資源簡介

第2節(jié) 生態(tài)系統的能量流動
【學習目標】
1.通過探究學習認識生態(tài)系統能量流動的過程，明確研究能量流動的意義，逐步完善物質與能量觀。(生命觀念)
2.通過探究學習認識能量流動的特點，掌握定量分析法等科學分析方法。(科學探究)
3.通過探究學習掌握生態(tài)系統能量流動的規(guī)律，利用相關知識分析和解決實際問題。(科學思維、科學探究)
【自主預習】
一、能量流動的概念
生態(tài)系統的能量流動:生態(tài)系統中能量的　輸入、傳遞、轉化和散失　的過程。
二、能量流動的過程
1.能量的輸入:太陽能被生態(tài)系統中的生產者通過光合作用轉化成化學能，固定在它們所制造的有機物中。這樣，太陽能就輸入到了生態(tài)系統的第一營養(yǎng)級。
2.每一營養(yǎng)級的能量分析
(1)輸入生產者(第一營養(yǎng)級)的能量
①一部分在　呼吸作用　中以熱能的形式散失了。
②另一部分用于生產者的　生長、發(fā)育和繁殖　等生命活動，儲存在植物體的有機物中。
構成植物體的有機物中的能量的去向有兩個:
a.一部分隨著殘枝敗葉等被　分解者　分解而釋放出來。
b.另一部分被初級消費者攝入體內，這樣能量就流入了　第二營養(yǎng)級　。
(2)流入初級消費者(第二營養(yǎng)級)的能量
①一部分在初級消費者的呼吸作用中以熱能的形式散失。
②另一部分用于初級消費者的　生長、發(fā)育和繁殖　等生命活動，儲存在初級消費者中。
儲存的能量去向有:
a.一些以遺體殘骸的形式被分解者利用。
b.如果初級消費者被次級消費者捕食，能量就流入了第三營養(yǎng)級。
(3)能量在第三、第四營養(yǎng)級的變化，與第二營養(yǎng)級的情況大致相同。
三、能量流動的特點
1.生態(tài)系統中能量流動是　單向　的。
2.能量在流動過程中逐級　遞減　。
(1)一般情況下，能量在相鄰兩個營養(yǎng)級間的傳遞效率是　10%~20%　。
(2)生態(tài)系統中的能量流動一般不超過　5　個營養(yǎng)級。
四、生態(tài)金字塔
1.能量金字塔:將單位時間內各營養(yǎng)級所得到的　能量　數值轉換為相應面積(或體積)的圖形，并將圖形按照營養(yǎng)級的次序排列，可形成一個金字塔圖形。
2.生物量金字塔:用同樣的方法表示各個營養(yǎng)級　生物量　(每個營養(yǎng)級所容納的　有機物　的總　干重　)之間的關系，就形成生物量金字塔。
3.數量金字塔:表示各個營養(yǎng)級的生物個體的　數目　比值關系。
五、研究能量流動的意義
1.幫助人們將生物在　時間、空間　上進行合理配置，增大流入某個生態(tài)系統的總能量。
2.幫助人們科學地規(guī)劃和設計人工生態(tài)系統，使能量得到　最有效的利用　。
3.幫助人們合理地調整生態(tài)系統中的　能量流動關系　，使能量　持續(xù)高效地流向對人類最有益　的部分。
【合作探究】
情境導入　
材料:“九月圓臍十月尖，持螯飲酒菊花天”，是說農歷的九月、十月是食蟹的最佳季節(jié)。螃蟹是雜食動物，在自然條件下以取食水草、腐殖質為主，也喜食螺、蚌、蠕蟲、昆蟲，偶爾也捕食小魚、蝦。
問題探討:
1.在同等自然條件下，螃蟹甲和螃蟹乙獲取能量的途徑有什么不同？
提示　螃蟹甲直接從生產者水草體內獲得能量，螃蟹乙直接從初級消費者螺體內獲得能量。
2.水草屬于第幾營養(yǎng)級？其能量來源于哪里？
提示　水草屬于第一營養(yǎng)級。水草的能量來源于太陽能。
任務1　認識生態(tài)系統能量流動的過程
活動1　認識生態(tài)系統能量流動的過程
能量流經某生態(tài)系統第一營養(yǎng)級和第二營養(yǎng)級的圖解如下，思考并回答下列問題:
1.流經該生態(tài)系統的總能量就是輻射到該地區(qū)太陽能的總量嗎？
提示　不是輻射到該地區(qū)太陽能的總量，而是生產者通過光合作用固定的太陽能總量。
2.生態(tài)系統中生產者的能量輸入只能通過光合作用嗎？
提示　不是，絕大部分通過光合作用，但也可通過某些細菌的化能合成作用。
3.初級消費者攝入的能量是其同化量嗎？它們之間存在什么關系？
提示　初級消費者攝入的能量不等于其同化量。它們之間的關系:同化量=攝入量-糞便量。
4.初級消費者糞便中的能量是其同化量的一部分嗎？為什么？
提示　不是。初級消費者糞便中的能量是未被其吸收的能量，所以不屬于其同化的能量，而是屬于上一營養(yǎng)級同化的能量。
5.分析、比較分別輸入第一、第二營養(yǎng)級的能量去路，歸納二者的共同點。
提示　輸入這兩個營養(yǎng)級的能量，一部分通過呼吸作用以熱能的形式散失，另一部分用于自身的生長、發(fā)育和繁殖等生命活動，儲存在自身的有機物中。這些有機物中的能量，一部分被分解者利用，一部分流入下一營養(yǎng)級。
6.嘗試用某營養(yǎng)級攝入的能量a，同化的能量b，糞便量c，用于生長、發(fā)育和繁殖暫時儲存的能量d，呼吸作用以熱能形式散失的能量e，流向下一個營養(yǎng)級的能量f，流向分解者的能量g，暫時未被利用的能量h，構建它們之間的大小關系。
提示　b=a-c=d+e=e+f+g+h。
認知生成
1.能量流動中能量形式的變化:太陽能→生物體有機物中的化學能→熱能(最終散失)。
2.能量在食物鏈中流動的形式:有機物(食物)中的化學能。
3.能量散失的主要途徑:細胞呼吸。
4.生產者的同化量就是生產者固定的太陽能總量，即光合總量。
5.消費者同化的能量=攝入量-糞便中有機物的能量。消費者糞便中含有的能量不能計入排便生物所同化的能量，因其未被該營養(yǎng)級消化吸收，它實際與上一個營養(yǎng)級的遺體殘骸一樣，屬于上一營養(yǎng)級被分解者利用的那一部分能量。例如，蜣螂利用大象的糞便獲得能量，就不能說蜣螂獲得了大象的能量，而是獲得了植物的能量。
6.流入或輸入某一營養(yǎng)級的能量，即此營養(yǎng)級同化的能量。
7.攝入量、同化量和糞便量的區(qū)別與聯系
項目 攝入量 同化量 糞便量
區(qū)別 攝入量指動物攝取的食物中所含的能量，即動物所吃食物中的能量 同化量指動物經消化道消化、吸收后所獲得的能量，即動物攝食后轉化為自身的能量 糞便量指動物攝入食物中所含能量未被消化、吸收的部分，即未同化的能量，屬于上一營養(yǎng)級用于自身生長、發(fā)育和繁殖的能量，并沒有進入本營養(yǎng)級
聯系 同化量=攝入量—糞便量
例1　在“草→兔→狐”這條食物鏈中，兔經同化作用所獲得的能量，其去向不包括(　　)。
A.通過兔子的呼吸作用釋放
B.通過兔子的糞便流入分解者體內
C.通過狐的糞便流入分解者體內
D.流入狐體內
【答案】B
【解析】兔經同化作用所獲得的能量=兔的攝入量-兔的糞便量，因此，兔子糞便中的能量不屬于兔經同化作用所獲得的能量，B符合題意。
對點練1　(2022·雙鴨山月考)下圖為人工魚塘生態(tài)系統中能量流動的部分示意圖(字母表示能量的多少)，相關敘述正確的是(　　)。
A.第二營養(yǎng)級與第三營養(yǎng)級之間的能量傳遞效率為e/b×100%
B.第二營養(yǎng)級糞便中的能量屬于c中的部分能量
C.流經該生態(tài)系統的總能量a等于生產者所固定的太陽能
D.圖中d表示第二營養(yǎng)級用于生長、發(fā)育和繁殖的能量
【答案】D
【解析】第二營養(yǎng)級與第三營養(yǎng)級之間的能量傳遞效率=第三營養(yǎng)級的同化量/第二營養(yǎng)級的同化量×100%，而e表示第三營養(yǎng)級的攝入量，b表示第二營養(yǎng)級的攝入量，A錯誤；第二營養(yǎng)級糞便中的能量仍屬于其上一個營養(yǎng)級a中的部分能量，B錯誤；流經該生態(tài)系統的總能量=生產者固定的太陽能+人工投入的有機物中的化學能，C錯誤；據圖分析可知，圖中d表示第二營養(yǎng)級用于生長、發(fā)育和繁殖的能量，D正確。
技巧總結
1.能量流動過程分析(以某動物種群捕食種群A為例)
(1)未被捕食的是指沒有被下一營養(yǎng)級攝食，仍以上一個營養(yǎng)級的形式存在的。
(2)未食入的是指沒有被攝食進去的，如食物的碎屑，動物的骨頭、毛發(fā)等，植物的秸稈等，其會被分解者利用。
(3)未同化的是指糞便，其會被分解者利用。
(4)在自然界中，對一個種群來說，其同化的能量去向還包括未被捕食的，也可以說是未利用的。
2.能量傳遞過程分析(以初級消費者為例)
任務2　認識能量流動的特點和意義
活動2　認識能量流動的特點和意義
1.下圖是某人工魚塘生態(tài)系統能量流動過程示意圖，其中數字表示部分環(huán)節(jié)涉及的能量值[單位為103 kJ/(m2·a)]，據圖回答下列問題:
(1)該生態(tài)系統中流入生物群落的總能量有哪些來源？
(2)肉食性動物、植食性動物和生產者固定的總能量分別是多少？
(3)依據上圖分析，能量流動有哪些特點？如何理解這些特點？
(4)相鄰兩個營養(yǎng)級之間的能量傳遞效率一般是多少？計算方法是怎樣的？
(5)圖中生產者→植食性動物以及植食性動物→肉食性動物的能量傳遞效率分別是多少？(結果保留一位有效數字)
提示　(1)一個來源是生產者通過光合作用固定的太陽能，另一個來源是人工輸入的有機物中的化學能。
(2)肉食性動物固定的總能量=(0.25+0.05+2.1+5.1)×103=7.5×103 kJ/(m2·a)；植食性動物固定的總能量=[(7.5-5)+0.5+4+9]×103=16×103 kJ/(m2·a)；生產者固定的總能量=[(16-2)+3+70+23]×103=110×103 kJ/(m2·a)。
(3)①單向流動。其原因:一是各營養(yǎng)級能量流動的順序是不可逆轉的；二是各營養(yǎng)級通過呼吸作用產生的熱能會散失，不能被生物群落再利用。②逐級遞減。其原因:一是各營養(yǎng)級的生物都會因呼吸作用消耗大部分能量，這部分能量不能被下一營養(yǎng)級利用；二是各營養(yǎng)級總有一部分能量未被下一營養(yǎng)級的生物利用(成熟的生態(tài)系統除外)；三是生產者的殘枝敗葉、消費者的遺體殘骸等中的能量會被分解者利用。
(4)相鄰兩個營養(yǎng)級之間的能量傳遞效率為10%~20%，即輸入某一營養(yǎng)級的能量中，只有10%~20%的能量能夠流入下一個營養(yǎng)級。計算方法為能量傳遞效率=×100%。
(5)生產者→植食性動物的能量傳遞效率為植食性動物固定的能量中來自生產者的能量/生產者固定的總能量×100%=(16-2)/110×100%≈12.7%；植食性動物→肉食性動物的能量傳遞效率為肉食性動物固定的能量中來自植食性動物的能量/植食性動物固定的總能量×100%=(7.5-5)/16×100%≈15.6%。
2.下圖表示生態(tài)金字塔常見的幾種類型，請回答下列問題:
(1)圖1、圖2、圖3分別代表什么金字塔？它們分別代表的含義是什么？
(2)生態(tài)系統中數量金字塔都能用圖3表示嗎？在自然環(huán)境中是否存在某些營養(yǎng)級之間呈現倒置形式的數量金字塔，你能舉出實例嗎？
提示　(1)能量金字塔、生物量金字塔、數量金字塔。圖中金字塔都分為三層，代表研究的生態(tài)系統包含三個營養(yǎng)級；每一層代表該營養(yǎng)級所得到的能量或生物量或數目，說明能量、生物量和生物數量隨營養(yǎng)級的升高而逐級遞減。
(2)不能。如圖，一棵樹上可以生活多只植食性昆蟲，一棵白菜上有時可以看到多只菜青蟲。
3.研究能量流動有哪些意義？試舉例說明。
提示　①研究生態(tài)系統的能量流動，可以幫助人們將生物在時間、空間上進行合理配置，增大流入某個生態(tài)系統的總能量，如立體農業(yè)生產方式(間作套種等)；②研究生態(tài)系統的能量流動，可以幫助人們科學地規(guī)劃和設計人工生態(tài)系統，使能量得到最有效的利用，如“桑基魚塘”；③研究生態(tài)系統的能量流動，還可以幫助人們合理地調整生態(tài)系統中的能量流動關系，使能量持續(xù)高效地流向對人類最有益的部分，如合理放牧。
認知生成
1.能量流動沿食物鏈進行，食物鏈中各營養(yǎng)級之間的捕食關系是長期自然選擇的結果，一般不可逆轉。
2.各營養(yǎng)級通過呼吸作用所散失的熱能不能被生物群落重復利用，因此能量流動無法循環(huán)。
3.各營養(yǎng)級生物都會因呼吸作用消耗大部分能量，都會有一部分能量流入分解者，還有一部分能量未被利用，因此能量流動具有逐級遞減的特點。
4.未利用的能量是指未被自身呼吸作用消耗，也未被下一個營養(yǎng)級和分解者利用的能量。
5.能量傳遞效率與能量利用率
(1)能量傳遞效率:指流入下一營養(yǎng)級的能量與該營養(yǎng)級同化量之間的比值。(注:它是相鄰兩個營養(yǎng)級的傳遞效率，不是兩個個體或者食物網中的兩個物種之間的傳遞效率。)
(2)能量利用率:一般指流入最高營養(yǎng)級(或人類)的能量與生產者固定總能量的比值。(注:一般來說，食物鏈越短，能量利用率越高。有時考慮分解者的參與，使營養(yǎng)結構更加復雜，以實現能量的多級利用，從而提高能量利用率。)
6.不同的生態(tài)金字塔能形象地說明營養(yǎng)級與能量、數量、生物量之間的關系，是定量研究能量流動的直觀體現。
項目 類型
能量金字塔 數量金字塔 生物量金字塔
形狀
特點 正金字塔形 一般為正金字塔形，有時會出現倒金字塔形，如樹上昆蟲與鳥的數量關系 一般為正金字塔形(特例:如某段時間內，浮游植物的生物量可能低于浮游動物的生物量)
象征 含義 能量沿食物鏈流動過程中具有逐級遞減的特征 生物個體數目在食物鏈中隨營養(yǎng)級升高而逐級遞減 生物量(現存生物所容納的有機物的總干重)沿食物鏈流動逐級遞減
每一級 含義 食物鏈中每一營養(yǎng)級生物所得到的能量的多少 每一營養(yǎng)級生物個體的數目 每一營養(yǎng)級生物的總生物量
例2　下圖為生態(tài)系統中能量流動圖解的部分示意圖，①②③④各代表一定的能量值，下列敘述錯誤的是(　　)。
A.生態(tài)系統中能量流動具有單向性主要是因為食物鏈中生物之間的捕食關系一般不可逆轉
B.一般情況下，能量在相鄰兩個營養(yǎng)級之間的傳遞效率是10%~20%
C.①表示流經此生態(tài)系統的總能量
D.從能量關系看，②>③+④
【答案】C
【解析】食物鏈中的捕食關系是經長期自然選擇形成的，該關系一般不可逆轉，因此生態(tài)系統中能量流動具有單向性，A正確；一般情況下，能量在相鄰兩個營養(yǎng)級之間的傳遞效率是10%~20%，B正確；流經此生態(tài)系統的總能量是生產者固定的太陽能，即流入生產者的總能量，其在圖中并未體現，①是生產者流入消費者的能量，C錯誤；除最高營養(yǎng)級外，一個營養(yǎng)級的能量都可以包括三部分，流向下一營養(yǎng)級、流向分解者、自身呼吸作用消耗，因此從能量關系看，②>③+④，D正確。
對點練2　(不定選)某同學繪制了下圖所示的能量流動圖解(其中W1為生產者固定的太陽能)，下列敘述正確的是(　　)。
A.生產者固定的總能量可表示為A1+B1+C1+A2+B2+C2+D2
B.由第一營養(yǎng)級到第二營養(yǎng)級的能量傳遞效率為D1/(A1+B1+C1+D1)×100%
C.流入初級消費者的能量為A2+B2+C2
D.圖解表明能量流動的特點是單向流動、逐級遞減
【答案】ABD
【解析】生產者固定的總能量可表示為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，是流入下一營養(yǎng)級的能量，A正確；由第一營養(yǎng)級到第二營養(yǎng)級的能量傳遞效率為D1/(A1+B1+C1+D1)×100%=D1/W1×100%，B正確；流入初級消費者的能量為A2+B2+C2+D2=D1，C不正確；圖解表明能量流動的特點是單向流動、逐級遞減，D正確。
方法技巧
1.拼圖法分析能量流向
輸入第一營養(yǎng)級的能量(W1)可被分為兩部分:一部分在生產者的呼吸作用中以熱能的形式散失了(A1)，一部分則用于生產者的生長、發(fā)育和繁殖(B1+C1+D1)。而后一部分能量中，包括現存于植物體的B1(未利用)，流向分解者的C1，以及流向下一營養(yǎng)級的D1。
2.生態(tài)系統中能量流動的計算
(1)能量傳遞效率的相關“最值”計算
①計算某一生物所獲得的最多(最少)的能量規(guī)律(設食物鏈為A→B→C→D)
已知 問題 求解思路
D營養(yǎng)級 能量增加M 至少需要A營養(yǎng)級提供 多少能量(設為N1) N1=M÷(20%)3
最多需要A營養(yǎng)級提供 多少能量(設為N2) N2=M÷(10%)3
A營養(yǎng)級 能量增加N D營養(yǎng)級最多增加 多少能量(設為M1) M1=N×(20%)3
D營養(yǎng)級至少增加 多少能量(設為M2) M2=N×(10%)3
②涉及多條食物鏈的能量流動計算時，若根據要求只能選擇食物網中的一條食物鏈，計算某一生物獲得的最多(或最少)能量。其規(guī)律如下:
(2)能量傳遞效率的相關“定值”計算
①已確定營養(yǎng)級間能量傳遞效率的，不能按“最值”法計算，而需按具體數值計算。例如，在食物鏈A→B→C→D中，能量傳遞效率分別為a%、b%、c%，若A的能量為M，則D獲得的能量為M×a%×b%×c%。
②如果在食物網中，某一營養(yǎng)級同時從上一營養(yǎng)級的多種生物獲取能量，且各途徑獲得的能量比例確定，則按照各單獨的食物鏈進行計算再合并。
例3　
某生態(tài)系統中存在如圖所示的食物網，如將丙的食物比例由甲∶乙=1∶1調整為2∶1，能量傳遞效率按10%計算，該生態(tài)系統能承載丙的數量是原來的(　　)。
A.1.375倍　　　　　　　B.1.875倍
C.1.273倍 D.0.575倍
【答案】A
【解析】由于生產者沒有改變，因此流向該生態(tài)系統的總能量沒有變化，設丙原來的能量為a，則需要甲提供的能量為(1/2)a÷10%÷10%+(1/2)a÷10%；改變食物比例后丙的能量設為b，則需要甲提供的能量為(2/3)b÷10%+(1/3)b÷10%÷10%，根據題意可得，(1/2)a÷10%÷10%+(1/2)a÷10%=(2/3)b÷10%+(1/3)b÷10%÷10%，b/a=1.375。
對點練3　
右圖表示一個食物網。已知丙通過食用的動物性食物(乙)所占能量值比例為a，若要使丙所獲得的能量值增加x，則至少需要的生產者(甲)的能量為y，那么x與y的關系可表示為(　　)。
A.y=90ax+10x B.y=25ax+5x
C.y=20ax+5x D.y=10ax+10x
【答案】C
【解析】由題干中的“至少”可知，應該按最大能量傳遞效率20%計算，a表示動物性食物(乙)所占能量值的比例，則1-a表示直接從生產者(甲)獲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.分析能量流動的過程及計算能量傳遞效率(復雜推理能力)
科研人員研究了某種定居型蜘蛛(肉食性動物)的能量流動過程，并構建了如圖所示的模型，下列相關敘述正確的是(　　)。
A.蜘蛛在生態(tài)系統中至少屬于第二營養(yǎng)級
B.蜘蛛同化的總能量是477.4 kJ/(m2·a)
C.排糞能和遺體殘骸中的能量都屬于蜘蛛同化能的一部分
D.下一個營養(yǎng)級的同化能可能會大于87.7 kJ/(m2·a)
【答案】B
【解析】蜘蛛是肉食性動物，在生態(tài)系統中至少屬于第三營養(yǎng)級，A錯誤；圖中攝食能=同化能+排糞能，因此能計算出同化能為477.4 kJ/(m2·a)，B正確；遺體殘骸中的能量屬于蜘蛛同化能的一部分，而排糞能屬于上一營養(yǎng)極的能量，C錯誤；圖中生長能(用于生長、發(fā)育和繁殖的能量)為87.7 kJ/(m2·a)，則下一個營養(yǎng)級的同化能不可能大于87.7 kJ/(m2·a)，D錯誤。
2.能量流動的實踐應用(科學實踐能力)
據圖判斷，下列敘述錯誤的是(　　)。
A.能量經過多級利用，其利用率提高了
B.每級生產環(huán)節(jié)都獲得產品，提高了生態(tài)經濟效益
C.由于食物鏈延長，能量逐級損耗，生態(tài)系統總能量的利用效率降低
D.由于各級產物都可以利用，該生態(tài)系統減少了廢物和污染
【答案】C
【解析】在該生態(tài)系統中作物通過光合作用固定太陽能，使能量進入生物體內，作物固定的太陽能是流經此生態(tài)系統的總能量，作物的籽實、家畜、食用菌、蚯蚓等可以為人們提供相應的產品，充分實現了能量的多級利用，不但減少了廢物和污染，同時也提高了生態(tài)效益和經濟效益，實現了良性循環(huán)，A、B、D正確；食物鏈一般指捕食鏈，而圖中延長的是腐生鏈，且通過腐生鏈，原來作為廢棄物的能量得到了利用，所以生態(tài)系統能量的利用率應該是提高的，C錯誤。
【隨堂檢測】
課堂小結 課堂小測
1.能量通過光合作用和化能合成作用輸入生態(tài)系統，通過呼吸作用輸出生態(tài)系統。 (√) 2.能量在生態(tài)系統的食物鏈中是以熱能的形式流動的。 (×) 3.生態(tài)系統維持正常功能，需要不斷得到來自系統外的能量。 (√) 4.生態(tài)系統中能量的初始來源只有太陽能。 (×) 5.農業(yè)生態(tài)系統中，沼渣、沼液作為肥料還田，使能量能夠循環(huán)利用。 (×)
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