生物第2节 生态系统的能量流动导学案

第2节　生态系统的能量流动

一、能量流动的过程

1.概念:生态系统中能量的输入、传递、转化和散失的过程。

2.能量流经第一营养级的过程

(1)输入:生态系统的生产者通过光合作用把太阳能转化为化学能,固定在它们所制造的有机物中。

(2)能量去向。

①在生产者的呼吸作用中以热能形式散失。

②随着残枝败叶等被分解者分解而释放出来。

③被初级消费者摄入体内,流入第二营养级。

3.能量流经第二营养级的过程

(1)输入:通过摄食生产者。

(2)去向。

①呼吸作用以热能的形式散失;

②流向下一营养级;

③被分解者分解利用。

4.生态系统能量流动的示意图

二、能量流动的特点

1.特点

(1)单向流动:沿食物链由低营养级流向高营养级,不可逆转,也不能循环流动。

(2)逐级递减:能量在沿食物链流动的过程中逐级减少;营养级越多,在能量流动过程中消耗的能量就越多,生态系统中的能量流动一般不超过5个营养级。

2.能量传递效率

(1)计算公式。

能量传递效率=×100%。

(2)能量在相邻两个营养级间的传递效率一般只有 10%～20%。

三、生态金字塔及研究能量流动的实践意义

1.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,叫作能量金字塔。

(2)生物量金字塔。

用能量金字塔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)数量金字塔是用能量金字塔的方法表示各个营养级的生物个体的数目比值关系。

2.研究能量流动的实践意义

(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。

(1)流经生态系统的总能量是照射在生产者上的太阳能。(　×　)

提示:流经生态系统的总能量通常是生产者固定的太阳光能。

(2)生产者和各级消费者的能量均可流入下一个营养级。(　×　)

提示:最高营养级没有流入下一个营养级的能量。

(3)散失的热能不可以被生产者固定再次进入生态系统。(　√　)

(4)生物量金字塔、数量金字塔同能量金字塔一样都是正置的。(　×　)

提示:生物量金字塔、数量金字塔都有倒置的特例。

(5)拔去田地中的杂草是人为地调整能量流动的方向,提高生态系统的能量传递效率。(　×　)

提示:杂草与作物属于同一营养级,同营养级内物种的改变,一般不影响相邻营养级之间的能量传递效率。

(6)利用农作物秸秆培育蘑菇,实现了生态系统中能量的循环利用。(　×　)

提示:能量不能循环流动。

探究一　能量流动的过程

资料:呼伦贝尔草原上的鹰捕食兔子,存在一条食物链:草→兔→鹰。草原上生产者主要是草,草原上几乎全部动物都是直接或间接由草养活。请分析并回答以下问题:

问题(1):草的能量来自哪里?输入生态系统的能量是指哪一部分?

提示:草的能量来自太阳能。生产者固定的太阳能总量。

问题(2):生产者的能量又是通过什么途径,以什么形式传递给其他动物的?

提示:传递途径为食物链或食物网;以有机物的形式传递。

问题(3):生产者的能量有哪些去路?生态系统的能量传递过程中发生了怎样的转化?

提示:一部分通过呼吸作用以热能的形式散失;一部分流入分解者被分解释放出去;另一部分流入第二营养级(初级消费者)。太阳能→有机物中的化学能→热能。

活动:如图表示能量流经第二营养级示意图,请据图思考下列问题:

问题(4):摄入量和粪便量、初级消费者的同化量之间具有怎样的等量关系?

提示:摄入量=粪便量+同化量。

问题(5):初级消费者的粪便中的能量属于哪个营养级的能量?第三营养级的粪便中的能量呢?

提示:初级消费者的粪便中的能量属于第一营养级的能量。第三营养级的粪便中的能量属于第二营养级的能量。

问题(6):初级消费者同化的能量又有几个流向?

提示:自身呼吸散失、被分解者利用和流向下一营养级。

1.生态系统能量流动的过程

(1)能量流动的源头——太阳能,但输入生态系统的总能量是指生产者固定的太阳能总量。

(2)能量转化:太阳能→有机物中的化学能→热能(最终散失)。在能量转化过程中,叶绿体把光能转化为有机物中的化学能储存起来;线粒体把有机物中的化学能转化为热能和ATP中的化学能。

(3)流动形式是有机物中的化学能,而能量传递的途径是沿着食物链和食物网进行的。

(4)散失途径:呼吸作用,包括各个营养级自身的呼吸消耗以及分解者的呼吸作用。

(5)能量散失的形式:以热能形式散失。

(6)研究能量流动既可以在个体水平上,也可以在群体水平上进行,研究生态系统能量流动则一般在群体水平上进行。

2.某一营养级的能量流动图解

(1)由以上图解可得到的等量关系。

①动物同化的能量=摄入量-粪便有机物中的能量,即摄入的食物只有部分被同化。

②同化量=自身呼吸以热能形式散失的能量+用于该营养级生物生长、发育和繁殖等的能量。

③该营养级生物生长、发育和繁殖的能量=被分解者分解的能量+流入下一营养级的能量(最高营养级的生物除外)+未被利用的能量。

(2)某一营养级的能量定量不定时分析和定量定时分析的去路。

①定量不定时分析:流入某一营养级的一定能量在足够长的时间内去路可有三条:a.一部分通过呼吸作用以热能的形式散失;b.一部分随生物的遗体或残骸等被分解者分解利用;c.还有一部分流入下一营养级(最高营养级的生物除外)。

②定量定时分析:流入某一营养级的一定能量在一定的时间内去路可有四条:a.一部分通过呼吸作用以热能的形式散失;b.一部分随生物的遗体或残骸等被分解者分解利用;c.一部分流入下一营养级(最高营养级的生物除外);d.还有一部分未被利用,即未被自身呼吸消耗,也未被下一营养级和分解者利用。

1.某生态系统中有A、B、C、D四种生物,构成食物链A→B→C,D为分解者,甲、乙、丙、丁代表各种能量,如图是该生态系统中能量流入B处发生的一系列变化示意图,下列说法错误的是(　D　)

A.图中的甲表示B的同化量,乙表示B用于生长、发育和繁殖的能量

B.参与丁过程的都是异养型生物,包括大多数细菌、真菌等

C.丙表示呼吸作用释放的能量

D.图中D利用的能量全部来自B生物

解析:甲表示B的同化量,乙表示B用于生长、发育和繁殖的能量,丙表示B呼吸作用以热能形式散失的能量,丁表示分解者的分解作用散失的热能,图中D利用的能量不全部来自B生物,还来自A生物(B粪便中的能量是B未同化的能量,属于上一个营养级A同化的能量)。

2.某同学绘制了如图所示的能量流动图解(W1为生产者固定的太阳能),下列叙述不正确的是(　C　)

A.C1可代表生产者流向分解者的能量,初级消费者粪便的能量是C1的组成部分

B.初级消费者用于生长、发育和繁殖的能量为B2+C2+D2

C.初级消费者摄入的能量为A2+B2+C2

D.图解表明初级消费者并未获得生产者固定的所有能量

解析:由题图可知,A代表呼吸作用散失的能量,B代表未被利用的能量,C代表本营养级流向分解者的能量,D代表下一营养级的同化量。C1包括了初级消费者粪便中的能量;初级消费者用于生长、发育和繁殖的能量为B2+C2+D2;初级消费者摄入的能量应大于其同化量,即大于A2+B2+C2+D2。

探究二　能量流动的特点

活动:生态学家林德曼对一个天然湖泊——赛达伯格湖的能量流动进行了定量分析,得出了如图所示的数据。

注:图中数字为能量数值,单位是J/(cm2·a)。

问题(1):第一营养级到第二营养级之间的能量传递效率是多少(保留一位小数)?为什么能量不能100%流入下一营养级?

提示:能量传递效率=62.8÷464.6×100%≈13.5%。因为每个营养级的能量都有一部分通过呼吸作用散失,一部分被分解者分解利用,还有部分未被利用,所以传到下一营养级的不能是100%。

问题(2):一般肉食性动物体内的能量能否流入植食性动物?为什么?

提示:不能;因为食物链中生物之间的捕食关系是不可逆转的。

问题(3):总结出能量流动的特点。

提示:能量流动是单向的;能量在流动过程中是逐级递减的。

问题(4):能量在流动过程中逐级递减,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逐渐减少。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。

能量流动的特点及原因

能量传递效率的相关“最值”计算

若题干中未做具体说明,则一般认为能量传递的最低效率为10%,最高效率为20%。

(1)在食物链A→B→C→D中,则有:

注: 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损耗的能量越少。

(2)在食物网中则有:

3.下图表示能量流经某生态系统第二营养级示意图[单位J/(cm2·a)],据图分析,有关说法正确的是(　C　)

A.该生态系统第三营养级同化的能量是15 J/(cm2·a)

B.能量由第二营养级到第三营养级的传递效率是15%

C.第二营养级用于生长、发育和繁殖的能量是30 J/(cm2·a)

D.分解者分解动植物遗体释放出来的能量,可供绿色植物再利用

解析:该生态系统第三营养级摄入的能量是15 J/(cm2·a),同化量小于摄入量;由于只知道第三营养级摄入量,不知道同化量,故不能计算能量由第二营养级到第三营养级的传递效率;第二营养级用于生长、发育和繁殖的能量是30 J/(cm2·a);分解者分解动植物遗体,其中的能量最终以热能的形式散失,而热能不能被绿色植物再利用。

4.如图表示某生态系统食物网的图解,猫头鹰体重每增加1 kg,至少消耗A约(　C　)

A.100 kg B.44.5 kg

C.25 kg D.15 kg

解析:图中有3条食物链,即A→B→猫头鹰、A→C→B→猫头鹰、A→C→D→猫头鹰。题中所问为猫头鹰体重每增加1 kg,至少消耗的A的质量,已知高营养级的能量求低营养级能量时,需最少能量,选最短食物链(A→B→猫头鹰),按最高能量传递效率20%计算,则至少消耗A的质量为1÷20%÷20%=25 kg。

探究三　生态金字塔及研究

能量流动的实践意义

活动:阅读教材P57～58“生态金字塔”内容,思考并回答以下问题:

问题(1):构建出的能量金字塔说明了什么?

提示:说明能量流动是逐级递减的。

资料1:生态学家调查了不同生态系统中的生物个体数量和生物量(调查数据中排除了微生物和土壤动物),所得数据如表格所示。P代表生产者,C1、C2、C3依次代表初级、次级和三级消费者。

表1　夏季两个生态系统的生物个体数量统计表(单位:个·hm-2)

表2　夏季两个生态系统的生物量统计表(单位:g·m-2)

问题(2):请根据表1,分别建构两个生态系统的数量金字塔。

提示:某草地:

温带森林:

问题(3):根据表2,分别建构两个生态系统的生物量金字塔。

提示:某湖泊:

某海峡:

问题(4):分析数量金字塔出现上宽下窄倒置的金字塔形的原因。

提示:当生产者个体比消费者个体大得多时,数量金字塔通常是倒置的。

问题(5):分析生物量金字塔出现上宽下窄倒置的金字塔形的原因。

提示:海洋生态系统中,浮游植物个体小,世代周期短,又会不断被捕食,因而某一时间调查到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。

资料2:如图是新农村建设中某地通过新建沼气池和植树造林,构建的新型农业生态系统。

问题(6):据图从能量流动角度分析,与传统农业相比生态农业的优点是什么?

提示:实现了对能量的多级利用,提高了能量的利用率。

问题(7):种植农作物时,要清除杂草和害虫,从能量流动角度分析其目的是什么?

提示:调整能量流动关系,使能量流向对人类最有益的部分。

问题(8):人们在研究能量流动时,将秸秆作为牲畜饲料,粪便进入沼气池生产燃料。此过程提高能量的传递效率了吗?

提示:没有。提高了能量的利用率,即人类充分利用了流向分解者的能量,实现了对能量的多级利用,减少了环境污染,但没有提高能量在不同营养级之间的传递效率。

(1)生态金字塔是能量金字塔、数量金字塔、生物量金字塔的总称,生态金字塔的每一层代表一个营养级。

(2)能量金字塔体现的是营养级与营养级所含总能量的关系,不会倒置。而数量金字塔和生物量金字塔一般为正金字塔形,但也有倒置的情况。

5.甲、乙、丙、丁是某同学绘制的生态金字塔,下列与之相关的说法,错误的是(　C　)

A.生态金字塔包括能量金字塔、生物量金字塔和数量金字塔,基本呈现图丙所示形态

B.由于能量流动具有逐级递减的特征,能量金字塔通常呈现图丙所示形态

C.不能用图甲表示生物数量金字塔

D.生态金字塔中每一层代表一个营养级,分解者不包含在其中

解析:某些食物链,如树→虫→鸟,其数量金字塔可能如图甲。

6.茶树菇味道鲜美,常生长在油茶树枯朽的树桩上。某林场尝试在树下套种茶树菇,并用桐树、柳树、杨树脱落的枝叶制作培养基。下列相关叙述正确的是(　B　)

A.油茶树枯朽树桩中的能量不属于油茶树的同化量

B.生长在油茶树树桩上的茶树菇属于生态系统中的分解者

C.套种措施可以提高树木和茶树菇对阳光等资源的利用率

D.该林场提高了能量的传递效率,实现了能量的多级利用

解析:油茶树枯朽树桩中的能量属于油茶树的同化量中流向分解者的部分;茶树菇属于分解者,不能直接利用阳光;该林场的做法实现了能量的多级利用,提高了能量的利用率而不是传递效率。

课堂小结

 [真实情境]

 我国南方部分地区的农民收入大大增加,因为改变了稻田生产模式,由过去单一化的“稻鱼”向“稻+N”(如“稻+鱼+鸭”“稻+鱼+蟹”)生态综合种养模式发展,为农民增收提供了新途径。

探究:(1)输入该生态系统的总能量是水稻通过光合作用固定的太阳能总量吗?为什么?

提示:不是;稻田中除了水稻还有其他的生产者。

(2)鸭清除了虫害和杂草,从能量流动角度分析有什么意义?

提示:调整了能量流动关系,使能量持续高效地流向对人类最有益的部分。

(3)这种立体式种养模式有什么好处?

提示:不同生物占有不同的生态位,有利于充分利用生态系统的物质和能量,提高了能量的利用率。

随堂检测

1.研究生态系统的能量流动,可以参考如图所示的模型。下列有关叙述中错误的是(　C　)

A.研究流经某一种群的能量时,要考虑到能量被利用和未被利用等方面

B.研究生态系统中的能量流动,一般在群体水平上

C.模型中的“能量输入”就是指捕食者的捕食

D.模型中的“能量散失”主要指呼吸作用散失的能量

解析:模型中的“能量输入”在第一营养级一般是指生产者固定的能量,第二营养级之后是指同化量,即捕食者的捕食量-粪便中的能量。

2.如果食物链上各营养级均以生物个体的数量来表示,并以食物链起点的生物个体数作底层来绘制数量金字塔,则只有两个营养级的夏季草原生态系统(假设第一营养级是牧草,第二营养级是羊)和森林生态系统(假设第一营养级是乔木,第二营养级是昆虫)的数量金字塔的形状最可能是(　A　)

A.前者为金字塔形,后者为倒置的金字塔形

B.前者为倒置的金字塔形,后者为金字塔形

C.前者为金字塔形,后者为金字塔形

D.前者为倒置的金字塔形,后者为倒置的金字塔形

解析:只有牧草和羊两个营养级的夏季草原生态系统中,牧草为第一营养级,羊为第二营养级,且牧草的数量比羊多,则该生态系统绘制的数量金字塔为上窄下宽的金字塔形;只有乔木和昆虫两个营养级的森林生态系统中,乔木为第一营养级,昆虫为第二营养级,且一棵树上可以有很多昆虫,昆虫的数量比乔木的数量多,则该生态系统绘制的数量金字塔为倒置的金字塔形。

3.为提高农业产量,农民采取了如下手段,某同学根据能量流动的特点进行分析,其中叙述正确的是(　 B　)

①人工除草　②使用农药消灭害虫　③温室种植时,适当降低夜间温度　④对农作物施肥

A.①是为了减少营养级,从而降低能量传递过程中能量的损失

B.②是为了使能量尽可能多地流向对人类最有益的部分

C.③是为了增加农田生态系统的能量输入

D.④是为农田生态系统额外补充能量,从而提高农业产量

解析:①人工除草,②使用农药消灭害虫,都是调整能量流动的方向,使能量能够持续高效地流向对人类最有益的部分;③温室种植时,适当降低夜间温度,降低呼吸作用强度,可以减少有机物的消耗;④对农作物施肥是补充营养物质,而不是补充能量。

4.若某生态系统中只具有三个营养级,且处于相对稳定状态。如图表示该生态系统的能量流动的关系图,a、b、c、d等表示不同的生理过程和相应的能量数值。请据图回答下列相关问题:

(1)从生态系统的营养级上分析,图中的A属于　　　　　　。  

(2)图中a1表示生产者固定的能量,a2表示初级消费者　　　　的能量,初级消费者用于生长、发育和繁殖的能量可用代数式　　　　　表示。  

(3)图中表示呼吸作用过程的是　　　　(填图中标号)。a3的大小最多相当于a1大小的　　　　%。  

解析:(1)图中A能利用大气中CO2和太阳能,应该是生产者,从生态系统的营养级上分析,生产者属于第一营养级。

(2)分析题图可知,a2可表示初级消费者的同化量,b2可表示初级消费者呼吸散失的能量,c2可表示初级消费者流向分解者的能量,a3可表示次级消费者同化的能量,b3可表示次级消费者呼吸散失的能量,c3可表示次级消费者流向分解者的能量;同化量-呼吸散失的能量=用于生长、发育和繁殖的能量=流向下一营养级的能量+流向分解者的能量,又因为该生态系统中只有三个营养级,所以C同化的能量最终通过呼吸作用散失和流向分解者,则初级消费者用于生长、发育和繁殖的能量可表示为a2-b2(或a3+c2或b3+c3+c2)。

(3)图中b1可表示生产者呼吸作用过程、b2可表示初级消费者呼吸作用过程、b3可表示次级消费者呼吸作用过程、d可表示分解者呼吸作用过程;求a3的最大值,能量传递效率应按20%计算,故a3=a1×20%×20%=4%a1,a3的大小最多相当于a1大小的4%。

答案:(1)第一营养级　(2)同化　a2-b2(或a3+c2或b3+c3+c2)　(3)b1、b2、b3、d　4