第2节　生态系统的能量流动

一、能量流动的概念和过程

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：生产者通过光合作用把太阳能转化为化学能，固定在有机物中。

(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：通过摄食生产者获得。

(2)去向

①通过呼吸作用以热能形式散失。

②以遗体残骸的形式被分解者利用。

③被次级消费者捕食，流入下一营养级。

4．能量流动过程图解

(1)补充图中标号代表的内容

甲：生产者；乙：初级消费者；丙：次级消费者；丁：呼吸作用；戊：分解者。

(2)据图总结流入每一营养级的能量最终去向

①通过自身呼吸作用以热能形式散失。

②被下一营养级同化。

③被分解者分解利用。

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：①能量在沿食物链流动的过程中逐级减少。

②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)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，也就是说，能量在相邻两个营养级间的传递效率是10%～20%。

(2)计算公式

相邻两个营养级间的能量传递效率＝×100%。

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的次序排列，可形成一个金字塔图形。

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。

3．数量金字塔

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。

4．生态金字塔

能量金字塔、生物量金字塔和数量金字塔统称为生态金字塔。

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．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。

判断对错(正确的打“√”，错误的打“×”)

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。              (　　)

提示：1．√

2．×　能量在生态系统的食物链中是以化学能的形式流动的。

3．√

4．×　生态系统的能量来源主要为太阳能，也可源自某些无机物氧化分解释放的能量，如硝化细菌、硫铁细菌等化能自养型生物。

5．×　沼液和沼渣可以为农作物提供肥料，沼气池发酵产生的沼气又能成为人类的能源物质，实现了能量的多级利用，而能量不能循环利用。

　能量流动过程

1．能量流动概念的理解

2．流入某一营养级的能量的来源和去路

(1)能量来源

(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：

①不定时(能量的最终去路)

②定时(某段时间内的能量去路)

1．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，那么草的能量来自哪里？它的能量又是通过什么途径传递给其他动物的？

提示：草的能量来自太阳能。传递途径为食物链或食物网。

2．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：

(1)摄入量(a)和粪便量(c)、初级消费者的同化量(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。

(3)初级消费者同化的能量又有几个流向？

提示：三个：自身呼吸散失、被分解者利用和流向下一营养级。

1．(2020·山东省实验中学月考)下图为桑基鱼塘农业生态系统局部的能量流动图解，图中字母代表相应能量。下列叙述正确的是(　　)

A．流经该生态系统的总能量是桑树净光合作用储存的能量C

B．蚕用于自身生长、发育、繁殖的能量可表示为B1＋C1＋D1

C．桑树和蚕之间的能量传递效率可用D/C表示，一般小于20%

D．将蚕沙(粪便)投入鱼塘供给鱼食用，流入鱼体内的能量属于D1

B　[流经该生态系统的总能量是生产者固定的太阳能总量A，C为桑树用于自身生长、发育和繁殖的能量，A项错误。蚕同化的能量一部分通过呼吸作用散失(A1)，另一部分用于自身生长、发育和繁殖(B1＋C1＋D1)，B项正确。蚕同化的能量为D＝A1＋B1＋C1＋D1，桑树同化的能量为A，故桑树和蚕之间的能量传递效率可用D/A表示，相邻两个营养级的能量传递效率一般为10%～20%，C项错误。蚕沙(粪便)中的能量属于上一营养级(桑树)同化的能量，不属于D1中的能量，D项错误。]

2．如图为能量流动示意图。其中a1是流入第一营养级的总能量，相关说法正确的是(　　)

A．第一营养级传递给分解者的总能量是a4

B．a3能再被生物同化利用

C．a1、a2、a3、a6中的能量都以稳定化学能的形式存在

D．第一营养级和第二营养级之间的能量传递效率是(a6/a1)×100%

D　[第二营养级粪便中的能量a7也属于第一营养级传递给分解者的能量，A项错误；能量a3以热能的形式散失，不能再被生物同化利用，B、C项错误；第一营养级和第二营养级之间的能量传递效率是(a6/a1)×100%，D项正确。]

“拼图法”分析能量流动过程

输入第一营养级的能量(W1)，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，包括现存植物体的能量(B1)、流向分解者的能量(C1)、流向下一营养级的能量(D1)，如图所示：

　能量流动的特点和实践意义

1．能量流动的特点及原因

2．生态金字塔的比较

3．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，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—蛙等立体农业生产方式。

(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。在实际生活中，设计人工生态系统，使能量得到最有效的利用，常采用以下措施：

①尽量缩短食物链，以减少能量消耗。

②充分利用分解者，如利用秸秆培养食用菌，利用牲畜的粪便生产沼气。

(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，如合理放养牲畜、农田捉虫、除草等。

1．用能量流动的原理，解释谚语“一山不容二虎”隐含的道理。

提示：根据生态系统中能量流动逐级递减的特点和规律可知，营养级越高，可利用的能量就越少，老虎在生态系统中几乎是最高营养级，通过食物链(网)流经老虎的能量已减到很小的程度。因此，老虎的数量将是很少的。故“一山不容二虎”。

2．如果你被困荒岛，要维持更长时间等待救援，要获得更多能量，究竟要采用以下哪种生存策略呢？

A．先吃鸡再吃玉米

B．先吃玉米，然后用一部分玉米喂鸡，吃鸡下的蛋，最后吃鸡

提示：应选A方案。应该先吃鸡，因为从营养级角度来讲，鸡是初级消费者，玉米是生产者，根据能量流动递减法则，如果让鸡吃玉米，玉米的能量最多有20%转换到鸡的体内，然后人再吃鸡或者鸡蛋的话，获得的能量相当于玉米的20%×20%，这种方案中，玉米是生产者，鸡是初级消费者，人是次级消费者，人所获得的能量是最少的，维持时间最短。所以，不如先把鸡吃掉，再吃玉米。

3．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。以上过程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．如图为生态系统中能量流动图解部分示意图，①②③④各代表一定的能量值，下列各项不正确的是(　　)

A．生物与生物之间的捕食关系一般不可逆转，所以能量流动具有单向性

B．①表示流经该生态系统内部的总能量

C．一般情况下，②为①的10%～20%

D．从能量关系看②>③＋④

B　[生物与生物之间的捕食关系一般不可逆转，所以能量流动具有单向性，A正确；①表示初级消费者同化的能量，根据能量流动的特点，①小于流经该生态系统内部的总能量，B错误；相邻两个营养级间的能量传递效率为10%～20%，所以一般情况下，②为①的10%～20%，C正确；②为次级消费者同化的能量，其去向除了③流向下一个营养级、④流向分解者外，还有呼吸作用消耗和未利用，所以从能量关系看②>③＋④，D正确。]

2．用各营养级生物的能量、数量构建的金字塔分别称为能量金字塔、数量金字塔。在某一栎林中，第一营养级生物为栎树，第二营养级生物为昆虫，第三营养级生物为蛙、蜥蜴和鸟，第四营养级生物为蛇。该栎林数量金字塔的示意图是(　　)

A　　　　B　　　　C　　　　　D

B　[在数量金字塔中昆虫的数量远远大于栎树的数量，第三营养级生物的数量小于昆虫的数量，第四营养级生物的数量小于第三营养级生物的数量。]

3．设计人工生态系统的常用方法之一是给食物链(网)“加环”，如图就是一种“加环”示意图，据图判断下列有关叙述正确的是(　　)

A．用残渣来培育食用菌和蛆，提高了能量的传递效率

B．用玉米的副产品玉米芯生产木糖醇，可增加经济效益

C．用蛆的排泄物作为有机肥还田，使能量能够循环利用

D．离开人的管理，该生态系统仍可以正常运转

B　[用残渣来培育食用菌和蛆，提高了能量利用率，但不能提高能量传递效率，A错误；用玉米的副产品玉米芯生产木糖醇，可提高经济效益，B正确；生态系统的能量流动是单向的，不能循环利用，C错误；该生态系统中人起到了决定性的作用，离开人的管理，该生态系统不能正常运转，D错误。]

能量传递效率与能量利用效率的比较

(1)能量传递效率：能量在沿食物链流动的过程中，逐级递减，若以“营养级”为单位，能量在相邻两个营养级之间的传递效率为10%～20%。

(2)能量利用效率：流入最高营养级的能量占生产者所固定的能量的比值。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，因此食物链越短，能量利用效率越高。

由材料分析知，天然湖泊改造为人工鱼塘，物种数量及生物体内所含总能量改变，由此形成科学思维的学科素养。

1．养殖前后流入该生态系统的总能量有什么差别才会导致养殖后生物体内所含的总能量显著增加？(科学思维)

提示：养殖前流入该生态系统的总能量是指生产者固定的能量，养殖后流入的总能量是指生产者固定的能量＋人工投放的饵料中有机物的能量。养殖后能量来源更多，导致养殖后生物体内所含的总能量显著增加。

2．从能量流动的角度分析肉食性鱼类与植食性鱼类的总生物量相比，谁更多？为什么？(科学思维)

提示：植食性鱼类的总生物量更多。原因是虾、贝等小型植食性动物能摄食饵料，肉食性鱼类只摄食虾、贝类，所处的营养级较高，而能量的传递是逐级递减的，因此，肉食性动物的能量来源减少，总的生物量也较少。

[课堂小结]

1．下图所示为一般生态系统的结构模式图。下列叙述正确的是(　　)

A．消费者将有机物转化为无机物后又被生产者重新利用

B．能量主要以太阳能的形式在生态系统内部传递

C．农田生态系统中能量的输入量和输出量总是相等的

D．组分1、2、3可分别代表生产者、消费者和分解者

A　[消费者能通过自身代谢，将有机物转化为无机物排出体外，这些无机物又可以被生产者重新利用，A项正确；流经生态系统的总能量是生产者固定的太阳能，生态系统内部能量的传递形式是有机物中的化学能，B项错误；在一个幼苗茁壮成长的农田生态系统中能量的输入量大于输出量，C项错误；据图可知，生态系统的组分1、2、3可分别代表生产者、分解者和消费者，D项错误。]

2．下列关于能量流动的叙述，错误的是(　　)

A．各营养级同化的能量一般都会分为两部分流向分解者

B．各营养级呼吸作用散失的能量都不能被其他生物所同化

C．消费者粪便中的能量应属于上一营养级同化的能量

D．每种肉食性消费者同化的能量都来自不同营养级

D　[各营养级获得的同化量中流向分解者的能量常常分为两部分，即一部分是形成的尸体、残骸等，另一部分是被下一营养级摄入后形成的粪便，A正确；各营养级呼吸作用释放的能量一部分用于满足自身生命活动，一部分以热能形式散失，其中散失的能量不能被其他生物所同化利用，B正确；消费者粪便中的能量由于没有被消费者同化，所以应属于上一营养级同化的能量，C正确；在特定的生态系统中，部分肉食性消费者同化的能量可能只来源于同一个营养级，D错误。]

3．某同学通过分析蛇的食性绘制了如图所示的食物关系。假定一条1 kg的蛇，4/5的食物来自鼠，1/5的食物来自蛙。按能量流动的最高效率计算，此蛇间接消耗的植物为(　　)

A．45 kg　　　　　　　　 B．22.5 kg

C．90 kg   D．20 kg

A　[依题意知，此蛇间接消耗的植物为(4/5)÷20%÷20%＋(1/5)÷20%÷20%÷20%＝45 kg。]

4．如图是一个农业生态系统模式图，下列关于该系统的叙述中，错误的是(　　)

A．微生物能利用农作物通过光合作用储存的能量

B．沼气池中的微生物是该生态系统的分解者

C．沼渣、沼液作为肥料还田，使物质能够循环利用

D．多途径利用农作物可提高该系统的能量传递效率

D　[该系统中，沼气池中的微生物能利用农作物固定的太阳能，属于分解者，A、B正确；在生态系统中，能量流动是单向的，不能循环利用，但物质是可以循环利用的，C正确；物质和能量的多级利用，减少了能量的流失，提高了能量的利用效率但不能改变传递效率，D错误。]

5．如图是某湖泊生态系统能量流动的定量分析图解。图中A、B、C代表三个营养级，数字均为实际测得的能量值，单位为百万千焦。已知该生态系统受到的太阳辐射为118 872 百万千焦，但其中118 761百万千焦的能量未被利用，请回答：

(1)请将该生态系统的总能量值填写在图中的方框内，这部分能量是________所固定的太阳能。

(2)能量从第一营养级到第二营养级的传递效率为________%，从第二营养级到第三营养级的传递效率为________%。

(3)次级消费者通过异化作用消耗的能量占其同化作用所得到的能量的百分比是________。

(4)由图可知，下个营养级不能得到上个营养级的全部能量，原因：①各营养级生物体内的大量能量被______________；②上个营养级的部分能量____________________________________________________________________

_______________________________________________________________；

③还有少量能量被________利用。

[解析]　流入生态系统的总能量＝所有生产者所固定的太阳能的总量；某一营养级的总能量＝呼吸作用释放的能量＋流入到下一营养级的能量＋流向分解者的能量＋未被任何生物利用(如燃烧)的能量；能量转化(传递)率＝上一营养级流到下一营养级的能量÷上一营养级的总能量×100%。另外，还要明白能量逐级递减的原因是每一营养级的生物都会因呼吸作用消耗相当大的一部分能量，还有未被利用的能量，并有一部分能量被分解者直接利用。

[答案]　(1)111　生产者A　(2)13.5　20　(3)60%

(4)①呼吸作用消耗　②未被下一个营养级利用　③分解者