52生態(tài)系統(tǒng)的能量流動(教案)

1、高二生物必修3 生態(tài)系統(tǒng)的能量流動一、能量流動的概念：能量流動是指生態(tài)系統(tǒng)中的能量輸入、傳遞、轉(zhuǎn)化和散失的過程二、能量流動的過程1、能量流動的起點(diǎn)：從生產(chǎn)者經(jīng)光合作用所固定太陽能開始的，流經(jīng)生態(tài)系統(tǒng)的總能量是指生產(chǎn)者固定的太陽能的總量。生產(chǎn)者所固定的太陽能的總量=流經(jīng)這個生態(tài)系統(tǒng)的總能量，而流入到各級消費(fèi)者的總能量是指各級消費(fèi)者所同化的能量，排出的糞便中的能量不計入排便生物所同化的能量中。2、能量流動的渠道：生態(tài)系統(tǒng)的營養(yǎng)結(jié)構(gòu)食物鏈和食物網(wǎng)。能量在各營養(yǎng)級之間的流動主要是通過食物關(guān)系進(jìn)行的。對于初級消費(fèi)者所同化的能量，也是這三個去處。并且可以認(rèn)為，一個營養(yǎng)級所同化的能量呼吸散失的能量十被下一營

2、養(yǎng)級同化的能量十分解者釋放的能量。但對于最高營養(yǎng)級的情況有所不同，它所同化的能量呼吸散失的能量十分解者分解釋放的能量。5、流動的形式：以有機(jī)物的形式流動6、能量的轉(zhuǎn)化：光能生物體有機(jī)物中的化學(xué)能熱能7、能量的散失：熱能是能量流動的最終歸宿。（熱能是不能重復(fù)利用的，所以能量流動是單向的，不循環(huán)的。）三、能量流動的特點(diǎn)1、單向流動（1）單向流動是指能量只能從前一營養(yǎng)級流向后一營養(yǎng)級，而不能反向流動。（2）原因食物鏈中各營養(yǎng)級的順序是不可逆轉(zhuǎn)的，這是長期自然選擇的結(jié)果；各營養(yǎng)級的能量大部分以呼吸作用產(chǎn)生的熱能形式散失掉，這些能量是生物無法利用的。（3）對“能量流動是單方向不可逆”的理解從食物鏈角度，

3、能量由生產(chǎn)者固定開始，沿食物鏈逐級流動，到達(dá)最高營養(yǎng)級后，能量不能被生產(chǎn)者、上一個營養(yǎng)級再度利用。從能量代謝角度，能量貯存在有機(jī)物的化學(xué)鍵中，當(dāng)它釋放時，一部分轉(zhuǎn)變?yōu)樽杂赡埽梢宰鞴?；一部分轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮茚尫?。生物不能利用熱能，所以熱能就散失，自由能越來越少，能量越流越少，以致成為單向流動?、逐級遞減（1）逐級遞減是指輸入到一個營養(yǎng)級的能量不能百分之百地流入下一營養(yǎng)級，能量在沿食物鏈流動過程中逐級減少的。（2）原因：各營養(yǎng)級的生物都因呼吸消耗了大部分能量；各營養(yǎng)級總有一部分生物未被下一營養(yǎng)級利用，如枯枝敗葉。（3）能量傳遞效率：生態(tài)系統(tǒng)的為 10% 20% 的含義，是指一個營養(yǎng)級的總能量大約只有

4、 10% 20% 傳遞到下一個營養(yǎng)級。三、生態(tài)金字塔生態(tài)金字塔是能量金字塔、數(shù)量金字塔、生物量金字塔的總稱，這三者都是用來說明食物鏈中能量流動情況。不同的金字塔能形象地說明營養(yǎng)級與能量、生物量、數(shù)量之間的關(guān)系，是定量研究生態(tài)系統(tǒng)的直觀體現(xiàn)。能量金字塔是以各營養(yǎng)級所固定的總能量來表示的，它以熱力學(xué)為基礎(chǔ)，較好地反映了生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)能量流動的本質(zhì)。數(shù)量金字塔過高地估計了小型生物的作用，而生物量金字塔又過于強(qiáng)調(diào)了大型生物的作用，而能量金字塔所提供的情況較為客觀和全面。1、能量金字塔能量沿食物鏈流動時逐級遞減，營養(yǎng)級越多，消耗的能量就越多，因此可以將單位時間內(nèi)各個營養(yǎng)級的能量數(shù)值，由低到高繪制成圖，這樣就

5、形成一個正金字塔圖形，就叫做能量金字塔。在能量金字塔中，營養(yǎng)級別越低，占有的能量越多，反之，越少。能量金字塔絕不會倒置。從能量金字塔中可以看出：在生態(tài)系統(tǒng)中，營養(yǎng)級越多，在能量流動過程中消耗的能量就越多。而之所以呈現(xiàn)金字塔形，是因?yàn)橥ǔＧ闆r下，能量從上一個營養(yǎng)級傳遞到下一個營養(yǎng)級，平均傳遞效率為10%20%。 能量金字塔每一臺階的含義：代表食物鏈中每一營養(yǎng)級生物所含能量多少。能量金字塔形狀的象征含義：表明能量流動沿食物鏈流動過程具有逐級遞減的特性。2、數(shù)量金字塔（用生物體數(shù)目來表示）以每個營養(yǎng)級的生物個體數(shù)量為依據(jù)繪制的金字塔。但會出現(xiàn)有的生物個體數(shù)量很少而每個個體的生物量很大的情況，所以也會

6、出現(xiàn)倒置的現(xiàn)象。數(shù)量金字塔每一臺階的含義：表示每一營養(yǎng)級生物個體的數(shù)目。數(shù)量金字塔形狀的象征含義：因?yàn)樵诓妒虫溨?，隨著營養(yǎng)級的升高，能量越來越少，而動物的體形一般越來越大，因而生物個體數(shù)目越來越少。實(shí)例生物數(shù)量金字塔：人們對一片草地上的所有生物成員作了統(tǒng)計：三級消費(fèi)者（肉食動物、吃小鳥的鷹）3只次級消費(fèi)者（肉食動物、吃昆蟲的小鳥）354904只初級消費(fèi)者（草原動物、昆蟲）708624只生產(chǎn)者（野草）5842424株3、生物量金字塔（用質(zhì)量來表示）以每個營養(yǎng)級的生物量繪制的金字塔。但某些單細(xì)胞生物的生命周期短，不積累生物量，而且在測定生物量時是以現(xiàn)存量為依據(jù)的，所以在海洋生態(tài)系統(tǒng)中會出現(xiàn)倒置現(xiàn)象

7、，即出現(xiàn)浮游動物數(shù)量多于浮游植物。如海洋生態(tài)系統(tǒng)中，生產(chǎn)者浮游植物個體小，壽命短，又會不斷被浮游動物吃掉，因而某一時間調(diào)查到的浮游植物的生物量可能要低于其捕食者浮游動物的生物量，但這并不是說流過生產(chǎn)者這一環(huán)節(jié)的能量比流過浮游動物的要少。生物量金字塔每一臺階的含義：表示每一營養(yǎng)級現(xiàn)存生物的質(zhì)量，即有機(jī)物的總質(zhì)量。生物量金字塔的一般形狀：能量是以物質(zhì)形式存在的，因而每一營養(yǎng)級的生物量（現(xiàn)存生物有機(jī)物的總質(zhì)量）在一定程度上代表著能量值的高低，從這個意義上講，生物量金字塔的形狀一般同能量金字塔形狀相似。 以生物量金字塔為例，從“十分之一定律”這一理論上說，一個人若是靠吃水產(chǎn)品來增長1 kg體重的話，就

8、得吃10 kg魚，這10 kg魚要以100 kg浮游動物為食，而這100 kg浮游動物又要消耗1 000 kg浮游植物才能成活。這就是說，要有1 000 kg浮游植物才能養(yǎng)活10 kg魚，進(jìn)而才能使人增長1 kg體重。 總結(jié)只有能量金宇塔永遠(yuǎn)是底寬上尖的正金字塔形（即：能量金字塔絕不會倒置），數(shù)量金宇塔及生物量金字塔一般也是正金字塔形，但有時也會出現(xiàn)倒置的特殊形狀的金字塔。四、生物富集作用生物富集作用又叫生物濃縮，是指生物體通過對環(huán)境中某些元素或難以分解的化合物（如重金屬離子、不易分解的化學(xué)農(nóng)藥等），通過食物鏈會在各個營養(yǎng)級的生物體內(nèi)逐漸得富集起來（很容易積累到生物體的脂肪組織和肝臟中，不易分

9、解），在能量流動的渠道中，隨著營養(yǎng)級越高，生物體內(nèi)的這些物質(zhì)的濃度就越高。五、研究能量流動的意義可以幫助人們科學(xué)規(guī)劃，設(shè)計人工生態(tài)系統(tǒng)，使能量得到最有效的利用；可以幫助人們合理地調(diào)整生態(tài)系統(tǒng)中的能量流動關(guān)系，使能量持續(xù)高效地流向?qū)θ祟愖钣幸娴牟糠?。六、生態(tài)系統(tǒng)能量流動中的有關(guān)計算由于一般情況下能量在兩個相鄰營養(yǎng)級之間的傳遞效率是10%20%。故在能量流動的相關(guān)問題中，若題干中未做具體說明，則一般認(rèn)為能量傳遞的最低效率為10%，最高效率為20%。所以，在已知較高營養(yǎng)級生物的能量求消耗較低營養(yǎng)級生物的能量時，若求“最多”值，則說明較低營養(yǎng)級生物的能量按“最低”效率傳遞，若求“最（至）少”值，則說明

10、較低營養(yǎng)級生物的能量按“最高”效率傳遞。反之，已知較低營養(yǎng)級生物的能量求傳遞給較高營養(yǎng)級生物的能量時，若求“最多”值，則說明較低營養(yǎng)級生物的能量按“最高”效率傳遞，若求“最少”值，則說明較低營養(yǎng)級生物的能量按“最低”效率傳遞。這一關(guān)系可用下圖來表示 ：例題1下圖為某生態(tài)系統(tǒng)食物網(wǎng)簡圖，若E生物種群總能量為 ，B生物種群總能量為 ，從理論上計算，A貯存的總能量最少為（）A7.1×108 kJ B4.8×107 kJC5.95×107 kJD2.3×107 kJ【解析】由圖可知D為生產(chǎn)者，要使A獲得的能量最少，則必須保證三個條件，即：一是能量來源途徑最少；二

11、是能量傳遞效率最低（按10%算）；三是食物鏈要最長。故從理論上講，與A貯存的總能量最少相關(guān)的食物鏈不可能是DA，也不可能是DA、DECA同時存在，只能是DECA。為此，E的能量在傳遞給A的途徑中，只有確保：E在傳遞給B時用去的能量最多；E的總能量減去傳遞給B的后再傳給C時效率最低；C在傳遞給A時效率最低，結(jié)果才能使A獲得的能量最少。所以據(jù)此計算得A貯存的總能量最少為： （7.1×109 2.3×108÷10%）×10%×10%4.8×107 kJ故答案選B項(xiàng)。例題2已知某營養(yǎng)級生物同化的能量為1000kJ，其中95%通過呼吸作用以熱能

12、的形式散失，則其下一營養(yǎng)級生物獲得的能量最多為（）A200kJB40kJC50kJD10kJ【解析】本題具有較大的迷惑性，極易錯選A項(xiàng)。由于該營養(yǎng)級的能量95%通過呼吸作用以熱能的形式散失，故積累的能量只有5%，因而其最多也只有5%（即5%×100050kJ）的能量傳遞給下一營養(yǎng)級。因此答案選C項(xiàng)。例題3如果一個人食物有1/2來自綠色植物，1/4來自小型肉食動物，1/4來自羊肉，假如傳遞效率為10%，那么該人每增加1千克體重，約消耗植物（）A10千克B28千克C100千克D280千克【解析】解答本題時，首先應(yīng)畫出食物網(wǎng)，然后依據(jù)食物網(wǎng)和題干信息來解答。通過“植物人”這條鏈計算出消耗植

13、物的量為：0.5÷10%5千克；通過“植物植食動物小型肉食動物人”這條鏈計算出消耗植物的量為：0.25÷10%÷10%÷10%250千克；通過“植物羊人”這條鏈計算出植物的量為：0.25÷10%÷10%25千克。故要消耗植物的總量為280千克。（525025280）故此題的答案選D項(xiàng)。例題4如下圖簡化的草原食物網(wǎng)中，假如鷹的食物有2/5來自于兔，2/5來自于鼠，1/5來自于蛇。那么，鷹若增重20g，最多消耗多少克植物？最少消耗多少克植物？【解析】因?yàn)橐阎獥l件是最高營養(yǎng)級增加重量，以及鷹捕食兔、鼠、蛇的能量系數(shù)，最多消耗多少植物應(yīng)按10

14、（最低能量傳遞率）來計算?！爸参锿铭棥边@條食物鏈中，最多消耗植物為：同理，“植物鼠鷹”、“植物鼠蛇鷹”兩條食物鏈中，最多消耗植物分別為：80080040005600（g） 故共計5600 g。同理，“最少消耗多少植物”應(yīng)按20（最高能量傳遞率）來計算： 例題5在“棉花棉蚜食蚜蠅瓢蟲麻雀鷹”這條食物鏈中，如果食蚜蠅要有5 m2 的生活空間才能滿足自身的能量需求，則一只鷹的生活空間至少是（）A5×103 m2 B5×104 m2 C 53 m2 D54 m2 【解析】本題以生物的生活范圍來反映所具能量的大小。由題意可知鷹處于最高營養(yǎng)級，按能量最高傳遞效率可求出一只鷹至少所需的生

15、活空間為：（1÷20%÷20%÷20%）×5 54 m2 。答案選D項(xiàng)。例題6在能量金字塔中，如果生產(chǎn)者在光合作用過程中產(chǎn)生240mol的氧氣，其全部用于初級消費(fèi)者分解血糖，則其釋放并貯存在ATP中的能量最多有（ ）可被三級消費(fèi)者捕獲？A1.008×103 kJB5.016×103 kJC1.858×103 kJD2.008×103 kJ【解析】依據(jù)有氧呼吸反應(yīng)式，可知240mol的氧氣能分解40mol的葡萄糖，又由于每摩爾葡萄糖徹底氧化分解產(chǎn)生的能量有1161kJ轉(zhuǎn)移到ATP中，故初級消費(fèi)者產(chǎn)生的ATP中的能量最多有“1161×40×20%×20%1.858×103 kJ”被三級消費(fèi)者捕獲。答案選C項(xiàng)。補(bǔ)充能量流動與生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性能量流動效率能直接反映生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性，能量在傳遞過程中，若超過一定的限度，則容易引起種群的生長、繁殖或再生等的障礙，從而導(dǎo)致生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性的破壞，故在研究生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性時必須時刻關(guān)注能量流動效率。例題7某生態(tài)系統(tǒng)中初級消費(fèi)者和次級消費(fèi)者的總能量分別是W1和W2，當(dāng)下列哪種情況發(fā)生時，最有可能使生態(tài)平衡