1、第2节生态系统的能量流动【基础知识精讲】课文全解：本小节内容包括生态系统中能量流动的过程，能量流动的特点和研究能量流动的意义三部分。教材首先概括性地指出了生态系统能量流动的概念，即：生态系统中能量的输入、传递和散失的过程叫做生态系统的能量流动。那么，生态系统的能量是如何输入、传递和流动的，就成了能量流动这一问题的切入点，也就引出了本小节要解决的三个主题内容。关于能量流动的过程。教材以“光合作用”知识为基础，清楚地讲述了生态系统中用于能量流动的“能量”来源，并详细地分析了第一营养级（生产者）获得能量的全过程，定性地阐述了该营养级的能量变化。接着又以图示的形式分别说明了第二营养级（初级消费者）中能
2、量的来源和去向，并以类推的方式讲述了能量在第三、第四等营养级中的变化。最后，教材总结性地概括了生态系统的能量来源和流动的渠道。关于能量流动的特点，教材列举了美国生态学家林德曼对一个天然湖泊赛达伯格湖的能最流动定量分析图例。采用提纲式的手法让我们动脑动手、分析计算，导出能量在此生态系统各营养级之间传递的数量关系，并进一步得出相邻营养级之间能量传递的百分比，并一环扣一环地提出了为什么流入某营养级的能量不能百分之百地流入后一个营养级？我们在看图时虽一目了然，但表达起来却比较困难。此时，教材顺水推舟地导入能量流动的特点，教材详细地讲述了能量流动的两大特点：一是单向流动，二是逐级递减。为了更好地阐明这两
3、大特点，教材灵活地采用了两种手法：一方面逻辑推理，归纳出了能量在相邻两营养级之间的传递效率为10%20%；另一方面直观形象地以单位时间内各营养级获得的能量数值，由低到高绘制出了一个能量金字塔。这样既发展了逻辑思维和形象思维，又有效地说明了生态系统中，营养级越高，获得的能量越少。关于研究能量流动的意义，教材先概要说明了能量流动的研究可以帮助人们合理地调整生态系统中能量流动的关系，使能量持续高效地流向对人类最有益的部分。然后以事实说话，列举了“草原生态系统”和“农田生态系统”中能量流动的变化情况。特别是人类活动在各生态系统中的作用，教材以假设的手法说明了合理调整生态系统能量流动渠道的重要性。这里需
4、要说明的是，教材的假设确实存在，根据生态系统能量流动的特点和生态学规律，可持续发展的重要性已不言而喻。所以，教材通过两个实例的分析，旨在提示人们在开发利用能源的同时，一定要遵循生态学规律，坚持可持续发展的原则。综上所述，本节知识结构可概括为：问题全解：1如何理解能量流动和物质循环是生态系统的基本功能？地球上生命的生存与发展，完全依赖于生态系统的能量流动和物质循环，能量的单向流动和物质周而复始的循环推动了一切生命活动的进行。因此，能量流动和物质循环是生态系统的动力核心，也是生态系统的基本功能。从能量流动来看：生物个体的生命活动无时无刻不在消耗着能量，能量是推动生物体各种生命活动的动力。不论哪种生
5、物，只有不断地获得能量，才能生活下去。同样，由生物群落和无机环境构成的生态系统，其生存与发展也离不开能量的供应。也就是说，能量必须不断地从无机环境输入到生物群落中，并沿食物链 (网)这个渠道进行传递，才能维持群落中各种生物正常的生命活动。能量的输入、传递和消失就构成了生态系统的能量流动过程。只有深入分析能量流动的过程，才能发现并深刻理解能量流动的特点，并运用能量流动的特点和规律指导生产实践。2为什么能量流动只能是单向的？能量之所以单向流动即能量只能从第一营养级流向第二营养级，再依次流向后面各个营养级，既不能逆向流动，也不能循环流动，是因为生物之间的捕食关系是一定的，能量只能由被捕食者流向捕食者
6、而不能逆流。由于太阳能是生态系统能量的源头，生产者只有通过光合作用，才能将太阳能固定在它所合成的有机物中并输入到生态系统的第一营养级。而当能量沿食物链流动时，每个营养级的生物都进行呼吸作用释放一部分热能，这部分热能一旦散失，生产者是不能固定的。因此，能量不能循环流动。由此可见，生态系统是一个开放的能量耗散系统，太阳能必须不断地输入生态系统，才能满足各营养级生物对能量的需求。但是，生态系统从属于“物理系统”，其能量流动照样遵循能量守恒定律。3能量沿食物链流动时，为什么会呈现逐级递减的特点?这需要我们仔细分析能量的输入、传递和散失过程，尤其注意追踪各营养级生物能量散失的途径。能量的输入生态系统中能
7、量的源头是阳光，生产者只有通过光合作用，才能把太阳能固定在它所合成的有机物中，这样光能才能输入到生态系统的第一营养级。因此，流经一个生态系统的总能量是生产者固定的太阳能的总量，并非照射到这个生态系统中所有植物体上的太阳能。因为有相当部分的太阳辐射能没有被生产者所“捕捉”和固定。简洁地说，只有“固定”，才能“输入”。能量的传递和散失能量是沿食物链 (网)传递的，食物链 (网)是能量流动的渠道。但是，每一个营养级的能量都不能全部传给下一个营养级。这是因为各营养级生物都必须消耗一部分能量，用以维持自身的生长、发育、繁殖等生命活动。这种能量“自耗”是通过呼吸作用实现的，即有机物中的化学能通过呼吸作用释
8、放出来，大部分以热能的形式散失掉，只有一小部分转化为ATP，用于生长、发育、繁殖等生命活动。用于生长、发育、繁殖等生命活动的能量最终将储存在生物体内的有机物中。该部分能量又有两个去向：一部分随着遗体被分解者分解而释放出来，另一部分被下一营养级生物摄入体内。摄入体内的能量，并不是该营养级生物的同化量，因为有一小部分能量存在于动物排出的粪便中，最终被分解者分解释放出来。因此，真正流入下一营养级的能量，应该是该营养级生物的同化量。即：同化量=摄入量粪便量从上面分析可知，能量流动之所以逐级递减，是因为：各营养级生物呼吸消耗；生产者的遗体、残枝败叶，消费者的尸体、粪便中的能量被分解者利用，经微生物的呼吸
9、作用消耗；各营养级生物中都有一部分生物末被下一个营养级生物所利用。以鼠类危害麦田里小麦为例：尽管麦田里有鼠类危害，但小麦植株并非一定全都遭到鼠类的咬食；一些小麦植株虽然被鼠类咬断，但鼠类食用的主要是其中的籽粒。由图851可知，能量在两个相邻营养级之间的传递效率可用下式计算。图851能量传递效率=（下一营养级同化量/上一营养级同化量）100%经过生态学家的定量分析和研究，发现能量传递效率大约为10%20%，也就是说，在输入到某一个营养级的能量中，大约只有10%20%的能量能够流动到后一个营养级。需要说明的是上述比例只是大体上的数字，它反映了各种类型的生态系统能量传递的一般规律。但对不同的生态系统
10、，确切的比例数总会由于各种食物链的不同，食物链内营养级数目的不同，以及食物链与食物链之间的交织等因素而有差异。总之，上述的比例数不是绝对数字，它只是形象地说明能量每经过一个营养级，大致上降低一个数量级。4怎样理解研究能量流动的意义就在于“设法使能量持续高效地流向对人类有益的部分”？图852表示一个森林生态系统中森林地上部分总初级生产量、净初级生产量的变化情况。图中的横坐标表示叶面积指数 (也叫叶面指数)，纵坐标表示最大总光合量。所谓叶面指数，是指地表单位面积上植物叶片的面积数量。叶片平铺在地表上并呈镶嵌排列的植物(如南瓜)，其叶面指数只有1左右；叶片交错生长的森林以及稻、麦等农田，其叶面指数可
11、以达到4以上。图852森林生态系统发育过程中总初级生产量、净初级生产量与叶面指数的关系从图853可以看出，随着该森林生态系统的发育，森林的叶面指数也在变化。当叶面指数达到810时，森林的总初级生产量达到了最大值，这表明这片森林已经发育到成熟阶段了。但是，若从净初级生产量方面来看，当叶面指数达到4时，这片森林的净初级生产量达到了最大值(如果这一森林生态系统继续发育，叶面指数超过了4，由于呼吸作用增强所造成的消耗也随着增多，净初级生产量不仅不再增加，反而开始减少)。因为人们经营管理森林的一个重要目的就是期望获得森林的最大净初级生产量，显然，在这个森林生态系统的叶面指数达到4(而不是810)时进行合
12、理开采利用，是最为合算的。同样，在栽培谷物的过程中，人们首要的目的是获取高产量的籽粒，而不是大量的秸秆。因此，人们在进行农田管理时，既要使农田的叶面指数保持在适宜的数值上，又要使谷秆比 (谷粒重/秸秆重)适当增高。这样就可以避免由于呼吸作用的增强而造成过多的消耗，也可以避免过多地增加秸秆的重量，从而使农田生态系统中的能量尽可能多地流向对人类最有益的部分，增加谷粒的产量。【学习方法指导】对本节内容的学习，要求做到两点：积极的思维及知识的迁移应用。从生态系统的成分和营养结构到生物的光合作用和呼吸作用，从生物体的生长、发育和繁殖到微生物的分解作用，只有有机地把这些知识点联系在一起，才能理解生态系统能
13、量流动的特点及形成原因。结合各种信息积极对知识进行深入的分析，理解并应用之。例如分析每个营养级能量的来源和去路，联系实际分析理解研究生态系统能量流动的意义等。【知识拓展】能量金字塔、数量金字塔、生物量金字塔既然能量沿食物链流动时逐级递减，那么营养级越多，消耗的能量就越多。因此，一条食物链一般不会超过五个营养级。我国有句古话“一山不能容二虎”就是这个道理。对此可用能量金字塔进行形象地说明。塔基是第一营养级，其能量最多，生产者的数量也最多；而位于塔顶的生物营养级最高，其能量最少，因此数量也最少。这说明生物的能量值与个体数量有着密切关系，因为能量是生物体生长、发育和繁殖的动力。如果把各个营养级生物个体数量，用绘制能量金字塔的方式表示出来，通常也呈现金字塔形，称为数量金字塔，但也有例外。例如，成千上万只昆虫生活在一株大树上，该数量金字塔的塔形就会发生倒置。生物量金字塔是按各营养级生物的重量绘制出来的(图853)图853水域生态系统中的生物量金字塔（单位：kg）生物量金字塔很少发生倒置，只有在某些水生生态系统中，例如在海洋里浮游动物量往往是超过浮游植物量的。但是，一年中流过浮游植物的总能量还是比流过浮游动物的要多。因此，只有能量金字塔能保持金字塔正常形状。