人教版 (新课标)选修3《现代生物科技专题》5.1 生态工程的基本原理学案设计

这是一份人教版 (新课标)选修3《现代生物科技专题》5.1 生态工程的基本原理学案设计，共13页。学案主要包含了关注生态工程建设，生态工程所遵循的基本原理等内容，欢迎下载使用。

一、关注生态工程建设
1.生态工程:
(1)任务:修复和重建已遭到破坏的生态环境;改善传统的生产方式,提高生态系统的生产力。
(2)目的:遵循自然界物质循环的规律,充分发挥资源的生产潜力,防止环境污染,达到经济效益和生态效益的同步发展。
(3)特点:与传统工程相比,生态工程是一类少消耗、多效益、可持续的工程体系。
2.生态经济:
(1)原则:“循环经济”。
(2)特点:使一个系统产出的污染物,能够成为本系统或者另一个系统的生产原料。
(3)目的:实现废弃物的资源化。
(4)手段:生态工程。
二、生态工程所遵循的基本原理
1.物质循环再生原理:
(1)含义:物质能够在各类生态系统中,进行区域小循环和全球地质大循环,循环往复,分层分级利用,从而达到取之不尽、用之不竭的效果。
(2)实例:“无废弃物农业”:
2.物种多样性原理:
(1)理论基础:一般而言,物种繁多而复杂的生态系统具有较高的抵抗力稳定性。
(2)实例。
①正面:珊瑚礁区生物多样性非常高,不同生物在珊瑚礁区占据不同的位置,通过食物链关系互相依存,使得珊瑚礁抵抗力稳定性较高。
②反面:单一种植的樟子松林或杨树林的生物多样性程度较低,极易遭受虫害,抵抗力稳定性较低。
3.协调与平衡原理:
(1)理论基础:生物与环境的协调与平衡。
(2)含义:处理好生物与环境的协调与平衡,需要考虑环境承载力。
4.整体性原理:
(1)理论基础:社会-经济-自然复合系统。(如图)
(2)原理:在进行生态工程建设时,不但要考虑到自然生态系统的规律,还要考虑到经济和社会等系统的影响力。
(3)实例:在进行林业工程建设时,一方面要号召农民种树,另一方面一定要考虑贫困地区农民的生活问题,如粮食、烧柴及收入等问题。
5.系统学和工程学原理:
1.在建设生态农业时,沼气池建立是遵循物质循环再生原理。(√)
2.生物多样性程度高,可以为各类生物的生存提供多种机会和条件。 (√)
3.根据协调与平衡原理,一个生态系统中生物种群的数量不应超过环境容纳量。(√)
4.“总体功能大于各部分之和的效果”是利用系统整体性原理。(√)
5.在建设生态工程时,既要考虑自然生态系统的规律,还要考虑到经济和社会等系统的影响力。(√)
6.桑基鱼塘是一种典型的水陆物质和能量交换型生态工程,其依据的原理是系统整体性原理。 (×)
【分析】桑基鱼塘模式就是把很多单个生态系统通过优化组合,有机地整合在一起,成为一个新的高效生态系统,其依据的原理是系统的结构决定功能原理。
一、关注生态工程建设
1.生态经济的意义:能够满足我们的需求而又不会危及子孙后代满足其需要的经济。
2.传统农业与生态工程:
(1)传统农业生产模式——“石油农业”。
①内容:大量使用化肥、农药、机械的农业生产方式。
②弊端:不注重生态环境的保护,没有考虑环境成本,经济的发展以巨大的生态环境破坏为代价。
(2)生态工程与传统农业的区别:
3.生态农业常见类型:
(1)桑基鱼塘模式。
人工建立的高产稳产的农业生态系统,做到蚕粪养鱼,鱼粪肥塘,塘泥肥田、肥桑,从而获得稻、鱼、蚕茧三丰收,如图所示:
(2)沼气农田立体养殖模式。
该生态系统利用农作物发展养殖业,利用废弃物实现物质的循环,保证能量的多级利用,如图所示:
传统农业、现代农业和生态农业的比较
【选修对接必修】 对接必修3:生态系统原理与生态系统的功能和稳定性
(1)生态系统物质循环再生原理强调物质循环、废物利用、减轻环境污染,生态系统的功能包括能量流动、物质循环和信息传递。
(2)生态系统物种多样性原理体现物种多,营养结构复杂。在一个生态系统中物种种类越多,营养结构越复杂,该生态系统抵抗力稳定性越强。
珠江三角洲的农民充分利用自然条件,建立该地特有的农业生态系统的良性循环模式:蔗基鱼塘和桑基鱼塘。如图是蔗基鱼塘和桑基鱼塘的模式图,据图回答下列问题:
(1)建立这一生态系统的目的是使生产者固定的能量持续高效地流向____________;其能量利用率高的原因是所在营养结构具有________________的特点。
(2)蚕粪、蔗叶进入鱼塘经过______________的作用,释放出各种无机盐,被植物利用。
(3)该生态系统把桑基鱼塘与蔗基鱼塘有机地组合在一起,优化了系统结构,由此可见,该生态系统遵循______________原理。
(4)一般来说,生态工程的主要任务是对________________________的修复、重建,对造成环境污染和破坏的传统生产方式进行改善,并提高生态系统的生产力。
(5)生态工程建设的目的就是遵循自然界________的规律,充分发挥资源的生产潜力,防止环境污染,达到____________和__________的同步发展。与传统的工程相比,生态工程是一类__________的工程体系。
【解题关键】本题主要考查学生的分析和理解能力。与传统农业相比,生态农业的优点有实现对物质的循环利用;实现对能量的多级利用,提高了能量的利用率;有利于生态环境的保护等。
【解析】(1)建立图示农业生态系统的目的是使生产者固定的能量持续高效地流向对人类最有益的部分;其能量利用率高的原因是所在营养结构具有食物链短的特点。(2)蚕粪、蔗叶等进入鱼塘经过分解者的作用,释放出无机盐,被植物利用。(3)该生态系统把桑基鱼塘与蔗基鱼塘有机地组合在一起,优化了系统结构,遵循系统的结构决定功能的原理。(4)一般来说,生态工程的主要任务是对已被破坏的生态系统进行修复、重建,对造成环境污染和破坏的传统生产方式进行改善,并提高生态系统的生产力。(5)生态工程建设的目的就是遵循自然界物质循环的规律,充分发挥资源的生产潜力,防止环境污染,达到经济效益和生态效益的同步发展。与传统的工程相比,生态工程具有少消耗、多效益、可持续等特点。
答案:(1)对人类最有益的部分 食物链短
(2)分解者 (3)系统的结构决定功能
(4)已被破坏的生态系统
(5)物质循环 经济效益 生态效益 少消耗、多效益、可持续
【误区警示】生态农业是一个农业生态经济复合系统,将农业生态系统和农业经济系统综合起来,以取得最大的生态经济整体效益。它也是农、林、牧、副、渔各业综合起来的大农业,又是农业生产、加工、销售综合起来,适应市场经济发展的现代农业。生态工程的基本原理有物质循环再生原理、物种多样性原理、协调与平衡原理、整体性原理、系统学和工程学原理。
1.如图表示某人工设计的生态系统,下列叙述不正确的是( )
A.该生态系统经过能量多级利用,提高了系统总能量利用效率
B.该生态系统的分解者是蝇蛆和蚯蚓,促进了系统中物质和能量循环流动的进行
C.合理使用农家肥可提高葡萄和蔬菜的产量
D.该生态系统遵循了“物质循环再生”的原理,但各营养级之间的能量传递效率并未提高
【解题关键】解答本题的关键:
(1)明确该图是人工生态系统图,利用生态学原理设置的生态农业。
(2)明确建立该人工生态系统的目的是实现对能量的多级利用,提高能量的利用率,减少环境污染。
【解析】选B。该生态系统遵循了“物质循环再生”的原理,生态系统经过能量多级利用,虽然没有提高能量的传递效率,但提高了系统总能量利用效率,选项A、D正确;该生态系统的分解者是蝇蛆和蚯蚓,促进了系统中的物质循环,但能量流动是单向的、不循环的,选项B错误;合理使用农家肥,不仅能提供无机盐,还能提供二氧化碳,增强光合作用效率,从而提高葡萄和蔬菜的产量,选项C正确。
2.绿色城市的重要标志之一是实现垃圾的“减量化、资源化和无害化”。如图是垃圾资源化、无害化处理的一种方案:
(1)该生态系统中属于分解者的生物有____________;该生态工程主要利用了____________原理。
(2)从资源与环境的角度来看,④、⑤途径优于③途径的主要原因是
和减少环境污染等。
(3)该生态系统中能利用发酵技术产生沼气开发生物能,从该角度看,应属于________的生态工程( )
A.物质循环利用
B.清洁及可再生能源系统组合利用
C.山区小流域综合治理与开发
D.节水和废水处理与利用
(4)种植业和____________是人类食物生产系统的两大支柱,两者结合的优化设计需要按照____________规律进行综合优化,使系统从总体上获得最佳的经济效益、生态效益和社会效益。
【解题关键】解答本题关键要明确以下两点:
(1)分解者主要是指营腐生生活的细菌和真菌,还有少数腐生的动物,如蚯蚓、苍蝇等。
(2)将垃圾资源化、无害化处理可以利用有机垃圾中的能量,还能够充分地、分层次多级利用垃圾中的有机废弃物,减少了环境污染。
【解析】(1)该生态系统中的分解者包括:蚯蚓、细菌(微生物);该生态工程突出体现了物质循环再生这个基本原理。(2)从资源与环境的角度来看,④、⑤途径优于③途径的主要原因是④、⑤途径可以充分地利用垃圾中的物质(对物质的多级利用)、减少环境污染。(3)该生态系统中能利用发酵技术产生沼气开发生物能,提及能量问题,属于清洁及可再生能源系统组合利用的生态工程。(4)种植业和畜牧业是人类食物生产系统的两大支柱,种养结合的优化设计就是按照生态和经济规律通过综合优化,使系统从总体上获得最佳的经济效益、生态效益和社会效益。
答案:(1)蚯蚓、细菌(微生物) 物质循环再生 (2)可以充分地利用垃圾中的物质(或对物质的良性循环和多途径利用) (3)B (4)畜牧业 生态和经济
【补偿训练】
下列关于生态工程的叙述中,错误的是( )
A.它是无消耗、多效益的工程
B.追求经济与生态的双赢
C.实现了废物资源化的良性循环
D.实现了能量的多级利用
【解析】选A。生态工程建设的目的是遵循自然界物质循环的规律,充分发挥资源的生产潜力,防止环境污染,达到经济效益和生态效益同步发展。与传统工程相比,它是少消耗、多效益、可持续的工程体系。
二、比较生态工程的基本原理
(1)整体性原理≠系统整体性原理。
①整体性原理是指人类处在一个社会—经济—自然复合而成的巨大系统中。建立在对系统成分的性质及相互关系充分了解基础上的整体理论,是解决生态环境问题的必要基础。
②系统整体性原理属于系统学和工程学原理之一。系统整体性是指系统各组分之间要有适当的比例关系,只有这样才能顺利完成能量、物质和信息等的转换和流通,并且实现总体功能大于各部分之和的效果。
(2)对协调与平衡原理的理解。
①协调主要指生物要适应环境,因此在建设生态工程时,不要盲目引种或栽种。
②平衡是指某环境下生物种群的数量与环境承载力要平衡,如果生物的数量超过了环境承载力的限度,就会引起系统的失衡和破坏。
我国珠江三角洲地区为充分利用土地,创造了一种挖深鱼塘、垫高基田、塘基植桑、塘内养鱼的高效人工生态系统——桑基鱼塘,如图所示。据图回答有关问题:
(1)生态工程遵循的基本原理有____________________(至少写出两点)、整体性原理、系统学和工程学原理等。
(2)该生态工程能将蚕沙、蔗叶等变成鱼类的饵料,塘泥中的微生物能将有机物转化成无机物,为甘蔗、桑树的光合作用提供无机营养,这一过程不但实现了废弃物的______________,而且体现了生态经济的“循环经济”原则。
(3)桑基鱼塘的生产方式与改造前的传统耕作方式比较,主要的优点有____________________________(至少写出两点)。
【解析】(1)生态工程遵循的基本原理有:物质循环再生原理、物种多样性原理、协调与平衡原理、整体性原理、系统学和工程学原理等。(2)该生态工程能将蚕沙、蔗叶等变成鱼类的饵料,塘泥中的微生物能将有机物转化成无机物,为甘蔗、桑树的光合作用提供无机营养。可见,这一过程实现了废弃物的资源化。(3)与改造前的传统耕作方式比较,桑基鱼塘的生产方式充分利用了蚕沙、蔗叶、塘泥等废弃物中的物质和能量,因此其主要的优点有:减轻水患、提高经济效益、减少环境污染等。
答案:(1)物质循环再生原理、物种多样性原理、协调与平衡原理 (2)资源化 (3)减轻水患、提高经济效益、减少环境污染等
1.某草原牧区,在进行草场建设时,既注重不同牧草种类的搭配种植,又对单位面积内的放牧量做了一定的控制。这种做法体现了( )
A.实行“循环经济”的原则
B.低消耗、高效益原则
C.遵循物种多样性和协调与平衡原理
D.建立社会-经济-自然复合系统
【解析】选C。 在进行草场建设时,注重不同牧草种类的搭配种植,其原因是物种繁多复杂的生态系统具有较高的抵抗力稳定性,这体现了物种多样性原理;在进行草场建设时,对单位面积内的放牧量做了一定的控制,其目的是处理好生物与环境的协调与平衡,这体现了协调与平衡原理。
2.(2021·福州高二检测)生态工程是生态学、工程学、系统学、经济学等学科交叉而产生的新兴学科。下列关于生态工程基本原理的叙述,正确的是( )
A.“无废弃物农业”主要遵循的是物质循环再生原理
B.珊瑚虫和藻类通过共生实现“1+1>2”,主要遵循的是协调与平衡原理
C.“前面造林,后面砍林”现象,违反的是系统学与工程学原理
D.太湖中水体富营养化,引起大面积水华,违反的是物种多样性原理
【解析】选A。“无废弃物农业”实现了土壤养分如氮、磷、钾及微量元素的循环利用,主要遵循的是物质循环再生原理,A正确;珊瑚虫和藻类通过共生实现“1+1>2”,主要遵循的是系统整体性原理,B错误;“前面造林,后面砍林”现象违反的是整体性原理,C 错误;太湖中水体富营养化,引起大面积水华,说明生物的数量超过了环境承载力的限度,违反的是协调与平衡原理,D错误。
3. (2021·长沙高二检测)“四位一体”(人居—种植—养殖—沼气)生态农业是我国北方典型的生态农业模式,它以沼气为纽带,将养猪、养鸭、种植农作物、养蘑菇、沼气工程等多个生产过程有机地结合起来,成为一种高效良性的循环,生态效益得到了良性发展。如图是该系统物质循环的示意图,请分析回答下列问题:
(1)生态工程建设的目的就是遵循自然界________的规律,充分发挥资源的生产潜力,防止环境污染,达到经济效益和生态效益的同步发展。与传统工程相比较,生态工程是一类______________________________________的工程体系。
(2)该生态系统中的生产者主要是________。动物粪便中的臭味主要来自氨,在沼气池中,经过________(填生物名称)的作用,可以形成硝酸盐,被植物吸收利用。
(3)该生态农业模式的建立要考虑环境承载力,处理好生物与环境的协调与平衡,这体现了生态工程的________原理。该生态农业模式的建立不但要考虑自然生态系统的规律,还要考虑经济与社会等系统的影响力,这体现了生态工程的________原理。
(4)这种生产模式对环境的污染小,因为生产一种产品时产生的有机废物变成了____________________________________________________________。与普通的农业生态系统相比,“四位一体”生态农业具有更大的产出投入比的原因主要是__________________________________________。
【解析】(1)生态工程建设的目的是遵循自然界物质循环的规律,充分发挥资源的生产潜力,防止环境污染,达到经济效益和生态效益的同步发展。与传统工程相比较,生态工程是一类少消耗、多效益、可持续的工程体系。(2)该生态系统中的生产者主要是种植的农作物。硝化细菌可将氨氧化成硝酸盐,硝酸盐能够被植物吸收利用。(3)协调与平衡原理的含义是处理好生物与环境的协调与平衡,需要考虑环境承载力(又称环境容纳量),即环境所能养活的生物种群的最大数量。整体性原理的含义是进行生态工程建设时,不但要考虑自然生态系统的规律,还要考虑经济和社会等系统的影响力。(4)在这种生产模式中,生产一种产品产生的有机废物变成了生产另一种产品的原料(或另一种产品的投入),因此对环境的污染减少。与普通的农业生态系统相比,“四位一体”生态农业充分利用了秸秆、人畜粪便等废弃物中的能量,因此具有更大的产出投入比。
答案:(1)物质循环 少消耗、多效益、可持续 (2)农作物 硝化细菌 (3)协调与平衡 整体性 (4)生产另一种产品的原料(或另一种产品的投入) 秸秆、人畜粪便中的能量被多级利用(或充分利用了废弃物中的能量)
【方法规律】关于生态农业的设计方法
在建立不同的生态工程时,要遵循不同的设计原理,不能相互照搬,应该因地制宜,主要从空间、时间和食物链等方面去考虑,下面从空间方面做简单介绍:
(1)平面空间:在一定区域内,确定农作物的种类和各种农业产业所占的比例及分布区域是比较宏观的,即农业区域规划或农业规划布局。
(2)垂直空间:利用生物学原理,将不同种群科学地组合成复合生产系统,达到最充分、最合理地利用环境资源的目的,可以微观地解决一个比较小的范围内的生态组合。内容
系统的结构决定
功能原理
系统整体性原理
含义
通过改变和优化系统内部不同组分之间的结构,达到改善系统功能的目的
系统各组分之间要有适当的比例关系,完成能量、物质、信息等的转换和流通,实现“1+1>2”
实例
桑基鱼塘模式
珊瑚礁系统
项目
生态工程
传统农业
基本原理
生态学、系统学
工程学
调节机制
人为辅助下的自我调节
人为调控
与环境的关系
协调
破坏环境
主要能源
太阳能
化学能
生物多样性
得到保护
减少
项目
概 念
优 点
缺 点
传统农业
简单的种植业
不产生严重的环境污染
结构简单,能量流动、物质循环水平低,经济效益低
现代农业
利用“石油”等提高农作物产量的生产方式
大量使用化肥、农药和机械动力,获得较高的经济效益
过量施用化肥、农药,严重污染环境
生态农业
运用生态学原理,建立的综合农业生态体系
通过物质多级利用,增加经济效益,净化环境
很难经得起较大经济环境和生态环境的冲击
原 理
理论基础
意 义
实 例
物质循环
再生原理
物质循环
可避免环境污染及其对系统稳定和发展的影响
“无废弃物农业”
物种多
样性原理
生态系统的稳定性
生物多样性程度高,可提高系统的抵抗力稳定性
“三北防护林”建设中的单纯林问题,珊瑚礁生态系统的生物多样性问题
协调与平
衡原理
生物与环境的协调与平衡
生物数量不超过环境承载力,可避免系统的失衡和破坏
太湖富营养化问题
整体性
原理
社会—经
济—自然
复合系统
统一协调各种关系,保障系统的平衡与稳定
林业建设中自然系统与社会、经济系统的关系问题
系统学和
工程学原
理
系统的结构决定功能原理:分布式优于集中式和环式
改变和优化系统的结构以改善功能
桑基鱼塘
系统整体性原理:整体功能大于各部分之和
保持很高的系统生产力
珊瑚礁藻类和珊瑚虫的关系