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第2节　生态系统的能量流动

第1课时　能量流动的过程及特点

[学习目标]　通过分析能量在各营养级间的流动情况和赛达伯格湖的能量流动，概述生态系统能量流动的过程和特点。

1．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．能量流动的过程

(1)第一营养级能量的输入和输出

①输入：生产者通过光合作用将太阳能转化为化学能，固定在有机物中。

②输出

a．在生产者的呼吸作用中以热能形式散失。

b.

(2)能量流经第二营养级的示意图

(3)生态系统能量流动的示意图

据图分析，流入各营养级(最高营养级除外)的能量的去路：

①通过自身呼吸作用以热能形式散失。

②流入下一个营养级。

③被分解者分解利用。

3．能量流动的特点

4．能量传递效率的计算

(1)计算公式

能量传递效率＝×100%。

(2)一般生态系统中相邻两个营养级间的能量传递效率为10%～20%。

5．生态系统维持正常功能的条件

任何生态系统都需要不断得到来自系统外的能量补充，以便维持生态系统的正常功能。

判断正误

(1)流经生态系统的总能量是照射在生产者上的太阳能(　　)

(2)散失的热能不可以被生产者固定再次进入生态系统(　　)

(3)当狼吃掉一只兔子时，就获得了兔子的全部能量(　　)

(4)蜣螂以牛粪为食，因此被牛同化的能量可流入蜣螂(　　)

答案　(1)×　(2)√　(3)×　(4)×

一、研究能量流动的基本思路

1．研究能量流经一个种群的情况，可以列举该种群中每一个个体的情况：

如果以个体为单位研究能量流动，有什么问题？

提示　以个体为研究对象，有很大的局限性和偶然性，如个体会死亡、数据可能不准确、不同个体之间的差异过大等。

2．如果将种群看作一个整体去研究能量流动，则可概括为下图形式，又会遇到什么问题？

提示　种群存在于复杂的食物网内，可能因食物网的复杂性而影响结果的准确性。

3．如果以一个营养级的所有种群作为一个整体来研究，下图表示能量流动的情况，这种方式有什么优点？

提示　能很好地避免以个体和种群为研究对象带来的不足，提高结果的准确性。

二、能量流动的过程

1．地球上几乎所有生态系统的能量都来自哪里？这些能量是如何输入生态系统的？

提示　来自太阳。生产者通过光合作用将光能转化为化学能，固定在有机物中。

2．绘图表示第一营养级的能量来源是什么，去路有哪些？并回答第一营养级的能量怎样传递到第二营养级？

提示　如图所示

储存在植物体中的能量，有一部分被初级消费者摄入体内，能量就流入了第二营养级。

3．下图为能量流经第二营养级的示意图，其中摄入量指植食性动物取食的总量，即食物总量；同化量是指该动物经过消化和吸收后转化为自身的能量。请据图写出二者之间的关系。

提示　同化量＝摄入量－粪便量。

4．分析、比较分别流入第一、第二营养级的能量的去路，归纳二者的共同点。

提示　输入这两个营养级的能量，一部分在呼吸作用中以热能的形式散失，另一部分用于其自身的生长、发育和繁殖等生命活动，储存在自身的有机物中。这些有机物中的能量一部分流向分解者，另一部分则被下一营养级摄入体内。

5．在生态系统中，能量流动大致可以概括为下图：

请思考：(1)初级消费者粪便中的能量是哪个箭头？

提示　由生产者流向分解者的箭头。

(2)哪个或哪些箭头代表初级消费者的同化量？

提示　①或②＋③＋④。

(3)哪些箭头代表初级消费者用于生长、发育和繁殖的能量？

提示　①－③或②＋④。

(4)生态系统中的能量流动和转化是否遵循能量守恒定律？

提示　遵循能量守恒定律。能量在生态系统中流动、转化后，一部分储存在生态系统(生物体的有机物)中，另一部分在呼吸作用中以热能的形式散失，两者之和与流入生态系统的能量相等。

三、定量研究能量流动的特点

1．阅读教材P56“思考·讨论”，设计表格，整理赛达伯格湖能量流动图解中的数据，计算“流出”该营养级的能量占“流入”该营养级能量的百分比(“流出”的能量不包括呼吸作用散失的能量)。

营养级

流入能量[J/(cm2·a)]

流出能量[J/(cm2·a)]

出入比



生产者

464.6

62.8

13.5%



植食性动物

62.8

12.6

20.1%



肉食性动物

12.6

－

－





2.流入某一营养级的能量，为什么不会百分之百地流入下一个营养级？

提示　流入某一营养级的能量除了流入下一营养级之外，还有：(1)一部分通过该营养级的呼吸作用散失；(2)一部分作为排遗物、遗体或残枝败叶被分解者利用；(3)一部分未被利用。

3．通过以上分析，请总结生态系统中能量流动的特点。

提示　生态系统中能量流动是单向的；能量在流动过程中逐级递减。

4．能量在流动过程中逐级递减，与能量守恒定律矛盾吗？为什么？

提示　不矛盾。能量在流动过程中逐级递减，指的是流入各个营养级的能量。能量守恒定律可以用于衡量流入某个生态系统的总能量，总能量＝储存在生态系统(生物体的有机物)中的能量＋被各个营养级的生物利用、散发至非生物环境中的能量。因此，虽然能量在流动过程中逐级递减，但总能量依然遵循能量守恒定律。

5．任何生态系统都需要不断得到能量补充，以便维持生态系统的正常功能，如人工鱼塘需要投喂饲料，此时流入鱼塘生态系统的总能量如何表示？

提示　生产者固定的太阳能＋人工投入的有机物中的化学能。

1．能量流动概念的理解

2．流入某一营养级的能量的来源和去路

(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各营养级同化量的去向(能量的最终去向)：

②短时间内，某营养级的生物不会被全部捕食或死亡，因此同化量的去向(某段时间内的能量去向)还应该包括未被利用的能量。即：

未被利用是指：在统计能量流动的时间段内，某一营养级生物的同化量中未被呼吸作用消耗，也未被下一营养级捕食或分解者利用的能量，有时还包括以化石燃料形式储存于地下未被人类开采的能量，还包括多年生植物上一年自身生长发育的净积累量。如草原中一批羊，羊吃草可以长大，在统计期间，有被狼捕食的，有死亡的，还有未死亡的(未利用)。

3．相关量的关系

(1)摄入量＝同化量＋粪便量。

(2)同化量＝摄入量－粪便量＝呼吸消耗量＋用于生长、发育和繁殖的能量＝呼吸消耗量＋流入下一营养级的能量＋被分解者利用的能量(＋未利用能量)。

(3)用于生长、发育和繁殖的能量＝同化量－呼吸消耗量＝流入下一营养级的能量＋被分解者利用的能量(＋未利用能量)。

4．能量流动的特点

(1)生态系统中能量流动是单向的，其原因是捕食关系是经过长期进化形成的，不可逆转，每一营养级呼吸作用散失的能量不能再被生物群落利用，因此无法循环。

(2)能量在流动过程中逐级递减，输入某一营养级的能量只有10%～20%能流入下一营养级，即能量传递效率为10%～20%，营养级越多，能量流动过程中损耗越多，因此食物链中的营养级一般不超过5个。

1．如图为生态系统中能量流动图解部分示意图(字母表示能量的多少)，下列叙述正确的是(　　)

A．图中b＝h＋c＋d＋e＋f＋i

B．生产者与初级消费者之间的能量传递效率为b/a×100%

C．“草→兔→狼”这一食物链中，狼粪便中的能量属于d

D．缩短食物链可以提高能量传递效率

答案　C

解析　摄入量＝同化量＋粪便量，因此图中b＝h＋c，A错误；生产者与初级消费者之间的能量传递效率为两个营养级的同化量之比，即c/a×100%，B错误；“草→兔→狼”这一食物链中，狼粪便中的能量未被狼同化，仍属于其上一个营养级的能量，即属于兔同化的能量的一部分，属于d，C正确；缩短食物链可以减少能量的损耗，但不能提高能量传递效率，D错误。

2．某同学绘制了如图所示的能量流动图解，下列叙述正确的是(　　)

A．生产者固定的总能量可表示为A1＋B1＋C1＋A2＋B2＋C2＋D2

B．初级消费者用于生长、发育和繁殖的能量为B2＋D2

C．初级消费者摄入的能量为A2＋B2＋C2

D．W1＝D1＋D2

答案　A

解析　生产者固定的总能量(W1)是流经该生态系统的总能量，W1＝A1＋B1＋C1＋D1，又因为D1＝A2＋B2＋C2＋D2，所以W1＝A1＋B1＋C1＋A2＋B2＋C2＋D2，A正确；初级消费者用于生长、发育和繁殖的能量为B2＋C2＋D2，B错误；初级消费者摄入的能量应大于其同化量，即大于A2＋B2＋C2＋D2，C错误；按最大能量传递效率20%计算，图中的D1＝W1×20%，D2＝D1×20%＝W1×4%，所以D1＋D2＝W1×24%，故W1>D1＋D2，D错误。

题组一　能量流动的过程

1．流经某一生态系统的总能量是(　　)

A．照射到该生态系统中的全部太阳能

B．该生态系统中所有生产者、消费者、分解者体内的能量

C．该生态系统中生产者体内的能量

D．该生态系统中生产者所固定的太阳能

答案　D

2．下图是某个农业生态系统的结构模式图，该图中表示生态系统能量流动的箭头是(　　)

A．①②③ B．①③⑤

C．①③④ D．①②③④⑤

答案　C

解析　图中的农作物的能量可以传递给鸡、猪、牛、人，而鸡、猪、牛的能量也可以传递给人，这是由食物链的方向决定的，所以①③④属于食物链中能量的传递，因此该图中表示生态系统能量流动的箭头是①③④。

3．(2022·**_*下图为生态系统能量流动的部分示意图，方框表示生物同化的能量，①②③④各代表一定的能量值。下列各项叙述中，错误的是(　　)

A．①表示流经生态系统的总能量

B．④不包括次级消费者的粪便

C．一般情况下，②为①的10%～20%

D．从能量大小看，②＞③＋④

答案　A

解析　流经生态系统的总能量是生产者固定的太阳能，①表示流入初级消费者的能量，A错误；图中次级消费者同化的能量是②，其粪便中的能量不包括在②中，而属于①，所以④不包括次级消费者的粪便，B正确；能量传递效率为10%～20%，所以一般情况下，②为①的10%～20%，C正确；②为次级消费者同化的能量，其去向除了④流向分解者、③流向下一营养级外，还有呼吸作用以热能形式散失和未被利用的能量，所以②＞③＋④，D正确。

4.(2022·**_*如图表示生态系统中甲、乙两个营养级的能量流动示意图，其中a～e表示能量值。下列有关叙述错误的是(　　)

A．乙粪便中食物残渣的能量包某某c中

B．乙用于生长、发育及繁殖的能量可表示为a－b

C．如果甲表示生产者，则流入该生态系统总能量是a＋e＋c

D．乙的同化量小于摄取量，同化量可表示为a＝b＋d

答案　D

解析　乙粪便中食物残渣属于甲同化的能量，包某某c中，A正确；乙用于生长、发育及繁殖的能量＝同化量－呼吸作用消耗的能量＝a－b，B正确；流入该生态系统的总能量＝生产者固定的太阳能＝a＋e＋c，C正确；乙的同化量除了b、d外，还包括传递给下一个营养级的能量，D错误。

题组二　能量流动的特点

5．(2022·**_*假设草固定的能量是一定的，下列哪个食物链(网)中鹰的个体数量最多(　　)

A．草→昆虫→青蛙→蛇→鹰

B．草→昆虫→田螺→食虫鸟→鹰

C.

D.

答案　C

解析　能量流动的特点是逐级递减、单向不循环。因此，营养级越高，能量散失越多，储能越少。在四个选项中，C中的鹰所处营养级最低，属于第三营养级，获得的能量最多，因此鹰的个体数量最多，故选C。

6．假设某初级消费者摄入的能量为a，其粪便中的能量为b，通过呼吸消耗的能量为c，用于生长、发育和繁殖的能量为d，则流入次级消费者的能量最多为(　　)

A．(a＋b)×20% B．(c＋d)×20%

C．(a－c)×20% D．(b－d)×20%

答案　B

解析　在该生态系统中，假设初级消费者摄入的能量为a，其中存在于粪便中的能量为b，说明初级消费者的同化量是a－b；而生态系统中的能量传递效率在10%～20%之间，因此，流入次级消费者的能量最多为(a－b)×20%。初级消费者通过呼吸消耗的能量为c，用于生长、发育和繁殖的能量为d，说明初级消费者同化的能量是c＋d；因此，流入次级消费者的能量最多也可以表示为(c＋d)×20%。

7．下图所示桑基鱼塘生态系统局部的能量流动图，图中字母代表相应的能量。下列有关叙述不正确的是(　　)

A．图中的b可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．图中的d1/d可表示第一营养级到第二营养级的能量传递效率

D．图中的c1若表示蚕传递给分解者的能量，则b1表示未被利用的能量

答案　C

解析　图中c(净光合作用量)＝a(总光合作用量)－b，b表示桑树呼吸作用散失的能量，c可表示桑树用于自身生长、发育和繁殖等生命活动的能量，A、B正确；图中d/a可表示第一营养级到第二营养级的能量传递效率，d1/d可表示第二营养级到第三营养级的能量传递效率，C错误。

8．(2022·**_*如图为某生态系统能量流动示意图[单位：J/(cm2·a)]。以下分析不正确的是(　　)

A．甲通过光合作用固定在有机物中的总能量为1 250 J/(cm2·a)

B．甲到乙的能量传递效率为16%

C．每一营养级的能量大部分用于呼吸作用和被丁某某

D．在此生态系统中，一只狼捕食一只野兔，获得的能量只能在10%～20%之间

答案　D

解析　甲通过光合作用固定在有机物中的总能量为175＋875＋200＝1 250 [J/(cm2·a)]，A正确；能量传递效率是指生物的同化量占上一营养级生物同化量的比值，甲到乙的能量传递效率为200÷1 250×100%＝16%，B正确；丁是分解者，每一个营养级的能量大多以呼吸作用散失，一部分传递给分解者，C正确；10%～20%是营养级之间的能量传递效率，一只狼捕食一只兔子，获得的能量不明确，D错误。

9．(2022·**_*某研究机构调查了一段时间内某热带雨林生态系统的能量流动情况，调查结果如表所示，其中A、B、C、D分别代表该生态系统各营养级的所有生物，GP代表各营养级的同化量，X代表用于生长、发育、繁殖的能量。下列叙述正确的是(　　)

能量类型

营养级

GP

X

R



A

25.2

6.7

18.5



B

3.9

0.8

3.1



C

214.3

78.5

135.8



D

1 678.6

635.7

1 042.9



分解者

369.8

50.1

319.7





注：表中能量数值单位为：108 kJ/(m2·a)。

A．表中R应代表各营养级生物呼吸作用消耗的能量，其中一部分会流向分解者

B．该时间段内，流入该生态系统总能量为2 289.8×108 kJ/(m2·a)，次级消费者流向三级消费者的能量传递效率约为15.5%

C．该生态系统中的食物链可用D→C→A→B来表示，由GP数值可知，能量传递逐级递减

D．分析表中数据可知，该时间段内此生态系统的总能量是增加的，且每个营养级能量的去向中R所占的比例最大

答案　D

解析　表中R代表各营养级生物呼吸作用散失的能量，该部分能量不会流向分解者，A错误；该段时间内，流入该生态系统的总能量为生产者固定的太阳能，即1 678.6×108 kJ/(m2·a)，次级消费者流向三级消费者的能量传递效率约为3.9÷25.2×100%＝15.5%，B错误；分析题意可知，A、B、C、D分别代表该生态系统各营养级的所有生物，因此该生态系统中某一营养级的所有生物不一定都以上一个营养级的某种生物为食，即某种生物不一定只占有一个营养级，故不能构成D→C→A→B的食物链，C错误；分析表中数据可知，该生态系统固定的总能量为1 678.6×108 kJ/(m2·a)，而生态系统所散失的能量为各营养级呼吸作用消耗的能量与分解者呼吸消耗的能量之和，即(1 042.9＋135.8＋18.5＋3.1＋319.7)×108＝1 520×108 kJ/(m2·a)，小于1 678.6×108 kJ/(m2·a)，所以该时间段内，此生态系统有机物的总量会增加，并且每个营养级能量的去向中R所占的比例最大，D正确。

10．(2022·**_*下图表示生态系统中各营养级能量的类型和去向(d 表示该营养级未被利用的能量)。下列叙述正确的是(　　)

A．在食物链中，各营养级获得能量的方式及能量的用途相同

B．图中a1、a2可表示生产者与消费者的呼吸量，且所占比例与实际基本相符

C．生产者到初级消费者的能量传递效率为b1/(a1＋b1＋c1＋d1)×100%

D．消费者从生产者摄取的能量数值可用b1表示，且此部分能量存在于有机物中

答案　D

解析　在食物链中，各营养级获得能量的方式及能量的用途不完全相同，如生产者是通过光合作用和化能合成作用利用光能或化学能将无机物转变为储存能量的有机物，而消费者是通过捕食获得储存能量的有机物进而同化得到能量，A错误；生产者固定的太阳能大部分被呼吸作用消耗，图中a1、a2可表示生产者与消费者的呼吸量，但所占比例与实际不符，B错误；b1为摄入量，生态系统中生产者到初级消费者的能量传递效率为：(a2＋b2＋c2＋d2)÷(a1＋b1＋c1＋d1)×100%，C错误；消费者从生产者摄取的能量数值(a2＋b2＋c2＋d2＋粪便量)即可用b1表示，且此部分能量存在于有机物中，D正确。

11．单向性集团内捕食作用是指不同天敌共享同一猎物，其中一种天敌捕食共同猎物的同时还捕食另一种天敌，被称为集团内捕食者，另一种天敌被称为集团内猎物。某生态系统中瓢虫与寄生蜂、蚜虫三者之间存在单向性集团内捕食作用，其中寄生蜂既是猎物又是捕食者。下列有关分析正确的是(　　)

A．瓢虫属于集团内猎物，寄生蜂属于集团内捕食者

B．瓢虫在该生态系统中占据第二、第三营养级

C．若移走寄生蜂，瓢虫获得的能量可能会增加

D．瓢虫通过寄生蜂获得的能量要比通过蚜虫获得的多

答案　C

解析　瓢虫和寄生蜂都以蚜虫为食，同时寄生蜂被瓢虫捕食，所以瓢虫属于集团内捕食者，寄生蜂属于集团内猎物，A错误；植物是第一营养级，根据题意分析的食物链(植物→蚜虫→瓢虫、植物→蚜虫→寄生蜂→瓢虫)可知，瓢虫在该生态系统中占据第三、四营养级，B错误；如果将寄生蜂移走，瓢虫的营养级降低，其获得的能量会增加，C正确。

12．下图为能量流经某生态系统第二营养级的示意图[J/(cm2·a)]，有关叙述正确的是(　　)

A．该生态系统第一营养级同化的能量至少为400 J/(cm2·a)

B．该生态系统的第一营养级流向分解者的能量是20 J/(cm2·a)

C．能量由第二营养级到第三营养级的传递效率是15%

D．第二营养级用于生长、发育和繁殖的能量是50 J/(cm2·a)

答案　A

解析　图中b表示该营养级同化的能量，即第二营养级同化的能量是80 J/(cm2·a)，按能量最高传递效率20%计算，第一营养级同化的能量至少为400 J/(cm2·a)，A正确；图中a为摄入量，其中20 J/(cm2·a)为流向分解者的粪便，其能量属于第一营养级，但该生态系统的第一营养级流向分解者的其他能量未知，B错误；由于第三营养级能量只知道摄入量 内容过长，仅展示头部和尾部部分文字预览，全文请查看图片预览。 _________，在人为干预下能量从第二营养级到第三营养级的传递效率为______________。

答案　(1)①　E　从生产者至各营养级都有能量流入　(2)⑦　(3)呼吸作用以热能的形式散失的能量　能量在流动过程中逐级递减 (4)5×103 kJ/(m2·a)　15.6%

解析　(1)由图1可知，流经该生态系统的总能量是生产者通过光合作用固定的太阳能，即①；图中E为分解者，理由是从生产者到各级消费者都有能量流入E。(2)图1中不应存在的箭头是⑦，因为分解者的能量不能流到生产者。(3)图2中A代表呼吸作用以热能的形式散失的能量，为保证各营养级都有较高的输出量，随营养级的升高，输入的有机物应增多，原因是能量在流动过程中逐级递减。(4)图2中，植食性动物流入肉食性动物的能量＝14＋2－4－9－0.5＝2.5，而肉食性动物输出的能量＝2.1＋5.1＋0.05＋0.25＝7.5，所以肉食性动物需补偿输入能量值为7.5－2.5＝5×103 [kJ/(m2·a)]。在人为干预下输入到第二营养级的能量为14＋2＝16，所以能量从第二营养级到第三营养级的传递效率为2.5÷16≈15.6%。

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