第34讲 生态系统的能量流动和物质循环
[考纲要求] 生态系统中的物质循环和能量流动的基本规律及其应用(Ⅱ)。
一、能量流动的过程 1． 概念理解
输入—???
源头：太阳能
?
?
流经生态系统的总能量：生产者固定的太阳能总量
?
传递—???
途径：食物链和食物网
?形式：有机物中的化学能
?
?
转化—太阳能→有机物中的化学能→热能 ?
散失—???
形式：最终以热能形式散失
?
?
过程：自身呼吸作用
2． 过程图解
[判一判]
1． 生态系统的能量流动指能量的输入和散失过程 提示 还包括传递和转化过程。
2． 流经生态系统的总能量是照射在生产者上的太阳能 提示 是生产者固定的太阳能或化学能。
3． 散失的热能可以被生产者固定再次进入生态系统 提示 生产者只能利用太阳能或化学能(化能合成作用)，不能利用热能。 4． 流经第二营养级的总能量指次级消费者摄入到体内的能量 提示 初级消费者同化的能量。 二、能量流动的特点及意义
1． 能量传递效率：是指相邻两个营养级之间同化量的比值。 2． 能量流动的特点：单向流动、逐级递减。 3． 研究意义
× ) × ) × ) × )
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( ( ( ( (1)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)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。
[解惑] 相邻两营养级之间能量传递效率只有10%～20%，因此食物链中营养级一般不超过4～5个。 [判一判]
1． 相邻两个营养级的能量传递效率不会小于10%，也不会大于20% ( × ) 2． 能量金字塔可以出现倒置现象 ( × ) 3． 研究能量流动，可合理设计人工生态系统，提高能量的传递效率 ( × ) 三、物质循环 1． 概念
(1)物质：组成生物体的化学元素，如C、H、O、N、P、S等。 (2)循环范围：生物群落和无机环境之间。 (3)循环特点：具有全球性。 2． 碳循环
(1)循环形式①无机环境与生物群落之间：CO2。
②生物群落内：以有机物形式沿食物链和食物网传递。 (2)图解
[解惑] 生态系统物质循环的物质是指组成生物体的基本元素，而非其组成的化合物；在循环过程中伴随着复杂的物质和能量的转化。
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考点一 分析生态系统的能量流动
1． 观察下面的能量流动过程图解，回答相关问题。
(1)能量的太阳能。
(2)起点：从生产者固定太阳能开始。
(3)流经生态系统的总能量：生产者通过光合作用所固定的全部太阳能。 (4)渠道：食物链和食物网。
(5)能量转化：太阳能→有机物中的化学能→热能(最终散失)。 (6)流动形式：有机物中的化学能。
(7)散失途径：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。 (8)能量散失的形式：以热能形式散失。
2． 观察下图能量在营养级之间流动过程图解，回答相关问题。
(1)摄入量、同化量、粪便量三者之间的关系是摄入量＝同化量＋粪便量。
(2)在各营养级中，能量的三个去路：①通过呼吸作用以热能的形式散失；②被下一营养级生物利用；③被分解者利用。 (3)概括能量流动的特点
①单向流动：能量只能沿着食物链由低营养级流向高营养级。 ②逐级递减：相邻两个营养级的能量传递效率约为10%～20%。 3． 写出能量传递效率的计算公式
下一营养级同化量
相邻两个营养级的传递效率＝×100%。
上一营养级同化量
易错警示 能量流动中的2个“比较” (1)生态系统中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，不属于该营养级同化的能量，它实际上与上一营养级的遗体、残骸一样，属于未被利用的那部分能量。 (2)能量传递效率与能量利用效率的比较
能量传递效率：能量在沿食物链流动的过程中，逐级减少，若以“营养级”为单位，能量在相邻两个营养级之间的传递效率约为10%～20%。其计算公式为能量传递效率＝(下一营养级
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同化量/上一营养级同化量)×100%。 能量利用效率：通常考虑的是流入人体中的能量占生产者能量的比值，或流入最高营养级的能量占生产者能量的比值，或考虑分解者的参与，以实现能量的多级利用。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；同时，生态系统中生物种类越多，营养结构越复杂，抵抗力稳定性越强，能量利用效率越高。
1． 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 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。 2． 如图为一食物网。若要使丙体重增加x，已知其食用的动物性食物(乙)所占比例为a，则至少需要的生产者(甲)的量为y，那么x与y的关系可表示为 ( ) A．y＝90ax＋10x B．y＝25ax＋5x C．y＝20ax＋5x D．y＝10ax＋10x 答案 C
解析 由题干中的“至少”可知，应该按最大传递效率20%计算，a表示动物性食物(乙)所占比例，则1－a表示直接从生产者(甲)获得食物所占比例，故有(1－a)x÷20%＋ax÷20%÷20%＝y，即y＝20ax＋5x。 技法提炼
生态系统中能量传递的相关计算 在解决有关能量传递的计算问题时，首先要确定相关的食物链，理清生物在营养级上的差别，能量传递效率为10%～20%，解题时注意题目中是否有“最多”、“最少”、“至少”等特殊的字眼，从而确定使用10%或20%来解题。 1． 设食物链A→B→C→D，分情况讨论如下：
(1)已知D营养级的能量为M，则至少需要A营养级的能量＝M÷(20%)3；最多需要A营养级的能量＝M÷(10%)3。
(2)已知A营养级的能量为N，则D营养级获得的最多能量＝N×(20%)3；最少能量＝N×(10%)3。
2． 在食物网中分析：
如在A→B→C→D中，确定生物量变化的“最多”或“最少”时，还应遵循以下原则： (1)食物链越短，最高营养级获得的能量越多。
(2)生物间的取食关系越简单，生态系统消耗的能量越少，如已知D营养级的能量为M，计算至少需要A营养级的能量，应取最短食物链A→D，并以20%的效率进行传递，即等于
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M÷20%；计算最多需要A营养级的能量时，应取最长的食物链A→B→C→D，并以10%的效率进行传递，即等于M÷(10%)3。 3． 在食物网中，某一营养级同时从上一营养级的多种生物按一定比例获取能量，则按照单独的食物链进行计算后再合并。 考点二 聚焦生态系统的物质循环
1． 观察下面碳循环过程图，回答相关问题。
(1)碳进入生物群落的途径：生产者的光合作用或化能合成作用。 ①生产者、消费者的呼吸作用??
(2) 碳返回无机环境的途径?②分解者的分解作用实质是呼吸作用
??③化学燃料的燃烧作用
(3)分析温室效应产生的原因
①化学燃料的大量燃烧，产生CO2。
②植被破坏，降低了对大气中CO2的调节能力。 (4)概括物质循环的特点
①全球性：物质循环的范围是生物圈。
②往复循环，重复利用：物质可以在无机环境和生物群落之间反复利用。 2． 观察下面能量流动和物质循环的关系图解，填写表格中的内容。
项目 形式 过程 范围 特点 联系 能量流动 沿食物链(网)单向流动 生态系统各营养级 单向流动，逐级递减 物质循环 在无机环境和生物群落间往复循环 全球性 反复出现，循环流动 光能→有机物中的化学能→热能(一般形式) 以化学元素形式流动 ①能量的固定、储存、转移和释放离不开物质的合成和分解 ②物质是能量沿食物链(网)流动的载体 ③能量是物质在生态系统中往复循环的动力 易错警示 与物质循环有关的2点提示
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(1)物质循环的“物质”和“范围”
①参与物质循环的“物质”是指组成生物体的化学元素。 ②循环的范围是生物圈，而不是具体的某一生态系统。 (2)碳循环及存在形式
①在生物群落和无机环境间：以CO2形式循环。 ②在生物群落内部：以含碳有机物形式传递。 ③在无机环境中：主要以CO2和碳酸盐形式存在。
3． 下图是生态系统中碳循环示意图，其中“→”表示碳的流动方向。下列叙述不正确的是 ( )
A．在碳循环过程中，同时伴随着能量流动
B．由于某种原因造成图中E生物数量大量减少，推测短期内与之相邻的两个营养级生物数量发生的变化是D增多，F减少
C．该生态系统的消费者包括图中的D、E、F、B
D．A→C过程中碳主要以CO2的形式进行循环，F→B以含碳有机物的形式进行流动 答案 C
解析 分析图形，A、B、D、E、F均有箭头指向C，则C是无机环境中的二氧化碳库。A、C之间为双向箭头，A为生产者。A、D、E、F均有箭头指向B，则B为分解者，D、E、F为消费者。图示中包含的食物链为A→D→E→F，故E减少，短时间内D增多，F减少。碳在生物群落与无机环境之间主要以CO2的形式循环，在生物群落内部是以含碳有机物的形式流动。 4． 如图为碳元素在生态系统中循环的模式图，图中甲、乙、丙表示生态系统的生物成分，箭头表示生理过程。下列相关叙述中，不正确的是 ( ) A．d过程代表光合作用，b过程代表呼吸作用 B．甲所示的营养级在食物链中占有的碳元素最多
C．碳元素在甲、乙、丙之间以有机物的形式进行传递 D．碳元素可在无机环境和生物群落之间反复利用 答案 A
解析 丁为无机环境，甲为生产者，乙为消费者，丙为分解者；d过程代表呼吸作用，b过程代表光合作用；碳元素在生物群落内部主要以有机物的形式进行传递，在无机环境与生物群落间主要以二氧化碳的形式进行传递。 技法提炼
巧辨图形判断参与碳循环的四种成分
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1． 图1——先根据双向箭头确定A和B应为生产者和非生物的物质和能量，不能写“无机环境”，也不能写“生物类别”，再根据A→D，确定D为分解者，剩下C为消费者。 2． 图2——根据A与C之间是双向箭头判断：A和C一个是生产者，一个是非生物的物质和能量。根据A、B、D的碳都流向E，可进一步判断：A是生产者，B是初级消费者，C是非生物的物质和能量，D是次级消费者，E是分解者。
3． 图3——首先找出相互之间具有双向箭头的两个成分，即A和E，一个为生产者，一个是大气中的CO2库。又因为其他各个成分都有箭头指向A，所以A为大气中的CO2库，E为生产者。然后观察剩余的几个成分，其中其他生物部分的箭头都指向C，所以C是分解者，剩余的B、D、F则为消费者。整个图解中，食物链是E→F→D→B。 实验十九 探究土壤中微生物的分解作用
完善该实验的探究案例 实验假设 实验组 实验设计 对照组 自变量 实验现象 结论分析 案例1 微生物能分解落叶使之腐烂 对土壤高温处理 对土壤不做任何处理 土壤中是否含微生物 在相同时间内实验组落叶腐烂程度小于对照组 微生物对落叶有分解作用 B 案例2 微生物能分解淀粉 A杯中加入30 mL土壤浸出液 B杯中加入30_mL蒸馏水 土壤中微生物的有无 A A1 A2 B1 B2 不变蓝 产生砖红色沉淀 变蓝 不变色 土壤浸出液中的微生物能分解淀粉 注 在A1、B1中加入碘液，在A2、B2中加入斐林试剂。 易错警示 对空白对照实验的理解：空白对照指的是不对实验对象做任何处理，但是不给对照组任何处理是相对实验组而言的。实际上对照组还是要做一定的处理，只是不加实验组的处理因素，或者说相对于实验组而言，除实验变量外，其他的处理与实验组完全相同。空白对照能清晰地对比和衬托出实验组的变化和结果，增强说服力。
5． 同学们在课外活动中发现植物的落叶在土壤里会逐渐腐烂，形成腐殖质。他们猜测落叶的腐烂是由于土壤微生物的作用，不同生态系统的土壤微生物分解能力不同，并设计了实验进行验证。
(1)实验设计首先要遵循的是________原则和________原则。
(2)以带有同种落叶的土壤为实验材料，均分为A和B。实验时A不做处理(自然状态)；B用塑料袋包好，放在60 ℃的恒温箱中灭菌1 h。B处理的目的是____________________
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____________________________________________________________________________________________________________________________。 (3)(2)中实验的自变量是________________________，因变量是____________________，无关变量是______________(至少写出两点)。
(4)如果同学们的猜测是正确的，若干天后(2)中B组的落叶_________________________ _______________________________________________。
(5)如果同学们用带有相同量同种植物落叶的冻土苔原和热带雨林的等量土壤为实验材料，分别模拟原生态系统的无机环境条件进行C组和D组的实验，定期抽样检测样品土壤中未腐烂的落叶的含量，请根据预期结果在图中绘出相应的曲线。
答案 (1)单一变量 对照 (2)杀死土壤微生物，同时避免土壤理化性质的改变 (3)土壤微生物(作用)的有无 落叶的腐烂程度 土壤温度、含水量、pH、落叶的种类和大小等(合理即可) (4)腐烂程度小于对照组 (5)如图
解析 由题意可知，该实验的目的是验证落叶的腐烂是由于土壤微生物的作用，实验的自变量是土壤中微生物的有无，因变量是落叶的腐烂程度。为遵循生物实验设计的对照原则和单一变量原则，应尽量减少无关变量对实验的影响，如土壤温度、湿度、pH、落叶的种类和大小等。在绘制曲线时，应注意以下几点：①明确横坐标和纵坐标的意义，其中纵坐标为未腐烂的落叶量；②两曲线的起点相同，注意纵坐标初始值不为0；③由于微生物的分解作用，两曲线呈下降趋势，且D组下降速度较C组快；④随时间延长，微生物的数量增多，故两曲线的下降趋势是由慢到快。
序号 ① 错因分析 不理解总能量的含义 不清楚能量传递效率的计算方法 正确答案 N2 N5×100% N2序号 ② 错因分析 不清楚粪便量的来源 对种类和数量区分不清 正确答案 0 增加各营养级生物的种类 8
③ ⑤
④ 不清楚自我调节能力如何进行 负反馈调节 教师备课资源
1． 利用“拼图法”解决能量流动中的难题 输入第一营养级的能量(W1)被分为两部分：一部分在生产者的呼吸作用中以热能的形式散失了(A1)，一部分则用于生产者的生长、发育和繁殖。而后一部分能量中，包括现存的植物体B1、流向分解者的C1、流向下一营养级的D1。
(1)流经整个生态系统的总能量是生产者固定的总能量，即W1。将图中第三营养级同化的总能量D2“拼回”第二营养级，则刚好等于D1，即第二营养级同化的总能量；再将D1“拼回”第一营养级，则刚好等于生产者固定的总能量W1。可见，在一个草原生态系统中，草原上所有生物的总能量都来自W1，所有生物总能量之和都小于W1(呼吸作用消耗的缘故)。 (2)能量传递效率不会是100%。从上图可以看出，从第一营养级向第二营养级能量的传递效率等于D1/W1，因此不会达到100%，一般情况下，能量传递效率为10%～20%。
(3)在解决有关能量传递的计算问题时，首先要确定相关的食物链，理清生物与生物在营养级上的差值。 2． 生态金字塔
不同的生态金字塔能形象地说明各营养级与能量、生物量、数量之间的关系，是定量研究生态系统的直观体现。 类型 项目 含义 能量金字塔 各营养级生物所含能量 数量金字塔 生物量金字塔 各营养级生物的“个各营养级“现存生物体数量” 的总质量” 形状 一般呈正金字塔形，有时会出现倒金字塔形，如树上昆虫与树的数量关系 一般呈正金字塔形，某一时期内会出现倒金字塔形，如某一时间浮游植物的生物量可能低于浮游动物的生物量 图形 特点 呈正金字塔形
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高三生物一轮复习 9.34生态系统的能量流动和物质循环教学案 新人教版
