生态环境系统的能量流动导学案

生态系统的能量流动

1．生态系统的组成成分包括生产者、消费者、分解者、非生物的物质和能量，各组成成分间相互作用形成一个统一的整体。

2．生态系统的营养结构是食物链和食物网。生态系统的主要功能是能量流动和物质循环，就是沿着此渠道进行的。

3．绿色植物通过光合作用把太阳能转化为有机物中稳定的化学能，化能自养生物则通过化能合成作用把氧化无机物时释放的化学能转化为有机物中稳定的化学能。

4．生物通过呼吸作用把有机物中稳定的化学能释放出来，大部分以热能形式散失，少部分储存在ATP中。

5．在“草→兔→狼”这条食物链中，草通过光合作用固定了太阳能，属于第一营养级。兔生命活动需要的能量来自于草，属于第二营养级，初级消费者。狼生命活动需要的能量来自于兔，属于第三营养级，次级消费者。

课堂导入

下图是世界排名第一的羽毛球运动员林丹，他在比赛前要摄入大量营养物质，有能量的输入；在比赛过程中，有能量的转化和散失。一切生命活动都伴随着能量的变化，没有能量的输入，也就没有生命和生命系统。生态系统中能量的输入、传递、转化和散失过程如何呢？

探究点一能量流动的过程

黑麦草是一年生或多年生草本植物，是重要的栽培牧草和绿肥作物。下图是山羊吃黑麦草的图片，请分析山羊和黑麦草的能量流动过程。

1．观察黑麦草的能量去向，分析：

(1)A是通过光合作用完成的，该过程使光能转化成化学能，以有机物的形式储存在黑

麦草体内。

(2)B是通过呼吸作用为生长发育提供能量，这个过程产生的能量大部分以热能的形式

散失掉了。

(3)C过程中，枯枝落叶中的有机物被分解者分解为无机物，能量被释放。

(4)D是指部分能量被山羊通过捕食摄入体内，最终同化为自身的能量。

(5)能量流动过程中，我们经常以种群作为整体研究对象，请完成下图并归纳能量流动

的概念。

生态系统的能量流动是指生态系统中能量的输入、传递、转化和散失的过程。

2．结合上述内容完成能量流经第二营养级的示意图

3．结合1、2，概括生态系统能量流动示意图，请据图分析：

(1)能量的输入

①源头：太阳能或氧化无机物产生的化学能。

②相关生理过程：光合作用或化能合成作用。

③能量转换形式：光能或氧化无机物产生的化学能→有机物中的化学能。

④输入总量：生产者固定的全部能量。

(2)能量的传递

①传递途径：食物链和食物网。

②传递形式：有机物中的化学能。

(3)能量的散失

①形式：热能。

②一般途径：呼吸作用，包括各个营养级自身的呼吸消耗以及分解者的呼吸作用。

③特殊途径：动植物遗体形成煤炭、石油等，经过燃烧放出热能。

小贴士同化量和摄入量的比较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。消费者产生的粪便中的能量属于上一营养级。

归纳提炼

某营养级(消费者)的能量变化理解简图

活学活用

1．结合探究点一中3的生态系统能量流动示意图判断：

(1)当狼吃掉一只兔子时，就获得了兔子的全部能量()

(2)初级消费者的粪便量属于第二营养级能量()

(3)同化量≠用于生长发育和繁殖的能量 ( ) (4)呼吸作用所产生的能量都是以热能的形式散失 ( ) (5)分解者的分解作用也是通过呼吸作用完成的 ( ) (6)能量a ＝e ＋b ＋I

( ) (7)箭头a 代表生产者的同化量，方框②代表初级消费者的摄入量

( )

(8)生态系统中的能量流动和转化不遵循能量守恒定律，总量越来越少( ) (9)流经该生态系统的能量能够重新再回到这个生态系统，被重复利用( ) 答案 (1)× (2)× (3)√ (4)× (5)√ (6)√ (7)× (8)× (9)×

解析 (1)狼排出粪便中的能量属于兔子，未被狼获得。(2)初级消费者的粪便量属于第一营养级的能量。(4)呼吸作用所产生的能量一部分储存在ATP 中，其余以热能的形式散失。(7)方框②代表初级消费者的同化量。(8)生态系统中的能量流动和转化遵循能量守恒定律。(9)能量流动的特点是单向流动、逐级递减的，不能重复利用。 探究点二 能量流动的特点及相关计算

美国生态学家林德曼对一个结构相对简单的天然湖泊——赛达伯格湖的能量流动进行了定量分析，得出了如图所示的数据[单位：J/(cm 2·a)]，请完成以下分析：

1．由图得知

(1)经过长期的自然选择，食物链中各营养级的顺序是不可逆转的。 (2)各营养级的能量总是趋向于以呼吸作用产生热能而散失掉，无法再利用。

因此，能量流动的方向是单向的，只能从上一个营养级流向下一个营养级，不可逆转，也不能循环流动。

2．能量传递效率计算公式为：相邻两个营养级的传递效率＝下一营养级同化量

上一营养级同化量

×100%，

请将图中各营养级的“输入”能量和“输出”到下一个营养级的能量整理出来填在表格中，并计算相邻营养级之间的传递效率。[J/(cm 2·a)]

3.由

(1)各营养级的生物都会因呼吸作用而消耗掉相当大一部分能量。

(2)各营养级的生物中总有一部分能量未被下一营养级的生物所利用。

(3)还有少部分能量随着残枝败叶或遗体等直接传递给了分解者。

因此，输入各营养级的能量不可能百分之百地流入下一营养级，能量在沿食物链流动过程中是逐级递减的。

4．由2中传递效率可以看出，能量在相邻两营养级间的传递效率大约是10%～20%。若将单位时间内各营养级所得到的能量、每个营养级有机体的数量及单位空间内各营养级的生物量数值绘制成金字塔，如下面图表所示。

通常为正金字塔形，

有时会出现倒金字塔

形，如成千上万的昆

虫以一株树为生

一般呈正金字塔形，

有时会出现倒金字塔

形，如某一时间浮游

植物的生物量(用质

量来表示)可能低于

浮游动物的生物量

个营养级的原因：生态系统中能量流动的传递效率一般是10%～20%，营养级越多，能量的消耗就越多，所剩能量往往不能维持一个新的营养级。

5.下图是某一食物网的示意图：

(1)如果A增重100千克，①C最多增重4千克。②C最少增重0.01千克。

(2)如果C增重1千克，①至少需消耗A25千克。②最多需消耗A10_000千克。

(3)如果C从B、F中获得的能量比为3∶1，C增重1千克，则最少需要消耗A175千克。

小贴士（1）“未利用”能量如：多年生植物上一年自身生长发育的净积累量；未来得及分解，被埋藏在地下形成的煤炭、石油等能量。

（2）能量传递效率是指相邻两营养级间，而不是种群，更不是个体。

（3）一般来说，在以低营养级生物为主的生态系统中，传递效率可以低于10%；仅在特殊条件下，某传递效率有可能高于20%，时间过长将导致生态系统被破坏。

（4）能量传递效率相关计算中，有时用生物量质量等来代表生物所含有的能量。归纳提炼

能量流动的极值计算

(1)能量在食物链中传递的计算

①在一条食物链中若某一营养级的总能量为n，则最多传到下一营养级的能量为0.2n，

最少为0.1n。

②在一条食物链中，某一营养级的能量为n，需要前一营养级的能量至少为n÷20%＝5n，

最多为n÷10%＝10n。

(2)能量在食物网中传递的计算，设食物链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营养级至少增重

多少

传递效率取10%X×(10%)4＝Y

养级食物来源有没有具体分配，若有就不能选最短或最长的食物链，而要按分配情况逐一计算，然后相加。

活学活用

2．如图为某生态系统中能量流动图解部分示意图，①②③④各代表一定的能量值，下列各项中正确的是()

A．①表示流经该生态系统内部的总能量

B．一般情况下，次级消费者增加1 kg，生产者至少增加100 kg

C．生物与生物之间的捕食关系一般不可逆转，所以能量流动具有单向性

D．从能量关系看②≥③＋④

问题导析(1)生产者固定的太阳能的总量是流经该生态系统的总能量，所以①不表示(表示、不表示)流经该生态系统内部的总能量。

(2)次级消费者增加1 千克，求生产者至少增加多少千克，传递效率应取20%。

(3)图中次级消费者的能量去路还可能有通过次级消费者呼吸作用散失的热能、未利用

能量，所以②与③＋④的大小关系为②>③＋④。

答案C

解析①仅仅是流经该生态系统内部总能量的一部分；次级消费者增加1 kg，生产者至少增加25 kg；从能量关系上看，②>③＋④。

探究点三研究能量流动的实践意义

某市在落实“禁烧秸秆”工作的过程中，化“堵”为“疏”，引导农民设计建立了如下生态系统模式图，阅读教材思考如下问题：

1．相比农作物秸秆直接燃烧，上述生态系统实现了农作物中能量的多级利用，提高了能量利用率。这说明：研究生态系统的能量流动，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．有人说：“由于上述生态系统是人工设计，所以其中营养级之间能量的传递效率可由人类任意控制。”你认为对吗？

答案不对。

3．在上述生态系统中，人们为提高农作物的产量，要经常到田间除草、灭虫、灭鼠。这样做的目的是合理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。

小贴士能量传递效率与能量利用效率的比较

（1）能量传递效率：计算公式为：能量传递效率＝下一营养级同化量/上一营养级同化量×100%，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：流入最高营养级的能量占生产者能量的比值。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，因此食物链越短，能量利用效率越高。

归纳提炼

根据生态系统的能量流动规律，在实际生产生活中借鉴以下措施

(1)尽量缩短食物链。

(2)充分利用生产者。

(3)充分利用分解者，如利用秸秆培育食用菌、利用植物残体生产沼气等。

活学活用

3．在社会主义新农村建设中，四川某地通过新建沼气池和植树造林，构建了新型农业生态系统(如图所示)。请判断下列说法的正误：

(1)该生态系统中，处于第二营养级的生物有人和家禽、家畜()

(2)该生态系统中，人的作用非常关键，植物是主要成分()

(3)该生态系统的建立，提高了各营养级间的能量传递效率()

(4)微生物也能利用农作物通过光合作用储存的能量()

(5)多途径利用农作物可提高该系统的能量利用率()

(6)沼渣、沼液作为肥料还田，使能量能够循环利用()

(7)沼气池中的微生物也是该生态系统的分解者()

(8)沼气可以用来作燃料或者取暖，是“低碳经济，低碳生活”很好的体现

()答案(1)√(2)√(3)×(4)√(5)√(6)×(7)√(8)√

解析能量只能单向流动，逐级递减。在食物网相邻营养级之间传递效率并没有改变，改变的只是能量利用率。

1．根据生态学的原理，要使能量流经食物链的总消耗最少，人们应采取哪一种食物结构

() A．以家禽的蛋类为主

B．以淡水养殖的鱼、虾为主

C．以谷物和植物蛋白为主

D．以鸡、猪等家禽、家畜的肉类为主

答案C

解析根据能量流动逐级递减的原理，食物链越长，流经食物链的总能量损失越多。由此可知，以植物性产品为食的生物与植物(生产者)组成的共有两个营养级的食物链最短，能量在此种食物链流动时损失最少。

2.如图食物网中的华南虎体重每增加1 kg，至少需要消耗植物()

A．10 kg B．25 kg

C．50 kg D．100 kg

答案B

解析解本题的关键有二：一是理解“至少”的含义，应按照能量传递效率20%计算；

二是对图的理解，即图中的斑羚和野猪无需分开计算。华南虎体重增加1 kg，则至少需要消耗初级消费者(斑羚和野猪)5 kg，需要消耗生产者(植物)至少为25 kg。

3．“草→兔子→狐狸→狼”为某草原上的一条食物链，下列关于该食物链的说法中，正确的是()

A．该食物链中兔子是初级消费者、第一营养级

B．兔子产生的粪便不属于兔子的同化量，而是草固定的能量的一部分

C．根据能量金字塔可知，处于塔尖的狼，其个体体内的能量少于兔子个体体内的能量

D．狐狸捕食一只兔子，则该兔子体内的能量全部流向狐狸

答案B

解析生产者是第一营养级；兔子的粪便不属于兔子的同化量；能量金字塔描述的是营养级之间的能量关系，不能简单等同于单个个体。

4．下图是对某湖泊的能量考查结果[单位：千焦/(厘米2·年)]，请据图回答：

(1)流经该生态系统的总能量主要是指________________，有____________________

千焦/(厘米2·年)。

(2)能量从第一营养级到第二营养级的传递效率约为________%，这说明了能量流动的特

点是________的，也就是说食物链越长，________越多。

(3)D(热能)是通过______________释放的能量。

(4)能量流动具有单向、不循环的特点，主要原因是由于生物不能在代谢中利用____

___________________________________________________________________。

答案(1)生产者固定的太阳能的总量0.46

(2)13.5逐级递减能量流失(3)呼吸作用(4)呼吸放出的热能

解析解答本题容易出现的问题是：①识图不准，分辨能力差，把487.28当成正确答案；②能量传递效率应该通过计算作答，不能填写10%～20%；③热能是通过各营养级生物的呼吸作用而释放出来的，这部分能量是不能再利用的，只能散失。“呼吸作用”

此时不能用“分解作用”或“代谢作用”来代替。