2021届高考生物苏教版一轮复习学案：第9单元生物与环境第4讲生态系统的能量流动和物质循环

  第4讲　生态系统的能量流动和物质循环

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

①c代表初级消费者粪便中的能量。

②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

①流经生态系统的总能量：生产者固定的太阳能。

②能量流动渠道：食物链和食物网。

③能量传递形式：有机物中的化学能。

④能量散失途径：各种生物的呼吸作用(代谢过程)。

⑤能量散失形式：热能。

3．能量流动的特点

(1)能量传递效率：是指相邻两营养级之间同化量的比值。

(2)能量流动的特点：单向流动、逐级递减。

(3)研究能量流动规律可以用“能量金字塔”表示。

4．研究能量流动的意义

(1)帮助人们在设计人工生态系统时充分考虑能量的利用率。

(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。

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。

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：

①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。

②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/(B＋F)]×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。

考查能量流动过程的分析

1．(2019·合肥市高三第二次质检)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c＋e＋g＋h＋i

B．植食动物粪便中的能量为d＋g

C．b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/a

A　[植物积累的能量为a，根据数量关系可知，图中c＋e＋g＋h＋i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d－f，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．(2019·吉林省名校高三联考)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，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%＝1 900/25 000×100%＝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

考查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．(2019·广东省六校高三联考)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。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/(cm2·a)，除表中所列的消费者外，其他类型的消费者忽略不计]

(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/(cm2·a)。

(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________。

(3)如图为该鱼塘中的部分生物所构成的食物网，若鲤鱼从各营养级获得的能量相同，且相邻营养级之间的能量传递效率均为20%，当鲤鱼同化50 kJ的能量时，则需要水生植物和浮游植物同化的能量为________kJ。

(4)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。根据以上分析已知，生产者同化的能量为＝41＋5＋97＋19＝162[J/(cm2·a)]，而表格中显示有机物输入的能量＝6＋10＝16[J/(cm2·a)]，因此流入该生态系统的总能量＝162＋16＝178[J/(cm2·a)]。(2)表格中甲表示呼吸作用消耗的能量，数据乙＝19＋6－(7.9＋1.1＋12)＝4[J/(cm2·a)]。(3)根据题意分析，已知鲤鱼从各营养级获得的能量相同，且相邻营养级之间的能量传递效率均为20%，则鲤鱼同化50 kJ的能量时，需要水生植物和浮游植物同化量＝50××5＋50××5×5＝917(kJ)。(4)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　4　(3)917　(4)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

①物质：组成生物体的化学元素，如C、H、O、N、P、S等。

②循环范围(两个支点)：生物群落和无机环境之间。

③特点：全球性，反复利用、循环流动。

2．水循环

(1)概念：水以3种形态在陆地、海洋和大气之间不断循环的过程。

(2)意义：水循环和其他物质的循环联系在一起，在生态系统的物质循环中发挥重要作用。

3．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

①在生物群落和无机环境间：主要以CO2形式循环。

②在生物群落内部：以含碳有机物形式传递。

③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。

(4)碳返回无机环境的途径

①生产者、消费者的呼吸作用。

②分解者的分解作用。

③化石燃料的燃烧。

4．能量流动和物质循环的关系

(1)区别

(2)联系

①两者是同时进行的，彼此相互依存，不可分割。

②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。(√)

1．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a→c判断：c为消费者，剩下的d为分解者。

(2)图2——根据a与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e→f→d→b。

2．能量流动与物质循环之间的关系

(1)两者是同时进行的，彼此相互依存，不可分割。

(2)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．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)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。

考查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．某生态系统碳循环的部分示意图如下：

回答下列问题：

(1)图中的字母________表示大气中的CO2，由于许多因素的影响，使其含量夏季________(填“高于”或“低于”)冬季。

(2)CO2被生产者吸收转变成体内物质进入生物群落，再被图中的A、B的________和C的分解作用以及E的燃烧，转变成CO2后再重新循环。若此生态系统中的生物群落处在正常演替过程中，生产者吸收的CO2量______(填“大于”或“小于”)整个生物群落排放的CO2量。

(3)若将本题图修改为该生态系统的能量流动示意图，可将D的含义改为____________，其他字母及文字代表的含义不变，还需要修改之处有：增加“光→A”、取消“→E→D”、________。

[解析]　(1)题图显示：A、B、C、E均有箭头指向D，说明D表示大气中的CO2。A、D之间是双向箭头，A、B死的有机物可被C利用，说明A是生产者，C是分解者，进而推知：B是消费者，E为化石燃料的燃烧。  由于许多因素的影响，特别是夏季植物的光合作用较冬季旺盛，使夏季大气中CO2的含量低于冬季。(2)CO2被生产者吸收，通过光合作用转变成体内的含碳有机物进入生物群落，再被图中的A所示的生产者、B所示的消费者的呼吸作用和C所示的分解者的分解作用以及E所示的化石燃料的燃烧，转变成CO2后再重新循环。若此生态系统中的生物群落处在正常演替过程中，则随着演替的进行，生物的种类和数量，特别是生产者的种类和数量逐渐增多，因此生产者吸收的CO2量大于整个生物群落排放的CO2量。(3)若将本题图修改为该生态系统的能量流动示意图，可将D的含义改为无机环境，其他字母及文字代表的含义不变。因能量流动起源于生产者固定的太阳能、渠道是食物链和食物网、特点之一是单向流动，所以还需要修改之处有：增加“光→A”、取消“→E→D”、取消“D→A”。

[答案]　(1)D　低于　(2)呼吸作用　大于　(3)无机环境　取消“D→A”

考查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．①可表示碳元素从二氧化碳转变为有机物

B．⑤可表示生物群落中的物质回归无机环境

C．②表示能量在生物体之间单向流动

D．④和⑤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——①光合作用合成有机物，A正确；能量在生物体之间单向流动——②③能量在生物体之间流动，C正确；生物群落中能量的散失——④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——⑤分解者的分解，B正确，D错误。]

4．图1是某生态系统碳循环示意图，其中A、B、C、D是生态系统内各生物成分，1、2、3、4、5、6表示有关的生理过程；图2为该生态系统中某一食物链及部分能量流动情况。下列说法正确的是(　　)

图1　　　　　　　　　　图2

A．在图1中，B、C分别属于初级消费者、生产者

B．图1中能表示呼吸作用过程的只有2、4、5

C．如果A发生瘟疫，D的数量将先增加后减少最后趋于稳定

D．在图2的食物链中，②/①的比值代表兔与狼(生物之间)的能量传递效率

C　[图1中C是生产者，B是分解者，D是初级消费者，A是次级消费者，A项错误；图1中的过程3是分解者的分解作用，其实质也是呼吸作用，B项错误；如果次级消费者A因发生瘟疫而数量减少，则初级消费者D的数量会增加，增加后会导致生产者数量减少，D又会因食物减少而数量减少，最后趋于相对稳定状态，C项正确；图2中的①和②代表兔和狼的摄入量而不是同化量，所以②/①的比值不能代表兔与狼(生物之间)的能量传递效率，D项错误。]

真题体验| 感悟高考　淬炼考能

1．(2019·全国卷Ⅱ)如果食物链上各营养级均以生物个体的数量来表示，并以食物链起点的生物个体数作底层来绘制数量金字塔，则只有两个营养级的夏季草原生态系统(假设第一营养级是牧草，第二营养级是羊)和森林生态系统(假设第一营养级是乔木，第二营养级是昆虫)数量金字塔的形状最可能是(　　)

A．前者为金字塔形，后者为倒金字塔形

B．前者为倒金字塔形，后者为金字塔形

C．前者为金字塔形，后者为金字塔形

D．前者为倒金字塔形，后者为倒金字塔形

A　[夏季草原生态系统中，作为第一营养级的牧草的个体数远大于作为第二营养级的羊的个体数量，该生态系统数量金字塔的形状最可能是金字塔形。而在森林生态系统中，作为第一营养级的乔木的一个个体上生活着大量的作为第二营养级的昆虫个体，该生态系统数量金字塔的形状最可能为倒金字塔形。]

2．(2016·全国卷Ⅲ)我国谚语中的“螳螂捕蝉，黄雀在后”体现了食物链的原理。若鹰迁入了蝉、螳螂和黄雀所在的树林中，捕食黄雀并栖息于林中。下列叙述正确的是(　　)

A．鹰的迁入增加了该树林中蝉及其天敌的数量

B．该生态系统中细菌产生的能量可流向生产者

C．鹰的迁入增加了该生态系统能量消耗的环节

D．鹰的迁入改变了该生态系统能量流动的方向

C　[根据文字信息写出食物链：植物→蝉→螳螂→黄雀→鹰，鹰的迁入会导致黄雀减少、螳螂增加、蝉减少等一系列变化，A项错误。细菌一般是生态系统的分解者，分解者从动植物遗体、遗物中获得的能量大部分会通过分解作用以热能的形式散失，不会再被生产者利用，B项错误。鹰的迁入使该生态系统的食物链由4个营养级变为5个营养级，增加了该生态系统能量消耗的环节，C项正确。鹰的迁入使该生态系统的食物链营养级增加，但食物链还是只有一条，所以能量流动的方向未改变，D项错误。]

3．(2018·全国卷Ⅱ)大型肉食性动物对低营养级肉食性动物与植食性动物有捕食和驱赶作用，这一建立在“威慑”与“恐惧”基础上的种间关系会对群落或生态系统产生影响，此方面的研究属于“恐惧生态学”范畴。回答下列问题：

(1)当某种大型肉食性动物迁入一个新的生态系统时，原有食物链的营养级有可能增加，生态系统中食物链的营养级数量一般不会太多，原因是____________________________________________。

(2)如果将顶级肉食性动物引入食物网只有三个营养级的某生态系统中，使得甲、乙两种植食性动物间的竞争结果发生了反转，即该生态系统中甲的数量优势地位丧失。假定该反转不是由顶级肉食性动物的直接捕食造成的，那么根据上述“恐惧生态学”知识推测，甲的数量优势地位丧失的可能原因是____________________(答出一点即可)。

(3)若某种大型肉食性动物在某地区的森林中重新出现，会减轻该地区野猪对农作物的破坏程度。根据上述“恐惧生态学”知识推测，产生这一结果的可能原因有__________________________(答出两点即可)。

[解析]　(1)从能量金字塔可以看出，在一个生态系统中，营养级越多，在能量流动过程中损失的能量就越多，因此，生态系统中的能量流动一般不超过4～5个营养级。(2)根据题干信息“大型肉食性动物对低营养级肉食性动物与植食性动物有捕食和驱赶作用”，又这一种间关系是建立在“威慑”和“恐惧”基础上的，且题干指出导致植食性动物甲在数量上的优势地位丧失不是由顶级肉食性动物的直接捕食造成的，因此，甲的数量优势地位丧失的可能原因是顶级肉食性动物对甲产生的威慑比乙高，甲因恐惧而逃离该生态系统的数量比乙多。(3)根据题中“恐惧生态学”的观点可知，大型肉食性动物对野猪有捕食和驱赶的作用，故某大型肉食性动物的重新出现可能会使野猪的被捕食量增加，同时野猪也会因恐惧而减少采食，从而降低其对农作物的破坏程度。

[答案]　(1)生产者固定的能量在沿食物链流动过程中大部分都损失了，传递到下一营养级的能量较少　(2)甲对顶级肉食性动物的恐惧程度比乙高，顶级肉食性动物引入后甲逃离该生态系统的数量比乙多　(3)大型肉食性动物捕食野猪；野猪因恐惧减少了采食