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第三节 生态系统中的能量单向递减流动
第三章 生态系统
学习目标
1.阐明初级生产量、次级生产量
2.分析能量流动的过程、特点和规律
3.说出能量金字塔的特点
小资料
能量守恒定律
能量守恒定律即热力学第一定律，是指“在自然界发生的所有现象中，能量既不能被消灭，也不能凭空产生，它只能以严格的当量比例由一种形式转变为另一种形式”。依据这个定律可知，一个体系的能量发生变化，环境的能量也必定发生相应的变化，如果体系的能量增加，环境的能量就要减少；反之亦然。对生态系统来说也是如此。
【思考】生态系统中的能量是如何流动的？具有哪些特点？
初级生产量是生态系统的基石
1
生态系统的能量流动包括能量输入、传递和散失的过程
2
目录
能量在生态系统中沿食物链单向流动、逐级递减
3
生态系统中的能量流动呈金字塔形
4
初级生产量是生态系统的基石
1.初级生产量
指绿色植物通过光合作用所固定的能量或所合成的有机物质，单位为 J/（m2·a） 或 g/（m2·a）
物质变化：无机物→有机物
能量变化：光能→化学能
6CO2+12H2O C6H12O6+6O2+6H2O
叶绿体
2.8×106J
（注：2.8×106J是指合成1mol葡萄糖所需能量）
初级生产量是生态系统的基石
2.净初级生产量
在初级生产量中，有一部分被植物的呼吸（R）所消耗，剩下的才用于植物的生长和繁殖，这就是净初级生产量（NP）
GP：总初级生产量（真正光合速率）
R：植物呼吸消耗量（呼吸速率）
NP：净初级生产量（表观光合速率）
3.总初级生产量
总初级生产量（GP）＝净初级生产量（NP）+呼吸消耗量（R）
GP=NP+R
初级生产量是生态系统的基石
4.生物量（干重）
净生产量在某一调查时刻前的积累量，单位：g/m2 或J/m2
5.总初级生产量（GP）、呼吸量（R）与生物量之间的关系
GP - R
NP
=
=0
<0
>0
生物量增加
生物量减少
生物量不变
初级生产量是生态系统的基石
（1）初级生产量的比较
陆地生态系统净初级生产量比较
热带雨林平均 2000g/（m2 a） > 温带常绿林> 落叶阔叶林> 北方针叶林> 草原> 荒漠
陆地生态系统的初级生产量具有垂直变化特征，森林中，不同生长型的初级生产量比较，乔木 > 灌木 > 草本植物
特点：生态系统结构越复杂，净初级生产量越高
影响因素：温度、雨量等
初级生产量是生态系统的基石
海洋生态系统的年净初级生产总量仅约为陆地的一半
【思考】海洋生态系统的年净初级生产量比陆地的少，原因可能有哪些？
生产者光合作用能力不同，藻类光合作用能力比陆地绿色植物弱
太阳光照射到海面，需要穿过水层才能达到生产者表面，光照强度减弱
植物的垂直结构复杂程度不同，海洋中藻类垂直结构比陆地简单，光能利用率低
初级生产量是生态系统的基石
演替中的群落
初级生产量还随群落的演替而逐渐增加
当群落演替到顶极时，群落的能量输入与输出、生产量和呼吸消耗量达到平衡
5.次级生产量
靠取食植物、其他动物和一切现成有机物而生产出来的有机物或固定的能量就称为次级生产量
6.次级生产者：凡是异养生物都属于次级生产者
初级生产量是生态系统的基石
7.次级生产量的生产过程
总初级生产量
净初级生产量
呼吸
初级生产量是生态系统的基石
总次级生产量 = 摄入量 - 粪便量
净次级生产量 = 总次级生产量 - 呼吸量
8.总次级生产量
被次级生产者所同化的总能量称为总次级生产量
生态系统的能量流动包括能量输入、传递和散失的过程
1.能量流动
在生态系统中，能量不断地沿着太阳→植物→植食动物→肉食动物→顶级肉食动物的方向流动，这就是生态系统的能量流动
（1）输入
源头：太阳能（地球上几乎所有的生态系统）
流经生态系统的总能量：生产者固定的太阳能总量
生理过程：光合作用
生态系统的能量流动包括能量输入、传递和散失的过程
（2）传递
渠道：食物链和食物网
形式：有机物中的化学能
（3）散失
形式：热能
过程：各营养级生物自身的呼吸作用和分解者的呼吸作用
生态系统的能量流动包括能量输入、传递和散失的过程
2.能量流经第一营养级示意图
呼吸作用
散失（热能）
用于生长
发育和繁殖
分解者利用
残枝 败叶
分解作用
散失
未利用
初级消费者
（植食性动物）
99%
散失
1%
固定（同化）
生态系统的能量流动包括能量输入、传递和散失的过程
3.能量流经第二营养级示意图
初级消费者
摄入
初级消费者
同化
粪便
分解者利用
用于生长
发育和繁殖
次级消费者
摄入
遗体
残骸
呼吸 作用
散失
呼吸
作用
散失
…
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
4.能量流经最高营养级的过程
最高营养级同化的能量去向：
呼吸作用中以热能的形式散失
以遗体残骸的形式被分解者利用
生态系统的能量流动包括能量输入、传递和散失的过程
最高营养级
摄入
最高营养级
同化
粪便
分解者利用
用于生长
发育和繁殖
遗体
残骸
呼吸作用
散失
呼吸作用
散失
最高营养级没有流入下一营养级的能量去向
生态系统的能量流动包括能量输入、传递和散失的过程
总结：生态系统的能量流动过程
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
能量在生态系统中沿食物链单向流动、逐级递减
能量在生态系统中沿食物链单向流动、逐级递减
分析赛达伯格湖的能量流动
单位（焦/厘米2 ·年）
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
464.6
62.8
12.6
62.8
12.6
13.5%
20.1%
林德曼效率 = ×100%
第（n+1）个营养级的同化量
第 n 个营养级的同化量
能量在生态系统中沿食物链单向流动、逐级递减
1.生态系统中能量流动是单向（流动）的
（1）生物之间的捕食关系不可逆转
（2）各营养级呼吸作用散失的热能无法再利用
2.能量在流动过程中逐级递减（能量传递效率为10%～20%）
（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
能量在生态系统中沿食物链单向流动、逐级递减
3.能量传递效率的计算
【例】如图为某农场的年能量流动示意图单位：103 kJ/(m2·y)，A、B、C、D共同构成生物群落。从第二营养级到第三营养级的能量传递效率是 。
林德曼效率 = ×100%
第（n+1）个营养级的同化量
第 n 个营养级的同化量
16.67%
3×103
（16＋2）×103
×100%
＝16.67%
能量在生态系统中沿食物链单向流动、逐级递减
在一个生态系统中，营养级越多，在能量流动过程中消耗的能量就越多。因此，生态系统中的能量流动一般不超过5个营养级
能量传递效率与能量利用效率的比较
传递效率=
上一营养级的同化量
下一营养级的同化量
×100%
能量利用率=
生产者能量
流入最高营养级的能量
×100%
食物链越短，能量利用率越高
能量在生态系统中沿食物链单向流动、逐级递减
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
（1）已知A营养级净增重N，
①D营养级最多增重多少
按20%计算。则为N ×（20%）3
（2）已知D营养级净增重M，
①至少需要A营养级多少
按20%计算。则为M ÷ （20%）3
②D营养级至少增重多少
按10%计算。则为N × (10%)3
②最多需要A营养级多少
按10%计算。则为M ÷ (10%)3
能量在生态系统中沿食物链单向流动、逐级递减
能量传递效率的计算：
（1）正推型（知低营养级，求高营养级）：
获能最少选 食物链 ；
获能最多选 食物链 。
（2）逆推型（知高营养级，求低营养级）：
需能最少选 食物链 ；
需能最多选 食物链 。
最长
最长
×10%
×20%
最短
最短
÷20%
÷10%
不涉及“最多”、“至少”，计算时，需按具体数值计算
生态系统中的能量流动呈金字塔形
1.特点
（1）能量的流动呈现下宽上窄的金字塔
（2）能量金字塔绝不会有倒置的
原因：能量在流动中总是逐级递减的
2.意义
直观地反映出生态系统各营养级间能量的关系
第一营养级
第二营养级
第三营养级
第四营养级
生态系统中的能量流动呈金字塔形
类型项目 能量金字塔 数量金字塔 生物量金字塔
特点 正金字塔 一般为正金字塔，有时会出现倒金字塔 一般为正金字塔有时会出现倒金字塔
象征意义 能量沿食物链流动过程中是逐级递减的 一般地，生物个体数目在食物链中随营养级升高而逐级递减 生物量沿食物链中随营养级升高而逐级递减
每一级含义 每一营养级生物所含能量的多少 每一营养级生物个体数目的多少 每一营养级生物有机物总量的多少
特殊形状 人工鱼塘生态系统 海洋生态系统中，生产者浮游植物个体小、寿命短，又会不断被浮游动物吃掉，因而某一时间浮游植物的生物量可能要低于其捕食者浮游动物
鸟
树
昆虫
人类将生态系统中的能量流动规律应用于农业生产
1.有利于帮助人类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有益的方向
例如：合理确定草场的载畜量，稻田除草、除虫等
生态系统中的能量流动呈金字塔形
2.在农业生态系统中，根据能量流动规律建立的人工生态系统，可使能量得到充分利用
如湖州桑基鱼塘的生态系统等
课堂小结
能量流动的特点
生态系统的能量单向递减流动
能量金字塔
生产量
次级生产量
初级生产量
单向流动，不可逆
逐级递减
特点
总初级生产量
净初级生产量
总次级生产量
净次级生产量
传递效率（10 % - 20 %）
1.某时刻某动物种群所有个体的有机物中的总能量为①，一段时后。此种群所有存活个体的有机物中的总能量为②，此种群在这段时间内通过呼吸作用散失的总能量为③，这段时间内死亡个体的有机物中的总能量为④。此种群在此期间无迁入迁出，无个体被捕食，估算这段时间内用于此种群生长、发育和繁殖的总能量时，应使用的表达式为( )
A.②-①+④ B.②-①+③ C.②-①-③+④ D.②-①+③+①
解析：由题意可知:①为初始总能量,②为后期存活个体的有机物中的能量,③为呼吸散失的能量,④为这段时间内死亡个体的有机物中的能量。根据生态学能量流动模型,某段时间内,动物种群用于生长、发育和繁殖等生命活动的总能量本质是种群净积累的能量,储存在动物体的有机物中。由于此种群在此期间无迁入迁出,无个体被捕食,则这段时间内用于此种群生长、发育和繁殖的总能量=一段时间后所有个体的有机物中的总能量(包括死亡个体)-初始总能量=(②+④)-①,A正确。
课堂小测
A
2.下图为某湖泊生态系统的生物关系(a~d示能量数值),下列各项叙述错误的是( )
A.流经该湖泊生态系统的总能量为a
B.图中d包含第二营养级所排粪便中的能量
C.生产者流向初级消费者的能量传递效率为b/a×100％
D.某有毒物质污染湖泊,次级消费者体内积累的有毒物质往往比生产者多
解析：流经该湖泊生态系统的总能量是生产者即第一营养级所固定的太阳能总量,其数值为a,A项正确;图中d表示第二营养级的遗体、残骸中的能量被分解者所利用,第二营养级所排粪便中的能量属于a能量中的一部分,因此不在d所包含的范围内,B项错误;生产者流向初级消费者的能量传递效率=第二营养级的同化量/第一营养级生物所固定的太阳能总量×100%=b/a×100%,C项正确;导致湖泊污染的某有毒物质会通过食物链的各个营养级在生物体内富集,因此次级消费者体内积累的有毒物质往往比生产者多,D项正确。
B
3.某人工湖生态系统中部分能量流动的过程如图所示，其中字母表示同化的能量值。下列叙述正确的是( )
A.冬季浮游植物生长缓慢，此时b大于a
B.c+e-d表示从甲种鱼流入分解者的能量
C.乙种鱼产生的粪便中的能量来自于d、f
D.甲种鱼到乙种鱼的能量传递效率为（d/c+e）×100%
解析：A、图中a表示浮游植物的同化量，b表示浮游动物的同化量。只要浮游植物能正常生长，b就小于a，A错误；B、c+e（表示甲种鱼的同化量）-d（表示甲种鱼流向乙种鱼的量）-甲呼吸作用消耗的量表示从甲种鱼流入分解者的能量，B错误；C、乙种鱼产生的粪便中的能量来自于c、e、f，c、e属于上一营养级的能量，C错误；D、甲种鱼到乙种鱼的能量传递效率为乙种鱼的来自甲种鱼的同化量/甲种鱼的同化量=d/（c+e）×100%，D正确。故选D。
D
Thanks
生活如诗，意境深远，绚丽多彩

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