《学霸笔记 同步精讲》第3章 生态系统及其稳定性 第2节 生态系统的能量流动（课件）人教版生物选择性必修2
文档属性
| 名称 | 《学霸笔记 同步精讲》第3章 生态系统及其稳定性 第2节 生态系统的能量流动（课件）人教版生物选择性必修2 |
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| 格式 | pptx | ||
| 文件大小 | 2.2MB | ||
| 资源类型 | 试卷 | ||
| 版本资源 | 人教版（2019） | ||
| 科目 | 生物学 | ||
| 更新时间 | 2026-03-09 00:00:00 | ||
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文档简介
(共60张PPT)
第2节 生态系统的能量流动
第3章
2026
内容索引
01
02
03
自主预习 新知导学
合作探究 释疑解惑
课堂小结
课标定位
1.能量流动的概念、过程及特点
依据生命活动伴随的能量变化,归纳生态系统能量流动的概念,利用模型法和定量分析法,分析不同营养级中的能量变化;通过分析赛达伯格湖的能量流动,归纳生态系统能量流动的特点。
2.生态金字塔
明确生态金字塔的种类;依据某湖泊生态系统的能量金字塔,阐明生态金字塔呈现的是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。
课标定位
3.研究能量流动的实践意义
结合生产实践,说明研究能量流动能够更加科学有效地利用生态系统中的资源。
4.调查当地某生态系统中的能量流动情况
调查当地的农田生态系统,明确它的组成成分;分析该农田生态系统的能量流动情况,提出改进建议。
素养阐释
1.通过归纳、总结生态系统能量流动的概念,培养归纳与总结的思维习惯;运用科学的思维方法和模型建构的方法探究能量流动的过程; 基于具体案例的定量分析,更好地运用物质与能量观归纳生态系统能量流动的特点。
2.通过分析和总结某生态系统的生态金字塔,培养归纳与总结、模型与建模的思维习惯。
3.通过对当地生态系统能量流动的调查及数据分析,强化生命的系统观、结构与功能观、物质与能量观。
自主预习 新知导学
一、能量流动的过程
1.生态系统能量流动的概念:生态系统中能量的输入、传递、转化和散失的过程。
2.研究能量流动的基本思路:可以将被研究的对象(如种群)作为一个整体,研究能量的输入、储存和散失。
3.能量流经第一营养级的过程
(1)输入:生产者通过光合作用把光能转化成化学能,固定在有机物中,太阳能就输入到了生态系统的第一营养级。
(2)去向
①在生产者的呼吸作用中以热能的形式散失了。
②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,一部分随着残枝败叶等被分解者分解而释放出来;另一部分则被初级消费者摄入体内,这样,能量就流入了第二营养级。
4.能量流经第二营养级的过程
(1)输入:初级消费者同化。
(2)去向
①在初级消费者的呼吸作用中以热能的形式散失。
②用于初级消费者的生长、发育和繁殖等生命活动,其中一些以遗体残骸的形式被分解者利用。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。
5.生态系统中的能量流动过程
二、能量流动的特点
1.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。
2.一般来说,在输入到某一个营养级的能量中,只有10%~20%的能量能够流到下一个营养级。因此,生态系统中的能量流动一般不超过5个营养级。
3.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。
三、生态金字塔
1.能量金字塔
(1)概念: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形成的金字塔图形。
(2)特点:能量金字塔直观地反映出生态系统各营养级间能量的关系,由于能量在流动过程中总是逐级递减,因此能量金字塔通常都是上窄下宽的金字塔形。
2.生物量金字塔
(1)概念:将单位时间内各营养级所得到的生物量(每个营养级所容纳的有机物的总干重)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形成的金字塔图形。
(2)特点:生物量金字塔大多是上窄下宽的金字塔形。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。
3.数量金字塔
(1)概念:将单位时间内各营养级的生物个体的数目比值关系转换为相应面积(或体积)的图形,并将图形按照营养级的次序排列形成的金字塔图形。
(2)特点:数量金字塔表明每个营养级中生物个体的数量。在一个草原生态系统中,吃草的鼠比草的数目少,吃鼠的鼬又比鼠的数目少,这时,数量金字塔是上窄下宽的金字塔形。如果消费者个体小而生产者个体大,如昆虫和树,那么数量金字塔就会呈现上宽下窄倒置的金字塔形。
四、研究能量流动的实践意义
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。
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。
3.研究生态系统的能量流动,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。
【预习检测】
1.判断正误。
(1)流经生态系统的总能量是照射在生产者上的太阳能。( )
(2)流经第三营养级的总能量是指三级消费者摄入到体内的能量。( )
(3)除最高营养级外,某一营养级的总能量由三个部分组成,分别是自身呼吸消耗的能量、流入下一个营养级的能量和被分解者利用的能量。( )
(4)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%。
( )
×
×
√
×
(5)生态系统中的能量可被多级循环利用,从而大大提高能量的利用率。
( )
(6)由于散失的热能不能被生产者再固定,且食物链中捕食与被捕食的关系不可逆转,所以生态系统的能量流动是单向的。( )
(7)一只狼捕食了一只兔子,则该狼就获得了这只兔子能量的10%~20%。
( )
(8)研究能量流动,可帮助人们调整生态系统中的能量流动关系,使生产者固定的能量全部流向人类。( )
×
√
×
×
2.用生态学观点分析,清除田间杂草和捕捞鱼塘中肉食性的乌鳢的目的是( )
A.保持生物群落的单一性
B.使物质和能量尽快地流动
C.保持生态平衡
D.调整能量在生态系统中的流动方向
答案:D
解析:清除田间杂草和捕捞鱼塘中肉食性的乌鳢,可使能量更多地流向农作物和鱼塘中所养殖的鱼类,即持续高效地流向对人类最有益的部分。
合作探究 释疑解惑
[问题引领]
1.下图表示能量流经第二营养级的示意图,请据图回答下列问题。
知识点一
能量流经某一个营养级(如第二营养级)的过程分析
(1)初级消费者的摄入量(a)、粪便量(c)和同化量(b)之间具有怎样的等量关系
提示:摄入量(a)=粪便量(c)+同化量(b)。
(2)初级消费者同化的能量有几个去向 初级消费者的粪便中的能量属于哪个营养级同化的能量 次级消费者的粪便中的能量呢
提示:3个,分别是自身呼吸作用散失、被分解者利用和流入下一个营养级(或2个,分别是自身呼吸作用散失和用于自身生长、发育和繁殖)。初级消费者的粪便中的能量属于第一营养级同化的能量,次级消费者的粪便中的能量属于第二营养级同化的能量。
2.下图表示某人工鱼塘生态系统能量流动过程中部分环节涉及的能量值[单位:×103 kJ/(m2·a)],据图回答下列问题。
人工鱼塘生态系统能量流动图
(1)该生态系统中流入生物群落的总能量有哪些来源
提示:一个来源是光能,另一个来源是输入的有机物中的化学能。
(2)生产者、植食性动物和肉食性动物固定的总能量分别是多少 生态系统中生物所处的营养级与获取的能量有什么关系
提示: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= 1.6×104[kJ/(m2·a)];生产者固定的总能量=[(16-2)+3+70+23]×103= 1.1×105[kJ/(m2·a)]。生态系统中生物所处的营养级越高,获取的能量越少。
(3)生产者→植食性动物、植食性动物→肉食性动物的能量传递效率分别是多少 (结果保留小数点后一位有效数字)
提示:生产者→植食性动物的能量传递效率=(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%=[(1.6×104-2×103)/(1.1×105)]×100%≈12.7%;植食性动物→肉食性动物的能量传递效率=(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%=[(7.5×103-5×103)/(1.6×104)]×100%≈15.6%。
(4)能量在流动过程中逐级递减,这与能量守恒定律矛盾吗 为什么
提示:不矛盾。能量在流动过程中逐级递减,指的是流入各个营养级的能量。能量守恒定律可以用于衡量流入某个生态系统的总能量,流入某个生态系统的总能量=储存在生态系统(生物体的有机物)中的能量+被各个营养级的生物以及分解者利用、散发至非生物环境中的能量。因此,虽然能量在流动过程中逐级递减,但总能量依然遵循能量守恒定律。
(5)假设肉食性动物的能量全部间接来自生产者,按照图中的能量流动规律,肉食性动物的质量要增加100 kg,需要消耗多少生产者
提示:肉食性动物的质量要增加100 kg,需要消耗植食性动物的质量=100/15.6%≈641(kg),植食性动物的质量要增加641 kg,需要消耗生产者的质量=641/12.7%≈5 047(kg)。
[归纳提升]
1.流入某一营养级能量的来源和去路
(2)能量去向:流入某一营养级(最高营养级除外)的能量去向可从以下两个角度分析。
2.能量流经生态系统的过程
(1)能量流动的渠道是食物链和食物网。
(2)能量散失的主要途径是各种生物的呼吸作用(代谢过程)。
(3)能量流动过程中能量的转化是太阳能→有机物中的化学能→热能。
3.能量流动的特点及原因
(1)单向流动
①能量流动是沿食物链进行的,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,因此能量无法循环流动。
(2)逐级递减
①各营养级的生物都会因呼吸作用消耗掉大部分能量。
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。
[典型例题]
1.下图表示某生态系统中能量流经第二营养级的示意图。下列分析错误的是( )
A.能量流动是单向的
B.图中甲为初级消费者同化的能量,
即第二营养级所含有的能量
C.该图不够完善,缺少甲中因呼吸以热能形式散失的能量
D.乙比甲的能量少的原因是甲的遗体、残骸中的能量被分解者利用而未传递下去
答案:D
解析:能量流动是单向的,逐级递减的,是伴随着物质利用而进行的,A项正确;题图中甲是初级消费者的同化量,即第二营养级所含有的能量,B项正确;题图不够完善,缺少甲中部分能量通过呼吸作用以热能的形式散失的过程, C项正确;乙比甲的能量少的原因是通过呼吸作用散失了部分能量,D项错误。
2.下图为某生态系统中能量传递示意图(单位:kJ),下列叙述错误的是
( )
A.能量流动是从甲固定的太阳
能开始的,流入该生态系统的总
能量为1 250 kJ
B.从乙到丙的能量传递效率
为15%
C.将乙和丙的粪便作为有机肥还田,可以提高能量传递效率
D.食物链的营养关系一般不可逆,这决定了能量流动的单向性
答案:C
解析:能量流动从生产者固定的太阳能开始,流入该生态系统的总能量是生产者固定的太阳能=175+200+875=1 250(kJ),A项正确;能量从乙到丙的传递效率为(30/200)×100%=15%,B项正确;将乙和丙的粪便作为有机肥还田,可以为植物的生长提供无机盐等物质,但不能提高能量传递效率,C项错误;食物链的营养关系都是高营养级捕食低营养级,不可逆,这决定了能量流动的单向性,D项正确。
【变式训练】
1.下图为某红松人工林能量流动的调查结果,图中能量单位为J/(hm2·a)。此森林的初级生产量有很大部分是沿着碎屑食物链流动的,表现为枯枝落叶和倒木被分解者分解,剩余积累于土壤。
注:植物所固定的太阳能或所制造的有机物质称为初级生产量,其包括净初级生产量和自身呼吸消耗的能量。
据图分析,下列叙述正确的是( )
A.E是太阳照射到生态系统的能量
B.E2属于未被利用的能量
C.E3占净初级生产量的29%
D.E3的产生过程是物质循环的必要环节
答案:D
解析:由题图可知,E是生产者固定的太阳能,是太阳照射到生态系统的能量中被生态系统利用的部分,A项错误;E2为植物通过呼吸作用散失的能量, B项错误;E1为净初级生产量,E3为流向分解者的能量,因此E3占净初级生产量的比例为(18×1010)÷(50×1010)×100%=36%,C项错误;E3是通过分解者的分解作用产生的,分解者的分解作用对物质循环至关重要,D项正确。
2.在食物链“草→鼠→狐”中,鼠同化的能量的去向不包括( )
A.通过呼吸作用散失
B.通过鼠的粪便被分解者利用
C.通过狐的粪便被分解者利用
D.流入狐体内并被同化的能量
答案:B
解析:鼠为第二营养级,同化的能量一部分通过呼吸作用以热能的形式散失;其余的用于生长、发育和繁殖等生命活动,其中一部分以遗体残骸的形式被分解者利用,一部分被狐摄入。被狐摄入的能量中一部分以粪便的形式被分解者利用,剩下的被狐所同化。鼠的粪便中的能量属于草同化的能量。
[问题引领]
下图表示甲、乙两个生态系统的能量金字塔,请回答下列问题。
知识点二
生态金字塔
(1)依据生态学原理,同样多的玉米,上述哪种生态系统的营养结构可养活更多的人 为什么
提示:生态系统甲。因为乙中人处于第三营养级,能量在流动过程中损耗多,同样多的玉米能养活的人比甲少。
(2)一个吃玉米的人所获得的能量一定比一个吃牛肉的人获得的能量多,这种说法对吗 为什么
提示:不对。生态系统甲、乙的营养结构中“牛”和“人”代表的是相应的营养级,并非一个个体。
(3)某研究小组对牛的能量流动情况进行了分析,结果见下表。据表分析,牛同化的能量是多少 (写出算式)
注:数字为能量值,单位是kJ/(cm2·a)。
提示:同化量=摄入的能量-粪便中的能量=51.6-27=24.6[kJ/(cm2·a)],或同化量=用于生长、发育和繁殖等生命活动的能量+呼吸作用散失的能量=1.5+23.1=24.6[kJ/(cm2·a)]。
[归纳提升]
1.生态金字塔的类型及特点
比较项目 能量金字塔 数量金字塔 生物量金字塔
常见形状
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 每一营养级生物有机物的总干重
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 一般为正金字塔形
比较 项目 能量金字塔 数量金字塔 生物量金字塔
象征 含义 能量沿食物链流动的过程中具有逐级递减的特性 通常,生物个体数目在食物链中随营养级升高而逐级递减 通常,生物量(现存有机物的总干重)随营养级升高而逐级递减
分析 能量流动的过程中总是有能量的消耗,故能量流动逐级递减 成千上万只昆虫生活在一株大树上时,该数量金字塔的塔形会发生变化 浮游植物的个体小,寿命短,又不断被浮游动物吃掉,所以某一时间浮游植物的生物量可能低于浮游动物的生物量
2.能量金字塔相关内容辨析
不要误认为能量金字塔中每一塔级只包含一种生物,或者误认为能量金字塔中的生物仅构成一条食物链。能量金字塔中,每一塔级应代表一个营养级环节,由塔底到塔顶依次为生产者、初级消费者、次级消费者、三级消费者……每一塔级所包含的生物可有多个物种,如初级消费者环节中可包含所有植食性动物。故能量金字塔中各环节可形成复杂的食物网,而不是只形成一条食物链。
[典型例题]
由于生活污水和工业废水的排入,某城市河流的水质逐渐恶化。经过治理后,河水又恢复了清澈。图1表示该河流的能量金字塔(甲、乙、丙为3种鱼,丁为1种水鸟,甲不摄食藻类,箭头表示能量流动方向),图2表示部分能量流动关系[图中数字表示同化的能量值,单位:kJ/(m2·a)]。请回答下列问题。
(1)图1所示食物网中,遗漏了一条能量流动途径,该条途径是 。
(2)图1所示食物网中,次级消费者是 ,丁与丙的种间关系是 。
(3)根据图1分析,除了图2中已经标出的能量去向之外,乙的能量去向还有 。
(4)结合图2分析,图1所示食物网中第一营养级到第二营养级的能量传递效率 (填“大于”“小于”或“等于”)7.6%。
答案:(1)水草→甲→丁
(2)丙和丁 捕食和种间竞争
(3)传递给丙、通过自身呼吸作用以热能的形式散失
(4)大于
解析:(1)由题意可知,图1中遗漏的能量流动途径是水草→甲→丁。
(2)次级消费者属于第三营养级,故图1所示食物网中的次级消费者为丙和丁;丁可以捕食丙,而丁和丙又均以乙为食,故丁与丙的种间关系是捕食和种间竞争。
(3)乙在题图所示食物链中不是最高营养级,所以乙的能量有3个去向:流向下一营养级(包括丁和丙);流向分解者;通过自身呼吸作用以热能的形式散失。
(4)因为乙同化的能量为1 900 kJ/(m2·a),生产者同化的能量为25 000 kJ/(m2·a),(1 900/25 000)×100%=7.6%,而生产者同化的能量除了流向乙外,还流向了甲,所以第一营养级到第二营养级的能量传递效率大于7.6%。
【变式训练】
1.某草原生态系统中的甲、乙、丙、丁4种生物形成了右图所示的能量金字塔。若有外来生物戊入侵,戊会与丙竞争食物,但不会被丁所捕食。下列有关说法错误的是( )
A.甲可能为绿色植物,甲固定的能量大于乙、
丙、丁同化的能量之和
B.甲、乙、丙、丁构成该生态系统的生物群落
C.戊入侵后,丁生物的种群数量很可能会逐渐减少
D.戊在生态系统中处于第三营养级
答案:B
解析:处于能量金字塔最底层的是生产者,所以甲可能为绿色植物,生产者甲固定的能量大于乙、丙、丁同化的能量之和;能量金字塔中有生产者和消费者,没有分解者,而生物群落应该包含该生态系统中的所有生物,可见甲、乙、丙、丁不能构成该生态系统的生物群落;戊入侵后,与丙(丁的食物)竞争食物,所以丙的数量会减少,又由于戊不会被丁所捕食,所以丁生物的种群数量很可能会因食物减少而逐渐减少;戊与丙竞争食物,所以在生态系统中戊处于第三营养级。
2.下图为某一生态系统的能量金字塔,其中Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ分别代表不同的营养级,E1、E2代表能量的形式。下列叙述错误的是( )
A.Ⅰ是生产者
B.Ⅳ为分解者
C.E2为热能
D.能量不能循环利用
答案:B
解析:题图中Ⅰ是生产者,Ⅱ是初级消费者,Ⅲ是次级消费者,Ⅳ是三级消费者,E1为生产者固定的太阳能,E2为生物群落通过呼吸作用散失的热能。能量是单向流动、逐级递减的,不能循环利用。
[素养提升]
1.根据相关数据构建食物链
图1
图2
表 能量在各营养级中的流动
(1)依据捕食关系曲线构建食物链(网):根据先上升先下降者为被捕食者,后上升后下降者为捕食者,可以确定图1中食物链为乙→丙→甲。
(2)依据所同化能量的多少构建食物链(网):生态系统中的能量在流动过程中逐级递减,且相邻营养级之间的传递效率为10%~20%。能量值大者为被捕食者,少者为捕食者。若两能量值相差不大,不足以构成10%~20%的
比例,则两者应为同一营养级。故图2中的食物网为 ;图3中的食物链为丙→甲→乙→丁;左下表中的食物链为B→D→A→C。
2.能量传递效率的相关计算
能量传递效率=(下一营养级的同化量/本营养级的同化量)×100%
在解决有关能量传递的计算问题时,首先要确定相关的食物链,厘清生物在营养级上的差别。能量传递效率为10%~20%,解题时注意题目中是否有“最多”“最少”“至少”等特殊的字眼,从而确定使用10%还是使用20%来解题。
(1)能量传递效率的相关“最值”计算
①食物链越短,最高营养级获得的能量越多。
②生物间的取食关系越简单,生态系统的能量流动过程中消耗的能量越少。具体计算方法见下表。
知低营养级求高营养级 求获得的最多能量 选最短食物链,按×20%计算
求获得的最少能量 选最长食物链,按×10%计算
知高营养级求 低营养级 求需要的最多能量 选最长食物链,按÷10%计算
求需要的最少能量 选最短食物链,按÷20%计算
(2)能量传递效率的有关“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,而需按具体数值计数。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多种生物中获得能量,且各途径所获得的生物量比例确定,则按照各单独的食物链进行计算后合并。
(3)具有人工能量输入的能量传递效率计算
人工输入某一营养级的能量是该营养级同化量的一部分,但不是从上一营养级流入的能量。若求第二营养级至第三营养级的能量传递效率,应为[第三营养级从第二营养级同化的能量(不包括人工输入第三营养级的能量)/第二营养级的同化量(包括人工输入第二营养级的能量)]×100%。
1.某生态系统中存在如下图所示的食物网,若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
答案:A
解析:由于生产者没有改变,所以流向该生态系统的总能量没有变化,假设丙原来获得的能量为a,在食物链甲→乙→丙中,需要乙提供的能量为0.5a/10%=5a,继而需要甲提供的能量为5a/10%=50a,在食物链甲→丙中,需要甲提供的能量为0.5a/10%=5a,故共需要甲提供的能量为50a+5a=55a;假设改变食物比例后丙获得的能量为b,在食物链甲→乙→丙中,需要乙提供的能量为(1/3)b/10%=(10/3)b,继而需要甲提供的能量为(10/3)b/10%=(100/3)b,在食物链甲→丙中,需要甲提供的能量为(2/3)b/10%=(20/3)b,故共需要甲提供的能量为(100/3)b+(20/3)b=40b。由题意可知,55a=40b,则b/a=1.375。
2.某陆地生态系统中,除分解者外,仅有甲、乙、丙、丁、戊5个种群。调查得知,该生态系统有4个营养级,营养级之间的能量传递效率为10%~20%,且每个种群只处于一个营养级。一年内输入各种群的能量数值如下表所示,表中能量数值的单位相同。回答下列问题。
(1)请画出该生态系统中的食物网。
(2)甲和乙的种间关系是 ;种群丁是该生态系统生物组分中的 。
答案:(1)
(2)捕食 消费者
解析:(1)根据营养级之间的能量传递效率为10%~20%可知,戊中能量最多,处于第一营养级,乙和丙中能量相差不多,都处于第二营养级,甲处于第三营养级,丁处于第四营养级,因此可得出该生态系统中的食物网。(2)由食物网简图可以看出,甲和乙之间的关系为捕食,戊是生产者,而甲、乙、丙和丁都为消费者。
课堂小结
第2节 生态系统的能量流动
第3章
2026
内容索引
01
02
03
自主预习 新知导学
合作探究 释疑解惑
课堂小结
课标定位
1.能量流动的概念、过程及特点
依据生命活动伴随的能量变化,归纳生态系统能量流动的概念,利用模型法和定量分析法,分析不同营养级中的能量变化;通过分析赛达伯格湖的能量流动,归纳生态系统能量流动的特点。
2.生态金字塔
明确生态金字塔的种类;依据某湖泊生态系统的能量金字塔,阐明生态金字塔呈现的是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。
课标定位
3.研究能量流动的实践意义
结合生产实践,说明研究能量流动能够更加科学有效地利用生态系统中的资源。
4.调查当地某生态系统中的能量流动情况
调查当地的农田生态系统,明确它的组成成分;分析该农田生态系统的能量流动情况,提出改进建议。
素养阐释
1.通过归纳、总结生态系统能量流动的概念,培养归纳与总结的思维习惯;运用科学的思维方法和模型建构的方法探究能量流动的过程; 基于具体案例的定量分析,更好地运用物质与能量观归纳生态系统能量流动的特点。
2.通过分析和总结某生态系统的生态金字塔,培养归纳与总结、模型与建模的思维习惯。
3.通过对当地生态系统能量流动的调查及数据分析,强化生命的系统观、结构与功能观、物质与能量观。
自主预习 新知导学
一、能量流动的过程
1.生态系统能量流动的概念:生态系统中能量的输入、传递、转化和散失的过程。
2.研究能量流动的基本思路:可以将被研究的对象(如种群)作为一个整体,研究能量的输入、储存和散失。
3.能量流经第一营养级的过程
(1)输入:生产者通过光合作用把光能转化成化学能,固定在有机物中,太阳能就输入到了生态系统的第一营养级。
(2)去向
①在生产者的呼吸作用中以热能的形式散失了。
②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,一部分随着残枝败叶等被分解者分解而释放出来;另一部分则被初级消费者摄入体内,这样,能量就流入了第二营养级。
4.能量流经第二营养级的过程
(1)输入:初级消费者同化。
(2)去向
①在初级消费者的呼吸作用中以热能的形式散失。
②用于初级消费者的生长、发育和繁殖等生命活动,其中一些以遗体残骸的形式被分解者利用。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。
5.生态系统中的能量流动过程
二、能量流动的特点
1.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。
2.一般来说,在输入到某一个营养级的能量中,只有10%~20%的能量能够流到下一个营养级。因此,生态系统中的能量流动一般不超过5个营养级。
3.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。
三、生态金字塔
1.能量金字塔
(1)概念: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形成的金字塔图形。
(2)特点:能量金字塔直观地反映出生态系统各营养级间能量的关系,由于能量在流动过程中总是逐级递减,因此能量金字塔通常都是上窄下宽的金字塔形。
2.生物量金字塔
(1)概念:将单位时间内各营养级所得到的生物量(每个营养级所容纳的有机物的总干重)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形成的金字塔图形。
(2)特点:生物量金字塔大多是上窄下宽的金字塔形。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。
3.数量金字塔
(1)概念:将单位时间内各营养级的生物个体的数目比值关系转换为相应面积(或体积)的图形,并将图形按照营养级的次序排列形成的金字塔图形。
(2)特点:数量金字塔表明每个营养级中生物个体的数量。在一个草原生态系统中,吃草的鼠比草的数目少,吃鼠的鼬又比鼠的数目少,这时,数量金字塔是上窄下宽的金字塔形。如果消费者个体小而生产者个体大,如昆虫和树,那么数量金字塔就会呈现上宽下窄倒置的金字塔形。
四、研究能量流动的实践意义
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。
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。
3.研究生态系统的能量流动,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。
【预习检测】
1.判断正误。
(1)流经生态系统的总能量是照射在生产者上的太阳能。( )
(2)流经第三营养级的总能量是指三级消费者摄入到体内的能量。( )
(3)除最高营养级外,某一营养级的总能量由三个部分组成,分别是自身呼吸消耗的能量、流入下一个营养级的能量和被分解者利用的能量。( )
(4)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%。
( )
×
×
√
×
(5)生态系统中的能量可被多级循环利用,从而大大提高能量的利用率。
( )
(6)由于散失的热能不能被生产者再固定,且食物链中捕食与被捕食的关系不可逆转,所以生态系统的能量流动是单向的。( )
(7)一只狼捕食了一只兔子,则该狼就获得了这只兔子能量的10%~20%。
( )
(8)研究能量流动,可帮助人们调整生态系统中的能量流动关系,使生产者固定的能量全部流向人类。( )
×
√
×
×
2.用生态学观点分析,清除田间杂草和捕捞鱼塘中肉食性的乌鳢的目的是( )
A.保持生物群落的单一性
B.使物质和能量尽快地流动
C.保持生态平衡
D.调整能量在生态系统中的流动方向
答案:D
解析:清除田间杂草和捕捞鱼塘中肉食性的乌鳢,可使能量更多地流向农作物和鱼塘中所养殖的鱼类,即持续高效地流向对人类最有益的部分。
合作探究 释疑解惑
[问题引领]
1.下图表示能量流经第二营养级的示意图,请据图回答下列问题。
知识点一
能量流经某一个营养级(如第二营养级)的过程分析
(1)初级消费者的摄入量(a)、粪便量(c)和同化量(b)之间具有怎样的等量关系
提示:摄入量(a)=粪便量(c)+同化量(b)。
(2)初级消费者同化的能量有几个去向 初级消费者的粪便中的能量属于哪个营养级同化的能量 次级消费者的粪便中的能量呢
提示:3个,分别是自身呼吸作用散失、被分解者利用和流入下一个营养级(或2个,分别是自身呼吸作用散失和用于自身生长、发育和繁殖)。初级消费者的粪便中的能量属于第一营养级同化的能量,次级消费者的粪便中的能量属于第二营养级同化的能量。
2.下图表示某人工鱼塘生态系统能量流动过程中部分环节涉及的能量值[单位:×103 kJ/(m2·a)],据图回答下列问题。
人工鱼塘生态系统能量流动图
(1)该生态系统中流入生物群落的总能量有哪些来源
提示:一个来源是光能,另一个来源是输入的有机物中的化学能。
(2)生产者、植食性动物和肉食性动物固定的总能量分别是多少 生态系统中生物所处的营养级与获取的能量有什么关系
提示: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= 1.6×104[kJ/(m2·a)];生产者固定的总能量=[(16-2)+3+70+23]×103= 1.1×105[kJ/(m2·a)]。生态系统中生物所处的营养级越高,获取的能量越少。
(3)生产者→植食性动物、植食性动物→肉食性动物的能量传递效率分别是多少 (结果保留小数点后一位有效数字)
提示:生产者→植食性动物的能量传递效率=(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%=[(1.6×104-2×103)/(1.1×105)]×100%≈12.7%;植食性动物→肉食性动物的能量传递效率=(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%=[(7.5×103-5×103)/(1.6×104)]×100%≈15.6%。
(4)能量在流动过程中逐级递减,这与能量守恒定律矛盾吗 为什么
提示:不矛盾。能量在流动过程中逐级递减,指的是流入各个营养级的能量。能量守恒定律可以用于衡量流入某个生态系统的总能量,流入某个生态系统的总能量=储存在生态系统(生物体的有机物)中的能量+被各个营养级的生物以及分解者利用、散发至非生物环境中的能量。因此,虽然能量在流动过程中逐级递减,但总能量依然遵循能量守恒定律。
(5)假设肉食性动物的能量全部间接来自生产者,按照图中的能量流动规律,肉食性动物的质量要增加100 kg,需要消耗多少生产者
提示:肉食性动物的质量要增加100 kg,需要消耗植食性动物的质量=100/15.6%≈641(kg),植食性动物的质量要增加641 kg,需要消耗生产者的质量=641/12.7%≈5 047(kg)。
[归纳提升]
1.流入某一营养级能量的来源和去路
(2)能量去向:流入某一营养级(最高营养级除外)的能量去向可从以下两个角度分析。
2.能量流经生态系统的过程
(1)能量流动的渠道是食物链和食物网。
(2)能量散失的主要途径是各种生物的呼吸作用(代谢过程)。
(3)能量流动过程中能量的转化是太阳能→有机物中的化学能→热能。
3.能量流动的特点及原因
(1)单向流动
①能量流动是沿食物链进行的,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,因此能量无法循环流动。
(2)逐级递减
①各营养级的生物都会因呼吸作用消耗掉大部分能量。
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。
[典型例题]
1.下图表示某生态系统中能量流经第二营养级的示意图。下列分析错误的是( )
A.能量流动是单向的
B.图中甲为初级消费者同化的能量,
即第二营养级所含有的能量
C.该图不够完善,缺少甲中因呼吸以热能形式散失的能量
D.乙比甲的能量少的原因是甲的遗体、残骸中的能量被分解者利用而未传递下去
答案:D
解析:能量流动是单向的,逐级递减的,是伴随着物质利用而进行的,A项正确;题图中甲是初级消费者的同化量,即第二营养级所含有的能量,B项正确;题图不够完善,缺少甲中部分能量通过呼吸作用以热能的形式散失的过程, C项正确;乙比甲的能量少的原因是通过呼吸作用散失了部分能量,D项错误。
2.下图为某生态系统中能量传递示意图(单位:kJ),下列叙述错误的是
( )
A.能量流动是从甲固定的太阳
能开始的,流入该生态系统的总
能量为1 250 kJ
B.从乙到丙的能量传递效率
为15%
C.将乙和丙的粪便作为有机肥还田,可以提高能量传递效率
D.食物链的营养关系一般不可逆,这决定了能量流动的单向性
答案:C
解析:能量流动从生产者固定的太阳能开始,流入该生态系统的总能量是生产者固定的太阳能=175+200+875=1 250(kJ),A项正确;能量从乙到丙的传递效率为(30/200)×100%=15%,B项正确;将乙和丙的粪便作为有机肥还田,可以为植物的生长提供无机盐等物质,但不能提高能量传递效率,C项错误;食物链的营养关系都是高营养级捕食低营养级,不可逆,这决定了能量流动的单向性,D项正确。
【变式训练】
1.下图为某红松人工林能量流动的调查结果,图中能量单位为J/(hm2·a)。此森林的初级生产量有很大部分是沿着碎屑食物链流动的,表现为枯枝落叶和倒木被分解者分解,剩余积累于土壤。
注:植物所固定的太阳能或所制造的有机物质称为初级生产量,其包括净初级生产量和自身呼吸消耗的能量。
据图分析,下列叙述正确的是( )
A.E是太阳照射到生态系统的能量
B.E2属于未被利用的能量
C.E3占净初级生产量的29%
D.E3的产生过程是物质循环的必要环节
答案:D
解析:由题图可知,E是生产者固定的太阳能,是太阳照射到生态系统的能量中被生态系统利用的部分,A项错误;E2为植物通过呼吸作用散失的能量, B项错误;E1为净初级生产量,E3为流向分解者的能量,因此E3占净初级生产量的比例为(18×1010)÷(50×1010)×100%=36%,C项错误;E3是通过分解者的分解作用产生的,分解者的分解作用对物质循环至关重要,D项正确。
2.在食物链“草→鼠→狐”中,鼠同化的能量的去向不包括( )
A.通过呼吸作用散失
B.通过鼠的粪便被分解者利用
C.通过狐的粪便被分解者利用
D.流入狐体内并被同化的能量
答案:B
解析:鼠为第二营养级,同化的能量一部分通过呼吸作用以热能的形式散失;其余的用于生长、发育和繁殖等生命活动,其中一部分以遗体残骸的形式被分解者利用,一部分被狐摄入。被狐摄入的能量中一部分以粪便的形式被分解者利用,剩下的被狐所同化。鼠的粪便中的能量属于草同化的能量。
[问题引领]
下图表示甲、乙两个生态系统的能量金字塔,请回答下列问题。
知识点二
生态金字塔
(1)依据生态学原理,同样多的玉米,上述哪种生态系统的营养结构可养活更多的人 为什么
提示:生态系统甲。因为乙中人处于第三营养级,能量在流动过程中损耗多,同样多的玉米能养活的人比甲少。
(2)一个吃玉米的人所获得的能量一定比一个吃牛肉的人获得的能量多,这种说法对吗 为什么
提示:不对。生态系统甲、乙的营养结构中“牛”和“人”代表的是相应的营养级,并非一个个体。
(3)某研究小组对牛的能量流动情况进行了分析,结果见下表。据表分析,牛同化的能量是多少 (写出算式)
注:数字为能量值,单位是kJ/(cm2·a)。
提示:同化量=摄入的能量-粪便中的能量=51.6-27=24.6[kJ/(cm2·a)],或同化量=用于生长、发育和繁殖等生命活动的能量+呼吸作用散失的能量=1.5+23.1=24.6[kJ/(cm2·a)]。
[归纳提升]
1.生态金字塔的类型及特点
比较项目 能量金字塔 数量金字塔 生物量金字塔
常见形状
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 每一营养级生物有机物的总干重
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 一般为正金字塔形
比较 项目 能量金字塔 数量金字塔 生物量金字塔
象征 含义 能量沿食物链流动的过程中具有逐级递减的特性 通常,生物个体数目在食物链中随营养级升高而逐级递减 通常,生物量(现存有机物的总干重)随营养级升高而逐级递减
分析 能量流动的过程中总是有能量的消耗,故能量流动逐级递减 成千上万只昆虫生活在一株大树上时,该数量金字塔的塔形会发生变化 浮游植物的个体小,寿命短,又不断被浮游动物吃掉,所以某一时间浮游植物的生物量可能低于浮游动物的生物量
2.能量金字塔相关内容辨析
不要误认为能量金字塔中每一塔级只包含一种生物,或者误认为能量金字塔中的生物仅构成一条食物链。能量金字塔中,每一塔级应代表一个营养级环节,由塔底到塔顶依次为生产者、初级消费者、次级消费者、三级消费者……每一塔级所包含的生物可有多个物种,如初级消费者环节中可包含所有植食性动物。故能量金字塔中各环节可形成复杂的食物网,而不是只形成一条食物链。
[典型例题]
由于生活污水和工业废水的排入,某城市河流的水质逐渐恶化。经过治理后,河水又恢复了清澈。图1表示该河流的能量金字塔(甲、乙、丙为3种鱼,丁为1种水鸟,甲不摄食藻类,箭头表示能量流动方向),图2表示部分能量流动关系[图中数字表示同化的能量值,单位:kJ/(m2·a)]。请回答下列问题。
(1)图1所示食物网中,遗漏了一条能量流动途径,该条途径是 。
(2)图1所示食物网中,次级消费者是 ,丁与丙的种间关系是 。
(3)根据图1分析,除了图2中已经标出的能量去向之外,乙的能量去向还有 。
(4)结合图2分析,图1所示食物网中第一营养级到第二营养级的能量传递效率 (填“大于”“小于”或“等于”)7.6%。
答案:(1)水草→甲→丁
(2)丙和丁 捕食和种间竞争
(3)传递给丙、通过自身呼吸作用以热能的形式散失
(4)大于
解析:(1)由题意可知,图1中遗漏的能量流动途径是水草→甲→丁。
(2)次级消费者属于第三营养级,故图1所示食物网中的次级消费者为丙和丁;丁可以捕食丙,而丁和丙又均以乙为食,故丁与丙的种间关系是捕食和种间竞争。
(3)乙在题图所示食物链中不是最高营养级,所以乙的能量有3个去向:流向下一营养级(包括丁和丙);流向分解者;通过自身呼吸作用以热能的形式散失。
(4)因为乙同化的能量为1 900 kJ/(m2·a),生产者同化的能量为25 000 kJ/(m2·a),(1 900/25 000)×100%=7.6%,而生产者同化的能量除了流向乙外,还流向了甲,所以第一营养级到第二营养级的能量传递效率大于7.6%。
【变式训练】
1.某草原生态系统中的甲、乙、丙、丁4种生物形成了右图所示的能量金字塔。若有外来生物戊入侵,戊会与丙竞争食物,但不会被丁所捕食。下列有关说法错误的是( )
A.甲可能为绿色植物,甲固定的能量大于乙、
丙、丁同化的能量之和
B.甲、乙、丙、丁构成该生态系统的生物群落
C.戊入侵后,丁生物的种群数量很可能会逐渐减少
D.戊在生态系统中处于第三营养级
答案:B
解析:处于能量金字塔最底层的是生产者,所以甲可能为绿色植物,生产者甲固定的能量大于乙、丙、丁同化的能量之和;能量金字塔中有生产者和消费者,没有分解者,而生物群落应该包含该生态系统中的所有生物,可见甲、乙、丙、丁不能构成该生态系统的生物群落;戊入侵后,与丙(丁的食物)竞争食物,所以丙的数量会减少,又由于戊不会被丁所捕食,所以丁生物的种群数量很可能会因食物减少而逐渐减少;戊与丙竞争食物,所以在生态系统中戊处于第三营养级。
2.下图为某一生态系统的能量金字塔,其中Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ分别代表不同的营养级,E1、E2代表能量的形式。下列叙述错误的是( )
A.Ⅰ是生产者
B.Ⅳ为分解者
C.E2为热能
D.能量不能循环利用
答案:B
解析:题图中Ⅰ是生产者,Ⅱ是初级消费者,Ⅲ是次级消费者,Ⅳ是三级消费者,E1为生产者固定的太阳能,E2为生物群落通过呼吸作用散失的热能。能量是单向流动、逐级递减的,不能循环利用。
[素养提升]
1.根据相关数据构建食物链
图1
图2
表 能量在各营养级中的流动
(1)依据捕食关系曲线构建食物链(网):根据先上升先下降者为被捕食者,后上升后下降者为捕食者,可以确定图1中食物链为乙→丙→甲。
(2)依据所同化能量的多少构建食物链(网):生态系统中的能量在流动过程中逐级递减,且相邻营养级之间的传递效率为10%~20%。能量值大者为被捕食者,少者为捕食者。若两能量值相差不大,不足以构成10%~20%的
比例,则两者应为同一营养级。故图2中的食物网为 ;图3中的食物链为丙→甲→乙→丁;左下表中的食物链为B→D→A→C。
2.能量传递效率的相关计算
能量传递效率=(下一营养级的同化量/本营养级的同化量)×100%
在解决有关能量传递的计算问题时,首先要确定相关的食物链,厘清生物在营养级上的差别。能量传递效率为10%~20%,解题时注意题目中是否有“最多”“最少”“至少”等特殊的字眼,从而确定使用10%还是使用20%来解题。
(1)能量传递效率的相关“最值”计算
①食物链越短,最高营养级获得的能量越多。
②生物间的取食关系越简单,生态系统的能量流动过程中消耗的能量越少。具体计算方法见下表。
知低营养级求高营养级 求获得的最多能量 选最短食物链,按×20%计算
求获得的最少能量 选最长食物链,按×10%计算
知高营养级求 低营养级 求需要的最多能量 选最长食物链,按÷10%计算
求需要的最少能量 选最短食物链,按÷20%计算
(2)能量传递效率的有关“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,而需按具体数值计数。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多种生物中获得能量,且各途径所获得的生物量比例确定,则按照各单独的食物链进行计算后合并。
(3)具有人工能量输入的能量传递效率计算
人工输入某一营养级的能量是该营养级同化量的一部分,但不是从上一营养级流入的能量。若求第二营养级至第三营养级的能量传递效率,应为[第三营养级从第二营养级同化的能量(不包括人工输入第三营养级的能量)/第二营养级的同化量(包括人工输入第二营养级的能量)]×100%。
1.某生态系统中存在如下图所示的食物网,若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
答案:A
解析:由于生产者没有改变,所以流向该生态系统的总能量没有变化,假设丙原来获得的能量为a,在食物链甲→乙→丙中,需要乙提供的能量为0.5a/10%=5a,继而需要甲提供的能量为5a/10%=50a,在食物链甲→丙中,需要甲提供的能量为0.5a/10%=5a,故共需要甲提供的能量为50a+5a=55a;假设改变食物比例后丙获得的能量为b,在食物链甲→乙→丙中,需要乙提供的能量为(1/3)b/10%=(10/3)b,继而需要甲提供的能量为(10/3)b/10%=(100/3)b,在食物链甲→丙中,需要甲提供的能量为(2/3)b/10%=(20/3)b,故共需要甲提供的能量为(100/3)b+(20/3)b=40b。由题意可知,55a=40b,则b/a=1.375。
2.某陆地生态系统中,除分解者外,仅有甲、乙、丙、丁、戊5个种群。调查得知,该生态系统有4个营养级,营养级之间的能量传递效率为10%~20%,且每个种群只处于一个营养级。一年内输入各种群的能量数值如下表所示,表中能量数值的单位相同。回答下列问题。
(1)请画出该生态系统中的食物网。
(2)甲和乙的种间关系是 ;种群丁是该生态系统生物组分中的 。
答案:(1)
(2)捕食 消费者
解析:(1)根据营养级之间的能量传递效率为10%~20%可知,戊中能量最多,处于第一营养级,乙和丙中能量相差不多,都处于第二营养级,甲处于第三营养级,丁处于第四营养级,因此可得出该生态系统中的食物网。(2)由食物网简图可以看出,甲和乙之间的关系为捕食,戊是生产者,而甲、乙、丙和丁都为消费者。
课堂小结