资源简介

第2节 生态系统的能量流动
本节聚焦:
能量在生态系统中是怎样流动的？
怎样理解生态金字塔？
研究能量流动有什么实践意义？
第3章 生态系统及其稳定性
假设你像小说中的鲁滨逊那样，流落在一个荒岛上，只有一只母鸡、15kg玉米可以食用，你认为以下哪种生存策略能让你维持更长的时间来等待救援？
A.先吃鸡，再吃玉米。
B.先吃玉米，同时用一部分玉米喂鸡，吃鸡产下的蛋，最后吃鸡。
流落荒岛
思考2：快速写出这两种策略能量传递的途径？
玉米
鸡
人
玉米
鸡
人
问题探讨
思考1：人体可以从食物中获得什么？
一切生命活动都伴随着能量的变化。没有能量的输入，也就没有生命和生态系统。
思考3：根据生态系统的结构模型构建能量的传递途径？
生产者
消费者
分解者
输入
能量输出
非生物环境
呼吸作用散失
呼吸作用散失
呼吸作用散失
传递
转化
转化
据图总结什么是生态系统的能量流动？
一.能量流动的概念
生态系统中能量的_____、______、______和_____的过程，称为生态系统的能量流动。
散失
输入
传递
转化
思考：输入生态系统的的能量来源是什么？沿着什么渠道进行传递？以什么形式传递？最终以什么形式散失？
太阳能
?
?
?
生物群落
输入
?
—
源头： .
流经生态系统的总能量： .
传递
?
转化
?
散失
—
—
—
途径： .
形式： .
形式： .
过程： .
太阳能→有机物中的 →
主要是太阳能
生产者固定的全部太阳能
食物链和食物网
有机物中的化学能
化学能
热能
呼吸作用
思考：2.人工鱼塘需要投喂饲料，此时流入鱼塘生态系统的总能量是？
+人工投入的有机物中的化学能
一.能量流动的概念
思考：1.生态系统中能量流动的起点是什么？
（自然生态系统）
（人工生态系统）
热能
那么我们如何研究生态系统能量流动过程呢？
能量输入
个体1
储存在体内的能量
呼吸作用散失的能量
个体2
储存在体内的能量
呼吸作用散失的能量
个体3…
能量储存
种群
能量散失
能量输入
可能因食物网复杂性影响结果的准确性。
某营养级
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。
将这些个体作为一个整体来研究
将同一个营养级的所有种群作为一个整体
能很好地避免以个体和种群为研究对象带来的不足，提高结果的准确性。
科学方法
研究能量流动的基本思路
任务1：构建能量流经第一营养级的概念模型（用方框、文字、箭头表示）
精读（达到背诵程度）课本55页第一、二段：
1.输入第一营养级的能量来源？有几个去路？分别是什么？ 2.植物用于自身生长、发育、繁殖的能量有几个去路？分别是什么？
二.能量流动的过程
用于生长
发育和繁殖
任务1：构建能量流经第一营养级的概念模型
光合作用
固定(同化)
1%
生产者所同化的能量
初级消费者摄入
（植食性动物）
分解者利用
残枝 败叶
“一来二去”
呼吸作用
热能散失
“一来三去”（最终去向）
99%
散失
1%
固定(同化)
①
②
③
太阳能
任务2：构建能量流经第二营养级的概念模型（用方框、文字、箭头表示）
问题提示：
1.能量来源和去向有哪些？（注意初级消费者摄入到体内的能量都能被初级消费者利用吗
2.比较初级消费者能量来源和去向与生产者相同吗？
二.能量流动的过程
摄入量：是生物吃进去的食物中所蕴含的能量
同化量：是指动物经过消化和吸收后转化为自身的能量
同化量 = 摄入量 — 粪便量
用于生长
发育和繁殖
初级消费者
同化量
次级消费者摄入
（肉食性动物）
分解者利用
遗体、残骸
“一来二去”
呼吸作用
热能散失
初级消费
者摄入
初级消费者粪便量
任务2：构建能量流经第二营养级的概念模型
“一来三去”（最终去向）
思考：
1.真正流入初级消费者体内的能量是摄入量还是同化量？摄入量与同化量的关系？
2.粪便中的能量属于初级消费者同化量吗？
3.比较生产者和初级消费者同化量的来源和去路相同吗？
①
②
③
任务3：构建能量流经第一、二营养级的概念模型
问题提示：1.完善能量流经第一营养级的概念模型
2.在第一营养级后补充流经第二营养级的概念模型
光合作用
固定(同化)
1%
生产者所同化的能量
初级消费者摄入
（植食性动物）
分解者利用
呼吸作用热能散失
①
②
③
太阳能
任务3：构建能量流经第一、二营养级的概念模型
初级消费者
同化量
粪便量
（初级消费者）
呼吸作用热能散失

次级消费者摄入
（肉食性动物）
残枝败叶
次级消费者同化
（肉食性动物）
遗体、残骸
粪便量（次级消费者）
④
⑤
⑥
思考：1.初级消费者粪便中的能量属于 。
2.初级消费者的同化量： 。
3.初级消费者用于生长发育繁殖的能量： 。
每一营养级流向分解者的能量=该营养级的遗体和下一营养级的粪便
思考：每一营养级能量的来源和去路相同吗？
不同的：第一营养级能量的来源、最高营养级能量的去路
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）
三级消费者（肉食性动物）
呼吸作用
呼吸作用
呼吸作用
呼吸作用
分 解 者
呼吸作用
生产者固定的太阳能总量为流经生态系统的总能量
输入
传递
以有机物的形式沿食物链向下一营养级传递
热能散失
二.能量流动的过程
思考：长时间没有光照，对生态系统有什么影响，为什么？
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。
（P57黑体）
热能散失
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）
三级消费者（肉食性动物）
呼吸作用
呼吸作用
呼吸作用
呼吸作用
分 解 者
呼吸作用
输入
传递
热能散失
三.能量流动的特点
热能散失
思考：每个箭头及箭头的方向、粗细、菱形方块的大小代表什么含义？由此总结能量流动有什么特点？并解释原因？
箭头的方向：
逐级递减
箭头由粗到细，方框从大到小：
（从方向上看）
单向流动
在生态系统中，能量流动只能从低营养级流向高营养级，不可_____，也不能_________
逆转
循环流动
①生物之间的捕食关系是长期自然选择的结果，一般不可逆转；
②各营养级呼吸作用散失的热能无法再利用，因此能量流动无法循环。
原因：
（从含量上看）
原因：
①一部分通过该营养级的呼吸作用散失；②一部分作为遗体或残枝败叶被分解者利用；
Raymond Lindeman
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。
美国生态学家林德曼(R.L.Lindeman，1915-1942)对一个结构相对简单的天然湖泊
——赛达伯格湖的能量流动进行了定量分析。
优点：小、简单、稳定
三.能量流动的特点
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。
思考：观察比较该能量流动图解和我们之前构建的能量流动过程有什么不同？
(短时间内)
（定时定量分析）
光合作用
固定(同化)
1%
生产者所同化的能量
初级消费者摄入
（植食性动物）
分解者利用
呼吸作用热能散失
①
②
③
太阳能
初级消费者
同化量
下一营养级粪便量
残枝败叶
任务4：概念模型完善和补充
未被利用的能量
“一来四去”
④
(短时间内)
能量的
最终去向
即短时间内，某营养级的生物不会全部被捕食或死亡。
自身呼吸作用消耗
流向分解者
未利用
流向下一
营养级
1.生产者的同化量： 。
2.生产者用于生长发育繁殖的能量： 。
3.初级消费者的同化量： 。
4.初级消费者用于生长发育繁殖的能量： 。
W1或A1+B1+C1+D1
W1-A1或B1+C1+D1
D1或A2+B2+C2+D2
D1-A2或B2+C2+D2
思考：
1.流入（输入）该生态系统的总能量？
2.图中62.8、12.6代表摄入量还是同化量？
3.植食性动物粪便中的能量属于12.5还是2.1？
4.图中2.1指的是什么？包括哪几部分？
5.请计算每个营养级能量的来源和去向，说明是否遵循能量守恒定律？
464.6
同化量
12.5
植食性动物的遗体和肉食性动物的粪便
生：来(464.6)=去(96.3+62.8+12.5+293)
植：来(62.8)=去(18.8+12.6+2.1+29.3)
思考：8. 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？
三.能量流动的特点
思考：6. 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)。
464.6
62.8
12.6
62.8
12.6
逐级递减
思考：9. 计算“流出”该营养级的能量占“流入”该营养级能量的百分比。
思考：7.为什么食物链上一般不超过5个营养级？
P57
能量在流动过程中逐级递减，营养级越多，消耗的能量就越多。
13.52%
20.06%
能量传递效率=
上一营养级的同化量
下一营养级的同化量
×100%
流入某一营养级的能量除了流入下一营养级的之外，还有：
①一部分通过该营养级的呼吸作用散失；
②一部分作为遗体或残枝败叶被分解者利用；
③一部分未被利用（有限时间内）
结论：能量在相邻两个营养级间的传递效率为10%～20%
1.从方向上看：
单向流动
在生态系统中，能量流动只能沿着 由 营养级流向____营养级，不可 _____ ，也不能_________ 。
①生物之间的捕食关系是 的结果，一般不可逆转；
②各营养级 散失的热能无法再利用。
食物链
低
高
逆转
循环流动
原因：
长期自然选择
呼吸作用
2.从数值上看：
逐级递减
原因：
能量传递效率为10%～20%
总有一部分能量经 消耗、被 、未被利用。
自身呼吸
分解者分解
三.能量流动的特点
(关于能量流动计算)
请同学们将赛达伯格湖的能量流动数据，用相应面积或体积的图形表示，并按营养级由低到高排列。
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
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顺序排列，可形成一个金字塔图形。
地反映出生态系统各营养级间能量的关系。
能量在流动中总是 的。
(1)概念：
(2)意义：
(3)特点：
(4)原因：
直观
1. 能量金字塔
(自然生态系统一定为正金字塔）
通常呈 的金字塔。
上窄下宽
逐级递减
注意：某些人工生态系统（如人工鱼塘）可呈现倒置情况。
四、生态金字塔
用同样的方法表示各营养级的生物量(每个营养级所容纳的有机物的总干重)，即为生物量金字塔。
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
大多也是上窄下宽的正金字塔形。
(1)概念：
(2)特点：
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。
2. 生物量金字塔
特殊：海洋生态系统中，浮游植物个体小，寿命短，又不断被捕食，因而某一时间调查到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多。
浮游和底栖动物：21g·m-2
浮游植物：4 g·m-2
用同样的方法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。
可以是上窄下宽的正金字塔形，
也可以是上宽下窄的倒置正金字塔形。
(1)概念：
(2)特点：
原因：
营养级
第二营养级
第一营养级
个体数量
昆虫
树
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
如果消费者的个体小而生产者的个体大(如昆虫和树），则会呈现倒置金字塔。
3. 数量金字塔
四、生态金字塔
能量金字塔
生物量金字塔
数量金字塔
{5C22544A-7EE6-4342-B048-85BDC9FD1C3A}
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。
总结：生态金字塔的比较
想一想：哪种指标构建的金字塔能更客观的表示生态系统能量传递规律呢？
假设你像小说中的鲁滨逊那样，流落在一个荒岛上，只有一只母鸡、15kg玉米可以食用，你认为以下哪种生存策略能让你维持更长的时间来等待救援？
A.先吃鸡，再吃玉米。
B.先吃玉米，同时用一部分玉米喂鸡，吃鸡产下的蛋，最后吃鸡。
流落荒岛
玉米
鸡
人
玉米
鸡
人
请根据生态系统能量流动过程及特点分析，你有哪些措施来缓解人口数量日益增长给地球上现有的自然生态系统带来的压力？
思考：人类位于食物链的顶端，从能量金字塔来看，人口数量日益增长，这会对地球上现有的生态系统造成什么影响？
会要求有更多的能量流入人类所处的营养级，即人类所需要的食物会更多，将不得不种植或养殖更多的农畜产品，会给地球上现有的自然生态系统带来更大的压力。
五、研究生态系统能量流动的意义
思考与讨论：我国古代就已经发展出“桑基鱼塘”生产方式：
利用桑叶喂蚕，蚕沙（蚕粪）养鱼，鱼塘泥肥桑，在桑、蚕、鱼
之间形成良性循环。
古人在设计这种农业生产方式时，不一定清楚其中的科学道理。
请从生态系统能量流动特点出发，分析这种设计的合理性。
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。

甘蔗和大豆间种
冬小麦夏玉米套作
蔬菜大棚中的多层育苗
稻-萍-蛙立体农业生产
研究能量流动的实践意义
农业生产的间作套种、多层育苗、稻—萍—蛙等立体农业生产方式。这样的生产方式有什么好处？
充分利用空间和资源，获得更大的收益
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。
实现了对能量的多级利用，大大提高了能量的利用率。
用秸秆作饲料
粪便制作沼气
沼渣肥田
研究能量流动的实践意义
例如：秸秆用作饲料喂牲畜，可获得肉、蛋、奶等；用牲畜的粪便生产沼气，沼气池中的沼渣还可以作为肥料还田。
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
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%。
能量传递效率≠能量利用率
一般来说，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%
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%
3. 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。
草场
载畜量
过少
不能充分利用牧草所能提供的能量
过多
造成草场退化，使畜产品的产量下降
合理确定载畜量，才能保持畜产品的持续高产。
稻田
除草、除虫
使稻田高产
研究能量流动的实践意义
根据生态系统的能量流动规律，在实际生产生活中借鉴以下措施：
(1)尽量缩短食物链。
(2)充分利用生产者。
(3)充分利用分解者，如利用秸秆培育食用菌、利用植物残体生产沼气等。
1.如图为某一生态系统的能量金字塔，其中Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ分别代表不同的营养级，E1、E2代表能量的形式。下列叙述正确的是
A.Ⅰ是消费者
B.Ⅳ为分解者
C.E1为太阳能，E2为热能
D.能量可在食物链中循环利用
典题应用
√
2.甲、乙、丙、丁是某同学绘制的生态金字塔。下列与之相关的说法，错误的是
A.生态金字塔包括能量金字塔、生物量金字塔和数量金字塔，基本呈现图丙所示形态
B.由于能量流动具有逐级递减的特征，能量金字塔通常呈现图丙所示形态
C.不能用图甲表示生物数量金字塔
D.生态金字塔中每一层代表一个营养级，分解者不包含在其中
√
典题应用
3.下列关于生态系统能量流动的原理在实践中的应用的叙述，错误的是
A.除虫、除草可以让农田生态系统中的能量更多地流向对人类更有益的部分
B.多途径利用农作物可以实现对生态系统中能量的多级利用
C.根据草场能量流动的特点，可以合理确定草场的载畜量，从而保持畜产品的持续高产
D.“桑基鱼塘”的生产方式，在桑、蚕、鱼之间形成良性循环，将提高能量传递效率
√
4.茶树菇味道鲜美，常生长在油茶树枯朽的树桩上。某林场尝试在树下套种茶树菇，并用桐树、柳树、杨树脱落的枝叶制作培养基。下列相关叙述正确的是
A.油茶树枯朽树桩中的能量不属于油茶树的同化量
B.生长在油茶树树桩上的茶树菇属于生态系统中的分解者
C.套种措施可以提高树木和茶树菇对阳光等资源的利用率
D.该林场提高了能量的传递效率，实现了能量的多级利用
√
补充：1.(2023·山西·统考高考真题)现发现一种水鸟主要在某湖区的浅水和泥滩中栖息，以湖区的某些植物为其主要的食物来源。回答下列问题。(1)湖区的植物、水鸟、细菌等生物成分和无机环境构成了一个生态系统。能量流经食物链上该种水鸟的示意图如下，①、②、③表示生物的生命活动过程，其中①是 ；②是 ；③是 。
(2)要研究湖区该种水鸟的生态位，需要研究的方面有 .
(答出3点即可)。该生态系统中水鸟等各种生物都占据着相对稳定的生态位，其意义是 。(3)近年来，一些水鸟离开湖区前往周边稻田，取食稻田中收割后散落的稻谷，羽毛艳丽的水鸟引来一些游客观赏。从保护鸟类的角度来看，游客在观赏水鸟时应注意的事项是 （答出1点即可）。
不破坏水鸟的生存环境；远距离观赏
水鸟的同化量
水鸟呼吸作用(细胞呼吸)散失的能量
分解者利用的能量
栖息地、食物、天敌以及与其它物种的关系等
有利于不同生物之间充分利用环境资源
补充：2.某市在落实“禁烧秸秆”工作的过程中，化“堵”为“疏”，引导农民设计建立了如下生态系统模式图，阅读教材思考如下问题：
(1)相比农作物秸秆直接燃烧，上述生态系统实现了农作物中能量的__________，提高了____________。这说明：研究能量流动可帮助人们____________、设计人工生态系统，使能量得到________的利用。例如，在森林中，最好使能量多储存在木材中；在草原牧场上，则最好使能量多流向牛、羊等牲畜体内，获得更多的毛、肉、皮、奶等畜产品。
多级利用
能量利用率
科学规划
最有效
(2)有人说：“由于上述生态系统是人工设计的，所以其中营养级之间能量的传递效率可由人类任意控制。”你认为对吗？
(3)在上述生态系统中，人们为提高农作物的产量，要经常到田间除草、灭虫、灭鼠。这样能合理调整生态系统中的____________关系，使能量持续高效地流向____________________。
不对。人们虽然可设法调整能量流动方向，使能量流向对人类最有益的部分，但不能改变能量的传递效率。
能量流动
对人类最有益的部分
2.某同学绘制了如图所示的能量流动图解，下列叙述正确的是
A.生产者固定的总能量可表示为A1＋B1＋C1＋A2＋B2＋C2＋D2
B.初级消费者用于生长、发育和繁殖的能量为B2＋D2
C.初级消费者摄入的能量为A2＋B2＋C2
D.W1＝D1＋D2
√
典题应用（P38）
易错点训练：
生态系统能量流动的分析
下图为能量流经某生态系统第二营养级的示意图：
（1）第一营养级流向分解者的能量是20J/（cm2.a）（ ）
（2）第二营养级用于生长、发育和繁殖的能量是50J/（cm2.a）（ ）
（3）第三营养级同化的能量是15J/（cm2.a）（ ）
初级消费
者摄入量
粪便量
同化量
呼吸作用
生长发
育繁殖
×
×
×
分解者
31. 捕食是一种生物以另一种生物为食的现象，能量在生态系统中是沿食物链流动的。回答下列问题：
（1）在自然界中，捕食者一般不会将所有的猎物都吃掉，这一现象对捕食者的意义是
（答出1点即可）。
（2）青草→羊→狼是一条食物链。根据林德曼对能量流动研究的成果分析，这条食物链上能量流动的特点是 。
（3）森林、草原、湖泊、海洋等生态系统是常见的生态系统，林德曼关于生态系统能量流动特点的研究成果是以__________生态系统为研究对象得出的。
2021年1全国甲卷高考真题
学以致用，解决问题
方案A：先吃鸡，再吃玉米。
方案B：先吃1/2玉米，同时用1/2部分玉米喂鸡，吃鸡产下的蛋，最后吃鸡。
母鸡重3kg,玉米15kg，能量传递效率为10%，计算人能获得的能量（用得到的有机物质量表示）
玉米
鸡
人
玉米
鸡
人
选方案A：食物链短，能量损耗少，人可以获得更多能量。
1926年美国一位生态学家研究了一块玉米田的能量流动情况，得到如下数据。
①这块田地共收割了10000株玉米，质量为6000kg，计算出其中共含碳约为2675kg，这些含碳有机物储存的能量约为1.07x108kJ。
②据估算，这些玉米在整个生长过程中通过细胞呼吸消耗的能量是3.272x107kJ。
③在整个生长季节，入射到这块玉米田的太阳能的总量为8.5x109kJ。太阳能的利用效率仅为约1.64%。
问1：分析数据,总结各能量类别之间的联系，完成留空部分能量类别与数值填写：
太阳能
8.5x109kJ
1.397x108kJ
呼吸散失3.272x107kJ
储存
1.07x108kJ
数据处理与分析
问2：在数据处理与分析的基础上尝试解答以下问题：
（1）照射到玉米田地里的太阳能都能被玉米吸收利用吗？
（2）玉米固定的太阳能，去向有哪些？
（3）研究生态系统能量流动过程需要在个体水平上还是群体水平？
太阳能
8.5x109kJ
1.397x108kJ
呼吸散失3.272x107kJ
储存
1.07x108kJ
数据处理与分析
(1)流经生态系统的总能量是照射在生产者上的太阳能(　　)
(2)散失的热能不可以被生产者固定再次进入生态系统(　　)
(3)当狼吃掉一只兔子时，就获得了兔子的全部能量(　　)
(4)蜣螂以牛粪为食，因此被牛同化的能量可流入蜣螂(　　)
×
×
判断正误（P35）
√
×
1.如图为生态系统中能量流动图解部分示意图(字母表示能量的多少)，下列叙述正确的是
A.图中b＝h＋c＋d＋e＋f＋i
B.生产者与初级消费者之间的能量传递效率为b/a×100%
C.“草→兔→狼”这一食物链中，狼粪便中的能量属于d
D.缩短食物链可以提高能量传递效率
√
典题应用（P38）

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