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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
人教版（2019）高中生物学选择性必修二《生物与环境》
（第一课时）
温故而知新
1. 生态系统的结构包括哪些
生态系统的组成成分
食物链和食物网
非生物的物质和能量
生产者
消费者
分解者
2. 生态系统的营养结构指什么？
3. 这种营养结构对生态系统有什么作用？
能量流动和物质循环的渠道。
功能
能量流动
物质循环
信息传递
结构
1.分析生态系统中的能量在生物群落中单向流动并逐级递减的规律。
2.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。
1.通过能量流动模型的构建，分析能量流动的过程、特点和规律。
2.通过模型、图表理解能量是维持生态系统的动力，利用能量传递效率，提高能量在生态系统和农牧业生产上的利用率。
问题探讨
课本P54
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。
讨论：现有如下两种生存策略，请画出相应食物关系，并思考哪种生存策略能存活更长时间？
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。
一切生命活动都伴随着能量的变化。没有能量的输入，也就没有生命的生态系统。
生态系统中能量的输入、传递、转化和散失的过程
能量的输入
能量的散失
思考：研究能量流动可以采用什么科学方法呢？
一、生态系统的能量流动概念
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
将这些个体作为一个整体来研究
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。
某营养级
将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：P54
研究能量流动的基本思路
合作探究：自主阅读教材54页—55页，思考讨论
1.输入生态系统的的能量来源是什么？
2.输入第一营养级的能量有几个去路？分别是什么？
3.植物用于自身生长、发有、繁殖的能量有几个去路？分别是什么？
4.初级消费者输入的能量全部转化为自身的能量了吗？摄入的能量去路有几个？分别是什么？
5.某一营养级的“粪便”中能量应属于谁的同化量？
6.结合营养级能量的去路，构建出能量流经生态系统的过程模型。
二、能量流动的过程 P55
第一营养级
第二营养级
第三营养级
（生产者）
（初级消费者）
（次级消费者）
食物链1
第一营养级
第二营养级
（生产者）
（初级消费者）
食物链2
建构教材P54问题讨论中的食物链
大气层吸收、散射、反射
99%
1%
生产者固定（同化）
呼吸作用
散失（热能）
用于生长
发育和繁殖
残枝 败叶
分解者
未利用
初级消费者
（植食性动物）
能量流经（玉米）第一营养级的过程分析
思考：所有生态系统中输入的总能量都只有生产者固定的太阳能吗？
在人工生态系统中，总能量还有人工补充的能量（例：饲料、饵料等）
初级消费者摄入
分解者利用
粪便
遗体残骸
呼吸作用
散失
初级消费者同化
用于生长、发育和繁殖
次级消费者摄入
思考：
1.粪便中的能量属于初级消费者同化量吗？
2.真正流入初级消费者体内的能量是摄入量还是同化量？
不属于，属于生产者的同化量
同化量
同化量=摄入量－粪便量
能量流经鸡（第二营养级）过程分析
呼吸作用
散失
呼吸作用散失
用于自身生长发育繁殖
人摄入
粪便
人同化
遗体残骸
能量流经人（最高营养级）过程分析
最高营养级的能量去向：
分解者利用（呼吸作用散失）
①呼吸作用散失；②分解者利用
呼吸作用散失
生长
发育
繁殖
分解者（残枝败叶）
下一营养级摄入
生产者固定的太阳能
未被利用
（草根）
散失
粪便
下一级同化量
呼吸作用散失
分解者（遗体残骸）
下一营养级摄入
未被利用
（活体石油煤炭）
同化量=摄入量 - 粪便量
同化量=呼吸散失 + 生长发育繁殖
同化量=呼吸散失 + 下一级 + 分解者 + 未利用
生产者同化量
各营养级同化的能量去向共同点
某营养级同化量
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
某营养级的能量最终去向：
注意：粪便中的能量属于上一营养级同化量的一部分，该部分能量最终流向分解者。
某营养级的能量某段时间内的能量去向：
某营养级同化量
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
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
练习与应用
思考：请尝试构建食物链的能量流动模型。
P60
呼吸作用
呼吸作用
呼吸作用
呼吸作用
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
……
分解者
①能量流动的渠道是 。
②能量散失的途径是各种生物的 (代谢过程)。
③流动过程中能量的转化是太阳能→ → 。
食物链和食物网
呼吸作用
有机物中的化学能
热能
二、能量流动的过程 P55
P55 思考.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。
2.流经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。能量流动是单向的。
思考：能量的流动有何特点呢？两营养级之间传递效率为多少呢？
二、能量流动的过程
分析赛达伯格湖的能量流动
思考.讨论
Raymond Lindeman
林德曼（1915-1942）
赛达伯格湖
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。
三、能量流动的特点 P56
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
327.3
293
2.1
18.8
29.3
12.6
肉食性动物
12.6
微量
7.5
5.0
122.6
14.6
分析赛达伯格湖的能量流动
思考.讨论
思考*讨论1：用表格的形式，将图中的数据进行整理。
三、能量流动的特点
流入 呼吸作用 分解者利用 暂未利用 流出 流出/流入
生产者
植食性动物
肉食性动物
464.6
96.3
12.5
293
62.8
62.8
18.8
2.1
29.3
12.6
12.6
7.5
微量
5.0
能量流动过程中逐级递减
思考*讨论1：用表格的形式，将图中的数据进行整理。
思考*讨论2：计算“流出”该营养级能量占“流入”该营养级能量的百分比。
13.52%
20.06%
能量传递效率 =
下一营养级同化量
上一营养级同化量
×100%
注意：能量在相邻两个营养级间的传递效率为 。
10%～20%
三、能量流动的特点
思考.讨论
思考*讨论4：通过以上分析，你能总结出什么规律？
单向流动
②通过呼吸作用散失的热能不能再次被利用
①食物链中的捕食关系不能逆转
能量流动特点
逐级递减
原因
总有一部分能量经自身呼吸消耗、被分解者分解、未被下一个营养级利用。
（能量传递效率为10%～20%）
原因
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？
各营养级的能量都有一部分通过呼吸作用散失；一部分未被下一营养级利用；一部分被分解者分解。
不矛盾。能量在流动过程中逐级递减，指的是流入各个营养级的能量。能量守恒定律可以用于衡量流入某个生态系统的总能量，总能量=储存在生态系统(生物体的有机物)中的能量+被各个营养级的生物利用、散发至非生物环境中的能量。因此，虽然能量在流动过程中逐级递减，但总能量依然遵循能量守恒定律。
P56 旁栏思考：能量在流动过程中逐级递减，与能量守恒定律矛盾吗？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。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。
三、能量流动的特点
能量传递效率的计算公式：
（1）能量传递效率 =
下一营养级同化量
上一营养级同化量
×100%
（2）在食物网中能量传递效率“最值”计算
正推：知低营养级求高营养级
获能量最多 选最短食物链，按×20%计算
获能量最少 选最长食物链，按×10%计算
逆推：知高营养级求低营养级
需能量最多 选最长食物链，按÷10%计算
需能量最少 选最短食物链，按÷20%计算
两个营养级之间，不是两个体之间
四、能量流动的相关计算
问题探究：
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。
应选择策略1，最后人获得的能量较多。
（假设鸡自身重1.5千克，按最大传递效率20%计算，且策略B中有1/5的玉米给鸡吃，剩下的玉米给人吃，则2种策略人的体重各可以增加多少？）
策略1：1.5×20%＋15×20%=3.3千克
策略2：（15×1/5×20%＋1.5）×20%＋15×4/5×20%=2.82千克
练习1
如图是毛白杨树林中两个营养级的能量流动图解，已知毛白杨树同化的总能量为N，方框中字母代表能量。下列叙述不正确的是( )
A.B＝C＋D
B.D是指呼吸作用消耗的能量
C.B是第二营养级用于生长、发育和繁殖的能量
D.从毛白杨树输入下一营养级的能量传递效率为B /N
C
同化量
呼吸作用消耗的量
用于生长发育繁殖的量
被分解者利用的量
摄入量
C才是
练习2
某同学绘制了如下图所示的能量流动图解(其中W1为生产者固定的太阳能，方框大小表示所含能量的多少)。下列叙述中不正确的是( )
A.生产者固定的总能量可表示为(A1+B1+C1+A2+B2+C2+D2)
B. 由第一营养级到第二营养级的能量传递效率为D2/D1
C. 流入初级消费者的能量为(A2+B2+C2+D2)
D. 图解表明能量流动的特点是单向流动、逐级递减
B
D1/w1
某地出现了较为严重的自然灾害，如图为在人为干预下恢复过程中的能量流动图（单位103kJ·m-2·a-1)。
(1)由图可知，肉食性动物需补偿输入的能量为 kJ·m-2·a-1，
根据图中数据可知，营养级 (填“较高”或“较低”)的生物在这场灾害中受到的影响较大。
5×103
较高
(14+2-4-9-0.5)×103=2.5×103
植食动物给肉食动物的：
X+2.5=2.1+5.1+0.05+0.25
X=5
需补偿输入的：
2.5
5
X
练习3
(2)流入该生态系统的总能量是 kJ·m-2·a-1，用于植食性动物自身生长、发育和繁殖等生命活动的能量是 kJ·m-2·a-1。
(3)在人为干预下，能量在第二营养级与第三营养级之间的传递效率为
（保留3位有效数字）。
1.29×105
1.2×104
15.6%
2.5÷(14+2)×100%=15.6%
(23+3+70+14+2+5+12)×103=1.29×103
生长发育：(14+2) - 呼吸4=12
5
2.5
第3章 生态系统及其稳定性
第2节 生态系统的能量流动
（第二课时）
材料
能量分析 生产者 植食性动物 肉食性动物
输入能量 464.6 62.8 12.6
赛达伯格湖的能量流动数据分析
思考：除了用数字表示之外，还有什么方法可以表示生态系统中能量流动逐级递减的特征？
生态金字塔
能量金字塔
数量金字塔
生物量金字塔
1.什么是能量金字塔？有何特点及意义？
2.什么是生物量金字塔？有何特点及意义？
3.在什么情况下，生物量金字塔可能是上宽下窄倒置的金字塔形？
4.什么是数量金字塔？有何特点及意义？
5.在什么情况下，数量金字塔可能是上宽下窄倒置的金字塔形呢？
6.列表从含义、形状、特点、意义等方面比较三种金字塔的异同。
合作探究：请同学们自主阅读教材P57-58，小组合作思考讨论完成问题。
五、生态金字塔
1.能量金字塔：P57
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。
能量分析 生产者 植食性动物 肉食性动物
输入能量 464.6 62.8 12.6
肉食性动物
12.6
生产者
464.6
植食性动物
62.8
（1）特点：
通常都是上窄下宽的正金字塔形。
（2）原因：
能量在流动中总是逐级递减的。
（3）意义：
直观的反映出生态系统各营养级间能量的关系。
从能量流动金字塔可以看出：营养级越多，在能量流动过程中消耗的能量就越多。
五、生态金字塔
2.生物量金字塔：
用表示能量金字塔中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
（1）特点
一般为正金字塔形，有可能倒置
（2）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）意义
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。
五、生态金字塔
2.生物量金字塔：
思考：在什么情况下，生物量金字塔可能是上宽下窄倒置的金字塔形？
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。
五、生态金字塔
某海峡生物量金字塔
浮游动物
浮游植物
4
21
（干重 g/m2）
3.数量金字塔：
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
如果表示各个营养级的生物个体的数目比值关系，就形成数量金字塔。
（1）特点：
一般为正金字塔形，有时会出现倒金字塔形。
（2）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。
（3）意义：
直观的反映生态系统各营养级的生物个体的数目比值关系。
五、生态金字塔
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。
P57 旁栏思考：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？
五、生态金字塔
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
五、生态金字塔
1.甘蔗和大豆间种。
2.桑基鱼塘——桑叶养蚕，蚕蛹喂鱼，塘泥肥桑。
3.玉米田除虫。
4.草原合理确定载畜量：放的牲畜太少不能充分利用牧草提供的能量，放牧过多会造成草场退化，使得畜产品产量下降。
合作探究：请同学们自主阅读教材P58，小组合作思考下列做法的意义：
六、研究能量流动的实践意义P58
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—甘蔗和大豆间种
蔬菜大棚中多层育苗
稻—萍—蛙
六、研究能量流动的实践意义
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。实现了对能量的多级利用，从而大大提高能量的利用率。
用秸秆作饲料
粪便制作沼气
能量利用率≠能量传递效率
六、研究能量流动的实践意义
1.能量传递效率：
生态系统中，能量在相邻两个营养级间的传递效率是10％～20％
2.能量利用率：
一般指流入最高营养级的能量占生产者固定总能量的比值
特点：一般来说，食物链越短，能量利用率越高。
能量利用率=
生产者能量
流入最高营养级的能量
×100%
六、研究能量流动的实践意义
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，合理确定草场载畜量，麦田除草、除虫
六、研究能量流动的实践意义
牲畜过少，不能充分利用牧草所提供的能量；牲畜过多，就会造成草场退化，使畜产品的产量下降
稻田除草
稻田除虫
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%
课
堂小结
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 ( )
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
√
×
√
C
练习与应用
一、概念检测
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利用？为什么？
二、拓展应用
图a
图b
答案提示：（1）如图所示
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？
【答案提示】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。
二、拓展应用
谢 谢

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