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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
1.分析生态系统能量流动的过程和特点。
2.概述研究能量流动的实践意义。
3.尝试调查农田生态系统中的能量流动情况。
教学目标
温故而知新1.生态系统的结构包括哪两方面？2.生态系统的成分有哪些？3.生态系统的营养结构是什么 生态系统的成分,食物链和食物网生产者、消费者、分解者、非生物的物质和能量食物链和食物网 应该先吃鸡，再吃玉米（即选择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。
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。
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。
流落荒岛
讨论：
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？
1.先吃鸡，再吃玉米。
问题探讨
生态系统能量流动的概念:生态系统的能量流动是指生态系统中能量的输入、传递、转化和散失的过程。a.就一个生物个体（如人）而言，能量的流动情况？能量输入个体呼吸作用散失的能量储存在体内的能量研究能量流动的基本思路科学方法能量输入
个体1
呼吸作用散失的能量
储存在体内的能量
个体2
个体3
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
…
b.就多个生物个体而言：
c.能量流经一个种群的情况：
能量输入
种群
能量储存
能量散失
研究生态系统中能量流动一般在群体水平上。
生态系统的能量流动是以“营养级”为单位
阅读课本55页，思考并找出下列问题答案：
1、能量的源头？
2、能量流动的起点和渠道？
3、输入生态系统总能量是？
4. 各个营养级能量的来源又是什么？
5、各营养级能量的去路有哪些？
请以生产者(第一营养级)为例说明
一、能量流动的过程
⒈生态系统的能量来源：
太阳光能
2.起点： 渠道:食物链和食物网
生产者固定的能量
3.流经生态系统总能量：
生产者所固定的太阳能的总量
5.去路：
呼吸作用消耗
被下一营养级的生物所利用
被分解者所利用
4.来源：
生产者
消费者
——太阳光能
——上一营养级
5.各营养级能量的去路有哪些？
请以生产者(第一营养级)为例说明.
⒈生态系统的能量来源是什么？
2.能量流动的起点和渠道是什么？
3.流经生态系统的总能量是什么？
4.各个营养级能量的来源又是什么？
呼吸消耗
分解者分解
流入下一营养级（兔等）
草固定能量的去向
？
热能
呼吸作用
用于自身生长、发育、繁殖---有机物
1. 能量流经第一营养级的情况
99%
散失
1%
固定(同化)
呼吸作用
生长、发育和繁殖
分解者
残枝败叶
生产者
(植物)
固定
摄入
初级消费者
(植食动物)
能量流经第一营养级示意图
一来三去
粪便
呼吸
遗体
残骸
呼吸
初级消费者
摄入
用于生长
发育和繁殖
次级消费者
摄入
散失
初级消费者
同化
分解者利用
散失
…
...
能量流经第二营养级示意图
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。
2. 能量流经第二营养级的情况
1.流入初级消费者的能量是多少？
2.流入初级消费者的能量的去路有哪些？
3.摄入量、同化量和粪便量之间的关系？
4.初级消费者的粪便中的能量属于哪个营养级的能量？
同化量
呼吸作用散失
流入下一营养级
被分解者利用
未利用
均属于用于自身生长、发育和繁殖的部分
同化量
摄入量-粪便量
=
=
呼吸作用散失+用于生长发育和繁殖
粪便属于上一营养级的同化量
3.生态系统能量流动的过程
生产者
呼吸
初级消费者
呼吸
次级消费者
分 解 者
…
呼吸
三级消
费者
呼吸
呼吸
生产者固定的太阳能总量为流经这个生态系统的总能量
输入
传递
散失
以有机物的形式沿食物链向下一营养级传递
转化：光能 化学能 热能
呼吸作用
能量的最终源头：
输入：
传递：
能量沿着食物链（网）逐级流动
散失：
各级生物的呼吸作用及分解者的分解作用（呼吸），能量以热能散失
生产者固定的太阳能的总量
生态系统的总能量：
太阳能
转化：
热能
太阳光能
化学能
光合作用
小结：
来源：
生产者
消费者
——太阳光能
——上一营养级
每个营养级同化能量=下一个营养级同化能量+呼吸消耗能量+分解者释放能量+未被利用能量
生产者通过光合作用将光能转化成为化学能，固定在它们所制造的有机物中（其次还有化能合成作用）
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）
特别提醒：
形式：有机物中的化学能
生态系统中的能量流动
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，为什么？
遵循；
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。
2.流经生态某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，因为能量流动是单向的。
思考 讨论
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
塞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
分析塞达伯格湖的能量流动
微量
图中数字为能量值，单位是J(cm2·a)(焦每平方厘米年）。图中“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。为研究方便起见，这里将肉食性动物作为一个整体看待。
思考 讨论
营养级 流入能量 流出能量 出入比
生产者
植食性动物
肉食性动物 —— ——
分解者 —— ——
464.6
62.8
12.6
62.8
12.6
13.52%
20.06%
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)。
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。
微量
14.6
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
4.通过以上分析，你能总结出什么规律
生态系统中的能量流动是单向的；能量在流动过程中逐级递减。
耗散掉的能量包括：①呼吸作用散失的热能；
②为分解者利用的能量；
③ “未利用”的能量
2.单向流动:
自身呼吸作用消耗
分解者利用
暂未利用
12.6
62.8
未固定
生产者
464.6
植食性动物
62.8
肉食性动物
12.6
13.5%
20%
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
呼吸
122.6
1.逐级递减:
二、能量流动的特点:
能量传递效率10%～20%
不可逆向，不可循环
在生态系统中，能量流动只能沿着______由___营养级流向____营养级。
食物链
低
高
原因：
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。
【注】
①“未利用”能量。如多年生植物上一年自身生长发育的净积累量；未来得及分解，被埋藏在地下形成的煤炭、石油等能量等。
②能量传递效率是指相邻营养级之间，而不是种群，更不是个体。
【判断】一种蜣螂专以大象粪为食，则该种蜣螂能获取大象所同化能量的10%（ ）
×
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。
能量传递效率＝ ×100%
某一营养级的同化量
上一营养级的同化量
能量在相邻两个营养级间的传递效率为10%～20%
由最高营养级推导生产者（消耗量）
需最多能量：选最长食物链；按÷10%计算
需最少能量：选最短食物链；按÷20%计算
演练1.右图表示某生态系统食物网的图解，
猫头鹰体重每增加1kg，至少消耗A约（ ）
A．100kg B．44.5kg
C．25kg D．15kg
C
浮游植物
浮游动物
小鱼
大鱼
1000kg
10%
10%
10%
20%
20%
25kg
1kg
例1：大鱼体重增加1kg，最多(至少）需要浮游植物多少千克？
3.高、低营养级间能量的互算
例2.如果A消耗10000 kg，
C最多增重_____千克，最少增重___千克
400
1
由生产者推导最高营养级（获得量）
获得能量最多：选最短食物链；按×20%计算
获得能量最少：选最长食物链；按×10%计算
10000
2000
400
1000
100
10
1
演练2．根据图示的食物网，若黄雀的全部同化量来自两种动物，蝉和
螳螂各占一半，则当绿色植物增加G千克时，黄雀增加体重最多
是(　　)
A．G/75千克　　　 B．3G/125千克
C．6G/125千克 D．G/550千克
　 根据生态系统能量流动的最高传递效率20%，设黄雀增加
体重X千克，则根据题意可列出计算式：
X/2÷20%÷20%＋X/2÷20%÷20%÷20%＝G
A
X＝G/75千克
例3.在右图的食物网中，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？
在能量分配比例已知时，按比例分别计算，最后相加
沿食物链A→D→E→F→C逆推：1/4kg X 5 X 5 X 5 X 5＝625/4kg
消耗A最少，按最高传递效率20%计算：
75/4kg+625/4 kg=175kg
沿食物链A→B→C逆推：3/4kg X 5 X 5＝75/4kg
演练3.如图食物网中，猫头鹰的食物有2/5来自兔，2/5来自鼠，1/5来自蛇，
则猫头鹰的体重若增加20 g，至少需要消耗植物的重量为(　　)
A．600 g　　　　 B．900 g
C．1 600 g D．5 600 g
　 已知高营养级求至少需要低营养级的能量时，需按照最大传递效率
进行计算，即
20×2/5÷20%÷20%＋20×2/5÷20%÷20%＋20×1/5÷20%÷20%÷20%
＝900(g)
B
选______的食物链
选最小传递效率_____
生产者
最少消耗
选最大传递效率_____
消费者
最大消耗
获得最多
获得最少
选______的食物链
最短
最长
20%
10%
小结：能量在食物链中传递的“最值计算”
三、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
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，叫做能量金字塔。
直观的反映出生态系统各营养级间能量的关系。
通常都是上窄下宽的金字塔形。
能量在流动中总是逐级递减的。
（1）概念：
（2）意义：
（3）特点：
原因：
营养级越多，能量流动过程中消耗的能量越多。
生态系统中的能量流动一般不超过4-5个营养级。
直观的反映生态系统各营养级所容纳的有机物的总干重的关系。
2、生物量金字塔
用表示能量金字塔中的方法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。
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
大多也是上窄下宽的正金字塔形。
（1）概念：
（2）意义：
（3）特点：
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。
3、数量金字塔
用表示能量金字塔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。
表明每个营养级中生物个体的数量。
可以是上窄下宽的正金字塔形，也可以是上宽下窄的倒置的金字塔形。
（1）概念：
（2）意义：
（3）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，则会呈现倒置金字塔。
迁移创新：
1.为什么肉类食品的价格比小白菜价格高？
2.为什么说“一山不容二虎”
蔬菜一般属于生产者范畴，而肉属于消费者范畴，由于能量传递的效率只有10%~20%，也就是说要得到1千克的肉至少要消耗5千克的植物；所以相同重量的肉比蔬菜贵。
根据生态系统中能量流动逐级递减的特点和规律，营养级越高，可利用的能量就越少，老虎在生态系统中几乎是最高营养级，通过食物链（网）流经老虎的能量已减到很少的程度。因此，老虎的数量将是很少的。故“一山不容二虎”有一定的生态学道理。
3.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？
人口数量日益增长，会要求低营养级有更多的能量流入人类所处的营养级，也就是说，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。
四、研究能量流动的实践意义
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。
例如，间作套种、多层育苗、稻——萍——蛙等立体农业生产方式。
间作套种
多层育苗
稻—萍—蛙
2.研究生态系统的能量流动，可以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；
例如，秸秆喂牲畜；粪便制作沼气；沼渣肥田，实现了对能量的多级利用，从而大大提高能量的利用率
秸秆饲料
沼气池
沼渣
（≠能量的传递效率）。
3.研究生态系统的能量流动，还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。
例如，合理确定草场的载畜量，稻田除草、除虫等。
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。如果一个生态系统在一段较长时间内没有能量（太阳能或现成的有机物）输入。这个生态系统就会崩溃。
思考：右图为某城市生态系统能量金字塔，为什么呈倒置状态也能维持生态系统的正常运行？
从生态系统外输入大量的有机物
小结
生态系统的能量流动
概念：
过程：
特点：
实践
意义：
单向流动 ：不可逆向，不可循环
逐级递减：
能量传递效率10％～20％
指生态系统中能量的输入、传递、转化和散失过程。
使能量持续高效地流向对人类最有益的部分。
能量金字塔
能量的源头：
流经生态系统的总能量：
途径：
太阳能
生产者固定的太阳能的总量
去向：
未利用；呼吸消耗；下一营养级（最高级没有）；分解者分解
食物链（网）
分析和处理数据
1926年，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.这块田共收割玉米约10 000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。
请根据以上数据计算：
这些玉米的含碳量折合成葡萄糖是多少？这些葡萄糖储存的能量是多少？
3.1kg葡萄糖储存1.6×104kJ能量。
4.在整个生长季节，入射到这块玉米田的太阳能为8.5×109kJ.
=
2675×180(C6H12O6)÷72(C6)
6687.5kg
1.07×108kJ
6687.5×1.6×104kJ
=
这些玉米呼吸作用消耗的能量是多少？
2045×1.6×104kJ=
3.272×107kJ
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？
1.07×108kJ+
3.272×107kJ=1.3972×108kJ
3.272×107÷1.3972×108=23.4%
这块玉米田的太阳能利用效率是多少？
1.3972×108÷8.5×109=1.64%
思维训练
根据计算结果，画出能量流经该玉米种群的图解，图解中应标明各环节能量利用和散失的比例。

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