10 第10讲 生态系统的能量流动-备战2022年高考生物二轮复习三板斧之三——生物计算

《备战生物高考三板斧之三——生物计算》教学讲义

第10讲 生态系统的能量流动

必会知识 考点梳理拓展延伸易错警示

必会知识一 能量流动的过程

1．能量流动的概念：生态系统中能量的输入、传递、转化和散失的过程，称为生态系统的能量流动。

2．能量流动的过程

(1)能量流动的过程示意图

(2)能量流动的定性分析

营养级之间的能量流动分析(从第一营养级流向第二营养级)

W1：流经整个生态系统的总能量，是生产者固定的大阳能的总量，W1=A1+(B1+C1+D1)。

A1：在生产者的呼吸作用中以热能的形式散失掉的能量。

B1+C1+D1：用于生产者的生长、发育和繁殖的总能量。

B1：现存的植物体内的能量。

C1：生产者流向分解者的能量。

D1：流向下一营养级的能量D1=A2+(B2+C2+D2)。

A2、B2、C2、D2依次为第二营养级的呼吸量、现存量、分解者的分解量、流入第三营养级的能量，将上述分析归纳如下：

每一营养级所固定的能量最终有三个去向：一部分在自身呼吸作用中以热能形式散失；一部分随生物遗体、残落物、排泄物被分解者释放出来；一部分被下一营养级同化。

3．生态系统中能量流动的特点：单向流动、逐级递减。

能量传递效率：输入到某一营养级的能量中，只有10%～20%的能量流入到下一个营养级。计算方法：相邻两个营养级能量的传递效率=×100%

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必备技能一 生态系统能量流动计算

[例1]某自然保护区内共同生活着两种鼠科动物：社鼠和中华姬鼠，它们均主要以嫩叶及种子为食，在春季还辅以部分土壤昆虫为食。林中的普通鵟会捕食鼠类，社鼠与中华姬鼠的种群数量变化如图1所示，图2为该地区小型地栖鼠丰富度沿海拔的变化。下列相关叙述正确的是(    )

A．两种鼠之间为竞争关系，两者的K值在2016—2019年间均逐年降低

B．中华姬鼠的种群数量达到K/2值时，种内斗争最激烈，种群的增长速率也最大

C．在夏秋季，如果普通鵟体重增加1 kg，则最多需要消耗100 kg植物

D．该地区小型地栖鼠丰富度随海拔的升高而逐渐增大，中度海拔种群密度一定大于低海拔

[答案]C．[解析]据图分析可知，两种鼠之间为竞争关系，在2016—2019年间社鼠的K值逐年降低，中华姬鼠的K值保持稳定，A错误；中华姬鼠的种群数量达到K值时，种内斗争最激烈，种群的增长速率为0，B错误；、在夏秋季植物→鼠→普通鵟这条食物链中，如果普通鵟体重增加1Kg，最多消耗植物能量传递效率按10%计算，故最多需要消耗植物=1÷10%÷10%=100Kg，C正确；分析图2可知小型地栖鼠类丰富度随海拔的升高逐渐增大，在中度海拔达到最大，海拔进一步升高丰富度逐渐降低，且图中只能得知丰富度的大小，不能判断种群密度大小，D错误。

[例2]下图表示某生态系统有关功能的示意图，下列叙述正确的是(　　)

A．X1过程吸收的CO2总量与Y1、Y2、Y3……及Z过程释放的CO2总量相等

B．Z1、Z2、Z3……过程提供的有机物中的碳将全部转变为Z过程释放的CO2中的碳

C．当该生态系统处于相对稳定状态时，X3过程的能量值约为X1过程能量值的1%～4%

D．图中箭头也可以表示该生态系统的信息传递方向

[答案]C．[解析]X1过程吸收的CO2总量大于Y1、Y2、Y3…及Z过程释放的CO2总量，因为X1过程吸收的CO2还可以来自化石燃料的燃烧，A错误；Z1、Z2、Z3……过程提供的有机物中的碳将部分转变为Z过程释放的CO2中的碳，还有些转变为乳酸或酒精等中的碳，B错误；在食物链中，相邻两个营养级的能量传递效率为10～20%，故X3过程的能量值约为X1过程的能量值的1～4%，C正确；生态系统的信息传递是往往是双向的，而图中的箭头是单向的，D错误。

[例3]科学工作者为修复被破坏的生态系统，在某湿地进行了人工引入互花米草的“种青引鸟”生态工程实验。在实验前后分别对该湿地植被类型、昆虫种类数、密度进行调查，结果统计见下表。根据调查结果，分析回答：

注：海蓬子和互花米草都生长在潮间带。

(1)生态系统的结构包括______________________。图中除图中成分外，该生态系统的成分还应有___________________。

(2)调查该湿地中互花米草的种群密度应采用样方法。实验结果说明了人类活动能影响群落演替的__________。该演替类型为____________。

(3)a、b、c过程中碳的流动形式为____________，而碳在无机环境与生物群落中循环的形式是_________。碳进入生态系统的途径有________________。

(4)若鸟的食物互花米草和植食性昆虫由原来的2：1调整为1：1后，鸟的数量变为原来的________，(传递效率按20%计算)。研究生态系统的能量流动，可以帮助人们合理地__________________________________________。

(5)互花米草与植食昆虫之间进行的信息传递在生态系统中具有_____________________作用。

[答案](1)生态系统的组成成分和营养结构(食物链和食物网)    非生物的物质和能量和分解者  (2)速度和方向    次生演替   (3)含碳有机物    CO2    光合作用和化能合成作用    (4)7/9    调整生态系统中的能量流动关系，持续高效地流向对人类最有益的部分 (5)调节种间关系，维持生态系统的稳定   

[解析](1)生态系统的结构包括组成成分和营养结构，组成成分包括生产者、消费者、分解者和非生物的物质和能量，而图中只有生产者和消费者，还缺少分解者、非生物的物质和能量。

(2)人类活动往往会影响群落演替的速度和方向；由于起始条件不为零，因此该湿地发生的演替类型为次生演替。

(3)图中a、b、c过程发生在生物群落内部，而碳元素在生物群落内部是以含碳有机物的形式流动的；碳在无机环境与生物群落之间以二氧化碳的形式循环；碳进入该生态系统的主要途径是光合作用，此外还有化能合成作用。

(4)如果按照原来食物的2/3来源于互花米草，1/3来源于植食性昆虫，按传递效率20%计算，鸟增重1克需要草2/3÷20%+1/3÷20%÷20%=35/3克；调整为各占1/2，鸟增重1克需要1/2÷20%+1/2÷20%÷20%=15克，则鸟的数量变为原来的35/3÷15=7/9；研究生态系统的能量流动，可以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。

(5)互花米草与植食昆虫之间进行的信息传递具有调节种间关系，维持生态系统稳定的作用。

[例4]下图1是某草原生态的部分营养结构的模式图，图2中字母代表生物群落，据图回答下列问题｡

(1) 图1中的生物对应图2中的哪些成分_______________(用字母表示)，图2中未表示出来的生态系统的成分还有______________________。

(2) 图1若蛇取食蟾蜍的量由1/4调整到3/4，从理论上分析，改变取食比例后蛇增重1Kg，人比原来最多减少___________ Kg。

(3)给牧草加32P标记的复合肥后，检测32P在食草昆虫和蟾蜍体内的放射性强度，则____________体内放射性强度较高。

(4)若下图表示此草原生态系统中的食草昆虫和蟾蜍利用食物的部分过程：

①植食动物的粪便属于图解中的__________________部分，能量由植食动物流向肉食动物的传递效率可表示为__________________ (用序号表示)。

②气温逐渐降低时，若⑥保持不变，蟾蜍的⑦/⑥的值将________而狼的⑦/⑥的值_________。

③图中两类生物之间的捕食与被捕食过程，体现了生态系统的______________________等功能。

[答案](1) ACD    非生物的物质和能量 (2)4.5  (3)蟾蜍  (4)A    ⑥/②×100%    升高    降低    能量流动   

[解析](1)生态系统的组成成分有非生物的物质和能量、生产者、消费者、分解者四部分。图1中有生产者(草)、消费者(食草昆虫、人等)。图2中B为分解者、A为生产者、D和C为消费者。故图1中的生物对应图2中的ADC。图2中未表示出来的生态系统的成分还有非生物的物质和能量。

(2)据题意可知，各营养级之间传递效率应为10%，若蛇取食蟾蜍量为1/4，则蛇取食鼠量为3/4，当蛇取食蟾蜍时，蛇属于第四营养级，蛇增重1kg在该食物链上消耗的草是1×1/4÷(10%)3=1000/4kg，当蛇取食鼠时，蛇属于第三营养级，该食物链上消耗的草是1×3/4÷(10%)2=300/4kg，因此，蛇取食蟾蜍的量为1/4时，消耗草总量是1000/4kg+300/4kg=1300/4kg；若蛇取食蟾蜍量为3/4，则蛇取食鼠量为1/4，当蛇取食蟾蜍时，蛇属于第四营养级，蛇增重1kg在该食物链上消耗草是1×3/4×÷(10%)3=3000/4kg，当蛇取食鼠时，蛇属于第三营养级，该食物链上消耗的草是1×1/4÷(10%)2=100/4kg，因此，蛇取食蟾蜍的量为3/4时，消耗的草总量是3000/4kg+100/4kg=3100/4kg。蛇的取食比例改变后，多消耗草3100/4-1300/4=450kg，故人比原来最多减少450×10%×10%=4.5kg。

(3)根据生物的富集作用推测，蟾蜍(营养级高)体内放射性强度较高。

(4)①由于消费者摄入量=粪便量+同化量，因此食草昆虫的粪便属于图解中的A 部分，能量的传递率是等于(下一个营养级同化的量/上一营养级同化量)×100%，由题图可知食草昆虫的同化量为②，蟾蜍的同化量为⑥，所以能量由食草昆虫流向蟾蜍的传递效率可表示为⑥/②×100%。

②蟾蜍是变温动物，气温逐渐降低，呼吸耗能减少，若⑥不变，储存能量⑦增加，所以青蛙的⑦/⑥的值将升高。狼是恒温动物，气温逐渐降低，呼吸耗能增多，若⑥不变，储存能量⑦减少，所以狼的⑦/⑥的值将降低。

③生态系统的三大功能：物质循环、能量流动、信息传递。故图中两类生物之间的捕食与被捕食过程，体现了生态系统的能量流动功能。

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1．我国珠江三角洲某地桑基鱼塘的能量流动简图如下。据图判断以下说法错误的是(   )

A．输入该生态系统的总能量大于植物实际光合量之和

B．植物到蚕和鱼的能量传递效率小于蚕和鱼同化量与植物实际光合量之比

C．鱼同化的能量可通过自身的遗体残骸和粪便流向分解者

D．生产中用蚕粪喂鱼和塘泥肥田能够实现物质的循环利用

[答案]C．[解析]因为该生态系统有鱼饲料等人工输入能量，所以输入该生态系统的总能量大于植物实际光合量之和，A正确；鱼同化量中有鱼饲料中含有的能量，植物到蚕和鱼的能量传递效率小于蚕和鱼同化量与植物实际光合量之比，B正确；鱼粪便中的能量属于上一营养级的同化量，C错误；生产中用蚕粪喂鱼和塘泥肥田能够实现物质的循环利用和能量的多级利用，D正确。

2．图1为某池塘生态系统中4种生物的食物网，图2为不同体长的D种群的食性相对值，下列叙述错误的是：(　　)

A．C和D之间的种间关系是竞争和捕食

B．池塘中的植物能实现水体净化，体现了生物多样性的直接价值

C．若池塘中投放大量体长小于2.8cm的D种群，一定时间内A、B数量会增加

D．若体长为6.5cm的D种群增重1kg，至少需要消耗第一营养级生物10kg

[答案]B．[解析]D捕食C，为捕食关系，C和D都捕食B(或A)，为竞争关系，故C和D之间的种间关系是竞争和捕食，A正确；池塘中的植物能实现水体净化，体现了生物多样性的间接价值，B错误；若池塘中投放大量体长小于2.8cm的D种群，它们为100%的肉食性动物，而A、B为植物，不被D种群捕食，故一定时间内A、B数量会增加，C正确；若体长为6.5cm的D种群增重lkg，由于肉食性食物占25%，植食性食物占75%，故至少需要消耗第一营养级生物1×25%÷20%÷20%+1×75%÷20%=10kg，D正确。

3．图甲表示草原生态系统的能量流和部分物质沉，图乙表示某种群迁入该生态统一段时间内种群增长倍率和时间的关系，图丙是能量流动示意图，图丁是有关的食物网。请回答下列问题：

(1)由图甲分析，生态系统能量不循环流动的原因是____________________；生态系统组成成分中的_________________________经过呼吸作用将有机物分解为无机物，无机物可被生物群落重新利用。

(2)由图乙可知，种群密度在第____________年时，达到种群的环境容纳量(K值)。种群密度在第10~30年时期内，种内斗争变化趋势是____________。

(3)若此草原向森林群落演替，在这一演替过程中，显著提高了群落利用___________的能力。

(4)图丙中初级消费者到次级消费者的能量传递效率是_______________。

(5)假设鹰从各条食物链中获得的能量是均等的，若鹰体内有机物增加15g至少需要消耗植物___________g。

[答案](1)散失的热能不能被生物再利用    生产者、消费者和分解者  (2)40    逐渐增强    阳光等环境资源  (3)3%   (5)875   

[解析](1)由图甲分析，生态系统能量流动具有单向流动、逐级递减的特点，不能循环流动的原因是生物代谢散失的热能不能被生物体再度利用。物质可以反复利用的主要原因是生态系统组成成分中的生产者、消费者和分解者，经过呼吸作用将有机物分解为无机物，无机物可被生物群落重新利用。

(2)由图乙可知，种群密度在第40年前，λ>1，即当年该种群的个体数量大于一年前该种群个体数量，说明该种群数量有所增加，第40年时，λ=1，种群增长速率为0，达到种群的环境容纳量(K值)；当种群密度在第10~30年时期内，λ>1，种群数量逐渐增加，所以种内斗争逐渐增强。

(3)若此草原向森林群落演替，在这一演替过程中，群落垂直结构的分层现象更明显，显著提高了群落利用阳光等环境资源的能力。

(4)据图丙分析，某营养级的摄入能=其同化能+其粪便能，所以A表示初级消费者的同化量，初级消费者到次级消费者的能量传递效率为(2.44×107-1.9×106)÷(1.05×109-3.0×108)×100%=3%。

(5)图丁中，鹰从各条食物链中获得的能量是均等的，若鹰体内有机物增加15g，计算至少需要消耗植物的能量传递效率应该按20%，所以至少需要消耗植物的量为15×1/3÷20%÷20%+15×1/3÷20%÷20%+15×1/3÷20%÷20%÷20%=875g。

4．下面甲图为某自然保护区地震后，该地区人为干预下恢复过程的能量流动图(单位为：103kJ·m-2·y-1)，乙图为能量流经植食动物的图解。

回答下列问题：

(1)甲图中的次级生产者有_____，肉食动物的粪便中的能量属于图中数值为_____的箭头。

(2)在这场地震中_____动物受到的影响较大。

(3)流入该生态系统的总能量为_____×103kJ·m-2·y-1，第一营养级到第二营养级的能量传递效率为_____%(保留1位小数)。

(4)乙图中_____可表示植食动物的次级生产量，乙图中还缺少的箭头是_____。

[答案]植食动物、肉食动物、分解者    0.5    肉食    117    12.7    C    B→呼吸散失   

[解析](1)次级生产者包括消费者和分解者，在甲图中有植食动物、肉食动物、分解者。肉食动物的粪便中的能量属于植食动物的同化量，流向分解者，即图中数值为0．5的箭头。

(2)根据计算，有机物输入肉食动物的能量数值为5，在这场地震中肉食动物受到的影响比植食动物大。

(3)流入该生态系统的总能量包括生产者固定的太阳能(110)和有机物输入植食动物(2)、肉食动物(5)的能量，共计117×103kJ·m-2·y-1．第一营养级到第二营养级的能量传递效率为14/110≈12．7%。

(4)乙图中B可表示植食动物的同化量，C可表示植食动物的次级生产量，D可表示流向分解者的能量，乙图中还缺少的箭头是B→呼吸散失。

5．草原生态系统在地球上有着广泛的分布，如图1表示某草原生态系统的食物网；图2表示该生态系统兔子种群的λ值(λ=当年的种群数量/上一年的种群数量)与种群数量之间的关系；图3表示生态系统的碳循环过程示意图，据图回答以下问题：

(1)和森林生态系统相比较，该草原生态系统的营养结构较为简单，因此该生态系统的_________较低。

(2)图1中，若蛇的食物1/3来自鼠，2/3来自青蛙，且该生态系统的能量从生产者到消费者的传递效率为10%，消费者到消费者的能量传递效率为20%，如果蛇种群增加的能量为60 kJ，若不考虑其他变化的影响，则消耗植物的能量是________kJ。

(3)生态系统能量流动是指生态系统中能量的________________________的过程。

(4)据图2可知，当兔子的种群数量小于80只时，兔子的种群数量呈“________”型增长；当种群数量趋于稳定时，兔子的种群数量为________只。

(5)图3中，碳元素由B进入到A可以通过________________，图3中的生态系统的组成成分未在图1中体现的是________(填字母)。

[答案](1)抵抗力稳定性   (2)11000   (3)输入、传递、转化和散失  (4)J    150  (5)光合作用或化能合成作用    B和D   

[解析](1)一般来说，生态系统的营养结构越复杂，自我调节能力就越强，抵抗力稳定性越高。和森林生态系统相比较，该草原生态系统的营养结构较为简单，因此该生态系统的抵抗力稳定性较低。

(2)已知蛇的食物1/3来自鼠，2/3来自青蛙，且该生态系统的能量从生产者到消费者的传递效率为10%，消费者到消费者的能量传递效率为20%，则蛇种群的能量增加60 kJ需要消耗的植物的能量= 60×1/3÷20%÷10%+ 60×2/3÷20%÷20%÷10%=11000kJ。

(3)生态系统的能量流动是指生态系统中能量的输入、传递、转化和散失的过程。

(4)根据图2可知，当种群数量小于80只时，λ值一直等于2，兔子数量每年成倍的增长，为“J”型增长曲线；当λ值等于1时，种群数量趋于稳定时，此时兔子的种群数量为150只。

(5)图3中A是生产者，B是二氧化碳库，大气中的二氧化碳库中的碳元素通过光合作用或化能合成作用进入生产者；图3中有生态系统的生产者、消费者、分解者、大气中的二氧化碳库，而图1中只有生产者和消费者，因此图3中的生态系统的组成成分未在图1中体现的是B和D。