反复利用，具有全球性，D错误。
9．如图表示某湖泊生态系统的营养结构，ae代表各营养级的生物，下列叙述错误的是( )
A．图中共有3条食物链
B．若水体受有机磷农药DDT轻微污染，则受害最严重的是a
C．若c所含能量为5.8×109 kJ，d含1.3×108 kJ，则a至少约含4.5×107 kJ
D．各营养级中，能量最多的是c，生物个体数量最多的是a
答案 D
解析 图中共有3条食物链，分别是：c→b→a、c→d、c→e→a，A正确；DDT是难以降解的化学物质，会随食物链在最高营养级体内富集，若水体受有机磷农药DDT轻微污染，则受害最严重的是a，B正确；若c所含能量为5.8×109 kJ，d含1.3×108 kJ，则a至少含有能量为(5.8×109－1.3×108÷10%)×10%×10%＝4.5×107 kJ，C正确；各营养级中，能量最多的是c，一般情况下，生物个体数量最多的也是c，D错误。
10. 如图为生态系统中碳循环示意图，箭头表示循环方向。下列相关叙述正确的是( )
A．缺少类群乙后生态系统的物质循环将不能正常进行
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B．图中b、c、d过程均可表示不同生物的呼吸量
C．图中甲、乙、丙、丁的全部生物构成了该生态系统的生物群落
D．由于细胞呼吸的消耗，乙对食物的同化量远小于摄入量
答案 C
解析 乙表示初级消费者，是生态系统中最活跃的成分，缺少类群乙，则生态系统的物质循环能正常进行，A错误；据图分析，b表示呼吸作用，c、d表示捕食关系(含碳有机物)，B错误；生物群落由生产者、消费者和分解者共同组成，所以甲、乙、丙、丁共同组成了该生态系统的生物群落，C正确；由于摄入的食物中有部分不能被乙消化吸收，所以乙对食物的同化量远小于摄入量，D错误。
综合训练
11. 如图所示为生态系统的物质循环(碳循环)，其中甲、乙、丙为生态系统的部分成分的细胞结构简图，试据图分析回答以下问题：
(1)流经该生态系统的总能量来源于图中__________________________。
(2)生态系统的碳循环是以________形式在________________________之间不断循环的过程。
(3)生态系统的物质循环与能量流动的渠道是由图中的________所代表的两种生态系统成分组成的。
(4)物质循环的过程总是伴随着能量流动，彼此相互依存，不可分割的。试写出能量流动的特点：________________________________________________________________________
____________________。
(5)图中所示化石燃料的大量燃烧使温室效应愈发严重，试写出减少温室效应的两个措施：
________________________________________________________________________。
答案 (1)甲所固定的太阳能
(2)二氧化碳 生物群落和无机环境
(3)甲和乙
(4)单向流动、逐级递减
(5)减少化石燃料的使用，推广风能、太阳能，以及植树造林等
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解析 (1)流经该生态系统的总能量是生产者固定的太阳能，即图中甲所固定的太阳能；(2)生态系统的碳循环是指碳元素以二氧化碳的形式在生物群落与无机环境之间不断循环的过程；(3)生态系统的物质循环与能量流动的渠道是食物链和食物网，而食物链和食物网是由生产者和消费者组成的，即由图中的甲和乙所代表的两种生态系统成分组成；(4)能量流动的特点：单向流动、逐级递减；(5)减少温室效应的两个措施：减少化石燃料的燃烧使用，推广风能、太阳能，植树造林等。
12．2010年11月《联合国气候变化框架公约》第16次缔约方会议暨《京都议定书》第6次缔约方会议在墨西哥坎昆市举行，“节能减排”和“森林保护”是本次会议的重要议题，低碳经济和绿色生活方式越来越受到人们的重视。如图是某生态系统碳循环示意图，图中“→”表示碳的流动方向，请据图回答相关问题：
(1)碳在A→B和B→C过程中分别以________、____________形式流动。
(2)请提出一项实现“低碳”、减少温室效应的关键措施：_______________________。
(3)从生态系统的组成成分上看，E代表________。
图中参与组成生物群落的是____________(填字母)。
(4)请写出图中包含的一条食物链：____________(用字母和箭头表示)，若生产者固定了1 000 kJ的能量，则图中最高营养级理论上最多可获得的能量为________kJ。
(5)“周一请吃素”，这是坎昆会议中支持环保的进步青年提出的一个新理念，这一理念符合能量流动的______________________特点。
答案 (1)CO2 (含碳)有机物
(2)保护植被，大力植树造林；减少化石燃料的燃烧；开发太阳能等新能源
(3)分解者 B、C、D、E
(4)B→C→D 40
(5)逐级递减
解析 (1)根据A和B之间是双向箭头，可判断A和B一个为大气中的CO2库，一个为生产者，又因为其他箭头都指向A，所以A为大气中的CO2库，B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了E，所以E为分解者，剩余的C、D则为消费者，故碳在A→B过程中以CO2形式流动，在B→C过程中以(含碳)有机物的形式流动。
(2)实现“低碳”、减少温室效应的关键措施有保护植被，大力植树造林；减少化石燃料的燃烧；开发太阳能等新能源。
(3)据(1)分析可知，E代表分解者，生物群落指生活在一定的自然区域内，相互之间具有直接或间接关系的各种生物的总和，包括生产者、消费者和分解者，故图中参与组成生物群落的是B、C、D、E。
(4)食物链只包含生产者和消费者，据(1)分析可知，图中包含的一条食物链为：B→C→D，最高营养级为D(第三营养级)，获得能量最多应按20%的能量传递效率进行计算：1
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000×20%×20%＝40。
(5)能量沿着食物链流动时，逐级递减，即食物链越短，最高营养级获得的能量越多，因此“周一请吃素”这一理念符合能量流动的逐级递减特点。
13．根据所给的“物质循环”材料回答问题。
材料1 下图是生态系统中氮循环和碳循环及其相互关系的简图。
材料2 在自然界中，有将分子态的氮气转变成氨的生物，也存在着能将化合态的氮(如NO、NO)转变成氮气的细菌，由于其生理过程与硝化细菌的生理过程相反，被称为反硝化过程，这种细菌称为反硝化细菌。反硝化细菌对农业生产是不利的，会降低土壤的肥力，但对氮的循环来说是不可缺少的。
请仔细分析后回答：
(1)图中过程①称为________________，过程②称为______________。如果图示是一个封闭的大棚生态系统，遇到连续阴雨天气，你认为采取何种措施对植物的生长较为有利？______________。采取这种措施的目的是___________________________________。
(2)在完成图中⑤过程的生物中，根瘤菌发挥了重要作用，它在豆科植物的根部形成根瘤与豆科植物呈共生关系，请具体说出豆科植物与根瘤菌之间的互惠关系
________________________________________________________________________。
(3)植物完成图中④过程的主要方式是____________，如果土壤板结或长期水淹，陆生植物通过该过程获得的氮素能否满足其生理需要？________，其原因是________________________________________________________________________
________________________________________________________________________
________________________________________________________________________。
(4)你认为材料2中提到的反硝化细菌的生理过程是由图中的哪个标号体现的？______。如果地球上没有反硝化细菌这类生物，你预测会出现什么情况？ __________________________
________________。
答案 (1)光合作用 呼吸作用 适当降温 降低呼吸消耗 (2)豆科植物为根瘤菌提供有机物，根瘤菌为豆科植物提供氮源 (3)主动运输 不能 土壤中缺氧，呼吸作用减弱，提供的能量少，吸收的氮素少，所以不能满足植物生理活动的需要 (4)⑥ 空气中氮气越来越少
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