2021高考生物人教版一轮教师用书第九单元第33讲　生态系统的能量流动和物质循环

第33讲　生态系统的能量流动和物质循环

考点一　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

输入—

传递—

转化—太阳能→有机物中的化学能→热能

散失—

2.能量流动过程

(1)补充图中标号代表的内容

①生产者,②初级消费者,③次级消费者,④呼吸作用,⑤分解者。

(2)据图补充食物链中①营养级能量的去向

①通过自身呼吸作用以热能的形式散失。

②被下一营养级同化。

③残枝败叶等被分解者分解。

④未被利用。

(3)图示中的E2/E1表示第二、三营养级间的能量传递效率。

3.能量流动的特点及原因分析

(1)能量流动是单向的,原因是①能量流动是沿食物链进行的,食物链中各营养级之间的捕食关系是长期自然选择的结果,是不可逆转的;②各营养级通过呼吸作用所产生的热能不能被生物群落重复利用,因此能量流动无法循环。

(2)能量流动是逐级递减的,原因是①各营养级生物都会因呼吸作用消耗大部分能量;②各营养级的能量都会有一部分流入分解者,包括未被下一营养级生物利用的部分。

4.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有益的部分。

[纠误诊断]

(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)流经农村和城市两个生态系统的总能量均是其植物所固定的太阳能。(　×　)

提示:流经两个生态系统的总能量除了来自植物固定的太阳能外,还有人为输入的能量。

(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:能量传递效率是针对相邻两个营养级中的所有生物而言,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,能量不能循环利用。

1.“莲藕生态养鱼”是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 　。 

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。

2.如图甲为某自然生态系统的能量金字塔简图,其中Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ分别代表不同的营养级,m1、m2代表不同的能量形式。图乙表示能量流经该生态系统某一营养级的变化示意图,其中a～g表示能量值的多少。请据图分析回答。

(1)图甲中m1输入该生态系统的途径是生产者的　　　　　　。 

(2)图乙中,若A表示图甲中营养级Ⅱ的生物摄入能量,营养级Ⅱ的生物同化能量可用图中哪个字母表示?其能量值如何表示?(用图中字母)

(3)从图乙中能计算能量传递效率吗?说明原因。

提示:(1)光合作用

(2)B　b(或d+e)

(3)不能。图乙仅表示能量流经该生态系统某一营养级的变化,计算能量传递效率需知道相邻两营养级生物的同化量。

3.就这一食物网而言,若人的素食∶肉食比例由1∶1调整为2∶1,则同样的玉米,人获得的能量是原来的多少倍?写出推导思路(设传递效率为20%)。

提示:1.29。推导思路如下:

设玉米能量均为A,调整前人获得能量为x1,调整后人获得能量为x2,

则+=A,

+=A,

则x1=,x2=,

==≈1.29。

题型一　能量流动过程的分析

1.(2019·安徽合肥质检)下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　)

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

解析: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;植食动物粪便中的能量为d-f,即g;b中的物质和能量有部分被微生物利用;能量在相邻营养级传递效率为f/(a+植物呼吸作用消耗量)。

2.(2015·福建卷)下图为某人工鱼塘食物网及其能量传递示意图(图中数字为能量数值,单位是J·m-2·a-1)。下列叙述正确的是(　B　)

A.该食物网中最高营养级为第六营养级

B.该食物网中第一到第二营养级的能量传递效率为25%

C.太阳鱼呼吸作用消耗的能量为1 357 J·m-2·a-1

D.该食物网中的生物与无机环境共同构成一个生态系统

解析:该食物网中最长的食物链为:浮游植物→浮游动物→幽蚊幼虫→太阳鱼→鲈鱼,最高营养级为第五营养级;该食物网中第一营养级到第二营养级的能量传递效率为(3 780+4 200)÷31 920×100%=25%;太阳鱼呼吸作用消耗的能量、流向分解者的能量和未被利用的能量共计1 483-126=1 357(J·m-2·a-1);该食物网中的生物只有生产者和消费者,没有分解者,因此不能和无机环境共同构成一个生态系统。

题型二　能量流动特点的分析及相关计算

3.关于生态系统的能量流动,下列叙述错误的是(　C　)

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

解析: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;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;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;能量流动和物质循环的渠道都是食物链和食物网。

4.如图为生态系统食物网简图,若E生物种群总能量为7.1×109 kJ,B生物种群总能量为2.3×108 kJ。从理论上计算,A储存的总能量最少为(　B　)

A.7.1×108 kJ

B.4.8×107 kJ

C.5.95×107 kJ

D.2.3×107 kJ

解析:由图可知,D为生产者,要使A获得的能量最少,则必须保证三个条件:一是能量来源途径要最少,二是能量传递效率要最低,三是食物链要最长。故从理论上讲,与A储存的能量最少相关的食物链不可能是D→A,也不可能是D→A、D→E→C→A同时存在,只能是D→E→C→A。为此,E的能量在传给A的途径中,只有确保:①E在传给B时用去的能量最多,②E的总能量减去传给B的后再传给C时传递效率最低,③C在传给A时效率最低,结果才能使A获得的能量最少。所以据此计算得A储存的总能量最少为(7.1×109 kJ-2.3×108 kJ÷10%)×10%×10%=4.8×107 kJ。

考点二　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: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.碳循环

(1)碳的存在形式

①无机环境中:二氧化碳和碳酸盐。

②生物群落中:主要是含碳有机物。

(2)碳循环过程

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.化石燃料燃烧。

②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。

③碳的循环形式。

a.在生物群落和无机环境之间:主要是CO2。

b.在生物群落内部:含碳有机物。

3.温室效应

(1)形成原因:大量化石燃料的燃烧,使大气中的CO2含量迅速增加,打破了生物圈中碳循环的平衡。

(2)影响:导致气温升高,加快极地和高山冰川的融化,导致海平面上升,进而对人类和其他许多生物的生存构成威胁。

4.能量流动与物质循环之间的关系

(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。

[纠误诊断]

(1)碳可在森林群落和无机环境之间进行循环。(　√　)

(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)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。

(4)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。

(5)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。

(6)植物可通过呼吸作用和光合作用参与生态系统的碳循环。(　√　)

1.既然生态系统中的物质是循环的,为何农田生态系统还需要经常施肥?请说出你的理由。

提示:物质循环具有全球性,是在生物圈内进行的。农田是一个范围相对较小的生态系统,物质在该生态系统中不一定能实现循环。农田中的农作物合成有机物(如蛋白质、磷脂等)时利用了土壤中的氮、磷、钾等元素,这些元素随着粮食、瓜、果等输出农田生态系统,因此需要不断施入含氮、磷、钾等元素的肥料。

2.如图为碳循环示意图,图中的甲、乙、丙分别代表生态系统中的生物类群。请据图回答:

(1)图中甲、乙、丙分别代表生态系统的什么成分?并简述判断理由。

提示:甲表示消费者,乙表示分解者,丙表示生产者。大气中的CO2库和丙进行双向交流,丙为生产者,甲和丙都有箭头指向乙,所以乙为分解者,甲为消费者。

(2)图中①、②、③代表的生理过程分别是什么?

提示:光合作用、呼吸作用、呼吸作用。

(3)碳在甲、乙、丙之间的流动形式是什么?

提示:含碳有机物。

3.微生物的分解作用与细胞呼吸等同吗?请说明理由。

提示:不能完全等同。微生物分解作用是微生物分泌酶到细胞外,将细胞外的大分子有机物分解成小分子有机物(也可能生成无机物),然后再吸收进入细胞。微生物分解作用包括体外有机物分解和体内细胞呼吸作用。

题型一　碳循环的过程及特点分析

1.下列关于生态系统中物质循环的叙述,错误的是(　B　)

A.低碳生活方式有助于维持生物圈中碳循环的平衡

B.物质循环是在生产者、消费者、分解者之间进行的

C.煤和石油通过燃烧和微生物的分解作用产生CO2,促进碳循环

D.生物圈不需要从外界获得任何物质补给,就能长期维持其正常功能

解析:物质循环是在生物圈范围内的无机环境与生物群落之间进行的。

2.(2019·江西南昌三模)下图为某生态系统碳循环的过程。下列有关叙述错误的是(　D　)

A.d表示大气中的CO2,由于许多因素的影响,其含量夏季低于冬季

B.通过a的吸收,a、b的呼吸作用、c的分解作用及e的燃烧,实现碳循环

C.在正常演替过程中,生产者固定CO2量大于整个生物群落排放CO2量

D.只需将d的含义改为热能,图即可表示为该生态系统的能量流动示意图

解析:d表示大气中的CO2,由于夏季植物的光合作用能力强于冬季等因素的影响,其含量夏季低于冬季;碳循环是指以二氧化碳的形式在无机环境和生物群落之间的循环往返,即通过a的吸收,a、b的呼吸作用、c的分解作用及e的燃烧,可实现碳循环;若此生态系统中的生物群落处在朝复杂化演替的过程中,则生产者吸收的CO2量大于整个生物群落排放的CO2量;由于能量只能单向流动、逐级递减,且植物不能利用热能,所以即使将d的含义改为热能,题图也不可表示为该生态系统的能量流动示意图。

题型二　物质循环和能量流动的关系分析

3.下列关于生态系统中物质循环和能量流动的叙述,正确的是(　A　)

A.水体富营养化时出现“水华”现象,说明物质循环的平衡被破坏

B.流经所有生态系统的总能量都是生产者固定的太阳能

C.第二营养级同化能量的10%～20%会被下一营养级捕食

D.碳循环是以含碳有机物、CO2和碳酸盐等形式进行的

解析:水体富营养化是一种氮、磷等植物营养物质含量过多所引起的水质污染现象。水生生物特别是藻类将大量繁殖,破坏了水体的生态平衡;对于城市人工生态系统来说,流经该生态系统的总能量除了生产者固定的太阳能外,还包括人为投入的能量;第二营养级同化能量的10%～20%会被下一营养级同化;碳在生物群落和无机环境之间是以CO2的形式进行循环,碳在生物群落内部以有机物形式进行流动,而不是循环。

4.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　)

A.④和⑤可表示生物群落中能量的散失

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.①可表示碳元素从二氧化碳转变为有机物

解析:读图可知,生物群落中能量的散失——④呼吸作用以热能散失;生物群落中的物质回归无机环境——⑤分解者的分解;能量在生物体之间单向流动——②、③之间的能量流动;碳元素从二氧化碳变成有机物——①光合作用合成有机物。

 [构建知识网络]

[强化思维表达]

1.能量流动的三个常考点

(1)起点:从生产者固定太阳能开始(输入能量)。

(2)总能量:流经生态系统的总能量=生产者所固定的太阳能总量。

(3)渠道:沿食物链和食物网传递(传递能量)。

2.生产者固定的太阳能的三个去向

(1)呼吸作用消耗。

(2)下一营养级同化。

(3)分解者分解。

3.能量流动的两个特点:单向流动、逐级递减。

4.生态系统的物质循环

(1)循环的对象:组成生物体的化学元素。

(2)循环的范围:无机环境和生物群落。

(3)循环的特点:具有全球性,反复循环利用。

5.大气中CO2的三个主要来源

(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。