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2021-2022高中生物 第5章 生态系统及其稳定性 2 生态系统的能量流动学案 新人教版必修3

2021-2022高中生物 第5章 生态系统及其稳定性 2 生态系统的能量流动学案 新人教版必修3

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- 16 -

第2节　生态系统的能量流动
课时素养目标
1.运用模型与建模思维，构建生态系统中能量流动过程模型图。(科学思维)
2.运用演绎与推理思维，分析生态系统中能量流动的特点。(科学思维)
3.基于对能量流动原理的学习，能利用能量流动规律，解决实践问题。(社会责任)
必备知识·自主学习
一、能量流动的概念和过程
1.概念：生态系统中能量的输入、传递、转化和散失的过程。
2.能量流动的过程：
(1)输入：生产者通过光合作用把太阳能转化为化学能，固定在生产者中。
(2)过程图解：

①补充图中标号代表的内容：
甲：生产者　乙：初级消费者　丙：次级消费者
丁：呼吸作用　戊：分解者
②据图总结流入每一营养级的能量最终去向：
a.通过自身呼吸作用以热能形式散失。
b.被下一营养级同化。
c.被分解者分解利用。
二、能量流动的特点和能量金字塔
1.特点：
(1)方向：生态系统中能量流动是单向的。
(2)能量在流动过程中逐级递减。
①原因：输入某一个营养级的能量中，只有10%～20%的能量能够流到下一个营养级，也就是说，能量在相邻两个营养级间的传递效率大约是10%～20%。
②计算公式：
相邻两个营养级间的能量传递效率=100%
2.能量金字塔：

(1)图中ABCD每层代表各个营养级获得的能量。
(2)最底层A代表第一营养级，以此类推，由低到高。
三、能量流动的意义
结合你对能量流动的意义的理解，判断正误(正确的打“√”，错误的打“×”)：
1.可以帮助人们科学规划、设计人工生态系统，使能量得到最有效的利用。(√)
2.能实现对能量的多级利用，从而大大提高能量的传递效率。 (×)
提示：能实现对能量的多级利用，从而大大提高能量的利用效率，传递效率一般只有10%～20%。
3.还可以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。 (√)
4.设计科学的生态系统可以实现对能量的循环高效利用。 (×)
提示：能量只能提高利用率，不能循环利用。
关键能力·合作学习
　知识点一 能量流动的过程分析 
1.能量流动过程：

2.能量流经第二营养级的过程分析：
(1)过程图解：

(2)相关分析：
①摄入量(a)=同化量(b)+粪便量(c)。
②同化量(b)=摄入量(a)-粪便量(c)
=呼吸消耗量(d)+用于生长、发育和繁殖的能量(e)
=呼吸消耗量(d)+流入下一营养级(g)+被分解者利用(f)+未被利用的量。
③用于生长、发育和繁殖的能量(e)=同化量(b)-呼吸消耗量(d)=流入下一营养级(g)+被分解者利用(f)。

1.拓展探究：植食性动物以生产者为食，流经植食性动物的总能量是不是植食性动物摄入体内的能量？请解释原因。(科学思维)
提示：不是。流入植食性动物的总能量应该是指植食性动物摄入体内并同化了的能量。
2.拓展探究：一种蜣螂专以植食性动物粪便为食，那么该种蜣螂是不是获取了植食性动物所同化的能量？请解释原因。(科学思维)
提示：不是。动物粪便中的能量是没有被同化的能量，属于上一营养级固定的能量；而蜣螂是以植食性动物的粪便为食，所以蜣螂获得的能量不是来自植食性动物，而是植食性动物的上一营养级，即生产者的能量。

生态学家林德曼对赛达伯格湖的能量流动进行了定量分析。如图为能量流动图解，图中数据的单位为J/(cm2·a)。下列说法错误的是(　　)

A.生产者固定的能量一部分流向植食性动物
B.生产者流入分解者的能量为12.5 J/(cm2·a)
C.肉食性动物粪便中的能量属于其同化的能量
D.“未利用”的能量包含在同化量中用于生长、发育和繁殖的能量中
【解题思维】

【解析】选C。生产者和植食性动物间存在捕食关系，生产者固定的能量一部分会流向植食性动物，A正确；第一营养级生产者同化量为464.6 J/(cm2·a)，第二营养级同化量为四个能量去向值相加，即12.6+18.8+29.3+2.1=62.8 J/(cm2·a)，生产者流入分解者的能量为464.6-62.8-96.3-293=12.5 J/(cm2·a)，B正确；动物粪便中所含能量不属于该动物的同化量，C错误；“未利用”是指同化量中除去自身呼吸消耗、分解者和下一个营养级生物利用之外剩余的能量，D正确。
【审答误区】
　(1)A、D选项易错点：对各营养级能量的来源与去向模糊。能量来源于上一营养级，能量的去向包括流向下一营养级、分解者分解利用、呼吸作用、未被利用。
(2)C选项易错点：对同化量的概念不清，每一营养级的同化量不包含本营养级的粪便。
【类题精练】
(2020·德州高二检测)如图表示桑基鱼塘生态系统部分能量流动，图中字母代表相应的能量。下列叙述错误的是 (　　)

A.图中B表示桑树呼吸作用散失的能量
B.图中的C可表示桑树用于生长、发育、繁殖的能量
C.如果C1表示蚕传递给分解者的能量，则B1表示未被利用的能量
D.图中D1/D可以表示第一营养级到第二营养级的能量传递效率
【解析】选D。总光合作用=净光合作用+呼吸作用，因此图中B表示桑树呼吸作用散失的能量，A正确。各营养级同化的能量，一部分用于呼吸作用消耗，还有一部分用于该营养级生长、发育和繁殖等，即图中的C可表示桑树用于生长、发育、繁殖的能量，B正确。如果C1表示蚕传递给分解者的能量，则B1表示未被利用的能量，C正确。图中D1/A可以表示第一营养级到第二营养级的能量传递效率，D错误。
【补偿训练】
根据生态系统能量流动过程分析，判断下列说法正确的是 (　　)
A.初级消费者粪便中的能量属于第二营养级的能量
B.同化量≠用于生长、发育和繁殖的能量
C.呼吸作用产生的能量都以热能的形式散失
D.每个营养级同化的能量都有一部分要流向下一营养级
【解析】选B。粪便中的能量属于上一营养级，初级消费者是第二营养级，因此初级消费者粪便中的能量属于第一营养级，A错误。某一营养级的同化量=呼吸消耗的能量+用于生长、发育和繁殖的能量，B正确。呼吸作用产生的能量大部分以热能的形式散失，少部分储存在ATP中，C错误。一般每个营养级生物同化的能量有四条去向：自身呼吸作用以热能的形式散失、传递给下一营养级(最高营养级没有此去向)、流向分解者、未被利用， D错误。
　知识点二 能量流动的特点 
1.能量流动的特点及原因分析：
(1)单向流动的原因。
①食物链中各营养级之间的捕食关系是长期自然选择的结果，是不可逆转的。
②各个营养级的生物通过呼吸作用散失的热能无法被重复利用，因此能量必须由太阳能不断予以补充。
(2)逐级递减的原因。
①各营养级的生物都会通过呼吸作用消耗大部分能量。
②各营养级的生物还有部分能量未被下一营养级利用(最终被分解者分解)。
③还有部分能量随遗体、残枝落叶流入分解者。
2.能量流动的计算：
在解决有关能量流动的计算问题时，首先要确定相关的食物链，然后注意题目中的“最多”“最少”“至多”“至少”等词语，从而确定使用10%或20%的能量传递效率来解决相关问题。
(1)设食物链为A→B→C→D→E，分情况讨论：
情景设置
提出的问题
计算思路
计算公式
E营养级
净增重Y
至少需要A
营养级多少
传递效率取20%
X×(20%)4=Y
至多需要A
营养级多少
传递效率取10%
X×(10%)4=Y
A营养级
净增重X
E营养级最多
增重多少
传递效率取20%
X×(20%)4=Y
E营养级最少
增重多少
传递效率取10%
X×(10%)4=Y
(2)同一条食物链不同环节间能量传递效率不同时，相关问题解决思路：
设在食物链A→B→C→D中，各营养级间的传递效率分别为a%、b%、c%，若现有A营养级生物的总质量为M，能使D营养级生物增重多少？
列式计算：M·a%·b%·c%=X，此时不再涉及“最多”“至少”等的问题。
(3)在食物网中涉及多条食物链的解决思路：

3.三种生态金字塔的比较：
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
塔图形
一般为正金字塔图形，有时会出现倒金字塔图形
一般为正金字塔图形
每一
阶的
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
象征
含义
能量沿食物链流动过程中具有逐级递减的特点
一般生物个体的数量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而逐级递减
分析
能量流动的过程中总是有能量的耗散，故能量流动逐级递减
成千上万只昆虫生活在一株大树上时，该数量金字塔的塔形也会发生变化：

浮游植物的个小命短，又不断被浮游动物吃掉，某一时间浮游植物的生物量(用质量表示)可能低于浮游动物的生物量：

——拓展探究
1.为什么食物链一般不超过五个营养级？(科学思维)
提示：食物链越长，营养级越多，能量流失就越多，到第五营养级时，可利用的能量已减少到仅能维持其生存的程度，到了第六、七营养级就不足以维持其生存了。
2.有人认为，生物中的农药或重金属与能量流动特点一样，在食物链中是逐级递减的，你认为这种说法对吗？为什么？(科学思维)
提示：不对。能量流动是按营养级来论的，而生物富集作用是按个体来论的。农药或重金属在食物链中存在富集现象，营养级越高，该物质浓度越高，与能量流动是相反的。

蚜虫是棉田中的常见害虫，引入瓢虫能有效治理蚜虫。研究人员对棉田生态系统的能量流动进行了研究，结果如表所示[单位为kJ/(cm2·a)]。下列说法中错误的是 (　　)
棉花同化的能量
蚜虫摄入的能量
蚜虫粪便中的能量
蚜虫呼吸作用散失的能量
蚜虫流入瓢虫的能量
150.6
47.8
25.4
15.2
3.36
A.蚜虫用于生长、发育和繁殖的能量为7.2 kJ/(cm2·a)
B.蚜虫和瓢虫之间的能量传递效率为15%
C.蚜虫粪便中的能量属于蚜虫流入分解者的能量
D.流经棉田生态系统的总能量大于150.6 kJ/(cm2·a)
【解题思维】

【解析】选C。蚜虫摄入的能量为47.8 kJ/(cm2·a)，粪便中的能量为25.4 kJ/(cm2·a)，则其同化量=47.8-25.4=22.4 kJ/(cm2·a)，蚜虫呼吸作用散失的能量为15.2 kJ/(cm2·a)，故其用于生长、发育和繁殖的能量=同化量-呼吸消耗的能量=22.4-15.2=7.2 kJ/(cm2·a)，A正确。蚜虫和瓢虫之间的能量传递效率=3.36÷22.4×100%=15%，B正确。蚜虫粪便中的能量属于上一营养级即棉花中的能量，不是蚜虫流入分解者的能量，C错误。流经棉田生态系统的总能量为生产者固定的太阳能，棉田生态系统中还有其他生产者，因此流经棉田生态系统的总能量大于150.6 kJ/(cm2·a)，D正确。
【审答误区】
本题易错点在于未明确每一营养级各种能量的关系。能量流动过程中关系如下：
①摄入的能量=同化的能量+粪便中的能量。
②一个营养级所同化的能量=呼吸消耗的能量+被下一营养级同化的能量+分解者利用的能量+未被利用的能量。
③消费者同化的能量=呼吸消耗的能量+用于生长、发育和繁殖的能量。
④用于生长、发育和繁殖的能量=分解者分解利用的能量+下一营养级同化的能量+未被利用的能量。
【母题追问】
(1)上题中，能否根据表中能量的多少推测对应的食物链？并设计对应食物链。
提示：可以。本题中食物链为：棉花→蚜虫→瓢虫。
(2)上题食物链中蚜虫和瓢虫的能量传递效率不能超过20%吗？为什么？
提示：不能超过。一般情况下，某一营养级10%～20%的能量流到下一营养级。

(2020·南通高二检测)如图所示的食物网中，戊的食物有1/2来自乙，1/4来自丙，1/4来自丁，且能量从生产者到消费者的传递效率为10%，从消费者到消费者的能量传递效率为20%。若戊体重增加20 g，需要消耗甲 (　　)

A.1 125 g　 　B.1 600 g　 　C.2 000 g　 　D.6 500 g
【解析】选C。甲为生产者，若戊体重增加20 g，在食物链甲→乙→戊中，需要消耗甲为(20×1/2)÷(10%×20%)=500 g；在食物链甲→丙→戊中，需要消耗甲(20×1/4) ÷(10%×20%)=250 g；在食物链甲→丙→丁→戊中，需要消耗甲(20×1/4) ÷(10%×20%×20%)=1 250 g。综上所述，共需要消耗甲：500+250+1 250=2 000 g，C正确。
【补偿训练】
如图为某生态系统能量流动示意图，下列说法正确的是 (　　)

A.图中A所固定的能量是B、C的能量之和
B.若C增加1 kg，则需要消耗A约42 kg
C.B营养级的个体数量一定多于C营养级的个体数量
D.若B的数量越多，则C获得的能量越少
【解析】选B。能量流动是逐级递减的，A所固定的能量大于B、C的能量之和，A错误；由图可知，A、B之间的传递效率为200/(200+175+875)=4/25，B、C之间的传递效率为30/200=3/20，则C增加1 kg，需消耗A为：1÷3/20÷4/25≈42 kg，B正确；B营养级的个体数量不一定多于C营养级的个体数量，数量金字塔有倒置现象，C错误；一定范围内，若B的数量越多，则C获得的能量越多，D错误。
核心素养·情境探究
【生活情境】调查发现小型湖泊中的绿藻、蓝藻是露斯塔野鲮鱼和罗氏沼虾的食物，罗氏沼虾又是露斯塔野鲮鱼的食物。图1表示不同体长的露斯塔野鲮鱼的食性相对值，图2表示绿藻和蓝藻对水体中N元素、P元素吸收量及其体内藻毒素含量。分析回答：

(1)若将体长为2.8 cm的露斯塔野鲮鱼增重2 kg，至少需要多少公斤藻类？(科学思维)
提示：由图1可知，体长为2.8 cm的露斯塔野鲮鱼的食物来源：植食性∶肉食性=1∶1，则增重2 kg，至少需要藻类(传递效率为20%) +=30 kg。
(2)该湖泊受到富含P元素的生活用水的污染，某科研小组提出生态治污的方案：首先培养藻类去除水体中的P元素。应该选择哪一种藻类？请给出理由。(生命观念)
提示：由图2可知，两种藻类去除水体中的P元素能力相同，但蓝藻中藻毒素量远高于绿藻，会对罗氏沼虾和露斯塔野鲮鱼造成危害，因此应选择的藻类是绿藻。
(3)藻类大量繁殖也会破坏环境，为此科学家投放体长大于4.2 cm的露斯塔野鲮鱼来控制藻类的数量。请解释其原因。(生命观念)
提示：体长大于4.2 cm的露斯塔野鲮鱼植食性比例高，能够控制藻类的数量，且食物链短，能量利用率高。
课堂检测·素养达标
1.生态系统中的能量流动是指能量的输入、传递、转化和散失的过程。下列关于能量流动的说法，不正确的是_______。 
①生态系统中能量的初始来源只有太阳能
②动物和植物遗体中存有的能量可能被分解者利用
③能量是从低级消费者向高级消费者流动的
④农民在农田中锄草、灭虫的主要目的之一是合理调整生态系统中能量流动的关系，使能量更多地流向对人类有益的部分
⑤能量流动的方向是可逆转的
⑥能量流动的渠道是生物群落
⑦输入生态系统的总能量远远少于投射到该区域的太阳能
⑧能量金字塔反映了生态系统各营养级的能量关系
【解析】选①⑤⑥。生态系统中能量的初始来源有太阳能(光合作用)和化学能(化能合成作用)，①错误；动物和植物遗体中存有的能量可以流向分解者，②正确；在生态系统中，能量是沿着食物链、食物网流动的，从低营养级向高营养级流动，③正确；农民在农田中锄草、灭虫的主要目的之一是合理调整生态系统中能量流动的关系，使能量更多地流向对人类有益的部分，这是研究能量
流动的意义，④正确；能量是单向流动的，不可逆转，⑤错误；生态系统中能量流动的渠道是食物链和食物网，⑥错误；太阳输送到地球的能量，绝大部分都被地球表面的大气层吸收、散射和反射掉，大约只有1%以可见光的形式，被生产者固定输入生态系统中，⑦正确；能量金字塔是以各营养级所固定的总能量来表示，反映的是生态系统各营养级的能量，⑧正确。
2.有关生态系统中食物链与能量流动的叙述，不正确的是 (　　)
A.能量沿食物链的流动是单向的
B.食物链越长，越高营养级获得的能量越少
C.初级消费者越多，次级消费者获得的能量越少
D.生物种类越多，生态系统中的食物链越多
【解析】选C。不管初级消费者的数量有多少，流入次级消费者的能量总在10%～20%，不存在上一营养级数量增多，流入下一营养级能量变少的特点。
3.(2020·咸阳高二检测)生态系统的能量金字塔表示的是 (　　)
A.营养级与能量的关系
B.各营养级能量利用率的关系
C.食物链中各营养级捕食量的关系
D.生物种类与能量的关系
【解析】选A。将单位时间内各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，叫做能量金字塔。根据定义可知，能量金字塔表示的是能量与营养级之间的关系。
4.(2020·鞍山高二检测)随着人口的急剧增长，生物圈受到的压力越来越大，为了减轻对生物圈的压力，人们应采取下列哪一项食物结构 (　　)
A.以植物性食物为主
B.以淡水养殖的鱼、虾为主
C.以禽类、蛋类为主
D.以猪等家畜的肉类为主
【解析】选A。为减小对生物圈的压力，人类应该减少食物的数量，但为了维持正常的生存，获得的能量不能减少，所以应该食用营养级较低的生物，即让食物链变得尽量短，以减少能量的流失，以最小的代价获得相同的能量。
5.(2020·石家庄高二检测)某人想同时养鼠和水貂，用鼠喂水貂，再用剥去皮的水貂喂鼠，这样可以实现能量的循环利用吗 (　　)
A.可以，因为这个系统会平衡
B.可以，因为用鼠喂水貂所损失的能量可以通过水貂喂鼠回收回来
C.不可以，因为不能用食肉动物喂养食肉动物
D.不可以，因为食物中大部分能量都散失了
【解析】选D。因为能量流动的特点是：单向流动、逐级递减。在用鼠喂水貂，再用剥去皮的水貂喂鼠的过程中，摄入的能量只有一部分被同化，并且同化的能量还要通过呼吸作用的方式将能量以热能的形式散失掉，因此不可以实现能量的循环利用。
6.(2020·北京高二检测)常规稻作指田间仅种植水稻，稻蟹共作指利用稻田养蟹。水稻田为河蟹提供了栖息场所，河蟹通过取食稻田虫子，减轻稻田虫害，河蟹的粪便可以作为肥料利于水稻生长。与常规稻作相比，从生态学角度对稻蟹共作模式的分析，错误的是 (　　)
A.使水稻和河蟹之间建立合作关系
B.使水稻和河蟹之间的能量循环流动
C.改变了稻田群落的物种组成
D.改变了稻田中食物网的结构
【解析】选B。水稻为河蟹提供了栖息场所，河蟹可以减轻稻田虫害并利于水稻生长，二者之间有合作关系，A正确。能量不能循环流动，只有物质能循环利用，B错误。稻蟹共作模式的群落物种丰富度明显增加，食物链和食物网也因此变得更为复杂，C、D正确。
7.某草原上存在食物链“草→野兔→蛇→鹰”。下列叙述正确的是 (　　)
A.蛇处于第三营养级，属于三级消费者
B.能量沿着这条食物链单向传递
C.兔子粪便中的能量属于兔子同化的一部分
D.鹰获得野兔同化能量的10%～20%
【解析】选B。蛇处于第三营养级，属于次级消费者，A项错误；能量沿着食物链单向传递，B项正确；兔子粪便中的能量不属于兔同化的部分，属于草同化的部分，C项错误；相邻营养级之间的能量传递效率为10%～20%，因此鹰获得野兔同化能量的1%～4%，D项错误。
8.如图是某生态系统中食物网简图，图中甲～庚代表各种不同的生物。请据图分析回答问题：

(1)此生态系统作为生产者的生物是_______，作为次级消费者的生物是_______。有_______条食物链。 
(2)生物甲与己的关系是_______。 
(3)该生态系统只表示了部分生物，图中未表示的成分有______________。 
(4)已知各营养级之间的能量转化效率为10%，若一种生物摄食两种前一营养级的生物，且它们被摄食的量相等，则丁每增加10 kg，需消耗生产者_______kg。 
(5)在生态系统中下一营养级不能得到上一营养级的全部能量，其原因包括(从下列备选答案中选择，填序号)_______。 
①部分能量被分解者利用
②各营养级生物体内的部分能量被自身呼吸作用消耗
③上一营养级的部分能量未被下一营养级利用
【解析】(1)食物网的开头是生产者，故戊是生产者，次级消费者在食物链的第三个环节，符合题意的是甲、乙、丁，图中有5条食物链，分别是戊→庚→丁→丙、戊→甲→丁→丙、戊→甲→乙→丙、戊→己→甲→丁→丙、戊→己→甲→乙→丙。
(2)甲与己具有捕食关系，除此以外它们都捕食戊，所以还有竞争关系。
(3)食物网只表示了生产者和消费者，没有分解者和非生物的物质和能量。
(4)流经丁的食物链有三条，即①戊→庚→丁；②戊→甲→丁；③戊→己→甲→丁，根据题意，丁增加10 kg体重应消耗50 kg庚和50 kg甲，则庚应消耗500 kg戊，甲除直接消耗250 kg戊外还需通过己消耗2 500 kg戊，三项合计为3 250 kg。
(5)在生态系统中下一营养级不能得到上一营养级的全
部能量，其原因包括：部分能量被分解者利用；各营养级生物体内的部分能量被自身呼吸作用消耗；上一营养级的部分能量未被下一营养级利用。
答案：(1)戊　甲、乙、丁　5
(2)竞争和捕食
(3)分解者和非生物的物质和能量
(4)3 250　(5)①②③