人教版 (2019)选择性必修2第3节 生态系统的物质循环第1课时导学案及答案

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[学习目标] 1.以碳循环为例，说出物质循环的概念、过程和特点。2.比较能量流动与物质循环的关系。
一、生态系统的物质循环
1．碳循环
图中：①光合作用，②呼吸作用，③消费者，④呼吸作用，⑤分解作用。
2．生态系统的物质循环
(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。
(2)特点
①全球性：物质循环中所说的“生态系统”指的是地球上最大的生态系统——生物圈，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。
判断正误
(1)参与物质循环的对象是含有碳的糖类、脂肪、蛋白质等有机物( )
(2)物质循环的范围是生物圈，而不是具体的某一生态系统( )
(3)沼渣等作为肥料还田，使物质能够循环利用( )
(4)在碳循环中生产者只起固定CO2的作用( )
(5)海洋对于调节大气中的碳含量起着非常重要的作用( )
答案 (1)× (2)√ (3)√ (4)× (5)√
任务一：分析碳循环的过程及特点
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。此外，碳还可以长期固定或保存在非生命系统中，如固定于煤、石油或木材中。人类通过对煤和石油等的利用，向大气中排放了大量的二氧化碳。根据上述信息回答下列问题：
(1)碳元素在生物体内、大气、水圈中分别主要以什么形式存在？
提示 碳元素在生物体内主要以有机物的形式存在；碳元素在非生物环境中主要以二氧化碳的形式存在于大气中和溶解于水中。
(2)碳元素是如何进出生产者、消费者和分解者的(以什么形式、通过哪种生命活动、形成哪些产物等)?
提示 非生物环境中的碳元素以二氧化碳的形式通过光合作用形成有机物进入生产者体内；消费者通过捕食，使食物中的有机物进入消费者体内；生产者、消费者遗体和排遗物中的有机物可以被分解者分解利用。生产者、消费者和分解者都通过呼吸作用将有机物分解为二氧化碳等，使碳元素返回非生物环境。
(3)结合教材图3－10，用关键词、线段、箭头等完善碳循环的过程。
提示 如图所示
2．化石燃料的过量使用对环境有什么影响？怎么缓解这种影响？
提示 引起温室效应。在燃烧过程中，化石燃料中的碳转变为二氧化碳进入大气，使大气中的二氧化碳浓度增大。而二氧化碳作为一种温室气体具有吸热和隔热的功能，其结果是地球表面温度升高，加重了温室效应。缓解措施：开发清洁能源，减少化石燃料的燃烧；植树造林，增加绿地面积。
3．以碳循环为例概括物质循环的特点。
提示 物质循环具有全球性和循环往复运动的特点。
4．同碳元素一样，氮元素在生物群落和非生物环境之间也是不断循环的。那么为什么还要往农田中不断地施加氮肥呢？这与物质循环矛盾吗？
提示 农田是人工生态系统，是以提高农作物的产量，使能量更多地流向人类，满足人类需要为目的的。农田土壤中氮元素的含量往往不足以使作物高产，加之农产品源源不断地自农田生态系统输出，其中的氮元素并不都能归还土壤，所以需要施加氮肥。这与物质循环并不矛盾。
1．碳循环相关知识点小结
(1)存在形式
①非生物环境中：CO2和碳酸盐。
②生物群落内部：有机物。
(2)流动形式
①生物群落与非生物环境之间：CO2。
②生物群落内部：有机物。
(3)进入生物群落的途径
①光合作用。
②化能合成作用。
(4)返回非生物环境的方式
①生产者、消费者的呼吸作用。
②分解者的分解作用。
③化石燃料的燃烧。
2．辨析物质循环的三个易误点
(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)生态系统的物质循环中所说的“物质”并不是指组成生物体的化合物，而是指组成生物体的化学元素，如C、H、O、N、P、S等。
(3)碳在生态系统各成分之间的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。
3．碳循环示意图中各组成成分的判断
(1)图甲——先根据A、B之间为双向箭头且指向B的箭头最多可判断：B为大气中的二氧化碳库，A为生产者。再根据A、C的箭头都指向D可判断：D为分解者，C为消费者。
(2)图乙——根据A、C之间为双向箭头且指向C的箭头最多可判断：A是生产者，C是大气中的二氧化碳库。根据A、B、D的箭头都指向E可进一步判断：E是分解者，B是初级消费者，D是次级消费者。
1.如图是自然界碳循环的简图。据图分析，下列叙述错误的是( )
A．甲为分解者，乙为消费者，丙为生产者
B．①②③表示CO2通过甲、丙、乙的呼吸作用进入大气中
C．④主要表示大气中CO2通过光合作用进入生物群落
D．碳元素以无机物的形式在丙→乙→甲所示的渠道流动
答案 D
解析 根据丙和大气中的二氧化碳库间存在双向箭头，可判断丙为生产者，根据围绕甲的箭头“多进一出”可判断甲为分解者，则乙为消费者，A正确；碳元素以有机物的形式在丙→乙→甲所示的渠道流动，D错误。
2．(2022·陕西西安高二期末)如图为碳循环的部分示意图。下列叙述正确的是( )
A．碳元素在②③④⑤⑥过程中以有机物的形式流动
B．①中的碳元素含量是⑦⑧中的碳元素含量之和
C．图中生产者、Ⅱ、Ⅲ和Ⅳ可以构成3条食物链
D．豆科植物根部的根瘤菌所需的有机碳来自⑥过程
答案 A
解析 碳元素在生物群落中以有机物的形式流动，所以在①～⑧过程中，以有机物的形式进行的过程有②③④⑤⑥，A正确；①中的碳元素是进入生物群落中的碳，⑦⑧中的碳元素含量表示生产者和分解者返回非生物环境的碳，少了消费者返回非生物环境的碳，B错误；据图分析可知，Ⅰ表示大气中的二氧化碳库，Ⅱ、Ⅲ表示消费者，Ⅳ表示分解者，食物链由生产者、Ⅱ和Ⅲ构成，没有Ⅳ，C错误；⑥过程代表的是生产者流向分解者的碳，根瘤菌和豆科植物的种间关系为互利共生，此时根瘤菌不作为分解者，D错误。
二、能量流动和物质循环的关系
判断正误
(1)物质循环和能量流动是两个独立的过程( )
(2)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( )
(3)光合作用推动碳循环过程，促进了生物群落中的能量循环( )
答案 (1)× (2)× (3)×
任务二：比较物质循环和能量流动，阐释二者的区别和联系
请在碳循环过程模型上绘制能量流动过程。
提示 如图所示
能量流动和物质循环的关系分析
(1)能量流动和物质循环相伴而行，但能量在传递过程中由光能→化学能→热能，而物质在循环过程中，由无机物(CO2)→有机物→无机物(CO2)。
(2)能量流动的终点是热能散失到非生物环境中，不能循环利用。而物质循环产生的CO2又被重新利用，所以没有终点。
3．分析如图所示的生态系统能量流动和物质循环的关系简图，不能得到的结论是( )
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返
C．能量①②③④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
答案 C
4．下列有关生态系统物质循环和能量流动的叙述，错误的是( )
A．参与能量流动的总能量大小与生产者数量有关，与食物链长短无关
B．处于最高营养级的生物所同化的能量不会再提供给其他生物
C．农民拔草或杀灭害虫，虽然影响了食物链但可以调整能量流动关系
D．食物链既是物质传递链又是能量传递链，物质与能量相互依存、不可分割
答案 B
解析 生产者固定的太阳能是流入自然生态系统的总能量，因此参与能量流动的总能量大小与生产者数量有关，与食物链长短无关，A正确；处于最高营养级的生物所同化的能量不会再被捕食，但是会流向分解者，B错误；农民拔草或杀灭害虫，可以使能量更多地流向对人类有益的部分，C正确；食物链是能量流动和物质循环的渠道，D正确。
题组一 生态系统的物质循环
1．(2022·江苏响水中学高二期中)下列关于生态系统物质循环的叙述，不正确的是( )
A．所指的物质是指组成生物体的C、H、O、N、P、S等化学元素
B．所说的生态系统是指地球上最大的生态系统——生物圈
C．所说的循环是指物质在生物群落与非生物环境之间反复出现、循环流动
D．物质在循环过程中不断递减
答案 D
解析 物质在循环过程中是不变的，能量在流动过程中是不断递减的，D错误。
2．在碳循环中，连通非生物环境和生物群落的生物类群和生理作用分别是( )
①生产者 ②消费者 ③分解者 ④光合作用 ⑤呼吸作用 ⑥蒸腾作用 ⑦化能合成作用
A．①②，④⑤⑥ B．①③，④⑤⑦
C．②③，⑤⑥⑦ D．①③，④⑥⑦
答案 B
3．(2023·河北武安高二期中)如图表示碳循环过程，其中数字表示生理过程或化学变化。下列叙述不正确的是( )
A．碳进入生物群落的主要生理过程是①
B．光合作用和呼吸作用推动着碳循环
C．图中①②③④能充分体现碳循环的全过程
D．全球碳循环失衡的主要原因是⑤过程加快
答案 C
解析 碳进入生物群落的主要生理过程是①即绿色植物的光合作用，A正确；光合作用将大气中的碳元素固定到生物群落中，呼吸作用将碳以二氧化碳的形式释放到空气中去，光合作用和呼吸作用推动着碳循环，B正确；图中①②③④只体现了碳循环的部分过程，C错误；全球碳循环失衡的主要原因是煤和石油等化石燃料的过量燃烧，即⑤过程加快，产生温室效应，D正确。
4．(2023·重庆高二质检)如图表示生态系统碳循环，图中a、b、c、d表示该生态系统的四种组成成分，箭头表示各成分之间的关系。下列相关叙述错误的是( )
A．a、c和d所包含的所有种群构成群落
B．生活中倡导低碳行动利于b的相对稳定
C．c的存在可以加快生态系统的物质循环
D．d是唯一能把有机物分解成无机物的成分
答案 D
解析 由题图可知，a为生产者，c为消费者，d为分解者。群落是指在相同时间聚集在一定地域中各种生物种群的集合，包括生产者、消费者和分解者，A正确；b应为非生物的物质和能量，包括二氧化碳，生活中倡导低碳行动利于二氧化碳的相对稳定，B正确；c为消费者，消费者的存在可以加快生态系统的物质循环，C正确；生产者、消费者和分解者都能通过呼吸作用把有机物分解成无机物，D错误。
题组二 能量流动和物质循环的关系
5．下列关于物质循环和能量流动关系的叙述，错误的是( )
A．物质为能量的载体，物质的循环具有全球性
B．能量作为动力，流经生态系统的各营养级时逐级递减
C．生态系统中先进行物质循环，后发生能量流动
D．二者相互依存、不可分割
答案 C
解析 物质循环的过程中伴随能量流动，能量为物质循环提供动力，它们同时进行，没有先后之分，C错误。
6．(2023·天津高二统考期中)下列有关能量流动和物质循环的叙述，正确的是( )
A．物质是能量的载体，使能量只能沿食物链(网)单向流动
B．能量是物质循环的动力，推动物质在生物群落内循环往返
C．能量流动和物质循环是两个相对独立的过程
D．物质的合成与分解伴随着能量的储存和释放
答案 D
解析 物质是能量的载体，食物链(网)是物质循环和能量流动的渠道，但除食物链之外，能量也能从生产者和消费者传递给分解者，A错误；物质在生物群落和非生物环境之间循环往返，在生物群落内是沿食物链(网)进行单向传递，B错误；物质循环和能量流动是同时进行，相互依存，不可分割的，C错误。
7．(2022·北京市平谷区高二期末)下列关于生态系统物质循环和能量流动的叙述，正确的是( )
A．使用粪便作肥料，其能量可以流向植物，实现了对能量的多级利用
B．物质是能量的载体，生态系统的能量是伴随物质而循环利用的
C．碳元素在生物群落与非生物环境之间的循环主要是以CO2的形式进行的
D．食物链中初级消费者数量越多，次级消费者能够获得的能量就越少
答案 C
解析 使用粪便作肥料，其被微生物分解产生的物质可以被植物再利用，实现了物质的循环，但能量却散失到了大气中，A错误；生态系统中能量是单向流动，不可循环利用的，B错误。
8．如图为生态系统能量流动和物质循环的关系图，下列相关叙述错误的是( )
A．图中黑色箭头可表示能量流动过程，白色箭头可表示物质循环过程
B．能量流动和物质循环可借助生物之间的取食过程相依相伴进行
C．②表示热能散失的过程，生态系统需要通过①过程从外界获得能量
D．若图中物质循环表示碳循环，则碳在③④⑤过程的传递形式为CO2
答案 D
解析 图中黑色箭头②③④单向流动，可表示能量流动过程，白色箭头⑤循环往复，可表示物质循环过程，A正确；能量流动和物质循环可借助生物之间的取食过程(即捕食关系)相依相伴进行，能量是物质循环的动力，物质是能量流动的载体，B正确；②表示热能散失的过程，①主要表示生产者通过光合作用固定太阳能，生态系统需要通过①过程从外界获得能量，C正确；碳在生物群落内部是以含碳有机物的形式流动，故碳在③④之间以含碳有机物的形式流动，D错误。
9．碳中和是指CO2吸收量和CO2排放量达到平衡，实现CO2的“零排放”。研究碳循环是实现“碳中和”的重要基础。下列说法错误的是( )
A．如果碳循环过程不能进行，生态系统将会被破坏而消失
B．大气中的CO2主要通过绿色植物的光合作用进入生物群落
C．控制生物体呼吸产生的CO2量是实现碳中和的重要措施
D．植树造林、增加绿地面积有助于降低大气中CO2的浓度
答案 C
解析 大气中的CO2主要来源为化石燃料的燃烧，节能减排是实现碳中和的重要措施，C错误；植树造林、增加绿地面积有助于绿色植物通过光合作用吸收更多的CO2，降低大气中CO2的浓度，D正确。
10．为研究森林生态系统的碳循环，对西黄松老龄生态系统(50～250年未砍伐)和幼龄(砍伐后22年)生态系统的有机碳库及年碳收支进行检测，结果如表所示。据表分析，以下结论正确的是( )
注：生产者活生物量：某一时刻单位面积内实存生产者的有机物总量；
净初级生产力：生产者光合作用固定总碳的速率减去自身呼吸作用消耗碳的速率。
A．西黄松老龄群落每年每平方米有30 g碳用于生产者当年的生长、发育和繁殖
B．储存在生产者活生物量中的碳最终均会以CO2的形式返回大气中的CO2库
C．西黄松幼龄群落中每克生产者活生物量的净初级生产力小于老龄群落
D．根据年碳收支分析，西黄松老龄群落不能降低大气碳总量
答案 B
解析 根据题意可知，西黄松老龄群落每年每平方米用于生产者当年的生长、发育和繁殖的碳量可用图中的净初级生产力来表示，即470 g，A错误；分析表中数据可知，西黄松幼龄群落中每克生产者活生物量的净初级生产力为360÷1 460≈0.247，西黄松老龄群落中每克生产者活生物量的净初级生产力为470÷12 730≈0.037，前者大于后者，C错误；西黄松老龄群落的净初级生产力为470 g/(m2·年)，大于消费者和分解者的呼吸440 g/(m2·年)，大气碳总量的输入量大于输出量，因此西黄松老龄群落能降低大气碳总量，D错误。
11．(2023·江苏南通高二月考)如图为某农业生态系统模式图。下列关于该系统的叙述，错误的是( )
A．微生物利用的是农作物通过光合作用固定的能量
B．多途径利用农作物可提高该系统中能量的传递效率
C．沼渣、沼液作为肥料还田可以促进物质循环再利用
D．食用菌、产甲烷杆菌及蚯蚓是该生态系统中的分解者
答案 B
解析 由题图可知，流经该生态系统的总能量是生产者固定的太阳能，因此微生物利用的是农作物通过光合作用固定的能量；多途径利用农作物，可提高能量的利用率，但不能提高能量的传递效率；营腐生生活的食用菌、产甲烷杆菌及蚯蚓都是该生态系统中的分解者。
12．(2022·辽宁沈阳高二期末)如图为生态系统中的碳循环示意图，其中甲、乙、丙是生态系统中的三种成分，1～4是乙中的四种生物。下列分析正确的是( )
A．甲、乙、丙构成该生态系统的组成成分
B．该生态系统的食物网可表示为
C．分解作用可用箭头甲指向丙表示
D．该示意图可体现物质在生态系统中循环往复运动的特点
答案 D
解析 甲、乙、丙分别是生产者、消费者和分解者，属于生态系统的生物群落部分，生态系统的组成成分还包括非生物的物质和能量，A错误；生态系统的营养结构是食物链和食物网，包括生产者和消费者，即除了消费者1、2、3、4外还应包括生产者甲，B错误；箭头甲指向丙表示生产者流向分解者的能量，C错误。
13．如图表示生态系统中的碳循环，请据图回答问题：
(1)大气中CO2进入生物群落是通过图中________(填序号)实现的。
(2)碳元素在生物群落和非生物环境之间的循环形式主要是____________。
(3)进行①过程的生物在生态系统中的成分是____________________。
(4)人类活动对碳循环干扰最大的是[ ]___________________________________________
________________________________________________________________________
途径，这一干扰增加了________的含量，造成的主要环境问题是_______________。
答案 (1)④ (2)CO2 (3)分解者 (4)⑤ 煤和石油等化石燃料的燃烧 CO2 温室效应
14．如图表示某生态系统碳循环的部分示意图。请回答下列问题：
(1)图中的字母________表示大气中的CO2库，由于许多因素的影响，使其含量夏季________冬季。
(2)CO2被生产者吸收转变成体内物质进入生物群落，再被图中的A、B的____________和C的分解作用以及E的燃烧，转变成CO2后再重新循环。若此生态系统中的生物群落处在正常演替过程中，生产者吸收的CO2量________整个生物群落排放的CO2量。
(3)若将本题图修改为该生态系统的能量流动示意图，可将D的含义改为______________，其他字母及文字代表的含义不变，还需要修改之处有：增加“光→A”、取消“→E→D”、______________。
答案 (1)D 低于 (2)呼吸作用 大于 (3)非生物环境 取消“D→A”
解析 (1)根据图中箭头指向及题干信息判断，A代表生产者、B代表消费者、C代表分解者、D代表大气中的CO2库、E代表化石燃料。大气中的CO2含量有明显的季节变化和昼夜变化，夏季光合作用比较强，所以夏季大气中的CO2含量比冬季低。(2)生产者和消费者中的碳有一部分通过呼吸作用进入大气。在群落演替的过程中，生产者吸收的CO2量大于整个生物群落排放的CO2量。(3)若将图修改为生态系统的能量流动示意图，则图中D将表示非生物环境，生物不能利用热能，所以取消D到A的箭头。项目
能量流动
物质循环
范围
生态系统各营养级
全球性
特点
单向流动，逐级递减
反复利用
联系
同时进行、相互依存、不可分割：(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)物质是能量沿食物链(网)流动的载体；(3)能量是物质在生物群落和非生物环境之间循环往返的动力
项目
生产者活生物量(g/m2)
净初级生产力[g/(m2·年)]
消费者和分解者的呼吸[g/(m2·年)]
老龄
12 730
470
440
幼龄
1 460
360
390