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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
先吃鸡，再吃玉米。
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一样，也流落到一个荒岛上，那里除了能饮用的水以外，几乎无任何食物。你随身尚存食物只有一只母鸡、15Kg玉米。
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。
玉米
鸡
人
玉米
鸡
人
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。
目
录
研究能量流动的基本思路
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。
1.能量流经一个种群的情况可以图示如下：
（研究个体水平能量流动的基本思路）
能量输入
某营养级
能量储存
能量散失
2.将这个种群作为一个整体来研究如图：
能量输入
种群
能量储存
能量散失
（研究种群水平能量流动的基本思路）
以种群为研究对象，食物链或食物网作为能量流动的渠道，过于复杂而影响结果。
3.将一个营养级的所有种群为整体来研究如图：
（研究营养级水平能量流动的基本思路）
一、能量流动的过程
1、概念：生态系统中能量的 、 、 和 的过程。
输入
传递
转化
散失
地球上几乎所有的生态系统所需的能量都来自______。
太阳
（1）输入生态系统的总能量：
太阳每天输送到地球的能量大约只有1%以可见光的形式被生态系统的________ 通过__________转化成_______，固定在它们所制造的______中。这样，太阳就_____到了生态系统的________。
有机物
第一营养级
生产者固定的太阳能总量
生产者
光合作用
化学能
输入
**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，还有人为补充的能量（例如饲料中有机物中的能量）
2、过程：
生态系统能量流动在营养级层次研究
能量流经生物个体的过程
分 解 者
呼 吸 作 用
生态系统能量流动在营养级层次研究
生产者
初级消费者
(绿色植物)
次级消费者
(植食性动物)
(肉食性动物)
（2）生态系统能量的传递：
生态系统中能量的传递是沿食物链和食物网渠道进行的。
①能量流经第一营养级的过程
1%
呼吸作用以
热能形式散失
用于自身生长、
发育和繁殖
残枝败叶
被分解者利用
被初级消费者摄入
草的能量从哪来，如何得来？
储存在体内的能量有哪些去向？
草进行呼吸作用后能量转化和用途是？
光能全部被草吸收了吗？
光合作用
粪便
兔吃草后能将摄入的草全部同化吗？
同化
流入
呼吸作用
分解者
摄入
生长发育和
繁殖储存起来
同化量
=
摄入量
粪便量
－
②能量流经第二营养级的过程
兔子粪便中的能量属于哪个营养级的能量？
粪便量是上一营养级的同化量的一部分
呼吸作用
遗体、排遗物
被分解者利用
生长发育和
繁殖储存起来
兔同化了小草的能量后，这些能量有哪些去向？
兔同化的能量
②能量流经第二营养级的过程
被次级消费者摄入
能量在第三、四营养级的变化，与第二营养级的情况大致相同。
属于上一营养级的同化量中流向分解者的部分
次级消
费者摄入
用于生长发育繁殖
初级消费者同化
初级消费者摄入
…
散失
呼吸作用
遗体
残骸
粪便
分解者利用
散失
呼 吸
作 用
营养级之间能量流动过程图解
①呼吸作用散失
用于生长、发育和繁殖
②流入下一个营养级
③被分解者利用
（最高营养级无）
①
②
③
某一营养级的同化量
④未被利用（活体、石油煤炭）
粪便量
摄入量
－
=
①当能量进入生态系统时是由太阳能转化为化学能。
②能量在生态系统内部之间是以有机物中的化学能流动的
太阳能
有机物中的化学能
热能
ATP中化学能
各营养级通过呼吸作用、分解者分解作用产生的热能散失到无机环境中去，不会返回生物群落被循环利用。
（3）生态系统能量的转化：
源头：
流经生态系统总能量：　　　　　　　
途径：
形式：　　　　　
太阳能→有机物中的________→热能
形式：最终以　　　　形式散失
过程：
输入
传递
转化
散失
概念：生态系统中能量的 、 、 和 的过程。
输入
传递
转化
散失
太阳能
食物链和食物网
有机物中的化学能
生产者固定的太阳能总量
化学能
热能
呼吸作用
一、能量流动的过程
1.中间的方块表示什么？其大小意味着什么？
2.中间的箭头表示什么？其粗细意味着什么？
3.指向分解者的箭头分别代表着什么？初级消费者粪便中的能量属于哪个颜色箭头的部分？
动植物遗体、动物排遗物
各营养级的同化量
随营养级的升高，储存在生物体内的能量越来越少。
营养级之间的能量传递
表示流入下一营养级的能量逐级递减。
1941年美国耶鲁大学生态学家林德曼发表了《一个老年湖泊内的食物链动态》的研究报告。他对50万平方米的赛达伯格湖作了野外调查和研究后用确切的数据说明，生物量从绿色植物向食草动物、食肉动物等按食物链的顺序在不同营养级上转移。
讨论1.用表格的形式将图中的数据进行整理。例如，可以将每一营养级的能量“流入”和“流出”整理成一份清单（“流出”的能量不包括呼吸作用散失的能量）完成《金版》P61探究二
{16D9F66E-5EB9-4882-86FB-DCBF35E3C3E4}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
二、能量流动的特点
464.6
62.8
12.6
62.8
12.6
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。
{16D9F66E-5EB9-4882-86FB-DCBF35E3C3E4}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
二、能量流动的特点
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之间的传递效率为10%～20%。
464.6
62.8
12.6
62.8
12.6
13.5%
20.1%
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?
二、能量流动的特点
流入某一营养级的能量除了流入下一营养级的之外，还有以下去向：
①一部分通过该营养级的呼吸作用散失；
②一部分作为排出物、遗体或残枝败叶被分解者利用；
③一部分未利用。

讨论4：通过以上分析，你能总结出什么规律？(即能量流动的特点)
1.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_________；
食物链
低
高
逆转
循环流动
（1）各营养级的生物都会因自身呼吸作用散失掉一部分能量。
（2）各营养级能量都要有一部分流入分解者。
（3）各营养级生物都不能全部被下一营养级捕食,各个营养级能量都有一部分未利用。
原因：
2.逐级递减：
（能量传递效率为10%～20%）
生态系统中能量流动是单向的。
能量在流动过程中逐级递减。
原因：
（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。
《金版》P61点拨提升
二、能量流动的特点
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期内没有能量（太阳能或化学能）输入，这个生态系统就会崩溃。
《金版》P63 6、8
《报》P2 2、P3 4、10、P4
B
C
C
B
3.为了促进某自然保护区的恢复，人工投入了较多的物质。为了解该自然保护区生物的生存情况，
科研机构对各营养级能量流动情况进行了定量分析，数据如下表所示[单位：>103kJ/m2?a< ]。
下列叙述正确的是( )
?
能量类型
生物类型
自身呼吸消耗的能量
甲
未被利用的能量
流入下一营养级的能量
输入有机物的能量
生产者
1 210
256
2 933
868
-
初级消费者
252
88
564
A
192
次级消费者
63
23
B
19
68
三级消费者
18
C
10
-
12
A.该自然保护区的结构由非生物的物质和能量、生产者、消费者和分解者构成
B.流入该自然保护区的总能量为5.267×106kJ/m2?a
C.表中“甲”代表流向分解者的能量，“ B ”的数值为119，“C”的数值为3
D.第二营养级流向第三营养级的能量传递效率约为17.97%
?
C
A
B
例题2.下图是某湖泊生态系统能量流动的定量分析图解。图中A.B.C代表三个营养级，数字均为实际测得的能量数，单位为106kJ。已知该生态系统受到的太阳辐射为1188872×106kJ，但其中1188761×106kJ的能量未被利用。请回答下面的问题。
(1)请将流经该生态系统的总能量数填写在图中的方框内，这部分能量是________所固定的太阳能。
(2)能量从第一营养级到第二营养级的转化效率为________%，从第二营养级到第三营养级的转化效率为________%。
生产者
111
13.5
20
111
(3)次级消费者通过呼吸作用消耗的能量占其同化作用所得到能量的百分比是_______。
(4)由图可知，下个营养级不能得到上个营养级的全部能量，原因有：
①各营养级生物体内的大量能量被___________________；
②其次是上个营养级的部分能量________________________；
③还有少数能量被________利用。
60%
细胞呼吸消耗
未被下一营养级利用
分解者
3、在市场上，肉为什么一般比蔬菜贵？
蔬菜属于生产者，而肉属于消费者，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。
1、食物链为什么一般不超过5个营养级？
2、“一山不容二虎”的原因？
拓展：能量流动的特点实例分析：
能量流经各营养级是逐级递减的，单向不循环的，传递效率为10％－20％。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,得到的能量越少。因此，食物链到第五营养级以后，可利用的能量已减少到不能维持其生存的程度了。
当营养级级别达到四、五级时，都必须依靠多条食物链才能满足生命对能量的需求。否则这些生物将无法获得足以维持生命的能量而被淘汰，同时，随营养级别的升高，能量的递减必将造成生物的个体数量逐级减少。
生产者
464.6
植食性动物
62.8
肉食性动物
12.6
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。
生产者
464.6
植食性动物
62.8
肉食性动物
12.6
三、生态金字塔
包括能量金字塔、数量金字塔和生物量金字塔。
能量金字塔
特点：
上窄下宽的金字塔形
能量逐级递减
原因：
生物量金字塔
（每个营养级所容纳的有机物的总干量）
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
特点：
上窄下宽的金字塔形
生物量金字塔在什么情况下，可能是上宽下窄倒置的金字塔形呢？
在海洋生态系统中，由于生产者(浮游植物)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。
数量金字塔
上窄下宽的正金字塔形
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
上宽下窄的倒金字塔形
（各营养级的生物个体的数目）
能量金字塔
生物量金字塔
数量金字塔
形状
每一层含义
象征
意义
生物链中各营养级生物所含能量的多少
各营养级生物有机物总量的多少
各营养级生物个体数目的多少
能量沿食物链流动过程中具有逐级递减的特点。
一般情况下，生物量(现存生物有机物总量)沿食物链流动逐级递减。
一般情况下，生物个体数目数量在食物链中随营养级升高而逐渐减少。
四、生态金字塔
《报》P2 探究三、P3 6、7
思考讨论2：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？
答案：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、能量流动的实践意义
甘蔗和大豆间种
冬小麦夏玉米套作
稻-萍-蛙立体农业
蔬菜大棚中多层育苗
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，增大流入生态系统的总能量。
可提高阳光、土地利用率
套种主要是在一种作物生长的后期，种上另一种作物，其共同生长的时间短。
可以延长光合作用时间，提高作物对光能的利用率
间作套种是运用群落的空间结构原理，以充分利用 空间 和资源为目的而发展起来的一种农业生产模式，也可称为 立体农业
轮作
轮作是指在同一块田地上，按预定的种植计划，轮换种植不同的作物。
可以使作物充分利用土壤中的矿质元素，还可以减少作物病虫害的发生。
轮作就是在同一块田地上，按预定的种植计划，轮换种植不同的作物。轮作也可以提高作物产量。每种作物都有一些专门为害的病虫杂草，连作（在同一块地上长期连年种植一种作物）可使这些病虫草周而复始地恶性循环式地感染为害，如黄瓜的霜霉病、根腐病、跗线螨；番茄病毒病、晚疫病、辣椒的青枯病、立枯病等。而轮作能够改变原有的食物链，防止病虫害；抑制杂草生长，减轻草害。例如，利用前茬作物根系分泌的灭菌素，可以抑制后茬作物上病害的发生，如甜菜、胡萝卜、洋葱、大蒜等的根系分泌物可抑制马铃薯晚疫病发生，小麦根系的分泌物可以抑制茅草的生长。
轮作还可以均衡利用土壤中的矿质元素，防止土壤中营养物质偏耗而造成土壤肥力的枯竭，把用地和养地结合起来。不同作物吸收土壤中的营养元素的种类、数量及比例各不相同，根系深浅与吸收水肥的能力也各不相同。长期种植一种作物，因其根系总是停留在同一水平上，该作物大量吸收某种特需营养元素后，就会造成土壤养分的偏耗，使土壤营养元素失去平衡。如禾谷类作物对氮、磷、硅吸收较多，对钙吸收较少，而豆科作物对钙、磷、氮吸收较多，对硅吸收较少。由于根瘤菌的固氮作用及根、叶残留物较多，种豆科作物之后，土壤含氮量较高，土壤较疏松；在雨水充足或有灌溉系统的地区，大豆和其他作物轮作可以提高氮的利用率。叶菜类、十字花科蔬菜作物，其根系分泌有机酸，可使土壤中难溶性的磷得以溶解和吸收，具有富集土壤磷的功能。但多数作物对固定在土壤中的磷却难以吸收。
另外，连作由于耕作、施肥、灌溉等方式固定不变，会导致土壤理化性质恶化，肥力降低，有毒物质积累，有机质分解缓慢，有益微生物的数量减少。而轮作可以改变农田生态条件，改善土壤理化特性，增加生物多样性。
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研究生态系统的能量流动，可以帮助人们科学规划和设计人工生态系统，使能量得到最有效的利用。/实现对能量的多级利用，提高能量的利用率。
四、能量流动的实践意义
例如，秸秆喂牲畜；粪便制作沼气；沼渣田肥。
③研究生态系统的能量流动，还可以帮助人们合理的调整生态系统的能量流动关系，使能量持续高效地流向人类最有益的部分。
牲畜过少，不能充分利用牧草所提供的能量；
牲畜过多，就会造成草场的退化，使畜产品的产量下降。
四、能量流动的实践意义
《报》P2 1、5、7
例如：农田除杂草；防治害虫；杀灭田鼠
从物质循环的角度，人工除草能加快物质循环利用，草秆为茶树提供无机盐、CO2；
从能量流动的角度，人工除草能调整生态系统中的能量流动关系，使能量更多流向茶树。
技巧方法
能量传递效率的相关计算
1.能量传递效率的计算公式
2.能量传递效率的相关“最值”计算
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% 。 在食物链 A→B→C→D 中，则有：
?
注：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损耗的能量越少。
3.能量传递效率有关的“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）若在食物网中，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。
4.具有人工能量输入的能量传递效率计算
人为输入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。例如，求第二营养级至第三营养级的能量传递效率时，应为第三营养级从第二营养级同化的能量（不包括人工输入第三营养级的能量）/第二营养级的同化量（包括人工输入第二营养级的能量） ×100% 。
?
【例】下图是一个食物网，假如鹰的食物有2/5来自兔，2/5来
自鼠，1/5来自蛇，那么鹰若要增加20 g体重，至少需要消耗
植物（ ）

A.900g　　　 B.500g C.200g D.600g
【答案】A
能量流动的特点
6.[2021·桂林模拟]下图表示某湖泊生态系统的营养结构， a?e 代表各营养级的生物，下列叙述不正确的是( )。
?
B
A.共有3条食物链
B.各营养级中，能量最多的是 c ，生物个体数量最多的是 a
C.若水体受有机磷农药轻微污染，则受害最严重的是 a
D.若 c 所含能量为 5.8×109kJ ， d 含 1.3×108kJ ，则 a 至少约含 4.5×107kJ
?
[解析] 食物链从生产者开始，到最高营养级结束，由此可知图中有3条食物链，A正确；各营养级中，能量最多的是 c ，根据能量单向流动、逐级递减的特点可知，营养级最高的 a 数量通常是最少的，B不正确；若水体受有机磷农药轻微污染，则根据生物富集的特点可知，难分解的有机磷农药会沿食物链逐级增加，受害最严重的是最高营养级 a ，C正确；若 c 所含能量为 5.8×109kJ， d 含 1.3×108kJ ，则 b 和 e 中所含能量至少为 5.8×109×10%?1.3×108=4.5×108kJ ，则 a 至少约含 4.5×108×10%=4.5×107kJ 的能量，D正确。
?
7.[2021·泰州模拟]某同学在分析羊食草的过程后绘制了如下能量流动模型。下列相关叙述正确的是( )。
D
A.有机肥中化学能的主要流向是被草吸收、同化、利用
B.流经该生态系统能量的唯一来源是过程①固定的光能
C.羊所排粪便中的能量应该属于羊同化的能量
D.③中的能量应该来自羊“生长、发育、繁殖”的能量
[解析] 植物不能利用有机肥中的能量，只有分解者将有机物分解后，植物利用其中的矿质元素，有机肥中的能量主要流向土壤微生物（分解者），A错误；据图可知，流经该生态系统能量有过程①固定的光能，此外还有有机肥中的化学能，B错误；羊所排粪便中的能量应属于上一营养级即草所同化的能量，C错误；③为羊遗体、残骸流向分解者的部分，其中的能量应该来自羊
“生长、发育、繁殖”的能量，D正确。
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。
(2)哪个生态系统的能量能够更多地被人类所利用？为什么？
答案：图b所示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的多级、充分利用，提高了能量的利用率。
2.将一块方糖放入水中，方糖很快就会溶解，消失得无影无踪。溶解在水中的方糖还能再自行变回原来的形状吗？为什么？
生活在水中的硅藻，它们能利用溶解在水中的硅化物制造口己绚丽精致的外壳，而通常情况下水体中硅化物的含量极为微少，仅有百万分之几，这比方糖溶解后水中的含糖量低得多。硅藻依靠什么力量筑造自己的精美小“屋”呢？
通过以上事例，你对能量在生态系统中的作用是否有了进一步的认识？
答案：不能。在一个封闭的系统中,物质总是由有序朝着无序(熵增加)的方向发展。
硅藻能利用获取的营养通过细胞呼吸释放能量,依靠能量完成物质由无序向有序的转化,维持其生命活动。能量的输人对于生态系统有序性的维持来说是不可缺少的。
(2021年广东一模)12.“桑基鱼塘”被联合国粮农组织认定为全球重要农业文化遗产，它的“塘基种桑、桑叶喂蚕、蚕沙(蚕的粪便)养鱼、鱼粪肥塘、塘泥壅桑”生产方式成为生态农业的典范。相关叙述正确的是（ ）
A.该群落的物种组成是区别于其他农田群落的重要特征
B.蚕沙中的能量属于蚕同化的能量
C.“桑基鱼塘”在本生态系统内实现了物质循环功能
D.塘泥中丰富的有机物(肥)可被桑树直接吸收利用
【答案】A
【详解】“桑基鱼塘”是一种特殊的群落，因此和其它农田群落有区别，A正确；蚕沙中的能量属于桑叶（即上一营养级）同化量的一部分，属于蚕未同化的能量，B错误；物质循环的一个特点是全球性，因此不是在该生态系统实现了物质循环，而是全球实现了物质循环，C错误；塘泥中丰富的有机物不能直接桑树直接利用，需经过塘泥中微生物的分解成无机盐，才可以被桑树利用，D错误。
能量传递效率的计算
该营养级同化量
上一营养级同化量
×100%
(1)相邻营养级的能量传递效率：10%～20%，计算方法如下：
能量传递效率＝
(2)食物链中能量的最值计算
设食物链“甲→乙→丙→丁”，分情况讨论(如下表)：
类型一：知甲求丁
最多： ，食物链越短越 。
最少： ，食物链越长越 。

×20%（÷5）
多
×10%（÷10）
少
能量流动的特点
类型二：知丁求甲
最多： ，食物链越长越 。
最少： ，食物链越短越 。
÷10%（×10）
多
÷20%（×5）
少
(2)食物链中能量的最值计算
设食物链“甲→乙→丙→丁”，分情况讨论(如下表)：
例如，能量传递效率分别为a%、b%、c%，若甲的能量为M，则丁获得的能量为M×a%×b%×c%。
(3)已确定营养级间能量传递效率的，不能按“最值”法计算。
能量流动的特点
(4)在食物网中分析在解决有关能量传递的计算问题时，需要确定相关的食物链，能量传递效率为10%～20%，一般从两个方面考虑：
①知低营养级求高营养级
获得能量最多
获得能量最少
选最长食物链
选最短食物链
按“×10%”计算
按“×20%”计算
②知高营养级求低营养级
需最少能量
需最多能量
选最短食物链
选最长食物链
按“÷20%”计算
按“÷10%”计算
能量流动的特点

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