52生態(tài)系統(tǒng)的能量流動(dòng)(教案)

1、高二生物必修3 生態(tài)系統(tǒng)的能量流動(dòng)一、能量流動(dòng)的概念：能量流動(dòng)是指生態(tài)系統(tǒng)中的能量輸入、傳遞、轉(zhuǎn)化和散失的過(guò)程二、能量流動(dòng)的過(guò)程1、能量流動(dòng)的起點(diǎn)：從生產(chǎn)者經(jīng)光合作用所固定太陽(yáng)能開(kāi)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(yáng)能的總量。生產(chǎn)者所固定的太陽(yáng)能的總量=流經(jīng)這個(gè)生態(tài)系統(tǒng)的總能量，而流入到各級(jí)消費(fèi)者的總能量是指各級(jí)消費(fèi)者所同化的能量，排出的糞便中的能量不計(jì)入排便生物所同化的能量中。2、能量流動(dòng)的渠道：生態(tài)系統(tǒng)的營(yíng)養(yǎng)結(jié)構(gòu)食物鏈和食物網(wǎng)。能量在各營(yíng)養(yǎng)級(jí)之間的流動(dòng)主要是通過(guò)食物關(guān)系進(jìn)行的。對(duì)于初級(jí)消費(fèi)者所同化的能量，也是這三個(gè)去處。并且可以認(rèn)為，一個(gè)營(yíng)養(yǎng)級(jí)所同化的能量呼吸散失的能量十被下一營(yíng)

2、養(yǎng)級(jí)同化的能量十分解者釋放的能量。但對(duì)于最高營(yíng)養(yǎng)級(jí)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(dòng)的形式：以有機(jī)物的形式流動(dòng)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(dòng)的最終歸宿。（熱能是不能重復(fù)利用的，所以能量流動(dòng)是單向的，不循環(huán)的。）三、能量流動(dòng)的特點(diǎn)1、單向流動(dòng)（1）單向流動(dòng)是指能量只能從前一營(yíng)養(yǎng)級(jí)流向后一營(yíng)養(yǎng)級(jí)，而不能反向流動(dòng)。（2）原因食物鏈中各營(yíng)養(yǎng)級(jí)的順序是不可逆轉(zhuǎn)的，這是長(zhǎng)期自然選擇的結(jié)果；各營(yíng)養(yǎng)級(jí)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(wú)法利用的。（3）對(duì)“能量流動(dòng)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(kāi)始，沿食物鏈逐級(jí)流動(dòng)，到達(dá)最高營(yíng)養(yǎng)級(jí)后，能量不能被生產(chǎn)者、上一個(gè)營(yíng)養(yǎng)級(jí)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(shí)，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?lái)越少，能量越流越少，以致成為單向流動(dòng)。2、逐級(jí)遞減（1）逐級(jí)遞減是指輸入到一個(gè)營(yíng)養(yǎng)級(jí)的能量不能百分之百地流入下一營(yíng)養(yǎng)級(jí)，能量在沿食物鏈流動(dòng)過(guò)程中逐級(jí)減少的。（2）原因：各營(yíng)養(yǎng)級(jí)的生物都因呼吸消耗了大部分能量；各營(yíng)養(yǎng)級(jí)總有一部分生物未被下一營(yíng)養(yǎng)級(jí)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(gè)營(yíng)養(yǎng)級(jí)的總能量大約只有

4、 10% 20% 傳遞到下一個(gè)營(yíng)養(yǎng)級(jí)。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(chēng)，這三者都是用來(lái)說(shuō)明食物鏈中能量流動(dòng)情況。不同的金字塔能形象地說(shuō)明營(yíng)養(yǎng)級(jí)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(yíng)養(yǎng)級(jí)所固定的總能量來(lái)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(dòng)的本質(zhì)。數(shù)量金字塔過(guò)高地估計(jì)了小型生物的作用，而生物量金字塔又過(guò)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(dòng)時(shí)逐級(jí)遞減，營(yíng)養(yǎng)級(jí)越多，消耗的能量就越多，因此可以將單位時(shí)間內(nèi)各個(gè)營(yíng)養(yǎng)級(jí)的能量數(shù)值，由低到高繪制成圖，這樣就

5、形成一個(gè)正金字塔圖形，就叫做能量金字塔。在能量金字塔中，營(yíng)養(yǎng)級(jí)別越低，占有的能量越多，反之，越少。能量金字塔絕不會(huì)倒置。從能量金字塔中可以看出：在生態(tài)系統(tǒng)中，營(yíng)養(yǎng)級(jí)越多，在能量流動(dòng)過(guò)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(gè)營(yíng)養(yǎng)級(jí)傳遞到下一個(gè)營(yíng)養(yǎng)級(jí)，平均傳遞效率為10%20%。 能量金字塔每一臺(tái)階的含義：代表食物鏈中每一營(yíng)養(yǎng)級(jí)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(dòng)沿食物鏈流動(dòng)過(guò)程具有逐級(jí)遞減的特性。2、數(shù)量金字塔（用生物體數(shù)目來(lái)表示）以每個(gè)營(yíng)養(yǎng)級(jí)的生物個(gè)體數(shù)量為依據(jù)繪制的金字塔。但會(huì)出現(xiàn)有的生物個(gè)體數(shù)量很少而每個(gè)個(gè)體的生物量很大的情況，所以也會(huì)

6、出現(xiàn)倒置的現(xiàn)象。數(shù)量金字塔每一臺(tái)階的含義：表示每一營(yíng)養(yǎng)級(jí)生物個(gè)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(yíng)養(yǎng)級(jí)的升高，能量越來(lái)越少，而動(dòng)物的體形一般越來(lái)越大，因而生物個(gè)體數(shù)目越來(lái)越少。實(shí)例生物數(shù)量金字塔：人們對(duì)一片草地上的所有生物成員作了統(tǒng)計(jì)：三級(jí)消費(fèi)者（肉食動(dòng)物、吃小鳥(niǎo)的鷹）3只次級(jí)消費(fèi)者（肉食動(dòng)物、吃昆蟲(chóng)的小鳥(niǎo)）354904只初級(jí)消費(fèi)者（草原動(dòng)物、昆蟲(chóng)）708624只生產(chǎn)者（野草）5842424株3、生物量金字塔（用質(zhì)量來(lái)表示）以每個(gè)營(yíng)養(yǎng)級(jí)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(cè)定生物量時(shí)是以現(xiàn)存量為依據(jù)的，所以在海洋生態(tài)系統(tǒng)中會(huì)出現(xiàn)倒置現(xiàn)象

7、，即出現(xiàn)浮游動(dòng)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(gè)體小，壽命短，又會(huì)不斷被浮游動(dòng)物吃掉，因而某一時(shí)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(dòng)物的生物量，但這并不是說(shuō)流過(guò)生產(chǎn)者這一環(huán)節(jié)的能量比流過(guò)浮游動(dòng)物的要少。生物量金字塔每一臺(tái)階的含義：表示每一營(yíng)養(yǎng)級(jí)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(yíng)養(yǎng)級(jí)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(gè)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(shuō)，一個(gè)人若是靠吃水產(chǎn)品來(lái)增長(zhǎng)1 kg體重的話，就

8、得吃10 kg魚(yú)，這10 kg魚(yú)要以100 kg浮游動(dòng)物為食，而這100 kg浮游動(dòng)物又要消耗1 000 kg浮游植物才能成活。這就是說(shuō)，要有1 000 kg浮游植物才能養(yǎng)活10 kg魚(yú)，進(jìn)而才能使人增長(zhǎng)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(huì)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(shí)也會(huì)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(guò)對(duì)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(guò)食物鏈會(huì)在各個(gè)營(yíng)養(yǎng)級(jí)的生物體內(nèi)逐漸得富集起來(lái)（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(dòng)的渠道中，隨著營(yíng)養(yǎng)級(jí)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(dòng)的意義可以幫助人們科學(xué)規(guī)劃，設(shè)計(jì)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(dòng)關(guān)系，使能量持續(xù)高效地流向?qū)θ祟?lèi)最有益的部分。六、生態(tài)系統(tǒng)能量流動(dòng)中的有關(guān)計(jì)算由于一般情況下能量在兩個(gè)相鄰營(yíng)養(yǎng)級(jí)之間的傳遞效率是10%20%。故在能量流動(dòng)的相關(guān)問(wèn)題中，若題干中未做具體說(shuō)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(yíng)養(yǎng)級(jí)生物的能量求消耗較低營(yíng)養(yǎng)級(jí)生物的能量時(shí)，若求“最多”值，則說(shuō)明較低營(yíng)養(yǎng)級(jí)生物的能量按“最低”效率傳遞，若求“最（至）少”值，則說(shuō)明

10、較低營(yíng)養(yǎng)級(jí)生物的能量按“最高”效率傳遞。反之，已知較低營(yíng)養(yǎng)級(jí)生物的能量求傳遞給較高營(yíng)養(yǎng)級(jí)生物的能量時(shí)，若求“最多”值，則說(shuō)明較低營(yíng)養(yǎng)級(jí)生物的能量按“最高”效率傳遞，若求“最少”值，則說(shuō)明較低營(yíng)養(yǎng)級(jí)生物的能量按“最低”效率傳遞。這一關(guān)系可用下圖來(lái)表示 ：例題1下圖為某生態(tài)系統(tǒng)食物網(wǎng)簡(jiǎn)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(jì)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(gè)條件，即：一是能量來(lái)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(zhǎng)。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(shí)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(shí)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(shí)效率最低；C在傳遞給A時(shí)效率最低，結(jié)果才能使A獲得的能量最少。所以據(jù)此計(jì)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(yíng)養(yǎng)級(jí)生物同化的能量為1000kJ，其中95%通過(guò)呼吸作用以熱能

12、的形式散失，則其下一營(yíng)養(yǎng)級(jí)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(cuò)選A項(xiàng)。由于該營(yíng)養(yǎng)級(jí)的能量95%通過(guò)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(yíng)養(yǎng)級(jí)。因此答案選C項(xiàng)。例題3如果一個(gè)人食物有1/2來(lái)自綠色植物，1/4來(lái)自小型肉食動(dòng)物，1/4來(lái)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(shí)，首先應(yīng)畫(huà)出食物網(wǎng)，然后依據(jù)食物網(wǎng)和題干信息來(lái)解答。通過(guò)“植物人”這條鏈計(jì)算出消耗植

13、物的量為：0.5÷10%5千克；通過(guò)“植物植食動(dòng)物小型肉食動(dòng)物人”這條鏈計(jì)算出消耗植物的量為：0.25÷10%÷10%÷10%250千克；通過(guò)“植物羊人”這條鏈計(jì)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(jiǎn)化的草原食物網(wǎng)中，假如鷹的食物有2/5來(lái)自于兔，2/5來(lái)自于鼠，1/5來(lái)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(yíng)養(yǎng)級(jí)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(lái)計(jì)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(jì)5600 g。同理，“最少消耗多少植物”應(yīng)按20（最高能量傳遞率）來(lái)計(jì)算： 例題5在“棉花棉蚜食蚜蠅瓢蟲(chóng)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(mǎn)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(lái)反映所具能量的大小。由題意可知鷹處于最高營(yíng)養(yǎng)級(jí)，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(guò)程中產(chǎn)生240mol的氧氣，其全部用于初級(jí)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(jí)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(jí)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(jí)消費(fèi)者捕獲。答案選C項(xiàng)。補(bǔ)充能量流動(dòng)與生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性能量流動(dòng)效率能直接反映生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性，能量在傳遞過(guò)程中，若超過(guò)一定的限度，則容易引起種群的生長(zhǎng)、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(shí)必須時(shí)刻關(guān)注能量流動(dòng)效率。例題7某生態(tài)系統(tǒng)中初級(jí)消費(fèi)者和次級(jí)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(shí)，最有可能使生態(tài)平衡