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第33讲 生态系统的能量流动和物质循环
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核心内容
生态系统中物质循环和能量流动的基本规律及应用(Ⅱ)
主要包括能量流动的特点、相关概念的比较理解(如能量传递效率与能量利用率、同化量与摄入量)、能量传递效率的计算、碳循环的过程与特点、物质循环与能量流动的关系
1.考查方式：以生态农业为命题点，体现能量多级利用、物质循环再生，渗透人与自然和谐发展的生态理念；以食物网为切入点，考查生态系统的物质循环与能量流动的相互关系；以物质循环、能量流动等相关图解为背景，考查生态系统的物质循环与能量流动的特点，进而关注可持续发展、外来物种入侵等问题。
2．考查题型：选择题或非选择题，以非选择题为主，属中档题。
知识点一 生态系统的能量流动
如图表示能量在两个营养级之间的流动过程
(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？
答案：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？
答案：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。
知识点二 生态系统的物质循环
下面三幅图均为碳循环常见模型，请填出三幅图中生产者、大气CO2库、消费者及分解者。
生产者：图1______，图2______，图3______
大气CO2库：图1______，图2______，图3______
分解者：图1______，图2______，图3______
消费者：图1______，图2______，图3______
提示：A A E B C A D E C C B(一级消费者)、D9二级消费者) F、D、B(依次为一级、二级、三级消费者)
1．判断有关能量流动叙述的正误
(1) (2015·海南卷)草原生态系统中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 (×)
(2) (2014·天津卷)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 (×)
(3) (2014·江苏卷)生态系统中能量的初始来源只有太阳能 (×)
(4)流经生态系统的总能量是照射在生产者上的太阳能 (×)
(5)生态系统中生产者得到的能量必然大于消费者得到的 (√)
(6)流经第二营养级的总能量指次级消费者摄入体内的能量。(×)
2．判断有关生态系统物质循环叙述的正误
(1) (2014·江苏卷)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 (√)
(2) (2014·海南卷)秸秆经土壤微生物分解后可被农作物再利用 (√)
(3)光合作用推动碳循环过程，促进了生物群落中的能量循环 (×)
(4)碳在生物群落与无机环境之间的循环主要以CO2的形式进行 (√)
(5)植物可通过呼吸作用和光合作用参与生态系统的碳循环 (√)
一、选择题
1．(2015·江苏卷改编)研究人员在不同季节对一小型湖泊水体进行采样，调查浮游藻类的数量和种类，结果如下图所示。下列叙述不符合生态学原理的是( )
A．温度是影响该水体中藻类种群变化的重要因素
B．如果该水体发生富营养化，藻的种类会有所增加
C．夏季可能是该湖泊中浮游动物种类最多的季节
D．浮游藻类中的能量大约有10%～20%进入浮游动物
解析：不同季节的温度不同，则不同水体中藻类种群不同，是影响水体中藻类种群变化的重要因素，A正确；该水体发生富营养化，则藻类大量繁殖，数量增加，种类不一定增加，B错误；图示表明夏季藻类种类最多，以藻类为食的浮游动物种类可能最多，C正确；浮游藻类的能量大约有10～20%进入浮游动物，D正确。
答案：B
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．保持生物群落的单一性
B．使物质和能量尽快地流动
C．保持生态平衡
D．调整能量在生态系统中的流动方向
解析：清除田间杂草和鱼塘中肉食性的“黑鱼”，让能量更多地流向农作物和鱼塘中所养殖的鱼类，即使能量持续高效地流向对人类最有益的部分。
答案：D
3．如图为某生态系统的能量流动简图，下列叙述错误的是( )
A．甲是生产者，乙是消费者
B．该生态系统是一个开放的系统
C．能量通过光合作用固定并进入系统，主要以热能的形式输出
D．甲、乙和分解者所贮存的能量之和是输入该生态系统的总能量
解析：甲能固定太阳能，是生产者，乙以甲为食，是消费者。该生态系统的能量有输出，故该生态系统是一个开放的系统。太阳能必须经过生产者的光合作用或化能合成作用转化成化学能才能进入生态系统并开始流动，生态系统的能量主要以热能的形式输出。生产者所固定的太阳能是流经该生态系统的总能量，除甲、乙和分解者所贮存的能量之和外，还有呼吸作用散失的能量。
答案：D
4．在一般情况下，下列关于生态系统中物质循环的主要渠道的图解，正确的是( )
解析：本题考查生态系统的物质循环。由于生产者和分解者接通了生物群落与无机环境的通道，生产者通过光合作用或化能合成作用，利用光能或氧化无机物释放的能量，将无机物合成有机物，这样无机环境中的物质进入生物群落，流经各级消费者，最后被分解者分解，又将有机物转化成无机物归还无机环境。
答案：A
5．在某水生生态系统中，分布有水鸟、藻类、芦苇等动植物，某些水鸟具有秋季迁徙的习性。下列叙述错误的是( )
A．该水生生态系统的物种数量随季节而发生变化
B．减少芦苇和藻类后，输入该水生生态系统的能量维持不变
C．藻类和芦苇等生产者固定的能量是流经该生态系统的总能量
D．该水生生态系统动植物残体被微生物分解后可产生含氮化合物
解析：本题主要考查生态系统中能量沿食物链和食物网流动的相关知识。该水生生态系统某些水鸟具有秋季迁徙的习性，直接影响物种的数量，A正确。芦苇和藻类为该生态系统的生产者，减少芦苇和藻类后，输入该水生生态系统的能量减少，B错误。藻类和芦苇等生产者固定的能量就是流经该生态系统的总能量，C正确。该水生生态系统中动植物残体含有蛋白质、核酸等含氮成分，被微生物分解后可产生含氮化合物，D正确。
答案：B
6．(2016·郑州模拟)如图是描述某种生命活动的模型，下列叙述正确的是( )
A．若A代表兔同化的能量，a代表兔摄入的食物，则b、c可分别代表被下一营养级摄入和排便的能量流动途径
B．若A代表叶绿体的类囊体，a代表光，则b、c可分别代表该场所产生的[H]和O2、ADP
C．若A为调节中枢，a为渗透压升高，则b、c可分别代表抗利尿激素的减少和产生渴觉
D．若A代表人体B细胞，a为抗原刺激，则b、c可分别代表浆细胞以及记忆细胞的形成
解析： 若a代表兔摄入的食物，A代表兔同化的能量，则b、c可分别代表被呼吸作用消耗的能量以及生长、发育和繁殖的能量，A错误；若a代表光，A代表叶绿体类囊体膜，则b、c可分别代表光反应产生的[H]和O2、ATP，B错误；若a为渗透压升高，A为下丘脑调节中枢，则b代表抗利尿激素增加，而渴觉中枢在大脑皮层，C错误；若a为抗原刺激，A代表人体B细胞，则B细胞增殖分化形成浆细胞和记忆细胞，D正确。
答案：D
7．下图是某生态系统能量流动示意图，有关叙述正确的是( )
A．发生X1过程的生物是具有叶绿体的生物
B．X3过程表示第二营养级摄入有机物中的能量
C．初级消费者粪便中的能量通过Z2传递给分解者加以利用
D．初级消费者到次级消费者的能量传递效率可用X3/X2表示
解析：能利用太阳能固定CO2的生物也包括没有叶绿体的蓝藻等原核生物，A错误；X3表示第三营养级同化的能量，B错误；初级消费者粪便中的能量通过Z1传递给分解者加以利用，C错误；能量传递效率为下一营养级同化的能量占上一营养级同化能量的比例，D正确。
答案：D
8．(2016·南昌模拟)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是初级消费者
B．Ⅳ为分解者
C．E1为Ⅰ所固定的太阳能，E2为热能
D．能量可在食物链中循环利用
解析：能量金字塔中Ⅰ表示生产者，Ⅱ、Ⅲ和Ⅳ表示消费者，分别代表第二、三、四营养级，食物链可表示为Ⅰ→Ⅱ→Ⅲ→Ⅳ；该生态系统的全部能量为Ⅰ所固定的太阳能，用E1表示，E2表示各营养级由于呼吸作用产生的热能；能量在食物链中只能单向传递，并且随营养级的升高逐级递减。
答案：C
二、非选择题
9．(2015·课标全国Ⅱ卷)某生态系统总面积为250 km2，假设该生态系统的食物链为甲种植物→乙种动物→丙种动物，乙种动物种群的K值为1 000头。回答下列问题：
(1)某次调查发现该生态系统中乙种动物种群数量为550头，则该生态系统中乙种动物的种群密度为______________；当乙种动物的种群密度为____________时，某种群增长速度最快。
(2)若丙种动物的数量增加，则一段时间后，甲种植物数量也增加，其原因是______________________________________________。
(3)在甲种植物→乙种动物→丙种动物→食物链中，乙种动物同化的能量________(填“大于”、“等于”、或“小于”)丙种动物同化的能量。
解析：(1)550头/250 km2＝2.2头/km2，种群数量达到K/2时，增长速度最快，即：(1 000头/2)/250 km2＝2头/km2。(2)由甲种植物→乙种动物→丙种动物分析可知，当丙种动物增多时，捕食的乙种动物增多，导致乙种动物数量下降，乙种动物数量下降，捕食的甲种植物减少，导致甲种植物数量增多。(3)依据能量传递的特点：单向流动、逐级递减可推知乙种动物同化的能量大于丙种动物同化的能量。
答案：(1)2.2头/km2 2头/km2 (2)由于乙种动物以甲种植物为食，丙种动物的数量增加导致乙种动物的数量减少，从而导致甲种植物数量增加(其他答案合理也可) (3)大于
10．(2015·海南卷)回答下列关于红树林生态系统的问题：
(1)红树林具有调节气候、保护海岸的作用。从生物多样性价值的角度分析，这种作用所具有的价值属于________(填“间接”或“潜在”)价值。
(2)某红树林生态系统的碳循环如图所示。图中A是一种气体，B、C、D、E和F表示生物成分，箭头表示碳流动的方向。
图中A表示________，生物成分E表示________。生物成分F表示________，______表示初级消费者。
解析：(1)红树林具有调节气候、保护海岸的作用，属于生物多样性的间接价值，也叫生态功能。(2)分析图形可知，图中A是大气中CO2库，E与A之间为双向箭头，说明E是生产者；C以E为食是初级消费者，B是次级消费者，D是三级消费者；各种生物的能量均流向F，且F能将生物群落的有机碳分解为CO2释放到大气中，所以F是分解者。
答案：(1)间接 (2)CO2 生产者 分解者 C
11．(2016·开封模拟)为防治果园内蝽虫等植食性害虫，减少农药的使用，有人尝试在苹果园的株间种植矮小的白三叶草。对比研究苹果—白三叶草复合果园和苹果单一果园中各类昆虫所占的百分比，结果如图。请回答：
(1)据图甲分析，复合果园中蝽虫等植食性害虫明显减少，生态稳定性得以提高，从种间关系的角度分析原因，这可能是随__________________的比例增加，通过______________等种间关系来消灭害虫。
(2)若要了解蝽虫等植食性害虫的繁殖情况，需要进一步调查卵的种群密度，通常采用方法是________。
(3)白三叶草耐阴性好，营养丰富，可作为饲料或绿化观赏，选它跟苹果搭配种植，利于提高果园对________利用率，使能量尽可能多的流向对人类有益的部分。
(4)图乙示能量流经该果园第二营养级的示意图，请用恰当的箭头和文字将图乙补充完整。
解析：(1)据图甲分析，复合果园中蝽虫等植食性害虫明显减少，生态稳定性得以提高，从种间关系的角度分析原因，这可能是随着肉食性和寄生性昆虫的比例增加，通过捕食和寄生等种间关系来消灭害虫。(2)若要了解蝽虫等植食性害虫的繁殖情况，需要进一步调查卵的种群密度，通常采用方法是样方法。(3)白三叶草耐阴性好，营养丰富，可作为饲料或绿化观赏，选它跟苹果搭配种植，利于提高果园对光能利用率，使能量尽可能多的流向对人类有益的部分。(4)图乙表示能量流经该果园第二营养级的示意图，将其补充完整。
答案：(1)肉食性和寄生性昆虫 捕食和寄生 (2)样方法 (3)光能
(4)如下图
12．研究发现，每升天然水中含0.01 mg汞或者0.1 mg的杀虫剂，就会对人体造成危害。某研究小组开展了某湖泊中环境问题的研究，他们首先选取了该湖泊中5种不同的生物A、B、C、D、E，并对其进行消化道内食物组成的分析；然后又请当地湖泊研究所的专家对这5种生物体内2种污染物的含量进行了测定，结果如下表所示。分析回答：
(1)画出表中生物可能形成的食物链(网)。
河蚌(B)和水蚤(E)的关系是__________。
(2)若C中的能量不变，将B的食物比例由C∶E＝1∶1调整为2∶1，能量传递效率按10%计算，该生态系统传递给B的能量是原来的______倍。
(3)如图为该湖泊生态系统参与碳循环的示意图，甲、乙、丙、丁代表生态系统的4种成分，图中碳以CO2形式流动的是____________(填序号)，①的生理作用主要是____________，丙在该生态系统中所属的成分为____________。
(4)分析上表，你认为这一湖泊面临的主要环境问题是什么？________________________________。针对这一问题，你将提出怎样的保护或改善建议？_______________________________________。
解析：(1)先确定小球藻为生产者，再根据消化道中的食物组成确定消费者的类型(初级，次级……)，最后写出具体的食物链(网)。(2)B的食物比例为C∶E＝1∶1时，设B中的能量为x，则需要C的能量为(1/2)x÷10%＋(1/2)x÷10%÷10%＝55x；B的食物比例为C∶E＝2∶1时，设B中的能量为y，则需要C的能量为(2/3)y÷10%＋(1/3)y÷10%÷10%＝40y；据题意C中的能量不变，则55x＝40y，y/x＝1.375。(3)据图可知甲为生产者，乙为消费者，丙为分解者，丁为非生物成分(大气中的CO2)。①过程为生产者的光合作用，②为生产者的呼吸作用。在甲、丁之间碳是以CO2的形式循环的，即①②过程。消费者的呼吸作用和分解者的分解作用均以CO2的形式进入大气中，即⑤和⑥以CO2的形式进入大气中。(4)根据表格所示，污染物为重金属离子(汞)和杀虫剂，可以从源头上、污染后的处理方法等方面考虑，此空为开放性的问题，合理即可。
答案：(1)
捕食和竞争
(2)1.375 (3)①②⑤⑥ 光合作用 分解者 (4)重金属离子(汞)和杀虫剂污染 防止重金属离子、杀虫剂等有害物质进入水体(其他合理答案也可)
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