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第3章 生态系统及其稳定性
第二节 生态系统的能量流动
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。
荒岛上,哪种生存策略能让你维持更长的时间来等待救援?
√
分析生态系统能量流动的过程和特点。
理解生态金字塔
概述研究能量流动的实践意义。
教学目标
生态系统的能量流动的概念
生态系统中能量的输入、传递、转化和散失的过程,称为生态系统的能量流动。
生产者通过光合作用将光能转化成为化学能,固定在它们所制造的有机物中(其次还有化能合成作用)
1.输入
①能量来源:
太阳能
②能量流动的起点:
生产者固定太阳能
③流经生态系统的总能量:
生产者所固定的全部太阳能
④能量输入过程:
若为人工生态系统,流经生态系统的能量为生产者固定的太阳能总量和人工补充的能量
2.传递:
①能量传递的途径(渠道):
食物链和食物网
②能量传递的形式:
有机物中的化学能
3.转化:
太阳能
光合作用
有机物中的化学能
热能
呼吸作用
4.散失:
热能
①散失的主要途径:
②散失的形式:
细胞呼吸
研究能量流动的基本思路
能量流经一个种群的情况可以图示如下:
能量输入
个体1
个体2
个体3
……
储存在体内的能量
呼吸作用散失的能量
储存在体内的能量
呼吸作用散失的能量
储存在体内的能量
呼吸作用散失的能量
以个体为研究对象,有很大的局限性和偶然性,如果个体死亡,数据可能不准确;不同个体间差异过大。
研究能量流动的基本思路
如果将这个种群作为一个整体来研究,则左图可以概括成下图形式,从中可以看出分析能量流动的基本思路。
能量输入
种群
能量储存
能量散失
如果以种群为研究对象,能量流动的渠道为食物链,在分析时,可能因为食物网的复杂性而影响结果的准确性。
研究能量流动的基本思路
能量输入
种群
能量储存
能量散失
可以比较精确地测量每一个营养级能量的输入值和输出值。
某营养级
如果将一个营养级的所有种群作为一个整体,那么下图将概括为何种形式呢?
一、能量流动的过程
1、能量经过第一营养级(生产者)示意图
生产者光合作用固定(同化)
自身生长发育繁殖
自身呼吸作用消耗
分解者分解
流向下一营养级
未被利用
光能
1%
99%散失
生产者的同化量怎么表示?
=照射到地面上的太阳能-反射的太阳能
=呼吸消耗的能量+流向下一营养级的能量+分解者利用的能量+未被利用的能量
思考
生产者的同化量
=呼吸消耗的能量+自身生长发育繁殖的能量
2、能量经过第二营养级(初级消费者)示意图
思考1:粪便中的能量属于初级消费者同化量么?
属于生产者的同化量
思考2:同化量与摄入量一样么?
同化量=摄入量-粪便中能量
初级消费者的同化量
=摄入量-粪便中能量
=呼吸消耗的能量+流向下一营养级的能量+分解者利用的能量+未被利用的能量
初级消费者的同化量
=呼吸消耗的能量+自身生长发育繁殖的能量
思考
第三、四营养级的同化量
=摄入量-粪便中能量
=呼吸消耗的能量+流向下一营养级的能量+分解者利用的能量+未被利用的能量
=呼吸消耗的能量+自身生长发育繁殖的能量
思考
最高营养级的同化量
=摄入量-粪便中能量
=呼吸消耗的能量+分解者利用的能量+未被利用的能量
=呼吸消耗的能量+自身生长发育繁殖的能量
思考
能量来源
呼吸作用散失
太阳能
生产者
能量去路
每个营养级
总能量
固定的太阳能总量
各级消费者
上一个营养级
生产者:
各级消费者:
同化量=摄入量-粪便量
流入下一营养级
被分解者利用
未被利用
归纳总结
用于自身生长、发育和繁殖的部分
呼吸作用
呼吸作用
呼吸作用
呼吸作用
生产者
(绿色植物)
初级消费者(植食性动物)
次级消费者(肉食性动物)
三级消费者(肉食性动物)
呼吸作用
……
分解者
归纳概括能量流动过程:
箭头的大小、菱形方块的大小表示:
箭头方向表示:
能量的流动方向
能量的多少
3.流经第三营养级的总能量是指三级消费者摄入到体内的能量( )
常考基础诊断
CHANG KAO JI CHU ZHEN DUAN
×
×
×
1.生态系统的能量流动就是指能量的输入和散失过程( )
2.流经生态系统的总能量是照射在生产者上的太阳能( )
5.除最高营养级外,某一营养级的总能量由四个部分组成:自身呼吸消耗的能量、流向下一个营养级的能量、被分解者利用的能量和未被利用的能量( )
常考基础诊断
CHANG KAO JI CHU ZHEN DUAN
√
√
4.生产者通过光合作用合成有机物时,能量就从无机环境输入到了生物群落( )
生态系统中的能量流动
1.生态系统中的能量流动和转化是否遵循能量守恒定律,为什么?
遵循;能量在生态系统中流动、转化后,一部分储存在生态系统生物体的有机物)中,另一部分在呼吸作用中以热能的形式散失,两者之和与流入生态系统的能量相等。
2.流经生态某生态系统的能量能否再回到这个生态系统中来?为什么?
不能,因为能量流动是单向的。
思考·讨论
二、能量流动的特点
塞达伯格湖能量流动图解
林德曼(美)
1.用表格的形式,将图中的数据进行整理。例如,可以将每一营养级上的能量“流入”和“流出”整理成为一份清单(“流出”的能量不包括呼吸作用散失的能量)。
营养级 流入能量 流出能量 (输入下一营养级) 出入比
(传递效率)
生产者
植食性动物
肉食性动物
464.6
62.8
13.5%
62.8
12.6
20.1%
12.6
2.计算“流出”该营养级的能量占“流入”该营养级能量的百分比。
1、能量能否从植食性动物流向生产者?
思考
不能,生态系统各营养级间取食和被食的关系是不可逆的。
2、呼吸作用释放的能量还能循环利用吗?
不能,各营养级通过呼吸作用散失的热能不能再被生物利用。
3、流入某一营养级的能量,为什么不能百分之百的流向下一营养级?
③一部分未被捕食,未能进入下一营养级
流入某一营养级的能量除了流入下一营养级的之外,还有以下去向:
①一部分通过该营养级的呼吸作用散失
②一部分作为排出物、遗体或残枝败叶被分解者利用
思考
单向流动
②通过呼吸作用散失的热能不能再次被利用。
①食物链中的捕食关系不能逆转
能量流动的特点
逐级递减
原因
总有一部分能量经自身呼吸消耗、被分解者分解、未被下一个营养级利用。
(能量传递效率为10%~20%)
原因
思考
为什么生态系统中能量流动一般不超过5个营养级?
能量是单向流动,逐级递减的在一个生态系统中,营养级越多,在能量流动过程中消耗的能量就越多。
任何生态系统都需要不断得到来自系统外的能量补充,以便维持生态系统的正常功能。如果一个生态系统在一段较长时期内没有能量(太阳能或化学能)输入,这个生态系统就会崩溃。
(1)生态系统维持正常功能需要不断得到来自系统外
的能量( )
(2)相邻两个营养级的能量传递效率不会小于10%,
也不会大于20%( )
(3)多吃肉食比多吃素食消耗的粮食总量更多( )
(4)由于热能不能重新利用,所以不遵循能量守恒
定律( )
√
×
√
常考基础诊断
CHANG KAO JI CHU ZHEN DUAN
×
例题:
√
怎样从能量流动的角度解释“一山不容二虎”?
想一想
能量流动是逐级递减的,营养级越高,得到的能量越少。
老虎处于最高营养级,要养活一只老虎,需要大量的生产者,需要很大的捕食范围。
与能量传递效率有关的计算
能量传递效率针对的是相邻两个营养级之间的同化量之比,且能量传递效率不能提高。
例题:一只狼捕捉了一只兔子,则这只狼最多能获得兔子20%的能量( )
×
=
某一营养级同化量
上一营养级同化量
能量传递效率
×100%
1
4
1、已知低营养级同化量,求高营养级同化量:
在食物链“草→兔→鹰”中,假如现有草100kg,则:
①最多可使鹰增重____kg。
②最少可使鹰增重____kg。
能量传递效率按 来算。
能量传递效率按 来算。
20%
10%
在食物链“草→兔→鹰”中,要使鹰增加2kg体重,则:
200
50
2、已知高营养级同化量,求低营养级同化量:
①最多要消耗草______kg。
②最少要消耗草_____kg。
能量传递效率按 来算。
能量传递效率按 来算。
10%
20%
3、多条食物链,已知低营养级同化量,求高营养级
获得能量最多:选最 食物链;按 计算
获得能量最少:选最 食物链;按 计算
短
长
10%
20%
如果A有10000 kg,
C最多增加_____kg,
最少增加___kg。
400
1
若人的体重增加1 kg,
最少需消耗水藻______kg,
最多消耗水藻_________kg。
25
100 000
4、多条食物链,已知高营养级同化量,求低营养级
需最少能量:选最 食物链;按 计算
需最多能量:选最 食物链;按 计算
短
长
10%
20%
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20 g体重,最少需要消耗的植物为
A.80 g B.900 g
C.800 g D.600 g
√
5、在食物网中,某一营养级同时从上一营养级的多种生物获得能量,且各途径所获得的生物量比例确定,则需按照各单独的食物链进行计算后合并。
6.在如图所示的食物网,如将A流向B和C的比例由B∶C=1:1调整为1:2,能量传递效率按10%计算,C获得的能量是原来的_______倍。
2022-11-13
1.27
设现有A能量为150,当A流向B和C的能量为1:1时,C获得的能量为:
75×10%×10%+75×10%=8.25
当A流向B和C的能量为1:2时,C获得的能量为:
50×10%×10%+100×10%=10.5
所以,C获得的能量是原来的10.5/8.25=1.27倍
7.在如图所示的食物网,如将C的食物比例由A∶B=1∶1调整为2∶1,能量传递效率按10%计算,该生态系统能承载C的数量是原来的_______倍。
2022-11-13
1.375
设当食物比例A:B=1:1时,C的能量为x
则需要的A为1/2x÷10%+1/2x÷10%÷10%=55x
设当食物比例A:B为2:1时,C的能量为y
则需要的A为
由于两种情况下,生产者的数量是一定的,所以55x=40y,
则y=1.375x
2/3y÷10%+1/3y÷10%÷10%=40y
第一营养级
第二营养级
第三营养级
第四营养级
三、生态金字塔
1、能量金字塔
将单位时间内各营养级所得到的能量数值转换为相应面积(或体积)的图形,并将图形按照营养级顺序排列,可形成一个金字塔图形,叫做能量金字塔。
第一营养级
第二营养级
第三营养级
第四营养级
直观的反映出生态系统各营养级间能量的关系
通常都是上窄下宽的正金字塔形。
意义:
特点:
能量在流动中总是逐级递减的。
成因:
人类位于食物链的顶端,从能量金字塔来看,人口数量日益增长,这会对地球上现有的生态系统造成什么影响?
人口数量日益增长,会要求低营养级有更多的能量流入人类所处的营养级,也就是说,人类所需要的食物会更多,将不得不种植或养殖更多的农畜产品,会给地球上现有的自然生态系统带来更大的压力。
2、生物量金字塔
用表示能量金字塔中的方法表示各营养级的生物量(每个营养级所容纳的有机物的总干重),即为生物量金字塔。
第二营养级
第一营养级
干重 g/m2
1.5
11
37
809
营养级
第四营养级
第三营养级
直观的反映生态系统各营养级所容纳的有机物的总干重的关系。
大多也是上窄下宽的正金字塔形。
意义:
特点:
原因:
一般来说植物的总干重通常大于植食性动物的总干重,而植食性动物的总干重也大于肉食性动物的总干重。
第二营养级
第一营养级
干重 g/m2
1.5
11
37
809
营养级
第四营养级
第三营养级
生物量金字塔在什么情况下,可能是上宽下窄倒置的金字塔形呢?
在海洋生态系统中,
由于生产者(浮游植物)的
个体小,寿命短,又会不
断地被浮游动物吃掉,所以某一时刻调查到的浮游植物的生物量可能低于浮游动物的生物量。
当然,总的来看,一年中浮游植物的总的生物量还是比浮游动物的要多。
3、数量金字塔
用表示能量金字塔的方法表示各营养级的生物个体的数目比值关系,即为数量金字塔。
营养级
第二营养级
第一营养级
个体数量
鼠
草
鼬
第三营养级
营养级
第二营养级
第一营养级
个体数量
昆虫
树
意义:
特点:
原因:
直观的反映生态系统各营养级的生物个体的数目比值关系。
可以是上窄下宽的正金字塔形,也可以是上宽下窄的倒金字塔形。
如果消费者的个体小而生产者的个体大,则会呈现倒金字塔形。
营养级
第二营养级
第一营养级
个体数量
鼠
草
鼬
第三营养级
营养级
第二营养级
第一营养级
个体数量
昆虫
树
能量金字塔 生物量金字塔 数量金字塔
特点
每一层含义
单位时间内,食物链中每一营养级生物所同化的能量的多少
自然生态系统一定为正金字塔
单位时间内,每一营养级生物的有机物的总干重
一般为正金字塔,有时会出现倒金字塔形
每一营养级生物个体的数目
一般为正金字塔,有时会出现倒金字塔形
三种生态金字塔的比较
食物链(网)的构建
A、B、C、D为四种动物,各种群同化的能量如图所示,则该生物之间构成的食物链(网)是:
生产者
如果将纵坐标换为生物量、有机物含量、生物的数量,一般情况下,该食物链是怎样的?
不变
A、B、C、D为四种动物,各种群有毒物质含量如图所示,该食物链是怎样的?
→D
生产者
B
C
A
有毒物质含量
有毒物质会随着食物链、食物网逐级递增(生物富集),营养级越高,有毒物质越多。
四、研究能量流动的意义
1.研究生态系统的能量流动,可以帮助人们将生物在时间、空间上进行合理配置,增大流入某个生态系统的总能量。
间作套种
多层育苗
稻—萍—蛙
2.研究生态系统的能量流动,可以帮助人们科学地规划和设计人工生态系统,使能量得到最有效的利用。
秸秆饲料
沼气池
沼渣
(≠能量的传递效率)
实现了对能量的多级利用,从而大大提高能量的利用率。
3.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。
合理确定草场的载畜量
稻田除草、除虫
拓展题p60
太阳能
农作物
家禽、家畜
人
太阳能
农作物
家禽、家畜
沼气池
食用菌
人
完成能量流动图解
图a
图b
哪个生态系统的能量能够更多地被人类所利用?为什么?
图a
图b
图b所示生态系统中流向分解者的能量,还有一部分可以以生活能源或食物中化学能的形式被人类再度利用,因此,该生态系统实现了能量的多级利用,提高了能量的利用率。
图b