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(共66张PPT)
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1课时 能量流动的过程和特点
导入新课（导入一）
19世纪中叶，物理学家经过大量的科学实验，提出了热力学第一定律:热量可以从一个物体传递到另一个物体，也可以与其他能量相互转换，但是在转换过程中，能量的总值保持不变。生态系统中能量的传递和转化,同样遵循这一定律。
导入新课（导入一）
生物个体的生命活动无时无刻不在消耗着能量,生态系统的维持和发展也离不开能量的供应。能量的输入和有序传递是生态系统的重要功能,也是维持生态系统正常运行的基础。生态系统的能量是怎样沿着食物链或食物网流动的 能量在流动过程中有什么规律可循
导入新课（导入二）
“西塞山前白鹭飞,桃花流水鳜鱼肥”为我们描绘了太湖流域水乡的生态美景。白鹭和鳜鱼都是以小鱼和虾米为食的食肉动物,如果要维持一定数量的白鹭和鳜鱼,需要多少以小鱼和虾米为代表的初级消费者 滋养这些小鱼和虾米,又需要多少以硅藻和绿藻为代表的生产者
在研究太湖等水域生态系统时,需要将太阳光、藻类、虾米、小鱼、鳜鱼等成分,以一种标准的形式进行量化,从而进行生态系统各组分间的比较和总体的归纳。
环节一：能量流动的研究方法
如果以个体为研究对象,能量流经一个种群的情况如图所示。
环节一：能量流动的研究方法
以种群为研究对象研究能量流动的情况,并画出示意图。
环节一：能量流动的研究方法
某草原生态系统的食物网的三个营养级:
环节一：能量流动的研究方法
将一个营养级的所有种群作为一个整体,可以比较精确地测量每一个营养级能量的输入值和输出值(如图)。
1.分析每一个营养级的能量来源和去向
环节二：能量流动的过程（思路一）
资料 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6 000kg。通过对玉米植株的化学成分进行分析,计算出其中共含碳2 675 kg。
(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2 045 kg。
(3)1 kg葡萄糖储存1.6×104 kJ能量。
(4)在整个生长季节,输入到这块玉米田的太阳能总量为8.5×109 kJ。
6687.5 kg,1.07×108 kJ。
环节二：能量流动的过程（思路一）
①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
②这些玉米呼吸作用消耗的能量是多少
③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 (保留小数点后两位)
④这块玉米田的太阳能利用效率是多少 (保留小数点后两位)
3.272×107 kJ。
1.3972×108 kJ,23.42%。
1.64%。
环节二：能量流动的过程（思路一）
据计算结果,画出能量流经该玉米种群的图解,图解中标明各环节能量利用和散失的比例。
环节二：能量流动的过程（思路一）
根据已有经验分析玉米种群的其他能量流向,添加到图解中。
环节二：能量流动的过程（思路一）
在流经玉米种群的能量模型基础上,建构能量流经第一营养级的概念模型。
环节二：能量流动的过程（思路一）
尝试建构能量流经第二营养级(初级消费者)的模型。
环节二：能量流动的过程（思路一）
简化模型。
2.构建生态系统能量流动模型
环节二：能量流动的过程（思路一）
用方框和箭头建构生态系统能量流动的模型。
归纳生态系统能量的输入、传递、转化和散失的过程。
环节二：能量流动的过程（思路一）
(1)输入总量:生产者固定的太阳能。
(2)传递
①形式:有机物中的化学能。
②途径:食物链、食物网。
(3)转化:太阳能→有机物中的化学能→热能。
(4)散失:有机物中的化学能通过呼吸作用以热能的形式散失。
3.分析能量流动过程模型
环节二：能量流动的过程（思路一）
环节二：能量流动的过程（思路一）
(1)每个箭头的大小、菱形方块的大小代表能量的多少。方块从大到小表示随着营养级的升高,储存在生物体内的能量越来越少。箭头由粗到细表示流入下一营养级的能量逐级减少。
(2)初级消费者粪便中的能量属于箭头⑤的部分。次级消费者粪便中的能量属于箭头④的部分。
(3)每一营养级输入的能量等于输出的能量,如初级消费者输入的能量(同化量)①=③+④+②。
4.生态系统能量流动模型的种类
环节二：能量流动的过程（思路一）
(1)解读能量流动过程的“一来二去”模型
环节二：能量流动的过程（思路一）
(2)解读能量流动过程的“一来三去”模型
环节二：能量流动的过程（思路二）
假如你流落到荒岛上,那里除了可饮用的水,几乎没有任何食物。你身边只有一只母鸡、15 kg玉米。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
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。
人通过食物获得能量,获得的能量越多,维持存活的时间就越久。从能量传递的角度考虑,你选择哪个策略呢
环节二：能量流动的过程（思路二）
任务1 以“玉米→鸡→人”这一食物链为例,分析其中玉米、鸡和人的能量来源和去向(用箭头表示能量流动的方向,在箭头上标注有关的生理过程)。
玉米的同化量=玉米光合作用固定的太阳能。
环节二：能量流动的过程（思路二）
母鸡的能量来自哪里 这些能量都被母鸡吸收了吗 母鸡吸收能量后,以何种形式储存 有哪些去向
母鸡的同化量=母鸡的摄入量－粪便量。
环节二：能量流动的过程（思路二）
人是最高营养级,能量的去路包括呼吸作用和自身生长、发育、繁殖,没有流入下一营养级。
环节二：能量流动的过程（思路二）
任务2 综合分析“玉米→鸡→人”食物链的能量来源与去向,建构该食物链的能量流动模型。
环节二：能量流动的过程（思路二）
对于地球上绝大多数的生态系统来说,太阳能是生态系统中能量的源头。每天都有大量的太阳能输送到地球,其中只有约1%的能量通过绿色植物的光合作用转化为化学能,固定在植物所合成的有机物中,这样太阳能就输入到了生态系统的第一营养级,生产者固定的太阳能总量就是流经这个生态系统的总能量。消费者和分解者直接或间接从生产者中获取能量,储存于有机物中的化学能沿着食物链的各个营养级依次传递。
环节二：能量流动的过程（思路二）
环节二：能量流动的过程（思路二）
任务3 建构、完善生态系统能量流动过程的模型,在方框内填写合适的文字。
环节二：能量流动的过程（思路二）
(1)模型图中,方框及其大小、箭头方向及大小分别有什么含义
(2)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
(3)若模型图中箭头上方的字母代表能量值,则据图可推算出生产者、初级消费者、次级消费者的同化量分别为多少
(4)流入某一营养级的能量,为什么不会百分之百地流入下一营养级
环节二：能量流动的过程（思路二）
模型图中,方框及其大小代表该营养级同化量的多少,箭头方向即为能量流动的方向,箭头大小代表输入或输出的能量的多少。生态系统中的能量遵循能量守恒定律。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。建构能量守恒定律模型中每一营养级能量的输入值与输出值相等,即生产者的同化量a=b+e+i,初级消费者的同化量b=c+f+j,次级消费者的同化量c=d+g+k。流入某一营养级的能量只有一部分流入下一营养级,因为其中一部分被分解者利用,一部分以热能的形式散失。
环节二：能量流动的过程（思路二）
生态系统能量流动的概念:
生态系统中能量的输入、传递、转化和散失的过程,称为生态系统的能量流动。
由于每一营养级和分解者都在呼吸作用中以热能的形式散失掉一部分能量,因此策略1能让人获得更多的能量,可以维持更长的时间来等待救援。
环节二：能量流动的过程（思路二）
如图是能量流入第二营养级后的去向,据图回答有关问题:
环节二：能量流动的过程（思路二）
(1)初级消费者摄入的能量是其同化量吗 它们之间存在什么关系
(2)初级消费者粪便中的能量是其同化量的一部分吗 为什么
(3)第二营养级的摄入量(a)、同化量(b)及净同化量(e)分别如何计算(用图中字母的表达式表示)
环节二：能量流动的过程（思路二）
提示:
(1)初级消费者摄入的能量不等于其同化量。它们之间的关系:同化量=摄入量－粪便量。
(2)不是。初级消费者粪便中的能量不属于其同化的能量,而是属于生产者所同化的能量。
(3)摄入量(a)=b+c;同化量(b)=a－c=d+e=d+i+f;净同化量(e)=b－d=i+f。
环节三：能量流动的特点（思路一）
环节三：能量流动的特点（思路一）
图中数字为能量数值,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。
环节三：能量流动的特点（思路一）
据图分析:
(1)图中生产者 (填“能”或“不能”)捕食肉食性动物来完成能量的循环。
(2)呼吸作用散失的能量 (填“能”或“不能”)再被生产者利用来合成有机物。
环节三：能量流动的特点（思路一）
生物之间捕食与被捕食的关系是一定的,能量只能由第一营养级依次流向各个营养级,而不能逆向传递。输入到生态系统的总能量最终都转化为热能散失,不能被生态系统再次利用,即生物群落中的能量流动是单向的。
环节三：能量流动的特点（思路一）
相邻两个营养级间的传递效率只有10%~20%。
能量流动的特点:单向流动,逐级递减。
环节三：能量流动的特点（思路一）
资料 1935年,英国生态学家坦斯利正式提出“生态系统”的概念。六年之后,美国的林德曼研究了赛达伯格湖的能量流动,在其博士论文中提出“十分之一定律”(即林德曼定律)。该项工作第一次以定量的方式描绘了生态系统,创新性地使用有机物质量或能量为统一标准研究各营养级间的联系,为生态学的快速发展注入了理论源泉。林德曼定律是指在生态系统的能量流动中,后一营养级获得的能量约为前一营养级能量的10%,其余约90% 的能量因呼吸作用或分解作用而散失。
环节三：能量流动的特点（思路一）
荒岛求生的故事中,假设鸡自身重1.5 kg,按最大传递效率20%计算,人的体重可以增加多少
环节三：能量流动的特点（思路一）
资料 科研人员对崇明东滩湿地能量流动状况进行了研究。他们测定了湿地一年的太阳辐射量,芦苇、藨草等植物的生物量,昆虫、蜘蛛、虾、蟹等主要消费者的生物量,以及以有机物碎屑形式流出系统的生物量。他们把采集的样品烘干,在仪器中分别测定它们包含的能量,研究获得的数据如表所示。其中,粗生产量是指生物合成的有机物总量,净生产量是指粗生产量减去生物在生产过程中呼吸消耗的有机物量。
环节三：能量流动的特点（思路一）
环节三：能量流动的特点（思路一）
讨论:
(1)到达崇明东滩地表的太阳能有多少比例被转化为植物的粗生产量和净生产量
(2)有多少能量被生产者以呼吸的形式散失 有多少能量被消费者以呼吸的形式散失
(3)有多少比例的植物净生产量以有机碎屑的形式离开湿地生态系统
(4)该研究仅涉及了湿地生态系统的陆地部分,请设计一个研究方案,估算崇明东滩湿地水域部分的能量流动过程。
环节三：能量流动的特点（思路一）
总结:
任何生态系统都需要不断得到来自系统外的能量以便维持其正常功能。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。
环节三：能量流动的特点（思路一）
课外任务:
根据生态系统能量流动的特点,完善你设计的生态瓶方案,比如生态瓶要放在有光的地方,同时要考虑光照是否会使生态瓶的温度发生剧烈改变,应该放在阳光直射的地方还是利用散射光。按照能量传递逐级递减的特点修正生态系统各营养级生物的大小和数量。
环节三：能量流动的特点（思路二）
资料 1957年美国生态学家奥德姆对佛罗里达州的银泉水域进行了能量流动定量分析。奥德姆选择银泉作为研究对象,是因为泉水生态系统边界清晰,整个生态系统封闭性较强,便于计算物质和能量的输入量和输出量,而且生态因素变化幅度较小,与周围环境物质和能量的交换量较小。奥德姆依据物种的主要食性,把生态系统中的每个物种归属于一个特定的营养级,然后测定和统计每一个营养级能量的输入和输出值,如表。
环节三：能量流动的特点（思路二）
环节三：能量流动的特点（思路二）
讨论:
1.生态系统能量流动的过程中,能量随着营养级的升高会出现什么样的变化
2.输入某个营养级的能量值,占上一个营养级同化的总能量的比值分别是多少
3.生态系统中的能量流动有什么特点
环节三：能量流动的特点（思路二）
为什么只有10%~20%的能量流入下一个营养级 其他能量流去哪里 为什么能量在生物群落中单向流动 银泉生态系统中第四营养级的生物数量很少,原因是什么
各营养级生物都会因呼吸作用而散失大部分能量,少部分能量会随残枝败叶、遗体流入分解者。各营养级中总有一部分能量未被下一营养级利用。食物链中各营养级顺序不能改变,这是长期自然选择的结果,所以能量流动不可逆。能量逐级递减,第四营养级获得的能量非常少,因此生物数量也非常少。
环节三：能量流动的特点（思路二）
用数学表达式建立关于GP、NP和R的数学模型。
GP=NP+R
GP－NP=R
NP=GP－R
环节三：能量流动的特点（思路二）
有一食物网如图所示。假如鹰的食物2/5来自兔子,2/5来自老鼠,其余来自蛇,那么鹰要增加20 g体重,最多消耗植物多少克
环节三：能量流动的特点（思路二）
能量流动的相关计算方法:
(1)在食物网中,能量传递效率不是以个体或种群为单位
的,而是以营养级为单位的,如对于食物网 ,由第一
营养级到第二营养级的能量传递效率是指B和 C同化的总能量占 A同化的总能量的10%~20%。
环节三：能量流动的特点（思路二）
能量流动的相关计算方法:
(2)求最高营养级获得能量的“最大值”或“最小值”
①在一条食物链中，若生产者（第一营养级）同化的能力为100%，那么第n营养级获得的能量最多为（20%）n－1，最少为（10%）n－1。
②在多条食物链中，最高营养级从不同
环节三：能量流动的特点（思路二）
能量流动的相关计算方法:
(2)求最高营养级获得能量的“最大值”或“最小值”
②在多条食物链中，最高营养级从不同渠道得到的能量比例不定，已知较低营养级生物的能量，求较高营养级生物获得的能量。
环节三：能量流动的特点（思路二）
(3)求最低营养级消耗量的“至少”或“最多”
①如一条食物链共有n个营养级,则第n营养级生物每增加1 kg体重:
环节三：能量流动的特点（思路二）
a.“至少”需要消耗的生产者的量:
b.“最多”需要消耗的生产者的量:
环节三：能量流动的特点（思路二）
②在多条食物链中,若已知较高营养级生物的能量,求所需较低营养级生物的能量:
环节三：能量流动的特点（思路二）
(4)关于“定值”的计算
在食物网中,某一营养级同时从上一个营养级的多种生物中按一定比例获取能量,则按 照单独的食物链进行计算后再合并。
核心总结
课堂练习
1.如图所示的食物网中，如果每个营养级能量传递效率均为20%，且下一营养级从上一营养级各种生物中获得的能量相等。虎要获得1 kJ能量,则需要消耗草的能量为 ( )
A.150 kJ B.125 kJ
C.100 kJ D.75 kJ
D
课堂练习
2.某地在建设池塘时，设计了如图所示的食物网，鲫鱼和鲢鱼生活在不同水层。下列关于该池塘生态系统的叙述，错误的是 ( )
A.鲫鱼既是初级消费者又是次级消费者
B.消耗等量藻类时，鳜鱼的生长量少于鲢鱼
C.通气可促进水体中生物残骸分解为无机物
D.藻类固定的能量小于流入次级消费者的能量
D
课堂练习
3.能量流动是生态系统的主要功能之一,它包括生态系统中能量的输入、传递、转化和散失四个环节。如图表示某生态系统能量流动模型,图中W1为输入该生态系统第一营养级的能量。下列叙述不正确的是 ( )
课堂练习
A.能量沿着食物链单向流动、逐级递减
B.生产者用于自身生长、发育和繁殖的能量为B1+C1+D1
C.第一营养级和第二营养级之间的能量传递效率为D2/D1×100%
D.第二营养级生物粪便中的能量属于C1

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