学年人教版必修三第5章第2节生态系统的能量流动学案.docx

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学年人教版必修三第5章第2节生态系统的能量流动学案

一、能量流动的概念和过程

1．概念：

生态系统中能量的输入、传递、转化和散失的过程。

2．能量流动的过程和图解

（1）过程

（2）图解

[注意]

（1）某一营养级能量的摄入量＝该营养级生物的同化量＋该营养级生物排出的粪便量。

（2）粪便实际上是上一营养级未被利用的成分，通过分解者将其分解。

二、能量流动的特点

1．特点

（1）单向流动

①方向：

从第一营养级流向第二营养级，再依次流向后面的各个营养级。

②特点：

不可逆转，也不能循环流动。

（2）逐级递减

①含义：

输入一个营养级的能量不可能百分之百地流入下一个营养级，能量在沿食物链流动的过程中是逐级减少的。

②能量传递效率：

相邻两个营养级间的能量传递效率为10%～20%。

③营养级数量：

生态系统中的能量流动一般不超过4～5个营养级。

2．能量金字塔：

将单位时间内各个营养级所得到的能量数值，由低到高绘制成图，可形成一个金字塔图形。

[注意]　根据能量流动的递减性原理，在建立与人类相关的食物链时，应尽量缩短食物链。

三、研究能量流动的实践意义

1．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．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。

[共研探究]

如果你被困荒岛，要维持更长时间等待救援，要获得更多能量，究竟要采用哪种生存策略呢？

请先分析一下玉米和鸡的能量流动过程。

1．观察玉米的能量去向，分析：

（1）A是通过光合作用完成的，该过程使光能转化成化学能，以有机物的形式储存在玉米体内。

（2）B通过呼吸作用为生长发育提供能量，这个过程产生的能量大部分以热能的形式散失掉了。

（3）C过程中，枯枝落叶中的有机物被分解者分解为无机物，能量被释放。

（4）D是指部分能量被鸡通过捕食摄入体内，最终同化为自身的能量。

2．结合上述内容完成能量流经第一营养级的示意图

流经生态系统的总能量是辐射到该地区太阳能的总量吗？

提示：

不是，辐射到该地区的太阳能大部分被大气层或地面吸收、散热和反射掉了，大约只有1%以可见光的形式被生产者通过光合作用转化为化学能，固定在它们所制造的有机物中，这样才能被生物利用，因此，流经生态系统的总能量是生产者通过光合作用固定在有机物中的总能量。

3．结合教材P94图5－6完成能量流经第二营养级的示意图

结合图示思考：

（1）初级消费者摄入的能量是其同化量吗？

它们之间存在什么关系？

提示：

初级消费者摄入的能量不等于其同化量，它们之间存在的关系是：

同化量＝摄入量－粪便量。

（2）初级消费者粪便中的能量是其同化量的一部分吗？

为什么？

提示：

不是，初级消费者粪便中的能量不属于其同化的能量，而是属于生产者所同化的能量。

（3）以此类推完成以下关系图

4．能量流动的过程可以概括为下图，请据图分析：

生态系统能量流动示意图

（1）能量的输入

①源头：

生态系统中的能量流动从生产者固定太阳能开始。

②相关生理过程：

光合作用。

③能量转换形式：

光能或氧化无机物产生的化学能→有机物中的化学能。

④流经一个生态系统的总能量是生产者固定的全部太阳能。

（2）能量的传递

①传递途径：

食物链和食物网。

②传递形式：

有机物。

a、b、c、d是指各个营养级的同化量，而不是摄入量。

（3）能量的散失

①形式：

热能。

②过程：

有机物经氧化分解，释放的能量以热能形式散失。

③特殊途径：

动植物遗体形成煤炭、石油等，经过燃烧放出热能。

观察上图则有a＝①＝e＋b＋i，初级消费者呼吸作用散失的能量＝b－c－j。

[总结升华]

某营养级消费者的能量变化理解简图

【易错易混】　

（1）摄入量≠同化量

①摄入量：

指动物取食的总量，可以理解为动物的食物总量。

②同化量：

指动物经过消化和吸收后转化为自身的能量。

③关系：

同化量＝摄入量－粪便量

同化量才是真正流经该营养级的总能量。

粪便中的能量不是该营养级的能量，而是上一个营养级的同化量的一部分。

如羊吃草，羊粪便中的能量是草同化的能量，并不属于羊。

（2）能量的输入并非只有光合作用

能量的输入过程，绝大部分是通过绿色植物的光合作用进行的，但在极少数特殊空间，如深海热泉口生态系统，是通过特殊细菌的化能合成作用完成的。

[对点演练]

1．如图A表示某生态系统的能量金字塔图，P为生产者，Q1为初级消费者，Q2为次级消费者。

对图A中的各营养级所含有的能量进行分类剖析如图B（注：

图B中a、a1、a2表示上一年留下来的能量，e、e1、e2表示呼吸消耗量）。

则下列分析不正确的是（　　）

A．b＋c＋d＋e为本年度流入该生态系统的总能量

B．初级消费者产生的粪便中所含的能量包含在c中

C．b和d之一，可代表生产者传递给分解者的能量

D．c1表示初级消费者所含能量中被次级消费者所同化的量

解析：

选B　图A表示能量金字塔，P、Q1、Q2分别为第一、第二、第三营养级。

由图B及题干信息可知，植物光合作用固定的光能，即生产者的同化量，c、c1、c2表示流入下一营养级的能量。

每个营养级的能量去路包括四项：

（1）自身呼吸作用消耗（题中已知为e、e1、e2）；

（2）被下一营养级利用（c1、c2等）；（3）被分解者利用（b和d之一）；（4）未利用（b和d之一）。

A项：

生产者当年的同化量即为流入该生态系统的总能量，即b＋c＋d＋e。

“初级消费者产生的粪便”应为生产者同化的能量中被分解者利用的部分，即b或d部分。

[共研探究]

美国生态学家林德曼对一个结构相对简单的天然湖泊——赛达伯格湖的能量流动进行了定量分析，得出了如图所示的数据[单位：

J/（cm2·a）]，请完成以下分析：

1．由图得知，能量流动的方向是单向的，只能从上一个营养级流向下一个营养级，不可逆转，也不能循环流动。

2．将各营养级的能量“输入”和“输出”清单整理出来填在表格中（“输出”的能量不包括呼吸作用散失的能量）。

[单位：

J/（cm2·a）]

输入

输出

传递效率

第一营养级（生产者）

464.6

62.8

13.5%_

第二营养级（植食性动物）

62.8

12.6

20.1%

第三营养级（肉食性动物）

12.6

－

－

（1）由此总结能量流动的传递效率公式：

能量传递效率＝

×100%。

（2）能量传递效率是指各营养级之间的能量传递，不是指个体或种群之间。

（3）生态系统中的能量流动为什么是单向的？

提示：

①食物链中各种生物之间的捕食关系是确定的，是在长期自然选择过程中形成的，不能逆转；②各营养级的能量最终是在呼吸作用过程中以热能形式散失的，而热能是不能被生物再度利用的。

（4）能量传递效率10%～20%是对整体而言的，某一食物链中相邻两个营养级的传递效率可能会低于10%。

3．由2中数据可以看出，输入各营养级的能量不可能百分之百流入下一营养级，能量在沿食物链流动过程中是逐级递减的。

其原因是：

大部分能量通过呼吸作用以热能的形式散失；遗体遗物残枝败叶被分解者分解利用；还有一部分能量未被利用。

4．由2中传递效率可以看出，能量在相邻两营养级间的传递效率大约是10%～20%。

利用该效率，将单位时间内各营养级所得到的能量、数量及生物量数值绘制成金字塔，如下表所示。

能量金字塔

数量金字塔

生物量金字塔

形

状

特

点

呈正金字塔形

通常为正金字塔形，有时会出现倒金字塔形，如：

一般呈正

金字塔形

（1）据图分析，一条食物链中一般不超过4～5个营养级，原因是：

生态系统中能量流动的传递效率一般是10%～20%，营养级越多，能量的消耗就越多，所剩能量往往不能维持一个新的营养级。

（2）用能量流动的原理，解释谚语“一山不容二虎”隐含的道理。

提示：

根据生态系统中能量流动逐级递减的特点和规律可知，营养级越高，可利用的能量就越少，老虎在生态系统中几乎是最高营养级，通过食物链（网）流经老虎的能量已减到很小的程度。

因此，老虎的数量将是很少的。

故“一山不容二虎”。

5．如果是你被困荒岛，要维持更长时间等待救援，要获得更多能量，究竟要采用以下哪种生存策略呢？

A．先吃鸡再吃玉米

B．先吃玉米，然后用一部分玉米喂鸡，吃鸡下的蛋，最后吃鸡

提示：

应选A方案。

应该先吃鸡，因为从营养级角度来讲，鸡是初级消费者，玉米是生产者，根据能量流动递减法则，如果让鸡吃玉米，玉米的能量最多有20%转换到鸡的体内，然后人再吃鸡或者鸡蛋的话，获得的能量相当于玉米的20%×20%，这种方案中，玉米是生产者，鸡是初级消费者，人是次级消费者，人所获得的能量是最少的，维持时间最短。

所以，不如先把鸡吃掉，再吃玉米。

[总结升华]

能量流动的极值计算

（1）能量在食物链中传递的计算

①在一条食物链中若某一营养级的总能量为n，则传到下一营养级的能量最多为0.2n，最少为0.1n。

②在一条食物链中，若某一营养级的能量为n，需要前一营养级的能量最少为n÷20%＝5n，最多为n÷10%＝10n。

（2）能量在食物网中传递的计算

①若一食物网中，已知最高营养级增加能量为N

a．求最多消耗第一营养级多少时，按最长食物链，最低传递效率计算；

b．求至少消耗第一营养级多少时，按最短食物链，最高传递效率计算。

②若一食物网中，已知第一营养级能量为M

a．求最高营养级最多获得多少能量时，应按最短食物链，最高传递效率计算；

b．求最高营养级最少获得多少能量时，应按最长食物链，最低传递效率计算。

（3）在已知高营养级求需要低营养级最值时，若高营养级有多种食物来源，要注意高营养级食物来源有没有具体分配，若有就不能选最短或最长的食物链，而要按分配情况逐一计算，然后相加。

[对点演练]

2．在如图食物网中，假如猫头鹰的食物有2/5来自兔，2/5来自鼠，1/5来自蛇，那么，猫头鹰若要增加20g体重，最少需要消耗的植物为（　　）

A．80g　　　B．900g　　　C．800g　　　D．600g

解析：

选B　依图中食物关系分析，猫头鹰处于第三、四营养级。

在

中，猫头鹰属第三营养级，可把此食物网简化为一条食物链，即“植物→鼠（兔）

猫头鹰”，最少消耗植物20g×4/5÷20%÷20%＝400（g）。

另一食物链“植物→鼠→蛇

猫头鹰”中，猫头鹰属第四营养级，最少消耗植物20g×1/5÷20%÷20%÷20%＝500（g），所以最少需要消耗植物900g。

[共研探究]

某市在落实“禁烧秸秆”工作的过程中，化“堵”为“疏”，引导农民设计建立了如下生态系统模式图，阅读教材思考如下问题：

（1）相比农作物秸秆直接燃烧，上述生态系统实现了农作物中能量的多级利用，提高了能量利用率。

这说明：

研究能量流动可帮助人们科学规划、设计人工生态系统，使能量得到最有效的利用。

例如，在森林中，最好使能量多储存在木材中；在草原牧场上，则最好使能量多流向牛、羊等牲畜体内，获得更多的毛、肉、皮、奶等畜产品。

（2）有人说：

“由于上述生态系统是人工设计的，所以其中营养级之间能量的传递效率可由人类任意控制。

”你认为对吗？

提示：

不对。

人们虽然可设法调整能量流动方向，使能量流向对人类最有益的部分，但不能改变能量的传递效率。

（3）在上述生态系统中，人们为提高农作物的产量，要经常到田间除草、灭虫、灭鼠。

这样能合理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。

[总结升华]

根据生态系统的能量流动规律，在实际生产生活中应采取以下措施

（1）尽量缩短食物链。

（2）充分利用生产者。

（3）充分利用分解者，如利用秸秆培育食用菌、利用植物残体生产沼气等。

【易错易混】　能量传递效率≠能量利用率

（1）能量传递效率：

能量在沿食物链流动的过程中，逐级减少，若以“营养级”为单位，能量在相邻两个营养级之间的传递效率约为10%～20%。

（2）能量利用率：

通常考虑的是流入人体中的能量占生产者能量的比值，或流入最高营养级的能量占生产者能量的比值，或考虑分解者的参与，以实现能量的多级利用。

[对点演练]

3．在社会主义新农村建设中，某地通过新建沼气池和植树造林，构建了新型农业生态系统（如图所示）。

请判断下列说法的正误。

（1）该生态系统中，处于第二营养级的生物有人和家禽、家畜。

（　　）

（2）该生态系统中，人的作用非常关键，植物是主要成分。

（　　）

（3）该生态系统的建立，提高了各营养级间的能量传递效率。

（　　）

（4）微生物也能利用农作物通过光合作用储存的能量。

（　　）

（5）多途径利用农作物可提高该系统的能量利用率。

（　　）

（6）沼渣、沼液作肥料还田，可使能量能够循环利用。

（　　）

（7）沼气池中的微生物也是该生态系统的分解者。

（　　）

（8）沼气可以用来作燃料或者取暖，是“低碳经济，低碳生活”很好的体现。

（　　）

（9）在农田果园等人工生态系统中可以通过增加或延长食物链来获得更多的产品。

（　　）

解析：

能量只能单向流动，逐级递减。

在食物网中相邻营养级之间的能量传递效率并没有改变，改变的只是能量利用率。

答案：

（1）√　

（2）√　（3）×　（4）√　（5）√　（6）×　（7）√　（8）√　（9）√

1．研究生态系统的能量流动，可以参考如图所示的模型。

下列有关叙述错误的是（　　）

A．研究流经某一种群的能量时，要考虑到能量被利用和未被利用等方面

B．研究生态系统中的能量流动，一般在群体水平上

C．模型中的“能量输入”就是指捕食者的捕食

D．模型中的“能量散失”主要指呼吸作用散失的能量

解析：

选C　研究能量流动时，一般在群体水平上研究，要考虑能量的输入、传递、散失和输出，也要考虑能量被利用和未被利用等方面。

“能量输入”是指捕食者同化的能量，“能量散失”主要指呼吸作用散失的能量。

2．下图表示能量流经某生态系统第二营养级的示意图[单位：

J/（cm2·a）]，据图分析，有关说法正确的是（　　）

A．该生态系统第一营养级同化的能量至少为400

B．第二营养级用于生长、发育和繁殖的能量是100

C．能量由第二营养级到第三营养级的传递效率是20%

D．该生态系统第三营养级同化的能量是15

解析：

选A　题图为能量流经某生态系统第二营养级的示意图，其中A表示该营养级摄入的能量，B表示该营养级同化的能量，C表示该营养级用于生长、发育和繁殖的能量，D表示呼吸作用中以热能的形式散失的能量，E表示分解者利用的能量，B错误；第二营养级同化的能量为100（摄入量）－20（粪便中的能量）＝80，根据能量传递效率倒推出第一营养级同化的能量至少为400，A正确；题图仅表示能量流经第二营养级的过程，并不能得出第三营养级的同化量，因此无法计算由第二营养级到第三营养级的能量传递效率，C错误；次级消费者摄入的能量是15，并不等同于第三营养级同化的能量，D错误。

3．清除田间杂草和鱼塘中肉食性的“黑鱼”，用生态学观点分析，其目的是（　　）

A．调整能量在生态系统中的流动方向

B．使物质和能量尽快地流动

C．保持生态平衡

D．保持生物群落的单一性

解析：

选A　清除田间杂草和鱼塘中肉食性的“黑鱼”是通过调整能量的流动方向，使更多的能量流向农作物和积累在其他鱼体内，即流向对人类最有益的部分。

4．如图是处于平衡状态的简单淡水生态系统，请回答：

（1）含能量最多的生物类群是________，流经这个生态系统的总能量是________________。

（2）在消耗等量生产者的条件下，海鸟获得能量最多的食物链是________________。

海鸟每增加1千克，需消耗生产者生产的有机物至少________千克。

（3）若a表示海鸟食物中甲壳类食物所占的比例，若要使海鸟的体重增加x，至少需要生产者的量为y，那么x与y的关系式可表示为：

________________。

答案：

（1）水绵、水藻　生产者固定的太阳能总量　

（2）水藻→甲壳类→海鸟　25　（3）y＝625x－600ax