生態(tài)系統(tǒng)中能量流動的計算方法

1、生態(tài)系統(tǒng)中能量流動的計算方法(一)生態(tài)系統(tǒng)中能量流動的計算是近幾年高考的熱點，考生常因缺乏系統(tǒng)總結(jié)和解法歸納而容易出錯。下面就相關(guān)問題解法分析如下：一、食物鏈中的能量計算1.已知較低營養(yǎng)級生物具有的能量（或生物量），求較高營養(yǎng)級生物所能獲得能量（或生物量）的最大值。例1.若某生態(tài)系統(tǒng)固定的總能量為24000kJ，則該生態(tài)系統(tǒng)的第四營養(yǎng)級生物最多能獲得的能量是（ ）A. 24kJ B. 192kJ C.96kJ D. 960kJ解析：據(jù)題意，生態(tài)系統(tǒng)固定的總能量是生態(tài)系統(tǒng)中生產(chǎn)者（第一營養(yǎng)級）所固定的能量，即24000kJ，當(dāng)能量的傳遞效率為20%時，每一個營養(yǎng)級從前一個營養(yǎng)級獲得的能量是最多的

2、。因而第四營養(yǎng)級所獲得能量的最大值為：2400020%20%20%=192kJ。答案：B規(guī)律：已知較低營養(yǎng)級的能量（或生物量），不知道傳遞效率，計算較高營養(yǎng)級生物獲得能量（或生物量）的最大值時，可按照最大傳遞效率20%計算，即較低營養(yǎng)級能量（或生物量）(20%)n（n為食物鏈中由較低營養(yǎng)級到所需計算的營養(yǎng)級的箭頭數(shù)）。2.已知較高營養(yǎng)級的能量（或生物量），求較低營養(yǎng)級應(yīng)具備的能量（或生物量）的最小值。例2.在一條有5個營養(yǎng)級的食物鏈中，若第五營養(yǎng)級的生物體重增加1 kg，理論上至少要消耗第一營養(yǎng)級的生物量為（ ）A. 25 kg B. 125 kg C. 625 kg D. 3125 kg解析

3、：據(jù)題意，要計算消耗的第一營養(yǎng)級的生物量，應(yīng)按照能量傳遞的最大效率20%計算。設(shè)需消耗第一營養(yǎng)級的生物量為X kg，則X=1(20%)4=625 kg。答案：C規(guī)律：已知能量傳遞途徑和較高營養(yǎng)級生物的能量（或生物量）時，若需計算較低營養(yǎng)級應(yīng)具有的能量（或生物量）的最小值（即至少）時，按能量傳遞效率的最大值20%進(jìn)行計算，即較低營養(yǎng)級的生物量至少是較高營養(yǎng)級的能量（或生物量）5n（n為食物鏈中，由較低營養(yǎng)級到所需計算的營養(yǎng)級的箭頭數(shù)）。3.已知能量的傳遞途徑和傳遞效率，根據(jù)要求計算相關(guān)生物的能量（或生物量）。例3.在能量金字塔中，生產(chǎn)者固定能量時產(chǎn)生了240molO2，若能量傳遞效率為10%15

4、%時，次級消費(fèi)者獲得的能量最多相當(dāng)于多少mol葡萄糖？（ ）A.0.04 B. 0.4 C.0.9 D.0.09解析：結(jié)合光合作用的相關(guān)知識可知：生產(chǎn)者固定的能量相當(dāng)于240640mol葡萄糖；生產(chǎn)者的能量傳遞給次級消費(fèi)者經(jīng)過了兩次傳遞，按最大的能量傳遞效率計算，次級消費(fèi)者獲得的能量最多相當(dāng)于4015%15%0.9mol葡萄糖。答案：C規(guī)律：已知能量傳遞效率及其傳遞途徑時，可在確定能量傳遞效率和傳遞途徑的基礎(chǔ)上，按照相應(yīng)的能量傳遞效率和傳遞途徑計算。二、食物網(wǎng)中能量流動的計算1.已知較高營養(yǎng)級從各食物鏈中獲得的比例，未告知傳遞效率時的能量計算。例4.右圖食物網(wǎng)中，在能量傳遞效率為10%20%時

5、，假設(shè)每個營養(yǎng)級的生物從前一營養(yǎng)級的不同生物處獲得的能量相等。則人的體重每增加1 kg，至少需要消耗水藻 kg。解析：由題意知：人從大魚和小魚處獲得的能量是相等的，小魚從蝦和水藻處獲得的能量是相等的，而且，題中“至少”需要多少，應(yīng)按能量傳遞的最大效率計算。計算方法如下：在“小魚大魚人”的傳遞途徑中，大魚的生物量至少為0.520%2.5 kg，小魚的生物量至少為2.520%12.5 kg；在“小魚人”的傳遞途徑中，小魚的生物量至少是0.520%2.5 kg。因此，小魚的生物量總量至少為12.5+2.5=15 kg。同理：在“水藻水蚤蝦小魚”的傳遞過程中，水藻的生物量至少是15220%20%20%

6、937.5 kg；在“水藻小魚”的傳遞過程中，水藻的生物量至少是15220%37.5 kg。因此，水藻的生物量總量至少為937.5+37.5=975 kg。答案：975規(guī)律：對于食物網(wǎng)中能量流動的計算，先應(yīng)根據(jù)題意寫出相應(yīng)的食物鏈并確定各營養(yǎng)級之間的傳遞效率，按照從不同食物鏈獲得的比例分別進(jìn)行計算，再將各條食物鏈中的值相加即可。2.已知較高營養(yǎng)級從各食物鏈中獲得的比例，在特定傳遞效率時的計算。例5.若人的食物1/2來自植物，1/4來自小型食肉動物，1/4來自羊肉，若各營養(yǎng)級之間的能量傳遞效率為10%時，人增重1 kg需要消耗的植物為 kg。解析：根據(jù)題意可畫出食物網(wǎng)（右圖），從題目要求可以判斷

7、能量的傳遞效率為10%，根據(jù)人增重從不同途徑獲得能量的比例可計算如下：植物人：0.510%5 kg；植物羊人：0.2510%10%25 kg；植物羊小型肉食動物人：0.2510%10%10%250 kg；因此：人增重1 kg共消耗植物5+25+250=280 kg。答案：280規(guī)律：對于食物網(wǎng)中能量流動的計算，先應(yīng)根據(jù)題意寫出相應(yīng)的食物網(wǎng)，根據(jù)特定的傳遞效率，按照從不同食物鏈獲得的比例分別計算，再將各條食物鏈中的值相加即可。三、已知各營養(yǎng)級的能量（或生物量），計算特定營養(yǎng)級間能量的傳遞效率例6.在某生態(tài)系統(tǒng)中，1只2 kg的鷹要吃10 kg的小鳥，0.25 kg的小鳥要吃2 kg的昆蟲，而10

8、0 kg的昆蟲要吃1000 kg的綠色植物。若各營養(yǎng)級生物所攝入的食物全轉(zhuǎn)化成能量的話，那么，綠色植物到鷹的能量傳遞效率為（ ）A. 0.05% B. 0.5% C. 0.25% D. 0.025%解析：根據(jù)題意，可根據(jù)能量傳遞效率的概念計算出各營養(yǎng)級之間的能量傳遞效率，再計算出綠色植物轉(zhuǎn)化為鷹的食物鏈中各營養(yǎng)級的生物量。即：10 kg的小鳥需要昆蟲的生物量=10（0.252）=80 kg；80 kg的昆蟲需要綠色植物的生物量=80（1001000）=800 kg。因此，從綠色植物昆蟲小鳥鷹的生物量依次為800 kg80 kg10 kg2 kg，則鷹轉(zhuǎn)化綠色植物的百分比為2/800100%=0

9、.25%。答案：C規(guī)律：要計算能量傳遞效率，可先根據(jù)各營養(yǎng)級的生物量計算出各營養(yǎng)級的傳遞效率，并推算出不同營養(yǎng)級的生物量，最后計算出所需計算轉(zhuǎn)化效率的較高營養(yǎng)級（本題中的鷹）的生物量（或能量）占較低營養(yǎng)級（本題中的植物）的比例即可。四、鞏固練習(xí)1.某人捕得一條重2 kg的雜食海魚，若此魚的食物有1/2來自植物，1/4來自草食魚類，1/4來自以草食魚類為食的小型肉食魚類，則該魚至少需要海洋植物 kg。2.在浮游植物浮游動物魚這條食物鏈中，如果魚要增加1000 kg，那么，至少需要浮游動物和浮游植物分別是 （ ）A.10000 kg和50000 kg B.5000 kg和25000 kgC.500

10、00 kg和50000 kg D.10000 kg和10000 kg3.某個生態(tài)系統(tǒng)中，生產(chǎn)者和次級消費(fèi)者的總能量分別是E1和E3，在下列幾種情況中，可能導(dǎo)致生態(tài)平衡被破壞的是A. E1100E3 B. E1100E3 C. E125E3 D. E125E34.有一食物網(wǎng)如右圖所示。假如貓頭鷹的食物2/5來自兔子，2/5來自老鼠，其余來自蛇，那么貓頭鷹要增加20g體重，最多消耗植物克。5.右圖為美國生態(tài)學(xué)家林德曼于1942年對一個天然湖泊賽達(dá)伯格湖的能量流動進(jìn)行測量時所得結(jié)果。請據(jù)圖中相關(guān)數(shù)據(jù)，則第二營養(yǎng)級向第三營養(yǎng)級的能量傳遞效率是。6.下圖所示的食物網(wǎng)中，C生物同化的總能量為a，其中A生物

11、直接供給C生物的比例為x，則按最低的能量傳遞效率計算，需要A生物的總能量（y）與x的函數(shù)關(guān)系式為。五、鞏固練習(xí)答案與解析1.80 kg 解析：由題意可知，這條魚的食物來源于三條食物鏈，即：植物雜食魚；植物草食魚類雜食魚；植物草食魚類小型肉食魚類雜食魚，由較高營養(yǎng)級的生物量求其對較低營養(yǎng)級的需要量時，應(yīng)按能量傳遞效率20%計算。通過三條食物鏈消耗植物分別是5 kg、12.5 kg和62.5 kg，因此，消耗植物的最少量是512.562.580 kg。2.B 解析：較高營養(yǎng)級獲得參量一定時，能量傳遞效率越大，則所需較低營養(yǎng)級生物量越少，應(yīng)按20%的能量傳遞效率計算。所以需要浮游動物的生物量為100

12、020%=5000 kg，所需浮游植物為100020%20%=25000 kg。3. C解析：生態(tài)系統(tǒng)的能量傳遞效率為10%20%，當(dāng)生產(chǎn)者的能量小于次級消費(fèi)者能量的25倍，則說明該生態(tài)系統(tǒng)中，在生產(chǎn)者、初級消費(fèi)者和次級消費(fèi)者之間的能量流動效率已經(jīng)高于20%，此時，次級消費(fèi)者對于初級消費(fèi)者的捕食強(qiáng)度會加大，可能使生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性受到破壞，影響生生態(tài)系統(tǒng)的可持續(xù)性發(fā)展，導(dǎo)致生態(tài)平衡破壞。4.5600 解析：該食物網(wǎng)中有三條食物鏈，最高營養(yǎng)級為鷹。據(jù)題意，應(yīng)按最低能量傳遞效率（10%）計算，可得到三條鏈消耗的植物分別為800g、800g、4000g，共消耗植物5600克。5.20.06% 解析：能

13、量傳遞效率為下一個營養(yǎng)級所獲得的能量占上一個營養(yǎng)級獲得能量的比例。則：第二營養(yǎng)級向第三營養(yǎng)級的傳遞效率為：12.662.8100%20.06%。6.y100a90ax 解析：C從A直接獲得的比例為x，則直接獲得能量為ax，需要消耗A的能量為10ax；通過B獲得的比例為（1x），則獲得能量為（1x）a，需要消耗A的能量為100（1x）a。因此，消耗A的總能量為：10ax100（1x）a100a90ax，可得函數(shù)關(guān)系式：y100a90ax。生態(tài)系統(tǒng)中能量流動的計算(二) “能量流動”是生態(tài)系統(tǒng)的重要功能之一。在高中生物知識中，能量流動與物質(zhì)循環(huán)的關(guān)系、能量流動的特點、能量傳遞的效率等知識共同構(gòu)成了

14、以“生態(tài)系統(tǒng)的能量流動”為中心的知識體系。然而在“能量流動”知識中，仍存在一些易被忽視或不常見的問題，如“能量值”的表示方式、最值的計算、能量流動與生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)的關(guān)系等。本文就此結(jié)合教材談一談對這些問題的認(rèn)識，望能對教與學(xué)有所幫助。一、能量流動的幾種“最值”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，則說明較低營養(yǎng)級生物的能

15、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。1.以生物的同化量（實際獲取量）為標(biāo)準(zhǔn)的“最值”計算例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（）A.B. C.D.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

16、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故答案選B項。2.以生物的積累量為標(biāo)準(zhǔn)的“最值”計算例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的形式散失，則其下一營養(yǎng)級生物獲得的能量最多為（）A. 200kJB. 40kJC. 50kJD. 10kJ解析：本題具有較大的迷惑性，極易錯選A項。由于該營養(yǎng)級的能量95%通過呼吸作用以熱能

17、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。二、能量值的幾種不同表示方式及相關(guān)計算“能量值”除了用“焦耳”等能量單位表示外，在許多生物資料中，其還可用生物量、數(shù)量、面積、體積單位等形式來表示，因而使能量流動關(guān)系有了更加豐富的內(nèi)涵，但是不管用何種單位形式表示，通常情況下能量的傳遞效率都遵循“10%20%”的規(guī)律，下面結(jié)合一些例子分別加以闡述。1.能量（單位）表示法及計算以能量（單位）“焦耳”表示能量值的多少是“能量流動”知識中最常見的形式。在以“焦耳”為單位的能量傳遞過程中，各營養(yǎng)級的能量數(shù)值呈現(xiàn)出典型的“金字塔”形，不

18、可能出現(xiàn)倒置。1.1以生物體同化量的總量為特征的計算如例11.2以ATP為特征的計算這種形式的能量計算是建立在物質(zhì)氧化分解的基礎(chǔ)上的，它常涉及利用呼吸作用或光合作用的反應(yīng)式。例3：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？A.B. C.D.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“”被三級消費(fèi)者捕獲。答案選C項。2.生物量（質(zhì)量單位）表示法及

19、計算例4：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（）A. 10千克B. 28千克C. 100千克D. 280千克解析：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物的量為0.510%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0.2510%10%10%250千克；通過“植物羊人”這條鏈計算出植物的量為0.2510%10%25千克。故要消耗植物的總量為280千克。答案選D項。3.數(shù)量（生物體數(shù)目）表示法及計算例5：在一片草原上，

20、假如一年中，至少有70000只昆蟲生活才可養(yǎng)活一只食蟲鳥，而食蟲鳥若按10%的能量傳遞率將能量傳給鷹，則理論上每年大約需要3000只食蟲鳥才能維持一只鷹的生存，那么如果鷹只靠捕食食蟲鳥來生活，則每年至少需要（）只昆蟲才能保證一只鷹的生存？A.B.C.D.無法統(tǒng)計解析：生物體的數(shù)量通常能夠反映出生物體能量的多少，一般情況下其間成正相關(guān)，故?？捎蒙矬w的數(shù)量來表示能量的多少。由題意可知，昆蟲與食蟲鳥之間、食蟲鳥與鷹之間的能量傳遞效率只有保證為20%，才能實現(xiàn)“至少”維持一只鷹生存所需的能量供應(yīng)。故維持一只鷹生存至少需要食蟲鳥1500只，由此可計算出維持一只鷹生存至少需要昆蟲的量為150070000

21、1.05108只。答案選C項。需要說明的是在以生物體數(shù)目表示的能量流動關(guān)系中，有時會出現(xiàn)“金字塔”倒置的現(xiàn)象。如下例。例6.一片樹林中，樹、昆蟲和食蟲鳥類的個體數(shù)比例關(guān)系如下圖所示。下列能正確表示樹、昆蟲、食蟲鳥之間的能量流動關(guān)系的是（選項方框面積表示能量的大小）（）解析：在樹林中，由于樹具有較大的體積（包括其地上的樹冠、莖和地下的根系），因而盡管樹的量少，但其仍具有較多的能量。故一棵樹上可生活著許多昆蟲和食蟲鳥，又由于食蟲鳥以昆蟲為食，故按能量流動的特點，其總能量必將小于昆蟲的總能量。答案選C項。4.面積（單位）表示法及計算例7.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5m2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（）A.B.C.D.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活空間為：（120%20%20%）5m254m2。答案選D項。5.體積（單位）表示法及計算例8：具有三個營養(yǎng)級的能量金字塔，最上層的體積是最下層的（）A. 10%20%B. 1%4%C. 0.1%1%D.