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2019-2020年高中生物 （人教大綱版）第二冊 第八章　生物與環(huán)境 3生態(tài)系統(tǒng)(四、備課資料) 一、關(guān)于水、氧、氮的循環(huán) 1.水循環(huán) 沒有水就沒有生命，生態(tài)系統(tǒng)也難以運行。水是自然界的推動者，它是生態(tài)系統(tǒng)中的物質(zhì)和元素得以運動的媒質(zhì)與動力，可以說，沒有水循環(huán)就沒有生物地化循環(huán)。水又是地質(zhì)侵蝕和沉積的原因，一個地方的侵蝕，必然出現(xiàn)另一個地方的沉積。 水是生物圈中最豐富的物質(zhì)，它以氣態(tài)、液態(tài)和固態(tài)三種形式存在于生物圈中。海洋是水的主要蓄庫，占據(jù)了地球表面71%的面積。水循環(huán)受太陽能、大氣環(huán)流、洋流和熱量交換所影響，通過蒸發(fā)、冷凝等過程在地球上進行著不斷的循環(huán)。 降水和蒸發(fā)是水循環(huán)的兩種方式，大氣中的水汽以雨、雪、冰雹等形式落到地面或海洋，而地面和海洋的水又通過蒸發(fā)進入大氣中。 當降水到達地面時，有的直接落到地面上；有的落在植物群落中，并被截留一大部分；有的落入城市的街道和建筑物上，它們會很快地流失，有些直接落入江、河、湖泊和海洋中。 到達土壤的水，一部分滲入土中，一部分作為地表徑流而流失。水在土壤中的滲透決定于土壤質(zhì)地、土壤孔隙度及植被中枯枝落葉層的厚度等，還決定于降水類型和強度等。 河流、湖泊、海尖表層的水及土壤中的水都在通過不斷蒸發(fā)作用而進入大氣中。通過降水和蒸發(fā)這兩種形式，使地球上的水分達到平衡狀態(tài)。地球上的降水量和蒸發(fā)量總的來說是相等的，但在不同的表面，不同地區(qū)的降水量和蒸發(fā)量是不同的。就海洋和陸地講，海洋的蒸發(fā)量約占總蒸發(fā)量的84%，陸地占有16%；海洋中的降水占總降水的77%，陸地占23%。海洋上的蒸發(fā)比降水多了7%，而陸地的降雨比蒸發(fā)量多7%，海洋和陸地間的差異通過地表徑流和大氣環(huán)流而得以平衡。（下圖） 全球水循環(huán) 植被在水循環(huán)過程中起著重要作用。植物從環(huán)境攝取的物質(zhì)中，數(shù)量最大的是水分。據(jù)計算，一株玉米一天大約需要消耗2千克水，完成整個生長發(fā)育過程需要200千克水，若一畝地有3000株玉米，共需水60萬千克。植物需水量雖如此之多，但用于原生質(zhì)合成的是很少的，絕大部分通過蒸騰作用而返回大氣中。據(jù)估算，植物每吸收千克水就有990克作為水蒸氣從氣孔排出體外，只有10克用于維持原生質(zhì)的功能和光合作用。不同的植被類型，蒸騰作用是不同的，而以森林植被的蒸騰最大，它在水的生物地化循環(huán)中的作用是最重要的。由于人類的活動，地球上的水循環(huán)已受到重大影響。 2.氧循環(huán) 如前所述，氧氣和碳的循環(huán)是聯(lián)合進行的，碳循環(huán)的過程中都有氧氣參與。生物的呼吸作用離不開氧氣，化石燃料的燃燒同樣需要氧氣。 在大氣中氧約占21%，這些氧氣絕大多數(shù)是植物光合作用過程中的產(chǎn)物，少部分來自大氣層的光解作用，由紫外線分解水汽而游離出氧，通過生產(chǎn)者產(chǎn)生氧氣，又通過生產(chǎn)者、消費者和還原者的呼吸、火災以及化石燃料的燃燒而消耗氧氣，使大氣圈中的氧氣基本上處于平衡狀態(tài)。 但氧氣的循環(huán)中也存在著人類的干擾，一方面植被，尤其是森林植被大面積被破壞，意味著氧氣產(chǎn)生的減少，另一方面，化石燃料也意味著更多氧氣的消耗，這兩種情況的加劇將會影響氧的循環(huán)和平衡。 3.氮循環(huán) 氮是蛋白質(zhì)的基本成分，是所有生物的結(jié)構(gòu)物質(zhì)。雖然大氣中的氮非常豐富，含量為79%，但卻不能被大多數(shù)生物直接利用。而必須通過固氮作用將游離氮轉(zhuǎn)變?yōu)榭杀恢参锢玫幕瘜W形態(tài)（即銨態(tài)氮或硝態(tài)氮）之后才能參與蛋白質(zhì)的合成。固氮的方式有三條途徑：①是通過閃電、宇宙射線、火山活動等高能固氮，其結(jié)果形成氨或硝酸鹽，隨著雨水降到地球表面。以這種方式固定的氮大約是每年1800萬噸。②是工業(yè)固氮，這種固氮形式的能力已越來越大。70年代初世界固氮總量為3000萬噸，據(jù)估計，到本世紀末可達1億噸。③（也是最重要的途徑）是生物固氮，主要是固氮微生物的作用。由于這種固氮作用，使大量氮素進入生態(tài)系統(tǒng)中，估計每年生物固氮量可達5000~6000萬噸。具有固氮作用的有固氮細菌、固氮藍藻等，最突出的是與豆科植物共生的根瘤菌及與菌根植物共生的真菌等。 氮循環(huán)可用下圖來表明。植物從土壤中吸收無機態(tài)的氮或硝酸鹽，用作合成蛋白質(zhì)的原料。植物中的氮一部分為動物所取食，合成動物蛋白質(zhì)。動植物死亡后經(jīng)微生物的分解，使有機態(tài)的氮轉(zhuǎn)化分解為無機態(tài)的氮，再為植物所利用。在土壤中含氮有機物的轉(zhuǎn)化和分解過程主要在三種作用下進行，即氨化作用、硝化作用和反硝作用。氨化作用是由氨化細菌的作用，將氨基酸分解成為氨（NH3）或銨化合物，NH3溶于水后即形成NH+4，可為植物利用；在通氣良好的情況下，NH3或銨鹽被亞硝化細菌和硝化細菌氧化為亞硝酸鹽（NO-2）和硝酸鹽類（NO-3），供植物利用；當通氣不良時，硝酸鹽又可在反硝化細菌的作用下，還原為N2或N2O而進入大氣，使氮素損失。土壤中還有一部分硝酸鹽變?yōu)楦迟|(zhì)的成分或被雨水沖洗掉，然后經(jīng)河流、湖泊最后到達海洋，為水生生態(tài)系統(tǒng)所利用。海洋中還有相當數(shù)量的氮沉積于深海而暫時離開循環(huán)。 二、關(guān)于碳循環(huán)圖例 碳循環(huán)是生物圈內(nèi)基本的物質(zhì)循環(huán)之一，其循環(huán)過程可以用各種圖解方式表示。在各種各類考查該知識點的題目中常見的有“圓形”“方形”“三角形”“菱形”等，但無論怎樣表示，都是在說明碳元素在無機環(huán)境、生產(chǎn)者、消費者和分解者四種成分之間的循環(huán)運動。這里我們可以從以下幾個方面去掌握： （1）碳在生物群落和無機環(huán)境之間是以CO2的形式進行循環(huán)運動的。 （2）碳循環(huán)開始于綠色植物，通過光合作用使CO2從大氣中進入生物群落。 （3）產(chǎn)生CO2的途徑有三條：①生物群落的呼吸作用；②微生物的分解作用；③化石燃料的燃燒（此途徑在不同的圖解中要慎重考慮）。 （4）要保證無機環(huán)境中CO2濃度相對穩(wěn)定在0.03%左右，可以通過大力植樹造林，同化CO2，可以通過改造廠房和燃油工具等減少CO2的排放量來實現(xiàn)。 三、碳循環(huán)的五大庫源 地球上的碳循環(huán)有五大庫源。即：巖石圈、化石燃料、大氣圈、水圈和生物圈。其中，前兩個庫源含碳量占地球上碳總量的99.9%，是兩個最大的碳庫。然而，這兩個庫中的碳，活動緩慢，循環(huán)周期長，基本上起著貯存碳庫的作用。因此，碳循環(huán)中，無機環(huán)境的CO2濃度相對保持在0.03%左右。后三個碳庫的碳在生物群落與無機環(huán)境之間非?；钴S，容量雖小但能往復循環(huán)，實質(zhì)上起著交換碳庫的作用，也就是我們教材中講述的碳循環(huán)的主要部分，同時，也正是碳循環(huán)中，雖然把CO2釋放到大氣中有多種形式，但起主導作用的是植物和動物的呼吸作用的主要原因。 四、森林在碳循環(huán)中的作用 在生態(tài)系統(tǒng)的碳循環(huán)過程中，大氣中的碳是以CO2為主要氣體作為物質(zhì)循環(huán)的基本形式的。生物庫中的碳是以森林為主要的吸收者，它所同化和固定的碳相當于其他被子植物的2倍，森林又是生物庫中碳的主要貯存者，相當于大氣含碳量的2/3。又因為植物光合作用從大氣中吸收碳的速率與動植物呼吸作用和微生物的分解作用向大氣中釋放碳的速率幾乎相當。所以，大氣中的碳以CO2的形式相對穩(wěn)定地維持在0.03%左右，這里森林的作用是起主導作用的。因此，植樹造林具有重要的現(xiàn)實意義和長遠的持續(xù)發(fā)展意義，是將毀滅性自然災害降低到最低水平的重大舉措。為此，要教育學生從小樹立按生態(tài)規(guī)律辦事，遵守可持續(xù)發(fā)展的原則，植物造林人皆有責的環(huán)保意識。 五、典型例題分析 ［例1］右圖為物質(zhì)循環(huán)簡圖，A表示生產(chǎn)者，B表示消費者，下列敘述錯誤的是 A.①是生產(chǎn)者 B.⑤過程有分解者參與 C.⑦代表消費者呼吸 D.本圖涉及碳和水的循環(huán) 分析：本題旨在考查物質(zhì)循環(huán)過程。生產(chǎn)者的光合作用有O2產(chǎn)生；④和⑤包含著動植物的呼吸作用，同時動植物尸體被分解過程也有CO2產(chǎn)生。H2O是光合作用的原料又是呼吸作用的產(chǎn)物；⑦不是呼吸作用，它沒有經(jīng)過消費者，不能直接生成CO2，而且動物的呼吸作用中O2是被［H］還原生成水，CO2中的氧不是來自O(shè)2，而是來自有機物中的氧。 答案：C ［例2］請根據(jù)右圖填空。 （1）圖中B為______氣體。 （2）如果B物質(zhì)進入C內(nèi)，可能進行的反應式是______。 （3）C到B的物質(zhì)流向，可以通過______和______這兩種方式來完成。 （4）生物D被取食進入生物E中的_______，_______要變成氨基酸，_______要變成葡萄糖，_______要變成甘油和脂肪酸，才能被生物E吸收利用，這個過程叫做______。 （5）生物E用于飛翔、捕食等生命活動的能量最終來源于圖中______。 （6）要使上圖的生態(tài)系統(tǒng)長久維持下去，還必須有______的存在。 分析：本題為生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)功能與新陳代謝的綜合試題，旨在考查學科的知識綜合能力和思維遷移能力。不難看出：樹C作為生產(chǎn)者通過光合作用固定太陽能，沿 ［例3］下圖為生態(tài)系統(tǒng)中某元素的循環(huán)圖解。這種元素是按箭頭方向循環(huán)運動的。然而，圖中缺少了一個重要箭頭。根據(jù)此圖，回答下列問題： （1）圖中缺少的箭頭是______。 （2）這是______的循環(huán)。 （3）A、B、C、D各是什么生物？ （4）由此可見，生態(tài)系統(tǒng)的物質(zhì)循環(huán)具有如下特點：a.______；b.______。 (5)參與過程⑤的生物種類有______，這些生物的新陳代謝類型，從同化方式看屬于______，從異化方式看屬于______。 （6）寫出圖中①~⑥所示過程的名稱： ①______　?、赺_____　?、踎_____ ④______　?、輄_____　?、轤_____ 分析：本題旨在考查生態(tài)學知識與新陳代謝類型的相互關(guān)系。根據(jù)圖分析：（1）圖上所缺的箭頭是由A到CO2的箭頭，即由綠色植物呼吸作用釋放出CO2的過程。（2）圖所表示的是碳循環(huán)。（3）A表示綠色植物；B表示腐生細菌、真菌；C表示肉食動物；D表示植食動物。（4）由此可見，生態(tài)系統(tǒng)的物質(zhì)循環(huán)具有如下特點：①帶有全球性；②反復出現(xiàn)，循環(huán)流動。（5）參與過程⑤的生物種類有腐生細菌、真菌，這些生物的代謝類型，從同化方式看屬于異養(yǎng)型；從異化方式看屬于需氧型或厭氧型。 答案：（1）由A到CO2的箭頭?。?）碳　（3）A表示綠色植物；B表示腐生細菌、真菌；C表示肉食動物；D表示植食動物?。?）帶有全球性　反復出現(xiàn)，循環(huán)流動?。?）腐生細菌、真菌　異養(yǎng)型　需氧型和厭氧型?。?）略