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第二节 生态系统的能量流动
第三章 生态系统及其稳定性
1.生态系统的能量流动具有什么特点?
单向流动,逐级递减
2.为什么生态系统中能量流动一般不超过5个营养级?
在一个生态系统中,营养级越多,在能量流动的过程中散失消耗的能量越多。
3.能量在相邻两个营养级间的传递效率
10%~20%
温故知新
学习目标
1.说出生态金字塔表征了食物网各营养级之间在个体数量、生物量和能量方面的关系
2.概述研究生态系统能量流动的意义
能量传递效率的“至少”和“至多”计算
1
生态金字塔
2
研究能量流动的实践意义
3
食物链:草→兔→鹰
1.已知低营养级同化量,求高营养级同化量
假如现有草100kg,则
最多可使鹰增重____kg 最少可使鹰增重____kg
正推型:已知低营养级求高营养级
能量传递效率的“至少”和“至多”计算
1
4
能量传递效率按20%来算
能量传递效率按10%来算
获得能量最多
按×20%计算
获得能量最少
按×10%计算
食物链:草→兔→鹰
2.已知高营养级同化量,求低营养级同化量
假如要使鹰增加2kg,则
最多要消耗草______kg 最少要消耗草______kg
逆推型:已知高营养级求低营养级
能量传递效率的“至少”和“至多”计算
50
200
能量传递效率按10%来算
能量传递效率按20%来算
需最多能量
按÷10%计算
需最少能量
按÷20%计算
3.多条食物链,已知低营养级同化量,求高营养级
能量传递效率的“至少”和“至多”计算
A
B
C
D
E
F
如果A有 10000 kg,C 最多增加______kg,最少增加_____kg
400
1
选最短食物链
能量传递效率按20%来算
选最长食物链
能量传递效率按10%来算
选最短食物链
按×20%计算
增加最多
选最长食物链
按×10%计算
增加最少
4.多条食物链,已知高营养级同化量,求低营养级
能量传递效率的“至少”和“至多”计算
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
100000
水藻
水蚤
虾
小鱼
大鱼
人
选最短食物链
能量传递效率按20%来算
选最长食物链
能量传递效率按10%来算
选最短食物链
按÷20%计算
需要最少
选最长食物链
按÷10%计算
需要最多
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
(1)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_______g
能量传递效率的“至少”和“至多”计算
900
知高营养级,求低营养级最少按20%计算
植物→兔→鹰:20×2/5÷20%÷20%=200(g)
植物→鼠→鹰:20×2/5÷20%÷20%=200(g)
植物→鼠→蛇→鹰:20×1/5÷20%÷20%÷20%=500(g)
共计消耗植物量为200+200+500=900(g)
(2)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。
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
C获得的能量是原来的10.5/8.25=1.27倍
能量传递效率的“至少”和“至多”计算
1.27
A
C
B
(3)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。
设当食物比例A:B=1:1时,C的数量为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的数量为y
则需要的A为:2/3y÷10%+1/3y÷10%÷10%=40y
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
能量传递效率的“至少”和“至多”计算
A
C
B
1.375
1.类型
能量金字塔、生物量金字塔、数量金字塔
2.能量金字塔
(1)概念
生态金字塔
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。将图形按照营养级次序排列,可形成一个金字塔图形,叫作能量金字塔
第四营养级
第三营养级
第二营养级
第一营养级
高
低
能量
高
营养级
低
(2)特点
通常都是上窄下宽的金字塔形
(3)原因
能量在流动中总是逐级递减的
(4)意义
直观地反映生态系统各营养级所容纳的有机物的总干重的关系
从能量流动金字塔可以看出:营养级越多,在能量流动过程中消耗的能量就越多
生态金字塔
3.生物量金字塔
(1)概念
描述了某一时刻生态系统中
各营养级生物的质量关系
(2)特点
一般为正金字塔形,有可能倒置
(3)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
生态金字塔
第一营养级
第二营养级
第三营养级
第四营养级
809
37
11
1.5
干重 g/m2
营养级
(4)意义
直观地反映生态系统各营养级所容纳的有机物的总干重的关系
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?
一般情况下,是上窄下宽。但有时候会出现倒置的金字塔形。例如,海洋生态系统中,由于生产者(浮游植物)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。
总的来看,浮游植物的总的生物量还是比浮游动物的要多。
生态金字塔
4.数量金字塔
(1)概念
如果表示各个营养级的生物个体的数目比值关系,就形成数量金字塔
(2)特点
一般为正金字塔形,有时会出现倒金字塔形
(3)原因
如果消费者的个体小而生产者的个体大,则会呈现倒置金字塔
(4)意义
直观地反映生态系统各营养级的生物个体的数目比值关系
生态金字塔
第二营养级
第一营养级
营养级
昆虫
树
个体数量
生态金字塔
类型项目 能量金字塔 数量金字塔 生物量金字塔
特点 正金字塔 一般为正金字塔,有时会出现倒金字塔 一般为正金字塔有时会出现倒金字塔
象征意义 能量沿食物链流动过程中是逐级递减的 一般地,生物个体数目在食物链中随营养级升高而逐级递减 生物量沿食物链中随营养级升高而逐级递减
每一级含义 每一营养级生物所含能量的多少 每一营养级生物个体数目的多少 每一营养级生物有机物总量的多少
特殊形状 人工鱼塘生态系统 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,因而某一时间浮游植物的生物量可能要低于其捕食者浮游动物。
鸟
树
昆虫
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
例如:农田生态系统中的间种套作、蔬菜大棚中的多层育苗、稻-萍-蛙等立体农业
研究能量流动的实践意义
蔬菜大棚中多层育苗
冬小麦夏玉米套作
稻—萍—蛙
2.帮助人们科学地规划和设计人工生态系统,使能量得到最有效地利用
实现了对能量的多级利用,从而大大提高能量的利用率
能量利用率≠能量传递效率
研究能量流动的实践意义
粉碎秸秆作为饲料
沼气池
沼渣
能量传递效率与能量利用率
1.能量传递效率:能量在相邻两个营养级之间传递,传递效率为10%~20%
2.能量利用率: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
研究能量流动的实践意义
=
某一营养级同化量
上一营养级同化量
能量传递效率
×100%
能量利用率 =
生产者固定总能量
流入最高营养级的能量
×100%
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
例如:合理确定草场的载畜量,稻田除草、除虫等
研究能量流动的实践意义
1926年,美国一位生态学家研究了一块玉米田的能量流动情况,得到如下数据
1.这块田共收割玉米约10000株,质量为6000kg。通过对玉米植株的化学成分进行分析,计算出其中共含碳2675kg,折算为葡萄糖6687kg
2.据他估算,这些玉米在整个生长过程中,通过细胞呼吸消耗的葡萄糖共2045kg
3.1kg葡萄糖储存1.6×104 kJ能量
4.在整个生长季节,入射到这块玉米田的太阳能总量为8.5×109kJ
研究能量流动的实践意义
(1)这些玉米的含碳量折算合成葡萄糖是多少?这些葡萄糖储存的能量是多少?
葡萄糖为:(12+18)/12×2675=6687.5kg
储存的能量为:6687.5×1.6×104 =1.07×108KJ
(2)这些玉米呼吸作用消耗的能量是多少?
2045×1.6×104KJ=3.272×107 KJ
研究能量流动的实践意义
(3)这些玉米在整个生长季节所固定的太阳能总量是多少? 呼吸作用消耗的能量占所固定太阳能的比例是多少?
这些玉米固定的太阳能总量是:
1.07×108+3.272×107=1.3972×108KJ
呼吸消耗能量占固定太阳能的比例为:
3.272×107/1.3972×108=23.4%
(4)这块玉米田的太阳能利用效率是多少?
利用效率=1.3972×108/8.5×109=1.64%
研究能量流动的实践意义
课堂小结
生态系统的能量流动
生态金字塔
能量传递效率的计算
数量金字塔
能量金字塔
生物量金字塔
研究能量流动的实践意义
增大流入生态系统的总能量
使能量持续高效地流向对人类最有益的部分
使能量得到最有效地利用
课堂小测
A
1.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
解析:当甲∶乙=1∶1时,按能量传递效率10%计算,假设丙生物量增重1,其中1/2来自甲,还有1/2来自乙。所以1×1/2÷10%=5算出丙作为第二营养级时从甲那儿得到的能量,1×1/2÷10%÷10%=50算出丙作为第三营养级时通过乙从甲那儿得到的能量。所以当丙的食物比例为甲∶乙=1∶1时,丙增重1需要消耗甲55。当甲∶乙=2∶1时,按能量传递效率10%计算,假设丙生物量增重1,其中2/3来自甲,还有1/3来自乙。所以1×2/3÷10%=6.67算出丙作为第二营养级时从甲那儿得到的能量,1×1/3÷10%÷10%=33.33算出丙作为第三营养级时通过乙从甲那儿得到的能量。所以当丙的食物比例为甲∶乙=2∶1时,丙增重需要消耗甲40。该生态系统中甲的提供量不变仍为55,按照甲∶乙=2∶1计算得到的丙是原来的55/40=1.375。综上所述,A项正确,B、C、D三项均错误。
C
2.生态学中常以金字塔形象地说明营养级与能量、生物体个体数量、生物量之间的关系,是定量研究生态系统的直观体现。生态金字塔有能量金字塔、数量金字塔、生物量金字塔三种类型。下列有关叙述正确的是( )
A.该金字塔可表示树林中树(①)、害虫(②)和食虫鸟(③)之间的个体数量关系
B.如果表示能量金字塔,则能量的流动方向只能依次是③→②→①
C.该金字塔可表示浮游植物(②)和浮游动物(①)的生物量之间的关系
D.在城市生态系统中该金字塔中的①表示生产者
解析:营养级越高,含有的能量越少,但数量可以出现倒金字塔,A错误;如果表示能量金字塔,则能量的流动方向只能是①→②→③,B错误;能量金字塔中,营养级越低,含有的能量越多,浮游植物处于第一营养级,含有的能量最多,浮游动物处于第二营养级,能量比第一营养级少,C正确;城市生态系统是特殊的人工生态系统, 生产者数量少,流经城市生态系统的总能量大于该生态系统中所有生产者固定的太阳能总量,D错误。
D
3.某生态农场采用“作物种植一家禽散养”模式,玉米和小麦的种子供人类食用,秸秆加工成饲料喂养鸡和猪,禽畜粪便经堆肥后施入农田,同时利用沼气池处理部分粪便。下列叙述错误的是( )
A.将玉米和大豆间作有利于增大流入该生态系统的总能量
B.在家禽饲料中加入纤维素酶能提高能量的传递效率
C.产甲烷菌利用粪便产生沼气实现了对能量的多级利用
D.家禽粪便中的能量被农作物重新吸收提高了能量的利用率
解析:A、将玉米和大豆间作,能充分利用空间和光照等资源,增加了植物的光合作用面积,从而固定更多的太阳能,有利于增大流入该生态系统的总能量,A正确;B、在家禽饲料中加入纤维素酶,可帮助家禽更好地消化饲料中的纤维素等物质,使家禽能从饲料中获取更多的能量,进而提高了能量的传递效率,B正确;C、产甲烷菌利用粪便产生沼气,将粪便中的部分能量转化为沼气中的能量,这些能量可被人类利用,实现了对能量的多级利用,提高了能量的利用率,C正确;D、农作物只能利用家禽粪便被分解后产生的无机物(如无机盐等),而不能直接吸收家禽粪便中的能量。能量是单向流动、不可循环的,D错误。
Thanks
生活如诗,意境深远,绚丽多彩