第十五节 生态系统的能量流动.docx
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第十五节生态系统的能量流动
生态系统的能量流动
主讲：
黄冈中学生物高级教师 童金元
问题探讨：
假如你像小说中的鲁滨逊那样，流落在一个荒岛上，除了饮用水之外没有任何食物。
你随身带的食物只有一只母鸡、15Kg玉米。
策略：
1、先吃鸡再吃玉米。
2、先吃玉米，同时用一部分玉米喂鸡，吃鸡产下的蛋，最后吃鸡。
能量流动的概念：
生态系统中能量的输入、传递和散失的过程，称为生态系统的能量流动。
能量流动的分析：
如果将这个种群作为一个整体来研究，则上图可以简化成下图形式，从中可以看出分析能量流动的基本思路。
一、能量流动的过程
地球上几乎所有的生态系统所需要的能量都来自_________。
进入生态系统中生物体的能量是________能量。
这些能量固定到_____________中。
进入生态系统中的太阳能约占太阳向地球输送能量的_________。
能量流动的过程分析
输入第一营养级的能量转移方向：
（1）生产者呼吸作用中热能散失；
（2）生产者自身的生长、发育和繁殖等生命活动储存在植物体的有机物中。
①一部分随残枝败叶等被分解者分解而释放出来；
②流入初级消费者体内。
通过阅读“能量流动的过程”，请思考下列问题：
1、生态系统中所需要的能量来自哪里？
2、能量流动是从什么地方开始的？
能不能从动物开始？
3、输入生态系统的总能量是多少？
4、太阳能是如何进入生态系统的？
5、能量流动的渠道是什么？
6、能量流动图解中的箭头有哪些含义？
总结：
每个营养级能量的来源和去路：
能量来源：
生产者：
太阳能
能量去路：
消费者：
上一营养级
自身呼吸消耗：
（1）大部分以热能形式散失；
（2）小部分用于自身生命活动。
流入下一营养级。
流入分解者：
（1）未被利用的；
（2）各营养级生物的遗体、粪便、残枝败叶等。
思考：
地球上所有的生态系统所需的能量是否都来自太阳能？
二、能量流动的特点
分析“塞达伯格湖的能量流动图解”，思考下列问题:
1、从第一营养级流入第二营养级的能量，占生产者所固定的能量总量的百分比是多少？
从第二营养级流入第三营养级的能量，占初级消费者所同化的能量总量的百分比是多少？
营养级
流入能量
流出能量
（输入后一个营养级）
出入比
生产者
464.6
62.8
13.52%
植食性动物
62.8
12.6
20.06%
肉食性动物
12.6
分解者
14.6
2、流入某个营养级的能量，为什么不能百分之百的流向后一个营养级？
这样是否与能量守恒定律相矛盾？
3、流经此生态系统的能量能否再回到这个生态系统中来？
分析原因：
单向流动原因：
①组成食物链的各营养级的顺序是不可逆的，这是长期自然选择的结果；
②各营养级的能量大部分以呼吸作用产生的热能形式散失掉，这些能量是生物无法利用的。
逐级递减原因：
①各营养级的生物都会因自身呼吸消耗相当大的一部分能量；
②各营养级的生物总有一部分未被下一个营养级利用。
包括：
a、下一个营养级不能利用的，如荒地中的草根。
b、下一个营养级能利用而未被利用的，如羊不可能将草地的草吃光。
为了形象地说明问题，可以将单位时间内各个营养级所得到的能量数值绘制成图，这样就形成一个金字塔图形：
能量金字塔
生物量（质量）金字塔
生物量（质量）金字塔：
根据生物量而得。
一般呈正锥体，但有时可倒置。
例如水体中浮游植物的生物量可能比浮游动物的少。
因为浮游植物的代谢率高、周转快，可以支持生物量更大的植食动物，故其锥体可能倒置。
生物数量金字塔
生物数量金字塔：
根据生物个体数目而得，同样有倒置的情形。
例如在水体和草原中，生产者（浮游生物和草）体小而数目多，锥体正置。
但在森林中，生产者个体大，很多小动物可能蛀食同一棵巨木，锥体因而倒置。
三、研究能量流动的意义
1、研究生态系统的能量流动，可以帮助人们科学规划、设计人工生态系统，使能量得到最有效的利用。
2、研究生态系统的能量流动，还可以帮助人们合理地调整生态系统中的能量流动关系，使能量持续高效地流向对人类最有益的部分。
典型例题
例1、下图为某生态系统能量流动示意图（单位：
J/cm2·a），以下分析不正确的是（ ）
A．甲的数值是1250J/cm2·a
B．乙到丙的能量传递效率为15%
C．乙的个体数目越多，丙获取的能量越少
D．每一营养级的能量大部分用于呼吸作用和被丁利用
答案：
C
解析：
甲为生产者，它所固定的能量是流经生态系统的总能量即175＋875＋200=1250；丙同化的能量为30J/cm2·a，占乙总能量的30÷200=15%；乙的个体数目越多，丙获取的能量越多；每一营养级的能量大部分用于呼吸作用和被丁利用，因为相邻两个营养级的能量传递效率为10%～20%。
例2、下列除哪项外，均为对生态系统内能量流动特征的描述（ ）
A．食物链和食物网是能量流动的渠道
B．食物链中初级消费者越多，次级消费者获得的能量越少
C．单向流动，逐级递减
D．食物链越短，可供养的消费者越多
答案：
B
解析：
此题考查生态系统中能量流动的特点，食物链中初级消费者越多，次级消费者获得的能量越多。
例3、下图中的①、②、③分别表示同一生态系统中不同营养级间能量传递的多少，它们之间的关系应该是（ ）
A．①＜②＜③ B．①＞②＞③
C．①=②=③ D．①=②＋③
答案：
B
解析：
生态系统中能量单向流动、逐级递减；所以①＞②＞③。
-返回-
同步测试
一、单项选择题
1、如果一个生态系统内有四种生物构成一条食物链。
在某一时间分别测得这四种生物（甲、乙、丙、丁）所含有机物的量，如下表所示：
生物种类
甲
乙
丙
丁
有机物总量（g）
550
100
300
18
在一定时间内，若乙的数量减少则引起（A ）
A．甲和丁的种群数量减少，丙的种群数量增加
B．甲丙丁的种群数量均减少
C．甲和丁的种群数量增加，丙的种群数量减少
D．甲的种群数量增加，丙和丁的种群数量增加
2、在一个实验中，某研究者想测算一下一只菜青虫每天用于生长和发育的能量。
观察发现一只菜青虫平均一天吃2平方厘米菜叶。
为了估算方便，又做了以下一些测量：
W：
该菜叶每平方厘米平均干物质量
X：
每天每只虫子以热能的形式散失的能量
Y：
每天虫子粪便的干量
Z：
每天每只虫子水和二氧化碳的排出量
根据这些数据，可估算出每天一只虫子用于生长发育的能量为（D ）
A．B=2W－Y B．B=W－Y－Z
C．B=2W－X D．B=2W－X－Y
3、下列有关生态系统能量流动的叙述中，不正确的是（C ）
A．能量流动是单向的、不可逆转的
B．食物链越短，可供最高营养级消费的能量越多
C．初级消费者越多，次级消费者获得的能量越少
D．营养级越多，散失的能量越多
4、如图所示食物网中水稻固定的太阳能为N，能量传递效率为10%，则人获得的能量（ C）
A．等于10－1N B．等于10－2N
C．少于10－1N D．少于10－2N
5、已知某营养级生物同化的能量为1000kJ，其中95%通过呼吸作用以热能的形式散失，则其下一营养级生物获得的能量最多为（C ）
A．200kJ B．40kJ
C．50kJ D．10kJ
6、在淡水养育业中，非常重视对鲢鱼和草鱼的养殖，其主要原因是（C ）
A．蛋白质含量特别高 B．肉味鲜美
C．食物链短 D．容易养殖
7、某生态系统中初级消费者和次级消费者的总能量分别是W1和W2，当下列哪种情况发生时，最有可能使生态平衡遭到破坏？
（ D）
A．W1＞10W2 B．W1＞5W2
C．W1＜10W2 D．W1＜5W2
8、在植物→昆虫→鸟的营养结构中，若能量传递效率为10%，以鸟类同化的总能量中来自昆虫的能量为x轴，植物提供的总能量为y轴，绘制的相关曲线是（ D）
9、调查得知某河流生态系统的营养结构共有4个营养级（以a、b、c、d表示）。
经测定，一年中流经这4个营养级的能量分别为表中数据，该生态系统中初级消费者是（ A）
营养级
能量（J/m2）
a
141.0×105
b
15.91×105
c
0.88×105
d
871.27×105
A．a B．b
C．c D．d
10、在能量金字塔中，如果生产者在光合作用过程中产生240mol的氧气，其全部用于初级消费者分解血糖，则其释放并贮存在ATP中的能量最多有__________可被三级消费者捕获（C ）
A．1.008×103kJ B．5.016×103kJ
C．1.858×103kJ D．2.008×103kJ
显示提示
提示：
1、在生态系统内这四种生物构成一条食物链、根据能量流动的特点可知，甲为生产者，丙为第二营养级，乙为第三营养级，丁为第四营养级；若乙的数量减少则引起甲和丁的种群数量减少，丙的种群数量增加。
2、本题考查生态系统中能量流动递减的特点；每天每只虫子水和二氧化碳的排出量体现了每天每只虫子以热能的形式散失的能量。
3、初级消费者越多，次级消费者获得的能量越多。
4、人获得的能量最多为：
N×10%=0.1N，另外，鸭子和奶牛还要消耗一部分能量，所以，人获得的能量少于10－1N。
5、本题具有较大的迷惑性，极易错选A项。
由于该营养级的能量95%通过呼吸作用以热能的形式散失，故积累的能量只有5%，因而其最多也只有5%（即5%×1000=50kJ）的能量传递给下一营养级。
因此答案选C项。
6、食物链短的鱼获得的能量高，生长快，效益好。
7、一般情况下，生态系统的能量在两个相邻营养级之间传递效率大约是10%～20%。
小于或等于20%则不会导致其稳定性的破坏，而大于20%则有可能引起某些营养级生物量的大起大落或生态环境的改变，导致生态系统抵抗力稳定性被破坏。
纵观本题的四个选项，A选项反映的能量传递效率小于10%，B选项反映的能量传递效率小于20%，C选项反映的能量传递效率大于10%（但不一定大于20%），只有D选项反映的能量传递效率大于20%。
8、依题意可知y=x÷10%÷10%＋（1－x）÷10%=10＋90x，故选D项。
9、根据能量传递效率为10%～20%，则流向消费者的能量介于871.27×105×10%～871.27×105×20%之间，由此可得出答案为A。
10、依据有氧呼吸反应式，可知240mol的氧气能分解40mol的葡萄糖，又由于每摩尔葡糖彻底氧化分解产生的能量有l161kJ转移到ATP中，故初级消费者产生的ATP中的能量最多有“1161×40×20%×20%=1.858×103kJ”被三级消费者捕获。
二、简答题
11、如图所示为某生态系统能量流动过程图解，利用图中各箭头的序号回答问题：
（1）图中的哪个箭头不应存在？
__________。
（2）流经生态系统的总能量是__________，初级消费者自身活动所消耗的能量是__________。
（3）食草动物排出粪便中仍含有部分能量，这部分能量被分解者利用的过程属于图中哪个箭头？
__________。
（4）图中生物构成的食物链由__________个营养级，属于第三营养级的是__________。
（5）图中
所指的是__________，E代表的成分是__________。
（6）④中的能量大约只有③中能量的__________。
（7）生态系统能量流动的特点是__________。
显示答案
11、
（1）
（2）① ⑤
（3）
（4）4 C
（5）生产者细胞呼吸所消耗的能量 分解者
（6）10%～20%
（7）单向流动、逐级递减
解析：
根据能量流动单向的特点可知，分解者释放的能量不能传给生产者而是以热能的形式散失；
代表食草动物排出粪便中含有部分能量被分解者利用的过程；整个生态系统中，能量的传递效率为10%～20%。
12、下图是某湖泊生态系统能量流动的定量分析题解。
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118872百万千焦的能量未被利用。
请回答：
（1）请将流经该生态系统的总能量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效率为__________%。
（3）次级消费者通过异化作用消耗的能量占其同化作用所得到能量的百分比是__________。
（4）由图可知，下个营养级不能得到上个营养级的全部能量，原因有：
①各营养级生物内的大量能量被__________；②其次是上个营养级的部分能量__________；③还有少数能量被__________利用。
显示答案
12、
（1）（111） 生产者
（2）13.5% 20%
（3）60%
（4）呼吸作用的消耗 未被下级营养级利用 分解者
解析：
输入生态系统的总能量是生产者通过光合作用固定的太阳能的总量，而不是照射到生态系统的总光能；能量流动逐级递减的原因为：
各营养级的生物都因呼吸消耗了大部分能量，各营养级总有一部分生物未被下一营养级利用，如枯枝败叶。
-END-
课外拓展
能量流动的基本原理
（1）生态系统中能量流动符合热力学定律
生态系统的能量流动遵循热力学第一定律和热力学第二定律。
热力学第一定律指出，能量可以由一种形式转化为另一种形式；在转化过程中是按严格的当量比例进行的。
能量既不能消灭，也不能凭空产生。
依据这个定律可知，一个系统的能量发生变化，环境的能量也必定发生相应的变化，如果体系的能量增加，环境的能量就要减少，反之亦然。
对生态系统来说也是如此。
热力学第二定律指出，在封闭系统中，一切过程都伴随着能量的改变。
在能量传递和转化过程中，除了一部分可以继续传递和作功的能量（自由能）外，总有一部分以热能的形式消散。
对生态系统来说，当能量以食物的形式在生物之间传递时，食物中相当一部分能量转化为热能而消散，其余则用于合成新的组织而作为潜能贮存下来。
（2）生态系统能量流动是单向的
能量以光的状态进入生态系统后，就不能再以光的形式存在，而是以化学能或热能的形式存在。
生物代谢过程产生的热能也不能再转化为生物的化学能。
从总的能量流动途径而言，能量只是单程流经生态系统，是不可逆的。
（3）能量在生态系统内流动是不断递减的
生态系统中各营养级不能百分之百地利用前一营养级的生物量和能量，总要耗散掉一部分。
耗散掉的能量包括热能、不能被生物采食到或摄入的能量。
一般来说，能量在相邻两个营养级之间的传递效率大约是10%～20%。
（4）能量流动速率不同
生态系统中能量流动速率与生态系统类型和不同生物有密切关系。
-END-
高考解析
例1、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：
水体富营养化导致蓝藻爆发是因为水体为蓝藻提供了大量的N、P等矿质元素，并未涉及能量流动问题。
能量流动的渠道是食物链，且能量沿食物链传递时，具有单向性和逐级递减的特点，所以食物链越短，能量损失越少。
A、C、D均可以利用能量流动规律分析。
例2、下图为生态系统中能量流动图解部分示意图，①②③④各代表一定的能量值，下列各项中正确的是（ ）
A．①表示流经生态系统内部的总能量
B．次级消费者粪便中的能量属于①中的部分能量
C．④是指第二营养级遗体残骸中蕴含的能量
D．一般情况下，③＋④之和为②的10%～20%
答案：
B
解析：
生产者的同化量是流经生态系统的总能量，①是初级消费者的同化量；次级消费者粪便中的能量来自初级消费者，属于初级消费者同化量的一部分；次级消费者是第三营养级，④是其遗体残骸中蕴含的能量；一般情况下，两个营养级之间的同化量之比是能量传递效率，③/②为10%～20%。
-END-
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