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第3节 生态系统的物质循环
【高考目标定位】
生态系统中物质循环的基本规律及应用

【考纲知识梳理】
一、生态系统的物质循环
1、概念
（1）物质：组成生物体的C、H、O、N、P、S等元素。
（2）循环：无机环境 生物群落。
（3）范围：生物圈。
2、实例――碳循环
（1）主要形式：CO2.
（2）过程：

（3）特点：
①具有全球性，因此又称生物地球化学循环。
②具有循环性。
二、能量流动和物质循环的关系
1、二者同时进行，彼此相互依存，不可分割，物质是能量的载体，能量是物质循环的动力。

【要点名师精解】
一、生态系统物质循环的实例――碳循环

1、大气中CO2的一是分解者的分解作用；二是动植物的呼吸作用；三是化石燃料的燃烧。
2、目前由于碳循环平衡被打破，形成温室效应的分析
（1）大气中CO2含量持续增加的原因：
①工厂、汽车、轮船等对化石燃料的大量使用，向大气中倾放大量的CO2。
②森林、草原等植被大面积的破坏，大大降低了对大气中CO2的调节能力。
（2）危害：
①气候变暖会使冰川雪山融化，海平面上升，这样就使沿海城市和国家面临灭顶之灾。
②由于气候变化，也改变了降雨和蒸发机制，影响农业和粮食资源的生产。降雨量的变化使部分地区更加干旱或更加雨涝，并使病虫害增加。
3、缓解措施：
（1）植树造林，增加绿地面积。
（2）减少化石燃料的燃烧。
（3）开发清洁能源。
【例1】如图为碳循环图解，请回答下列问题：

（1）物质循环实质上是物质在圈与圈之间转移。请在下列表格中填出各圈中碳素的贮存形式，用“十”或“―”标明是否参与碳素交换过程。
项目岩石圈大气圈水圈生物群落
碳素贮存形式
是否参与交换
上述分析得知，碳循环带有__________性。
（2）碳主要以__________形式循环的。
（3）碳从无机环境进入生物群落的唯一途径是［　］__________；由绿色植物通过②__________传递到各级消费者。
（4）碳从生物群落返回无机环境的途径③表示__________；④表示__________；⑤表示__________。
【解析】本题考查碳循环有关知识。碳循环具有全球性。碳在生物群落与无机环境之间的循环主要以二氧化碳的形式进行的。碳从无机环境进入生物群落的唯一途径是光合作用。绿色植物合成的含碳有机物通过食物链和食物网传递到各级消费者。碳从生物群落返回无机环境的途径有生产者、消费者的细胞呼吸，分解者的分解作用和化石燃料的燃烧，应该说明的是，硝化细菌等的化能合成作用也参与碳循环。
【答案】（1）
无机盐CO2HCO 有机物
-+++
　　全球
（2）CO2　
（3）①光合作用　食物链和食物网　
（4）细胞呼吸　分解作用　燃烧等利用
二、物质循环与能量流动的关系
项目能量流动物质循环
形式以有机物为载体主要是无机物
特点单向传递、逐级递减往复循环
范围生物群落生物圈（全球性）
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，离不开物质的合成和分解；
②物质是能量沿食物链（网）流动的载体；
③能量是物质在生态系统中往复循环的动力
图示

【例2】分析下面碳循环示意图并据图回答问题：?

（1）从微观上看，过程①是在细胞内 中进行的；过程③主要是在细胞内 中进行的。?
（2）岩石圈中的碳以 形式储存，故不直接参与碳循环。水圈中碳的存在形式是 。?
（3）由图中可见，碳循环带有 性，属于气体型循环。?
（4）碳从无机环境中进入生物群落的途径①是 ，除此之外，某些特殊的生态系统还可通过 进入生物群落；②表示的是 关系，其②内部之间还可存在 关系；④表示 。?
（5）参与过程④的生物的新陈代谢类型是 ，它们与同区域中的动植物共同构成了 。
（6）如果大气层中的CO2增多，则产生 效应。?
（7）从上图可知，减缓温室效应的关键措施是：?
① ；
② ；
③ 。
（8）碳循环的进行伴随着 ，但由于生物体不能在代谢中利用 ，因而能量流动具有 的特点。
【解析】（1）过程①是绿色植物利用大气、水中的CO2通过光合作用合成有机物，光合作用的场所是细胞内的叶绿体。过程③通过动植物的细胞呼吸将碳返回到大气中去，细胞呼吸的主要场所是线粒体。?
（2）碳在岩石圈中以无机盐（碳酸盐）的形式贮存，不能被植物直接吸收利用，不能直接参与碳循环，水圈中的碳以HCO3-形式存在，因为CO2+H2O H2CO3 H++HCO3-。?
（3）由图示可看出碳循环是全球性的，属于气体型循环。?
（4）由图解可看出碳从无机环境进入生物群落是通过绿色植物的光合作用实现的。极少数特殊生态系统中的碳进入生物群落是通过化能合成作用。②表示生物群落中的捕食和竞争关系。图示中④表示动植物尸体通过微生物的分解作用，把有机碳转化为无机碳返回无机环境中。?
（5）参与④过程的微生物的同化类型是异养型。异化作用类型为需氧型、厌氧型和兼性厌氧型。生活在同一区域内的各种生物的总和称为生物群落。?
（6）大气中CO2增多，则产生温室效应。?
（7）从图中看出，导致大气中CO2增多的因素可能是①过程减弱或在一定程度上受阻，即绿色植物减少，也可能是⑤过程增强，即化石燃料的大量燃烧。因此减少温室效应应从这两方面考虑。?
（8）生态系统中的能量最终以热能的形式散失，由于生物体在代谢过程中不能直接利用热能，因而能量流动的特点是逐渐递减、单向流动。
【答案】（1）叶绿体 线粒体?
（2）无机盐（碳酸盐） HCO3- （3）全球?
（4）光合作用 化能合成作用 捕食 竞争 分解者的分解作用?
（5）异养需氧型、异养厌氧型和异养兼性厌氧型 生物群落?
（6）温室?
（7）①保护植被，大力植树造林，提高森林覆盖率?
②严格控制化石燃料的燃烧，并提高能源利用率?
③开发除化石燃料以外的诸如水能、核能、太阳能等新能源，切实减少CO2的排放量?
（8）能量流动 热能 单向流动、逐级递减?

【感悟高考真题】
（2010?广东高考） 26．（16分气候变化与生态系统的碳循环密切相关。下表为A、B两个不同时期陆地生态系统与大气环境的碳交换情况。

（1）生态系统碳的吸收主要是通过______作用实现的，碳的释放主要是通过_____作用实现的。
（2）表中_______时期的生态系统处于稳定状态，原因是______。
（3）由于过度的人工碳排放，破坏了生态系统的________,导致大气中_____增加并引起全球气候变化。
（4）人们正在积极开发新能源以减少碳排放。如“叶绿素太阳能电池”是模仿类囊体吸收光能的特征而制造的，类囊体吸收光能的过程发生在光合作用的_____阶段；又如经改造的蓝藻能在细胞内将光合作用产生的_____直接发酵转化为燃料乙醇。
【解析】本题主要考查学生的理解能力和获取信息的能力。碳元素由无机环境进入生物群落主要依赖于绿色植物的光合作用，而由生物群落回归无机环境则主要依赖于各类生物的呼吸作用。在一个稳定状态的生态系统中，碳吸收量应该基本上等于碳释放量。过度的人工碳排放，破坏了生态系统的碳循环，导致大气中CO2增加并引起全球气温变暖。光能的吸收、传递和转换发生咋子光合作用的光反应阶段。
【答案】（1）光合 呼吸
（2）A 碳吸收量应该基本上等于碳释放量
（3）碳循环 CO2
（4）光反应 有机物
（2009?重庆高考）5.题图5是某森林生态系统物质和能量流向示意图，h、i、j、k表示不同用途的有机物（j是未利用部分），方框大小表示使用量，下列叙述正确的是
A. 进入该生态系统的 量与各h产生的 总量相等
B. 生产者i的量大于被初级消费者同化有机物的量
C. 流向分解者的k可悲生产这直接吸收利用
D. 流经该生态系统的物质和能量可循环利用
【解析】生态系统的 量就是流经该生态系统的总能量，用a表示，h是生态系统中各成份的呼吸量，在生态系统的食物链中能量流动逐级递减（10%-20%），用x表示（x=10%-20%,假设为1／5），而各级呼吸量占各能量级的一部分，用Y（Y<1／4据图）表示，则各成份呼吸量的总量为aY（１＋X＋x２＋1/8＋1/8x＋1/8 x２）［生产者呼吸量aY＋初级消费者呼吸量axY＋次级消费者及以上呼吸量ax２Y）＋分解者的呼吸量（1/8a＋1/8ax＋1/8a x２）Y］[生产者Ｋ值为 1/8a (据图)＋初级消费者Ｋ值为1/8ax＋次级消费者及以上Ｋ值为1/8a x２]，可得出小于a；生产者i的量等于初级消费者的摄入量，除去粪便量才等于同化量；流向分解者的解者须经分解者分解才能被生产者；流经该生态系统的物质能循环利用，而能量逐级递减不能循环利用。要注意图形的识别与知识的联系。此题为中难题，理解分析类。
【答案】B
（2009?北京高考）30.（16分）
为研究森林群落在生态系统物质循环中的作用，美国一研究小组在某无人居住的落叶林区进行了3年实验。实验区是两个毗邻的山谷（编号1、2），两个山谷各有一条小溪。1965年冬，研究人员将2号山谷中的树木全部砍倒留在原地。通过连续测定两条小溪下游的出水量和硝酸盐含量，发现2号山谷小溪出水量比树木砍倒前升高近40%。两条小溪中的硝酸盐含化如图所示。

请回答问题：
（1）大气中的N2进入该森林群落的两种途径有 。在森林群落中，能从环境中直接吸收含氮无机物的两大类生物是 。
（2）氮元素以N2、NO3-和 的形式被生物吸收，进入细胞后主要用于合成 两类生物大分子。
（3）图中显示，1号山谷溪水中的硝酸盐含量出现季节性规律变化，其原因是不同季节生物 。
（4）1966年5月后，2号山谷溪水中的硝酸盐含量急剧升高，主要的两个原因是 。
（5）硝酸盐含量过高的水不宜饮用。在人体消化道中，硝酸盐可转变成亚硝酸盐。NO2-能使DNA中C-G碱基对中的“C”脱氨成为“U”。上述发生突变的碱基对经两次复制后，在该位点上产生的碱基对新类型是 、 。
（6）氮元素从森林群落输出的两种途径是 。
（7）该实验结果说明森林群落中植被的两个主要作用是 。
【解析】
（1）大气中N2进入生物群的主要途径是生物固氮,另外还有闪电固氮。能够固氮的生物有植物（如：大豆）和微生物（如：圆褐固氮菌和根瘤菌）。
（2）氮元素以N2、NO3-和NH4＋ 的形式被生物吸收，并参与生物体内蛋白质和核酸这两类生物大分子的合成。生物体内的生物大分子有蛋白质、核酸、脂质、糖类，而N元素是核酸和蛋白质的重要组成元素。
（3）据图分析可知，1号山谷溪水中的硝酸盐含量出现季节性规律变化，可能是不同季节生物对硝酸盐的利用量不同。
（4）1966年5月后，2号山谷溪水中的硝酸盐含量急剧升高。从来源和去路上分析：一个是因为硝酸盐的去路减少，二是因为硝酸盐的来路增加。根据题意，1965年冬，2号山谷中的树木全部被砍倒留在原地，丧失了植物对硝酸盐的吸收；动植物遗体分解后，产生的硝酸盐进入小溪，导致小溪中硝酸盐的含量急剧升高。
（5） U-A U-A A-T(新类型)
C-G U-G
G-C G-C C-G
（6）通过细菌的作用将硝酸盐最终变为N2返回大气或雨水的冲刷，可以将N元素从森林群落中输出。
（7）植物被砍倒，小溪中的硝酸盐含量增加说明植物可以同化无机环境中的N元素；将2号山谷中的树木全部砍倒，发现2号山谷小溪出水量比树木砍倒前升高近40%，说明植被还有涵养水源的作用。
【答案】
（1）生物固氮 闪电固氮 植物和微生物
（2） 蛋白质，核酸
（3）对硝酸盐的利用量不同
（4）①丧失了植被对硝酸盐的吸收
②动植物遗体分解后，产生的硝酸盐进入小溪
（5）T-A U-A
（6）通过细菌的作用将硝酸盐最终变成N2，返回大气，雨水的冲刷
（7）涵养水源，同化无机环境中的氮元素
（2008?江苏高考）26．（8分）江苏某农户创建的冬季生态型种植养殖模式如下图所示，请据图回答下列问题。

（1）牛棚内产生的_________可扩散进入蔬菜大棚，提高蔬菜大棚，提高蔬菜的光合效率；蔬菜光合作用产生的__________可扩散进入牛棚。
（2）秸杆除了作为牛的饲料外，还可与牛粪混合堆入进行___________，腐熟的产物肥效提高，这是因为
。这种肥料用于蔬菜栽培可以提高蔬菜产量。
（3）在牛的品系、饲料品种和用量不变的条件下，采用这种养殖模式，牛的生长速率明显提高，其主要原因是 。
（4）牛棚保温所需的热能来源于牛身散热、地热、___________和__________。
（5）从生态系统主要功能的角度分析，这种种植养殖模式较好地实现了 。
【解析】物质的循环利用和能量的多级利用是生态农业的突出特色。（1）牛的呼吸为蔬菜提高光合作用的原料，蔬菜产生的氧气为牛棚更新空气；（2）秸秆和牛粪经微生物的分解，才能被植物吸收利用。（3）外界温度与牛体温相差越少，牛维持体温消耗的能量就较少；（4）太阳光能是牛棚内热能的主要来源，另外微生物发酵也产热；（5）生态农业的优越性体现：物质的循环利用和能量的多级利用（高效利用）。
【点评】本题以生态农业为切入点，以生态模式图为图解信息，考查了图文转换能力，信息处理能力，以及综合运用知识解决问题的能力。
【答案】（1）二氧化碳 氧气 （2）发酵 微生物将有机物分解为无机物 （3）牛棚内温度较高因而牛维持体温消耗的能量较少 （4）太阳光能 发酵产热 （5）物质的循环利用和能量的高效利用。

【考点精题精练】
1.在生态系统碳循环过程中把CO2释放到大气中有多种形式，其中起主导作用的是（A）
A．植物和动物的呼吸作用
B．化石燃料的燃烧作用
C．分解者对有机物的分解作用
D．化工厂对碳酸盐的分解作用
2.（2010?安徽省巢湖市高三一模）在自然生态系统中，物质是能量的载体。下列叙述正确的是 A
A．能量可驱动物质循环 B．物质和能量可循环利用
C．能量只能在食物链中流动 D．能量和生物数量金字塔均可倒置
3.右图表示a、b、c三个地区森林土壤有机物的分解状况，则分解者的作用由弱到强依次是（ B ）
A．a→b→c
B．c→b→a
C．b→a→c
D．a→c→b
4.细菌和真菌在生态系统中物质循环不可缺少是因为 B
A．食物链中重要一环 　　B．能把有机物分解为无机物，归还到无机环境中
C．与人类关系非常密切 D．与生产者、消费者都有关系
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　）
A．蓝藻B．细菌 　C．水稻　 D．病毒
6.生产者和消费者的遗体被分解者分解（ C　）
A．只有物质循环过程 B．只有能量利用过程
C．既有物质循环又有能量利用过程 D．无法确定
7.下图是某生态系统的部分物质循环简图,下列叙述正确的是

A．若M为空气中的SO2，造成酸雨的主要原因是②和③过程加剧
B．若M为空气中的CO2，则C元素在图中①②③④过程中循环形式是CO2
C．若M为空气中的N2，则①过程可表示固氮蓝藻的固氮作用；②过程一般不存在
D．若M为环境中的NH3，则①过程可表示硝化细菌的化能合成作用；②过程表示另一些厌氧型细菌作用
答案C
8.（2010?山东省临沂市高三一模）关于生态系统物质循环的叙述中，错误的是（ B ）
A．碳在生物群落与无机环境之间的主要循环形式是CO2
B．物质循环和能量流动是两个相对独立的过程
C．物质循环发生在生物群落和无机环境之间
D．无机环境中的物质可以被生物群落反复利用
9.研究表明：固氮酶对氧极端敏感，一旦遇氧就很快导致不可逆
失活。如图为生态系统中碳循环和氮循环的一部分，A、B、C
三类微生物参与其中，下列说法错误的是（ B ）
A．A类细菌是自养需氧型，B类细菌是异养厌氧型
B．C类微生物只能是异养厌氧型的，否则只能得到氮氧化物
C．进行C过程的微生物，有的是自生的，有的是共生的
D．A和C的活动可增加土壤肥力，而B的活动导致土壤氮素丧失
10.题图是某森林生态系统物质和能量流向示意图，h、i、．j、k表示不同用途的有机物(j是未利用部分)，方框大小表示使用量，下列叙述正确的是（ B ）
A．进入该生态系统的CO2总量与所有h产生的CO2
总量相等
B．生产者i的量大于被初级消费者同化有机物的量
C．流向分解者的k可被生产者直接吸收利用
D．流经该生态系统的物质和能量可循环利用
11.下图表示某农田生态系统一年中CO2的释放和消耗状况。有关叙述正确的是 ( A )
注：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量
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的释放最与消费量相等
12.在自然生态系统中，物质是能量的载体。下列叙述正确的是 ( A )?
A.能量可驱动物质循环? B.物质和能量可循环利用?
C.能量只能在食物链中流动? D.能量和生物数量金字塔均可倒置
13.“落红不是无情物，化作春泥更护花”，对其所涉及的生物学知识描述正确的是 （ A ）
A.残枝落叶中的有机物通过微生物的分解产生的物质可提高土壤肥力
B.土壤中的微生物如硝化细菌、圆褐固氮菌、反硝化细菌等都是需氧型生物
C.“中耕松土”有利于土壤中各种微生物的活动
D.土壤中的微生物在生态系统中的地位都是分解者
14.右图是氮循环以及氮在生物体内的转化过程示意图，下列说法错误的是C
A．完成⑦、⑧过程的生物在生态系统的成分中属于分解者
B．完成②过程的生物有利于氮循环，但不利于土壤肥力保持
C．完成③过程的生物的新陈代谢类型与根瘤菌相同
D．生物完成④、⑥过程需要消耗能量
15.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（ C ）
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
16.下图为自然界中氮循环示意图，根据图回答：（11分）

（1）大气中的氮主要通过［　］　　　　　　进入生物群落
（2）图中的A物质代表尿素及动植物遗体，可被土壤中的微生物分解，形成B物质，则这些微生物在生态系统成分中属于 。B物质在土壤中，在　　　　细菌的作用下形成C。C物质代表　　　　　。
（3）将B物质转化成C物质的细菌，其同化类型属于　　　　　　型，在生态系统成分中属于 。
（4）在　　　　条件下，另一些细菌可将C物质最终转化为　　　　　　，返回到大气中，因此，这些细菌的代谢类型属于 。
答案（1）[1]生物固氮 （2）分解者；硝化；硝酸
（3）自养；生产者 （4）缺氧；氮气；异养厌氧型
17.（2010?苏北四市高三第二次凋考）2009年12月7～18日在丹麦首都哥本哈根召开世界气候大会，中国政府作出了降低国内单位生产总值二氧化碳排放量的承诺，到2020年中国国内单位生产总值二氧化碳排放量比2005年下降40％一50％，低碳经济与绿色生活方式引起人们重视。
根据下图回答问题：
(1)碳从无机环境中进入生物群落的途径①表示的是 ▲ 过程，生物群落中的碳返回无机环境
的途径为图中的 ▲ (填数字序号)。
(2)垃圾资源化、无害化是绿色城市的重要标志之一，可将回收后无法直接利用的有机废物进行发酵处理，该过程所利用的生物属于生态系统的 ▲
成分。
(3)煤是“高碳”能源，通过燃烧。碳主要以 ▲
的形式进入大气圈。根据上图提出一项实现“低碳”承诺、减少温室效应的关键措施 ▲ 。
(4)若上图虚线框中的种群及相互间的关系如右图所示，假设E种群中的能量是5．8×109kJ；B种群中的能量为1.3×108kJ。若能量的传递效率为10％～20％，则A种群中的能量至少是 ▲ kJ。
答案：（1）光合作用 ③ ④⑤ （2）分解者
（3）CO2 保护植被，大力植树造林，提高森林覆盖率；控制化石燃料的燃烧，减少CO2的排放量，提高能源利用率；开发水能、太阳能等新能源（答案合理即可）
（4）4.5 107

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