2024届高考生物一轮总复习第九单元生物与环境第30讲生态系统的物质循环信息传递及其稳定性课件
展开第30讲 生态系统的物质循环、信息传递及其稳定性【课标要求】 1.分析生态系统中的物质在生物群落与无机环境之间不断循环、能量在生物群落中单向流动并逐级递减的规律。2.举例说明利用物质循环和能量流动规律,人们能够更加科学、有效地利用生态系统中的资源。3.阐明某些有害物质会通过食物链不断地富集的现象。4.举例说出生态系统中物理、化学和行为信息的传递对生命活动的正常进行、生物种群的繁衍和种间关系的调节起着重要作用。5.解释生态系统具有保持或恢复自身结构和功能相对稳定,并维持动态平衡的能力。6.举例说明生态系统的稳定性会受到自然或人为因素的影响,如气候变化、自然事件、人类活动或外来物种入侵等。7.阐明生态系统在受到一定限度的外来干扰时,能够通过自我调节维持稳定。8.实验:设计并制作生态瓶,观察和比较不同生态瓶中生态系统的稳定性,撰写报告分析其原因。
考点一 生态系统的物质循环
1.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)物质:组成生物体的化学元素,如C、H、O、N、P、S等。(3)范围:生物群落和非生物环境之间。(4)特点:全球性、循环往复运动。(5)意义:使生态系统中的各种组成成分紧密地联系在一起,形成一个统一的整体。
(1)碳的存在形式与循环形式。①在非生物环境中:主要以CO2和碳酸盐的形式存在。②在生物群落内部:以含碳有机物的形式传递。③在生物群落和非生物环境之间:以CO2的形式循环。
(2)碳出入生物群落的途径。
(3)温室效应。①形成原因:大量化石燃料的燃烧,导致大气中的CO2含量迅速增加,打破了生物圈中碳循环的平衡。②影响:使气温升高,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。③缓解措施:植树造林,增加绿地面积;减少化石燃料的燃烧;开发清洁能源;秸秆还田,增加农田土壤储碳量。3.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,称为生物富集。(2)条件:化学性质稳定;能够被生物体吸收;不易被排出。
(3)途径——食物链:随着食物链的延长,营养级越高,生物体内积累越多。(4)实例:铅的富集过程。
(5)特点:最终积累在食物链的顶端;全球性。(6)常见物质:重金属,如Pb、Cd、Hg等;化学农药,如DDT、六六六等。
4.能量流动、物质循环和生物富集的关系
5.探究土壤微生物的分解作用
提醒:在A1、B1中加入碘液,在A2、B2中加入斐林试剂并加热。
1.碳循环模型中各成分的判断
2.物质循环常见模型分析(1)模型一。
①先根据双向箭头判断:a和b应为生产者和非生物的物质和能量。②再根据a→c、c→d判断:c为消费者,剩下的d为分解者。
①根据a与c之间的双向箭头及a有多个箭头指向其他成分,c被多个箭头指向判断:a是生产者,c是非生物的物质和能量。②根据a、b、d都有箭头指向e以及a、b、d之间的箭头关系,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。
①根据a与e之间的双向箭头及a被多个箭头指向,e有多个箭头指向其他成分判断:a为非生物的物质和能量,e为生产者。②观察剩余的几个成分,其他成分的箭头都指向c,所以c是分解者,b、d、f则为消费者。整个模型中,食物链是e→f→d→b。
提醒: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。
3.生态系统物质循环的三个认知误区(1)参加循环的物质不是组成生物体的化合物,而是指组成生物体的基本元素。(2)生态系统物质循环中的“生态系统”是指生物圈。(3)在碳循环中,生产者不只是起固定二氧化碳的作用,还能通过细胞呼吸分解有机物释放二氧化碳。
考向1 结合碳循环过程及特点,考查科学思维1.(2022·山东泰安)我国政府在2020年的联合国大会上宣布,中国将力争于2030年前实现碳达峰(CO2排放量达到峰值),2060年前实现碳中和(CO2排放量与减少量相等)。下图是生物圈碳循环示意图(图中生态系统的组成成分完整,但缺少部分途径)。下列相关分析错误的是( )
A.增加E对CO2的吸收量是实现碳中和的重要举措B.若增加途径“A→E”,则成分C表示分解者C.碳在E、D、B间主要以有机物的形式沿食物链单向流动D.增加途径“C→A”和“A→E”后即可表示完整的碳循环
解析:由图可知,A是CO2库,B、D是消费者,C是分解者,E是生产者。增加生产者E对CO2的吸收量是实现碳中和的重要举措,A项正确;若增加途径“A→E”,则成分C表示分解者,B项正确;E、D、B可构成食物链,碳在食物链间主要以有机物的形式单向流动,C项正确;增加途径“C→A”和“A→E”后,还需要增加化石燃料、柴薪等燃烧途径才能表示完整的碳循环,D项错误。
2.(2022·湖北荆州中学)碳中和是指国家、企业或个人等通过植树造林、节能减排等形式,以抵消自身产生的二氧化碳或温室气体排放量,实现正负抵消,达到相对“零排放”。下列叙述错误的是( )A.碳循环具有全球性,不是每个自然生态系统都可依靠自身实现碳中和B.碳循环指CO2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C.植树造林和减少化石燃料的燃烧,有利于碳中和提前实现D.过度的人工碳排放可能会导致海平面上升
解析:碳循环具有全球性,碳中和是全球性的,不是单独的生态系统依靠自身能实现的,A项正确;碳循环是指C元素不断进行着从无机环境到生物群落,又从生物群落到无机环境的循环过程,B项错误:实现碳中和,可以增加生产者的数量,提高生产者对二氧化碳的消耗,C项正确;过度的人工碳排放可能会导致大气中二氧化碳浓度增加,产生温室效应,导致海平面上升,D项正确。
考向2 结合物质循环与能量流动的关系,考查综合分析能力3.(2022·辽宁沈阳二中)某人工马尾松林中有草本植物和多种体型较小的动物。在第N年时,加拿大一枝黄花初次出现,因缺乏天敌,8年后几乎占据了整片树林,加拿大一枝黄花茎直立,高达2.5米,一株植株可形成2万多粒种子;根能分泌一种物质,抑制其他草本植物种子萌发,回答下列问题。(1)草本植物用于生长、发育和繁殖的能量储存于______________中;若单位体重的田鼠和野兔所含能量相等,两者摄入等量的生产者,增重却有明显的不同,原因是__________________________________________________________。(2)到N+8年后,加拿大一枝黄花种群数量不再上升的原因是________________________________,其出生率等于死亡率。加拿大一枝黄花入侵新生境后,将造成该区域生物多样性________________。
(3)消费者能促进植物的传粉和种子传播,加快生态系统的__________。研究发现,N+8年初级消费者的生物量远比N-1年的小,原因是_______________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________。
解析:(1)摄入量=同化量+粪便中含的能量,同化量=呼吸散失的能量+用于自身生长、发育、繁殖的能量,田鼠和野兔摄入等量的生产者,但消化吸收能力不同,同化量不同,且呼吸消耗的能量也不同,所以增重有明显的不同。(2)由于空间和资源有限,加拿大一枝黄花种群数量会经历先上升然后不再改变,此时出生率=死亡率。加拿大一枝黄花入侵新生境后,会快速繁殖成为优势种,使其他生物的生存受到威胁,因此将造成该区域生物多样性下降。(3)消费者能促进植物的传粉和种子传播,加快生态系统的物质循环。N+8年初级消费者的生物量远比N-1年的小,原因是加拿大一枝黄花缺乏天敌,不能被初级消费者利用,且使本地生产者种类和数量减少,初级消费者因缺少食物,生物量减少。
答案:(1)体内有机物 两者消化吸收的能力和呼吸消耗的能量不同(2)空间和资源有限 下降(3)物质循环 加拿大一枝黄花缺乏天敌,不能被初级消费者利用,且使本地生产者种类和数量减少,初级消费者因缺少食物,生物量减少
考点二 生态系统的信息传递
1.信息的概念信息指日常生活中可以传播的消息、情报、指令、数据与信号等。
2.生态系统中信息的种类
4.信息传递的范围及特点(1)范围:不包括细胞之间的传递,而是指种群内部个体之间、种群之间以及生物与非生物环境之间的传递。(2)特点。①生态系统的信息传递既可以是双向的,也可以是单向的;既可以从低营养级向高营养级传递,也可以从高营养级向低营养级传递,还可以从非生物环境向生物群落传递。②生物可以通过一种或多种信息类型进行交流,例如孔雀既可以通过开屏等行为信息进行求偶,也可以通过鸣叫等物理信息与同类交流。
5.信息传递在生态系统中的作用
6.信息传递在农业生产中的应用(1)提高农畜产品的产量。如利用模拟的动物信息吸引大量传粉动物,就可以提高果树的传粉效率和结实率。(2)对有害动物进行控制。如利用昆虫信息素诱捕或警示有害动物,降低害虫的种群密度。7.能量流动、物质循环和信息传递的关系
1.生态系统信息类型的判断
2.信息传递在生态系统中的作用整合
3.据图分析生态系统的信息传递模型
(1)生态系统中的信息来源于生物和非生物环境。(2)生态系统的信息传递的范围不包括细胞之间的传递。(3)生态系统的信息传递既存在于同种生物之内,也发生在不同生物之间。信息传递的方向一般是双向的。
考向1 结合信息传递的类型和作用,考查科学思维1.(2022·湖北五市联考)最新研究发现,蟋蟀通过求偶鸣叫辨认发出叫声的蟋蟀是否来自同一物种,并根据鸣叫质量选择交配对象,但交通噪音可使雌性双斑蟋对交配对象的选择变得不那么“挑剔”。相关叙述错误的是( )A.同一地区的蟋蟀可能不止一个物种,不能自由交配和繁衍B.双斑蟋鸣叫求偶,体现了信息传递具有调节种间关系、维持生态系统稳定的功能C.噪音干扰最终可能降低双斑蟋的基因多样性,甚至导致种群灭绝D.噪音污染也可能影响人的行为选择和身心健康等
解析:同一地区的蟋蟀可能不止一个物种,不同物种之间存在生殖隔离,因而不能自由交配和繁衍,A项正确;双斑蟋鸣叫求偶体现了生物种群的繁衍离不开信息的传递,双斑蟋鸣叫求偶只涉及一个物种,与调节种间关系无关,B项错误;根据题干信息,交通噪音可使雌性双斑蟋对交配对象的选择变得不那么“挑剔”,从而使双斑蟋交配、繁衍质量下降甚至无效,导致种群数量下降,个体所携带的遗传信息流失,导致双斑蟋的基因多样性降低,严重时甚至会使双斑蟋无法交配和繁衍而导致种群灭绝,C项正确;噪声会分散人的注意力,导致反应迟钝,容易疲劳,工作效率下降,差错率上升,由于噪声的作用,人会产生头痛、脑涨、耳鸣、失眠、全身疲乏无力以及记忆力减退等神经衰弱症状,故噪音污染也可能影响人的行为选择和身心健康等,D项正确。
考向2 围绕生态系统三大功能,考查科学思维2.(2022·陕西西安中学)2020年2月,东非地区蝗灾肆虐,蝗虫数量之多几十年未见,且这种现象未来可能会更加普遍。此次蝗灾的元凶是沙漠蝗。人们在肯尼亚东北部发现一个蝗虫群长达60公里,宽约40公里,每平方公里可聚集1.5亿只蝗虫。据估计,即使是小型虫群,每天也能吃掉3.5万人的食物。(1)某蝗虫种群摄入的能量流动情况如下表所示[单位:J/(hm2·a)]
该种群同化的能量中只有________%(保留小数点后一位)用于生长发育繁殖。
(2)单只沙漠蝗(一种短角蝗虫)单独生存时,其颜色为浅棕色,造成的破坏相对较小。然而,当环境适宜时,尤其是在大雨和龙卷风之后,大量蝗虫会聚集在同一地点,其颜色会转为粉红色(未成熟),接着再转为黄色(成熟),并形成虫群。这一过程被称为“群聚化”。从生态系统功能的角度分析,有序蝗群的形成与生态系统的________有关,生态系统的这一功能还能够调节____________________以维持生态系统的稳定。蝗虫能释放信息素促使蝗虫聚集,聚集的蝗虫导致信息素的释放量增加,进一步加剧了蝗虫的聚集,这种调节方式属于__________调节(填“正反馈”或“负反馈”)。(3)人类目前还没有对付大群蝗虫的可靠办法。虫群的出没和移动难以预测,它们往往会以非常快的速度横越辽阔且偏远的地区。人们可以通过飞机或无人机向虫群喷洒杀虫剂,且最佳战术是在蝗虫开始群聚前就喷洒杀虫剂,该方法杀虫率高、
灭杀范围广,缺点是____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________ (答出两点)。从生态系统能量流动的角度分析,消灭蝗虫可保证农业和畜牧业良性发展的意义是___________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________。
答案:(1)3.8(2)信息传递 生物的种间关系 正反馈(3)使蝗虫抗药性增强、农药药效降低、蝗虫天敌减少、环境污染加剧、破坏生态平衡等 调整生态系统中的能量流动关系,使能量持续高效地流向对人类最有益的部分
考点三 生态系统的稳定性
2.生态系统的稳定性(1)概念:生态系统维持或恢复自身结构与功能处于相对平衡状态的能力。(2)原因:生态系统具有自我调节能力。(3)基础:负反馈调节,既存在于生物群落内部,也存在于生物群落与非生物环境之间。(4)特点:自我调节能力具有一定的限度。3.生态系统稳定性的两种类型(1)概念。①抵抗力稳定性:生态系统抵抗外界干扰并使自身的结构与功能保持原状的能力。②恢复力稳定性:生态系统在受到外界干扰因素的破坏后恢复到原状的能力。
(2)抵抗力稳定性与恢复力稳定性的比较。
(3)影响因素。生态系统的稳定性主要与生物种类有关,还与生物的个体数量有关。食物链数量越多越稳定。若食物链数量相同,再看生产者,生产者多的稳定程度高。4.提高生态系统稳定性的措施(1)控制对生态系统的干扰强度,在不超过生态系统自我调节能力的范围内,合理适度地利用生态系统。(2)对人类利用强度较大的生态系统,应给予相应的物质、能量的投入,保证生态系统内部结构与功能的协调。
提醒:冻原、沙漠等生态系统的两种稳定性都比较低。
5.设计并制作生态缸(1)小型生态缸(瓶)实验流程。
(2)设计和制作生态缸的要求。
提醒:①观察稳定性,可通过观察动物、植物的生活情况,水质变化,基质变化等判断生态系统的稳定性。②由于生态缸极为简单,自我调节能力极差,抵抗力稳定性极低,其稳定性易被破坏。因此,生态缸内的生物只能保持一定时间的活性。
1.抵抗力稳定性、恢复力稳定性和总稳定性的关系
2.生态系统稳定性的4个易混点(1)生态系统的稳定性主要与生物种类有关,还要考虑生物的个体数量。食物链数量越多越稳定。若食物链数量相同,再看生产者,生产者多的稳定程度高。(2)生态系统的稳定性不是恒定不变的,因为生态系统的自我调节能力具有一定的限度。(3)强调“生态系统稳定性高低”时,必须明确是抵抗力稳定性还是恢复力稳定性,因为二者一般呈负相关。(4)抵抗力稳定性和恢复力稳定性的辨析:某一生态系统在受到外界干扰,遭到一定程度的破坏而恢复的过程,应视为抵抗力稳定性,如河流轻度污染的净化;若遭到彻底破坏,则其恢复过程应视为恢复力稳定性,如火灾后草原的恢复等。
3.生态系统调节中正反馈和负反馈的比较
考向1 结合生态系统稳定性的分析,考查科学思维1.(2022·广东韶关)生活污水的科学治理是加快推进美丽乡村建设的重要环节。右图是某乡村河流随生活污水的流入,其溶解氧量(DO)、生物耗氧量(BOD)、无机物(富含N、P)的浓度变化情况。
回答下列问题:(1)受到轻微污染时,河流能通过物理沉降等方式消除污染,但若持续排放生活污水会使下游水质不断恶化并难以恢复,这体现了生态系统的__________________是有一定限度的。(2)与B处相比,A处有机物浓度________。AB段水体中DO值上升的原因是________________________________________________________________________________________________________________________________(答出一点即可)。(3)浮萍可作为家畜和家禽饲料,也可用于污水处理。浮萍属植物中有一种紫萍,不仅可以进行光合自养,还可以利用有机碳源进行异养。环保科研团队研究了三种营养模式下紫萍的有机物积累状况和紫萍对氮、磷的吸收率,实验设计以及结果如下表。
①上表中编号2实验组培养液以及环境条件的设置应依次为____________________________。②结合表中数据分析可知,最有利于提高紫萍应用价值的营养模式是___________。环保部门尝试指导村民在下游BC段湖泊放养紫萍治理污水并获取家畜和家禽饲料,这一举措利用了生物多样性的______________________________________________________________________________________________________________价值。
解析:(1)持续排放生活污水会使下游水质不断恶化并难以恢复,这体现了生态系统的自我调节能力是有一定限度的。(2)据图可知,A处位于B处的上游,因此其有机物浓度较高;AB段藻类等生物数量增加,通过光合作用释放氧气,且有机物减少,需氧型细菌数量下降,对溶解氧的消耗量减少,故AB段水体中DO值上升。(3)①自养与异养取决于培养条件是否有光,所以编号2实验组培养液以及环境条件
的设置应为:无机盐溶液、葡萄糖、24h黑暗。②自养与异养混合时淀粉产量和蛋白质产量是最高的,且氮吸收率和磷吸收率最大,所以最有利于提高浮萍应用价值的是混合营养;村民在下游BC段湖泊放养紫萍治理污水并获取家畜和家禽饲料,该过程既有经济价值也有环保意义,体现了生物多样性的直接和间接价值。
答案:(1)自我调节能力(2)较高 藻类等生物数量增加,通过光合作用释放氧气(有机物减少,需氧型细菌数量下降,对溶解氧的消耗量减少)(3)无机盐溶液、葡萄糖,24 h黑暗 自养与异养混合 直接和间接
考向2 围绕设计并制作生态瓶,考查科学探究2.现有A、B两个密闭透明的生态瓶,其生物组成和光照条件见下表。一段时间后,发现A瓶的生态系统较B瓶的稳定。下列分析合理的是( )
注:“+”表示有,“-”表示无。A.A瓶中的所有生物组成了食物网,而B瓶中所有生物组成一条食物链B.A瓶中有光照,生产者固定的全部太阳能是能量流动的源头C.B瓶浮游动物种群密度降低只是因为缺乏食物D.当A瓶中能量的输入≥能量的散失时,A瓶的生态系统处于稳定状态
解析:A瓶中的浮游动物捕食浮游藻类和水草,组成了食物网,A瓶中的分解者不参与食物网的组成,B瓶中所有生物不一定组成一条食物链,A项错误;A瓶中有光照,生产者固定的全部太阳能是流经生态系统的总能量,而能量流动的源头是太阳能,B项错误;B瓶浮游动物种群密度降低是因为缺乏阳光,C项错误;当A瓶中能量的输入≥能量的散失时,A瓶的生态系统处于相对稳定状态,D项正确。
高考真题体验1.(2022·湖南卷)稻—蟹共作是以水稻为主体、适量放养蟹的生态种养模式,常使用灯光诱虫杀虫。水稻为蟹提供遮蔽场所和氧气,蟹能摄食害虫、虫卵和杂草,其粪便可作为水稻的肥料。下列叙述正确的是( )A.该种养模式提高了营养级间的能量传递效率B.采用灯光诱虫杀虫利用了物理信息的传递C.硬壳蟹(非蜕壳)摄食软壳蟹(蜕壳)为捕食关系D.该种养模式可实现物质和能量的循环利用
解析:该模式提高了能量的利用率,但不能提高能量的传递效率,A项错误;采用灯光诱虫杀虫利用了光,是物理信息的传递,B项正确;硬壳蟹(非蜕壳)和软壳蟹(蜕壳)属于同一物种,两者之间的摄食关系不属于捕食,C项错误;生态系统中的能量传递是单向的,不能循环利用,D项错误。
2.(2021·广东卷)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,中国于2030年前确保碳达峰(CO2排放量达到峰值),力争在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。回答下列问题:(1)在自然生态系统中,植物等从大气中摄取碳的速率与生物的呼吸作用和分解作用释放碳的速率大致相等,可以自我维持________。自西方工业革命以来,大气中CO2的浓度持续增加,引起全球气候变暖,导致的生态后果主要是___________。(2)生态系统中的生产者、消费者和分解者获取碳元素的方式分别是____________________________________________________________________________________,消费者通过食物网(链)取食利用,________________________________________________________________________________________________________________。
(3)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,减少__________和增加__________是实现碳达峰和碳中和的重要举措。
解析:(1)随着现代工业的迅速发展,人类大量燃烧煤、石油等化石燃料,从而使碳元素在短时间内释放出来,打破了生物圈中的碳平衡,使大气中的CO2浓度迅速增加,引起全球气候变暖,导致极地冰雪和高山冰川融化、海平面上升等严重的生态后果。(2)生产者主要通过光合作用和化能合成作用获取碳元素,从而使碳元素通过生产者进入生态系统,消费者通过摄食生产者和低营养级的消费者来获取碳元素,分解者通过分解生产者的遗体残骸和消费者的粪便、遗体残骸来获取碳元素。
答案:(1)碳平衡 极地冰雪和高山冰川融化、海平面上升等(2)光合作用和化能合成作用、捕食、分解作用 从而将碳元素以含碳有机物的形式进行传递(3)碳释放 碳存储
3.(2021·福建卷)一般情况下,植物开花时间与传粉动物的活跃期会相互重叠和匹配。全球气候变化可能对植物开花时间或传粉动物活跃期产生影响,导致原本时间上匹配关系发生改变,称为物候错配。物候错配会影响植物的传粉和结实,可引起粮食减产,甚至发生生态安全问题。生产上为了减轻物候错配造成的影响,常通过人工授粉提高产量。回答下列问题:(1)光和温度属于生态系统信息传递中的____________信息。(2)延胡索是一种依靠熊蜂传粉的早春短命药用植物。全球气温升高会使延胡索开花起始时间提前,测取延胡索开花起始时间数据并统计结实率(如下图),监测数据表明__________。从物候错配的角度分析延胡索结实率降低的原因是_________________________________________________________________________________________________________________________________________________________。
(3)为进一步验证物候错配会影响延胡索的传粉和结实,科研人员在物候错配的区域设置同等条件的A和B两个样地。其中,A样地中的延胡索保持自然状态生长;B样地中的延胡索则进行__________,分别统计两样地延胡索的结实率。支持“物候错配会造成延胡索自然结实率降低”观点的实验结果为____________________________________________________________________________________________。
解析:(1)光和温度属于生态系统信息传递中的物理信息。(2)实验的自变量为开花起始时间,因变量为结实率,开花起始时间越早,结实率越低;由于全球气温升高,延胡索提前开花,导致开花时间与熊蜂活跃期重叠时间减少,传粉受影响,结实率降低。(3)本实验目的为验证物候错配会影响延胡索的传粉和结实,则实验的自变量为物候错配是否被打破,可通过人工授粉与否来控制,因变量为结实率。实验设计应遵循对照与单一变量原则,因此可设计实验如下:在物候错配的区域设置同等条件的A和B两个样地,其中,A样地中的延胡索保持自然状态生长;B样地中的延胡索则进行人工授粉,分别统计两样地延胡索的结实率。若“物候错配会造成延胡索自然结实率降低”,则自然生长的A样地(物候错配保持组)结实率低于B样地(物候错配被打破)。
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