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高中生物苏教版 (2019)选择性必修3 生物技术与工程第一节 转基因产品的安全性教学设计
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这是一份高中生物苏教版 (2019)选择性必修3 生物技术与工程第一节 转基因产品的安全性教学设计，共17页。
第一节 生态工程及其原理
1．掌握生态工程的概念。
2．概述生态工程的依据原理。(重点)
3．理解生态工程设计的目的与方法。(难点)
生 态 工 程 的 概 念 和 原 理
1．生态工程的概念
(1)原理和方法：生态学、系统学等学科。
(2)途径：通过系统设计、调控和技术组装。
(3)目标：修复或重建已破坏的生态环境，改善传统的生产方式，并提高生态系统的生产力，达到经济效益、生态效应和社会效益同步发展的工程体系。
(4)特点：是一类少消耗、高效益、可持续的工程体系。
2．生态工程的基本原理
生态工程的基本原理包括：物质循环再生原理、物种多样性原理、协调与平衡原理、整体性原理以及系统学与工程学原理。
(1)物质循环再生原理
①核心：生态学中的物质循环原理。
②含义：物质不断地在各类生态系统中进行区域小循环和全球大循环，实现物质的分层、分级利用。
(2)物种多样性原理
①核心：生态学中物种多样性与生态系统稳定性关系的原理。
②含义：物种多样性程度较高的生态系统抵抗力稳定性也较高。
(3)协调与平衡原理
①核心：生态学中生物与环境相适应的原理。
②含义：维持生物与环境的协调与平衡，需要考虑环境承载力。如果超过环境承载力，就会引起系统的失衡和破坏。
(4)整体性原理
①核心：生态学、系统学和经济学相统一的原理。
②含义：生态工程是一个社会——经济——自然复合系统，只有统一协调各种关系，才能保障系统的平衡与稳定。
(5)系统学与工程学原理
①核心：系统学原理的核心是系统学中系统结构决定功能的原理，工程学原理的核心是系统整体性原理。
②含义：进行生态工程的设计时，要充分考虑人工生态系统内部不同成分之间的结构，通过优化这种结构，达到改善系统功能的目的。
资料1 “无废弃物农业”是生态工程最早和最生动的一种模式，下图为“无废弃物农业”物质和能量的流动图。
资料2 我国“三北防护林”在辽宁西部的章古台地区，最初单一种植了大片的樟子松林，结果发生了松毛虫害，很多地方的樟子松奄奄一息，甚至成为“不毛之地”。
在养分稀少的深海中，珊瑚礁区保持着很高的生物多样性。
资料3 我国西北一些地区年降雨量小于450 mm，是只适宜种植灌木和草的地区，但却被硬性规定种植杨树，以致许多地方的杨树长成半死不活的“小老头”状，结果防护林成了残败的“灰色长城”。
资料4 下图为我国南方水网地区的桑基鱼塘。
探讨：举例说出资料1图中的生产者、消费者和分解者。
提示：生产者是作物，消费者是牛、羊、猪等家畜和人，分解者是土壤中的细菌、真菌等微生物。
探讨：资料1中的生态系统是怎样实现物质的循环利用的？物质是以什么形式循环的？
提示：该生态系统的人粪尿、牲畜粪便、作物残留都再返回到农田土壤里供生产者利用。物质是以元素形式循环的。
探讨：资料2中为什么樟子松林的松毛虫会肆虐，而珊瑚礁区却能够在养分稀少的深海中，保持着很高的生物多样性？
提示：①纯樟子松林的生物多样性低，食物链短而单调，缺少松毛虫的天敌，而成片单一的林木又为其提供了丰富的食物来源，因而会导致树林的毁坏。②珊瑚礁区的生物多样性高，食物链复杂，不同的生物占据了不同的时间位、空间位和资源位，因而充分利用了珊瑚礁生态系统的环境。例如，氮、磷等养分就能够在该区生物体间充分地循环利用而很少流出系统外。
探讨：生态系统能维持相对稳定的原因是什么？生态系统抵抗力稳定性的高低是由什么决定的？
提示：生态系统具有自我调节能力。生态系统抵抗力稳定性的高低是由营养结构的复杂程度决定的。一般来说生态系统中的组分越多，食物网越复杂，其抵抗力稳定性就越高。
探讨：协调与平衡原理中的“协调”主要指什么？“平衡”主要指什么？
提示：“协调”主要是生物与环境协调，强调生物与环境相适应。“平衡”是种群数量与环境承载力要平衡。
探讨：桑基鱼塘的建设主要遵循了什么基本原理？
提示：系统学和工程学原理。
探讨：试分析桑基鱼塘的物质和能量流动的途径。
提示：桑基鱼塘系统中物质和能量的流动是相互联系的，能量的多级利用和物质的循环利用。桑叶用于喂蚕，蚕可以生产蚕丝；桑树的凋落物和蚕沙(粪)一部分落到鱼塘中，作为鱼的饲料，经过鱼塘内的食物链，可以促进鱼的生长，另一方面用于生产沼气；鱼的排泄物及其他未被利用的有机物和底泥经过微生物的分解，又可以作为桑树的有机肥料。
生态工程的基本原理
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
系统学与工程学原理
系统结构决定功能原理：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
[易错提醒]
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。
1．“三北”防护林工程建设中注意了以下两个问题：(1)考虑到树种的生态适应性问题；(2)考虑到树种多样性问题。这分别体现了生态工程的( )
A．系统学原理和物种多样性原理
B．协调与平衡原理和物种多样性原理
C．整体性原理和物种多样性原理
D．物种多样性原理和整体性原理
【解析】 引种时必须要注意引种的生物是否与当地的环境相协调，因此树种的生态适应性体现了协调与平衡原理；树种多样性体现了物种多样性原理。
【答案】 B
2．在社会主义新农村建设中，某县积极发展畜禽养殖和栽桑养蚕两大支柱产业。在生产总量不断提高的同时，该县坚持在发展中解决环境问题，优化生态环境，实现资源的最大化利用，走出了一条适合本地区可持续发展的生态工程之路。请分析图回答问题：
(1)该生态工程所遵循的基本原理____________________________(至少写2种)。
(2)该生态系统的能量流动从________________开始，图中属于消费者的生物有________。
(3)与传统农业生态系统相比，该生态系统更能净化环境，主要原因是_______________________________________________
_______________________________________________。
【解析】 本题考查生态工程的原理及对农业生态系统的分析。解答本题时首先要仔细分析图示中各种生物之间的物质、能量关系，结合每小题具体涉及的相关知识作具体分析，归纳整理正确答案。
【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)桑等生产者固定的太阳能 蚕、禽、畜
(3)粪便等“废弃物”被及时利用
1．下列关于生态工程的叙述，错误的是( )
A．生态工程是生态学和工程学的结合
B．生态工程追求经济和生态的双赢
C．依据的生态学原理有物种多样性原理、物质循环再生原理等
D．生态工程是无消耗、多效益的工程
【解析】 生态工程建设的目的是促进人类和社会的和谐发展，但是并不意味着就不需要消耗，只是尽可能地降低消耗并增多收益。
【答案】 D
2．下列关于生态农业的叙述，不正确的是( )
A．生态农业实现了对能量和物质的多级利用
B．生态学的基本原理是发展生态农业的主要理论基础
C．生态农业使废物资源化，提高能量的转化效率，减少了环境污染
D．农业生态系统的抵抗力稳定性比自然生态系统高
【解析】 生态农业由于物种多样性低，自我调节能力弱，故抵抗力稳定性比自然生态系统低。
【答案】 D
3．下列措施中最可能与人类的可持续发展的原则不相符合的是( ) 【导学号：10210084】
A．森林采伐量小于生长量
B．人工鱼塘每年生产者固定的能量大于消费者同化量
C．对工业和生活排放的污水或废气进行无害化处理后再排放
D．农田施用的无机氮多于固定的氮元素
【解析】 森林采伐量小于生长量，有利于资源的再生；对污水或废气进行无害化处理，有利于资源的利用；生产者固定的能量大于消费者同化量，有利于维持生态系统的稳定；农田施用的无机氮较多，容易造成环境污染，不利于可持续发展。
【答案】 D
4．协调与平衡原理主要是指( )
A．生物与环境的适应及环境对生物的承载力
B．系统各组分之间要有适当的比例关系
C．自然系统、经济系统、社会系统协调统一
D．物质循环和能量流动协调统一
【解析】 协调与平衡原理主要是处理好生物与环境的协调和平衡，需要考虑环境的承载力，即环境所能养活的生物种群的最大数量。
【答案】 A
5．生态系统内即使某个物种由于某种原因而死亡，也会很快有其他物种占据它原来的生态位置，从而避免了系统结构或功能的失衡。这体现了生态工程的什么原理( )
A．协调与平衡原理
B．物种多样性原理
C．物质循环再生原理
D．整体性原理
【解析】 一个生态系统生物种类越多，营养结构越复杂，生态系统抵抗力稳定性越高，原因是生态系统内即使某个物种由于某种原因而死亡，也会很快有其他物种占据它原来的生态位置，从而避免了系统结构或功能的失衡，这种现象体现了生态工程的物种多样性原理。
【答案】 B课堂小结：
网络构建
核心回扣
1.生态工程是通过系统设计、调控和技术组装，修复或重建已破坏的生态环境，改善传统的生产方式，并提高生态系统的生产力，达到生态效益、经济效益和社会效益同步发展的工程体系。
2.生态工程的基本特点是少消耗、多效益、可持续的工程体系。
3.运用生态工程可对遭到破坏的生态环境进行修复和重建。
4.生态经济主要通过实现“循环经济”的原则，使一个系统产出的污染物，成为本系统或另一个系统的生产原料，从而实现废物资源化。
5.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、系统和工程学原理。
学业分层测评(十二)
(建议用时：45分钟)
[学业达标]
1．下列不属于生态工程建设目的的是( )
A．对造成环境污染和破坏的传统生产方式进行改善
B．防止环境污染
C．单纯追求粮食产量
D．促进人类社会和自然环境的和谐发展
【解析】 根据生态工程的概念可知，防止环境污染，对造成环境污染和破坏的传统生产方式进行改善，促进人类社会和自然环境的和谐发展都是生态工程建设的目的。单纯追求粮食产量有可能影响整个生态系统的和谐发展。
【答案】 C
2．某林区曾大规模营造马尾松纯林，结果遭到松干蚧的毁灭性打击。这一事例说明在进行生态工程建设时，必须遵循( )
A．系统学原理
B．物种多样性原理
C．物质循环再生原理
D．工程学原理
【解析】 题干指出，单一品种的马尾松林不稳定，易受破坏。物种多而繁杂的生态系统具有较高的抵抗力稳定性，因此说明在进行生态工程建设时，必须遵循物种多样性原理。
【答案】 B
3．下列哪种措施不符合生态工程所遵循的物质循环再生原理？( )
A．秸秆还田
B．大量施用有机肥
C．作物秸秆等残留物作燃料
D．采集河泥作肥料
【解析】 在稳定的良性循环的生态系统中，是不会有废弃物和污染物产生的。因为在自然生态系统中，上一个环节产生的废料，是下一个环节的原料，实现废弃物的资源化。生态工程遵循了物质循环再生原理。在农业生态系统中，秸秆还田、使用河泥或其他有机肥，就是充分利用生态系统的废弃物，改善土壤的结构，增加土壤中的矿质元素，实现物质的循环利用。秸秆燃烧挥发掉大量的能被作物利用的成分，造成了生态系统的物质浪费和环境污染。
【答案】 C
4．我国西北地区土地沙化和盐渍化非常严重，原因有多种，其中一个主要原因是超载放牧，导致草地退化。试分析上述事实主要违背了生态工程的什么原理( )
A．系统学和工程学原理
B．协调与平衡原理
C．物种多样性原理
D．整体性原理
【解析】 协调与平衡原理是生态工程的基本原理之一，该原理的一个重要方面就是考虑环境承载力。
【答案】 B
5．要实现人与自然的和谐发展，下列措施最合理的是( )
A．通过生物技术手段，转化淀粉生产可再生能源
B．使用化学农药防治病虫害，保证粮食稳产
C．发展生态农业，实现物质和能量的多级利用
D．大力开垦湿地，扩大粮食种植面积
【解析】 要实现人与自然的和谐发展，就要发展生态农业，实现物质和能量的多级利用。转化淀粉生产可再生能源，能量利用率不高。使用化学农药防治病虫害，容易导致环境污染。开垦湿地，破坏了湿地生态系统。
【答案】 C
6．生态农业的特点是在维持和改善系统内的生态平衡、不对其周围环境造成明显改变的情况下，求得最大生产力和可持续发展。下列不属于生态农业生产方式的是( )
A．病虫害的生物防治
B．作物轮作、套种
C．使用化肥提高作物产量
D．秸秆等农业废弃物的资源化利用
【解析】 生态农业是采用生态工程的基本原理实现的无污染、可持续发展的农业生产思路，病虫害的生物防治和废弃物的利用都能够避免环境污染，作物轮作、套种实现了土地的可持续利用，均符合生态原理。化肥的生产和使用会造成环境污染，同时不利于土地的利用。
【答案】 C
7．生态工程技术设计的常用方法之一是食物链(网)“相接”：连接平行的原本不相连接的种类，形成互利共生网络，这样的好处是( )
①提高效益 ②提高了物种多样性 ③促进了物质的良性循环 ④促进了能量循环
A．①② B．①③
C．②④ D．①④
【解析】 食物链(网)“相接”既可提高效益，又可促进物质的良性循环。
【答案】 B
8．当前，我国农业的发展已由科技含量较低的传统农业向现代农业转变。现代农业虽然产量大大提高，但由于大量使用化肥、农药，造成了严重的环境污染，因此我国政府正大力推广经济效益、社会效益和生态效益相统一的生态农业。下列关于生态农业的叙述不正确的是( )
A．生态农业系统中食物链和营养级越多，在能量流动中消耗的能量越少
B．生态农业系统的抵抗力稳定性比现代农业高
C．生态农业系统设计的指导原则是实现生态系统的能量和物质的多级利用
D．生态农业系统属于人工生态系统，人的作用非常突出
【解析】 能量的多级利用并不是食物链越长越好，还要考虑能量在传递过程中的生物呼吸所消耗的能量；但是生态农业实现了废物资源化，提高了能量的利用率。生态农业系统是遵循生态经济原理，在遵循“循环经济”的原则下，通过优化组合，使一个系统产出的污染物资源化，实现物质和能量的多级利用，同时防止了环境污染；在生态农业系统中人的作用非常突出，一旦失去人的作用，该系统将受到破坏，因而生态农业系统又属于人工生态系统。
【答案】 A
9．(2016·全国卷Ⅰ)在漫长的历史时期内，我们的祖先通过自身的生产和生活实践，积累了对生态方面的感性认识和经验，并形成了一些生态学思想，如：自然与人和谐统一的思想。根据这一思想和生态学知识，下列说法错误的是( )
A．生态系统的物质循环和能量流动有其自身的运行规律
B．若人与自然和谐统一，生产者固定的能量便可反复利用
C．“退耕还林、还草”是体现自然与人和谐统一思想的实例
D．人类应以保持生态系统相对稳定为原则，确定自己的消耗标准
【答案】 B
10．2015年3月，柴静的纪录片《穹顶之下》引发了全国人民对雾霾的关注和讨论。生态环境与生态经济再次推上舆论的焦点。建设社会主义新农村的关键是构建和谐社会，发展生态农业，走可持续发展之路。如图为某地一生态工程建设模式图，请据图回答有关问题：
(1)生态经济：使一个系统产出的污染物，能够成为本系统或另一个系统的生产原料，从而实现废弃物的资源化。“无废弃物农业”体现了生态工程的__________________原理。
(2)该生态工程模式的最大优点是______________________。该生态工程种植不同的农作物、果树、苗木，饲养牛、猪、鸡等多种畜禽，这体现了生态工程的______________原理。
(3)该生态工程中，处于第二营养级的生物除鸡、奶牛、鱼外还有________(写全才能给分)，该生态工程建设中，鱼塘中每一种鱼苗的投放量都不宜超过其________。
【解析】 (1)无废弃物农业体现的是物质循环再生原理。
(2)以沼气工程为中心的生态工程，各类植物的秸秆、枝叶用来生产饲料养畜、禽、鱼，人、畜、禽的粪便作为原料生产沼气，最大的优点是充分利用了废弃物中的物质和能量，实现了物质和能量的分级多层次利用，同时又减少了环境污染。生态工程中，适当增加农作物、饲养畜禽等生物种类，使生态系统营养结构复杂，自我调节能力增强，抵抗力稳定性增加，这体现了生态工程的物种多样性原理。
(3)读图可知，处于第二营养级的生物除鸡、奶牛、鱼外还有猪、人。鱼塘中养鱼时要考虑环境容纳量，投放的鱼苗量不能太多。
【答案】 (1)物质循环再生 (2)实现能量和物质的分层次多级利用(或提高物质和能量的利用率)，减少环境污染 物种多样性 (3)猪、人 环境容纳量(K值)
[能力提升]
11．(2016·重庆市考试)下列关于生态工程建设的叙述，不正确的是( )
A．在进行林业工程建设时，若违反整体性原理，就会出现“前面造林，后面砍林”的现象
B．在发展畜牧养殖业时要合理放牧，考虑环境承载力，遵循协调和平衡的原理
C．“三北防护林”建设若违背物种多样性原理，连年种植单一品种，会造成病虫害增加
D．“桑基鱼塘”将鱼的粪便作为有机物还田，运用了能量循环再生原理
【解析】 能量不能循环利用，能量是单向流动的。
【答案】 D
12．(2016·温州模拟)如图是一个农业生态系统模式图，关于该系统的叙述，错误的是( )
【导学号：10210085】
A．微生物也能利用农作物通过光合作用储存的能量
B．多途径利用农作物可提高该系统的能量利用率
C．沼渣、沼液作为肥料还田，使物质能够循环利用
D．沼气池中的微生物是该生态系统的消费者
【解析】 农作物通过光合作用固定太阳能，沼气池中微生物如甲烷杆菌等是分解者，可以利用其中的能量，故A项正确，D项错误；图中农作物能被多种生物利用，提高了生态系统中能量的利用率，故B项正确；沼渣、沼液作为肥料还田，使物质能够循环利用，故C项正确。
【答案】 D
13．材料1：实施沼气工程，是我国政府为改善农村环境和发展农村经济大力推广的一种生态工程。
材料2：地衣中的真菌和藻类互利共生，当把它们分开时，两者都不能正常生长。
材料3：居住在林区的农民，“靠山吃山”是他们生活的根本。当进行林业工程建设时，一方面号召农民种树，另一方面考虑林区农民的生活问题，使改善生态和发展经济结合起来，才能真正做到造林护林。
上述材料分别依据下列哪些生态工程原理( )
①物质循环再生原理 ②物种多样性原理 ③协调与平衡原理 ④整体性原理 ⑤系统整体性原理 ⑥系统的结构决定功能原理
A．①⑤④ B．②④⑥
C．③④⑤ D．①③④
【解析】 物质循环再生原理：物质能够在各类生态系统中进行区域小循环和全球大循环，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。地衣中的真菌和藻类单独存在时，两种生物都不能很好地生活，但是在一起的时候就出现了“整体大于部分之和”的效果，体现了系统整体性原理。所谓生态工程的整体性原理是指人类所处的自然系统、经济系统和社会系统所构成的巨大复合系统，三者相互影响而形成统一整体。
【答案】 A
14．下图是一个人工农业生态系统模式图(大棚温度、CO2浓度等可适当控制)。请据图回答：
(1)图中该生态系统能量流动的源头是____________________。沼气池中的微生物在该生态系统的成分中属于____________________。沼气燃烧后生成的CO2通入大棚内的作用是____________________，从而可提高农作物的产量。
(2)相对一般农业生态系统而言，此生态系统能提高经济效益，主要原因是充分利用了________中的能量，形成“无废弃物农业”，这主要是遵循生态工程的________________原理。
(3)植物秸秆除作为禽畜的饲料外，还可以经过微生物产生的__________酶水解，最终生成葡萄糖，进而转化成乙醇作为燃料。葡萄糖转化成乙醇的反应式为________________________。在充分利用能量、减少环境污染的同时，通过饲养家禽、家畜，提高农民经济收入，使保护环境和发展经济相互协调，主要体现了生态工程的____________________原理。
【解析】 (1)图中该生态系统能量流动的源头是太阳能。沼气池中的微生物是该生态系统的分解者。沼气燃烧后生成的CO2通入大棚内，可以增加大棚中二氧化碳浓度，提高植物光合作用的强度，从而可提高农作物的产量。
(2)该生态系统充分利用了粪便等废物中的能量，因此相对一般农业生态系统而言，此生态系统能提高经济效益； “无废弃物农业”主要遵循了生态工程的物质循环再生原理。
(3)植物秸秆的主要成分是纤维素，因此可被纤维素酶水解。葡萄糖转化成乙醇的反应式为C6H12O62C2H5OH＋2CO2＋少量能量。在充分利用能量、减少环境污染的同时，通过饲养家禽、家畜，提高农民经济收入，使保护环境和发展经济相互协调，主要体现了生态工程的整体性原理。
【答案】 (1)太阳能 分解者 可以增加大棚中二氧化碳浓度，提高植物光合作用的强度
(2)粪便等废物 物质循环再生
(3)纤维素
C6H12O62C2H5OH＋2CO2＋少量能量
整体性
15．在农村，农作物秸秆大多被直接燃烧，还有部分随意堆放，浪费严重，利用率低。如图是某科技小组的同学，针对农作物秸秆浪费和闲置情况，设计出的以沼气为纽带，联动农作物种植、养鱼、养鸡等产业的生态农业良性循环系统。请据图分析回答：
(1)即使是在冬天，沼气池中温度也能达到25 ℃，维持这个温度的热量来自_______________________________________________。
(2)燃烧沼气为鸡舍增加照明时间，可以增加产蛋量，这属于__________信息传递。
(3)“秸秆的多级利用”充分体现了生态工程的____________________________________原理，最大限度地实现了物质的循环利用，减轻了燃烧秸秆造成的__________效应。
(4)微生物的运用非常广泛，除用于沼气发酵，真菌中的酵母菌可用于酒精发酵，请写出酵母菌生产果酒的反应式：_________________________________________________。
(5)该生态系统中主要生产者是__________，消费者是__________。
(6)(多选)从图中可看出该生态工程体系的特点是( )
A．少消耗 B．高消耗 C．可持续
D．多投资 E．多效益
【解析】 (1)沼气池中微生物进行呼吸作用，产生热量，即使是在冬天，沼气池中温度也能达到25 ℃。
(2)燃烧沼气可以增加照明，延长光照时间，提高鸡的产蛋率，这属于物理信息传递。
(3)农业废弃物秸秆通过优化组合，多级利用，实现废弃物的资源化，充分体现了生态工程的物质循环再生原理，这样降低了二氧化碳的排放量，减轻了温室效应。
(4)利用酵母菌生产果酒，即通过酵母菌无氧呼吸产生酒精，其反应式为：C6H12O62C2H5OH＋2CO2＋少量能量。
(5)根据题图中信息可以看出，该生态系统中主要生产者是农作物，消费者是居民、鸡、猪、鱼。
【答案】 (1)微生物发酵(呼吸)产生的热量
(2)物理 (3)物质循环再生 温室
(4)C6H12O62C2H5OH＋2CO2＋少量能量
(5)农作物 居民(人)、鸡、猪、鱼(缺一不可) (6)ACE
第一节 生态工程及其原理
1．掌握生态工程的概念。
2．概述生态工程的依据原理。(重点)
3．理解生态工程设计的目的与方法。(难点)
生 态 工 程 的 概 念 和 原 理
1．生态工程的概念
(1)原理和方法：生态学、系统学等学科。
(2)途径：通过系统设计、调控和技术组装。
(3)目标：修复或重建已破坏的生态环境，改善传统的生产方式，并提高生态系统的生产力，达到经济效益、生态效应和社会效益同步发展的工程体系。
(4)特点：是一类少消耗、高效益、可持续的工程体系。
2．生态工程的基本原理
生态工程的基本原理包括：物质循环再生原理、物种多样性原理、协调与平衡原理、整体性原理以及系统学与工程学原理。
(1)物质循环再生原理
①核心：生态学中的物质循环原理。
②含义：物质不断地在各类生态系统中进行区域小循环和全球大循环，实现物质的分层、分级利用。
(2)物种多样性原理
①核心：生态学中物种多样性与生态系统稳定性关系的原理。
②含义：物种多样性程度较高的生态系统抵抗力稳定性也较高。
(3)协调与平衡原理
①核心：生态学中生物与环境相适应的原理。
②含义：维持生物与环境的协调与平衡，需要考虑环境承载力。如果超过环境承载力，就会引起系统的失衡和破坏。
(4)整体性原理
①核心：生态学、系统学和经济学相统一的原理。
②含义：生态工程是一个社会——经济——自然复合系统，只有统一协调各种关系，才能保障系统的平衡与稳定。
(5)系统学与工程学原理
①核心：系统学原理的核心是系统学中系统结构决定功能的原理，工程学原理的核心是系统整体性原理。
②含义：进行生态工程的设计时，要充分考虑人工生态系统内部不同成分之间的结构，通过优化这种结构，达到改善系统功能的目的。
资料1 “无废弃物农业”是生态工程最早和最生动的一种模式，下图为“无废弃物农业”物质和能量的流动图。
资料2 我国“三北防护林”在辽宁西部的章古台地区，最初单一种植了大片的樟子松林，结果发生了松毛虫害，很多地方的樟子松奄奄一息，甚至成为“不毛之地”。
在养分稀少的深海中，珊瑚礁区保持着很高的生物多样性。
资料3 我国西北一些地区年降雨量小于450 mm，是只适宜种植灌木和草的地区，但却被硬性规定种植杨树，以致许多地方的杨树长成半死不活的“小老头”状，结果防护林成了残败的“灰色长城”。
资料4 下图为我国南方水网地区的桑基鱼塘。
探讨：举例说出资料1图中的生产者、消费者和分解者。
提示：生产者是作物，消费者是牛、羊、猪等家畜和人，分解者是土壤中的细菌、真菌等微生物。
探讨：资料1中的生态系统是怎样实现物质的循环利用的？物质是以什么形式循环的？
提示：该生态系统的人粪尿、牲畜粪便、作物残留都再返回到农田土壤里供生产者利用。物质是以元素形式循环的。
探讨：资料2中为什么樟子松林的松毛虫会肆虐，而珊瑚礁区却能够在养分稀少的深海中，保持着很高的生物多样性？
提示：①纯樟子松林的生物多样性低，食物链短而单调，缺少松毛虫的天敌，而成片单一的林木又为其提供了丰富的食物来源，因而会导致树林的毁坏。②珊瑚礁区的生物多样性高，食物链复杂，不同的生物占据了不同的时间位、空间位和资源位，因而充分利用了珊瑚礁生态系统的环境。例如，氮、磷等养分就能够在该区生物体间充分地循环利用而很少流出系统外。
探讨：生态系统能维持相对稳定的原因是什么？生态系统抵抗力稳定性的高低是由什么决定的？
提示：生态系统具有自我调节能力。生态系统抵抗力稳定性的高低是由营养结构的复杂程度决定的。一般来说生态系统中的组分越多，食物网越复杂，其抵抗力稳定性就越高。
探讨：协调与平衡原理中的“协调”主要指什么？“平衡”主要指什么？
提示：“协调”主要是生物与环境协调，强调生物与环境相适应。“平衡”是种群数量与环境承载力要平衡。
探讨：桑基鱼塘的建设主要遵循了什么基本原理？
提示：系统学和工程学原理。
探讨：试分析桑基鱼塘的物质和能量流动的途径。
提示：桑基鱼塘系统中物质和能量的流动是相互联系的，能量的多级利用和物质的循环利用。桑叶用于喂蚕，蚕可以生产蚕丝；桑树的凋落物和蚕沙(粪)一部分落到鱼塘中，作为鱼的饲料，经过鱼塘内的食物链，可以促进鱼的生长，另一方面用于生产沼气；鱼的排泄物及其他未被利用的有机物和底泥经过微生物的分解，又可以作为桑树的有机肥料。
生态工程的基本原理
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
系统学与工程学原理
系统结构决定功能原理：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
[易错提醒]
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。
1．“三北”防护林工程建设中注意了以下两个问题：(1)考虑到树种的生态适应性问题；(2)考虑到树种多样性问题。这分别体现了生态工程的( )
A．系统学原理和物种多样性原理
B．协调与平衡原理和物种多样性原理
C．整体性原理和物种多样性原理
D．物种多样性原理和整体性原理
【解析】 引种时必须要注意引种的生物是否与当地的环境相协调，因此树种的生态适应性体现了协调与平衡原理；树种多样性体现了物种多样性原理。
【答案】 B
2．在社会主义新农村建设中，某县积极发展畜禽养殖和栽桑养蚕两大支柱产业。在生产总量不断提高的同时，该县坚持在发展中解决环境问题，优化生态环境，实现资源的最大化利用，走出了一条适合本地区可持续发展的生态工程之路。请分析图回答问题：
(1)该生态工程所遵循的基本原理____________________________(至少写2种)。
(2)该生态系统的能量流动从________________开始，图中属于消费者的生物有________。
(3)与传统农业生态系统相比，该生态系统更能净化环境，主要原因是_______________________________________________
_______________________________________________。
【解析】 本题考查生态工程的原理及对农业生态系统的分析。解答本题时首先要仔细分析图示中各种生物之间的物质、能量关系，结合每小题具体涉及的相关知识作具体分析，归纳整理正确答案。
【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)桑等生产者固定的太阳能 蚕、禽、畜
(3)粪便等“废弃物”被及时利用
1．下列关于生态工程的叙述，错误的是( )
A．生态工程是生态学和工程学的结合
B．生态工程追求经济和生态的双赢
C．依据的生态学原理有物种多样性原理、物质循环再生原理等
D．生态工程是无消耗、多效益的工程
【解析】 生态工程建设的目的是促进人类和社会的和谐发展，但是并不意味着就不需要消耗，只是尽可能地降低消耗并增多收益。
【答案】 D
2．下列关于生态农业的叙述，不正确的是( )
A．生态农业实现了对能量和物质的多级利用
B．生态学的基本原理是发展生态农业的主要理论基础
C．生态农业使废物资源化，提高能量的转化效率，减少了环境污染
D．农业生态系统的抵抗力稳定性比自然生态系统高
【解析】 生态农业由于物种多样性低，自我调节能力弱，故抵抗力稳定性比自然生态系统低。
【答案】 D
3．下列措施中最可能与人类的可持续发展的原则不相符合的是( ) 【导学号：10210084】
A．森林采伐量小于生长量
B．人工鱼塘每年生产者固定的能量大于消费者同化量
C．对工业和生活排放的污水或废气进行无害化处理后再排放
D．农田施用的无机氮多于固定的氮元素
【解析】 森林采伐量小于生长量，有利于资源的再生；对污水或废气进行无害化处理，有利于资源的利用；生产者固定的能量大于消费者同化量，有利于维持生态系统的稳定；农田施用的无机氮较多，容易造成环境污染，不利于可持续发展。
【答案】 D
4．协调与平衡原理主要是指( )
A．生物与环境的适应及环境对生物的承载力
B．系统各组分之间要有适当的比例关系
C．自然系统、经济系统、社会系统协调统一
D．物质循环和能量流动协调统一
【解析】 协调与平衡原理主要是处理好生物与环境的协调和平衡，需要考虑环境的承载力，即环境所能养活的生物种群的最大数量。
【答案】 A
5．生态系统内即使某个物种由于某种原因而死亡，也会很快有其他物种占据它原来的生态位置，从而避免了系统结构或功能的失衡。这体现了生态工程的什么原理( )
A．协调与平衡原理
B．物种多样性原理
C．物质循环再生原理
D．整体性原理
【解析】 一个生态系统生物种类越多，营养结构越复杂，生态系统抵抗力稳定性越高，原因是生态系统内即使某个物种由于某种原因而死亡，也会很快有其他物种占据它原来的生态位置，从而避免了系统结构或功能的失衡，这种现象体现了生态工程的物种多样性原理。
【答案】 B课堂小结：
网络构建
核心回扣
1.生态工程是通过系统设计、调控和技术组装，修复或重建已破坏的生态环境，改善传统的生产方式，并提高生态系统的生产力，达到生态效益、经济效益和社会效益同步发展的工程体系。
2.生态工程的基本特点是少消耗、多效益、可持续的工程体系。
3.运用生态工程可对遭到破坏的生态环境进行修复和重建。
4.生态经济主要通过实现“循环经济”的原则，使一个系统产出的污染物，成为本系统或另一个系统的生产原料，从而实现废物资源化。
5.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、系统和工程学原理。
学业分层测评(十二)
(建议用时：45分钟)
[学业达标]
1．下列不属于生态工程建设目的的是( )
A．对造成环境污染和破坏的传统生产方式进行改善
B．防止环境污染
C．单纯追求粮食产量
D．促进人类社会和自然环境的和谐发展
【解析】 根据生态工程的概念可知，防止环境污染，对造成环境污染和破坏的传统生产方式进行改善，促进人类社会和自然环境的和谐发展都是生态工程建设的目的。单纯追求粮食产量有可能影响整个生态系统的和谐发展。
【答案】 C
2．某林区曾大规模营造马尾松纯林，结果遭到松干蚧的毁灭性打击。这一事例说明在进行生态工程建设时，必须遵循( )
A．系统学原理
B．物种多样性原理
C．物质循环再生原理
D．工程学原理
【解析】 题干指出，单一品种的马尾松林不稳定，易受破坏。物种多而繁杂的生态系统具有较高的抵抗力稳定性，因此说明在进行生态工程建设时，必须遵循物种多样性原理。
【答案】 B
3．下列哪种措施不符合生态工程所遵循的物质循环再生原理？( )
A．秸秆还田
B．大量施用有机肥
C．作物秸秆等残留物作燃料
D．采集河泥作肥料
【解析】 在稳定的良性循环的生态系统中，是不会有废弃物和污染物产生的。因为在自然生态系统中，上一个环节产生的废料，是下一个环节的原料，实现废弃物的资源化。生态工程遵循了物质循环再生原理。在农业生态系统中，秸秆还田、使用河泥或其他有机肥，就是充分利用生态系统的废弃物，改善土壤的结构，增加土壤中的矿质元素，实现物质的循环利用。秸秆燃烧挥发掉大量的能被作物利用的成分，造成了生态系统的物质浪费和环境污染。
【答案】 C
4．我国西北地区土地沙化和盐渍化非常严重，原因有多种，其中一个主要原因是超载放牧，导致草地退化。试分析上述事实主要违背了生态工程的什么原理( )
A．系统学和工程学原理
B．协调与平衡原理
C．物种多样性原理
D．整体性原理
【解析】 协调与平衡原理是生态工程的基本原理之一，该原理的一个重要方面就是考虑环境承载力。
【答案】 B
5．要实现人与自然的和谐发展，下列措施最合理的是( )
A．通过生物技术手段，转化淀粉生产可再生能源
B．使用化学农药防治病虫害，保证粮食稳产
C．发展生态农业，实现物质和能量的多级利用
D．大力开垦湿地，扩大粮食种植面积
【解析】 要实现人与自然的和谐发展，就要发展生态农业，实现物质和能量的多级利用。转化淀粉生产可再生能源，能量利用率不高。使用化学农药防治病虫害，容易导致环境污染。开垦湿地，破坏了湿地生态系统。
【答案】 C
6．生态农业的特点是在维持和改善系统内的生态平衡、不对其周围环境造成明显改变的情况下，求得最大生产力和可持续发展。下列不属于生态农业生产方式的是( )
A．病虫害的生物防治
B．作物轮作、套种
C．使用化肥提高作物产量
D．秸秆等农业废弃物的资源化利用
【解析】 生态农业是采用生态工程的基本原理实现的无污染、可持续发展的农业生产思路，病虫害的生物防治和废弃物的利用都能够避免环境污染，作物轮作、套种实现了土地的可持续利用，均符合生态原理。化肥的生产和使用会造成环境污染，同时不利于土地的利用。
【答案】 C
7．生态工程技术设计的常用方法之一是食物链(网)“相接”：连接平行的原本不相连接的种类，形成互利共生网络，这样的好处是( )
①提高效益 ②提高了物种多样性 ③促进了物质的良性循环 ④促进了能量循环
A．①② B．①③
C．②④ D．①④
【解析】 食物链(网)“相接”既可提高效益，又可促进物质的良性循环。
【答案】 B
8．当前，我国农业的发展已由科技含量较低的传统农业向现代农业转变。现代农业虽然产量大大提高，但由于大量使用化肥、农药，造成了严重的环境污染，因此我国政府正大力推广经济效益、社会效益和生态效益相统一的生态农业。下列关于生态农业的叙述不正确的是( )
A．生态农业系统中食物链和营养级越多，在能量流动中消耗的能量越少
B．生态农业系统的抵抗力稳定性比现代农业高
C．生态农业系统设计的指导原则是实现生态系统的能量和物质的多级利用
D．生态农业系统属于人工生态系统，人的作用非常突出
【解析】 能量的多级利用并不是食物链越长越好，还要考虑能量在传递过程中的生物呼吸所消耗的能量；但是生态农业实现了废物资源化，提高了能量的利用率。生态农业系统是遵循生态经济原理，在遵循“循环经济”的原则下，通过优化组合，使一个系统产出的污染物资源化，实现物质和能量的多级利用，同时防止了环境污染；在生态农业系统中人的作用非常突出，一旦失去人的作用，该系统将受到破坏，因而生态农业系统又属于人工生态系统。
【答案】 A
9．(2016·全国卷Ⅰ)在漫长的历史时期内，我们的祖先通过自身的生产和生活实践，积累了对生态方面的感性认识和经验，并形成了一些生态学思想，如：自然与人和谐统一的思想。根据这一思想和生态学知识，下列说法错误的是( )
A．生态系统的物质循环和能量流动有其自身的运行规律
B．若人与自然和谐统一，生产者固定的能量便可反复利用
C．“退耕还林、还草”是体现自然与人和谐统一思想的实例
D．人类应以保持生态系统相对稳定为原则，确定自己的消耗标准
【答案】 B
10．2015年3月，柴静的纪录片《穹顶之下》引发了全国人民对雾霾的关注和讨论。生态环境与生态经济再次推上舆论的焦点。建设社会主义新农村的关键是构建和谐社会，发展生态农业，走可持续发展之路。如图为某地一生态工程建设模式图，请据图回答有关问题：
(1)生态经济：使一个系统产出的污染物，能够成为本系统或另一个系统的生产原料，从而实现废弃物的资源化。“无废弃物农业”体现了生态工程的__________________原理。
(2)该生态工程模式的最大优点是______________________。该生态工程种植不同的农作物、果树、苗木，饲养牛、猪、鸡等多种畜禽，这体现了生态工程的______________原理。
(3)该生态工程中，处于第二营养级的生物除鸡、奶牛、鱼外还有________(写全才能给分)，该生态工程建设中，鱼塘中每一种鱼苗的投放量都不宜超过其________。
【解析】 (1)无废弃物农业体现的是物质循环再生原理。
(2)以沼气工程为中心的生态工程，各类植物的秸秆、枝叶用来生产饲料养畜、禽、鱼，人、畜、禽的粪便作为原料生产沼气，最大的优点是充分利用了废弃物中的物质和能量，实现了物质和能量的分级多层次利用，同时又减少了环境污染。生态工程中，适当增加农作物、饲养畜禽等生物种类，使生态系统营养结构复杂，自我调节能力增强，抵抗力稳定性增加，这体现了生态工程的物种多样性原理。
(3)读图可知，处于第二营养级的生物除鸡、奶牛、鱼外还有猪、人。鱼塘中养鱼时要考虑环境容纳量，投放的鱼苗量不能太多。
【答案】 (1)物质循环再生 (2)实现能量和物质的分层次多级利用(或提高物质和能量的利用率)，减少环境污染 物种多样性 (3)猪、人 环境容纳量(K值)
[能力提升]
11．(2016·重庆市考试)下列关于生态工程建设的叙述，不正确的是( )
A．在进行林业工程建设时，若违反整体性原理，就会出现“前面造林，后面砍林”的现象
B．在发展畜牧养殖业时要合理放牧，考虑环境承载力，遵循协调和平衡的原理
C．“三北防护林”建设若违背物种多样性原理，连年种植单一品种，会造成病虫害增加
D．“桑基鱼塘”将鱼的粪便作为有机物还田，运用了能量循环再生原理
【解析】 能量不能循环利用，能量是单向流动的。
【答案】 D
12．(2016·温州模拟)如图是一个农业生态系统模式图，关于该系统的叙述，错误的是( )
【导学号：10210085】
A．微生物也能利用农作物通过光合作用储存的能量
B．多途径利用农作物可提高该系统的能量利用率
C．沼渣、沼液作为肥料还田，使物质能够循环利用
D．沼气池中的微生物是该生态系统的消费者
【解析】 农作物通过光合作用固定太阳能，沼气池中微生物如甲烷杆菌等是分解者，可以利用其中的能量，故A项正确，D项错误；图中农作物能被多种生物利用，提高了生态系统中能量的利用率，故B项正确；沼渣、沼液作为肥料还田，使物质能够循环利用，故C项正确。
【答案】 D
13．材料1：实施沼气工程，是我国政府为改善农村环境和发展农村经济大力推广的一种生态工程。
材料2：地衣中的真菌和藻类互利共生，当把它们分开时，两者都不能正常生长。
材料3：居住在林区的农民，“靠山吃山”是他们生活的根本。当进行林业工程建设时，一方面号召农民种树，另一方面考虑林区农民的生活问题，使改善生态和发展经济结合起来，才能真正做到造林护林。
上述材料分别依据下列哪些生态工程原理( )
①物质循环再生原理 ②物种多样性原理 ③协调与平衡原理 ④整体性原理 ⑤系统整体性原理 ⑥系统的结构决定功能原理
A．①⑤④ B．②④⑥
C．③④⑤ D．①③④
【解析】 物质循环再生原理：物质能够在各类生态系统中进行区域小循环和全球大循环，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。地衣中的真菌和藻类单独存在时，两种生物都不能很好地生活，但是在一起的时候就出现了“整体大于部分之和”的效果，体现了系统整体性原理。所谓生态工程的整体性原理是指人类所处的自然系统、经济系统和社会系统所构成的巨大复合系统，三者相互影响而形成统一整体。
【答案】 A
14．下图是一个人工农业生态系统模式图(大棚温度、CO2浓度等可适当控制)。请据图回答：
(1)图中该生态系统能量流动的源头是____________________。沼气池中的微生物在该生态系统的成分中属于____________________。沼气燃烧后生成的CO2通入大棚内的作用是____________________，从而可提高农作物的产量。
(2)相对一般农业生态系统而言，此生态系统能提高经济效益，主要原因是充分利用了________中的能量，形成“无废弃物农业”，这主要是遵循生态工程的________________原理。
(3)植物秸秆除作为禽畜的饲料外，还可以经过微生物产生的__________酶水解，最终生成葡萄糖，进而转化成乙醇作为燃料。葡萄糖转化成乙醇的反应式为________________________。在充分利用能量、减少环境污染的同时，通过饲养家禽、家畜，提高农民经济收入，使保护环境和发展经济相互协调，主要体现了生态工程的____________________原理。
【解析】 (1)图中该生态系统能量流动的源头是太阳能。沼气池中的微生物是该生态系统的分解者。沼气燃烧后生成的CO2通入大棚内，可以增加大棚中二氧化碳浓度，提高植物光合作用的强度，从而可提高农作物的产量。
(2)该生态系统充分利用了粪便等废物中的能量，因此相对一般农业生态系统而言，此生态系统能提高经济效益； “无废弃物农业”主要遵循了生态工程的物质循环再生原理。
(3)植物秸秆的主要成分是纤维素，因此可被纤维素酶水解。葡萄糖转化成乙醇的反应式为C6H12O62C2H5OH＋2CO2＋少量能量。在充分利用能量、减少环境污染的同时，通过饲养家禽、家畜，提高农民经济收入，使保护环境和发展经济相互协调，主要体现了生态工程的整体性原理。
【答案】 (1)太阳能 分解者 可以增加大棚中二氧化碳浓度，提高植物光合作用的强度
(2)粪便等废物 物质循环再生
(3)纤维素
C6H12O62C2H5OH＋2CO2＋少量能量
整体性
15．在农村，农作物秸秆大多被直接燃烧，还有部分随意堆放，浪费严重，利用率低。如图是某科技小组的同学，针对农作物秸秆浪费和闲置情况，设计出的以沼气为纽带，联动农作物种植、养鱼、养鸡等产业的生态农业良性循环系统。请据图分析回答：
(1)即使是在冬天，沼气池中温度也能达到25 ℃，维持这个温度的热量来自_______________________________________________。
(2)燃烧沼气为鸡舍增加照明时间，可以增加产蛋量，这属于__________信息传递。
(3)“秸秆的多级利用”充分体现了生态工程的____________________________________原理，最大限度地实现了物质的循环利用，减轻了燃烧秸秆造成的__________效应。
(4)微生物的运用非常广泛，除用于沼气发酵，真菌中的酵母菌可用于酒精发酵，请写出酵母菌生产果酒的反应式：_________________________________________________。
(5)该生态系统中主要生产者是__________，消费者是__________。
(6)(多选)从图中可看出该生态工程体系的特点是( )
A．少消耗 B．高消耗 C．可持续
D．多投资 E．多效益
【解析】 (1)沼气池中微生物进行呼吸作用，产生热量，即使是在冬天，沼气池中温度也能达到25 ℃。
(2)燃烧沼气可以增加照明，延长光照时间，提高鸡的产蛋率，这属于物理信息传递。
(3)农业废弃物秸秆通过优化组合，多级利用，实现废弃物的资源化，充分体现了生态工程的物质循环再生原理，这样降低了二氧化碳的排放量，减轻了温室效应。
(4)利用酵母菌生产果酒，即通过酵母菌无氧呼吸产生酒精，其反应式为：C6H12O62C2H5OH＋2CO2＋少量能量。
(5)根据题图中信息可以看出，该生态系统中主要生产者是农作物，消费者是居民、鸡、猪、鱼。
【答案】 (1)微生物发酵(呼吸)产生的热量
(2)物理 (3)物质循环再生 温室
(4)C6H12O62C2H5OH＋2CO2＋少量能量
(5)农作物 居民(人)、鸡、猪、鱼(缺一不可) (6)ACE
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