第2节 生态系统的能量流动

第一步曲 课前自主探究（认真阅读课本，完成下列填空）

一、能量流动

生态系统中能量的输人、传递、转化和散失的过程。

二、能量流动的过程

1．输入

生产者通过光合作用把太阳能转化为化学能，固定在有机物中。

2．能量去向(以能量在第一营养级的变化为例)

(1)在生产者的呼吸作用中以热能的形式散失。

(2)用于生产者的生长、发育和繁殖等生命活动，储存在植物体的有机物

中。 (3)构成植物体的有机物中的

能量：

①一部分随着残枝败叶等被分解者分解而释放出来。

②另一部分则被初级消费者摄人

体内，流入第二营养级。

3．过程图解

三、能量流动的特点

1．生态系统中能量流动是单向的

原因：在生态系统中，能量流动只能从第一营养级流向第二营养级，再依次流向后面的各个营养级，不可逆转，也不能循环流动。

2．能量在流动过程中逐级递减

(1)原因：输入到某一个营养级的能量中，只有10％～20％的能量能够流到下一个营养级。

(2)能量金字塔：将单位时间内各个营养级所得到的能量数值，由低级到高级绘制成图，可形成一个金字塔图形。

(3)在一个生态系统中，营养级越多，在能量流动过程中消耗的能量就越多。生态系统中的能量流动一般不超过4～5个营养级。

四、研究能量流动的实践意义

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

1．能量流动是逐级递减的，那么前一营养级的一个个体一定比后一营养级的一个个体含有的能量多吗?

提示：不一定。例如，牛吃草，而牛含的能量比草多。

2．建立新型农业生态系统，能提高能量的传递效率吗?

提示：不能。但能提高能量的利用率，使能量尽可能多地流向对人类最有益的部分。

第二步曲 名师要点精析

一、如何全面理解“生态系统的能量流动”?

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：生产者固定的能量总值。

2．能量的传递

(1)传递的途径：食物链和食物网。

(2)传递的形式：有机物中的化学能。

(3)传递的效率：10％～20％。

(4)传递的特点：单向流动、逐级递减。

(5)能量的分流：每一营养级的生物获得的能量可分为以下三部分：

①被该营养级生物呼吸作用分解消耗一部分，其中产生的ATP用于生命活动，产生的热能从生物群落散失到大气中。

②进入下一个营养级的生物(最高营养级生物除外)。

③动植物遗体、残枝落叶、粪便等被分解者分解利用。

排出的粪便中的能量不属于生物所同化的能量。

②分解者的能量来自生产者和消费者。

3．能量的散失

(1)形式：热能，热能是能量流动的最终归宿。

(2)过程：

(3)特殊途径

动植物遗体形成的煤炭、石油等→（工业/燃烧）热能

二、如何准确理解能量单向流动、逐级递减的原因?能量的传递效率能说明一个什么问题?教材中图5—7与图5—8能量流动的分析方法有何不同?

1．能量单向流动的原因

(1)食物链各营养级的顺序是不可逆转的，这是长期自然选择的结果，如肉食性动物以植食性动物为食，而植食性动物不能反过来以肉食性动物为食。

(2)各营养级的能量总是趋向于以呼吸作用产生热能而散失掉，这些能量是无法再利用的。

2．能量流动逐级递减的原因

(1)各营养级的生物都会因呼吸作用而消耗掉相当大的一部分能量。

(2)各营养级的生物中总有一部分能量未被下一营养级的生物所利用。

(3)还有少部分能量随着残枝败叶或遗体等直接传给了分解者。

3．能量传递效率为10％～20％，即输入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(最高营养级除外)，计算方法为：能量传递效率=（下—营养级同化量）/（上—营养级同化量）×100%。因能量传递效率=20％，传到第五营养级时，能量已经很少

5个。

应先确定相关的食物链，理清生物所处的营养级，再根据题目常用

“最多”、“最少”和“至少”等特殊字眼，限定使用10％或20％来解题。

4．能量流动的分析方法

比较教材“赛达伯格湖的能量流动图解”和“生态系统能量流动示意图”可以发现，在

“赛达伯格湖的能量流动图解”中，流人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，也未被下一营养级

和分解者利用的能量。出现这种差别的

原因在于两种能量流动图解的分析方法

和理解角度小同。理解流人每一营养级

的能量去向可从以下两个角度分析：

(1)定量不定时分析：流人某一营养

级的一定量的能量在足够长的时间内的

去路可有三条：①自身呼吸消耗；②流

人下一营养级；③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：①自身呼吸消耗；②流入下一

营养级；③被分解者分解利用；①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④部分的能量将保留给下

一年。

三、生态系统中各营养级的生物数

量、能量以及生物量都是呈金字塔状吗?

有没有特殊形状?请进一步分析各金字

塔图的含义?

生态金字塔是生态学中表示不同关

系的一种形式，生态学中常以金字塔的

形式表示的有能量金字塔、数量金字塔、

生物量金字塔等。不同的金字塔能形象地说明营养级与能量、生物个体数量、生物量之间的关系，是定量研究生态系统的直观体现。

人类相关的食物链时，应尽量缩短食物链。

②能量金字塔的形状永远是正金字塔，数

量金字塔有可能倒置。

四、为了使能量更高效地流向对人类最有益的部分。常见的农业生态体系有哪些?

1．物质能量的多层分级利用系统，如作物秸秆的多级利用。

2.水陆交换的物质循环系统，如桑基鱼塘生产体系。

3．农林牧渔联合生产系统，如农林牧渔生产体系初级模式和粮桑渔畜业生态体系。

是设法调整能量流动关系，使能量流向对人类最有益的部分。最大限度地提高能量利用率，实质上是充分利用了流向分解者的能量，而不是提高了能量的传递效率。

【例1】如图是某生态系统能量流动的图解，对此

图的理解有误的是

A.B营养级的生物个体数量不一定比A少

B.若M表示各营养级所含的能量，当MA＜5MB时，

生态系统将会崩溃

C.B摄入的能量即为B的同化量

D.A所固定的能量大于B、C、D所含能量之和

【思路点拨】由题目获得的信息有；①生态系统的能量来源于太阳；②能量流动是单向的；③能量在各营养级间流动逐渐递减。解答本题，要结合生态系统中能量流动的过程和特点逐项分析。



【例2】如果一个人的食物有1/2来自绿色植物，1/4来自小型肉食动物，1/4来自羊肉，那么该人每增加1千克体重，至少消耗植物

A.10千克 B.40千克

C.100千克 D.280千克

【试题分析】选B。由题间可知人的能量来源于三条食物链，分别是：①植物→人，②植物→羊→人，③植物→植食性动物→肉食性动物→人。设通过①②③三条食物链消耗的植物分别为a、b、c，则a×20%，b×20%×20%=1×1/4，c×20%×20%×20%=1×1/4，求出a=5/2，b=25/4，c=125/4，进而求出a+b+c=40。 【方法技巧】(1)若一食物网中，已知最高营养级增重为N：

①要求最多需第一营养级多少时，按最长食物链，最低传递效率计算；

②要求至少消耗第一营养级多少时，按最短食物链，最高传递效率计算。

(2)若一食物网中，已知第一营养级重量M：

①要求最高营养级最多获得多少能量时，应按最短食物链，最高传递效率计算； ②要求最高营养级最少获得多少能量时，应按最长食物链，最低传递效率计算。 以上措施可表述为：

【例3】(2007·广东高考)“猪一沼一茶”是华南山地丘陵地区常见的生态农业模式，由种植(茶树)、养殖(猪)、农户(人)和沼气生产(微生物)四个子系统构成。该生态农业模式 A．是由茶树、猪、人和微生物组成的生态系统

B.实现了物质和能量在系统中的多级循环利用

C.使整个生产过程进入了废物资源化的良性循环

D．注重系统内部的自身调节作用，不需要外部投入

【试题分析】选C。在华南山地丘陵地区建立的“猪—沼—茶”生态农业模式，与南方平原地区的“桑基鱼塘”生态农业模式相同，能量多级利用和物质循环再生是建立生态农业模式的基本原理，从而使生态系统的物质和能量分层次多级利用，使生产一种产品时产生的有机废弃物，成为生产另一种产品的投入，也就是使废物资源化，以便提高能量转化效率，减少环境污染。在此农业生态系统中，其生物成分除茶树、猪、人和生产沼气的微生物外，还有很多其他生物成分，都需要不断地施肥、浇水等外部投入，由此可见，只有选项C正确。

第三步曲：

课后知识巩固

一、选择题（共５小题，每小题５分，共２５分）

1．从生态学角度分析，生态系统中流动的能量最初来源于

A．光合作用 B．高能化学键 C．绿色植物

2．生态系统的能量流动是指（ ）

A．太阳能被绿色植物固定的过程

B．系统内生物体能量代谢的过程

C．系统内伴随物质循环的能量转移过程

D．能量从生物体进入环境的过程

3．在“青草→食草昆虫→蜘蛛→食虫鸟→猫头鹰”的这条食物链中，占生态系统总能量比例最多和最少的消费者依次是（ ）

A．猫头鹰和食虫昆虫

B．青草和猫头鹰

C．食草昆虫和猫头鹰

D．食草昆虫和青草

4．蛇捕食一整只老鼠，那么蛇获得了这只老鼠的（ ）

A. 全部的物质和能量 B. 全部的物质和部分的能量

C. 部分的物质和全部的能量 D. 部分的物质和能量

5．某生态系统中有绿色植物、蛙、蛇、鹰、昆虫和食虫鸟等生物。此生态系统的总能量为24000 KJ。如果营养级之间能量传递效率为15％，那么第三营养级和第四营养级所获得的能量分别是（ ）

A. 540 KJ和81 KJ

C. 24000 KJ和960 KJ

二、非选择题

1. 生态系统中能量的 、 、 和 的过程，

称为生态B. 36000 KJ和960 KJ D. 960 KJ和192 KJ D．太阳光能

系统的能量流动。

输入 传递 转化 散失

2．输入第一营养级的能量，一部分在生产者的中以热能的形式散失了；一部

分用于 的生长、发育和繁殖等生命活动。

呼吸作用 生产者

3．生态系统的能量流动具有两个明显的特点：一是在能量流动过程中是的；二是在流动过程中 。

单向的 逐级递减

4．研究生态系统的能量流动，可以帮助人们系，是能量持续高效地流向对 最有益的部分。

合理 能量流动 人类

课后拓展延伸

一、选择题

1.蛇捕食一整只老鼠，那么蛇获得了这只老鼠的（ ）

A. 全部的物质和能量

C. 部分的物质和全部的能量 B. 全部的物质和部分的能量 D. 部分的物质和能量

解析：此题如没有理解能量流动的特点，则很容易被题中表象“一整只”所迷惑，而错选A。实际上，蛇捕食老鼠说明了蛇和老鼠是一条食物链上的两个营养级，并且蛇比老鼠高一个营养级。根据食物链中能量流动的特点（逐级递减，单向不循环），蛇只能获得这只老鼠的部分物质和能量，即使蛇吞食了整只老鼠，它也不能把老鼠的全部物质和能量同化成自己的物质和能量，因为有部分的食物残渣（内含能量）排出体外。答案：D

2.在某草原生态系统中，某食物链的生产者释放出60mol的氧气，则所固定的太阳能中，流入二级消费者体内的能量最多是（ ）

A. 1161KJ B. 1148KJ C. 2870KJ D. 5740KJ

解析：此题首先要先求出光合作用中，生产者产生的有机物有多少，及其含的能量即生产者固定的太阳能多少。根据光合作用的总反应式：6CO2 12H2O C6H12O6 6O2 6H2O。O2有60mol，则糖有10mol，而每mol叶绿体光

葡萄糖所含能量为2870KJ，所以生产者所固定的总能量为10×2870＝28700KJ。流入二级消费者体内的能量最多为28700×（20％）×（20％）＝1148KJ。答案：B

3.（2004年陕西、内蒙卷）一个池塘有生产者（浮游植物）、初级消费者（植食

性鱼类）、次级消费者（肉食性鱼类）、分解者（微生物）。其中生产者固定的全部能量为a，流入初级消费者、次级消费者、分解者的能量依次为b、c、d，下列表述正确的是

A．a=b+d B．a＞b+d C．a＜b+d D．a＜c+d

解析 一个生态系统中，流经该系统的总能量是生产者固定的太阳能。该生态系统中生产者固定的全部能量是a，即流经该系统的各个营养级的总能量是a，数值是最大的。这些能量一部分在生产者的呼吸作用中以热能形式散失到环境中，一部分用于自身的生长、发育、繁殖。在后一部分能量中，一部分随植物遗体和残枝败叶等被分解者分解释放出来，还有一部分沿着食物链流入初级消费者，除小部分能量随动物粪便排出体外，其余被初级消费者同化。能量依次沿食物链单向流动、逐级递减传递下去。本题正确答案是B。

4．在一个生态系统中，能量的输入与输出保持动态的平稳，说明这个生态系统是稳定的。

如果长期输出大于输入，生态系统就会退化，自动调节能力降低，你认为这种情况最可

能是由于下列哪个因素造成的 （ ）

A．长期低温 B．连续阴雨 C．植被破坏 D．品种退化

5．若下图表示某生态农场的能量流动的部分图解。其中均不该画出的一组箭头是 （ ）

A．⑴、⑵、⑶

C．⑻、⑼、⑽、（11）、（12） B．⑷、⑸、⑹、⑺ D．（13）、（14）、（15）

6．图A为自然生态系统的生态正立金字塔，图B为城市生态系统（属于人工生态系统）的 生态倒置金字塔，以下解释不符合客观事实的是 （ ）

A．图A显示：能量流动的途径是绿色植物→食草动物→食肉动物 B．图B显示：流经该生态系统的总能量是植物所固定的太阳能 C．图A显示：该生态系统中能量流动的传递效率为10%～20%

D．图B显示：人类活动在该生态系统中起决定性作用

7．人们常用能量金字塔来描述一个生态系统中各营养级所得到的能量的数值，下面的说法正确的是（ ）

A．生态系统中，营养级越多，在能量流动过程中损失的能量越多

B.最多约有20%的能量从第一营养级流入次级消费者

C.生产者呼吸消耗的能量一般没有流入初级消费者的能量多

D.位于金字塔顶部的消费者获能最多

8．大象是植食型动物，有一种蜣螂则专以象粪为食。设大象在某段时间所同化的能量为107kJ，则这部分能量中可流到蜣螂体内的约为（ ）

A.0kJ B.106kJ C.2×106kJ D. 106～2×106kJ

9．在自然生态系统中，物质是能量的载体。下列叙述正确的是 （ ）

A．能量可驱动物质循环

C．能量只能在食物链中流动

二、非选择题 B．物质和能量可循环利用 D．能量和生物数量金字塔均可倒置

1．下图是一个人工生态系统的模式图，根据图回答：

（1）流经此人工生态系统的总能量是 所固定的 能。

（2）碳在无机环境与人工群落之间以 的形式进行循环。

（3）若全部用粮食喂猪，人体从猪肉获得400千焦的热量，至少要消耗 千焦能量的粮食。

（4）沼气的主要化学成分是 。写出其燃烧的化学反应方程式 。

（1）农作物；全部太阳能 （2）CO2 （3）10000

2．下图是对某水生生态系统的能量流动分析调查和结果。A——E表示生物成分按营养功

能的归类群体。GP表示总同化量，NP表示净积累量，R表示呼吸消耗量。分析回答：

⑴图中属于消费者的是____________________。

⑵生产者同化的总能量中有__________未被消费者同化（不写单位）。

⑶该生态系统中没有更高营养级的原因是______（填字母）的NP不足以维持更高营养级的存在。人直接以植物为食，供养的人口更多，从能量流动的特点看，是因为_____________。

⑴B．C．D ⑵730、17 ⑶D 能量流动逐渐递减

3.如果一个生态系统有4种生物，并构成一条食物链，在某一时间内分别测得这4种生物（甲、乙、丙、丁）所含有机物的总量如图所示。请据图回答：

（1）该食物链为：__________________________。

（2）如果在一段时间内，甲种生物的种群数量增加，则会引起其它3种生物种群数量的变化是______________。

解析：（1）图中4种生物占的面积大小关系是丙>甲>乙>丁，根据“能量金字塔”原则，营养级越高，所含能量越少，即可判断出该食物链营养和能量传递的关系是：丙→甲→乙→丁。（2）从食物链中的关系可以看出4种生物之间的制约关系，据此推断，甲的增加会使乙由于食物增加而增加，而丙则会因被捕食的压力增大而减少，以后丁也会由于乙的增加––––食物充裕而有所增加。答案：（见解析）

4. 下图是一个食物网，如果鹰的食物有2/5来自兔，有2/5来自鼠，有1/5来自蛇，那么鹰要增重20克体重，最多要消耗植物多少克？

解析：从图中可以看出，鹰的食物来源有三条途径：A植物→兔→鹰；B植物→鼠→鹰；C植物→鼠→蛇→鹰。其中有2/5来自A，2/5来自B，1/5来自C。因为题目中要计算最多消耗植物多少克，所以能量传递效率按10％计算。A途径最多消耗植物：20 (2/5)/(10%)/(10%) 800克；C途径最多消耗植物：20 (2/5)/(10%)/(10%)/(10%) 4000克。再算出三条途径中植物量的总和即可得出结果：5600克。

资料卡片

地壳深处的秘密

美国科学家表示，地壳深处的地下细菌作为一种生命形式，实际上已经存活了上百万年。它们不是依靠阳光生存，而是利用铀矿中的放射性铀元素把地下水分解，再转变成其生长需要的元素和能量。

进一步研究显示，这类细菌利用氢元素和硫酸盐作为生长的能量，其他细菌则利用它的废弃物作为自己的食物源。而且，铀矿放射性越强的区域，存在的氢气就越多。实际上，这类细菌就相当于地球生物(如浮游植物和树木等)在生态系统中起到的功能。

有关专家认为，这一发现说明，人类对地球生命的形成和演变的了解还相当有限，地球生物圈的概念应扩展到地壳深处。另一方面，它还暗示人类，在其他星球(如火星)深处，也可能存在生命。