优化方案版高考生物大一轮复习 第九单元 生物与环境 第34讲 生态系统的能量流动和物质循环讲义.docx
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优化方案版高考生物大一轮复习第九单元生物与环境第34讲生态系统的能量流动和物质循环讲义
第34讲 生态系统的能量流动和物质循环
生态系统中物质循环和能量流动的基本规律及应用（Ⅱ）
[学生用书P244]
一、生态系统的能量流动
生态系统能量流动示意图
1．图中标号代表的内容
甲：
生产者，乙：
初级消费者，丙：
次级消费者，丁：
呼吸作用，戊：
分解者。
2．生态系统所需能量的最终来源：
太阳能。
3．食物链中甲营养级能量的去向
（1）通过自身呼吸作用以热能的形式散失。
（2）被下一营养级同化。
（3）残枝败叶、遗体残骸等被分解者分解。
（4）未被利用。
4．特点：
单向流动和逐级递减。
5．能量传递效率
相邻两个营养级的传递效率＝
×100%。
一般能量传递效率为10%～20%。
6．研究意义
（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。
二、生态系统的物质循环
1．物质循环
（1）概念：
组成生物体的各种元素在生物群落与无机环境之间不断地循环的过程。
（2）特点：
全球性、反复利用、循环流动。
（3）与能量流动的关系：
二者同时进行，相互依存，不可分割。
（4）意义：
通过能量流动和物质循环使生态系统中的各种组成成分紧密地联系在一起，形成一个统一的整体。
2．碳循环
（1）碳在无机环境中的存在形式：
CO2和碳酸盐。
（2）碳在无机环境与生物群落之间的循环形式：
CO2（主要）。
（3）循环过程：
碳从无机环境到生物群落是通过光合作用、化能合成作用实现的；从生物群落到无机环境则是通过动植物的细胞呼吸和微生物的分解作用实现的。
3．温室效应
（1）形成原因：
大量化石燃料的燃烧，大气中的CO2含量迅速增加，打破了生物圈中碳循环的平衡。
（2）影响：
导致气温升高，加快极地和高山冰川的融化，导致海平面上升，进而对人类和其他许多生物的生存构成威胁。
1．（必修3P94图5—7改编）如图为生态系统中能量流动示意图，①②③④⑤⑥各代表一定能量，有关叙述正确的是（ ）
A．从能量关系来看①＝②＋⑤
B．⑥都属于初级消费者的同化量
C．分解者获得的能量最少
D．③/②代表初级消费者流入次级消费者的能量传递效率
答案：
D
2.
（必修3P96图5—9改编）如图是某湖泊的能量金字塔，下列相关描述不正确的是（ ）
A．a、b、c、d表示不同的营养级
B．a、b、c、d之间形成一条a到d的食物链
C．a、b、c、d的大小表示不同的营养级所得到的能量的多少
D．a、b、c、d的大小变化体现了能量流动逐级递减的特点
答案：
B
3．思维诊断
（1）判断下列有关生态系统能量流动的叙述
①（2016·山东实验中学高三期末T30B）流经生态系统的总能量是照射在生产者上的太阳能。
（×）
②流经第二营养级的总能量指次级消费者摄入体内的能量。
（×）
③（2016·东北师大附中期末T25A）多吃肉食比多吃素食消耗的粮食总量更多。
（√）
④稻田生态系统中，防治稻田害虫可提高生产者和消费者之间的能量传递效率。
（×）
⑤生态系统的食物链中营养级越高的生物，其体型必然越大。
（×）
⑥若在农田周围合理植树，可控制鼠害，从而帮助人们合理地调整该生态系统中的能量流动关系，使人们从中更多获益。
（√）
⑦研究能量流动，可调整能量流动关系，使生产者固定的能量全部流向人类。
（×）
（2）判断下列有关生态系统物质循环的叙述
①（2016·南京市高三质量检测T20C）参与循环的物质是组成生物体的各种化合物。
（×）
②碳的循环在生物群落内部是以CO2的形式进行的。
（×）
③光合作用推动碳循环过程，促进了生物群落中的能量循环。
（×）
④植物可通过呼吸作用和光合作用参与生态系统的碳循环。
（√）
⑤碳循环的进行伴随着能量流动，但由于生物体不能在代谢中利用热能，所以能量流动具有单向流动、逐级递减的特点。
（√）
⑥由于过度的人工碳排放，破坏了生态系统的碳平衡，导致大气中二氧化碳浓度增加并引起全球气候变化。
（√）
考点一 生态系统的能量流动[学生用书P245]
1．能量在营养级之间流动过程图解
（1）
（2）能量去向分析
①消费者摄入能量＝消费者同化能量＋粪便中的能量，即动物粪便中的能量不属于该营养级同化能量，应为上一个营养级固定或同化能量。
②消费者同化能量＝呼吸消耗的能量＋生长、发育和繁殖的能量。
③生长、发育和繁殖的能量＝分解者分解利用的能量＋下一营养级同化的能量＋未被利用的能量。
2．能量流动的特点及其原因
（1）单向流动
①能量流动是沿食物链进行传递的，食物链中各营养级之间的捕食关系是长期自然选择的结果，是不可逆转的。
②各营养级通过呼吸作用所产生的热能不能被生物群落重复利用，因此能量流动无法循环。
（2）逐级递减
①各营养级生物都会因呼吸作用消耗大部分能量。
②各营养级的能量都会有一部分流入分解者，包括未被下一营养级生物利用的部分。
3．生态金字塔——能量流动模型
类型
项目
能量金字塔
数量金字塔
生物量金字塔
形态
特点
正金字塔形
一般为正金字塔形，有时会出现倒金字塔形
正金字塔形
象征含义
能量沿食物链流动过程中具有逐级递减的特性
生物个体数目在食物链中一般随营养级升高而递减
生物量（现存生物有机物的总质量）沿食物链流动逐级递减
每一阶含义
每一营养级生物所含能量的多少
每一营养级生物个体的数目
每一营养级生物的总生物量
（2016·陕西西安模拟）图1为某池塘生态系统的能量金字塔简图，其中Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ分别代表不同的营养级，m1、m2代表不同的能量形式。
图2表示能量流经该生态系统某一营养级的变化示意图，其中a～g表示能量值的多少。
请据图回答：
（1）图2中，若A表示图1中营养级Ⅱ所摄入的全部能量，则B表示营养级Ⅱ同化的能量，C表示________________。
若图1中营养级Ⅰ所固定的太阳能总量为y，营养级Ⅰ、Ⅱ间的能量传递效率是________（用图中所给字母的表达式表示）。
（2）若图1中营养级Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ各有一种生物甲、乙、丙，构成食物关系如图3。
其中甲能量中比例为x的部分直接提供给丙，要使丙能量增加AkJ，至少需要消耗甲的能量是________kJ。
（3）除图1中所示的生物类群，该生态系统的生物组成成分还应有________才能保证其物质循环的正常进行。
[解析]
（1）同化的能量一部分以细胞呼吸产生热能的形式散失掉，一部分用于自身的生长、发育和繁殖，C表示营养级Ⅱ用于生长、发育和繁殖的能量。
营养级传递效率是同化量之比，即b/y×100%。
（2）最少消耗按照最大的传递效率20%计算，其中甲能量中比例为x的部分直接提供给丙，假设甲的能量是M，即Mx/5＋M（1－x）/25＝A，计算可得M＝25A/（1＋4x）。
（3）图1中包含了生产者和消费者，在生态系统中的生物成分还缺少分解者。
[答案]
（1）营养级Ⅱ用于生长、发育和繁殖的能量
b/y×100%
（2）25A/（1＋4x）
（3）分解者
能量传递效率的计算
（1）相邻营养级的能量传递效率：
10%～20%，计算方法如下：
能量传递效率＝
×100%。
（2）食物链中能量的最值计算
设食物链A→B→C→D，分情况讨论（如下表）：
①能量传递效率未知时
已知
问题
思路求解
D净增重M
至少需要A的量Y
Y（20%）3＝M
最多需要A的量Y
Y（10%）3＝M
A净增重N
D最多增重的量Y
N（20%）3＝Y
D至少增重的量Y
N（10%）3＝Y
②已确定营养级间能量传递效率的，不能按“最值”法计算。
例如，能量传递效率分别为a%、b%、c%，若A的能量为M，则D获得的能量为M×a%×b%×c%。
（3）在食物网中分析
在解决有关能量传递的计算问题时，需要确定相关的食物链，能量传递效率约为10%～20%，一般从两个方面考虑
生态系统能量流动过程分析
1．（2016·安徽名校模拟）如图为草原生态系统的能量流动图解模型，A、B、C分别表示流入各营养级生物的能量，D、E、F分别表示各营养级生物用于生长、发育、繁殖的能量，G、H、I分别表示草、兔子、狼呼吸作用消耗的能量，J、K、L分别表示流入分解者的能量。
下列说法中正确的是（ ）
A．图中A＝D，B＝E，C＝F
B．K中能量包括兔子尸体及狼粪便中的能量
C．食物链中能量最少的是分解者所处的营养级
D．第一营养级与第二营养级间的能量传递效率是E/D
解析：
选B。
题图中A>D，B>E，C>F；食物链中能量最少的是狼所处的营养级；第一营养级与第二营养级间的能量传递效率是B/A。
2．（2016·豫东、豫北名校联考）下图表示生态系统中各营养级能量的类型和去向（d表示该营养级未被利用的能量）。
有关叙述中不正确的是（ ）
A．图中a1、a2可表示生产者与消费者的呼吸量，但所占比例不符
B．生态系统中能量传递效率为（a2＋b2＋c2＋d2）/（a1＋b1＋c1＋d1）
C．消费者从生产者摄取的能量数值可用b1表示，且此部分能量存在于有机物中
D．在食物链中，各营养级获得能量的方式及能量的用途相同
解析：
选D。
各营养级同化的能量大部分用于呼吸作用，a1、a2可表示生产者与消费者的呼吸量，但a1所占比例偏小；能量传递效率为相邻两个营养级生物同化量之比，图中能量传递效率为（a2＋b2＋c2＋d2）/（a1＋b1＋c1＋d1）；b1表示消费者从生产者摄取的能量，存在于生产者光合作用制造的有机物中；食物链中，第一营养级通过光合作用固定太阳能，其他营养级生物通过捕食直接摄取有机物，对最高营养级生物来说，能量不会再流向下一个营养级，即各营养级生物获得能量的方式和能量的用途不尽相同。
易错点 同化量≠摄入量
[点拨] 同化量：
指被消费者消化吸收的物质所含有的能量。
摄入量：
指被消费者摄入的物质所含有的能量。
同化量＝摄入量－粪便量。
能量流动过程中的相关计算
3．（2015·高考福建卷）下图为某人工鱼塘食物网及其能量传递示意图（图中数字为能量数值，单位是J·m－2·a－1）。
下列叙述正确的是（ ）
A．该食物网中最高营养级为第六营养级
B．该食物网中第一到第二营养级的能量传递效率为25%
C．太阳鱼呼吸作用消耗的能量为1357J·m－2·a－1
D．该食物网中的生物与无机环境共同构成一个生态系统
解析：
选B。
A项，该食物网中最长的食物链为：
浮游植物→浮游动物→幽蚊幼虫→太阳鱼→鲈鱼，食物网中最高营养级鲈鱼属于第五营养级。
B项，第二营养级包括浮游动物和摇蚊幼虫，二者共有的能量为3780＋4200＝7980，因此从第一营养级到第二营养级的能量传递效率为：
7980÷31920×100%＝25%。
C项，一个营养级所含有的能量，一部分流入下一个营养级，还有一部分用于自身呼吸消耗和流向分解者等，题目中1357是1483（太阳鱼总同化量）减去126（下一营养级同化量）得到的，因此太阳鱼呼吸作用消耗的能量比1357J·m－2·a－1要少。
D项，生态系统的组成成分包括生产者、消费者、分解者和无机环境，而食物网中只有生产者和消费者，无分解者，所以食物网与无机环境不能构成生态系统。
4．（2016·安徽安庆二模）下表是某生态系统中能量流动情况的调查结果，表中甲、乙、丙、丁、戊分别代表构成该生态系统食物网的主要种群[表中数据单位：
102kJ/（m2·年）]。
下列说法错误的是（ ）
种群
同化固定的能量
体内贮存的能量
呼吸消耗的能量
甲
16.74
4.54
12.2
乙
70
15.8
54.2
丙
930
229
701
丁
69.5
20
49.5
戊
1.674
0.4
1.274
A.表中的丙为生产者
B．表中的种群构成2条食物链
C．当某种原因导致乙大量减少时，戊的数量仍能保持相对稳定
D．第一营养级和第二营养级之间的能量传递效率约为18%
解析：
选D。
根据各种群同化量可判断甲、乙、丙、丁、戊能形成食物网
，其中丙为生产者，A、B正确；当乙大量减少时，戊可以通过丙→丁→甲→戊食物链获得能量进而保持数量相对稳定，C正确；乙和丁处于第二营养级，同化的能量是139.5×102kJ/（m2·年），丙处于第一营养级，同化的能量是930×102kJ/（m2·年），则能量由第一营养级到第二营养级的传递效率是（139.5×102）/（930×102）×100%＝15%，D错误。
关于生态金字塔的考查
5．（2014·高考海南卷）用各营养级生物的能量、数量构建的金字塔分别称为能量金字塔、数量金字塔。
在某一栎林中，第一营养级生物为栎树，第二营养级生物为昆虫，第三营养级生物为蛙、蜥蜴和鸟，第四营养级生物为蛇。
该栎林数量金字塔的示意图是（ ）
解析：
选B。
在数量金字塔中昆虫的数量远远大于栎树的数量，第三营养级的生物数量小于昆虫的数量，第四营养级的数量小于第三营养级的数量，故选B。
6．（2014·高考天津卷）图a、b分别为农村和城市生态系统的生物量（生命物质总量）金字塔示意图。
下列叙述正确的是（ ）
A．两个生态系统均可通过信息传递调节种间关系
B．两个生态系统的营养结构均由3个营养级组成
C．城市生态系统不具有自我调节能力，抵抗力稳定性低
D．流经两个生态系统的总能量均是其植物所固定的太阳能
解析：
选A。
A项，生态系统均可通过信息传递调节生物的种间关系，以维持生态系统的稳定。
B项，题图a、b分别表示农村和城市生态系统的生物量金字塔，两者的营养结构不是由3个营养级组成的，如在农村生态系统中，存在食物链：
农作物→昆虫→蜘蛛→鸟→猫头鹰，不只由3个营养级组成。
C项，任何生态系统都具有自我调节能力，只是自我调节能力有一定的限度。
虽然城市生态系统的营养结构简单，但其也有自我调节能力，只是自我调节能力弱，抵抗力稳定性低。
D项，流经城市生态系统的总能量来自生产者固定的太阳能和外来人为的物质输入。
考点二 生态系统的物质循环[学生用书P247]
1．碳循环过程
（1）碳进入生物群落的途径：
生产者的光合作用和化能合成作用。
（2）碳返回无机环境的途径
①生产者、消费者的呼吸作用。
②分解者的分解作用。
③化石燃料的燃烧。
（3）分析温室效应产生的原因
①化石燃料的大量燃烧，产生了大量CO2。
②植被破坏，降低了对大气CO2的调节能力。
2．能量流动与物质循环之间的关系
（1）区别
项目
能量流动
物质循环（以碳循环为例）
形式
以有机物为载体
主要是无机物
特点
单向流动、逐级递减
全球性、循环性
范围
生态系统各营养级
生物圈（全球性）
（2）联系
①两者是同时进行的，彼此相互依存，不可分割。
②物质作为能量的载体，使能量沿着食物链（网）流动；能量作为动力，使物质能够不断地在生物群落和无机环境之间循环往返。
（2016·重庆模拟）如图表示生物圈中碳循环过程，其中A、B、C表示生态系统的不同成分。
请回答以下问题：
（1）图中④⑦的生理过程分别是____________、____________，两大生理过程共同维持着碳循环。
（2）图中生态系统中的食物链是______，该结构的复杂程度决定着生态系统________稳定性的大小。
（3）碳从生物群落进入无机环境的途径是________，是以CO2的形式进行的。
（4）碳循环具有______性、循环性，降低______过程有利于维持大气中的碳、氧平衡。
[答案]
（1）光合作用 细胞呼吸
（2）B→C 抵抗力 （3）③⑤⑦ （4）全球 ⑥
碳循环示意图中生态系统成分的判断方法
[图形解读]
（1）图1——先根据双向箭头确定A和B应为生产者或大气CO2库，再由多个单向箭头可判断B为大气CO2库（不能写“无机环境”），再根据A→D，C→D，确定D为分解者，剩下的C为消费者。
（2）图2——根据A与C之间的双向箭头及C有多个单向箭头判断：
A和C分别是生产者和大气CO2库。
根据A、B、D的碳都流向E，可进一步判断：
B是初级消费者，D是次级消费者，E是分解者。
（3）图3——首先找出相互之间具有双向箭头的两个成分，即A和E，一个为生产者，一个是大气CO2库。
又因为其他各个成分都有箭头指向A，所以A为大气CO2库，E为生产者。
然后观察剩余的几个成分，其中其他生物部分的箭头都指向C，所以C是分解者，剩余的B、D、F则为消费者。
碳循环过程及特点分析
1．（2016·陕西西安模拟）下面是某城市人工湿地示意图，需要补充完善的碳循环过程包括（ ）
A．植物
大气中CO2
B．动物
大气中CO2
C．植物
大气中CO2和动物
大气中CO2
D．以上均错误
解析：
选C。
图中只有生物成分之间及微生物与大气中CO2间的碳流动过程，缺乏植物和动物与大气间的CO2交换过程，大气中的CO2进入生物群落主要依赖于植物的光合作用，生物群落中的碳进入大气主要通过植物、动物和微生物的呼吸作用（图中已有微生物的分解作用）。
2．气候变化与生态系统的碳循环密切相关，下表为A、B两个不同时期陆地生态系统与大气环境的碳交换情况。
时期
碳吸收量（kgC·a－1）
碳释放量（kgC·a－1）
A
1.20×1014
1.20×1014
B
1.20×1014
1.26×1014
下列叙述不正确的是（ ）
A．生态系统碳的吸收主要是通过光合作用实现的，碳的释放主要是通过呼吸作用实现的
B．表中A时期处于相对稳定状态，原因是碳的吸收量与释放量相对平衡
C．由于过度排放人工碳使得植物光合作用受到抑制，破坏了生态系统的物质循环，导致大气中二氧化碳的增加，并引起气候变化
D．化石燃料的燃烧对现代碳循环影响巨大
解析：
选C。
植物通过光合作用固定大气中的无机碳，而生物的呼吸作用则把生物群落中的有机碳转变为无机碳，再返还给大气。
表中A时期碳的吸收量和释放量是相同的，说明大气中碳的含量相对稳定。
B时期碳的释放量大于吸收量，说明人为增加化石燃料的燃烧会增加碳的释放量，从而影响整个生态系统的碳循环。
大气中CO2含量的提高可以增强光合作用，而不是使光合作用受到抑制，所以C项的表述是错误的。
易错点1 误认为在生物群落中碳都是以CO2的
形式进行循环的
[点拨] 在生态系统中，碳元素主要以CO2的形式循环，其含义是指碳元素从无机环境进入生物群落以及由生物群落返回无机环境是以CO2的形式进行的，但在生物群落内碳元素则是以含碳有机物的形式进行传递的。
易错点2 误认为能量伴随着物质循环而循环
[点拨] 物质循环流动，能量单向流动不循环，所以不能说能量伴随着物质循环而循环。
物质循环和能量流动规律的应用实
例分析
3．（2016·浙江温州二模）如图为现代版“桑基鱼塘”农业生态系统的能量流动和物质循环模式图，据图分析正确的是（ ）
A．“
桑”不能代表能量流动
B．模式图中不应有“
池塘”的箭头
C．鱼是二级消费者
D．该生态农业促进了能量流动和物质循环
解析：
选D。
“
桑”代表该生态系统能量的输入，A错误；该池塘水体中还有其他的生产者，模式图中应有“
池塘”的箭头，B错误；图中显示鱼以蚕粪为食，是初级消费者，C错误；该生态农业促进了物质循环，提高了能量的利用率，D正确。
4.
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（ ）
A．微生物也能利用农作物通过光合作用储存的能量
B．沼气池中的微生物也是该生态系统的分解者
C．沼渣、沼液作为肥料还田，使能量能够循环利用
D．多途径利用农作物可提高该系统的能量利用效率
解析：
选C。
在生态系统中，能量流动是单向的，不能循环利用，选项C错误。
该生态系统中，沼气池中的微生物能利用农作物固定的太阳能，属于分解者，选项A、B项正确；物质和能量的多级利用，减少了能量的流失，提高了能量的利用率，选项D正确。
能量传递效率与能量利用效率的辨析
（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）能量利用效率：
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。
[学生用书P249]
[核心体系构建]
[填充] ①生产者固定的能量 ②食物链（网） ③热能
④单向流动 ⑤逐级递减 ⑥全球性 ⑦循环往复
⑧生物群落 ⑨生物圈
[规范答题必备]
1．能量流动的三个常考点
（1）起点：
从生产者固定太阳能开始（输入能量）。
（2）总能量：
流经生态系统的总能量＝生产者所固定的太阳能总量。
（3）渠道：
沿食物链和食物网传递（传递能量）。
2．生产者固定的太阳能的三个去向
（1）呼吸作用消耗。
（2）下一营养级同化。
（3）分解者分解。
3．能量流动的两个特点：
单向流动、逐级递减。
4．生态系统的物质循环
（1）循环的对象：
化学元素。
（2）循环的范围：
无机环境和生物群落。
（3）循环的特点：
具有全球性；往复循环利用。
5．大气中CO2的三个主要来源
（1）生产者、消费者的呼吸作用。
（2）分解者的分解作用。
（3）化石燃料的燃烧。
6．能量流动和物质循环的两个关系
（1）物质是能量流动的载体。
（2）能量是物质循环的动力。
[学生用书P249]
1．（2015·高考海南卷）关于草原生态系统能量流动的叙述，错误的是（ ）
A．能量流动包括能量的输入、传递、转化和散失的过程
B．分解者所需的能量可来自各营养级生物所储存的能量
C．生态系统维持正常功能需要不断得到来自系统外的能量
D．生产者固定的能量除用于自身呼吸外，其余均流入下一营养级
解析：
选D。
能量流动包括能量的输入、传递、转化和散失过程，A正确；分解者的作用就是将有机物分解成无机物，并从中获取生命活动所需的能量，B正确；生态系统维持正常功能需要不断地输入光能，C正确；生产者固定的能量除用于自身呼吸外，部分流向分解者，部分流向下一营养级，D错误。
2．如图为某生态系统中能量流动过程图解，a～d表示相关能量数据，下列分析错误的是（ ）
A．流入该生态系统的总能量是87400kJ·m－2·y－1
B．初级消费者用于生长、发育和繁殖的能量是6200kJ·m－2·y－1
C．各级消费者粪便中的能量属于其同化量
D．能量从第二营养级传递到第三营养级的效率为11.4%
解析：
选C。
流经某生态系统的总能量是生产者固定的太阳能总量，即87400kJ·m－2·y－1，而不是照射到植物表面的太阳能总量；初级消费者用于生长、发育和繁殖的能量是同化量减去呼吸作用以热能形式散失的能量，也就是流向下一营养级和被分解者利用的能量之和，即a－7800＝1600＋4600＝6200kJ·m－2·y－1；消费者粪便中的能量不属于其自身的同化量，而是属于其上一营养级的同化量；能量从第二营养级到第三营养级的能量传递效率等于第三营养级的同化量占第二营
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