1、第4讲生态系统的能量流动和物质循环1.分析生态系统中的物质在生物群落与无机环境之间不断循环、能量在生物群落中单向流动并逐级递减的规律2举例说明利用物质循环和能量流动规律，人们能够更加科学、有效地利用生态系统中的资源3解释生态金字塔表征了食物网各营养级之间在个体数量、生物量和能量方面的关系4阐明某些有害物质会通过食物链不断地富集的现象1.物质的循环总是伴随着能量的流动(生命观念)2.分析能量流动过程，归纳总结能量流动特点；根据碳循环过程构建循环模型(科学思维)3.关注温室效应，做出解释，并提出解决问题的思路(社会责任) 生态系统的能量流动1能量流动的概述(1)概念：生态系统中能量的输入、传递、转
2、化和散失的过程。(2)能量流动的四个环节。太阳能有机物中的化学能热能2能量流动的过程(1)能量流经第二营养级的过程。c代表初级消费者粪便中的能量。流入某一营养级(最高营养级除外)的能量的去向d：自身呼吸作用散失。e：用于生长、发育、繁殖等生命活动的能量。i：流入下一营养级。f：被分解者分解利用。j：未被利用的能量。(2)能量流经生态系统的过程。流经生态系统的总能量：生产者固定的太阳能。能量流动渠道：食物链和食物网。能量传递形式：有机物中的化学能。能量散失途径：各种生物的呼吸作用(代谢过程)。能量散失形式：热能。3能量流动的特点及原因分析(1)能量流动是单向的，原因：能量流动是沿食物链进行的，食
3、物链中各营养级之间的捕食关系是长期自然选择的结果，是不可逆转的。各营养级通过呼吸作用所产生的热能不能被生物群落重复利用，因此能量流动无法循环。(2)能量流动是逐级递减的原因：各营养级生物都会因呼吸作用消耗大部分能量。各营养级的能量都会有一部分流入分解者。4研究能量流动的意义(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。(人教版必修3 P99“科学技术社会”)生态农业是指运用_原理，在环境与经济协调发展的思想指导下，应用现代生物科学技术建立起来的多层次、多功能的综合农业生产体系。提示：生
4、态学1生态系统的能量流动是指能量的输入和散失过程。()提示：生态系统中的能量流动是指能量的输入、传递、转化和散失的过程。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：流经生态系统的总能量是该生态系统中生产者所固定的太阳能。3初级消费者粪便中的能量属于生产者同化的能量。()4一只狼捕食了一只兔子，该狼获得了兔子能量的10%20%。()提示：能量传递效率针对的是相邻两个营养级中的所有生物，不针对个体。5农业生态系统中，沼渣、沼液作为肥料还田，使能量能够循环利用。()提示：沼液和沼渣可以为农作物提供肥料，沼气池发酵产生的沼气又能成为人类的能源物质，实现了能量的多级利用，而能量不能循环利用
5、。6研究能量流动，对调整能量流动关系，使生产者固定的能量全部流向人类。()提示：由于在各营养级中都会有生物的细胞呼吸存在，通过细胞呼吸，部分能量会以热能的形式散失，因此研究能量流动，可调整能量流动关系，使生产者固定的能量尽可能多地流向对人类最有益的部分，但是做不到全部流向人类。某一营养级能量的来源与去路分析(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：定量不定时(在足够长的时间内能量的最终去路)a自身呼吸消耗；b.流入下一营养级(最高营养级除外)；c.被分解者分解利用。定量定时：流入某一营养级的一定量的能量在一定时间内的去路可有四条：a自身呼吸消耗；b.流入下一营
6、养级；c.被分解者分解利用；d.未利用，既未被自身呼吸消耗，也未被下一营养级和分解者利用，如果是以年为单位研究，这部分的能量将保留到下一年，因此“未利用”是指在有限的时间“还没来得及被利用的能量”。可用如图表示。1如图表示某一生态系统中的能量流动过程，其中甲、乙、丙代表该生态系统的生物成分，A、B、C、D、E、F代表能量。请回答下列问题：(1)图中第二营养级到第三营养级的能量传递效率是多少？(用图中字母表示)。(2)乙的能量流入分解者的包括哪些方面？能量D被下一营养级同化后的去向是什么？提示：(1)C/(BF)100%；(2)乙的遗体残骸中的能量和丙的粪便中的能量。大部分通过第四营养级生物的呼
7、吸作用以热能的形式散失，一部分用于该营养级生物的生长、发育和繁殖。2“莲藕生态养鱼”是一种养复合生态型的农业新模式，在相同环境及养殖条件下，若将池塘中主要鱼种由草食性鱼更换为肉食性鱼，则鱼类产量将如何变化？原因是什么？提示：降低。能量流动逐级递减，肉食性鱼所处营养级高，获得能量少。能量流动过程的分析1如图表示某长期稳定的生态系统中光合作用积累的有机物被植食性动物利用的过程(图中的字母表示所含的能量)。据图分析，下列相关叙述正确的是()A植物积累的能量为ceghiB植食动物粪便中的能量为dgCb中的物质和能量都被微生物利用D能量在相邻营养级传递效率为f/aA植物积累的能量为a，根据数量关系可知，
8、图中ceghi也可以表示植物光合作用积累的有机物中的能量，A正确；植食动物粪便中的能量为df，及g，B错误；b中的物质和能量有部分被微生物利用，C错误；能量在相邻营养级的传递效率为f/(a植物呼吸作用消耗量)，D错误。2能量流动是生态系统的三大功能之一。请回答下列问题：(1)生态系统的另外两大功能是_。(2)生产者利用_能，通过_作用，将CO2和H2O合成有机物并储存能量，这些能量是流经生态系统的总能量。(3)分解者同化的能量_(填“能”或“不能”)流向生产者；生产者不同于分解者的能量去向是_；与其他营养级的生物相比，最高营养级生物同化的能量的去向中不包括_。(4)如图所示的生态系统中，第一营
9、养级到第二营养级的能量传递效率_(填“大于”“小于”或“等于”)7.6%。解析(1)生态系统的三大功能是能量流动、物质循环和信息传递。(2)绿色植物或其他光合细菌利用(太阳)光能，通过光合作用将CO2和H2O合成有机物并储存能量；还有的生产者，如硝化细菌等利用(无机化学反应释放的)化学能，通过化能合成作用，将CO2和H2O合成有机物并储存能量，这些能量是流经生态系统的总能量。(3)由于能量流动是不可逆的，分解者同化的能量不能流向生产者；由于分解者不会与其他生物构成捕食关系，因此生产者不同于分解者的能量去向是流向下一营养级；与其他营养级的生物相比，最高营养级生物同化的能量的去向中不包括流向下一营
10、养级。(4)题图所示的生态系统中，第一营养级到第二营养级的能量传递效率为第二营养级(甲和乙)的同化量与第一营养级(水草、藻类)的同化量的百分比。乙的同化量/水草、藻类的同化量100%1 900/25 000100%7.6%，因此第一营养级到第二营养级的能量传递效率大于7.6%。 答案(1)物质循环和信息传递 (2)(太阳)光能或(无机化学反应释放的)化学光合作用或化能合成(3)不能 流向下一营养级 流向下一营养级(4)大于能量流动特点的分析及相关计算3下列关于生态系统的能量流动的叙述中，错误的是()A由于生态系统的能量流动是逐级递减的，所以营养级越高则所同化的能量就越少B由于散失的热能不能被生
11、产者重新固定，所以生态系统的能量流动是单向不可循环的C充分利用作物秸秆等可以提高能量传递的效率D能量流动和物质循环的渠道都是食物链和食物网C生态系统中的能量沿食物链流动时，部分能量以热能的形式散失，部分能量被分解者所利用，所以营养级越高同化的能量就越少，A正确；生产者只能固定光能或化学能，而不能固定每个营养级及分解者所散失的热能，所以生态系统的能量流动是单向的，B正确；生态系统的能量传递效率一般不能人为改变，充分利用作物秸秆只能提高能量利用率而不能提高能量传递效率，C错误；能量流动和物质循环的渠道都是食物链和食物网，D正确。4科研小组对某人工鱼塘的能量流动进行定量分析，得出相关数据，如下表所示
12、。整理资料时，由于疏忽图中部分项目和数据模糊不能分辨。请你帮助恢复有关数据和项目，并回答有关问题：能量单位：J/(cm2a)，除表中所列的消费者外，其他类型的消费者忽略不计生物类型甲传递给分解者的能量未利用的能量传递给下一营养级的能量有机物输入的能量生产者4159719植食性鱼类7.91.112乙6肉食性鱼类6.50.86.20.510(1)人工鱼塘生态系统的结构包括_。流入该生态系统的总能量为_J/(cm2a)。(2)分析表中数据及各营养级能量的分配，表中甲是指_，表中的数据乙为_。植食性鱼类与肉食性鱼类之间的能量传递效率为_。(3)若该鱼塘废弃若干年后成为湿地，这属于_演替，该湿地能净化生
13、活污水且有摄影爱好者前来取景，体现了生物多样性的_价值。解析(1)生态系统的结构包括组成成分和营养结构，其中营养结构包括食物链和食物网。生产者同化的能量为4159719162J/(cm2a)，而表格中显示有机物输入的能量61016J/(cm2a)，因此流入该生态系统的总能量16216178J/(cm2a)。(2)表格中甲表示呼吸作用消耗的能量，数据乙196(7.91.112)4J/(cm2a)。此数值为植食性鱼类传给肉食性鱼类的能量，则植食性鱼类和肉食性鱼类的能量传递效率为4/25100%16%。(3)废弃鱼塘发生的是次生演替；该湿地能净化生活污水，体现了生物多样性的间接价值；有摄影爱好者前来
14、取景，体现了生物多样性的直接价值。答案(1)生态系统的组成成分和食物链(网)(或生态系统的组成成分和营养结构)178(2)呼吸作用消耗的能量416%(3)次生间接和直接方向调整后的能量计算方法若在食物网中，某一营养级同时从上一营养级的多种生物中获得能量，计算某一生物获得的能量或需要某一生物提供的能量时，首先要注意某一生物“从不同食物链中获得能量的比例”，或某一生物“给不同生物提供能量的比例”，然后按照各个单独的食物链分别计算后合并。(1)顺推法：能量流向调整，从前往后计算。即由植物下推，用“乘法”。(2)逆推法：能量来源调整，从后往前计算。即由高营养级前推，用“除法”。 生态系统的物质循环及其
15、与能量流动的关系1物质循环(1)概念：组成生物体的各种元素在生物群落与无机环境之间不断循环的过程。(2)分析物质：组成生物体的化学元素，如C、H、O、N、P、S等。循环范围(两个支点)：生物群落和无机环境之间。特点：全球性，反复利用、循环流动。2碳循环(1)请写出图中各标号的名称：a生产者；b.消费者；c.呼吸作用；d.光合作用和化能合成作用；e.呼吸作用；f.化石燃料的燃烧。(2)碳的存在形式与循环形式。在生物群落和无机环境间：主要以CO2形式循环。在生物群落内部：以含碳有机物形式传递。在无机环境中：主要以CO2和碳酸盐形式存在。(3)碳进入生物群落的途径：生产者的光合作用和化能合成作用。(
16、4)碳返回无机环境的途径。生产者、消费者的呼吸作用。分解者的分解作用。化石燃料的燃烧。3能量流动和物质循环的关系(1)区别。项目能量流动物质循环(以碳循环为例)形式以有机物为载体主要是无机物特点单向流动、逐级递减全球性、循环性范围生态系统各营养级生物圈(全球性)(2)联系。两者是同时进行的，彼此相互依存，不可分割。物质作为能量的载体，使能量沿着食物链(网)流动；能量作为动力，使物质能够不断地在生物群落和无机环境之间循环往返。1. 生态系统的碳循环指的是CO2在无机环境和生物群落中的往复循环。()提示：碳循环指的是碳元素的循环，而不是含碳化合物的循环。2无机环境中的物质可以通过多种途径被生物群落
17、反复利用。()3大气中的CO2进入生物群落的唯一方式是光合作用。()提示：CO2从无机环境进入生物群落的方式有两种：光合作用和化能合成作用。4生态系统的物质循环和能量流动的渠道都是食物链和食物网，所以物质和能量都是循环往复的。()提示：物质循环是往复的，而能量流动是单向的。5植物可通过呼吸作用和光合作用参与生态系统的碳循环。()6若不按照生态规律办事，乱砍滥伐森林，会影响生态系统的碳循环。()对物质循环过程中相关图解的识别(1)图1先根据双向箭头判断：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ac判断：c为消费者，剩下的d为分解者。(2)图2根据a与
18、c之间的双向箭头及a有多个指出箭头，c有多个指入箭头判断：a是生产者，c是非生物的物质和能量。根据a、b、d的箭头都流向e，可进一步判断：b是初级消费者，d是次级消费者，e是分解者。(3)图3根据a与e之间的双向箭头及a有多个指入箭头，e有多个指出箭头判断：a为非生物的物质和能量，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efdb。1大气中的碳被固定，进入生物群落，简要叙述该过程中的物质变化和能量变化。提示：物质变化是大气中的碳以CO2形式首先被C5固定形成C3，然后C3在ATP和H的作用下形成(CH2O
19、)和C5；能量变化则是储存在ATP中活跃的化学能转变成储存在(CH2O)中的稳定的化学能。2温室效应产生的主要原因是什么？缓解措施有哪些？(至少写两点)提示：温室效应主要与人类对化石燃料利用过度有关。缓解温室效应的措施主要有植树造林、减少化石燃料的燃烧、开发新能源等。碳循环的过程及特点分析1下列关于碳循环的叙述，正确的是()A大气圈的含碳量明显高于海洋中的B生物圈需不断地从外界获得碳的补充C人类对能源的过度消费会导致大气中CO2含量增加D大气圈通过碳循环时刻保持着CO2含量稳定不变C海洋是地球系统中最大的碳库，海洋中的含碳量明显高于大气圈含碳量，A错误；碳循环是指在生物圈中的循环，因此也叫生物
20、地球化学循环，碳循环中的物质可以被反复利用，所以生物圈不需要从外界获得碳的补充，B错误；由于人类对能源的过度消费使CO2释放量大于植物的吸收量，会导致大气中CO2含量增加，C正确；冬季气温低，植物光合作用弱，吸收CO2减少，气温低，中高纬度的人们需要燃烧化石燃料取暖，使CO2排放增多，故大气中CO2含量会随季节变化，而不是CO2含量稳定不变，D错误。2如图为某生态系统碳循环的过程。下列有关叙述错误的是()Ad表示大气中的CO2，由于许多因素的影响其含量夏季低于冬季B通过a的吸收，a、b的呼吸作用、c的分解作用及e的燃烧，实现碳循环C在正常演替过程中，生产者固定CO2量大于整个生物群落排放CO2
21、量D只需将d的含义改为热能，该图即可表示为该生态系统的能量流动示意图Dd表示大气中的CO2，由于夏季植物的光合作用能力强于冬季等因素的影响，故其含量夏季低于冬季，A正确；碳循环是指以CO2的形式在无机环境和生物群落之间的往返运动，即通过a的吸收，a、b的呼吸作用、c的分解作用及e的燃烧，可实现碳循环，B正确；若此生态系统中的生物群落处在朝复杂化演替的过程中，生产者吸收的CO2量大于整个生物群落排放的CO2量，C正确；由于能量只能单向流动、逐级递减，且植物不能利用热能，所以将d的含义改为热能，题图也不可表示为该生态系统的能量流动示意图，D错误。物质循环和能量流动的关系分析3如图为一个简化的生态系
22、统能量流动和物质循环示意图，对图中箭头的含义表述错误的是()A可表示碳元素从二氧化碳转变为有机物B可表示生物群落中的物质回归无机环境C表示能量在生物体之间单向流动D和可表示生物群落中能量的散失D读图可知，碳元素从二氧化碳变为有机物光合作用合成有机物，A正确；能量在生物体之间单向流动能量在生物体之间流动，C正确；生物群落中能量的散失呼吸作用以热能的形式散失，生物群落中的物质回归无机环境分解者的分解，B正确，D错误。4如图为某湿地生态系统的碳循环示意图，箭头表示碳元素的流动方向，请回答下列问题。(1)该湿地生态系统中物种丰富，湖中挺立着荷花，湖面漂浮着浮萍，水中金鱼藻起舞，这种现象体现了群落的_结
23、构，这种结构的意义在于_。(2)图中的营养结构(食物链)可以表示为_(用字母和箭头表示)，图中缺少的一个箭头在_之间。碳元素在A、B之间以_形式传递，E粪便中的能量属于第_营养级同化的能量。(3)人们每年都要从该湿地生态系统中捕捞一定数量的鲤鱼，使鲤鱼的种群数量保持在K/2左右，这样做的原因是_。解析(1)湖中挺立着荷花，湖面漂浮着浮萍，水中金鱼藻起舞，这种现象体现了群落的垂直结构，这有利于提高群落利用光能等资源的能力。(2)图中的营养结构(食物链)可以表示为ADEF，图中缺少的一个箭头在D、B之间。碳元素在A、B之间即在生产者和分解者之间以有机物形式传递，E粪便中的能量属于上一营养级中的能量
24、，即第二营养级同化的能量。(3)种群数量在K/2时鲤鱼的增长速率最大，有利于鲤鱼的种群数量的恢复，故人们从该湿地生态系统中捕捞鲤鱼时应使鲤鱼的种群数量保持在K/2左右。答案(1)垂直提高了群落利用阳光等资源的能力(2)ADEFD、B有机物二(3)此时鲤鱼的增长速率最大，有利于鲤鱼的种群数量恢复1.最高营养级的能量去路只有3个，没有“传递给下一营养级”这一去路。2流经各营养级的总能量：对生产者而言强调关键词“固定”而不能说“照射”，对各级消费者而言强调关键词“同化”而不能说“摄入”。3“相邻两营养级”的能量传递效率“相邻两个生物个体”间的能量传递效率。如“一只狼”捕获“一只狐”时，狼应获得了狐的
25、大部分能量而不是获得10%20%的能量，所有狼可获得所有狐的能量的10%20%。4未被利用的能量包括生物每年的积累量和动植物残体以化石燃料的形式被储存起来的能量。5一个营养级所同化的能量呼吸消耗的能量被下一营养级同化的能量分解者利用的能量未被利用的能量。6误认为在生物群落中碳元素都是以CO2的形式进行循环的：在生物群落与无机环境之间，碳元素是以CO2的形式进行的，但在生物群落内碳元素则是以含碳有机物的形式进行传递的。 1.通常，生态系统的食物链不会很长，原因是能量在沿食物链流动的过程中是逐级递减的。2生态系统的能量流动具有单向流动、逐级递减的特点。3生态系统的能量单向流动的原因：食物链中的捕食
26、关系是长期自然选择的结果，不能逆转；生产者不能再利用散失的热能。4生态系统的能量流动逐级递减的原因：某个营养级同化的能量中自身呼吸要消耗一部分，还有一部分被分解者利用，所以不能将全部的能量流入下一个营养级。5从能量流动角度分析农田除草、除虫的目的：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。真题体验| 感悟高考淬炼考能新高考选择性考试示范1(2021广东选择考适应性测试)1942年，美国生态学家林德曼对赛达伯格湖的能量流动分析，是生态系统能量流动定量研究的开创性工作。如图是赛达伯格湖的能量流动图解(图中数字为能量数值，单位是Jcm2a1)。下列关于该生态系统能量利用
27、和传递特征的叙述，错误的是()A太阳能被生态系统固定的效率小于0.1%B流经生态系统的总能量为464.6 Jcm2a1C呼吸作用消耗能量的比例随营养级的提高而降低D相邻营养级之间的能量传递效率范围是13%20%C生产者固定的太阳能为464.6 Jcm2a1，占太阳辐射能量497693.2 Jcm2a1的0.093%，A正确；流经生态系统的总能量为生产者固定的太阳能，B正确；生产者呼吸消耗的能量比例为96.3/464.6100%20.7%，植食动物呼吸消耗的能量比例为18.8/62.8100%29.9%，C错误；生产者到植食动物的能量传递效率为62.8/464.6100%13.5%，植食动物到肉
28、食动物的能量传递效率为12.6/62.8100%20%，D正确。2(2021广东选择考适应性测试)早在明朝，我国劳动人民已经懂得根据鱼类的不同食性和栖息特点进行混合放养，以提高养殖的经济效益。下表为某鱼塘中鱼的种类、栖息水层和主要食物的对应关系。鱼的种类栖息水层主要食物鲢鱼上层浮游植物鳙鱼中上层浮游动物草鱼、鳊鱼中下层水草、浮萍鲤鱼、鲫鱼底层底栖动物、有机碎屑回答下列问题：(1)不同鱼类生活在鱼塘的不同水层，形成了群落的_结构，有利于养殖鱼类对鱼塘水体空间和_的充分利用。(2)能量从太阳能到鳙鱼的流动途径是_。为维持鱼塘生态系统的稳定性，放养鱼苗时鳙鱼的投放量要_(填“大于”“小于”或“等于”
29、)鲢鱼。(3)给鱼塘施肥可以提高鱼的产量，但某些情况下又会造成鱼的死亡，原因是_。解析(1)不同鱼类生活在鱼塘的不同水层，体现了群落的垂直结构；它们占据不同的水层，有利于不同鱼类对空间、食物等资源的充分利用。(2)能量流动是沿着食物链单向进行的， 能量从太阳能到鳙鱼的流动途径是浮游植物浮游动物鳙鱼。能量流动随营养级的升高而逐级递减，鲢鱼以浮游植物为食，处于第二营养级，鳙鱼以浮游动物为食，处于第三营养级，鳙鱼获得的能量明显少于鲢鱼。因此投放鱼苗时，鳙鱼投放量应小于鲢鱼投放量。(3)鱼塘施肥使得水体富营养化，浮游植物大量生长，一方面为鱼类提供了营养物质，从而提高鱼类的产量，另一方面使水体中溶氧量下
30、降，易造成鱼类缺氧死亡。答案(1)垂直资源(2)浮游植物浮游动物鳙鱼小于(3)鱼塘施肥使得水体富营养化，浮游植物大量生长，一方面为鱼类提供了营养物质，从而提高鱼类的产量，另一方面使水体中溶氧量下降，易造成鱼类缺氧死亡全国卷命题研析借鉴3(2020全国卷)生态系统的物质循环包括碳循环和氮循环等过程。下列有关碳循环的叙述，错误的是 ()A消费者没有参与碳循环的过程B生产者的光合作用是碳循环的重要环节C土壤中微生物的呼吸作用是碳循环的重要环节D碳在无机环境与生物群落之间主要以CO2形式循环A消费者的存在能加快生态系统的物质循环，A项错误；光合作用是指生产者利用光能，将二氧化碳和水转化成有机物，并且释放出氧气的过程，大气CO2库中的碳进入生物群落是通过生产者的光合作用或化能合成作用实现的，生产者的光合作用是碳循环的重要环节，B项正确；土壤中的微生物可以通过呼吸作用将含碳有机物中的碳返回大气中，土壤中微生物的呼吸作用是碳循环的重要环节，C项正确；碳在生物群落和无机环境之间的循环主要以CO2的形式进行，在生物群落内部主要以含碳有机物的形式传递，D项正确。