生态系统的能量流动 省一等奖

必修3·第5章第2节生态系统的能量流动一、能量流动的概念：能量流动是指生态系统中的能量输入、传递、转化和散失的过程二、能量流动的过程1、能量流动的起点：从生产者经光合作用所固定太阳能开始的，流经生态系统的总能量是指生产者固定的太阳能的总量。生产者所固定的太阳能的总量=流经这个生态系统的总能量，而流入到各级消费者的总能量是指各级消费者所同化的能量，排出的粪便中的能量不计入排便生物所同化的能量中。一般地，生产者固定的太阳能的总量便是流经这个生态系统的总能量，但不要误以为一切生态系统的总能量都是该生态系统中生产者固定的太阳能的总量。如城市生态系统中的总能量就不是该生态系统中生产者固定的太阳能的总量，其总能量取决于人为地从其他生态系统输入能量的多少，人的因素对输入城市生态系统的总能量起决定作用。例如人工鱼塘是人工建立的生态系统，高密度养鱼时生产者的能量肯定会少于消费者的能量，但可以人工补充能量来维持（如投放食物等）。在一个高产的人工鱼塘中同时存在着生产者、初级消费者、次级消费者和分解者。其中生产者固定的全部能量为a，初级消费者、次级消费者固定的能量和分解者分解释放的能量依次为b、c、d，这四者的能量关系应该是“a＜b＋c＋d”（人工鱼塘不可能仅依靠生产者提供的能量来维持，那产量一定很低，所以人为添加饲料。）2、能量流动的渠道：生态系统的营养结构——食物链和食物网。能量在各营养级之间的流动主要是通过食物关系进行的。对于初级消费者所同化的能量，也是这三个去处。并且可以认为，一个营养级所同化的能量＝呼吸散失的能量十被下一营养级同化的能量十分解者释放的能量。但对于最高营养级的情况有所不同，它所同化的能量＝呼吸散失的能量十分解者分解释放的能量。5、流动的形式：以有机物的形式流动6、能量的转化：光能→生物体有机物中的化学能→热能7、能量的散失：热能是能量流动的最终归宿。（热能是不能重复利用的，所以能量流动是单向的，不循环的。）8、能量的过程：三、能量流动的特点1、单向流动（1）单向流动是指能量只能从前一营养级流向后一营养级，而不能反向流动。（2）原因①食物链中各营养级的顺序是不可逆转的，这是长期自然选择的结果；②各营养级的能量大部分以呼吸作用产生的热能形式散失掉，这些能量是生物无法利用的。（3）对“能量流动是单方向不可逆”的理解①从食物链角度，能量由生产者固定开始，沿食物链逐级流动，到达最高营养级后，能量不能被生产者、上一个营养级再度利用。②从能量代谢角度，能量贮存在有机物的化学键中，当它释放时，一部分转变为自由能，可以作功；一部分转变为热能释放。生物不能利用热能，所以热能就散失，自由能越来越少，能量越流越少，以致成为单向流动。2、逐级递减（1）逐级递减是指输入到一个营养级的能量不能百分之百地流入下一营养级，能量在沿食物链流动过程中逐级减少的。（2）原因：①各营养级的生物都因呼吸消耗了大部分能量；②各营养级总有一部分生物未被下一营养级利用，如枯枝败叶。（3）能量传递效率：生态系统的为10%～20%的含义，是指一个营养级的总能量大约只有10%～20%传递到下一个营养级。三、生态金字塔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，这三者都是用来说明食物链中能量流动情况。不同的金字塔能形象地说明营养级与能量、生物量、数量之间的关系，是定量研究生态系统的直观体现。能量金字塔是以各营养级所固定的总能量来表示的，它以热力学为基础，较好地反映了生态系统内能量流动的本质。数量金字塔过高地估计了小型生物的作用，而生物量金字塔又过于强调了大型生物的作用，而能量金字塔所提供的情况较为客观和全面。1、能量金字塔能量沿食物链流动时逐级递减，营养级越多，消耗的能量就越多，因此可以将单位时间内各个营养级的能量数值，由低到高绘制成图，这样就形成一个正金字塔图形，就叫做能量金字塔。在能量金字塔中，营养级别越低，占有的能量越多，反之，越少。能量金字塔绝不会倒置。从能量金字塔中可以看出：在生态系统中，营养级越多，在能量流动过程中消耗的能量就越多。而之所以呈现金字塔形，是因为通常情况下，能量从上一个营养级传递到下一个营养级，平均传递效率为10%～20%。传递效率＝下一个营养级同化量／上一个营养级同化量×100%。能量金字塔每一台阶的含义：代表食物链中每一营养级生物所含能量多少。能量金字塔形状的象征含义：表明能量流动沿食物链流动过程具有逐级递减的特性。2、数量金字塔（用生物体数目来表示）以每个营养级的生物个体数量为依据绘制的金字塔。但会出现有的生物个体数量很少而每个个体的生物量很大的情况，所以也会出现倒置的现象。数量金字塔每一台阶的含义：表示每一营养级生物个体的数目。数量金字塔形状的象征含义：因为在捕食链中，随着营养级的升高，能量越来越少，而动物的体形一般越来越大，因而生物个体数目越来越少。〖实例〗生物数量金字塔：人们对一片草地上的所有生物成员作了统计：三级消费者（肉食动物、吃小鸟的鹰）3只次级消费者（肉食动物、吃昆虫的小鸟）354904只初级消费者（草原动物、昆虫）708624只生产者（野草）5842424株3、生物量金字塔（用质量来表示）以每个营养级的生物量绘制的金字塔。但某些单细胞生物的生命周期短，不积累生物量，而且在测定生物量时是以现存量为依据的，所以在海洋生态系统中会出现倒置现象，即出现浮游动物数量多于浮游植物。如海洋生态系统中，生产者浮游植物个体小，寿命短，又会不断被浮游动物吃掉，因而某一时间调查到的浮游植物的生物量可能要低于其捕食者浮游动物的生物量，但这并不是说流过生产者这一环节的能量比流过浮游动物的要少。生物量金字塔每一台阶的含义：表示每一营养级现存生物的质量，即有机物的总质量。生物量金字塔的一般形状：能量是以物质形式存在的，因而每一营养级的生物量（现存生物有机物的总质量）在一定程度上代表着能量值的高低，从这个意义上讲，生物量金字塔的形状一般同能量金字塔形状相似。以生物量金字塔为例，从“十分之一定律”这一理论上说，一个人若是靠吃水产品来增长1kg体重的话，就得吃10kg鱼，这10kg鱼要以100kg浮游动物为食，而这100kg浮游动物又要消耗1000kg浮游植物才能成活。这就是说，要有1000kg浮游植物才能养活10kg鱼，进而才能使人增长1kg体重。〖总结〗只有能量金宇塔永远是底宽上尖的正金字塔形（即：能量金字塔绝不会倒置），数量金宇塔及生物量金字塔一般也是正金字塔形，但有时也会出现倒置的特殊形状的金字塔。四、生物富集作用生物富集作用又叫生物浓缩，是指生物体通过对环境中某些元素或难以分解的化合物（如重金属离子、不易分解的化学农药等），通过食物链会在各个营养级的生物体内逐渐得富集起来（很容易积累到生物体的脂肪组织和肝脏中，不易分解），在能量流动的渠道中，随着营养级越高，生物体内的这些物质的浓度就越高。五、研究能量流动的意义①可以帮助人们科学规划，设计人工生态系统，使能量得到最有效的利用；②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。六、生态系统能量流动中的有关计算由于一般情况下能量在两个相邻营养级之间的传递效率是10%～20%。故在能量流动的相关问题中，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%。所以，在已知较高营养级生物的能量求消耗较低营养级生物的能量时，若求“最多”值，则说明较低营养级生物的能量按“最低”效率传递，若求“最（至）少”值，则说明较低营养级生物的能量按“最高”效率传递。反之，已知较低营养级生物的能量求传递给较高营养级生物的能量时，若求“最多”值，则说明较低营养级生物的能量按“最高”效率传递，若求“最少”值，则说明较低营养级生物的能量按“最低”效率传递。这一关系可用下图来表示：〖例题1〗下图为某生态系统食物网简图，若E生物种群总能量为×109kJ，B生物种群总能量为×108kJ，从理论上计算，A贮存的总能量最少为（）A．×108kJB．×107kJC．×107kJD．×107kJ【解析】由图可知D为生产者，要使A获得的能量最少，则必须保证三个条件，即：一是能量来源途径最少；二是能量传递效率最低（按10%算）；三是食物链要最长。故从理论上讲，与A贮存的总能量最少相关的食物链不可能是D→A，也不可能是D→A、D→E→C→A同时存在，只能是D→E→C→A。为此，E的能量在传递给A的途径中，只有确保：①E在传递给B时用去的能量最多；②E的总能量减去传递给B的后再传给C时效率最低；③C在传递给A时效率最低，结果才能使A获得的能量最少。所以据此计算得A贮存的总能量最少为：（×109－×108÷10%）×10%×10%＝×107kJ故答案选B项。〖例题2〗已知某营养级生物同化的能量为1000kJ，其中95%通过呼吸作用以热能的形式散失，则其下一营养级生物获得的能量最多为（）A．200kJB．40kJC．50kJD．10kJ【解析】本题具有较大的迷惑性，极易错选A项。由于该营养级的能量95%通过呼吸作用以热能的形式散失，故积累的能量只有5%，因而其最多也只有5%（即5%×1000＝50kJ）的能量传递给下一营养级。因此答案选C项。〖例题3〗如果一个人食物有1/2来自绿色植物，1/4来自小型肉食动物，1/4来自羊肉，假如传递效率为10%，那么该人每增加1千克体重，约消耗植物（）A．10千克 B．28千克 C．100千克 D．280千克【解析】解答本题时，首先应画出食物网，然后依据食物网和题干信息来解答。①通过“植物→人”这条链计算出消耗植物的量为：÷10%＝5千克；②通过“植物→植食动物→小型肉食动物→人”这条链计算出消耗植物的量为：÷10%÷10%÷10%＝250千克；③通过“植物→羊→人”这条链计算出植物的量为：÷10%÷10%＝25千克。故要消耗植物的总量为280千克。（5＋250＋25＝280）故此题的答案选D项。〖例题4〗如下图简化的草原食物网中，假如鹰的食物有2/5来自于兔，2/5来自于鼠，1/5来自于蛇。那么，鹰若增重20g，最多消耗多少克植物？最少消耗多少克植物？【解析】因为已知条件是最高营养级增加重量，以及鹰捕食兔、鼠、蛇的能量系数，最多消耗多少植物应按10％（最低能量传递率）来计算。“植物→兔→鹰”这条食物链中，最多消耗植物为：同理，“植物→鼠→鹰”、“植物→鼠→蛇→鹰”两条食物链中，最多消耗植物分别为：800＋800＋4000＝5600（g）故共计5600g。同理，“最少消耗多少植物”应按20％（最高能量传递率）来计算：〖例题5〗在“棉花→棉蚜→食蚜蝇→瓢虫→麻雀→鹰”这条食物链中，如果食蚜蝇要有5m2的生活空间才能满足自身的能量需求，则一只鹰的生活空间至少是（）A．5×103m2B．5×104m2C．53m2D．54m2【解析】本题以生物的生活范围来反映所具能量的大小。由题意可知鹰处于最高营养级，按能量最高传递效率可求出一只鹰至少所需的生活空间为：（1÷20%÷20%÷20%）×5＝54m2。答案选D项。〖例题6〗在能量金字塔中，如果生产者在光合作用过程中产生240mol的氧气，其全部用于初级消费者分解血糖，则其释放并贮存在ATP中的能量最多有（）可被三级消费者捕获？A．×103kJB．×103kJC．×103kJD．×103kJ【解析】依据有氧呼吸反应式，可知240mol的氧气能分解40mol的葡萄糖，又由于每摩尔葡萄糖彻底氧化分解产生的能量有1161kJ转移到ATP中，故初级消费者产生的ATP中的能量最多有“1161×40×20%×20%＝×103kJ”被三级消费者捕获。答案选C项。〖例题7〗在下图的食物网中，生态系统能量流动传递效率为10%～20%，请据图回答下列问题：（1）在这个食物网中，可以称为初级消费者的生物种群有。（2）若鸟增加的能量积累为A，需要生产者提供的能量应不少于A。（3）在鸟的食物构成中，若动物性食物与植物性食物各占50%，则需要生产者提供的能量应大约在A至A之间。【解析】（1）初级消费者即直接以植物为食的动物，此食物网中有虫和鸟。（2）“不少于”意味着按最高传递效率，取最短食物链计算，20%X＝A，得X＝5A。（3）设草的总能量中，有X沿“草→虫→鸟”流动，有Y沿“草→鸟”流动，按传递效率10%计算：10%X×10%＝50%A，得X=50A，10%Y＝50%A，得Y＝5A，需要生产者总量为X＋Y＝55A；按20%计算：20%X×20%＝50%A，得X＝，20%Y=50%A，得Y＝，需要生产者总量为15A。【答案】（1）虫、鸟（2）5（3）1555〖补充〗能量流动与生态系统的稳定性能量流动效率能直接反映生态系统的稳定性，能量在传递过程中，若超过一定的限度，则容易引起种群的生长、繁殖或再生等的障碍，从而导致生态系统稳定性的破坏，故在研究生态系统的稳定性时必须时刻关注能量流动效率。〖例题8〗某生态系统中初级消费者和次级消费者的总能量分别是W1和W2，当