学年高中生物苏教版必修三教学案第四章 第二节 第1课时 生态系统中的能量流动和物质循环 含答案.docx
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学年高中生物苏教版必修三教学案第四章第二节第1课时生态系统中的能量流动和物质循环含答案
第1课时 生态系统中的能量流动和物质循环
学习目标：
1.理解能量在生态系统中的流动过程，总结能量流动特点
2．概述研究能量流动的意义
3．分析生态系统中碳循环的特点
4．说明物质循环与能量流动的关系
[教材梳理]
一、生态系统中的能量流动
1．概念：
生态系统中能量的输入、传递和散失的过程。
2．过程
（1）能量来源：
太阳光能。
（2）总能量：
生产者固定的太阳能。
（3）途径：
食物链和食物网。
3．特点：
单向流动和逐级递减，由一个营养级传递到下一个营养级的能量平均为10%左右。
4．研究意义：
提高生态系统的能量转化效率，使能量流向对人类最有益的部分。
二、生态系统中的物质循环
1．物质循环的概念
生态系统的物质循环又称为生物地球化学循环，是指生态系统中，组成生物体的C、H、O、N、P、Ca等元素，不断往返于无机环境和生物群落之间。
2．物质循环与能量流动的关系
物质循环和能量流动紧密相连，物质循环的动力来自能量，而物质又是能量的载体。
3．水循环
水循环受到太阳能、大气环流等因素的影响，降水和蒸发是水循环过程中的主要环节，植物的蒸腾作用对水循环有重要的促进作用。
4．碳循环
（1）主要形式：
CO2。
（3）过程图解：
5．氮循环
大气中的氮主要以氮气的形式存在，只有通过固氮作用（生物固氮、工业固氮和光电固氮等）才能将游离的氮转变为可被植物吸收与利用的硝酸盐和氨等物质。
[牛刀小试]
1．判断下列说法的正误
（1）生态系统中的各个生物都需要能量，能量是维持生态系统稳态的动力。
（√）
（2）生态系统中的能量流动只包括能量的输入和散失过程。
（×）
（3）太阳辐射到地面的能量是流经生态系统的总能量。
（×）
（4）降水和蒸发是水循环过程的主要环节。
（√）
（5）碳循环主要依靠生产者的光合作用和分解者的分解作用。
（√）
（6）反硝化细菌可以把硝酸盐转化为氮返回大气。
（√）
（7）过多的氮磷流入水体，使藻类大量繁殖，有利于生态系统的稳态。
（×）
2．初级消费者体内的能量，其去路不包括（ ）
A．被次级消费者获得
B．被第二营养级的其他生物获得
C．通过自身呼吸作用消耗
D．被分解者通过呼吸作用散发到环境中去
解析：
选B 流经每一营养级的能量有三个去路：
①用于自身呼吸消耗；②被下一营养级同化；③被分解者分解以热能形式散失。
3．根据生态学原理，要使能量流经食物链的总消耗量降到最低，应采取下列哪种食物结构（ ）
A．以淡水养殖的鱼类为主
B．以家畜的肉类为主
C．以谷类和植物蛋白为主
D．以禽类的肉和蛋白质为主
解析：
选C 植物属于第一营养级，若以植物为食，其食物链最短，能量流经该食物链时总消耗量最低。
4．关于碳循环的叙述，错误的是（ ）
A．碳在无机环境与生物群落之间以CO2的形式进行循环
B．生态系统的各种成分都参与碳循环过程
C．大气中的CO2要变成含碳有机物只能通过绿色植物的光合作用
D．如果碳循环过程不能进行，生态系统将会被破坏
解析：
选C 硝化细菌等通过化能合成作用也能将大气中的CO2转变成含碳的有机物。
5．思考探究
（1）结合教材“赛达柏格湖的能量流动图解”思考讨论：
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？
提示：
初级消费者摄入的能量不等于其同化量，它们之间存在的关系是：
同化量＝摄入量－粪便量。
②初级消费者同化的能量会有哪些去向？
提示：
a.通过呼吸作用以热能形式散失；b.流入下一营养级；c.被分解者分解利用。
③初级消费者粪便中的能量是指其流向分解者的吗？
为什么？
提示：
不是，初级消费者粪便中的能量不属于其同化的能量，是指生产者流向分解者的其中一部分。
（2）结合教材“赛达柏格湖的能量流动图解”计算能量流动在植食性动物与肉食性动物之间的传递效率是多少？
能总结计算公式吗？
提示：
能量传递效率＝
×100%，能量在植食性动物与肉食性动物之间的传递效率约为20%。
（3）从能量流动的特点分析，为什么一条食物链的营养级一般不超过五个？
提示：
能量通过四个左右的营养级，已减少到不足以维持下一个营养级的生命活动的程度，所以一条食物链中营养级一般不超过五个。
（4）CO2是以什么方式进入生物群落的，在生物群落中以什么形式传递？
提示：
CO2通过生产者的光合作用或化能合成作用进入生物群落，在生物群落中以含碳有机物形式传递。
（5）既然物质是循环的，为什么人们还不断向农田中施加氮肥？
提示：
物质在生物圈范围内是循环的。
农田中不断有粮食产出，所以要不断施加氮肥。
[重难突破]
一、能量流动的过程分析
1．过程图解
2．过程分析
过程
分析
输入
源头
主要为太阳能
输入总量
生产者固定的太阳能总量
传递
传递途径
食物链和食物网
传递形式
有机物中的化学能
各营养级能量的来源
①生产者的能量来自太阳能；
②流入到各级消费者的总能量是指各级消费者所同化的能量；
③分解者的能量来自生产者和消费者
能量
的分流
①被该营养级生物细胞呼吸分解消耗一部分；②进入下一个营养级的生物（最高营养级生物除外）；③动植物遗体、残枝落叶、粪便等被分解者分解利用
转化
在食物链、食物网传递中因物质变化而转化
二、能量流动的特点及有关计算
1．单向流动
（1）食物链中，相邻营养级生物的吃与被吃关系不可逆转，因此能量不能倒流，这是长期自然选择的结果。
（2）各营养级的能量总有一部分以细胞呼吸产生热能的形式散失掉，这些能量是无法再利用的。
2．逐级递减
（1）每个营养级的生物总有一部分能量不能被下一营养级利用。
（2）各个营养级的生物都会因细胞呼吸消耗相当大的一部分能量，供自身利用和以热能形式散失。
（3）各营养级中的能量都要有一部分流入分解者。
3．能量传递效率：
10%左右，即输入某一营养级的能量中，只有10%左右的能量流入到下一个营养级。
计算方法为：
能量传递效率＝
×100%。
[特别提醒]
（1）食物网中，能量传递效率是指某营养级流向各食物链下一营养级的总能量占该营养级的比例。
如BA―→C是指流向B、C的总能量占A所同化能量的10%左右。
（2）各营养级总生物量、活动取食范围、生物富集也存在相应的递变关系，不过生物富集是逐级递增的。
三、生态金字塔的类型及理解
不同的生态金字塔能形象地说明营养级与能量、生物量、数量之间的关系，是定量研究生态系统的直观体现。
类型
项目
能量金字塔
数量金字塔
生物量金字塔
形状
特点
正金字塔形
一般为正金字塔形，有时会出现倒金字塔形
一般为正金字塔形
象征含义
能量沿食物链流动过程中具有逐级递减的特性
生物个体数量在食物链中随营养级升高而逐级递减
生物量（现存生物有机物的总量）沿食物链流动逐级递减
每一阶含义
食物链中每一营养级生物所含能量的多少
每一营养级生物个体的数量
每一营养级生物的总生物量
[特别提醒]
（1）根据能量流动的递减性原则，在建立与人类相关的食物链时，应尽量缩短食物链。
（2）能量金字塔的形状永远是正金字塔形，数量金字塔有可能倒置。
四、物质循环——碳循环的相关分析
1．物质循环的实例——碳循环
（1）由甲图可知：
①大气中的碳元素进入生物群落，是通过植物的光合作用或化能合成作用。
②碳在生物群落和无机环境之间循环是以CO2的形式进行的。
碳元素在生物群落中的传递，主要靠食物链和食物网，传递形式为有机物。
③大气中CO2的来源有三个：
一是分解者的分解作用；二是动植物的细胞呼吸；三是化学燃料的燃烧。
（2）由乙图可知：
①碳在无机环境与生物群落之间传递时，只有生产者与无机环境之间的传递是相互的，其他各成分之间的传递都是单向的。
②煤、石油、天然气等化学燃料的燃烧，使大气中的CO2浓度增高，是形成“温室效应”的最主要原因。
2．碳循环平衡的破坏——温室效应
（1）导致温室效应的原因：
①化学燃料的大量燃烧，在短时间内使大气中CO2的浓度升高。
②森林、草原等植被大面积的破坏，大大降低了植物对大气中CO2的调节能力。
（2）防止或减缓温室效应的主要措施：
①改善能源结构，开发新能源（核能、水能等），尽量减少煤炭的燃烧量（减少CO2的来源）。
②大力推行植树造林活动（增加CO2的去路）。
五、生态系统能量流动与物质循环的比较
项目
能量流动
物质循环
形式
以有机物为载体
主要以无机物为载体
过程
沿食物链（网）单向流动
在无机环境与生物群落之间反复循环
范围
生态系统各营养级
生物圈
特点
单向流动、逐级递减
具全球性，反复利用、循环往复
联系
①能量的固定、储存、转移、释放离不开物质的合成和分解等过程，两者同时进行、相互依存、不可分割
②能量流动和物质循环都借助食物链和食物网进行
③物质是能量沿食物链（网）流动的载体
④能量是物质在生态系统中反复循环的动力
[考向聚焦]
[例1] 如图A表示某生态系统的能量金字塔图，P为生产者，Q1为初级消费者，Q2为次级消费者。
对图A中的各营养级所含有的能量进行分类剖析如图B。
（注：
图B中a、a1、a2表示上一年留下来的能量，e、e1、e2表示呼吸消耗量）其中分析不正确的是（ ）
A．b＋c＋d＋e为本年度流入该生态系统的总能量
B．初级消费者产生的粪便中所含的能量包含在c中
C．b和d之一，可代表生产者传递给分解者的能量
D．c1表示初级消费者所含能量中被次级消费者所同化的量
[解析] 图A表示能量金字塔，P、Q1、Q2分别为第一、第二、第三营养级。
由图B及题干信息可知，植物光合作用固定的光能，即生产者的同化量，c、c1、c2表示流入下一营养级的能量。
每个营养级的能量去路包括四项：
（1）自身呼吸作用消耗（题中已知为e、e1、e2）；
（2）被下一营养级利用（c1、c2等）；（3）被分解者利用（b和d之一）；（4）未利用（b和d之一）。
A项：
生产者当年的同化量即为流入该生态系统的总能量，即b＋c＋d＋e。
“初级消费者产生的粪便”应为生产者同化的能量中被分解者利用的部分，即b或d部分。
[答案] B
（1）不定时分析，流入某一营养级的能量在足够长的时间内的去路可能有3条，即自身呼吸消耗、流入下一营养级和被分解者分解利用。
（2）定时分析，流入某一营养级的能量在一定时间内的去路可能有4条，除了上面的三条外，还有一条是既未被自身呼吸消耗，也未被下一营养级和分解者利用，即“未利用”部分。
如果是以年为单位研究，其中“未利用”部分的能量将保留到下一年。
[例2] 如图表示某水域生态系统的能量金字塔和碳循环示意图，请回答：
（1）A、B、C、D分别代表____________、____________、____________、____________。
（2）从甲、乙两图中反映出能量流动和物质循环的特点分别为___________和_________。
（3）图甲中的能量传递效率约为______________。
（4）图乙中A、E之间的箭头分别表示____________作用和____________作用。
（5）图乙中反映出物质循环发生在____________和____________之间，反复循环。
（6）能量流动是物质循环的______________，能量流动又离不开物质的________________与__________________。
（7）由于化学燃料的大量燃烧，造成图乙中____（填字母）中的______气体含量大幅度上升，引起____________。
[解析] 结合两图判断，A、B、C分别是第一、第二、第三营养级，D为分解者，E为非生物的物质和能量。
能量传递效率，A→B为10.28%，B→C为19.96%，所以从总体看，能量传递效率约为10%～20%。
图乙中的双箭头为生产者与大气中的CO2之间的光合作用与呼吸作用。
化学燃料的大量燃烧会造成E中的CO2含量升高，引起温室效应。
[答案]
（1）生产者 初级消费者 次级消费者 分解者
（2）单向流动、逐级递减 循环性 （3）10%～20% （4）光合 呼吸 （5）生物群落 无机环境 （6）动力 合成 分解 （7）E CO2 温室效应
碳循环图解的分析方法
生态系统的碳循环图解
（1）图中具有双向箭头的是A和E，一个为生产者，一个是大气中的CO2库。
因为其他各个成分都有箭头指向A，所以A为大气中的CO2库，E为生产者。
（2）观察剩余的几个成分，因为其他生物部分的箭头都指向C，所以C是分解者，剩余的B、D、F则为消费者。
（3）整个图解中，食物链是E→F→D→B。
[网络构建]
填充：
①生产者固定的能量 ②食物链（网） ③热能
④单向流动 ⑤逐级递减 ⑥全球性
⑦循环往复 ⑧生物群落 ⑨生物圈
[关键语句]
1．能量流动包括能量的输入、传递（包括转化）和散失的过程。
2．能量流动的起点是生产者固定的太阳能，流经生态系统的总能量是生产者固定的全部太阳能。
3．能量流动的特点是单向流动、逐级递减，能量的传递效率大约是10%。
4．物质循环指组成生物体的C、H、O、N、P、Ca等元素，不断进行着从无机环境到生物群落，再回到无机环境的循环。
5．能量是物质循环的动力，物质是能量流动的载体。
1．下列关于碳循环的叙述中正确的是（ ）
①全过程在生物群落中进行
②碳元素只能通过光合作用进入生物群落
③生物群落的碳元素可以通过细胞呼吸回归无机环境
④其循环过程中伴随着能量的转换
A．①② B．③④ C．①③ D．②④
解析：
选B 碳循环是在无机环境和生物群落之间进行的。
碳元素可以通过光合作用和化能合成作用进入生物群落。
2．清除田间杂草和鱼塘中肉食性的“黑鱼”，用生态学观点分析，其目的是（ ）
A．调整能量在生态系统中的流动方向
B．使物质和能量尽快地流动
C．保持生态平衡
D．保持生物群落的单一性
解析：
选A 清除田间杂草和鱼塘中肉食性的“黑鱼”是通过调整能量的流动方向，使更多的能量流向农作物和积累在其他鱼体内，即流向对人类最有益的部分。
3．有关生态系统能量流动和物质循环的叙述不正确的是（ ）
A．能量流动和物质循环是生态系统的两个主要功能
B．能量流动和物质循环是沿着食物链（网）进行的
C．能量流动和物质循环密切联系、相互依存
D．能量流动是伴随着物质循环而循环的
解析：
选D 在生态系统中，能量流动和物质循环都是沿食物链和食物网进行的，二者紧密联系在一起。
能量的固定、储存、转移和释放离不开物质的合成和分解等过程，物质的循环利用离不开能量的推动，但能量流动是单向的、不循环的。
4．如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分别代表三个营养级，数字均为实际测得的能量数，单位为百万千焦。
已知该生态系统受到的太阳辐射能为118872百万千焦。
但其中118761百万千焦的能量未被利用。
请回答：
（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率为______%，从第二营养级到第三营养级的转化率为____________%。
（3）二级消费者通过异化作用消耗的能量占其同化作用所得到能量的百分比为________。
（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其次是上一个营养级的部分能量____________________________________________；
③还有部分能量被______________________________________________________利用。
解析：
从图中A、B、C三者关系分别得出：
A是第一营养级（生产者）；B是第二营养级（一级消费者），C是第三营养级（二级消费者）。
现根据图中数据解答如下：
（1）流经生态系统的总能量为：
118872百万千焦（太阳辐射能量）－118761百万千焦（未被群落固定能量）＝111百万千焦，这是生产者进行光合作用所固定的能量；
（2）从A到B能量的转化率为15/111＝13.5%，从B到C能量的转化率为3/15＝20%；（3）C异化作用消耗的能量占其同化作用所得到能量的百分比为1.8/3＝60%。
答案：
（1）111 生产者
（2）13.5 20 （3）60% （4）①呼吸作用消耗 ②未被下一个营养级利用③分解者
（时间：
30分钟；满分：
50分）
一、选择题（每小题2分，共20分）
1．如图为生态系统能量流动的部分图解，①代表一定的能量值。
下列相关叙述中，正确的是（ ）
A．生态系统的能量流动是循环进行的
B．能量在沿食物链流动时逐级递减
C．次级消费者属于第二营养级
D．图中①代表呼吸作用所消耗的能量
解析：
选B 生态系统的能量流动是单向的、逐级递减的；次级消费者属于第三营养级；图中①代表流向分解者的能量。
2．研究人员对某淡水湖泊生态系统进行了各项调查研究，通过调查，绘制出如图所示能量关系。
根据图示下列说法错误的是（ ）
A．该调查共涉及了四个营养级
B．第一和第二营养级间的能量传递效率远低于10%
C．该生态系统的主要生产者浮游植物的生命周期短，死亡后沉入水底，其中的能量被湖中分解者利用
D．根据图中的数据，该湖泊泥土中有机物的总量变化趋势是增加
解析：
选A 从图示看出，该调查共涉及了生产者、一级消费者和二级消费者三个营养级。
湖泊生态系统的生产者浮游植物的生命周期短，死亡后沉入水底，其中的能量被湖中分解者利用，导致第一和第二营养级间的能量传递效率远低于10%；因此，结合图中的数据，该湖泊泥土中有机物的总量变化趋势是增加。
3．如图食物网中，假如猫头鹰的食物有2/5来自兔，2/5来自鼠，1/5来自蛇，能量传递按10%计算，那么，猫头鹰若要增加5g体重需要消耗的植物是（ ）
A．900g B．1400g
C．1200gD．1600g
鼠
解析：
选B
猫头鹰食物网中，猫头鹰属第三营养级，可把此食物链
兔
简化为一条，即植物―→兔（鼠）
猫头鹰，则消耗植物5×4/5÷10%÷10%＝400g；另一条食物链中猫头鹰为第四营养级，则消耗植物为5×1/5÷10%÷10%÷10%＝1000g，所以总共消耗植物1400g。
4．以下表示动物利用食物的过程
正确的分析是（ ）
A．恒温动物的④/③值一般高于变温动物
B．哺乳动物的③/①值一般为10%～20%
C．提高圈养动物生长量一般需提高③/②值
D．食肉哺乳动物的③/②值一般低于食草哺乳动物
解析：
选C 恒温动物需要消耗更多的能量维持体温，所以有机物质积累量（④）较少，其④/③值一般低于变温动物。
哺乳动物与其食物之间的能量传递效率应为：
③/（①＋未获取量）。
食肉动物与食草动物的③/②值大小无法比较。
③/②值越高，说明有更多的食入量转变成饲养动物的同化量，有利于提高动物的生长量。
5．如图为某一生态系统的能量金字塔，其中Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ分别代表不同的营养级，E1、E2代表能量的形式。
下列叙述正确的是（ ）
A．Ⅰ是一级消费者
B．Ⅳ为分解者
C．E1为太阳能，E2为热能
D．能量可在食物链中循环利用
解析：
选C 能量金字塔反映食物链中各营养级所拥有能量值的大小。
能量金字塔的最底层为第一营养级即生产者，Ⅳ为本金字塔中最高营养级而非分解者。
非生物的物质和能量中太阳能被生产者经光合作用固定而进入生物群落，最终被各营养级生物的呼吸作用以热能的形式散失到无机环境。
6．如图表示生物圈中碳元素的循环过程，下列有关叙述正确的是（ ）
A．③过程代表绿色植物的光合作用
B．图中A、B分别代表消费者和生产者
C．温室效应主要是由⑦过程造成的
D．农业生产中的中耕松土可以增大⑤过程
解析：
选C 从图可知，A为分解者，B为生产者，C为消费者。
③⑤⑧代表各种生物的呼吸作用，④代表生产者的光合作用，⑦代表化石燃料的燃烧。
由于现代工业的发展，大量的化石燃料燃烧，释放大量的CO2到大气中，打破了大气中CO2的平衡，导致温室效应。
7．如图为某生态系统中能量传递示意图，以下叙述不正确的是（ ）
A．能量流动是从甲固定的太阳能开始的，流入该生态系统的总能量为1250kJ
B．从乙到丙的能量传递效率为15%
C．将乙和丙的粪便作为有机肥还田，可以提高能量传递效率
D．食物链的营养关系一般不可逆，这决定了能量流动的单向性
解析：
选C 能量流动从生产者固定的太阳能开始，流入该生态系统的总能量是生产者固定的太阳能＝175＋200＋875＝1250kJ；从乙到丙的能量传递效率为30÷200×100%＝15%；将乙和丙的粪便作为有机肥还田，为作物提供了无机盐，但不能提高能量传递效率；食物链的营养关系一般不可逆，这决定了能量流动的单向性。
8．如图为生态系统的物质循环模式图，f为生态系统中非生物的物质和能量，下列叙述中错误的是（ ）
A．若f表示的是CO2，则该图解表示生物圈的碳循环，且（a、b、c、d、e）→f过程都是存在的
B．c的同化量越大，流向d和e的能量就越少
C．图中的a生物一定是自养生物，b、c、d、e一定是异养生物
D．图中的b不一定是原核生物
解析：
选B c为第二营养级，d、e分别为第三、四营养级，c的同化量越大，流向d和e的能量就越多。
9．如图是自然界碳循环的简图，图中的甲、乙、丙各代表（ ）
A．甲为生产者，乙为分解者，丙为消费者
B．甲为消费者，乙为分解者，丙为生产者
C．甲为分解者，乙为生产者，丙为消费者
D．甲为生产者，乙为消费者，丙为分解者
解析：
选A 碳在生物群落内部以含碳有机物形式进行传递，在生物群落与无机环境之间则以CO2形式进行循环。
无机环境中的碳进入哪一营养级，哪一营养级即是生产者，而生产者、消费者均指向的那一营养级应为分解者，且分解者、生产者、消费者均有指向无机环境的箭头（即它们靠细胞呼吸产生CO2）。
10．如图为某生态系统的部分物质循环简图，其中M表示非生物的物质和能量。
相关叙述正确的是（ ）
A．若M表示大气中的CO2，则碳元素在图中④过程中是以有机物形式传递的
B．从图中我们可以看出能量伴随着物质循环而循环
C．若M表示大气中的CO2，则碳元素可在生物群落中反复循环利用
D．若M表示无机环境中的能量，则①的能量值为②与③对应的能量值之和
解析：
选A 碳元素在生物群落中是以含碳有机物的形式传递的；能量在生态系统中沿食物链单向流动，而不能循环利用；碳元素是在无机环境和生物群落之间反复循环利用的，而不是在生物群落的内部；①代表的是生态系统中固定的总能量，它不仅包括②③，还包括消费者通过呼吸作用散失到无机环境中的能量以及用于生物群落生长、发育的能量。
二、非选择题（共30分）
11．（8分）如图所示是生态系统的能量流动图解，请回答：
（1）写出图中A～E所代表的名称：
A____________；B___________；C____________；D____________；E___________
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