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第2节 生态系统的能量流动
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1只母鸡、15kg玉米。
方案1
方案2
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。
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。
关键看为人提供的能量有多少
这些生物能量最初来自哪里？
请绘制两种生存策略的食物关系简图
玉米中能量的去路有哪些？
一、能量流动
1.概念
生态系统中能量的_______、_______、_______和_______的过程。
输入
传递
转化
散失
如何研究生态系统的能量流动呢？
能量的输入
能量的散失
生态系统
传递
转化
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
课本P54
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，如果以个体为研究，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。
如果以种群为研究对象，则可以概括成下图形式：
种群
能量储存
能量散失
能量输入
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。
科学方法：
研究能量流动的基本思路
将某营养级看做一个整体，可以更精确测量每个营养级的输入输出。
某一个营养级
能量储存
能量散失
能量输入
科学方法：
研究能量流动的基本思路
如果将一个营养级的所有种群作为一个研究整体，此时左图将概括为何种形式呢？
二、能量流动的过程
1.生态系统能量最初的主要来源？如何输入生态系统？
太阳能
1×1019KJ
2.照射到地面上的太阳能都被生产者吸收了吗？
3.输入一个生态系统的总能量是：
生产者
（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）
输入第一营养级的能量有哪些去路？如何传递到第二营养级
生产者所固定的全部太阳能
用于生长、
发育和繁殖
初级消费者
（植食性动物）
分解者利用
残枝 败叶
分解作用
散失
呼吸作用
散失
①流入第一营养级的能量：
生产者固定的太阳能
②生产者固定的太阳能=
①呼吸作用以热能形式散失
+
②用于生长、发育和繁殖
③用于生长、发育和繁殖=
流入下一营养级
+
分解者利用
思考：
1.能量流经第一营养级的过程
二、能量流动的过程
生产者固定
的太阳能
太阳能
绝大部分未被固定
（1）呼吸作用以热能形式散失
（2）用于自身生长、发育、繁殖
（储存于体内）
①流入下一营养级
②分解者利用
（同化量）
你能说出第一营养级能量“一来二去”，“一来三去”吗？
二、能量流动的过程
1.能量流经第一营养级的过程
输入第一营养级的能量有哪些去路？如何传递到第二营养级
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。
粪便量
摄入量
同化量
经消化吸收得到的能量
来源于所摄食玉米的同化量
2.能量流经第二营养级的过程
思考：①流入第二营养级的总能量？
初级消费者
摄入
初级消费者
同化
分
解
者
利
用
粪便
(1)鸡把玉米吃进肚子里（摄入），玉米中的能量全都被鸡吸收（同化）了吗?
(2)鸡吸收的能量以何种形式储存？有哪些去向?
只能消化吸收其中的一小部分，其余的随粪便排出体外。
摄入量：是动物吃进去的食物中所含的能量
同化量：是指动物经过消化和吸收后转化为自身的能量
有机物中的化学能
粪便量
摄入量
同化量
经消化吸收得到的能量
来源于所摄食玉米的同化量
思考：①流入第二营养级的总能量？
同化量=摄入量-粪便量
初级消费者
摄入
②用于生长
发育和繁殖
①呼吸作用
散失
遗体
残骸
初级消费者
同化
分解者利用
粪便
呼吸作用
散失
（热能）
次级消费者
摄入
…
未利用
同化量=摄入量-粪便量
这样，生产者的能量就流入_____营养级
第三
2.能量流经第二营养级的过程
属于上一营养级的同化量
流经第二营养级的总能量
能量流经第三、四营养级的过程与第二营养级的情况大致相同
教材55页
思考：这一能量去向是否适用于所有的营养级？
不适用于最高营养级
某营养级同化量
呼吸作用以热能形式散失
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
(最高营养级除外)
某营养级同化的能量去向总结
最高营养级没有流入下一营养级的能量去向
比较分别流入第一、第二营养级的能量的去路，归纳二者的共同点。
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和丧失：
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
4 生态系统中的能量流动，可概括为如图所示：
能量流动的起点：
生产者固定的太阳能
太阳能
思考：
每个箭头及箭头的方向大小、长方形方块的大小代表什么含义？
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。
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
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
概念：生态系统中能量的 、 、 和 的过程。
输入
传递
转化
散失
D
　实战训练　
例.如图表示能量流经该生态系统某一营养级的变化示意图，其中a～g表示能量值。若图中A表示某食物网中第二营养级所摄入的全部能量，则下列说法不正确的是(　　)
A．图中B表示同化的能量
B．图中C表示流入下一营养级的能量
C．图中D表示通过呼吸作用散失的能量
D．图中a值与c＋d＋e的值相同
Raymond Lindeman
美国生态学家 林德曼（1915-1942）
赛达伯格湖—定量分析
结构简单，边界明确，封闭性强，便于计算能量的输入输出。
三、能量流动的特点
为了研究能量流经生态系统的食物链时，每一级的能量变化和能量转移效率，美国生态学家林德曼对一个结构相对简单的天然湖泊—赛达伯格湖的能量进行了定量分析。
Raymond Lindeman
赛达伯格湖
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
分析赛达伯格湖的能量流动
思考·讨论
三、能量流动的特点
课本P56
未利用：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。（定时定量分析）
{00A15C55-8517-42AA-B614-E9B94910E393}
流入
呼吸作用
分解者利用
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
用表格的形式，将图中的数据进行整理。
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。
分析赛达伯格胡的能量流动
思考·讨论
三、能量流动的特点
课本P56
{00A15C55-8517-42AA-B614-E9B94910E393}
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
20.06%
13.52%
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%
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？
分析赛达伯格胡的能量流动
思考·讨论
三、能量流动的特点
课本P56
{00A15C55-8517-42AA-B614-E9B94910E393}
流入
呼吸作用
分解者利用
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
20.06%
13.52%
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？
分析赛达伯格胡的能量流动
思考·讨论
三、能量流动的特点
课本P56
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（无法100%被采食）；
一部分被分解者分解。
讨论4.通过以上分析，你能总结出什么规律？
①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
②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
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？
分析赛达伯格胡的能量流动
思考·讨论
三、能量流动的特点
课本P56
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。
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
课本P56
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
四、生态金字塔
包括能量金字塔、数量金字塔和生物量金字塔。
营养级
能量
低
高
低
高
能量金字塔
1.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的次序排列，可形成一个金字塔图形，叫做
能量金字塔。
第一营养级
第二营养级
第三营养级
第四营养级
特点：
上窄下宽的金字塔形
能量逐级递减
原因：
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。
直观地反映出生态系统各营养级间能量的关系。
（1）意义：
2.如果用表示能量金字塔的方法表示各个营养级的生物量（每个营养级所容纳的有机物的总干重）之间的关系，就形成生物量金字塔。
生物量金字塔
干重g/m2
10
100
1000
一般营养级越高，有机物干重越低
（1）意义：
（2）特点：
一般为正金字塔形，有可能倒置
直观地反映生态系统各营养级所容纳的有机物的总干重的关系。
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？(p58旁栏思考）
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（用质量来表示）可能低于浮游动物的生物量。
2.生物量金字塔：
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
（1）意义：
一般为正金字塔形，有时会出现倒金字塔形。
（2）特点：
如果消费者个体小而生产者个体大，则会呈现倒置金字塔。
3.数量金字塔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：
表明每个营养级中生物个体的数量。
{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
生态金字塔比较
五、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。
有哪些措施能增加流入农田生态系统的总能量？
间作套种等立体农业
甘蔗和大豆间种
冬小麦夏玉米套种
蔬菜大棚中的多层育苗
稻-萍-蛙立体农业生产
充分利用了空间和资源，获得更大的收益
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。
实现能量多级利用，从而大大提高能量的利用率
（注意：不能提高传递效率）
粪便制作沼气
用秸秆作饲料
（ 能量利用率≠能量传递效率）
2.提高能量利用率
帮助人们合理地 ，使能量持续高效地流向对_____________的部分。
调整生态系统中的能量流动关系
人类最有益
合理确定草场的载畜量,保持畜产品持续高产
稻田除草、除虫
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。
3.调整能量流动关系
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。
生态系统的能量流动
概念：
生态系统中能量的输入、传递、转化和散失的过程
过程
特点
单向流动：
逐级递减：
沿食物链方向由低营养级流向下一营养级
生态金字塔：
能量沿食物链流动过程中逐级递减；传递效率10%~20%。
研究意义
1.增大流入生态系统的总能量；
2.实现对能量的多级利用，提高能量的利用率；
3.调整生态系统中的能量流动关系，使能量持续高效的流向对人类最有益的部分。
课堂小结
输入生态系统的总能量：
生产者固定的太阳能
能量传递的形式与途径：
能量转化过程：
呼吸作用以热能形式散失
有机物中的化学能；食物链和食物网
能量散失的途径和形式：
太阳能 有机物中化学能 热能
能量金字塔；生物量金字塔；数量金字塔

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 ????????% ，最高效率为 ????????% 。
?
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。
关于能量流动计算规律总结
1.正推类型：
A B C D
解题思路：至少按最小效率（10%）计算
最多按最大效率（20%）计算
若A总重1000KG体重，至少（或最多）能使D增重多少千克？
2.逆推类型：
A B C D
解题思路：至少按最大效率（20%）计算
最多按最小效率（10%）计算
若D增重10KG，至少（或最多）消耗A多少千克？
【归纳提升】　有关能量流动的极值计算
在解决有关能量传递的计算问题时，首先要确定食物链。
(1)设食物链A→B→C→D，分情况讨论：
已知
问题
思路求解
D营养级
净增重M
至少需要A营养级多少
N×(20%)3＝M
最多需要A营养级多少
N×(10%)3＝M
A营养级
净增重N
D营养级最多增重多少
N×(20%)3＝M
D营养级至少增重多少
N×(10%)3＝M
(2)在某一食物网中，一个消费者往往同时占有多条食物链，当该消费者增加了某一值时：
若要计算最少消耗生产者多少时，应选最短的食物链和最大传递效率20%进行计算，这样消费者获得的能量最多；
若要计算最多消耗生产者多少时，应选最长的食物链和最小传递效率10%进行计算，这样消费者获得的能量最少。
【例】下图是一个食物网，假如鹰要增加20 g体重，至少需要消耗
植物（ ）


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

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