版高考生物课堂新坐标 必修3 第9单元 第4讲 生态系统的能量流动和物质循环.docx

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版高考生物课堂新坐标必修3第9单元第4讲生态系统的能量流动和物质循环

第4讲　生态系统的能量流动和物质循环

考纲要求

全国卷五年考情

生态系统中物质循环和能量流动的基本规律及应用（Ⅱ）

2016·卷ⅠT5,2016·卷ⅢT5,2016·卷ⅢT31

2015·卷ⅠT31,2015·卷ⅡT31,2014·卷ⅡT31

考点一|生态系统的能量流动

（对应学生用书第213页）

[识记—基础梳理]

1．能量流动

（1）概念：

生态系统中能量的输入、传递、转化和散失的过程。

（2）能量流动的四个环节

—

⇩

—

⇩

—太阳能→有机物中的化学能→热能

⇩

—

2．能量流动过程

（1）补充图中标号代表的内容

①生产者，②初级消费者，③次级消费者，

④呼吸作用，⑤分解者。

（2）据图补充食物链中①营养级能量的去向：

①通过自身呼吸作用以热能的形式散失。

②被下一营养级同化。

③残枝败叶、遗体残骸等被分解者分解。

④未被利用。

（3）图示中的E2/E1表示第二、三营养级间的能量传递效率。

3．能量流动的特点及原因分析

（1）单向流动

①表现：

能量只能沿着食物链由低营养级流向高营养级。

②原因：

a．生物之间的捕食关系是长期自然选择的结果，一般不可逆转。

b．各营养级通过呼吸作用所产生的热能不能被生物群落重复利用，因此能量流动无法循环。

（2）逐级递减：

相邻两个营养级能量传递效率（同化量的比值）为10%～20%，其原因如下：

①各营养级生物都会因为呼吸作用消耗大部分能量。

②生产者的遗体、残枝败叶，消费者的尸体、粪便中的能量被分解者利用，经分解者的呼吸作用消耗。

③还有一部分未利用的能量，即指未被自身呼吸作用消耗，也未被下一个营养级和分解者利用。

4．研究意义

（1）帮助人们科学规划、设计人工生态系统，使能量得到最有效的利用。

（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．田鼠和鼬都是恒温动物，同化的能量中一部分用于自身生长、发育、繁殖等生命活动，其余在呼吸作用中以热能的形式散失。

（√）

2．流经农村和城市两个生态系统的总能量均是其植物所固定的太阳能。

（×）

【提示】　流经两个生态系统的总能量除了来自植物固定的太阳能外，还有人为输入的能量。

3．初级消费者粪便中的能量属于生产者同化的能量。

（√）

4．如果突然增加第二营养级的数量，则第一营养级到第二营养级的能量传递效率会远远大于20%，说明第一营养级中一部分未被利用的能量也流向了第二营养级。

（√）

5．一只狼捕食了一只兔子，该狼获得了兔子能量的10%～20%。

（×）

【提示】　能量传递效率是针对相邻两个营养级中的所有生物而言，不针对个体。

6．农业生态系统中，沼渣、沼液作为肥料还田，使能量能够循环利用。

（×）

【提示】　沼液和沼渣可以为农作物提供肥料，沼气池发酵产生的沼气又能成为人类的能源物质，实现了能量的多级利用，而能量不能循环利用。

[理解—深化探究]

1．如图表示能量在两个营养级之间的流动过程，请据图思考下列问题：

（1）第一个营养级的同化量与其摄入量和粪便量有怎样的关系？

【提示】　同化量＝摄入量－粪便量。

（2）上一个营养级同化的总能量是不是全部流向下一个营养级？

为什么？

【提示】　不是。

一部分能量被自身呼吸所消耗，还有一部分被分解者所利用，总有一部分能量未被下一营养级利用。

2．某一营养级能量的来源与去路分析

（1）能量来源

（2）能量去向：

流入某一营养级的能量去向可从以下两个角度分析：

①定量不定时（在足够长的时间内能量的最终去路）

a．自身呼吸消耗；b.流入下一营养级（最高营养级除外）；c.被分解者分解利用。

②定量定时：

流入某一营养级的一定量的能量在一定时间内的去路可有四条：

a．自身呼吸消耗；b.流入下一营养级；c.被分解者分解利用；d.未利用，既未被自身呼吸消耗，也未被下一营养级和分解者利用，如果是以年为单位研究，这部分的能量将保留到下一年，因此“未利用”是指在有限的时间“还没来得及被利用的能量”。

可用下图表示：

3．生态金字塔的类型和特点

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

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

一般生物个体数目在食物链中随营养级升高而逐级递减

一般生物有机物的总质量沿食物链升高逐级递减

每一阶

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的数目

每一营养级生物的有机物总量

特殊

形状

无

树→昆虫→鸟

极少

[运用—考向对练]

考向1　考查能量流动过程分析

1．如图为能量流动示意图，其中a1是流入第一营养级的总能量，下列相关说法正确的是（　　）

A．第一营养级传递给分解者的总能量是a4

B．能量散失a3，不能再被生物同化利用

C．a1、a2、a3、a6中的能量都以稳定化学能的形式存在

D．第一营养级和第二营养级之间能量传递效率是a6÷a2

B　[图中的a7是第二营养级粪便中的能量，该能量并没有被第二营养级所同化，因此仍然属于生产者（第一营养级）流向分解者的能量，因此第一营养级传递给分解者的能量是a4＋a7，A错误；能量散失a3都以热能的形式散失，该能量不能再被生物同化利用，B正确、C错误；从题干中可看出，a1是流入第一营养级的总能量（即第一营养级同化的总能量），而第二营养级同化的能量为a6，因此能量传递效率＝a6÷a1，D错误。

]

2．下图表示在一个生态系统中，植物光合作用积累的有机物被植食动物利用的过程。

下列有关叙述正确的是（　　）

A．①⑤之和为输入到生态系统的全部能量

B．植食动物粪便中的能量包含在⑦中

C．⑤⑥⑦⑧之和为流向分解者的能量

D．④占②的百分比为能量传递效率

B　[输入生态系统的总能量为生产者固定的太阳能，一部分用于植物呼吸消耗，一部分储存在植物体内的有机物中，A错误；植食动物粪便中的能量属于植物同化量的一部分，并未被植食动物同化，B正确；⑧表示植食动物呼吸消耗的能量，并没有流向分解者，C错误；能量传递效率为相邻两营养级间同化量的比值，植物同化量未知，D错误。

]

1．生态系统中同化量和摄入量不同

（1）同化量为每一营养级通过摄食并转化成自身有机物的能量，摄入量是消费者摄入的能量，同化量＝摄入量－粪便量。

（2）消费者产生的粪便中的能量不属于该营养级同化的能量，它实际上与上一营养级的遗体残骸一样，属于未被利用的那部分能量。

2．能量传递效率与能量利用效率不同

（1）能量传递效率：

能量在沿食物链流动的过程中，逐级减少，若以“营养级”为单位，能量在相邻两个营养级之间的传递效率约为10%～20%。

（2）能量利用效率：

通常考虑的是流入人体中的能量占生产者能量的比值，或流入最高营养级的能量占生产者能量的比值，或考虑分解者的参与，以实现能量的多级利用。

　某同学绘制了如图所示的能量流动图解（其中W1为生产者固定的太阳能），下列叙述中不正确的是（　　）

A．生产者固定的总能量可表示为（A1＋B1＋C1＋A2＋B2＋C2＋D2）

B．由第一营养级到第二营养级的能量传递效率为D1/W1

C．流入初级消费者的能量为（A2＋B2＋C2）

D．图解表明能量流动的特点是单向流动、逐级递减

C　[生产者固定的总能量为W1＝A1＋B1＋C1＋D1，D1＝A2＋B2＋C2＋D2，故W1＝A1＋B1＋C1＋A2＋B2＋C2＋D2，A正确；第一营养级固定的能量为W1，第二营养级同化的能量为D1，能量传递效率为D1/W1，B正确；流入初级消费者的能量为A2＋B2＋C2＋D2，C错误；由图可知，能量流动是单向的，逐级递减的，D正确。

]

考向2　考查能量流动的有关计算

3．（2018·三门峡市高三一模）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1kJ能量，则需要消耗草的能量为（　　）

A．150kJ　　　　　　B．125kJ

C．100kJD．75kJ

D　[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，在草→兔→狐→虎中虎从草中获取1×

÷20%÷20%÷20%＝62.5；在草→羊→虎中虎从草中获取1×

÷20%÷20%＝12.5；故需要消耗草的能量为62.5＋12.5＝75kJ。

]

4．如图为生态系统食物网简图，若E生物种群总能量为7.1×109kJ，B生物种群总能量为2.3×108kJ。

从理论上计算，A储存的总能量最少为（　　）

A．7.1×108kJB．4.8×107kJ

C．5.95×107kJD．2.3×107kJ

B　[由图可知，D为生产者，要使A获得的能量最少，则必须保证三个条件：

一是能量来源途径要最少，二是能量传递效率要最低，三是食物链要最长。

故从理论上讲，与A储存的能量最少相关的食物链不可能是D→A，也不可能是D→A、D→E→C→A同时存在，只能是D→E→C→A。

为此，E的能量在传给A的途径中，只有确保：

①E在传给B时用去的能量最多，②E的总能量减去传给B的后再传给C时传递效率最低，③C在传给A时效率最低，结果才能使A获得的能量最少。

所以据此计算得A储存的总能量最少为（7.1×109kJ－2.3×108kJ÷10%）×10%×10%＝4.8×107kJ。

]

若在食物网中，某一营养级同时从上一营养级的多种生物中获得能量，计算某一生物获得的能量或需要某一生物提供的能量时，首先，要注意某一生物“从不同食物链中获得能量的比例”，或某一生物“给不同生物提供能量的比例”，然后按照各个单独的食物链分别计算后合并。

①顺推法：

能量流向调整，从前往后计算。

即由植物下推，用“乘法”。

②逆推法：

能量来源调整，从后往前计算。

即由高营养级前推，用“除法”。

　生物甲、乙、丙，构成食物关系如下图。

（1）甲能量中比例为a的部分直接提供给丙，则要使丙能量增加mkJ，至少需要消耗甲的能量为________kJ（用所给字母的表达式表示）。

（2）丙能量中比例为a的部分直接由甲提供，则要使丙能量增加mkJ，至少需要消耗甲的能量为________kJ（用所给字母的表达式表示）。

[解析]　

（1）设至少需要消耗甲的能量为x，则x×a×20%＋x×（1－a）×20%×20%＝m，求得x＝25m/（4a＋1）。

（2）由于本设问涉及能量来源调整，可采用逆推法。

即m×a÷20%＋m×（1－a）÷20%÷20%＝25m－20ma。

[答案]　

（1）25m/（4a＋1）　

（2）25m－20ma

考点二|物质循环及其与能量流动的关系

（对应学生用书第216页）

[识记—基础梳理]

1．物质循环

（1）概念：

组成生物体的各种元素在生物群落与无机环境之间不断循环的过程。

（2）分析

①物质：

组成生物体的化学元素，如C、H、O、N、P、S等。

②循环范围（两个支点）：

生物群落和无机环境之间。

③特点：

全球性，反复利用、循环流动。

2．碳循环过程分析

（1）请写出图中各标号的名称

a．生产者；b.消费者；c.呼吸作用；d.光合作用和化能合成作用；e.呼吸作用；f.化石燃料的燃烧。

（2）碳进入生物群落的途径：

生产者的光合作用和化能合成作用。

（3）碳的存在形式与循环形式

①在生物群落和无机环境间：

主要以CO2的形式循环。

②在生物群落内部：

以含碳有机物的形式传递。

③在无机环境中：

主要以CO2和碳酸盐的形式存在。

3．温室效应

（1）形成原因：

大量化石燃料的燃烧，大气中的二氧化碳含量迅速增加，打破了生物圈中碳循环的平衡。

（2）影响：

导致气温升高，加快极地和高山冰川的融化，导致海平面上升，进而对人类和其他许多生物的生存构成威胁。

4．能量流动与物质循环之间的关系

（1）区别

项目

能量流动

物质循环（以碳循环为例）

形式

以有机物为载体

主要是无机物

特点

单向流动、逐级递减

全球性、循环性

范围

生态系统各营养级

生物圈（全球性）

（2）联系

①两者是同时进行的，彼此相互依存，不可分割。

②物质作为能量的载体，使能量沿着食物链（网）流动；能量作为动力，使物质能够不断地在生物群落和无机环境之间循环往返。

1．判断正误

（1）碳可在森林群落和无机环境之间进行循环。

（√）

（2）无机环境中的物质可以通过多种途径被生物群落反复利用。

（√）

（3）生态系统的碳循环指的是CO2在无机环境和生物群落中的往复循环。

（×）

【提示】　碳循环指的是碳元素的循环，而不是含碳化合物的循环。

（4）大气中的CO2进入生物群落的唯一方式是光合作用。

（×）

【提示】　CO2从无机环境进入生物群落的方式有两种：

光合作用和化能合成作用。

（5）生态系统的物质循环和能量流动的渠道都是食物链和食物网，所以物质和能量都是循环往复的。

（×）

【提示】　物质循环是往复的，而能量流动是单向的。

（6）植物可通过呼吸作用和光合作用参与生态系统的碳循环。

（√）

2．据图思考

下列为碳循环常见变式图解。

（1）图1——先根据双向箭头判断：

a和b应为生产者和非生物的物质和能量，不能写“无机环境”，也不能写“生物类别”。

再根据a→c判断：

c为消费者，剩下的d为分解者。

（2）图2——根据a与c之间的双向箭头判断：

a是生产者，c是非生物的物质和能量。

根据a、b、d的箭头都流向e，可进一步判断：

b是初级消费者，d是次级消费者，e是分解者。

（3）图3——根据a与e之间的双向箭头判断：

a为非生物的物质和能量，e为生产者。

然后观察剩余的几个成分，其中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。

整个图解中，食物链是e→f→d→b。

[运用—考向对练]

考向1　碳循环过程及特点分析

1．（2017·南宁市高三摸底）如图表示某生态系统的碳循环示意图，其中甲、乙、丙、丁为生态系统的组成成分，①～⑦表示生理过程。

下列有关该图的分析错误的是（　　）

A．乙是该生态系统的基石

B．⑦过程中碳的传递形式是CO2

C．①过程主要是指绿色植物的光合作用

D．丙中的多种生物之间只存在竞争关系

D　[由图可知，乙、丙、丁都指向甲，因此甲是非生物的物质和能量，根据双向箭头可判断出乙是生产者，生产者是生态系统的基石，A正确；⑦过程表示通过呼吸作用释放出CO2，B正确；①过程将CO2输入到生物群落中，主要是指绿色植物的光合作用，C正确；丙中多种生物之间可能存在捕食关系，D错误。

]

2．如图为生态系统碳循环示意图，图中A、B（B1～B3）、C分别代表生态系统的成分，①②③代表碳元素的传递过程。

请回答下列问题：

（1）图中的A→B1→B2→B3，构成了________，该生态系统的_____________是沿着这种渠道进行的。

（2）碳元素通过①________途径进入生物群落；图中B1、B2、B3的数量会在一定范围内波动，说明生态系统具有________能力。

（3）图中捕食者能依据被捕食者的气味捕猎，说明信息传递在生态系统中的作用是__________________________________________________________。

（4）汽车尾气是产生雾霾的重要原因之一，你认为应采取的治理措施是________________________________________________________________

______________________________________________________（至少两条）。

[解析]　

（1）据图分析，A为生产者，B为消费者，A→B1→B2→B3构成了食物链，该生态系统的物质循环和能量流动是沿着这种渠道进行的。

（2）碳元素通过①光合作用和化能合成作用途径进入生物群落，②为生物的呼吸作用。

图中B1、B2、B3的数量会在一定范围内波动，说明生态系统具有自我调节能力，这种能力主要通过（负）反馈调节机制来实现。

（3）图中捕食者能依据被捕食者的气味捕猎，说明信息传递能调节生物的种间关系，维持生态系统的稳定性。

（4）汽车尾气是产生雾霾的重要原因之一，应采取的治理措施是改善燃油的品质；倡导绿色出行，减少尾气排放；大量植树造林等。

[答案]　

（1）食物链（食物网）　物质循环和能量流动　

（2）光合作用（和化能合成作用）　自我调节　（3）调节生物的种间关系，维持生态系统的稳定　（4）改善燃油的品质；倡导绿色出行，减少尾气排放；大量植树造林

　下图是生态系统中碳循环示意图，其中“→”表示碳元素的流动方向。

下列叙述不正确的是（　　）

A．在碳循环过程中，同时伴随着能量流动

B．由于某种原因造成图中E大量减少，推测短期内与之相邻的两个营养级生

物数量发生的变化是D增加，F减少

C．该生态系统的消费者包括图中的D、E、F、B

D．A与C之间碳元素主要以CO2的形式进行循环，F→B过程中以含碳有机

物的形式进行流动

C　[分析图形，A、B、D、E、F均有箭头指向C，则C表示大气中的CO2库。

A、C之间为双向箭头，则A表示生产者。

A、D、E、F均有箭头指向B，则B表示分解者，D、E、F表示消费者。

图示中包含的食物链为A→D→E→F，故E减少，短时间内D增加，F减少。

碳在生物群落与无机环境之间主要以CO2的形式循环，在生物群落内部是以含碳有机物的形式进行流动。

]

考向2　能量流动和物质循环的综合考查

3．（2018·通化市高三考前模拟）图1是生态系统的碳循环部分示意图，其中甲、乙、丙、丁组成该生态系统的生物群落；图2是一个由5种生物组成的食物网；图3所示为桑基鱼塘农业生态系统局部的能量流动，图中字母代表相应能量。

据图回答以下问题：

【导学号：

67110082】

（1）物质循环与能量流动之间的相互内在关系是________________________

_______________________________________________________________。

（2）图1中缺少两个重要过程，请用文字和箭头的形式补充：

________、________。

（3）若图2中的乙大量减少，则短期内戊的数量会________。

（4）若图2食物网中戊摄食丁和丙的比例为3∶1，丙摄食的两种生物所占比例相等，则戊每增加10kg生物量，按10%的能量传递效率计算，需要消耗生产者________kg。

（5）图3中的C和B1＋C1＋D1可表示桑树和蚕用于____________________的能量。

蚕沙（粪便）投入鱼塘供给鱼食用，蚕沙中同化的能量属于第________营养级所含的能量。

[解析]　

（1）物质循环以能量流动作为动力，能量流动以物质循环作为载体。

（2）图1中，丁是生产者，甲和乙是消费者，丙是分解者，因此图中还缺少无机环境→丁的光合作用过程和甲→丙的过程。

（3）图2中，若乙大量减少，则丙同化的能量增多、个体数量增加，进一步导致戊增多。

（4）若图2食物网中戊摄食丁和丙的比例为3∶1，丙摄食的两种生物所占比例相等，则戊每增加10kg生物量，按10%的能量传递效率计算，由甲→丁→戊这条食物链需要消耗甲10×

÷10%÷10%＝750kg。

由甲→丙→戊这条食物链需要消耗甲10×

÷10%×

÷10%＝125kg。

由甲→乙→丙→戊这条食物链需要消耗甲10×

÷10%×

÷10%÷10%＝1250kg，因此共需要消耗生产者（甲）750＋125＋1250＝2125kg。

（5）图3中，流经生态系统的总能量是生产者固定的太阳能总量，应是A；桑树呼吸作用所散失的热能可用B表示，图中的C表示净光合作用，是桑树生长、发育、繁殖等生命活动的所需的能量，B1＋C1＋D1属于蚕用于蚕生长、发育、繁殖等生命活动。

蚕沙中所含的能量是蚕未同化的能量，仍属于其上一个营养级，即属于第一营养级所含的能量。

[答案]　

（1）物质循环以能量流动作为动力，能量流动以物质循环作为载体　

（2）无机环境→丁　甲→丙　（3）增加　（4）2125　（5）自身生长、发育、繁殖等生命活动　一

真题验收|感悟高考　淬炼考能

（对应学生用书第218页）

1．（2016·全国卷Ⅰ）在漫长的历史时期内，我们的祖先通过自身的生产和生活实践，积累了对生态方面的感性认识和经验，并形成了一些生态学思想，如：

自然与人和谐统一的思想。

根据这一思想和生态学知识，下列说法错误的是

（　　）

A．生态系统的物质循环和能量流动有其自身的运行规律

B．若人与自然和谐统一，生产者固定的能量便可反复利用

C．“退耕还林、还草”是体现自然与人和谐统一思想的实例

D．人类应以保持生态系统相对稳定为原则，确定自己的消耗标准

B　[生态系统的物质循环和能量流动有其自身的运行规律，人类只能认识并利用其运行规律，不能改变它，故A项正确。

生产者固定的能量可多级利用，但不能反复利用，故B项错误。

“退耕还林、还草”可防风固沙、涵养水源等，是体现自然与人和谐统一思想的实例，故C项正确。

人类应以保持生态系统相对稳定为原则，确定自己的消耗标准，避免过度消耗，破坏生态环境，故D项正确。

]

2．（2016·全国卷Ⅲ）我国谚语中的“螳螂捕蝉，黄雀在后”体现了食物链的原理。

若鹰迁入了蝉、螳螂和黄雀所在的树林中，捕食黄雀并栖息于林中。

下列叙述正确的是（　　）

A．鹰的迁入增加了该树林中蝉及其天敌的数量

B．该生态系统中细菌产生的能量可流向生产者

C．鹰的迁入增加了该生态系统能量消耗的环节

D．鹰的迁入改变了该生态系统能量流动的方向

C　[根据文字信息写出食物链：

植物→蝉→螳螂→黄雀→鹰，鹰的迁入会导致黄雀减少、螳螂增加、蝉减少等系列变化，故A项错误。

细菌一般是生态系统的分解者，分解者从动植物遗体遗物中获得的能量大部分会通过分解作用以热能的形式散失，不会再被生产者利用，故B项错误。

鹰的迁入使该生态系统的食物链由4个营养级变为5个营养级，增加了该生态系统能量消耗的环节，故C项正确。

鹰的迁入使该生态系统的食物链营养级增加，但食物链还是只有一条，所以能量流动的方向未改变，故D项错误。

]

3．（2015·海南高考）关于草原生态系统能量流动的叙述，错误的是（　　）

A．能量流动包括能量的输入、传递、转化和散失的过程

B．分解者所需的能量可来自各营养级生物所储存的能量

C．生态系统维持正常功能需要不断得到来自系统外的能量

D．生产者固定的能量除用于自身呼吸外，其余均流入下一营养级

D　[能量流动包括能量的输入、传递、转化和散失过程，A正确；分解者的作用就是将有机物分解成无机物，并从中获取生命活动所需的能量，B正确；生态系统维持正常功能需要不断地输入光能，C正确；生产者固定的能量除用于自身呼吸外，部分流向分解者，部分流向下一营养级，D错误。

]

4．（2014·海南高考）用各营养级生物的能量、数量构建的金字塔分别称为能量金字塔、数量金字塔。

在某一栎林中，第一营养级生物为栎树，第二营养级生物为昆虫，