学年高中生物北师大版必修三教学案第4章 第1节 第2课时 生态系统中的能量流动.docx

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学年高中生物北师大版必修三教学案第4章第1节第2课时生态系统中的能量流动

第2课时　生态系统中的能量流动

1.生态系统中能量的输入、传递和输出的过程，称为生态系统的能量流动。

2．能量流动的起点是生产者固定的太阳能，渠道是食物链和食物网，能量形式的变化由光能―→生物体有机物中的化学能―→热能。

3．流经生态系统的总能量是生产者固定的全部太阳能。

4．能量流动的特点是单向流动，逐级递减。

5．能量金字塔的形状永远是正金字塔形，数量金字塔有倒置的情况。

能量流动的概念和过程

[自读教材·夯基础]

1．概念

生态系统中能量的输入、传递和输出的整个过程。

2．过程

（1）能量来源：

太阳能。

（2）输入过程：

主要是通过生产者的光合作用，将光能转化成为化学能。

（3）传递途径：

太阳能→生产者→初级消费者→次级消费者→三级消费者→……

（4）过程分析（以第一营养级为例）：

1．生态系统中能量的源头及流经该生态系统的总能量分别是指哪一部分？

提示：

能量的源头是太阳能，流经该生态系统的总能量指生产者固定的全部太阳能。

2．结合教材P95图4－8思考：

（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：

①通过呼吸作用以热能形式散失；

②流入下一营养级；

③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。

3．整个生态系统中能量会因散失而减少，它主要是指哪个生理过程？

以什么形式散失？

提示：

整个生态系统中的能量主要是通过呼吸作用以热能形式散失。

[跟随名师·解疑难]

1．生态系统能量流动过程分析

（1）能量流动的起点：

生产者（主要是植物）固定太阳能。

（2）能量流动的渠道：

食物链和食物网。

（3）能量流动中能量形式的变化：

太阳光能→生物体有机物中的化学能→热能（最终散失）。

（4）能量在食物链中流动的形式是：

有机物（食物）中的化学能。

（5）能量散失的主要途径：

细胞呼吸（包括各营养级生物本身的呼吸及分解者的呼吸）。

散失的主要形式：

热能。

2．能量在流经每一营养级时的分流问题分析

（1）能量来源：

①生产者的能量来自于太阳能。

②各级消费者的能量一般来自上一个营养级（同化量＝摄入量－粪便中所含能量）。

（2）能量去路：

①每个营养级生物细胞呼吸产生的能量一部分用于生命活动，另一部分以热能散失。

②每个营养级生物一部分能量流到后一个营养级中（最高营养级除外）。

③每个营养级生物的遗体、粪便、残枝败叶中的能量被分解者分解而释放出来。

④未利用能量（现存量：

最终被分解者利用，因此，也可归为c）。

能量流动的基本特征及意义

[自读教材·夯基础]

1．能量流动的特点

（1）从能量流动的方向来看：

能量的流动是单方向的，而不是循环往复的。

（2）从能量流动过程中的数量变化特征来看：

逐级递减。

①能量在沿食物链流动的过程中是逐级减少的，林德曼效率大约为10%～20%。

②能量金字塔：

将单位时间内各个营养级所得到的能量数值，由低到高绘制成图，可形成一个金字塔图形。

③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。

生态系统中的能量流动一般不超过4～5个营养级。

2．研究能量流动的实践意义

（1）帮助人们科学规划、设计人工生态系统，实现能量的多级利用，大大提高生态系统中能量的利用效率。

（2）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。

1．结合考查P96图4－9思考：

能量流动在第二营养级和第三营养级之间的传递效率是多少？

能总结计算公式吗？

提示：

林德曼效率＝

×100%，能量在第二营养级与第三营养级之间的传递效率为11.3%。

2．结合教材P97图4－10中各营养级的能量由低到高绘成能量金字塔，思考如果把每个营养级的生物量关系用图形表示出来，是不是也是正金字塔形？

如果是，有没有例外？

提示：

一般情况下，也是正金字塔形。

但是有时候会出现倒置的塔形。

例如，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量可能低于浮游动物的量。

当然，总的来看，一年中流过浮游植物的总能量还是比流过浮游动物的要多。

同理，成千上万只昆虫生活在一株大树上，该数量金字塔的塔形也会发生倒置。

[跟随名师·解疑难]

1．能量流动特点

（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以热能形式散失相当大的一部分能量。

③各营养级中的能量都要有一部分流入分解者。

（3）林德曼效率：

10%～20%，即输入某一营养级的能量中，只有10%～20%的能量流入到下一个营养级。

计算方法为：

林德曼效率＝

×100%。

[特别提醒]　因林德曼效率约为10%～20%，传到第五营养级时，能量已经很少了，再往下传递不足以维持一个营养级生物的生存，所以一条食物链中营养级一般不超过5个。

2．生态金字塔——能量流动模型

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

生物个体数目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目

每一营养级生物的总生物量

对能量流动概念和过程的理解

[例1]　如图为生态系统中食物链所反映出的能量流动情况，图中的箭头符号为能量的流动方向，单位为kJ/（m2·a）。

下列说法正确的是（　　）

①在入射的太阳能中，生产者只利用了其中的1%左右

②分解者可利用来自各营养级转移到（A）的所有能量

③消费者营养级别越高，可利用的总能量越多

④当人们把生产者当做食物时，比起其他营养级，可获得更多的能量

A．①②　　　　　　B．①④

C．②④D．③④

[精讲精析]　在入射的太阳能中，生产者利用的能量为16000/1500900≈1%；各营养级转移到（A）的能量中，还包含各营养级呼吸消耗的能量，此部分能量不能再被分解者利用；能量流动是逐级递减的，消费者营养级别越高，可利用的总能量就越少；因为生产者含有更多的能量，所以把生产者当做食物，可获得更多能量。

[答案]　B

　当一条蛇捕食了一只青蛙后，从生态学角度看，下列叙述正确的是（　　）

A．完成了物质循环B．蛇破坏了生态平衡

C．青蛙不适应环境D．青蛙的能量流向了蛇

解析：

当一条蛇捕食了一只青蛙后，青蛙体内的部分能量就顺着食物链流到了蛇。

答案：

D

能量流动的特点

[例2]　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代表三个营养级，数字均为实际测得的能量数，单位是百万千焦。

已知该生态系统接受到的太阳辐射为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效率为________%，从第二营养级到第三营养级的转化效率为________%。

（3）次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是________。

（4）由图可知，下一个营养级不能得到上一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________消耗；②上一个营养级的部分能量________；③少数能量被________利用。

[精讲精析]　从图中A、B、C三者关系分析得出：

A是第一营养级（生产者）；B是第二营养级（初级消费者）；C是第三营养级（次级消费者），分解者不参与食物链构成，A、B、C框内的数值分别是其同化的能量值。

根据所给数据进行计算：

（1）流经该生态系统的总能量为：

118872－118761＝111百万千焦，该部分是生产者所固定的总能量；

（2）A到B的能量转化效率为15.0/111×100%≈13.5%，从B到C的能量转化效率为3.0/15.0×100%＝20%。

次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1.8/3.0×100%＝60%。

能量在传递过程中逐级递减，主要是由于每一营养级的生物都会因呼吸作用而消耗相当大的一部分能量，并且各个营养级的生物中总有一部分能量未被下一个营养级的生物利用，还有少部分能量随着残枝、败叶或遗体等直接流向了分解者。

[答案]　

（1）111　生产者　

（2）13.5　20　（3）60%　（4）呼吸作用　未被下一个营养级利用　分解者

典例剖析

某研究者想调查某菜地的一只菜青虫每天用于生长和发育的能量。

他需测定的内容是（　　）

①虫子吃的叶片的干物质量

②每天虫子粪便的干物质量

③每天该虫子水和二氧化碳的排出量

④每天该虫子以热能的形式散失的能量

A．①②③④B．①②④

C．①③④D．①②③

[解析]　虫子用于生长发育的能量＝虫子的摄入量－粪便量－呼吸作用以热能形式散失的量。

①属于虫子的摄入量，②属于粪便量，④属于呼吸作用以热能形式散失的量。

而③中测定的二氧化碳的排出量，实际上是测虫子一天中呼吸作用的总量，而呼吸作用的总量不仅包括热能，还包括一部分ATP，这些ATP主要用于虫子的生长发育，如物质的合成等，所以测定虫子呼吸总量没有意义。

[答案]　B

[随堂基础巩固]

1．下列4种现象中，不适宜用生态系统中能量流动规律进行合理分析的是（　　）

A．虎等大型肉食动物容易成为濒危物种

B．蓝藻易在富营养化水体中爆发

C．饲养牛、羊等动物，成本低、产量高

D．巨大的蓝鲸以微小的浮游动物为食

解析：

虎等大型肉食动物处在最高营养级，获得的能量最少，因此容易成为濒危物种；蓝藻爆发是因为水体中含有大量的N、P等元素，给蓝藻提供营养物质，利于蓝藻的生长，没有能量流动；牛、羊等属于第二营养级，从生产者中获得的能量较多，因此成本低，产量高；蓝鲸以浮游动物为食，能量便由浮游动物流向了蓝鲸。

答案：

B

2．如图是某森林生态系统物质和能量流向示意图，h、i、j、k表示不同用途的有机物（j是未利用部分），方框大小表示使用量，下列叙述正确的是（　　）

A．进入该生态系统的CO2量与各h产生的CO2总量相等

B．生产者i的量大于被初级消费者同化的有机物的量

C．流向分解者的k可能被生产者直接吸收利用

D．流经该生态系统的能量可循环利用

解析：

生态系统中能量流动的起点是生产者固定的太阳能，即生产者通过光合作用合成的有机物中的能量，该能量一部分通过呼吸作用以热能的形式散失，用h表示；一部分被初级消费者摄入，用i表示；一部分是未被利用、储存起来的能量，用j表示；还有一部分是植物的残枝、败叶、遗体等被分解者分解，用k表示。

摄入消费者体内的能量i，一部分被同化成为消费者自身的一部分，还有一部分没有被消化吸收，以粪便的形式被分解者分解，由于生态系统中有未被利用、储存起来的能量j，所以进入该生态系统的CO2量大于生产者、消费者和分解者通过呼吸作用产生的CO2量。

流向分解者的k是有机物，只有被分解者分解成无机盐后才能被生产者吸收、利用。

能量流动是单向的，不可循环利用。

答案：

B

3．（山东高考）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：

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。

答案：

C

4．下图表示某生态系统中，四种生物所同化的有机物的量占该生态系统有机物总量的比例，则这四种生物之间的食物关系最可能是（　　）

解析：

图示中，甲含能量最多，丁含能量最少，乙、丙所含能量相近。

所以甲处在第一营养级，丁处在最高营养级，乙、丙处在同一营养级。

答案：

A

5．某种植玉米的农场，其收获的玉米籽粒作为鸡的饲料，也作为人的粮食，玉米的秸秆则加工成饲料喂牛，生产出的牛、鸡供人食用，人、牛、鸡的粪便经过沼气池发酵产生的沼气作为能源，沼渣、沼液作为种植玉米的肥料，据此回答（不考虑空间因素）：

（1）请绘制鸡、牛、玉米和人形成的食物网。

（2）假设该农场将收获玉米的1/3作为饲料养鸡，2/3供人食用，生产出的鸡供人食用。

现调整为2/3玉米养鸡，1/3供人食用，生产出的鸡仍供人食用。

理论上，该农场供养的人数将会________（增多、不变、减少），理由是：

______________________________

___________________________________________________________________。

解析：

依题意，可绘制出食物网，分析食物网可知，当鸡食用玉米增多时，人从玉米中获得的能量将减少，即能量的利用率降低，该农场可供养的人数将会减少。

答案：

（1）如图所示：

（2）减少　改变用途的1/3玉米被鸡食用后，在鸡这一环节散失了一部分能量，导致人获得的能量减少

[课时跟踪检测]

（满分50分　时间25分钟）

一、选择题（每小题3分，共30分）

1．从生态学角度分析，生态系统中流动的能量最初来源于（　　）

A．光合作用B．高能化学键

C．绿色植物D．太阳光能

解析：

生态系统的主要功能是物质循环和能量流动，而能量流动是伴随着物质循环而实现的，食物链（网）的能量均是从生产者开始的，但生态系统中能量的流动最初是来自于太阳光能，然后通过光合作用进入生产者体内，进而实现能量流动。

答案：

D

2．在由草、兔、狐组成的一条食物链中，兔经同化作用所获得的能量，其去向不包括（　　）

A．通过兔细胞呼吸释放的能量

B．通过兔的粪便流入到分解者体内的能量

C．通过狐的粪便流入到分解者体内的能量

D．流入到狐体内的能量

解析：

同化量＝摄入量－粪便量，可见兔子的粪便中流入到分解者体内的能量不属于兔子的同化量，而是生产者同化量的一部分。

而狐狸粪便中的有机物所含有的能量则是其捕食的兔子同化量的一部分。

答案：

B

3．下图为生态系统中能量流动过程的部分示意图，①②③④各代表一定的能量值，下列各项中不正确的是（　　）

A．生物与生物之间吃与被吃的关系不可逆转，所以能量流动具单向性

B．①表示流经生态系统内部的总能量

C．一般情况下，②为①的10%～20%

D．从能量关系看②>③＋④

解析：

流经生态系统的总能量是生产者固定的总能量，而不是①流向初级消费者的总能量。

答案：

B

4．人们常用能量金字塔来描述一个生态系统中各营养级所得到的能量的数值，下面的说法正确的是（　　）

A．生态系统中，营养级越多，在能量流动过程中损失的能量越多

B．最多约有20%的能量从第一营养级流入次级消费者

C．生产者呼吸消耗的能量一般没有流入初级消费者的能量多

D．位于金字塔顶部的消费者获能最多

解析：

在生态系统的能量流动中，每个营养级生物都会因细胞呼吸而损失很大一部分能量，而流入下一营养级的能量只占其总能量的10%～20%。

营养级越多，能量的损失就越多，所以能量金字塔顶部的消费者获能最少。

答案：

A

5．大象是植食性动物，有一种蜣螂则专以象粪为食。

设大象在某段时间所同化的能量为107kJ，则这部分能量中可流到蜣螂体内的约为（　　）

A．0kJB．106kJ

C．2×106kJD．106～2×106kJ

解析：

象粪中所含有的能量属于被捕食者同化量的一部分，不属于象所同化的能量。

答案：

A

6．组成食物链的环节一般不超过5个，其原因是（　　）

A．环境资源有限

B．被捕食者不能以捕食者为食

C．在每一个环节上都有大量的能量流失

D．A、B、C三项均是

解析：

能量沿食物链流动时逐级递减，食物链越长，环节越多，消耗能量就越多，所以一条食物链的营养级一般不会超过5个。

答案：

C

7.某生态系统中存在如图所示的食物网，若将C的食物比例由A∶B＝1∶1调整为2∶1，林德曼效率按10%计算，则该生态系统能承载C的数量是原来的（　　）

A．1.875倍B．1.375倍

C．1.273倍D．0.575倍

解析：

解题时应该从C出发，设当食物比例A∶B＝1∶1时C的能量为x，则需要的A为（1/2）x÷10%＋（1/2）x÷10%÷10%＝55x。

设当食物比例A∶B＝2∶1时C的能量为y，则需要的A为（2/3）y÷10%＋（1/3）y÷10%÷10%＝40y。

由于两种情况下，生产者的数量是一定的，所以55x＝40y，则y＝1.375x。

答案：

B

8．某人的食物有1/2来自植物，1/4来自鸡、鸭、猪，1/4来自小型肉食动物。

若能量在流动中的林德曼效率为10%，那么此人要增加1kg体重，最多消耗绿色植物（　　）

A．150kgB．280kg

C．500kgD．1000kg

解析：

把3条食物链分开考虑，同时注意能量林德曼效率是10%。

答案：

B

9．一片树林中，树、昆虫和食虫鸟类的个体数比例关系如右图所示。

下列选项中正确表示树、昆虫、食虫鸟之间的能量流动关系的是（选项方框面积表示能量的大小）（　　）

解析：

生态系统各营养级所拥有的能量沿食物链应逐级递减，按各营养级能量数值绘制而成的图形总呈正金字塔形。

答案：

C

10．下图为某生态系统能量流动示意图〔单位：

J/（cm2·a）〕，以下分析不正确的是（　　）

A．甲通过光合作用固定在有机物中的总能量为1250J/（cm2·a）　

B．甲到乙的林德曼效率为16%

C．每一营养级的能量大部分用于呼吸作用和被丁利用

D．在此生态系统中，一只狼捕食一只野兔，获得能量只能在10%～20%之间

解析：

每一个营养级的能量都包括三个去向：

用于自身的呼吸作用，流向下一营养级、流向分解者，因此甲通过光合作用固定的太阳能总能量175＋200＋875＝1250J/（cm2·a）；相邻两个营养级之间能量传递效率等于下一营养级同化的能量与上一个营养级同化的能量的百分比，乙同化的能量为200，甲同化的能量为1250，因此从甲到乙的林德曼效率为

×100%＝16%；从以上叙述中可以看出甲的能量只有16%传递到下一个营养级，因此大部分用于呼吸作用和被丁（分解者）利用；林德曼效率为10%～20%指的是相邻两个营养级之间的传递效率，不是生物个体之间的传递效率，因此一只狼捕获一只兔子获得的能量有可能高于20%。

答案：

D

二、非选择题（共20分）

11．（14分）下图表示生态系统的能量流动过程，请据图回答：

（1）A、B、C、D各营养级在生态系统中代表的成分依次为：

A.__________；B._________；C.__________；D.__________。

（2）图中a1代表________________________________________________。

（3）图中a2代表____________________________________________________。

（4）a3

______________________________________________________________。

（5）从生态系统的林德曼效率上看，一个营养级的能量，流到下一个营养级的只有________。

假若A的总能量为1，按最低传递效率计算，第四营养级所获得能量为________。

（6）该图体现出能量流动的特点是___________________________________。

解析：

该图表示出生态系统各营养级能量的去向。

a表示流入各营养级的能量，b表示各营养级呼吸作用消耗的能量，c表示各营养级被微生物分解释放的能量。

答案：

（1）生产者　初级消费者　次级消费者　三级消费者

（2）生产者所固定的太阳能

（3）从第一营养级流入第二营养级的能量

（4）初级消费者呼吸作用消耗了大部分的能量，还有一部分流入分解者，只有约10%～20%的能量流入次级消费者

（5）10%～20%　0.1%

（6）单向流动，逐级递减

12．（6分）下图A表示某些生态系统的能量锥体图，P为生产者，Q1为初级消费者，Q2为次级消费者。

下图B是将图A中的各营养级所含有的能量进行分类剖析，图中a、a1、a2表示上一年留下来的能量（假设它不被下一营养级利用），e、e1、e2表示呼吸消耗量。

据图作答：

（1）如设种群Q1、Q2个体数为N1、N2，平均每个个体所占的能量为W1、W2，那么，N1、W1与N2、W2之间的关系是________。

（2）每年流入这个生态系统的总能量是________（用图B中的英文字母表示）。

（3）若P和Q1同化作用固定能量的总量分别为480J/（cm2·a）和72J/（cm2·a），生物体内贮存的能量分别为200J/（cm2·a）和24J/（cm2·a）。

那么，能量从P传递到Q1的效率为________。

解析：

根据题意知：

a为上年留下来的能量，e为呼吸消耗量，c为下一营养级的摄取量，b为未被下一营养级利用的量（用于生长的量），d为分解者的利用量。

（1）由于能量沿食物链流动时是单向、逐级递减的，因此，W1·N1＞W2·N2。

（2）每年流入生态系统的总能量为生产者固定的总能量：

b＋c＋d＋e。

（3）能量从P传至Q1的效率应为P的同化量中Q1同化能量所占的比例：

72/480×100%＝15%。

答案：

（1）W1·N1>W2·N2　

（2）b＋c＋d＋e　（3）15%

生态系统中能量流动分析与计算专题

在解决有关能量传递的计算问题时，首先要确定相关的食物链，理清生物在营养级上的差别，林德曼效率约为10%～20%，解题时注意题目中是否有“最多”“最少”“至少”等特殊的字眼，从而确定使用10%还是20%来解题。

1．设食物链A→B→C→D，分情况讨论如下：

（1）已知D营养级的能量M，则至少需要A营养级的能量＝M÷（20%）3；最多需要A营养级的能量＝M÷（10%）3。

（2）已知A营养级的能量N，则D营养级获得的最多能量＝N×（20%）3；最少能量＝N×（10%）3。

2．如果是在食物网中，同一生物同时从上一营养级多种生物获得能量，且各途径所获得的生物量不等，则按照各自单独的食物链进行计算后合并。

3．在食物网中分析如

确定生物量变化的“最多”或“最少”时，还应遵循以下原则：

（1）食物链越短，最高营养级获得的能量越多；

（2）生