生态系统的能量流动.docx

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生态系统的能量流动

 第五章第二节生态系统的能量流动

【教学建议】

该课是人教版《稳态与环境》第五章《生态系统及其稳定性》中的重点内容。

本节以“生态系统的结构”为基础，起着承上启下的作用，同时也可以与光合作用、呼吸作用、体温调节等知识建立联系，其又直接关系到物质循环和生态系统稳定性的学习。

根据本节特点，准备用一课时，采用多媒体教学来讲授新课。

预计课题导入5分钟左右，教师引导性学习10分钟左右，学生自主性学习25分钟左右。

【教学目标】

1、知识性目标

⑴、理解生态系统能量流动的概念。

⑵、描述生态系统能量流动的过程和特点（重点）。

⑶、说出研究生态系统能量流动的意义。

2、能力性目标

⑴、引导学生用数据来分析能量流动的特点，让学生在归纳总结的基础上，阐述出生态系统能量流动具有的两个特点。

⑵、指导学生构建能量流动的概念模型、数学模型、物理模型。

⑶、对生态系统中能量的流入和流出加以分析，培养知识迁移和运用能力。

3、情感性目标

⑴、通过小组分工与自主性学习相结合，培训同学发现问题解决问题以及与他人合作交流的能力。

⑵、注重生态学观点的培养，同时关注农业的发展和生态农业的建设。

⑶、培养实事求是的科学态度，树立科学服务于社会的观点。

【教学重点】

生态系统能量流动的过程和特点。

【教学难点】

生态系统能量流动具有单向性和逐级递减的原因。

 教学安排：

2课时 

【教学工具】

《随堂优化》学案，多媒体课件

【教学过程】

 一、能量流动的概念：

能量流动是指生态系统中的能量输入、传递、转化和散失的过程 

二、能量流动的过程 

1、能量流动的起点：

从生产者经光合作用所固定太阳能开始的，流经生态系统的总能量是指生产者固定的太阳能的总量。

生产者所固定的太阳能的总量=流经这个生态系统的总能量，而流入到各级消费者的总能量是指各级消费者所同化的能量，排出的粪便中的能量不计入排便生物所同化的能量中。

2、能量流动的渠道：

生态系统的营养结构——食物链和食物网。

能量在各营养级之间的流动主要是通过食物关系进行的。

对于初级消费者所同化的能量，也是这三个去处。

并且可以认为，一个营养级所同化的能量＝呼吸散失的能量十被下一营养级同化的能量十分解者释放的能量。

但对于最高营养级的情况有所不同，它所同化的能量＝呼吸散失的能量十分解者分解释放的能量。

3、流动的形式：

以有机物的形式流动 

4、能量的转化：

光能→生物体有机物中的化学能→热能 

5、能量的散失：

热能是能量流动的最终归宿。

（热能是不能重复利用的，所以能量流动是单向的，不循环的。

） 

三、能量流动的特点 

1、单向流动 

（1）单向流动是指能量只能从前一营养级流向后一营养级，而不能反向流动。

（2）原因 

①食物链中各营养级的顺序是不可逆转的，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。

（3）对“能量流动是单方向不可逆”的理解 

①从食物链角度，能量由生产者固定开始，沿食物链逐级流动，到达最高营养级后，能量不能被生产者、上一个营养级再度利用。

②从能量代谢角度，能量贮存在有机物的化学键中，当它释放时，一部分转变为自由能，可以作功；一部分转变为热能释放。

生物不能利用热能，所以热能就散失，自由能越来越少，能量越流越少，以致成为单向流动。

2、逐级递减 

（1）逐级递减是指输入到一个营养级的能量不能百分之百地流入下一营养级，能量在沿食物链流动过程中逐级减少的。

（2）原因：

①各营养级的生物都因呼吸消耗了大部分能量； 

②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。

（3）能量传递效率：

生态系统的为 10% ～ 20% 的含义，是指一个营养级的总能量大约只有 10% ～20% 传递到下一个营养级。

三、生态金字塔 

生态金字塔是能量金字塔、数量金字塔、生物量金字塔的总称，这三者都是用来说明食物链中能量流动情况。

不同的金字塔能形象地说明营养级与能量、生物量、数量之间的关系，是定量研究生态系统的直观体现。

能量金字塔是以各营养级所固定的总能量来表示的，它以热力学为基础，较好地反映了生态系统内能量流动的本质。

数量金字塔过高地估计了小型生物的作用，而生物量金字塔又过于强调了大型生物的作用，而能量金字塔所提供的情况较为客观和全面。

1、能量金字塔 

能量沿食物链流动时逐级递减，营养级越多，消耗的能量就越多，因此可以将单位时间内各个营养级的能量数值，由低到高绘制成图，这样就形成一个正金字塔图形，就叫做能量金字塔。

在能量金字塔中，营养级别越低，占有的能量越多，反之，越少。

能量金字塔绝不会倒置。

 从能量金字塔中可以看出：

在生态系统中，营养级越多，在能量流动过程中消耗的能量就越多。

而之所以呈现金字塔形，是因为通常情况下，能量从上一个营养级传递到下一个营养级，平均传递效率为10%～20%。

  能量金字塔每一台阶的含义：

代表食物链中每一营养级生物所含能量多少。

 能量金字塔形状的象征含义：

表明能量流动沿食物链流动过程具有逐级递减的特性。

 2、数量金字塔（用生物体数目来表示） 

以每个营养级的生物个体数量为依据绘制的金字塔。

但会出现有的生物个体数量很少而每个个体的生物量很大的情况，所以也会出现倒置的现象。

数量金字塔每一台阶的含义：

表示每一营养级生物个体的数目。

数量金字塔形状的象征含义：

因为在捕食链中，随着营养级的升高，能量越来越少，而动物的体形一般越来越大，因而生物个体数目越来越少。

〖实例〗生物数量金字塔：

人们对一片草地上的所有生物成员作了统计：

 三级消费者（肉食动物、吃小鸟的鹰） 3只 次级消费者（肉食动物、吃昆虫的小鸟） 354904只 初级消费者（草原动物、昆虫） 708624只 生产者（野草） 5842424株 

3、生物量金字塔（用质量来表示） 

以每个营养级的生物量绘制的金字塔。

但某些单细胞生物的生命周期短，不积累生物量，而且在测定生物量时是以现存量为依据的，所以在海洋生态系统中会出现倒置现象，即出现浮游动物数量多于浮游植物。

 如海洋生态系统中，生产者浮游植物个体小，寿命短，又会不断被浮游动物吃掉，因而某一时间调查到的浮游植物的生物量可能要低于其捕食者浮游动物的生物量，但这并不是说流过生产者这一环节的能量比流过浮游动物的要少。

 生物量金字塔每一台阶的含义：

表示每一营养级现存生物的质量，即有机物的总质量。

 生物量金字塔的一般形状：

能量是以物质形式存在的，因而每一营养级的生物量（现存生物有机物的总质量）在一定程度上代表着能量值的高低，从这个意义上讲，生物量金字塔的形状一般同能量金字塔形状相似。

 以生物量金字塔为例，从“十分之一定律”这一理论上说，一个人若是靠吃水产品来增长1 kg体重的话，就得吃10 kg鱼，这10 kg鱼要以100 kg浮游动物为食，而这100 kg浮游动物又要消耗1 000 kg浮游植物才能成活。

这就是说，要有1 000 kg浮游植物才能养活10 kg鱼，进而才能使人增长1 kg体重。

 〖总结〗只有能量金宇塔永远是底宽上尖的正金字塔形（即：

能量金字塔绝不会倒置），数量金宇塔及生物量金字塔一般也是正金字塔形，但有时也会出现倒置的特殊形状的金字塔。

四、生物富集作用 

生物富集作用又叫生物浓缩，是指生物体通过对环境中某些元素或难以分解的化合物（如重金属离子、不易分解的化学农药等），通过食物链会在各个营养级的生物体内逐渐得富集起来（很容易积累到生物体的脂肪组织和肝脏中，不易分解），在能量流动的渠道中，随着营养级越高，生物体内的这些物质的浓度就越高。

五、研究能量流动的意义 

①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。

六、生态系统能量流动中的有关计算 

由于一般情况下能量在两个相邻营养级之间的传递效率是10%～20%。

故在能量流动的相关问题中，若题干中未做具体说明，则一般认为能量传递的最低效率为10%，最高效率为20%。

所以，在已知较高营养级生物的能量求消耗较低营养级生物的能量时，若求“最多”值，则说明较低营养级生物的能量按“最低”效率传递，若求“最（至）少”值，则说明较低营养级生物的能量按“最高”效率传递。

反之，已知较低营养级生物的能量求传递给较高营养级生物的能量时，若求“最多”值，则说明较低营养级生物的能量按“最高”效率传递，若求“最少”值，则说明较低营养级生物的能量按“最低”效率传递。

【课堂练习】

〖例题1〗下图为某生态系统食物网简图，若E生物种群总能量为 ，B生物种群总能量为 ，从理论上计算，A贮存的总能量最少为 （  ） 

A．7.1×108 kJ   B．4.8×107 kJ C．5.95×107 kJ  D．2.3×107 kJ 

【解析】由图可知D为生产者，要使A获得的能量最少，则必须保证三个条件，即：

一是能量来源途径最少；二是能量传递效率最低（按10%算）；三是食物链要最长。

故从理论上讲，与A贮存的总能量最少相关的食物链不可能是D→A，也不可能是D→A、D→E→C→A同时存在，只能是D→E→C→A。

 为此，E的能量在传递给A的途径中，只有确保：

①E在传递给B时用去的能量最多；②E的总能量减去传递给B的后再传给C时效率最低；③C在传递给A时效率最低，结果才能使A获得的能量最少。

所以据此计算得A贮存的总能量最少为：

 （7.1×109 －2.3×108÷10%）×10%×10%＝4.8×107 kJ 故答案选B项。

〖例题2〗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 （  ） 

A．200kJ   B．40kJ   C．50kJ   D．10kJ 

【解析】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。

〖例题3〗如果一个人食物有1/2来自绿色植物，1/4来自小型肉食动物，1/4来自羊肉，假如传递效率为10%，那么该人每增加1千克体重，约消耗植物 （  ） 

A．10千克  

B．28千克  

C．100千克  

D．280千克 

【解析】解答本题时，首先应画出食物网，然后依据食物网和题干信息来解答。

 ①通过“植物→人”这条链计算出消耗植物的量为：

0.5÷10%＝5千克； 

②通过“植物→植食动物→小型肉食动物→人”这条链计算出消耗植物的量为：

0.25÷10%÷10%÷10%＝250千克； 

③通过“植物→羊→人”这条链计算出植物的量为：

0.25÷10%÷10%＝25千克。

 故要消耗植物的总量为280千克。

（5＋250＋25＝280） 故此题的答案选D项。

〖例题4〗如下图简化的草原食物网中，假如鹰的食物有2/5来自于兔，2/5来自于鼠，1/5来自于蛇。

那么，鹰若增重20g，最多消耗多少克植物？

最少消耗多少克植物？

【解析】因为已知条件是最高营养级增加重量，以及鹰捕食兔、鼠、蛇的能量系数，最多消耗多少植物应按10％（最低能量传递率）来计算。

“植物→兔→鹰”这条食物链中，最多消耗植物为：

同理，“植物→鼠→鹰”、“植物→鼠→蛇→鹰”两条食物链中，最多消耗植物分别为：

 800＋800＋4000＝5600（g）   故共计5600 g。

同理，“最少消耗多少植物”应按20％（最高能量传递率）来计算：

  〖例题5〗在“棉花→棉蚜→食蚜蝇→瓢虫→麻雀→鹰”这条食物链中，如果食蚜蝇要有5 m2 的生活空间才能满足自身的能量需求，则一只鹰的生活空间至少是 （  ） 

A．5×103 m2    B．5×104 m2    C．