3.2 生态系统的能量流动 学案 2023-2024学年高二生物人教版（2019）选择性必修2（含答案）
文档属性
| 名称 | 3.2 生态系统的能量流动 学案 2023-2024学年高二生物人教版（2019）选择性必修2（含答案） |  | |
| 格式 | docx | ||
| 文件大小 | 533.3KB | ||
| 资源类型 | 教案 | ||
| 版本资源 | 人教版（2019） | ||
| 科目 | 生物学 | ||
| 更新时间 | 2024-04-08 21:20:23 | ||
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文档简介
第2节 生态系统的能量流动
【学习目标】
1.通过探究学习认识生态系统能量流动的过程，明确研究能量流动的意义，逐步完善物质与能量观。(生命观念)
2.通过探究学习认识能量流动的特点，掌握定量分析法等科学分析方法。(科学探究)
3.通过探究学习掌握生态系统能量流动的规律，利用相关知识分析和解决实际问题。(科学思维、科学探究)
【自主预习】
一、能量流动的概念
生态系统的能量流动:生态系统中能量的 输入、传递、转化和散失 的过程。
二、能量流动的过程
1.能量的输入:太阳能被生态系统中的生产者通过光合作用转化成化学能，固定在它们所制造的有机物中。这样，太阳能就输入到了生态系统的第一营养级。
2.每一营养级的能量分析
(1)输入生产者(第一营养级)的能量
①一部分在 呼吸作用 中以热能的形式散失了。
②另一部分用于生产者的 生长、发育和繁殖 等生命活动，储存在植物体的有机物中。
构成植物体的有机物中的能量的去向有两个:
a.一部分随着残枝败叶等被 分解者 分解而释放出来。
b.另一部分被初级消费者摄入体内，这样能量就流入了 第二营养级 。
(2)流入初级消费者(第二营养级)的能量
①一部分在初级消费者的呼吸作用中以热能的形式散失。
②另一部分用于初级消费者的 生长、发育和繁殖 等生命活动，储存在初级消费者中。
储存的能量去向有:
a.一些以遗体残骸的形式被分解者利用。
b.如果初级消费者被次级消费者捕食，能量就流入了第三营养级。
(3)能量在第三、第四营养级的变化，与第二营养级的情况大致相同。
三、能量流动的特点
1.生态系统中能量流动是 单向 的。
2.能量在流动过程中逐级 递减 。
(1)一般情况下，能量在相邻两个营养级间的传递效率是 10%~20% 。
(2)生态系统中的能量流动一般不超过 5 个营养级。
四、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的次序排列，可形成一个金字塔图形。
2.生物量金字塔:用同样的方法表示各个营养级 生物量 (每个营养级所容纳的 有机物 的总 干重 )之间的关系，就形成生物量金字塔。
3.数量金字塔:表示各个营养级的生物个体的 数目 比值关系。
五、研究能量流动的意义
1.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。
2.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 。
3.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。
【合作探究】
情境导入
材料:“九月圆脐十月尖，持螯饮酒菊花天”，是说农历的九月、十月是食蟹的最佳季节。螃蟹是杂食动物，在自然条件下以取食水草、腐殖质为主，也喜食螺、蚌、蠕虫、昆虫，偶尔也捕食小鱼、虾。
问题探讨:
1.在同等自然条件下，螃蟹甲和螃蟹乙获取能量的途径有什么不同？
提示 螃蟹甲直接从生产者水草体内获得能量，螃蟹乙直接从初级消费者螺体内获得能量。
2.水草属于第几营养级？其能量来源于哪里？
提示 水草属于第一营养级。水草的能量来源于太阳能。
任务1 认识生态系统能量流动的过程
活动1 认识生态系统能量流动的过程
能量流经某生态系统第一营养级和第二营养级的图解如下，思考并回答下列问题:
1.流经该生态系统的总能量就是辐射到该地区太阳能的总量吗？
提示 不是辐射到该地区太阳能的总量，而是生产者通过光合作用固定的太阳能总量。
2.生态系统中生产者的能量输入只能通过光合作用吗？
提示 不是，绝大部分通过光合作用，但也可通过某些细菌的化能合成作用。
3.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。它们之间的关系:同化量=摄入量-粪便量。
4.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是未被其吸收的能量，所以不属于其同化的能量，而是属于上一营养级同化的能量。
5.分析、比较分别输入第一、第二营养级的能量去路，归纳二者的共同点。
提示 输入这两个营养级的能量，一部分通过呼吸作用以热能的形式散失，另一部分用于自身的生长、发育和繁殖等生命活动，储存在自身的有机物中。这些有机物中的能量，一部分被分解者利用，一部分流入下一营养级。
6.尝试用某营养级摄入的能量a，同化的能量b，粪便量c，用于生长、发育和繁殖暂时储存的能量d，呼吸作用以热能形式散失的能量e，流向下一个营养级的能量f，流向分解者的能量g，暂时未被利用的能量h，构建它们之间的大小关系。
提示 b=a-c=d+e=e+f+g+h。
认知生成
1.能量流动中能量形式的变化:太阳能→生物体有机物中的化学能→热能(最终散失)。
2.能量在食物链中流动的形式:有机物(食物)中的化学能。
3.能量散失的主要途径:细胞呼吸。
4.生产者的同化量就是生产者固定的太阳能总量，即光合总量。
5.消费者同化的能量=摄入量-粪便中有机物的能量。消费者粪便中含有的能量不能计入排便生物所同化的能量，因其未被该营养级消化吸收，它实际与上一个营养级的遗体残骸一样，属于上一营养级被分解者利用的那一部分能量。例如，蜣螂利用大象的粪便获得能量，就不能说蜣螂获得了大象的能量，而是获得了植物的能量。
6.流入或输入某一营养级的能量，即此营养级同化的能量。
7.摄入量、同化量和粪便量的区别与联系
项目 摄入量 同化量 粪便量
区别 摄入量指动物摄取的食物中所含的能量，即动物所吃食物中的能量 同化量指动物经消化道消化、吸收后所获得的能量，即动物摄食后转化为自身的能量 粪便量指动物摄入食物中所含能量未被消化、吸收的部分，即未同化的能量，属于上一营养级用于自身生长、发育和繁殖的能量，并没有进入本营养级
联系 同化量=摄入量—粪便量
例1 在“草→兔→狐”这条食物链中，兔经同化作用所获得的能量，其去向不包括( )。
A.通过兔子的呼吸作用释放
B.通过兔子的粪便流入分解者体内
C.通过狐的粪便流入分解者体内
D.流入狐体内
【答案】B
【解析】兔经同化作用所获得的能量=兔的摄入量-兔的粪便量，因此，兔子粪便中的能量不属于兔经同化作用所获得的能量，B符合题意。
对点练1 (2022·双鸭山月考)下图为人工鱼塘生态系统中能量流动的部分示意图(字母表示能量的多少)，相关叙述正确的是( )。
A.第二营养级与第三营养级之间的能量传递效率为e/b×100%
B.第二营养级粪便中的能量属于c中的部分能量
C.流经该生态系统的总能量a等于生产者所固定的太阳能
D.图中d表示第二营养级用于生长、发育和繁殖的能量
【答案】D
【解析】第二营养级与第三营养级之间的能量传递效率=第三营养级的同化量/第二营养级的同化量×100%，而e表示第三营养级的摄入量，b表示第二营养级的摄入量，A错误；第二营养级粪便中的能量仍属于其上一个营养级a中的部分能量，B错误；流经该生态系统的总能量=生产者固定的太阳能+人工投入的有机物中的化学能，C错误；据图分析可知，图中d表示第二营养级用于生长、发育和繁殖的能量，D正确。
技巧总结
1.能量流动过程分析(以某动物种群捕食种群A为例)
(1)未被捕食的是指没有被下一营养级摄食，仍以上一个营养级的形式存在的。
(2)未食入的是指没有被摄食进去的，如食物的碎屑，动物的骨头、毛发等，植物的秸秆等，其会被分解者利用。
(3)未同化的是指粪便，其会被分解者利用。
(4)在自然界中，对一个种群来说，其同化的能量去向还包括未被捕食的，也可以说是未利用的。
2.能量传递过程分析(以初级消费者为例)
任务2 认识能量流动的特点和意义
活动2 认识能量流动的特点和意义
1.下图是某人工鱼塘生态系统能量流动过程示意图，其中数字表示部分环节涉及的能量值[单位为103 kJ/(m2·a)]，据图回答下列问题:
(1)该生态系统中流入生物群落的总能量有哪些来源？
(2)肉食性动物、植食性动物和生产者固定的总能量分别是多少？
(3)依据上图分析，能量流动有哪些特点？如何理解这些特点？
(4)相邻两个营养级之间的能量传递效率一般是多少？计算方法是怎样的？
(5)图中生产者→植食性动物以及植食性动物→肉食性动物的能量传递效率分别是多少？(结果保留一位有效数字)
提示 (1)一个来源是生产者通过光合作用固定的太阳能，另一个来源是人工输入的有机物中的化学能。
(2)肉食性动物固定的总能量=(0.25+0.05+2.1+5.1)×103=7.5×103 kJ/(m2·a)；植食性动物固定的总能量=[(7.5-5)+0.5+4+9]×103=16×103 kJ/(m2·a)；生产者固定的总能量=[(16-2)+3+70+23]×103=110×103 kJ/(m2·a)。
(3)①单向流动。其原因:一是各营养级能量流动的顺序是不可逆转的；二是各营养级通过呼吸作用产生的热能会散失，不能被生物群落再利用。②逐级递减。其原因:一是各营养级的生物都会因呼吸作用消耗大部分能量，这部分能量不能被下一营养级利用；二是各营养级总有一部分能量未被下一营养级的生物利用(成熟的生态系统除外)；三是生产者的残枝败叶、消费者的遗体残骸等中的能量会被分解者利用。
(4)相邻两个营养级之间的能量传递效率为10%~20%，即输入某一营养级的能量中，只有10%~20%的能量能够流入下一个营养级。计算方法为能量传递效率=×100%。
(5)生产者→植食性动物的能量传递效率为植食性动物固定的能量中来自生产者的能量/生产者固定的总能量×100%=(16-2)/110×100%≈12.7%；植食性动物→肉食性动物的能量传递效率为肉食性动物固定的能量中来自植食性动物的能量/植食性动物固定的总能量×100%=(7.5-5)/16×100%≈15.6%。
2.下图表示生态金字塔常见的几种类型，请回答下列问题:
(1)图1、图2、图3分别代表什么金字塔？它们分别代表的含义是什么？
(2)生态系统中数量金字塔都能用图3表示吗？在自然环境中是否存在某些营养级之间呈现倒置形式的数量金字塔，你能举出实例吗？
提示 (1)能量金字塔、生物量金字塔、数量金字塔。图中金字塔都分为三层，代表研究的生态系统包含三个营养级；每一层代表该营养级所得到的能量或生物量或数目，说明能量、生物量和生物数量随营养级的升高而逐级递减。
(2)不能。如图，一棵树上可以生活多只植食性昆虫，一棵白菜上有时可以看到多只菜青虫。
3.研究能量流动有哪些意义？试举例说明。
提示 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，如立体农业生产方式(间作套种等)；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，如“桑基鱼塘”；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，如合理放牧。
认知生成
1.能量流动沿食物链进行，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，一般不可逆转。
2.各营养级通过呼吸作用所散失的热能不能被生物群落重复利用，因此能量流动无法循环。
3.各营养级生物都会因呼吸作用消耗大部分能量，都会有一部分能量流入分解者，还有一部分能量未被利用，因此能量流动具有逐级递减的特点。
4.未利用的能量是指未被自身呼吸作用消耗，也未被下一个营养级和分解者利用的能量。
5.能量传递效率与能量利用率
(1)能量传递效率:指流入下一营养级的能量与该营养级同化量之间的比值。(注:它是相邻两个营养级的传递效率，不是两个个体或者食物网中的两个物种之间的传递效率。)
(2)能量利用率:一般指流入最高营养级(或人类)的能量与生产者固定总能量的比值。(注:一般来说，食物链越短，能量利用率越高。有时考虑分解者的参与，使营养结构更加复杂，以实现能量的多级利用，从而提高能量利用率。)
6.不同的生态金字塔能形象地说明营养级与能量、数量、生物量之间的关系，是定量研究能量流动的直观体现。
项目 类型
能量金字塔 数量金字塔 生物量金字塔
形状
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，如树上昆虫与鸟的数量关系 一般为正金字塔形(特例:如某段时间内，浮游植物的生物量可能低于浮游动物的生物量)
象征 含义 能量沿食物链流动过程中具有逐级递减的特征 生物个体数目在食物链中随营养级升高而逐级递减 生物量(现存生物所容纳的有机物的总干重)沿食物链流动逐级递减
每一级 含义 食物链中每一营养级生物所得到的能量的多少 每一营养级生物个体的数目 每一营养级生物的总生物量
例2 下图为生态系统中能量流动图解的部分示意图，①②③④各代表一定的能量值，下列叙述错误的是( )。
A.生态系统中能量流动具有单向性主要是因为食物链中生物之间的捕食关系一般不可逆转
B.一般情况下，能量在相邻两个营养级之间的传递效率是10%~20%
C.①表示流经此生态系统的总能量
D.从能量关系看，②>③+④
【答案】C
【解析】食物链中的捕食关系是经长期自然选择形成的，该关系一般不可逆转，因此生态系统中能量流动具有单向性，A正确；一般情况下，能量在相邻两个营养级之间的传递效率是10%~20%，B正确；流经此生态系统的总能量是生产者固定的太阳能，即流入生产者的总能量，其在图中并未体现，①是生产者流入消费者的能量，C错误；除最高营养级外，一个营养级的能量都可以包括三部分，流向下一营养级、流向分解者、自身呼吸作用消耗，因此从能量关系看，②>③+④，D正确。
对点练2 (不定选)某同学绘制了下图所示的能量流动图解(其中W1为生产者固定的太阳能)，下列叙述正确的是( )。
A.生产者固定的总能量可表示为A1+B1+C1+A2+B2+C2+D2
B.由第一营养级到第二营养级的能量传递效率为D1/(A1+B1+C1+D1)×100%
C.流入初级消费者的能量为A2+B2+C2
D.图解表明能量流动的特点是单向流动、逐级递减
【答案】ABD
【解析】生产者固定的总能量可表示为A1+B1+C1+D1，A1表示呼吸作用消耗的能量，B1表示未被利用的能量，C1表示流向分解者的能量，而D1=A2+B2+C2+D2，是流入下一营养级的能量，A正确；由第一营养级到第二营养级的能量传递效率为D1/(A1+B1+C1+D1)×100%=D1/W1×100%，B正确；流入初级消费者的能量为A2+B2+C2+D2=D1，C不正确；图解表明能量流动的特点是单向流动、逐级递减，D正确。
方法技巧
1.拼图法分析能量流向
输入第一营养级的能量(W1)可被分为两部分:一部分在生产者的呼吸作用中以热能的形式散失了(A1)，一部分则用于生产者的生长、发育和繁殖(B1+C1+D1)。而后一部分能量中，包括现存于植物体的B1(未利用)，流向分解者的C1，以及流向下一营养级的D1。
2.生态系统中能量流动的计算
(1)能量传递效率的相关“最值”计算
①计算某一生物所获得的最多(最少)的能量规律(设食物链为A→B→C→D)
已知 问题 求解思路
D营养级 能量增加M 至少需要A营养级提供 多少能量(设为N1) N1=M÷(20%)3
最多需要A营养级提供 多少能量(设为N2) N2=M÷(10%)3
A营养级 能量增加N D营养级最多增加 多少能量(设为M1) M1=N×(20%)3
D营养级至少增加 多少能量(设为M2) M2=N×(10%)3
②涉及多条食物链的能量流动计算时，若根据要求只能选择食物网中的一条食物链，计算某一生物获得的最多(或最少)能量。其规律如下:
(2)能量传递效率的相关“定值”计算
①已确定营养级间能量传递效率的，不能按“最值”法计算，而需按具体数值计算。例如，在食物链A→B→C→D中，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%。
②如果在食物网中，某一营养级同时从上一营养级的多种生物获取能量，且各途径获得的能量比例确定，则按照各单独的食物链进行计算再合并。
例3
某生态系统中存在如图所示的食物网，如将丙的食物比例由甲∶乙=1∶1调整为2∶1，能量传递效率按10%计算，该生态系统能承载丙的数量是原来的( )。
A.1.375倍 B.1.875倍
C.1.273倍 D.0.575倍
【答案】A
【解析】由于生产者没有改变，因此流向该生态系统的总能量没有变化，设丙原来的能量为a，则需要甲提供的能量为(1/2)a÷10%÷10%+(1/2)a÷10%；改变食物比例后丙的能量设为b，则需要甲提供的能量为(2/3)b÷10%+(1/3)b÷10%÷10%，根据题意可得，(1/2)a÷10%÷10%+(1/2)a÷10%=(2/3)b÷10%+(1/3)b÷10%÷10%，b/a=1.375。
对点练3
右图表示一个食物网。已知丙通过食用的动物性食物(乙)所占能量值比例为a，若要使丙所获得的能量值增加x，则至少需要的生产者(甲)的能量为y，那么x与y的关系可表示为( )。
A.y=90ax+10x B.y=25ax+5x
C.y=20ax+5x D.y=10ax+10x
【答案】C
【解析】由题干中的“至少”可知，应该按最大能量传递效率20%计算，a表示动物性食物(乙)所占能量值的比例，则1-a表示直接从生产者(甲)获得食物所占能量值的比例，故有(1-a)x÷20%+ax÷20%÷20%=y，即y=20ax+5x。
素能提升
1.分析能量流动的过程及计算能量传递效率(复杂推理能力)
科研人员研究了某种定居型蜘蛛(肉食性动物)的能量流动过程，并构建了如图所示的模型，下列相关叙述正确的是( )。
A.蜘蛛在生态系统中至少属于第二营养级
B.蜘蛛同化的总能量是477.4 kJ/(m2·a)
C.排粪能和遗体残骸中的能量都属于蜘蛛同化能的一部分
D.下一个营养级的同化能可能会大于87.7 kJ/(m2·a)
【答案】B
【解析】蜘蛛是肉食性动物，在生态系统中至少属于第三营养级，A错误；图中摄食能=同化能+排粪能，因此能计算出同化能为477.4 kJ/(m2·a)，B正确；遗体残骸中的能量属于蜘蛛同化能的一部分，而排粪能属于上一营养极的能量，C错误；图中生长能(用于生长、发育和繁殖的能量)为87.7 kJ/(m2·a)，则下一个营养级的同化能不可能大于87.7 kJ/(m2·a)，D错误。
2.能量流动的实践应用(科学实践能力)
据图判断，下列叙述错误的是( )。
A.能量经过多级利用，其利用率提高了
B.每级生产环节都获得产品，提高了生态经济效益
C.由于食物链延长，能量逐级损耗，生态系统总能量的利用效率降低
D.由于各级产物都可以利用，该生态系统减少了废物和污染
【答案】C
【解析】在该生态系统中作物通过光合作用固定太阳能，使能量进入生物体内，作物固定的太阳能是流经此生态系统的总能量，作物的籽实、家畜、食用菌、蚯蚓等可以为人们提供相应的产品，充分实现了能量的多级利用，不但减少了废物和污染，同时也提高了生态效益和经济效益，实现了良性循环，A、B、D正确；食物链一般指捕食链，而图中延长的是腐生链，且通过腐生链，原来作为废弃物的能量得到了利用，所以生态系统能量的利用率应该是提高的，C错误。
【随堂检测】
课堂小结 课堂小测
1.能量通过光合作用和化能合成作用输入生态系统，通过呼吸作用输出生态系统。 (√) 2.能量在生态系统的食物链中是以热能的形式流动的。 (×) 3.生态系统维持正常功能，需要不断得到来自系统外的能量。 (√) 4.生态系统中能量的初始来源只有太阳能。 (×) 5.农业生态系统中，沼渣、沼液作为肥料还田，使能量能够循环利用。 (×)
2
【学习目标】
1.通过探究学习认识生态系统能量流动的过程，明确研究能量流动的意义，逐步完善物质与能量观。(生命观念)
2.通过探究学习认识能量流动的特点，掌握定量分析法等科学分析方法。(科学探究)
3.通过探究学习掌握生态系统能量流动的规律，利用相关知识分析和解决实际问题。(科学思维、科学探究)
【自主预习】
一、能量流动的概念
生态系统的能量流动:生态系统中能量的 输入、传递、转化和散失 的过程。
二、能量流动的过程
1.能量的输入:太阳能被生态系统中的生产者通过光合作用转化成化学能，固定在它们所制造的有机物中。这样，太阳能就输入到了生态系统的第一营养级。
2.每一营养级的能量分析
(1)输入生产者(第一营养级)的能量
①一部分在 呼吸作用 中以热能的形式散失了。
②另一部分用于生产者的 生长、发育和繁殖 等生命活动，储存在植物体的有机物中。
构成植物体的有机物中的能量的去向有两个:
a.一部分随着残枝败叶等被 分解者 分解而释放出来。
b.另一部分被初级消费者摄入体内，这样能量就流入了 第二营养级 。
(2)流入初级消费者(第二营养级)的能量
①一部分在初级消费者的呼吸作用中以热能的形式散失。
②另一部分用于初级消费者的 生长、发育和繁殖 等生命活动，储存在初级消费者中。
储存的能量去向有:
a.一些以遗体残骸的形式被分解者利用。
b.如果初级消费者被次级消费者捕食，能量就流入了第三营养级。
(3)能量在第三、第四营养级的变化，与第二营养级的情况大致相同。
三、能量流动的特点
1.生态系统中能量流动是 单向 的。
2.能量在流动过程中逐级 递减 。
(1)一般情况下，能量在相邻两个营养级间的传递效率是 10%~20% 。
(2)生态系统中的能量流动一般不超过 5 个营养级。
四、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的次序排列，可形成一个金字塔图形。
2.生物量金字塔:用同样的方法表示各个营养级 生物量 (每个营养级所容纳的 有机物 的总 干重 )之间的关系，就形成生物量金字塔。
3.数量金字塔:表示各个营养级的生物个体的 数目 比值关系。
五、研究能量流动的意义
1.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。
2.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 。
3.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。
【合作探究】
情境导入
材料:“九月圆脐十月尖，持螯饮酒菊花天”，是说农历的九月、十月是食蟹的最佳季节。螃蟹是杂食动物，在自然条件下以取食水草、腐殖质为主，也喜食螺、蚌、蠕虫、昆虫，偶尔也捕食小鱼、虾。
问题探讨:
1.在同等自然条件下，螃蟹甲和螃蟹乙获取能量的途径有什么不同？
提示 螃蟹甲直接从生产者水草体内获得能量，螃蟹乙直接从初级消费者螺体内获得能量。
2.水草属于第几营养级？其能量来源于哪里？
提示 水草属于第一营养级。水草的能量来源于太阳能。
任务1 认识生态系统能量流动的过程
活动1 认识生态系统能量流动的过程
能量流经某生态系统第一营养级和第二营养级的图解如下，思考并回答下列问题:
1.流经该生态系统的总能量就是辐射到该地区太阳能的总量吗？
提示 不是辐射到该地区太阳能的总量，而是生产者通过光合作用固定的太阳能总量。
2.生态系统中生产者的能量输入只能通过光合作用吗？
提示 不是，绝大部分通过光合作用，但也可通过某些细菌的化能合成作用。
3.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。它们之间的关系:同化量=摄入量-粪便量。
4.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是未被其吸收的能量，所以不属于其同化的能量，而是属于上一营养级同化的能量。
5.分析、比较分别输入第一、第二营养级的能量去路，归纳二者的共同点。
提示 输入这两个营养级的能量，一部分通过呼吸作用以热能的形式散失，另一部分用于自身的生长、发育和繁殖等生命活动，储存在自身的有机物中。这些有机物中的能量，一部分被分解者利用，一部分流入下一营养级。
6.尝试用某营养级摄入的能量a，同化的能量b，粪便量c，用于生长、发育和繁殖暂时储存的能量d，呼吸作用以热能形式散失的能量e，流向下一个营养级的能量f，流向分解者的能量g，暂时未被利用的能量h，构建它们之间的大小关系。
提示 b=a-c=d+e=e+f+g+h。
认知生成
1.能量流动中能量形式的变化:太阳能→生物体有机物中的化学能→热能(最终散失)。
2.能量在食物链中流动的形式:有机物(食物)中的化学能。
3.能量散失的主要途径:细胞呼吸。
4.生产者的同化量就是生产者固定的太阳能总量，即光合总量。
5.消费者同化的能量=摄入量-粪便中有机物的能量。消费者粪便中含有的能量不能计入排便生物所同化的能量，因其未被该营养级消化吸收，它实际与上一个营养级的遗体残骸一样，属于上一营养级被分解者利用的那一部分能量。例如，蜣螂利用大象的粪便获得能量，就不能说蜣螂获得了大象的能量，而是获得了植物的能量。
6.流入或输入某一营养级的能量，即此营养级同化的能量。
7.摄入量、同化量和粪便量的区别与联系
项目 摄入量 同化量 粪便量
区别 摄入量指动物摄取的食物中所含的能量，即动物所吃食物中的能量 同化量指动物经消化道消化、吸收后所获得的能量，即动物摄食后转化为自身的能量 粪便量指动物摄入食物中所含能量未被消化、吸收的部分，即未同化的能量，属于上一营养级用于自身生长、发育和繁殖的能量，并没有进入本营养级
联系 同化量=摄入量—粪便量
例1 在“草→兔→狐”这条食物链中，兔经同化作用所获得的能量，其去向不包括( )。
A.通过兔子的呼吸作用释放
B.通过兔子的粪便流入分解者体内
C.通过狐的粪便流入分解者体内
D.流入狐体内
【答案】B
【解析】兔经同化作用所获得的能量=兔的摄入量-兔的粪便量，因此，兔子粪便中的能量不属于兔经同化作用所获得的能量，B符合题意。
对点练1 (2022·双鸭山月考)下图为人工鱼塘生态系统中能量流动的部分示意图(字母表示能量的多少)，相关叙述正确的是( )。
A.第二营养级与第三营养级之间的能量传递效率为e/b×100%
B.第二营养级粪便中的能量属于c中的部分能量
C.流经该生态系统的总能量a等于生产者所固定的太阳能
D.图中d表示第二营养级用于生长、发育和繁殖的能量
【答案】D
【解析】第二营养级与第三营养级之间的能量传递效率=第三营养级的同化量/第二营养级的同化量×100%，而e表示第三营养级的摄入量，b表示第二营养级的摄入量，A错误；第二营养级粪便中的能量仍属于其上一个营养级a中的部分能量，B错误；流经该生态系统的总能量=生产者固定的太阳能+人工投入的有机物中的化学能，C错误；据图分析可知，图中d表示第二营养级用于生长、发育和繁殖的能量，D正确。
技巧总结
1.能量流动过程分析(以某动物种群捕食种群A为例)
(1)未被捕食的是指没有被下一营养级摄食，仍以上一个营养级的形式存在的。
(2)未食入的是指没有被摄食进去的，如食物的碎屑，动物的骨头、毛发等，植物的秸秆等，其会被分解者利用。
(3)未同化的是指粪便，其会被分解者利用。
(4)在自然界中，对一个种群来说，其同化的能量去向还包括未被捕食的，也可以说是未利用的。
2.能量传递过程分析(以初级消费者为例)
任务2 认识能量流动的特点和意义
活动2 认识能量流动的特点和意义
1.下图是某人工鱼塘生态系统能量流动过程示意图，其中数字表示部分环节涉及的能量值[单位为103 kJ/(m2·a)]，据图回答下列问题:
(1)该生态系统中流入生物群落的总能量有哪些来源？
(2)肉食性动物、植食性动物和生产者固定的总能量分别是多少？
(3)依据上图分析，能量流动有哪些特点？如何理解这些特点？
(4)相邻两个营养级之间的能量传递效率一般是多少？计算方法是怎样的？
(5)图中生产者→植食性动物以及植食性动物→肉食性动物的能量传递效率分别是多少？(结果保留一位有效数字)
提示 (1)一个来源是生产者通过光合作用固定的太阳能，另一个来源是人工输入的有机物中的化学能。
(2)肉食性动物固定的总能量=(0.25+0.05+2.1+5.1)×103=7.5×103 kJ/(m2·a)；植食性动物固定的总能量=[(7.5-5)+0.5+4+9]×103=16×103 kJ/(m2·a)；生产者固定的总能量=[(16-2)+3+70+23]×103=110×103 kJ/(m2·a)。
(3)①单向流动。其原因:一是各营养级能量流动的顺序是不可逆转的；二是各营养级通过呼吸作用产生的热能会散失，不能被生物群落再利用。②逐级递减。其原因:一是各营养级的生物都会因呼吸作用消耗大部分能量，这部分能量不能被下一营养级利用；二是各营养级总有一部分能量未被下一营养级的生物利用(成熟的生态系统除外)；三是生产者的残枝败叶、消费者的遗体残骸等中的能量会被分解者利用。
(4)相邻两个营养级之间的能量传递效率为10%~20%，即输入某一营养级的能量中，只有10%~20%的能量能够流入下一个营养级。计算方法为能量传递效率=×100%。
(5)生产者→植食性动物的能量传递效率为植食性动物固定的能量中来自生产者的能量/生产者固定的总能量×100%=(16-2)/110×100%≈12.7%；植食性动物→肉食性动物的能量传递效率为肉食性动物固定的能量中来自植食性动物的能量/植食性动物固定的总能量×100%=(7.5-5)/16×100%≈15.6%。
2.下图表示生态金字塔常见的几种类型，请回答下列问题:
(1)图1、图2、图3分别代表什么金字塔？它们分别代表的含义是什么？
(2)生态系统中数量金字塔都能用图3表示吗？在自然环境中是否存在某些营养级之间呈现倒置形式的数量金字塔，你能举出实例吗？
提示 (1)能量金字塔、生物量金字塔、数量金字塔。图中金字塔都分为三层，代表研究的生态系统包含三个营养级；每一层代表该营养级所得到的能量或生物量或数目，说明能量、生物量和生物数量随营养级的升高而逐级递减。
(2)不能。如图，一棵树上可以生活多只植食性昆虫，一棵白菜上有时可以看到多只菜青虫。
3.研究能量流动有哪些意义？试举例说明。
提示 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，如立体农业生产方式(间作套种等)；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，如“桑基鱼塘”；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，如合理放牧。
认知生成
1.能量流动沿食物链进行，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，一般不可逆转。
2.各营养级通过呼吸作用所散失的热能不能被生物群落重复利用，因此能量流动无法循环。
3.各营养级生物都会因呼吸作用消耗大部分能量，都会有一部分能量流入分解者，还有一部分能量未被利用，因此能量流动具有逐级递减的特点。
4.未利用的能量是指未被自身呼吸作用消耗，也未被下一个营养级和分解者利用的能量。
5.能量传递效率与能量利用率
(1)能量传递效率:指流入下一营养级的能量与该营养级同化量之间的比值。(注:它是相邻两个营养级的传递效率，不是两个个体或者食物网中的两个物种之间的传递效率。)
(2)能量利用率:一般指流入最高营养级(或人类)的能量与生产者固定总能量的比值。(注:一般来说，食物链越短，能量利用率越高。有时考虑分解者的参与，使营养结构更加复杂，以实现能量的多级利用，从而提高能量利用率。)
6.不同的生态金字塔能形象地说明营养级与能量、数量、生物量之间的关系，是定量研究能量流动的直观体现。
项目 类型
能量金字塔 数量金字塔 生物量金字塔
形状
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，如树上昆虫与鸟的数量关系 一般为正金字塔形(特例:如某段时间内，浮游植物的生物量可能低于浮游动物的生物量)
象征 含义 能量沿食物链流动过程中具有逐级递减的特征 生物个体数目在食物链中随营养级升高而逐级递减 生物量(现存生物所容纳的有机物的总干重)沿食物链流动逐级递减
每一级 含义 食物链中每一营养级生物所得到的能量的多少 每一营养级生物个体的数目 每一营养级生物的总生物量
例2 下图为生态系统中能量流动图解的部分示意图，①②③④各代表一定的能量值，下列叙述错误的是( )。
A.生态系统中能量流动具有单向性主要是因为食物链中生物之间的捕食关系一般不可逆转
B.一般情况下，能量在相邻两个营养级之间的传递效率是10%~20%
C.①表示流经此生态系统的总能量
D.从能量关系看，②>③+④
【答案】C
【解析】食物链中的捕食关系是经长期自然选择形成的，该关系一般不可逆转，因此生态系统中能量流动具有单向性，A正确；一般情况下，能量在相邻两个营养级之间的传递效率是10%~20%，B正确；流经此生态系统的总能量是生产者固定的太阳能，即流入生产者的总能量，其在图中并未体现，①是生产者流入消费者的能量，C错误；除最高营养级外，一个营养级的能量都可以包括三部分，流向下一营养级、流向分解者、自身呼吸作用消耗，因此从能量关系看，②>③+④，D正确。
对点练2 (不定选)某同学绘制了下图所示的能量流动图解(其中W1为生产者固定的太阳能)，下列叙述正确的是( )。
A.生产者固定的总能量可表示为A1+B1+C1+A2+B2+C2+D2
B.由第一营养级到第二营养级的能量传递效率为D1/(A1+B1+C1+D1)×100%
C.流入初级消费者的能量为A2+B2+C2
D.图解表明能量流动的特点是单向流动、逐级递减
【答案】ABD
【解析】生产者固定的总能量可表示为A1+B1+C1+D1，A1表示呼吸作用消耗的能量，B1表示未被利用的能量，C1表示流向分解者的能量，而D1=A2+B2+C2+D2，是流入下一营养级的能量，A正确；由第一营养级到第二营养级的能量传递效率为D1/(A1+B1+C1+D1)×100%=D1/W1×100%，B正确；流入初级消费者的能量为A2+B2+C2+D2=D1，C不正确；图解表明能量流动的特点是单向流动、逐级递减，D正确。
方法技巧
1.拼图法分析能量流向
输入第一营养级的能量(W1)可被分为两部分:一部分在生产者的呼吸作用中以热能的形式散失了(A1)，一部分则用于生产者的生长、发育和繁殖(B1+C1+D1)。而后一部分能量中，包括现存于植物体的B1(未利用)，流向分解者的C1，以及流向下一营养级的D1。
2.生态系统中能量流动的计算
(1)能量传递效率的相关“最值”计算
①计算某一生物所获得的最多(最少)的能量规律(设食物链为A→B→C→D)
已知 问题 求解思路
D营养级 能量增加M 至少需要A营养级提供 多少能量(设为N1) N1=M÷(20%)3
最多需要A营养级提供 多少能量(设为N2) N2=M÷(10%)3
A营养级 能量增加N D营养级最多增加 多少能量(设为M1) M1=N×(20%)3
D营养级至少增加 多少能量(设为M2) M2=N×(10%)3
②涉及多条食物链的能量流动计算时，若根据要求只能选择食物网中的一条食物链，计算某一生物获得的最多(或最少)能量。其规律如下:
(2)能量传递效率的相关“定值”计算
①已确定营养级间能量传递效率的，不能按“最值”法计算，而需按具体数值计算。例如，在食物链A→B→C→D中，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%。
②如果在食物网中，某一营养级同时从上一营养级的多种生物获取能量，且各途径获得的能量比例确定，则按照各单独的食物链进行计算再合并。
例3
某生态系统中存在如图所示的食物网，如将丙的食物比例由甲∶乙=1∶1调整为2∶1，能量传递效率按10%计算，该生态系统能承载丙的数量是原来的( )。
A.1.375倍 B.1.875倍
C.1.273倍 D.0.575倍
【答案】A
【解析】由于生产者没有改变，因此流向该生态系统的总能量没有变化，设丙原来的能量为a，则需要甲提供的能量为(1/2)a÷10%÷10%+(1/2)a÷10%；改变食物比例后丙的能量设为b，则需要甲提供的能量为(2/3)b÷10%+(1/3)b÷10%÷10%，根据题意可得，(1/2)a÷10%÷10%+(1/2)a÷10%=(2/3)b÷10%+(1/3)b÷10%÷10%，b/a=1.375。
对点练3
右图表示一个食物网。已知丙通过食用的动物性食物(乙)所占能量值比例为a，若要使丙所获得的能量值增加x，则至少需要的生产者(甲)的能量为y，那么x与y的关系可表示为( )。
A.y=90ax+10x B.y=25ax+5x
C.y=20ax+5x D.y=10ax+10x
【答案】C
【解析】由题干中的“至少”可知，应该按最大能量传递效率20%计算，a表示动物性食物(乙)所占能量值的比例，则1-a表示直接从生产者(甲)获得食物所占能量值的比例，故有(1-a)x÷20%+ax÷20%÷20%=y，即y=20ax+5x。
素能提升
1.分析能量流动的过程及计算能量传递效率(复杂推理能力)
科研人员研究了某种定居型蜘蛛(肉食性动物)的能量流动过程，并构建了如图所示的模型，下列相关叙述正确的是( )。
A.蜘蛛在生态系统中至少属于第二营养级
B.蜘蛛同化的总能量是477.4 kJ/(m2·a)
C.排粪能和遗体残骸中的能量都属于蜘蛛同化能的一部分
D.下一个营养级的同化能可能会大于87.7 kJ/(m2·a)
【答案】B
【解析】蜘蛛是肉食性动物，在生态系统中至少属于第三营养级，A错误；图中摄食能=同化能+排粪能，因此能计算出同化能为477.4 kJ/(m2·a)，B正确；遗体残骸中的能量属于蜘蛛同化能的一部分，而排粪能属于上一营养极的能量，C错误；图中生长能(用于生长、发育和繁殖的能量)为87.7 kJ/(m2·a)，则下一个营养级的同化能不可能大于87.7 kJ/(m2·a)，D错误。
2.能量流动的实践应用(科学实践能力)
据图判断，下列叙述错误的是( )。
A.能量经过多级利用，其利用率提高了
B.每级生产环节都获得产品，提高了生态经济效益
C.由于食物链延长，能量逐级损耗，生态系统总能量的利用效率降低
D.由于各级产物都可以利用，该生态系统减少了废物和污染
【答案】C
【解析】在该生态系统中作物通过光合作用固定太阳能，使能量进入生物体内，作物固定的太阳能是流经此生态系统的总能量，作物的籽实、家畜、食用菌、蚯蚓等可以为人们提供相应的产品，充分实现了能量的多级利用，不但减少了废物和污染，同时也提高了生态效益和经济效益，实现了良性循环，A、B、D正确；食物链一般指捕食链，而图中延长的是腐生链，且通过腐生链，原来作为废弃物的能量得到了利用，所以生态系统能量的利用率应该是提高的，C错误。
【随堂检测】
课堂小结 课堂小测
1.能量通过光合作用和化能合成作用输入生态系统，通过呼吸作用输出生态系统。 (√) 2.能量在生态系统的食物链中是以热能的形式流动的。 (×) 3.生态系统维持正常功能，需要不断得到来自系统外的能量。 (√) 4.生态系统中能量的初始来源只有太阳能。 (×) 5.农业生态系统中，沼渣、沼液作为肥料还田，使能量能够循环利用。 (×)
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