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生物选择性必修2 生物与环境【教学设计】
第2节　生态系统的能量流动
[学习目标]
1.通过分析生态系统中能量在生物群落中单向流动并逐级递减的规律,培养物质与能量观等生命观念、归纳与概括等科学思维。
2.通过举例说明利用能量流动规律,人们能够更加科学、有效地利用生态系统中的资源,培养关注生物学社会性议题的社会责任感。
3.通过解释生态金字塔表征了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,培养建模的科学思维。
4.通过调查生态系统的能量流动,培养观察提问、团队合作、交流讨论等科学探究素养。
【课件自主预习】
一、生态系统能量流动的概念和过程
1.能量流动的概念:是指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(以绿色植物为例)
(1)能量输入:生态系统中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的形式散失。
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;另一部分被初级消费者摄入体内,这样,能量就流入了第二营养级。
3.能量流经第二营养级的过程
(1)能量输入:初级消费者同化生产者的能量。
(2)能量去向
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,储存在初级消费者的有机物中。构成初级消费者的有机物中的能量,一部分以遗体残骸的形式被分解者利用;另一部分被次级消费者摄入体内,这样,能量就流入了第三营养级。
(3)图解
4.能量在不同营养级间变化情况
能量在第三、第四营养级的变化,与第二营养级的情况大致相同。
5.生态系统能量流动的示意图(教材P55图36)
由图可以看出:生产者及各级消费者能量流动相同的三个去向是:通过呼吸作用以热能的形式散失,被下一营养级同化,被分解者利用。
二、能量流动的特点和生态金字塔
1.能量流动的特点
2.能量的输入
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。
3.生态金字塔:包括能量金字塔、生物量金字塔和数量金字塔
(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:将单位时间内各营养级的生物量(每个营养级所能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,可形成一个金字塔图形。
(3)数量金字塔:将单位时间内各营养级生物个体的数目转换为相应面积(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。
(4)能量金字塔通常都是上窄下宽的金字塔形;生物量和数量金字塔大多是上窄下宽的金字塔形。
三、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。
【预习检测】
1.判断下面有关生态系统能量流动过程说法的正误。
(1)生态系统的能量流动指能量的输入和散失过程。(　×　)
(2)散失的热能不可以被生产者固定再次进入生态系统。(　√　)
(3)流经生态系统的总能量是照射在生产者上的太阳能。(　×　)
(4)初级消费者粪便中的能量属于生产者同化的能量。(　√　)
(5)初级消费者摄入的能量全部转化为自身的能量,储存在有机物中。(　×　)
2.判断下面有关生态系统能量流动特点和意义说法的正误。
(1)生态系统的能量流动是逐级递减的,原因是一个营养级同化的能量只有一部分流入下一个营养级。(　√　)
(2)生态系统的能量流动是单向的,原因是一个营养级呼吸散失的能量不能被生产者再同化,以及捕食关系是不可逆的。(　√　)
(3)能量金字塔和生物量金字塔均可以出现倒置现象。(　×　)
(4)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。(　×　)
(5)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%。(　×　)
(6)沼渣、沼液作为肥料还田,使能量能够循环利用。(　×　)
【课堂互动探究】
探究点一　能量流动的过程
[活动] 阅读教材P55能量流动的过程相关文字及图35和图36。
(1)据图分析下列问题。
①a、b、c、d、e、f之间具有怎样的等量关系
提示:a=b+c;b=d+e+f。
②第一营养级中未被利用能量的最终去向是什么
提示:死亡后被分解者吸收利用,通过分解者的呼吸作用散失。
(2)结合教材图35和36,分析回答下列问题。
①被初级消费者摄入的能量(摄入量)全部被初级消费者同化(同化量)了吗
提示:没有。初级消费者摄入生产者后要排出粪便。粪便中有机物的能量(粪便量)最终流向了分解者。即摄入量=同化量+粪便量。
②初级消费者粪便中的能量是其同化量的一部分吗 为什么
提示:不是。初级消费者粪便中的能量不属于其同化的能量,而是属于生产者所同化的能量。
③流入初级消费者体内的能量(同化量)有何用途
提示:初级消费者在呼吸作用中以热能的形式散失;初级消费者进行生长、发育和繁殖等生命活动。
④流入初级消费者体内的能量(同化量)最终去向有哪些
提示:呼吸作用散失的热能、第三营养级同化的能量、分解者利用的能量。
⑤能量流动的渠道是什么
提示:食物链和食物网。
⑥对每个营养级来说,能量流动的各个过程之间有何关系(不包括最高营养级)
提示:流入能量=呼吸作用散失的热能+下一营养级同化的能量+分解者利用的能量。
⑦流入生物群落的能量,最终通过什么途径离开生物群落
提示:通过生物(各个营养级和分解者)的呼吸作用以热能形式散失。
[深度思考] 某营养级能量来源就是同化上一营养级的能量的说法是否正确 为什么
提示:不正确。自然生态系统:生产者的能量主要来自固定的太阳能,消费者的能量来自同化上一营养级的能量。人工生态系统:消费者的能量来自同化上一营养级的能量和人工输入的能量。
[归纳总结] 流入某一营养级能量的来源和去路(以自然生态系统
为例)
(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能量的最终去路
②某段时间内的能量去路
[应用] 假设某生态系统中有a、b、c、d四个种群,构成食物链a→b→c,d为分解者,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(　C　)
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,主要包括营腐生的细菌、真菌等
C.当生态系统处于相对稳定状态时,b的种群数量一般处于K/2
D.图中d的能量不全部来自b生物
解析:b摄入量为其同化量(甲)和粪便量之和,其同化量一部分用于呼吸消耗,一部分用于自身的生长、发育和繁殖(乙);丁过程为分解者的分解作用,分解者主要是营腐生生活的细菌、真菌等,都是异养型生物;当生态系统处于相对稳定状态时,b种群数量一般达到环境容纳量,即处于K值;d的能量可来自b的粪便,而此部分属于上一营养级a同化的能量。
探究点二　能量流动的特点
[情境1] 阅读教材P56“思考·讨论”,分析赛达伯格湖的能量流动情况。
[思考] (1)对于每一个营养级来讲,输入和输出的能量是否相等 为什么
提示:不相等。因为每个营养级中都有未被利用的能量。
(2)从第一营养级流入第二营养级的能量,占第一营养级所固定能量的百分比是多少
提示:由图可知,流经该生态系统的总能量为464.6 J/(cm2·a),第二营养级的同化量为62.8 J/(cm2·a),因此占第一营养级所固定能量的百分比为62.8÷464.6×100%≈13.5%。
(3)流入某个营养级的能量,为什么不能百分之百地流向下一个营养级
提示:各营养级生物体内大部分能量被呼吸作用消耗;其次是上个营养级的部分能量未被下一个营养级利用;还有少数能量被分解者利用。
[应用] 下图是麻风树树林中两个营养级的能量流动图解,已知麻风树的同化的总能量为a,其中字母代表了能量,则下列叙述不正确的是(　A　)
A.从麻风树输入下一营养级的能量传递效率为a′/a×100%
B.c是第二营养级用于生长、发育和繁殖的能量
C.d是指第二营养级呼吸作用消耗的能量
D.a′到e的箭头中含有的能量属于生产者同化的能量
解析:根据题意和图示分析可知,该图只包括两个营养级,麻风树是第一营养级,则a′只能代表第二营养级的摄入量,b代表第二营养级的同化量,d代表第二营养级用于呼吸作用消耗的能量,c是指第二营养级用于生长、发育和繁殖的能量,e则是流入分解者的能量。被消费者同化的能量是b,所以从麻风树流入下一营养级的能量传递效率为b/a×100%;c=同化量b-呼吸消耗的能量d,为第二营养级用于生长、发育和繁殖的能量;a′到e的能量来自a′的粪便,a′的粪便中的能量属于上一个营养级生产者同化的能量。
[情境2] 阅读教材P57～P58生态金字塔内容。
[思考] 比较能量金字塔、数量金字塔和生物量金字塔。
类型 能量金字塔 数量金字塔 生物量金字塔
形状
特点 正金字塔形 一般为正金字塔形 一般为正金字塔形
象征 含义 能量沿食物链流动过程中具有逐级递减的特性 一般生物个体数目在食物链中随营养级升高而逐级递减 一般生物有机物的总干重随食物链中营养级升高而逐级递减
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量 每一营养级生物的有机物总干重
[归纳总结] 生态系统中能量流动特点的原因
单向流动原因:食物链中的捕食关系不能逆转;热能不能再次被固定。
逐级递减原因:每个营养级都有能量通过呼吸作用散失;每个营养级都有能量被分解者利用。
[应用] (不定项选择)如图是某同学绘制的生态系统能量金字塔,其中a～d代表能量值。下列相关叙述正确的是(　BC　)
A.图中所示的各种生物成分组成一条食物链
B.次级消费者、三级消费者分别属于第三、第四营养级
C.能量c可代表生产者呼吸释放的热能及流向分解者的能量
D.在生态系统中,b的值不可能超过d的10倍
解析:题图中各营养级的生物不是一种,所以图示的各种生物可以构成多条食物链;次级消费者、三级消费者分别属于第三、第四营养级;图中c表示呼吸作用散失的能量及流向分解者的能量;在生态系统中,能量传递效率一般在10%～20%之间,但也会有特例,即b的值可能会超过d的10倍。
探究点三　生态系统的能量流动过程中的相关计算
[情境] 分析下图食物网,进行相关计算。
[思考] (1)如果A增重1 kg,C最多增重多少千克,最少增重多少千克
提示:①C增重最多,按最短食物链,最高传递效率计算:
1 kg×20%×20%=1/25 kg。
②C增重最少,按最长食物链,最低传递效率计算:
1 kg×10%×10%×10%×10%=1/10 000 kg。
(2)如果C增重1 kg,至少需消耗A多少千克,最多需消耗A多少千克
提示:①消耗A最少,按最短食物链、最高传递效率:1 kg÷20%÷20%=25 kg。
②消耗A最多,按最长食物链、最低传递效率:
1 kg÷10%÷10%÷10%÷10%=10 000 kg。
(3)如果C从B、F中获得的能量比为3∶1,C增重1 kg,则最少需要消耗A多少千克
提示:消耗A最少,按最高传递效率计算,沿食物链A→B→C逆推:3/4 kg÷20%÷20%=75/4 kg;沿食物链A→D→E→F→C逆推:1/4 kg÷20%÷20%÷20%÷20%=625/4 kg。所以最少需要消耗A为75/4 kg+625/4 kg=175 kg。
(4)如果C取食B、F的能量比例关系由1∶1变为1∶2,当C增重1 kg,传递效率为10%时,所需要A的能量是改变前的约多少倍
提示:①当比例关系为1∶1时,当C增重1 kg,C从B获得1/2 kg,沿食物链A→B→C计算:1/2 kg÷10%÷10%=50 kg;C从F获得1/2 kg,沿食物链A→D→E→F→C计算:1/2 kg÷10%÷10%÷10%÷10%=5 000 kg。
A总量为50 kg+5 000 kg=5 050 kg。
②当比例关系变为1∶2后,当C增重1 kg时,C从B获得1/3 kg,沿食物链A→B→C计算:1/3 kg÷10%÷10%=100/3 kg;C从F获得2/3 kg,沿食物链A→D→E→F→C计算:2/3 kg÷10%÷10%÷10%÷10%=
20 000/3 kg。
A总量为100/3 kg+20 000/3 kg=6 700 kg。
所以所需要A的能量是改变前的6 700 kg÷
5 050 kg≈1.33倍。
[深度思考] 具有人工能量输入的能量传递效率如何计算
提示:人工输入到某一营养级的能量是该营养级同化量的一部分,但却不是从上一营养级流入的能量。如求第二营养级到第三营养级传递效率时,应为第三营养级从第二营养级同化的能量(不包括人工输入到第三营养级的能量)/第二营养级的同化量(包括人工输入到第二营养级的能量)×100%。
[归纳总结] 能量流动的相关计算
(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。具体计算方法如下:
(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,而需按具体数值计算。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如果是在食物网中,某一营养级同时从上一营养级多种生物获得能量,且各途径所获得的能量比例确定,则按照各单独的食物链进行计算后合并。
[应用]
某生态系统中存在如图所示的食物网,如将C的食物比例由A∶B=1∶1调整为A∶B=2∶1,其他条件不变,相邻两个营养级之间的能量传递效率按10%计算,该生态系统能承载C的数量是原来的(　B　)
A.1.875倍 B.1.375倍
C.1.273倍 D.0.575
解析:当C的食物比例为A∶B=1∶1时,设C获得的能量为x,则需要A的能量为x÷10%+x÷10%÷10%=55x;当C的食物比例A∶B调整为2∶1时,设C获得的能量为y,需要A的能量为y÷10%+y÷10%÷10%=40y。两种情况下,生产者的数量是一定的,所以55x=40y,则y=1.375x,即该生态系统能承载C的数量是原来的1.375倍。
课堂小结
完善概念图 记忆节节清
1.生态系统的能量流动:生态系统中能量的输入、传递、转化和散失的过程。 2.一个营养级的同化量:自身呼吸散失、流向下一个营养级(最高营养级除外)、被分解者利用和未被利用的能量。 3.能量流动的途径:食物链(食物网)。 4.能量转换:光能→化学能→热能。 5.能量流动特点:单向流动、逐级递减。
随堂反馈
1.判断下列关于生态系统能量流动的说法是否正确。
(1)生态金字塔可采用生物量单位,能量单位和个体数量单位,生态金字塔必然呈正金字塔形。(　×　)
(2)每一个营养级的同化量都是自身呼吸散失+流向下一个营养级+被分解者利用+未被利用的能量。(　×　)
(3)相邻两个营养级的能量传递效率可以小于10%,也可以大于20%。(　√　)
(4)研究能量流动,可合理设计人工生态系统,提高能量的利用率。(　√　)
2.下列有关生态系统能量流动的叙述中,错误的是(　C　)
A.能量流动是单向的,不可逆转的
B.食物链越短,可供最高营养级消费的能量越多
C.初级消费者越多,次级消费者获得的能量越少
D.营养级越多,散失的能量越多
解析:由于相邻两个营养级之间的能量传递效率为10%～20%,所以初级消费者越多,次级消费者获得的能量也越多。
3.如图所示的食物网中,戊的食物有1/2来自乙,1/4来自丙,1/4来自丁,且能量从生产者到消费者的传递效率为10%,从消费者到消费者的能量传递效率为20%。若戊体重增加20 g,需要消耗植物(　C　)
A.1 125 g B.1 600 g
C.2 000 g D.6 500 g
解析:甲为生产者,戊所在食物链共有以下三条:①甲→乙→戊,戊增加20 g×1/2=10 g,需要乙10 g×5=50 g,需要甲50 g×10=500 g;②甲→丙→戊,戊增加20 g×1/4=5 g,需要丙5×5 g=25 g,需要甲25 g×10=250 g;③甲→丙→丁→戊,戊增加20 g×1/4=5 g,需要丁5×5 g=25 g,需要丙25 g×5=125 g,需要甲125 g×10=1 250 g,故共需要甲500 g+250 g+1 250 g=2 000 g。
4.(不定项选择)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(　BC　)
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是为了减少农田生态系统的能量消耗
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。
5.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

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