一、教学目标
1.以碳循环为例，分析生态系统中的物质循环。
2.尝试探究土壤微生物的分解作用。
3.说明能量流动和物质循环的关系。
4.关注碳循环平衡失调与温室效应的关系。
二、教学重点和难点
1.教学重点
分析生态系统中的物质循环。
2.教学难点
说明能量流动和物质循环的关系。
三、教学策略
不少学生会认为与消耗能量一样，生物也在不断地消耗着物质，本节的“问题探讨”便是针对学生这一认识提出来的。在学习了能量流动之后，学生可以很自然地讨论“问题探讨”所提出的问题，由此开始本节的教学。在讨论中，学生可能会提出诸如“煤炭、石油等资源难道不能被耗尽吗？”等问题。教师可引导学生解决这一认知冲突：（1）煤炭、石油等是人类从事现代工业活动的物质资源，而非生态系统中生命活动所需的物质资源；（2）煤炭、石油等资源是有限的，这些资源的形成需要相当长的时间，而消耗它们所需的时间却要短得多。
事实上，物质循环时时刻刻发生在我们身边。因此，可以让学生联系自身感受物质循环的存在。
基于已学的知识，学生并不难理解“碳循环”的内容，但教师应把握：（1）生产者合成的含碳有机物被各级消费者所利用；（2）碳在生物群落与无机环境之间的循环主要是以二氧化碳的形式进行的；（3）碳循环具有全球性；（4）通过碳循环的实例，提示学生注意，“生态系统的物质循环”中的“生态系统”是指生物圈，其中的物质循环带有全球性，所以又叫生物地球化学循环。
“温室效应”是近年来在日常生活中频繁出现的词汇，学生并不陌生，而且切身感受到了温室效应的存在。对温室效应形成原因的讨论，是学生感兴趣的话题。在讨论中，教师应引导学生充分发表自己的观点。
可以通过讨论、列表比较来学习能量流动和物质循环的关系。教师应把握：（1）能量流动和物质循环是生态系统动态变化过程中的两个方面（即一个过程的两个方面，而不是两个过程），两者是同时进行的，彼此相互依存，不可分割；（2）能量流动和物质循环的性质不同：能量流动是单方向的，物质是循环的；（3）能量流动和物质循环都借助于食物链和食物网进行；（4）生态系统中的各种组成成分，正是通过能量流动和物质循环，才能够紧密地联系在一起，形成一个统一的整体。
四、探究指导
1.引入探究内容“土壤微生物的分解作用”
由于学生缺乏微生物方面的知识，在指导学生进行该课题的探究时，教师可以先介绍有关知识背景，比如可以用卡逊（R. Carson）《寂静的春天》中如下一段话：
土壤中最小的有机体可能也是最重要的有机体，是那些肉眼看不见的细菌和丝状真菌。它们有着庞大的天文学似的统计数字，一茶匙的表层土可以含有亿万个细菌。纵然这些细菌形体细微，但在一英亩肥沃土壤的一英尺厚的表土中，其细菌总重量可以达到一千磅之多。长得像长线似的放线菌数目比细菌稍微少一些，然而因为它们形体较大，所以它们在一定数量土壤中的总重量仍和细菌差不多。被称之为藻类的微小绿色细胞体组成了土壤内极微小的植物生命。
细菌、真菌和藻类是使动、植物腐烂的主要原因，它们将动植物的残体还原为组成它们的无机物。假若没有这些微小的生物，像碳、氮这些化学元素通过土壤、空气以及生物组织的循环运动是无法进行的。例如，若没有固氮细菌，虽然植物被含氮的空气“海洋”所包围，但它们仍将难以得到氮素。其他有机体产生了二氧化碳，并形成碳酸而促进了岩石的分解。土壤中还有其他的微生物在促成着多种多样的氧化和还原反应，通过这些反应使铁、锰和硫这样一些矿物质发生转移，并变成植物可吸收的状态。
另外，以惊人数量存在的还有微小的螨类和被称为跃尾虫的没有翅膀的原始昆虫…
2.提出问题
让学生结合自己的生活经历，列举土壤微生物分解作用的实例，提出想探究的问题。教师予以启发、指导。例如，落叶在土壤中能被分解掉，这究竟主要是土壤的物理化学因素的作用，还是土壤中微生物的作用呢？
3.作出假设
假设既可以是基于已有的知识或经验作出的解释，也可以是想像或猜测。要鼓励学生大胆提出假设，通过讨论修正自己的假设。
4.制订计划
首先，要确定实验变量是什么？需要控制的变量有哪些？如何控制这些变量？等等。
其次，要确定探究的地点或场所：在野外？还是在实验室中？
第三，设计实验方案。教材中提供了两则案例，供学生参考。
5.实施计划
建议本探究以小组的形式进行。
6.结果分析
可以将实验过程和现象列表整理，进行对比分析，得出实验结果。
五、答案和提示
（一）思考与讨论
1.提示：单质与化合物；有机物与无机物。
（二）旁栏思考题
大力植树造林后，这些植物能大量吸收已有的二氧化碳，因而能起一定的缓解作用。但更应该控制源头──温室气体的排放。
（三）练习
基础题
1.（1）√；（2）╳。
2.A。3.B。
4.提示：是。因为生物圈是指地球上所有生物与其无机环境的总和，通过物质循环构成一个物质上自给自足的系统。
拓展题
提示：农田是人工生态系统，是以提高农作物的产量和效益，使能量更多地流向人类，满足人类的需要为目的的。农田土壤中氮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，其中的氮元素并不能都归还土壤，所以需要施加氮肥。这与物质循环并不矛盾。
六、参考资料
1.氮循环
氮是蛋白质的基本成分，因此，它是一切生命结构的原料。
虽然大气中氮的含量非常丰富（78%），然而氮是一种惰性气体，植物不能直接利用。必须通过固氮作用将游离的氮结合成为硝酸盐或亚硝酸盐，或与氢结合成氨，才能为大部分生物所利用，参与蛋白质的合成。因此，大气中的氮被固定后，才能进入生态系统，参与循环。
固氮的途径有三种：（1）通过闪电、宇宙射线、陨石、火山爆发活动等高能固氮，其结果是形成氨或硝酸盐，随着降雨到达地球表面。据估计，通过这种方式固定的氮大约为8.9 kg/(hm2·a）；（2）工业固氮，这种固氮形式的能力已越来越大。20世纪80年代初全世界工业固氮能力为3×107 t，到20世纪末，可达1×108 t；（3）生物固氮（最重要的途径），大约为100～200 kg/(hm2·a），大约占地球固氮的90％。能够进行固氮的生物主要是固氮菌，在潮湿的热带雨林中生长在树叶和附着在植物体上的藻类和细菌也能固定相当数量的氮，其中一部分固定的氮为植物本身利用。
氮在环境中的循环可用图5-9表示。植物从土壤中吸收无机状态的氮，主要是硝酸盐，用做合成蛋白质的原料。这样，环境中的氮进入了生态系统。植物中的氮一部分为植食动物所取食，合成动物蛋白质。在动物代谢过程中，一部分蛋白质分解为含氮的排泄物 （尿素、尿酸），再经过细菌的作用，分解释放出氮。动植物死亡后经微生物等分解者的分解作用，使有机态氮转化为无机态氮，形成硝酸盐。硝酸盐可再为植物所利用，继续参与循环，也可被反硝化细菌作用，形成氮气，返回大气中。
因此，含氮有机物的转化和分解过程主要包括氨化作用、硝化作用和反硝化作用。
氨化作用：氨化细菌和真菌将有机氮（氨基酸和核酸）分解成为氨与氨化合物，氨溶水即成为NH+4，可被植物直接利用。
硝化作用：在通气情况良好的土壤中，氨化合物被细菌氧化为亚硝酸盐和硝酸盐，供植物吸收利用。土壤中还有一部分硝酸盐变为腐殖质的成分，或被雨水冲洗掉，然后流到湖泊和河流，最后到达海洋，为水生植物所利用。海洋中还有相当数量的氨沉积于深海而暂时脱离氮循环。
反硝化作用：也称脱氮作用，反硝化细菌将亚硝酸盐转变成氮气。
因此，在自然生态系统中，一方面通过各种固氮作用使氮素进入物质循环，另一方面又通过反硝化作用、淋溶沉积等作用使氮素不断重返大气，从而使氮的循环处于一种平衡状态。
图5-9 氮循环示意图
2.有关全球气候变暖的原因的争论
全球变暖是指地球表层大气、土壤、水体及植被温度年际间缓慢上升的现象。全球地表气温的最新分析表明，在过去的100多年中，全球地表温度平均上升了0.6 ℃。地球表面温度是由地表接受太阳辐射能（称为太阳辐射或直接辐射）和从地表向大气发出的长波辐射能（散射辐射）所决定的。太阳光主要以可见光的形式到达地球表面，被吸收的能量以红外线的形式散射到大气，它们的一部分被CO2和甲烷等微量气体成分吸收，从而减少了从地表向宇宙空间的散失。如果这些气体成分在大气中增多，逸散的能量就减少，地球就变得越暖和。因此这些气体又称为温室气体。在所有温室气体中，CO2起着最重要的作用。工业革命后大气中的CO2浓度一直是增加的，尤其到了20世纪50年代以后，增加的速率快得惊人。除CO2外，其他温室气体浓度也有明显增加，如大气中的甲烷和氧化氮的体积分数与工业革命前相比，分别增加了145%和15%。由温室气体增加导致全球气候变暖的事实，也可以从大气环流模型的研究中得到证实。因此可以认为，现代的气候变化，尤其使全球气候变暖主要是由大气中温室气体的增加造成的。
对于这样一个结论，有些人持有不同的观点。研究人员任振球通过对地球系统的研究，认为引起20世纪以来全球变暖的原因，自然因素和人为因素都很重要，很难分清何者为主。他强调自然因素的依据在于以下几点。
①从太阳活动来看，近百年来反映太阳活动水平的11年周期的太阳黑子活动也呈现一个增强趋势，与大气CO2浓度的变化趋势和全球变暖的趋势相吻合，说明太阳活动的重要性。
②从行星地心会聚的力矩效应看，九大行星地心会聚的力矩效应可使地球的公转半径和公转速度发生改变，从而对千年和百年尺度的气候变化有重要影响。通过计算4颗巨行星（木、土、天王和海王星）的力矩效应，发现它们在近千年来呈相当稳定的准60年的周期变化。20世纪内，这种准周期变化与全球，尤其与北半球气温变化的间隔期60年振动相当一致。地球自转速度也与这种60年间隔期间呈大致同步的演变。
③从长期气候变化趋势来看，较长时间尺度的气候变化对较短时间尺度的气候变化往往具有控制作用。在千年时间尺度上，目前是处于17世纪的小冰期盛期已过的增暖期，在2020年前后，北半球气候可能进入相对冷期，然后有所回升增暖，到22世纪初可能迅速增温，至22世纪中期又可能迅速降温。
任振球还认为，目前温室效应的观点占上风的原因之一是，在全球气候变化研究中缺少研究地球系统的科学家参与。因此，今后的全球变化研究应重视自然因素的研究。
3.土壤微生物的分解作用
土壤内含有松散的颗粒、各种有机物、水以及溶于水的各种无机物和空气，有利于微生物的生存，因此是微生物适宜生长和繁殖的基地。土壤微生物主要聚集在表土层中，它们多以微菌落的形式分布在土壤颗粒和有机物表面及植物根际。土壤中存在许多不同功能的微生物类群，例如，好氧性微生物多生活于土壤表层，并能适应较高浓度的有机养料；而在土壤底层则有较多的好氧、厌氧和兼性厌氧微生物。土壤细菌以异养型为主，这些细菌在1 g土中的总菌数一般可达106~109个，生物量超过全部土壤微生物总量的1/4。所以，细菌是土壤微生物中数量最大、功能最多样的类群。真菌主要分布在土壤表面的枯枝落叶层和表土层中，在土壤形成和肥力提高过程中起重要作用。
微生物通过分泌细胞外酶，把底物分解为简单的分子，然后再吸收。细菌通过细胞表面吸收营养物质。真菌可以长出菌丝，穿入难以处理的待分解资源。甚至用一般的酶难以分解的纤维素，真菌菌丝体也能分开其弱的氢键。大多数真菌具有分解木质素和纤维素的酶，它们能分解植物性有机物；而细菌中只有少数具有此能力，但在缺氧和一些极端环境中只有细菌起分解作用。所以细菌和真菌在一起，就能利用自然界绝大多数有机物和许多人工合成的有机物。
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