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第3章 生态系统及其稳定性
第2节 生态系统的能量流动
假设你像小说中鲁滨逊那样，流落在一个荒岛上，那里除了有能饮用的水以外，几乎没有任何食物。你随身尚存的食物只有一只母鸡、15Kg玉米。
如果要维持更长的时间等待救援，你会如何做？
策略1：先吃鸡，再吃玉米。
策略2：先吃玉米，同时用一部分玉米喂鸡，吃鸡产下的蛋，最后吃鸡。
问题探讨
假设你像小说中的鲁滨逊那样，流落在一个荒岛上，那里除了有能饮用的水，几乎没有任何食物。你身边尚存的食物只有一只母鸡、15kg玉米。
策略2：先吃玉米，同时用一部分玉米喂鸡，吃鸡产下的蛋，最后吃鸡。
策略1：先吃鸡，再吃玉米。
写出以上涉及到的食物链/网
玉米
鸡
人
你愿意分部分食物给鸡吃 么？
问题探讨
玉米
鸡
人
应选择1；若选择2，则增加了食物链的长度，能量逐级递减，最后人获得的能量较少。
温故知新
食物链中箭头的方向代表能量流动的方向。
生态系统的物质循环和能量流动的渠道。
食物链意义：
一、能量流动的概念
生态系统中能量的 、 、 、 的过程。
1. 能量流动的概念：
输入
传递
转化
散失
主要通过光合作用（其次还有化能合成作用）
（1）输入：
①形式：
太阳能（主要）
②途径：
一、能量流动的概念
食物链和食物网
（2）传递：
①形式：
有机物中的化学能
②途径：
生态系统中能量的 、 、 、 的过程。
1. 能量流动的概念：
输入
传递
转化
散失
一、能量流动的概念
（3）转化：
热能
有机物中的化学能
太阳能
光合作用
呼吸作用
生态系统中能量的 、 、 、 的过程。
1. 能量流动的概念：
输入
传递
转化
散失
一、能量流动的概念
呼吸作用
（4）散失：
①形式：
热能
②途径：
生态系统中能量的 、 、 、 的过程。
1. 能量流动的概念：
输入
传递
转化
散失
一、能量流动的概念
能量输入
种群
能量储存
能量散失
能量输入
某营养级
能量储存
能量散失
科学方法：研究能量流动的基本思路
能量流经一个种群的情况可以图示如下：
能量输入
个体1
个体2
个体3
……
储存在体内的能量
呼吸作用散失的能量
储存在体内的能量
呼吸作用散失的能量
储存在体内的能量
呼吸作用散失的能量
以个体为研究对象，有很大的局限性和偶然性，如果个体死亡，数据可能不准确；不同个体间差异过大。
如果将这个种群作为一个整体来研究，则左图可以概括成下图形式，从中可以看出分析能量流动的基本思路。
如果以种群为研究对象，能量流动的渠道为食物链，可能因为食物网的复杂性而影响结果的准确性。
如果将一个营养级的所有种群作为一个整体，那么左图将概括为何种形式呢？
可以比较精确地测量每一个营养级能量的输入值和输出值。
二、能量流动的过程
生产者
初级消费者
次级消费者
第一营养级
第二营养级
第三营养级
二、能量流动的过程
（1）植物的能量来源于哪里？
（2）照射在植物上的太阳能都被吸收了吗？如何被吸收
（3）植物吸收太阳能后，以何种形式储存？
（4）植物中的能量有哪些去向？
1. 第一营养级的能量流动情况
太阳能
1%
1% 光合作用
有机物中化学能
二、能量流动的过程
呼吸消耗
分解者分解
流入下一营养级
草固定能量的去向
热能
呼吸作用
用于自身生长、发育、繁殖
二、能量流动的过程
呼吸作用以热能形式散失
生产者所固定的太阳能
太阳能
用于生长、发育、繁殖
流入初级消费者
残枝败叶等
被分解者利用
未利用
二、能量流动的过程
1. 第一营养级的能量流动情况
总光合作用 = 呼吸作用 + 净光合作用
摄入
思考1：兔子所吃的草（摄入量），其中全部能量都流入到兔子身上了么？
问题3：这些能量之间有何关系？
粪便中的能量
同化量
摄入量 ＝ 同化量 + 粪便量
问题4：粪便量属于谁的能量？
属上一营养级的能量。
二、能量流动的过程
没有
问题1：哪些能量转化成了兔子自己的能量？
问题2：哪些没有被兔子吸收的？
光合作用
太阳能 有机物化学能
第一营养级同化量 =
生产者固定的太阳能
同化作用是指生物体把从外界环境中获取的营养物质转变成自身的组成物质，并且储存能量的变化过程。
二、能量流动的过程
兔同化了小草的能量后，这些能量有哪些去向？
二、能量流动的过程
生长、发育和繁殖
流入下一营养级
呼吸作用散失
遗体残骸被分解者利用
呼吸作用以热能形式散失
初级消费者
同化
初级消费者
摄入
用于生长、发育、繁殖
次级消费者
摄入
分解者利用
未利用
二、能量流动的过程
2. 第二营养级的能量流动情况
遗体残骸
粪便
散失
呼吸作用
能量在第三、四营养级的过程与第二营养级的情况大致相同。
生产者
(绿色植物)
初级消费者(植食性动物)
次级消费者
(肉食性动物)
二、能量流动的过程
3. 能量流动的示意图
呼吸作用
分解者
太阳能
三级消费者
(肉食性动物)
呼吸作用
二、能量流动的过程
4. 能量流动过程分析
（1）生产者的能量主要来自固定的太阳能；消费者的能量来自上一个营养级；分解者的能量来自生产者和消费者。
分解者
（2）流经生态系统的总能量：生产者固定的太阳能总量。
4. 能量流动过程分析
（3）能量关系
②同化量 = 呼吸作用散失的能量 + 用于生长发育和繁殖的能量
①摄入量 ＝ 同化量 + 粪便量
③用于生长发育和繁殖的能量 =
初级消费者同化量
呼吸作用中以热能形式散失
用于自身生长、发育、繁殖
被分解者分解利用
流入下一个营养级
未被利用的能量
初级消费者摄入量
分解者
粪便量
分解者利用 + 流入下一个营养级 + 未被利用的能量
二、能量流动的过程
4. 能量流动过程分析
（4）第一营养级同化量 = 生产者固定的太阳能。
初级消费者
摄入
初级消费者
同化
粪便
分解者利用
用于生长
发育和繁殖
次级消费者
摄入
遗体
残骸
呼吸作用
散失
呼吸作用
散失
…
未利用
（5）最高营养级的能量去路没有流入下一个营养级这条途径。
（6）粪便中的能量不属于该营养级同化的能量，为上一个营养级同化的能量流向分解者的部分。
注意：若为人工生态系统，流经生态系统的总能量除生产者固定的太阳能总量，还有人工补充的能量（例如饲料中有机物中的化学能）。
4. 能量流动过程分析
讨论1：生态系统中的能量流动和转化是否遵循能量守恒定律？
遵循能量守恒定律。能量在生态系统中流动、转化后，一部分储存在生态系统（生物体的有机物）中，另一部分在呼吸作用中以热能的形式散失，两者之和与流入生态系统的能量相等。
思考 · 讨论 生态系统中能量流动
输入量 ＝ 输出量
太阳能
讨论2：流经生态系统的能量能否再回到这个生态系统中来？为什么？
不能，能量流动是单向的。
思考 · 讨论 生态系统中能量流动
讨论3：流向分解者的能量，能否流向生产者？消费者呢？
流向分解者的能量，可流向消费者（食用菌），不能流向生产者。
思考 · 讨论 生态系统中能量流动
【练习】在生态系统中，能量流动大致可以概括为下图：
1. 初级消费者粪便中的能量是哪个箭头？
2. 哪些或哪个箭头代表初级消费者的同化量？
3. 哪些箭头代表初级消费者用于生长、发育和繁殖的能量？　
由生产者流向分解者的箭头。
①或②＋③＋④
①－③或②＋④
三、能量流动的特点
呼吸作用
23
未利用
70
植食性动物
生产者
太阳能
分解者
3
0.5
4
9
肉食性动物
0.05
2.1
5.1
0.25
有机物输入
5
2
输出
三、能量流动的特点
Raymond Lindeman
林德曼对赛达伯格湖能量流动做了定量分析
思考 · 讨论 分析赛达伯格湖的能量流动
赛达伯格湖位于美国明尼苏达州的赛达伯格沼泽自然保护区，是一个高原湖泊，深1米，面积为14480平方米，湖岸线长500米 。湖底深度一致、性质均一，没有大的波浪。
优点：小、简单、稳定
12.6
62.8
植食性动物
62.8
生产者
464.6
肉食性动物
12.6
96.3
18.8
7.5
分解者
14.6
12.5
2.1
微量
未利用
327.3
293
29.3
5.0
未固定
呼吸
122.6
三、能量流动的特点
思考 · 讨论 分析赛达伯格湖的能量流动
图中数字为能量值，单位是J/（cm2·a）（焦每平方厘米年）。
太阳能
未
固
定
生产者
464.6
62.8
12.6
呼吸作用
122.6
7.5
分解者
14.6
12.5
未利用
327.3
29.3
5.0
赛达伯格湖能量流动图解
植食性动物62.8
肉食性动物12.6
96.3
18.8
293
微量
三、能量流动的特点
思考 · 讨论 分析赛达伯格湖的能量流动
图中数字为能量值，单位是J/（cm2·a）（焦每平方厘米年）。
“未固定”是指未被固定的太阳能。
“未利用”是指未被自身呼吸作用消耗，也未被后一个营养级和分解者利用的能量。
未利用的能量
未利用是指：在统计能量流动的时间段内，某一营养级生物的同化量中未被呼吸作用消耗，也未被下一营养级捕食或分解者利用的能量，有时还包括以化石燃料形式储存于地下未被人类开采的能量，还包括多年生植物上一年自身生长发育的净积累量。如草原中一批羊，羊吃草可以长大，在统计期间，有被狼捕食的，有死亡的，还有未死亡的（未利用）。
植食性动物
62.8
62.8
太阳能
未
固
定
生产者
464.6
分解者
12.5
呼吸作用
96.3
未利用
293
2.1
18.8
29.3
12.6
肉食性动物
12.6
0.1
7.5
5.0
327.3
122.6
14.6
三、能量流动的特点
思考 · 讨论 分析赛达伯格湖的能量流动
讨论1：用表格的形式，将图中的数据进行整理。例如，可以将每一营养级上的能量“流入”和“流出”整理成为一份清单(“流出”的能量不包括呼吸作用散失的能量）。
讨论2：计算“流出”该营养级的能量占“流入”该营养级能量的百分比。
营养级 流入能量 流出能量 （输入下一营养级能量） 呼吸作用散失 分解者利用 未利用 传递效率
生产者
植食性动物
肉食性动物
464.6
62.8
96.3
12.5
293
62.8
12.6
18.8
2.1
29.3
12.6
7.5
0.1
5
13.5%
20.1%
思考 · 讨论
分析赛达伯格湖的能量流动
数据整理，填写表格，计算百分比
能量传递效率 =
某一营养级同化量
上一营养级同化量
×100%
植食性动物
62.8
生产者
464.6
肉食性动物
12.6
13.52%
20.06%
思考 · 讨论 分析赛达伯格湖的能量流动
三、能量流动的特点
请同学们写出能量传递效率公式
能量在相邻两个营养级间的传递效率大约是为10% - 20%
讨论3：流入某一营养级的能量，为什么不会百分之百地流到下一个营养级
讨论4：通过以上分析，你能总结出什么规律
流入某一营养级的能量主要有以下去向：
①一部分通过该营养级的呼吸作用散失了；
②一部分以遗体残骸的形式被分解者利用；
③还有一部分未被利用（未被捕食）；
其他的才是流入下一营养级的能量。所以，流入某一营养级的能量不可能百分之百地流到下一营养级。
思考 · 讨论 分析赛达伯格湖的能量流动
三、能量流动的特点
（1）单向流动：不可逆转，不可循环流动
三、能量流动的特点
原因：①生物之间食物关系是不可逆转的（能量沿食物链单向流动）；
②呼吸作用散失的热能不能被生物体再利用。
1. 能量流动的特点及原因
（2）逐级递减：能量是沿食物链（网）流动过程中是逐级减少的
原因：①呼吸作用散失、被分解者利用；
②未利用（上一营养级生物不能全部被下一营养级捕食）
②能量传递效率针对的是相邻两个营养级之间的同化量之比，且能量传递效率不能提高。
=
某一营养级同化量
上一营养级同化量
①公式：能量传递效率
×100%
2. 能量传递效率的计算
（1）能量在相邻两个营养级间的传递效率为10%～20%。
③营养级越多，在能量流动中消耗的能量越多，一般不超过5个营养级。
④营养级越高，得到的能量越少。
能量流经各营养级是逐级递减的，传递效率为10％－20％。
食物链一般不超过5个营养级，到第五营养级以后，可利用的能量已减少到不能维持其生存的程度了。
能量每流经一级都要丢失一大部分，所以食物链越长，流量流失就越多。
思考：为什么食物链一般不超过5个营养级
第一
营养级
A
1
5
A
1
25
A
1
125
A
1
625
A
1
3125
A
0.00032 A
第六
营养级
第五
营养级
第四
营养级
第三
营养级
第二
营养级
Ⅱ. 最少可使鹰增重____kg。
Ⅰ. 最多要消耗草______kg。
Ⅱ. 最少要消耗草 kg。
1
4
① 已知低营养级同化量，求高营养级同化量：
在食物链“草→兔→鹰”中，假如现有草100kg，则：
Ⅰ. 最多可使鹰增重____kg。
能量传递效率按 来算。
能量传递效率按 来算。
×20%
×10%
200
50
② 已知高营养级同化量，求低营养级同化量：
在食物链“草→兔→鹰”中，要使鹰增加2kg体重，则：
能量传递效率按 来算。
能量传递效率按 来算。
÷10%
÷20%
（2）能量在食物链中传递的“最值计算”
Ⅱ. 获得能量最少：选最 食物链；按 计算
Ⅰ. 获得能量最多：选最 食物链；按 计算
短
长
×10%
×20%
如果草有10000kg，鹰最多增加 kg，最少增加 kg。
400
1
（3）能量在食物网中传递的“最值计算”
① 已知低营养级同化量，求高营养级同化量
草
鹰
兔
蛇
青蛙
食草昆虫
Ⅱ. 需最多能量：选最 食物链；按 计算
Ⅰ.需最少能量：选最 食物链；按 计算
若鹰的体重增加1kg，最少需消耗草____kg，最多消耗草_________kg。
25
10000
短
长
÷10%
÷20%
（3）能量在食物网中传递的“最值计算”
② 已知高营养级同化量，求低营养级同化量
草
鹰
兔
蛇
青蛙
食草昆虫
按最大传递效率20%计算
假设鸡自身重3kg，玉米15kg。
3×20% + 15×20% = 3.6 kg
（15×1/3×20% + 3）×20% + 15×2/3×20% = 2.8 kg
问题探讨
鸡
玉米
人
玉米
鸡
人

策略2：先吃玉米，同时用一部分玉米喂鸡，最后吃鸡。
策略1：先吃鸡，再吃玉米。
在如图的食物网中，如果C从B、F中获得的能量比为 3∶1，C增重1kg，则最少需要消耗A多少kg？
课堂训练
沿食物链A→D→E→F→C逆推：1/4kg × 5 × 5 × 5 × 5＝625/4 kg
消耗A最少，按最高传递效率20%计算
75/4kg+625/4 kg=175 kg
沿食物链A→B→C逆推：3/4kg × 5 × 5＝75/4 kg
3. 任何生态系统的能量都需要不断得到系统外的能量补充（太阳能或化学能），以便维持生态系统的正常功能（P57）。
三、能量流动的特点
呼吸作用
23
未利用
70
植食性动物
生产者
太阳能
分解者
3
0.5
4
9
肉食性动物
0.05
2.1
5.1
0.25
有机物输入
5
2
输出
四、生态金字塔
第一营养级
第二营养级
第三营养级
第四营养级
1. 能量金字塔
（1）概念：用面积（或体积）表示各个营养级的能量多少，并按照营养级顺序排列，可形成一个金字塔图形，叫做能量金字塔。
（2）特点：自然生态系统都是上窄下宽的正金字塔形。
（3）原因：能量在流动中是逐级递减的。
注意：某些人工生态系统（如人工鱼塘）可呈现倒置情况。
2. 生物量金字塔
（3）原因：一般来说植物的总干重通常大于植食性动物的总干重，而植食性动物的总干重也大于肉食性动物的总干重。
（1）概念：用面积（或体积）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，即为生物量金字塔。
（2）特点：大多也是上窄下宽的正金字塔形。
营养级
第四营养级
第三营养级
第二营养级
第一营养级
干重g/m2
1.5
11
37
809
营养级
第四营养级
第三营养级
资料1：夏季两个生态系统的生物量统计表，单位为g m-2。
营养级 某湖泊 某海域
生产者 96 4
初级消费者 11 21
次级消费者 4 －
某湖泊的生物量
某海域的生物量
特例：在海洋生态系统中，由于浮游植物（生产者）的个体小，寿命短，又会不断地被浮游动物吃掉，所以某一时刻调查到的浮游植物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。
为什么某海域的生物量会出现金字塔倒置？
2. 生物量金字塔
浮游植物
浮游动物
3. 数量金字塔
（1）概念：用面积（或体积）表示各营养级的生物个体的数目比值关系，即为数量金字塔。
（2）特点：可以是上窄下宽的正金字塔形，也可以是上宽下窄的倒置金字塔形。
（3）原因：如果消费者的个体小而生产者的个体大，则会呈现倒置金字塔。如昆虫与树的数量关系。
营养级
第二营养级
第一营养级
个体数量
鼠
草
鼬
第三营养级
营养级
第二营养级
第一营养级
个体数量
昆虫
树
能量金字塔 生物量金字塔 数量金字塔
形状
每一层含义
特点
象征意义
单位时间内，食物链中每一营养级生物所同化的能量的多少
自然生态系统一定为正金字塔
能量在流动过程中总是逐级递减
单位时间内，每一营养级生物的有机物的总干重
一般为正金字塔,有时会出现倒金字塔形
一般生物量(现存生物有机物的总干重)随食物链中营养级的升高而减少
每一营养级生物个体的数目
一般为正金字塔,有时会出现倒金字塔形
一般生物个体数目在食物链中随营养级升高而减少
四、生态金字塔
五、研究能量流动的实践意义
1. 帮助人们将生物在 、 上进行 ， 流入某个生态系统的总能量。
时间
空间
合理配置
增大
五、研究能量流动的实践意义
甘蔗和大豆间种
冬小麦夏玉米套作
水稻青蛙立体农业
蔬菜大棚中多层育苗
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。
*沼气池实现了对能量的多级利用，大大提高了能量的利用率。
五、研究能量流动的实践意义
用秸秆作饲料
粪便制作沼气
沼渣肥田
①能量传递效率：能量在相邻两个营养级之间传递，传递效率为10%~20%。
概念辨析：能量传递效率与能量利用率
一般，食物链越短，能量利用率越高。
能量利用率 =
生产者固定总能量
流入最高营养级的能量
×100%
②能量利用率：流入最高营养级的能量占生产者能量的比值，或考虑分解者的参与，以实现能量的多级利用。
=
某一营养级同化量
上一营养级同化量
能量传递效率
×100%
饲料
稻谷
人类
秸杆
粪
一级利用
牛
太阳能
二级利用
焚烧
水稻
食用菌
二级利用
菌渣
猪、羊
三级利用
沼气池
粪
三级利用
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。
*沼气池实现了对能量的多级利用，大大提高了能量的利用率。
五、研究能量流动的实践意义
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。
五、研究能量流动的实践意义
合理确定草场载畜量
农田除草、除虫
思维 · 训练 能量流动的数据分析与处理（P59）
1926年，一位生态学家研究一块玉米田中的能量流动，得到的数据，请计算：
1. 这块田共收割玉米约10000株，质量为6000kg。通过对玉米植株的化学成分进行分析，计算出其中共含碳2675kg。
2. 据他估算，这些玉米在整个生长过程中，通过细胞呼吸消耗的葡萄糖共2045kg。
3. 1kg葡萄糖储存1.6×104 kJ能量。
4. 在整个生长季节，入射到这块玉米田的太阳能总量为8.5×1012kJ。
葡萄糖为：2675×180（C6H12O6）÷72（C6） = 6687.5 kg
储存的能量为： 6687.5×1.6×104 =1.07×108 KJ
①这些玉米的含碳量折算合成葡萄糖是多少？这些葡萄糖储存的能量是多少？
②这些玉米呼吸作用消耗的能量是多少？
2045×1.6×104KJ = 3.272×107 KJ
③这些玉米在整个生长季节所固定的太阳能总量是多少？ 呼吸作用消耗的能量占所固定太阳能的比例是多少？
这些玉米固定的太阳能总量是：1.07×108+3.272×107=1.3972×108
呼吸消耗能量占固定太阳能的比例：3.272×107/1.3972×108=23.4％
思维 · 训练 能量流动的数据分析与处理（P59）
1926年，一位生态学家研究一块玉米田中的能量流动，得到的数据。
1. 这块田共收割玉米约10000株，质量为6000kg。通过对玉米植株的化学成分进行分析，计算出其中共含碳2675kg。
2. 据他估算，这些玉米在整个生长过程中，通过细胞呼吸消耗的葡萄糖共2045kg。
3. 1kg葡萄糖储存1.6×104 kJ能量。
4. 在整个生长季节，入射到这块玉米田的太阳能总量为8.5×1012kJ。
储存的能量为： 6687.5×1.6×104 =1.07×108 KJ
④这块玉米田的太阳能利用效率是多少？
利用效率=1.3972×108/8.5×109=1.64%
思维 · 训练 能量流动的数据分析与处理（P59）
1926年，一位生态学家研究一块玉米田中的能量流动，得到的数据。
1. 这块田共收割玉米约10000株，质量为6000kg。通过对玉米植株的化学成分进行分析，计算出其中共含碳2675kg。
2. 据他估算，这些玉米在整个生长过程中，通过细胞呼吸消耗的葡萄糖共2045kg。
3. 1kg葡萄糖储存1.6×104 kJ能量。
4. 在整个生长季节，入射到这块玉米田的太阳能总量为8.5×1012kJ。
这些玉米固定的太阳能总量是：1.07×108+3.272×107=1.3972×108
一、概念检测
1. 生态系统中所有生物的生命活动都需要能量，而不同营养级的生物获取能量的途径是有差别的。据此判断下列表述是否正确。
（1）太阳能只有通过生产者才能输入到生态系统中。 ( )
（2）生态系统中初级消费者越多，次级消费者获得的能量越少。（ ）
（3）能量沿食物链流动是单向的。 ( )
√
×
√
练习与应用
一、概念检测
2. 流经神农架国家级自然保护区的总能量是( )
A. 该保护区中生产者体内的能量
B. 照射到该保护区中的全部太阳能
C. 该保护区中生产者所固定的太阳能
D. 该保护区中所有生产者、消费者、分解者体内的能量
3. 在一定时间内，某生态系统中全部生产者固定的能量值为a，全部消费者所获得的能量值为b，全部分解者所获得的能量值为c，则a、b、c之间的关系是 ( )
A. a=b+c B. a>b+c C. aB
C
练习与应用
二、拓展应用
1.下图是两个农业生态系统的模式图。图a中农作物为人类提供的食物、为家禽和家畜提供的饲料，都与图b相同。
（1）分析这两幅图，完成这两个生态系统的能量流动图解。
能量流动图解
练习与应用
（1）分析这两幅图，完成这两个生态系统的能量流动图解。
能量流动图解
（2）哪个生态系统的能量能够更多地被人类所利用？为什么？
图b所示的生态系统中流向分解者的能量，还有一部分可以以生活能源或食物中化学能的形式被人类再度利用，因此，该生态系统实现了能量多级、充分利用，提高了能量利用率。
图b
图a
本节结束
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