1、第三节 能量流动和物质循环 第四节 生态系统的稳态及其调节 情 境 导 入课 程 标 准学 习 目 标分析生态系统中的物质循环和能量流动的基本规律及其应用。阐明生态系统的稳定性。1.分析生态系统的能量流动过程及其特点。2.分析生态系统中碳循环的过程和特点，关注碳循环平衡失调与温室效应的关系。3.分析能量流动和物质循环的关系。4.简述生态系统的稳态。5.举例说明生态系统的自我调节过程，探讨提高生态系统稳定性的措施。温故“学而时习之，不亦乐乎？”1在一个朽木的空洞中，底部有积水长存，生物有细菌、原生动物、苔藓、蚊子和蜘蛛。这一朽木洞中可构成一个()A种群B群落C食物网D生态系统解析：在题中设立的这
2、个特定的空间内，不仅生活着多种相互之间有联系的生物，而且具有特殊的无机环境，即底部有积水的朽木的空洞。在此，生物与生物之间、生物与环境之间，通过能量流动和物质循环而相互作用，达到动态的稳定。因此，它们共同构成了一个自然系统即生态系统。答案：D2对“小麦黏虫青蛙”这条食物链的叙述，不正确的是()A保护青蛙可以提高小麦产量B青蛙体内农药含量最高C小麦是第一营养级的生物D如果青蛙全部迁走，黏虫的个体数量会无限增加解析：如果青蛙全部迁走，黏虫由于没有敌害，其数量会在短期内增加。但小麦提供的物质和能量是有限的，黏虫会随着食物等生活条件的不足而加剧种内斗争，导致黏虫因部分个体死亡，数量减少。答案：D知新先
3、自学教材，并思考以下问题：猪笼草是有名的热带食虫植物，主产地是热带亚洲地区。猪笼草拥有一副独特的吸取营养的器官捕虫囊，捕虫囊呈圆筒形，下半部稍膨大，因为形状像猪笼，故称猪笼草。在中国的产地海南又被称作雷公壶，意指它像酒壶。这类不从土壤等无机界直接摄取和制造维持生命所需营养物质，而依靠捕捉昆虫等小动物来谋生的植物被称为食虫植物。那么，对于猪笼草这样的食虫植物来说，它属于生产者还是消费者？能量是如何流动的呢？它在自然界的物质循环过程中起了什么作用呢？猪笼草生态系统的能量流动【自学评价】1所有动物都得依赖为生，而光合植物则依赖为生。2能量流动的途径是。3特征：由于能量流动是单方向的、不可逆的，相邻的
4、两个营养级间的传递效率一般只有约，所以，越是处在食物链高位的生物，其数量就越、生物量就越、能量也越。植物太阳能食物链10%少小少【名师点津】探究1：生态系统的能量输入、输出、流动过程如何？又是如何散失的？能量流动又有什么特点？如何分析？研究意义有哪些？1能量的输入(1)源头：太阳能或氧化无机物产生的化学能。(2)相关生理过程：光合作用或化能合成作用。(3)能量形式转换：光能或氧化无机物产生的化学能有机物中的化学能。(4)输入总量：生产者固定的总能量。2能量的传递(1)传递途径：食物链和食物网。(2)传递形式：有机物中的化学能。(3)各营养级的能量来源：流入到各级消费者的总能量是指各级消费者所同
5、化的能量，排出的粪便中的能量不计入消费者所同化的能量；生产者的能量来自太阳能或氧化无机物产生的化学能；分解者的能量来自生产者和消费者。(4)能量的去向某一营养级的生物获得的能量可分为以下三部分：被该营养级生物细胞呼吸分解消耗一部分，其中产生的ATP用于生命活动，热能从生物群落散失到大气中；进入下一个营养级的生物(最高营养级生物除外)；随着动植物遗体、残枝落叶、粪便等被分解者分解而释放出来的。3能量的散失(1)形式：热能是能量流动的最终归宿。(2)过程如下：(3)特殊途径：动植物遗体形成的煤炭、石油等 工业燃烧 热能。4能量流动过程(1)第二营养级(初级消费者)的能量流动过程流入第二营养级的能量
6、将发生如下图的变化。能量来源：初级消费者摄入的能量。能量总量：初级消费者同化的总能量。能量去向：一部分在自身呼吸作用中以热能的形式散失；一部分随动物遗体、动物的排遗物流向分解者，被分解者分解释放出来；一部分被下一营养级同化。同化量摄入量粪便量，其中同化量也可称为该营养级的固定量，是指真正流经该营养级的总能量。粪便中的能量不是该营养级的能量，应当是上一个营养级的同化量的一部分，例如羊吃草，羊粪便中的能量应当是草同化下来的能量，它不属于羊。(2)生态系统中能量流动过程示意图能量流动的起点：始于生产者固定的太阳能(能量的输入)，但并不是所有的太阳能都参与生态系统中的能量流动，必须是输入到生态系统的第
7、一营养级的能量才能在生态系统中流动。流经该生态系统的总能量：该生态系统中全部生产者通过光合作用所固定的太阳能的总量是流经该生态系统的总能量。能量流动的渠道：沿着食物链的各个营养级流动(能量的传递)；能量沿着食物链流动时，每一营养级都有输入、传递、转化和散失的过程。能量流动过程中的变化：太阳能生物体内的化学能热能，热能是能量流动的最终归宿，也就是最终以呼吸热形式散失(能量的输出)。生产者固定的太阳能有三个去处：a一部分被自身的生命活动消耗了，即被呼吸作用分解了；b储存在生产者体内的能量，一部分被初级消费者摄食同化流入第二营养级；c未被初级消费者利用的枯枝落叶和初级消费者摄食未同化而排出的粪便中的
8、这一部分能量被分解者释放出来。对于初级消费者所同化的能量，也是这三个去处。并且可以认为，一个营养级所同化的能量呼吸散失的能量分解者分解释放的能量被下一营养级同化的能量。但最高营养级的情况除外。5能量流动的特点(1)单向流动是指生态系统的能量流动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，不可逆向流动，也不能够循环流动。能量单向流动的原因：食物链中各营养级的顺序是不可逆转的，能量只能由被捕食者流向捕食者而不能逆流。这是长期自然选择的结果。各营养级的能量大部分是以呼吸作用产生的热能的形式而散失掉，这些能量是生物无法利用的。(2)逐级递减是指输入到一个营养级的能量不可能百分之百地流入下
9、一个营养级，能量在沿食物链流动的过程中是逐级减少的。原因：第一，各个营养级生物的呼吸消耗部分能量，用于维持自身的生长、发育和繁殖；第二，植物的枯枝落叶、动物的粪便和尸体被分解者利用，经过微生物的呼吸作用释放部分能量；第三，各个营养级的能量都有相当一部分未被下一营养级的生物所利用。(3)能量传递效率能量传递效率的含义能量在相邻两个营养级间的传递效率大约为10%20%，在某一食物链中，若求最高营养级获得的最多能量或所需消耗的最少生产者，一般取20%作为传递效率；反之，则取10%作为传递效率。能量传递效率的计算能量传递效率下一个营养级的同化能量上一个营养级的同化能量100%。6能量流动的分析方法比较
10、教材P110“赛达伯格湖能量沿营养级流动的定量分析”图解可以发现，在“赛达伯格湖能量沿营养级流动的定量分析”图解中，流入每一营养级的能量去路中多了一条“未利用”，即未被自身呼吸消耗，也未被后一营养级和分解者利用的能量。出现这种差别的原因在于能量流动图解的分析方法和理解角度不同。理解流入每一营养级的能量去向可从以下两个角度分析：(1)定量不定时分析：流入某一营养级的一定量的能量在足够长的时间内的去路可有三条：自身呼吸消耗；流入下一营养级；被分解者分解利用。但这一定量的能量不管如何传递，最终都以热能形式从生物群落中散失，生产者源源不断地固定太阳能，才能保证生态系统能量流动的正常进行。(2)定量定时
11、分析：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：自身呼吸消耗；流入下一营养级；被分解者分解利用；未被自身呼吸消耗，也未被下一营养级和分解者利用，即“未利用”。如果是以年为单位研究，第部分的能量将保留到下一年。7有关能量流动“极值”的计算(1)结合某一具体食物链及传递效率10%20%进行相关计算时，应注意以下思路：设食物链为ABCD，分情况讨论：当D营养级净增重M，若计算至少需A营养级多少时，解题思路为X20%20%20%M；若计算最多需A营养级多少时，解题思路是X10%10%10%M；当A营养级净增重N，若计算D营养级最多增重多少时，解题思路是N20%20%20%X；若计算D营养
12、级至少增重多少时，解题思路是N10%10%10%X，最后求出X值。这里特别提醒要注意“最多”“至少”与10%”“20%”的对应关系。(2)同一食物链不同环节传递效率不同时，相关问题解决思路是：设在ABCD食物链中，传递效率分别为a%、b%、c%，若现有A营养级生物重M，则能使D营养级生物增重多少？计算：Ma%b%c%X。此时不能再涉及“最多”“至少”，即不能再涉及“10%”“20%”的传递效率。(3)在某一食物网中，一个消费者往往同时占有多条食物链。当该消费者增加了某一值时，若要计算最少消耗生产者多少时，应选最短的食物链和最大传递效率20%进行计算，这样消费者获得的最多；若要计算最多消耗生产者
13、多少时，应选最长的食物链和最小传递效率10%进行计算，这样消费者获得的最少。8研究能量流动的意义合理调整能量流动关系，使能量持续高效地流向对人类最有益的部分。例如：下图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，其叶面指数可以达到4以上。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上图可以看出，随着该森林生态系统的发育，森林
14、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)时进行合理开采利用，是最为合算的。【尝试突破】【例 1】如图是生态系统能量流动的图解，对此图理解有误的是()A图中方框的大小可表示该营养级生物所
15、具有的能量多少B该图中的 C 所具有的能量为 B 的 10%20%C该图中的 A 固定的能量表示流经该生态系统的总能量D图中的 A 固定的能量是 B、C、D 的能量之和尝试解答：_解析：本题考查生态系统能量流动的特点。首先判断图中 A为生产者，B、C、D 为消费者，能量流动是逐级递减的，所以图中方框的大小可表示该营养级生物所具有的能量多少；相邻两个营养级之间能量传递的效率是 10%20%，所以图中 C 所具有的能量为 B 的 10%20%；生产者固定的太阳能总量等于流经该生态系统的总能量，所以 C 项正确；每个营养级同化的能量有 3 个去向：流入下一营养级(最后一个营养级除外)、被分解者分解和
16、自身呼吸作用消耗，所以图中 A具有的能量应该大于 B、C、D 的能量之和。答案：D调查某生态系统两个营养级的能量流动关系如下图所示。字母代表能量数值，若传递效率是15%，下列关系正确的是()AC0.15B BC0.15DCC0.15(ABDE)DBADE解析：传递效率是指下一营养级生物同化的能量占上一营养级同化能量的比例。图示中应该是生产者流向初级消费者的能量传递效率为15%。答案：A生态系统的物质循环【自学评价】1物质循环是在一个的循环圈中周而复始、往复循环的，参与循环的物质数量，而且可以得到利用。2碳的全球循环大气圈中的碳经过或化能合成作用进入生物群落，再经过动植物的和微生物的又回到大气圈
17、。海洋的含碳量是大气圈含碳量的倍，二氧化碳在大气圈和水圈的界面上通过而互相交换着。人类的活动导致大气中二氧化碳含量的持续增加，造成现象。相对封闭恒定重复光合作用呼吸作用分解作用50扩散作用温室效应【名师点津】探究2：自然界的碳循环过程具体情况如何？有什么特点？1碳循环过程图解分析上图可知：(1)大气中的碳元素进入生物群落，主要是通过植物的光合作用，其次还有某些细菌的化能合成作用。(2)碳在生物群落和无机环境之间是以CO2的形式进行循环的。(3)大气中CO2的来源有三个：一是分解者的分解作用；二是动植物的呼吸作用；三是化石燃料的燃烧。(4)碳元素在生物群落中的传递主要靠食物链和食物网，传递形式为
18、有机物。(5)碳在无机环境与生物群落之间传递时，只有生产者与无机环境之间的传递是相互的，其他各成分之间的传递都是单向的。2碳循环平衡的破坏温室效应(1)现象：大气中的CO2含量上升，导致气温升高。(2)原因：大量化石燃料的燃烧；森林、草原等植被被大面积破坏，降低了植被对大气中CO2的吸收。(3)影响：气候变暖会使极地和高山冰川融化、海平面上升；气候变化也改变了降雨和蒸发机制，影响农业和粮食资源的生产。(4)防止或减缓温室效应的措施减少化石燃料的燃烧，改善能源结构，开发新能源；大力植树造林，退耕还林、还草等。3物质循环与能量流动的关系(1)物质循环和能量流动的关系示意图(2)比较能量流动物质循环
19、形式以有机物中化学能的形式流动因不同元素而异，如碳以CO2的形式循环特点单向流动、逐渐递减具有循环性、全球性范围生态系统的各营养级生物圈联系二者同时进行，相互依存，不可分割二者均开始于生产者，通过光合作用合成有机物固定太阳能，然后沿共同的渠道食物链(网)一起运行能量的固定、储存、转移和释放，离不开物质的合成与分解等过程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，使物质能不断地在生物群落和无机环境之间循环往返图示如下：【尝试突破】【例2】如图是自然界碳循环的简图，图中的甲、乙、丙各代表()A甲是生产者，乙是分解者，丙是消费者B甲是消费者，乙是分解者，丙是生产者C甲是分解者，乙是生
20、产者，丙是消费者D甲是生产者，乙是消费者，丙是分解者尝试解答：_解析：生态系统的物质循环中，生产者通过光合作用摄取大气中的CO2，其体内碳的去处有三条途径：其一是通过呼吸作用释放到大气中；其二是被消费者所摄取；其三是其遗体、枯枝落叶等被分解者分解，并将其中的碳以CO2形式释放到大气中。消费者的碳来源于对生产者的取食，其体内碳的去向，一是通过呼吸作用释放到大气中；二是通过分解者的分解，以CO2形式释放到大气中。从上述分析中，不难推断，图中甲是生产者，乙是分解者，丙是消费者。答案：A下图是生态系统中碳循环示意图，“”表示碳的流动方向，下列说法正确的是()A图中A是生产者，B、D、E是消费者，C是分
21、解者B该生态系统的结构包括A、B、C、D、非生物的物质和能量C该生态系统中食物网可表示为：DE每增加1 kg的体重，至少需要25 kg的A解析：根据题干可以知道，A是生产者，D、E是消费者，B是分解者，C是大气中的CO2库。生态系统中分解者不参与食物链，不占营养级。此题中的食物链是：ADE，如果E增加1 kg的体重，按照最大传递效率20%计算，需要25 kg的A。答案：D生态系统的稳态及其调节【自学评价】(一)生态系统的稳态1稳态及原因：生态系统内部的彼此相互协调，保持稳定。由来实现的。所有成分自我调节2调节方式：调节。(1)反馈调节：当生态系统中的某一成分发生变化的时候，它必然会引起出现一系
22、列的相应变化，这些变化最终又反过来影响发生变化的那种成分，这个过程叫反馈调节。(2)类型负反馈：最常见，反馈的结果是最初发生变化的那种成分所发生的变化，使生态系统保持稳态。正反馈：很少见，最初所发生的变化，其作用常常使生态系统稳态。反馈其他成分最初抑制和减弱加速远离3生态系统的发展趋势：在自然条件下，总是朝着多样化、结构和功能的方向发展。(二)正确处理人与自然的关系1人类生存和发展的基础：保持生态系统的稳定。2人类的活动与稳态的关系：人类的活动除了要讲究效益和效益外，还必须特别注意效益和后果，以便利用自然的同时能基本保持生物圈的稳态。物种复杂化完善化结构和功能经济社会生态生态【名师点津】探究3
23、：如何理解生态系统的稳态？其调节方式、类型如何？怎样正确处理人与自然的关系？如何设计并制作生态瓶？(一)稳态生态系统的一个重要特点就是它常常趋向于稳态，使内部的所有成分彼此相互协调，保持稳定。(二)反馈调节当生态系统中的某一成分发生变化的时候，它必然会引起其他成分出现一系列的相应变化，这些变化最终又反过来影响最初发生变化的那种成分，这个过程就叫反馈调节。(1)负反馈作用：抑制或减弱最初发生变化的那种成分所发生的变化。实例：见下面图解。(2)正反馈作用：加速最初所发生的变化，常常使生态系统远离稳态。实例：如果一个湖泊受到了污染，鱼类的数量就会因死亡而减少，死鱼腐烂后又会进一步加重污染并引起更多的
24、鱼死亡。(1)正反馈在自然生态系统很少见，其对生态系统有极大破坏作用。(2)从长远看，生态系统中的负反馈调节起主要作用。(三)正确理解生态系统稳定性的概念生态系统的稳定性是生态系统发展到一定阶段，它的结构和功能能够保持相对稳定时，表现出来的保持或恢复自身结构和功能相对稳定的能力。可从以下几个方面分析：1稳定性的前提条件只有当生态系统发展到一定阶段，它的生产者、消费者和分解者三大功能类群齐全，能量的输入和输出保持稳定，物质的输入和输出相对平衡时才表现出来。这一阶段就是生态系统的成熟阶段。2稳定性的表现结构相对稳定：生态系统中动植物种类及数量一般不会有太大的变化，一般相关种群数量呈现周期性变化，可
25、用下图曲线表示：功能相对稳定：生物群落的能量输入与输出相对平衡，物质的输入与输出保持相对平衡。3稳定性的两个方面保持自身结构和功能的相对稳定，即抵抗力稳定性。其核心是抵抗干扰，保持原状的能力。恢复自身结构和功能的相对稳定，即恢复力稳定性。其核心是遭到破坏，恢复原状的能力。任何一个成熟的生态系统，都同时具备抵抗力稳定性和恢复力稳定性，且它们之间呈相反的关系。生态系统的稳定性指的是生态系统的一种能力或特性，而不是一种状态。(四)生态系统的结构、功能与其稳定性的关系1生态系统的稳定程度，取决于它的物种组成、营养结构和非生物因素之间的协调关系。2生态系统的营养结构是能量流动和物质循环的渠道，完善的营养
26、结构是保障能量流动和物质循环畅通运行的结构基础；而能量流动和物质循环又能使生态系统的四种成分紧密地联系在一起，有利于形成典型的食物链关系，推动生态系统的生存与发展。当生态系统发展到一定阶段时，它的结构与功能能够保持相对稳定。系统内各种生物的种类和数量虽有波动，但总是相对稳定的，即表现为生物的种类组成、数量比例保持相对稳定。3完善的营养结构使生态系统具有一种反馈调节机制，进而抵抗外界干扰，维持自身稳定。例如，在森林生态系统中，当害虫数量增加时，林木的生长自然受到危害，但食虫鸟类由于食物丰富数量增多，这样害虫种群增长就会受到抑制，出现了“有虫不成灾”的现象。生态系统的自我调节能力有大有小，因此抵抗
27、力稳定性有高有低。生态系统抵抗力稳定性的高低，是由它的成分和营养结构所决定的。一般地说，生态系统的成分越单纯，营养结构越简单，自我调节能力就越小，抵抗力稳定性就越低；相反，生态系统中各个营养级的生物种类越多，营养结构越复杂，自我调节能力就越大，抵抗力稳定性就越高。(五)设计并制作生态瓶1实验目的(1)初步学会设计并制作小生态瓶。(2)学会观察生态系统的稳定性。2原理分析制作小生态瓶时，由于使用的是河水(或池水)，因此在这个密闭的生态系统中，除黑藻(或金鱼藻)、螺蛳(或椎实螺)外，还有单胞藻、原生动物和其他微生物，而且河水中还溶解有各种矿质元素，所以它是一个完整的生态系统，但也是一个营养结构极为
28、简单的生态系统。在该生态系统中，水生藻类在光照下能够进行光合作用，并且释放氧气，除了供它们自身利用外，还可以使螺蛳和其他生物进行呼吸。螺蛳可以用腹足爬行于瓶壁，并以齿舌刮取藻类为食，其排出物被微生物(分解者)分解，并为藻类提供养料，藻类、螺蛳、微生物和浮游生物呼吸时放出CO2，可供藻类植物进行光合作用。由此可见，在这个密闭的微型生态系统中，既有生产者、消费者和分解者，又有非生物的物质和能量；既有物质循环，又有能量流动，因此该生态系统能够保持较长时间的相对稳定。3实习程序(1)瓶子的处理。取一个标本瓶并将其洗净，然后用开水烫一下瓶子和瓶盖。(2)放沙注水。往标本瓶中放入1 cm厚的沙子，再注入河
29、水(占瓶子容积的4/5)。(3)投放生物。将1根黑藻或其他藻类和1个小型螺蛳(或椎实螺)放入标本瓶中。(4)加盖封口。在瓶盖周围涂上凡士林，盖紧瓶口，再在瓶口周围涂抹上一层凡士林。(5)粘贴标签。在制作好的小生态瓶上贴上标签，然后放在阳面窗台上，或其他有散射光的地方，注意不要被太阳光直射(不要再移动位置)。(6)观察记录。每天观察1次，并做好记录。(1)生态瓶的营养结构极为简单，稳定性极易被破坏，因此要注意水温不应过高，以免藻类死亡后影响能量进入生物界。(2)藻类变黑、变黄下沉时，即为死亡；螺蛳外壳变白、浮起时，即为死亡。【尝试突破】【例3】关于生态系统稳定性所具备的特征，叙述错误的是()A该
30、系统处在幼年到成熟的过渡阶段B该系统内生物的种类和数量相对稳定C有典型的食物链和完整的营养结构D能量和物质的收支大体平衡尝试解答：_解析：生态系统的稳定性是生态系统发展到成熟阶段的表现；是组成生态系统的生产者、消费者和分解者数量基本稳定，能量流动和物质循环达到了动态平衡，有典型的食物链和食物网并基本保持相对稳定。答案：A下列关于生态系统稳定性的叙述，不正确的是()A任何一个生态系统一般都具有稳定性B生态系统的稳定性意味着生态系统中各种生物数量相对稳定C生态系统之所以具有稳定性，是由于生态系统具有一定的自我调节能力D生态系统的自我调节能力是有限度的解析：生态系统的稳定性是生态系统发展到成熟阶段的表现，并不是任何一个生态系统或生态系统的任何一个发展阶段都具有的。答案：A