2012高三生物总复习教案 第38讲 生态系统的功能
教学案
【考纲要求】
生态系统
考纲要求
(1)生态系统的结构
(2)生态系统中的物质循环和能量流动的基本规律及应用
(3)生态系统中的信息传递
(4)生态系统的稳定性
I
Ⅱ
Ⅱ
Ⅱ
【考点分析】
知识点
试卷类型
分值
题型
(2)生态系统中的物质循环和能量流动的基本规律及应用
(3)生态系统中的信息传递
2008海南
9
非选择题
2008 广东
2
选择题
2008 广东
2
选择题
2008 海南
2
选择题
2009 山东
4
选择题
2009 广东
2
选择题
2009 重庆
2
选择题
2009 海南
2
选择题
2009 海南
2
选择题
2009 全国卷Ⅰ
10
非选择题
2009 北京
16
非选择题
2009 广东
8
非选择题
【考点预测】
本知识点是高考中的经常考察的热点问题，主要考察的就是生态系统物质和能量的循环，这也是与现实生活联系比较密切的地方，主要是以选择题和非选择题的形式呈现。
【知识梳理】
物质循环
概念
作用
过程和特点
意义
能量流动
概念
特点
过程
与能量流动的关系
信息传递
主要形式
传递意义
【重点解析】
能量流动
（一）、生态系统中能量流动的概念和作用
1、概念：生态系统中能量的输入、传递和散失的过程，称为生态系统中的能量流动
2、作用：在生态系统中，各个营养级的生物都需要能量，能量是维持生态系统稳态的动力。
（二）、生态系统中能量流动的过程和特点
1、生态系统中能量流动的过程：
根据对赛达伯格湖内各营养级之间能量流动的定量分析实例可知，生态系统中能量流动过程的信息有：
（1）生态系统的能量来源于太阳光能。在单位时间内输入生态系统的总能量即是该生态系统中全部生产者在单位时间内所固定的太阳能总量。
（2）生态系统能量流动的起点是从生产者（主要是植物）通过光合作用固定太阳能开始。能量流动的渠道是食物链和食物网。
（3）生态系统能量流动中能量是以太阳光能→生物体内有机物中的化学能→热能散失的形式变化。能量在食物链的各营养级中以有机物（食物）中化学能的形式流动。
（4）生态系统能量流动中能量散失的主要途径是通过食物链中各营养级生物本身的细胞呼吸及分解者的细胞呼吸，主要以热能形式散失。
（5）每一个营养级能量的来源和去路：
①能量的 生产者的能量来自于太阳能
来源 各级消费者的能量一般来自上一个营养级
a、每个营养级生物用于代谢活动（主要是呼吸）的
能量，这些能量最终以热能形式散失
②能量的 b、每个营养级生物的遗体，残枝败叶中的能量被分
去路 解者分解而释放出来
c、每个营养级生物的一部分能量流到下一营养级中。
d、未被利用能量（现存量，暂时储存在生物体中的）
2、生态系统中能量流动具有单向流动和逐级递减的特点。生态系统中的能量流动规律可用“能量金字塔”表示。
（三）、研究生态系统能量流动规律的目的是为了调整能量流动关系，提高生态系统的能量转化效率，使其朝向对人类最有益的方向进行。
例1：下图是某湖泊生态系统能量流动的定量分析图解。图中A、B、C代表三个营养级，数字均为实际测得的能量数，单位为百万千焦。已知该生态系统受到的太阳辐射为118872百万千焦，但其中118761百万千焦的能量未被生物利用。请据图示分析回答：
（1）请将流经该生态系统的总能量数填写在图中的方框内，这部分能量是_________________所固定的太阳能。
（2）能量从第一营养级到第二营养级的转化效率为_______，从第二营养级到第三营养级的转化效率为________。
（3）次级消费者通过呼吸消耗的能量占其所获得能量的百分比是_______________。
（4）由图可知，下一个营养级不能得到上一个营养级的全部能量，原因有：
①各营养级生物体内的大量能量被____________________；
②上一个营养级的部分能量_________________________；
③少数能量被_________________________利用。
解析：从图中A、B、C三者关系分析得出：A是第一营养级（生产者）；B是第二营养级（一级消费者）；C是第三营养级（二级消费者）。现根据图中数值计算与解答如下：（1）流经该生态系统的总能量为：118872百万千焦（太阳辐射能量）一118761百万千焦 （未被群落固定能量）=111百万千焦，这部分能量是生产者所固定的；（2）从A到B能量的转化率为15/111=13.5%，从B到C的转化率为3/15=20%；（3）C呼吸消耗的能量占其所获得的能量的百分比是1.8/3=60%；（4）下一个营养级不能得到上一个营养级全部能量的原因有：①各营养级生物体内的大量能量被呼吸消耗；②、上一个营养级的部分能量未被下一个营养级利用；③少数能量被分解者利用。
答案：（1） A（111） 生产者 （2）13.5% 20% （3）60%
（4）①呼吸消耗 ②未被下一个营养级利用；③分解者
例2：大象是植食性动物，有一种螳螂则专以象粪为食。设一大象在某段时间所同化的能量为107KJ，则这部分能量中流入螳螂体内的约为（ ）
A、0KJ B、106KJ C、2×106KJ D、3×106KJ
解析：大象以植物为食，其粪便是未被消化吸收的食物残渣，因此，其粪便所含有机物中的能量不属于流入大象这个营养级（第二营养级）的能量，应仍属于第一营养级（植物）中被分解者分解释放的能量。
答案：A。
物质循环
（一）、生态系统中的物质循环概念和特点
1、概念：生态系统中的物质循环又称为生物地球化学循环，是指在生态系统中，组成生物体的C、H、O、N、P、Ca等化学元素，不断进行着从无机环境到生物群落，又从生物群落回到无机环境的循环过程。
2、特点：循环流动，反复出现
（二）、生物圈中水、碳和氮的循环过程
1、生物圈中水循环的主要过程如下图所示
大气环流
生物圈中水循环的主要过程
2、生物圈中碳循环过程如下图所示
生态系统碳循环过程
3、生物圈中的氮循环主要过程如下图所示
生物圈中的氮循环过程
4、物质循环的形式与途径分析
生态系统中的物质循环是生态系统组成生物体的C、H、O、N、P、Ca等化学元素在无机环境和生物群落之间不断进行循环的过程。这些元素是以化合物或离子的形式在无机环境和生物群落之间，以及生物群落内的不同成分之间进行循环的，因此，分析生态系统的物质循环时，要分析这些元素在无机环境中的存在形式、在生物群落中的存在形式及传递途径、在无机环境和生物群落群之间循环的形式和途径。如在碳循环中，碳在无机环境主要以CO2和碳酸盐形式存在，碳在生物群落的各类生物体中以含碳有机物形式存在并通过食物链渠道在不同类群生物体间传递；碳从无机环境进入生物群落的形式和途径分别为CO2形式和光合作用过程；而碳从生物群落进入无机环境的形式是CO2，主要途径有：生产者、消费者的细胞呼吸、分解者的分解作用、化石燃料的燃烧产生CO2等。
（三）、能量流动与物质循环的关系
能量流动与物质循环是生态系统的功能。两者之间具有明显的区别，又有必然的联系。二者有何关系呢？
（1）区别：能量在生态系统内是单向流动、逐级递减的，因此，生态系统要不断地从外界获取能量（太阳光能），只有这样，生态系统的能量才能继续维持下去。至于生态系统的物质循环，则是在生物群落和无机环境之间循环往复地进行着的，这些物质是可以重复地被利用的。
（2）联系：生态系统的能量流动是随着物质循环而进行的。能量的固定转移和释放，离不开物质的合成与分解。相反，物质的合成与分解，必然伴随着能量的储藏与释放。由此可见，能量流动和物质循环之间互为因果、相辅相承，具有不可分割的联系。生态系统的各种成分，也正是通过能量流动和物质循环等，才紧密联系在一起，形成了一个统一的整体。
例3：下图是自然界中氮循环示意图，依图回答：
（1）大气中的氮主要通过[ ]__________进入生物群落，其次通过[ ]___________、[ ]______________等固氮途径也可少量供给植物氮素。
（2）图中A物质可被土壤中的微生物分解形成B物质，B物质在土壤中____________细菌的作用开形成C，C物质代表______________。
（3）另一些细菌可将C物质经⑤过程最终转化成________返回大气中，由此可见，土壤中这些微生物在包括氮循环在内的自然界中的________________中起着重要作用。
（4）目前，全世界每年施用氮素化肥大约有8×107t，这样做对环境可能带来的负面影响是________________。
解析：本题综合了氮循环中的有关主要问题，可以考查分析、综合能力。
（1）大气中的氮气主要通过生物固氮进入生物群落，其次是光电固氮和工业固氮
（2）图中A物质来自动植物，它代表的是动物体内一部分蛋白质在分解后产生的尿素等含氮物质，以及动植物遗体中的含氮物质。它们被土壤中微生物（分解者）分解后形成B物质一氨，氨经土壤中硝化细菌的作用，最终转化为C—硝酸盐。
（3）土壤中的另一些细菌（反硝化细菌）可以将硝酸盐最终转化为氮气，返回大气中。氮循环属于自然界的物质循环。
（4）大量施用氮肥等，容易引起水体的富营养化。
答案（1）①生物固氮 ②光电固氮 ③工业固氮
（2）硝化 硝酸盐 （3）氮气 物质循环
（4）水体的富营养化
【实战训练】
（09山东卷）1.利用泥浆生物反应器处理污染土壤，原理是将污染土壤用水调成泥浆
状，同时加入部分营养物质和菌种等，在有氧条件下剧烈搅拌，使污染物块速分解。
由此推知，该反应器
A. 能够实现物质循环
B. 主要处理有机污染
C. 可看作一个小型生态系统
D. 存在能量输入、传递、转化和散失
答案：B
解析：本题通过泥浆生物反应器的介绍考查了对于生态系统结构和功能的理解。解答本题的关键在于抓住题目中污染物的分解是在有氧条件下剧烈搅拌而使污染物快速分解，故而肯定是菌种进行有氧呼吸而分解有机物，故B正确。本题中的反应器中有土壤、营养物质和菌种，不满足生态系统（生物群落及其无机环境）的概念范畴，更谈不上生态系统功能中的物质的循环和能量的流动，A、C、D均错误。
（09广东理基）2．图11为某一生态系统的能量金字塔，其中Ⅰ、Ⅱ、11、Ⅳ分别代表不同的营养级，E1、E2代表能量的形式。下列叙述正确的是
A．Ⅰ是初级消费者
B．Ⅳ为分解者
C．E1为太阳能，E2为热能
D．能量可在食物链中循环利用
答案：C
解析：依题意Ⅰ是生产者，Ⅱ是初级消费者，Ⅲ是次级消费者，Ⅳ三级消费者，E1为生产者利用的能量，应是太阳能，E2为各营养级的生物释放出的能量，应为热能，故C正确。
（09广东文基）3．图11表示某生态系统的食物网，关于此食物网的叙述，错误的是
A．该食物网共有4条食物链
B．野兔、鹿及昆虫均为初级消费者
C．狼和云豹在不同食物链上均属于同一营养级
D．如果土壤受到污染，鹰体内的污染物积累浓度可能最高
答案：A
解析：本题考查食物网的相关知识，食物链有6条。所以A错。
（09重庆卷）4.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
答案：B
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。
（09广东卷）5．右图为南极某海域的食物链。据图判断正确的是
此食物网共有6条食物链
硅藻既是生产者，又是分解者
磷虾在不同食物链上都属于同一营养级
严禁过度捕杀蓝鲸由于其对该食物网影响最大
答案：C
解析：此食物网共有8条食物链，硅藻是植物，属于生产者，不是分解者，生产者遭到破坏对食物网的影响最大。而磷虾在每一条食物链中都是第二营养级，所以C项对。
（09广东卷）6．下列不属于生态系统信息传递的是
A．心猿意马 B．飞蛾扑火 C．花香引蝶 D．老马识途
答案：A
解析：生态系统的信息传递方式包括物理信息、化学信息，营养信息和行为信息，飞蛾扑火是通过光，属于物理信息；花香引蝶、老马识途都是通过气味，属于化学信息。
（09江苏卷） 7．下列4种现象中，不适宜用生态系统中能量流动规律进行合理分析的是
A．虎等大型肉食动物容易成为濒危物种
B．蓝藻易在富营养化水体中爆发
C．饲养牛、羊等动物，成本低、产量高
D．巨大的蓝鲸以微小的浮游动物为食
答案：B
解析：本题考查的是生态系统的能量流动。能力流动的特点是单向性和逐渐递减。A中虎等大型肉食动物处在最高营养级，获得的能量最少，因此容易成为濒危物种。蓝藻爆发是因为水体中含有大量的N、P等元素，给蓝藻提供营养物质，利于蓝藻的生长，因此没有能量流动。C中牛、羊等属于第二营养级，获得的能量较多，因此成本低，产量高。D中蓝鲸以浮游动物为食，能量便由浮游动物流向了蓝鲸。
（09海南卷）8．右图是某池塘生态系统中的两食物链，大量捕捞花鲢后，种群将有所变化，下列能正确反映短期内种群总重量增长率变化趋势的是
A. 绿藻上升 B. 白鲢下降 C. 水溞下降 D.乌鱼上升
答案：B
（09海南卷）9．假设将水稻田里的杂草全部清除掉，稻田生态系统中
A．水稻害虫密度将下降 B．能量流动的营养级数减少
C．水稻固定的太阳能增加 D．物种多样性上升
答案：C
（09全国卷Ⅰ）10．（10分）
某种植玉米的农场，其收获的玉米子粒即作为鸡的饲料，也可作为人的粮食，玉米的秸秆则加工成饲料喂牛，生产的牛和鸡供人食用，人、牛、鸡的粪便经过沼气池发酵产生的沼气作为能源，沼渣、沼液作为种植玉米的肥料。据此回答（不考虑空间因素）：
（1）请绘制由鸡、牛、玉米和人组成的食物网：
（2）牛与鸡之间 （有、无）竞争关系，理由是 。人与鸡的种间关系是 ，人与牛的种间关系是 。
（3）流经该农场生态系统的总能量来自 所固定的 ，无机环境中的碳以
形式进入该人工群落。
（4）假设该农场将生产玉米的1/3作为饲料养鸡，2/3供人食用，生产出的鸡供人食用。现调整为2/3的玉米养鸡，1/3供人食用，生产出的鸡仍供人食用。理论上，该农场供养的人数将 （增多、不变、减少），理由是 。
答案：
（1）
（2） 无 它们所需食物资源不同（或牛食玉米秸秆、鸡吃玉米子粒） 捕食与竞争 捕食
（3）玉米（其他合理答案也给分） 太阳能 CO2
（4）减少 改变用途的1/3玉米被鸡食用后，在鸡这一环节散失了不部分能量，导致人获得的能量减少
解析：
（1）分析题意，鸡、牛、玉米和人组成的食物网是
鸡
玉米 人
牛
（2）牛与鸡之间所需食物资源不同（牛食玉米秸秆、鸡食玉米子粒），所以它们之间无竞争关系，人与鸡之间构成捕食与竞争的关系，人与牛之间构成捕食关系。
（3）流经一个生态系统的总能量是生产者固定的全部太阳能，因此，流经该农场生态系统的总能量来自玉米所固定的太阳能，无机环境中的碳以CO2的形式通过绿色植物的光合作用进入该人工群落的。
（4）依题意，理论上该农场供养日人数将减少，因为改变用途的1/3玉米被鸡食用后，在鸡这一环节散失了一部分能量，导致人获得的能量减少。
（09北京卷）11.（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量变化如图所示。
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 。
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
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。
（09广东卷）12.（8分）
为加强水体治理，珠江流域某城市构建了较大面积的人工湿地。
（1）当污染物随水流进入该湿地时，湿地水体中碳元素的迁移和转化途径如下图。请用箭头和文字补充虚线框中的碳转化途径。
（2）一段时间后，湿地中出现了轮虫等浮游动物，可控制绿藻等浮游植物的增殖；管理员还放养了一些鱼和鸭，为城市增添自然气息。请写出可能存在食物链（两条）。
（3）如果含有重金属的工业废水进入该系统，请根据生态学基本原理，指出可能产生哪些负面影响。
答案：
（1）
（2）绿藻—轮虫—鱼 黑藻—鱼—鸭
（3）重金属进入食物链，危害人体健康，重金属无法降解，易发生二次污染。
解析：本题考查了生态系统的结构及功能的基础知识，由图可知，可溶性有机碳可作为好氧细菌碳源，被好氧细菌分解利用，好氧细菌呼吸作用产生的二氧化碳等作为黑藻绿藻等植物光合作用的原料，同时又是其呼吸作用的产物，这样，在细菌、植物，无机环境之间形成了稳定的物质循环。根据第二小题的题干，梳理出两条食物链，重金属盐在食物链中有富集现象，对高营养级的人危害很大，而且难于降解，易发生二次污染。
【名师点拨】
四个注意的问题：
（1）对能量流动中每一营养级“未被利用”能量的理解：
“未被利用”的能量是指现存的、尚未被利用的能量。这些未被利用的能量或者是在该营养级仍然生存的个体中（每一营养级总有一部分个体未被下一营养级生物所食，如羊不可能将草吃光）或者是沉积在湖底成为有机质沉积物等形式而不能被下一营养级利用的能量。从最终去路看，这些未被利用的能量中将可能有一部分被下一营养级生物所利用或用于呼吸消耗，而绝大部分最终会被分解者分解释放。
（2）相邻两个营养级之间的能量传递效率的计算。
能量传递效率=（下一营养级所获得的能量÷上一营养级所获得的能量）×100%。按照这一公式，我们可以计算出赛达伯格湖生态系统中各营养级之间的能量传递效率。
（3）能量单向流动的原因：
第一，食物链各营养级的顺序是不可逆转的，如肉食动物以植食动物为食，而植食动物则不能以肉食动物为食；植物与植食动物之间也是如此。第二，各营养级的能量是趋向于通过呼吸等代谢活动最终以热能形式而散失掉，而各个营养级的生物能够利用的能量形式为光能（生产者）或化学能（消费者、分解者）均不能利用热能，热能逐级散失，所以能量表现为单向流动。
（4）能量流动逐级递减的原因：
因为上一营养级的生物并不能全被下一营养级的生物所利用，总有一部分能量随着生物的遗体等被分解者利用；还有一部分能量通过自身的呼吸以热能的形式散失掉了，再有每一营养级总有“未被利用”的能量。因此能量沿着食物链流动时是逐级递减的。
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