高中生物人教版 (2019)选择性必修2第2节 生态系统的能量流动学案

这是一份高中生物人教版 (2019)选择性必修2第2节 生态系统的能量流动学案，共12页。学案主要包含了能量流动的过程，能量流动的特点，定量研究能量流动的特点等内容，欢迎下载使用。

1．分析生态系统能量流动的过程和特点。(生命观念、科学思维)
2．概述研究能量流动的实践意义。(科学思维、社会责任)
3．尝试调查农田生态系统中的能量流动情况。(科学探究)
学霸记忆
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。
2．初级消费者摄入的能量＝初级消费者同化的能量＋粪便中的能量，即动物粪便中的能量不属于该营养级同化的能量，应为上一个营养级固定或同化的能量。
3．初级消费者同化的能量＝呼吸作用散失的能量＋用于生长、发育和繁殖的能量。
4．初级消费者用于生长、发育和繁殖的能量＝遗体残骸中的能量＋次级消费者摄入的能量＋未被利用的能量。
5．未被利用的能量：包括生物每年的积累量和动植物残体以化石燃料的形式被储存起来的能量。
6．能量单向流动的原因
(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散失的热能不能被生物群落重复利用，因此能量无法循环。
7．能量逐级递减的原因
(1)各营养级生物都会因呼吸作用消耗一部分能量。
(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。
8．生态金字塔有能量金字塔、数量金字塔、生物量金字塔三种类型。
9．研究能量流动的意义
(1)研究能量流动，可以帮助人们将生物在时间、空间上进行合理配置，增大流入某个生态系统的总能量。
(2)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。
(3)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。
知识点一 生态系统能量流动的过程及特点
教材梳理
1．概念
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。
2．基本研究思路
研究生态系统的能量流动时，通常将一个种群或一个_营养级中的所有种群__作为一个整体来研究，我们一般研究这个整体的能量输入、能量储存和能量散失。
一、能量流动的过程
1．第一营养级能量的输入和输出
(1)输入：生产者通过_光合作用__将光能转化为化学能，固定在有机物中。
(2)输出
a．在生产者的_呼吸作用__中以热能形式散失。
b．用于自身生长、发育和繁殖eq \b\lc\{\rc\ (\a\vs4\al\c1(随着残枝败叶等被 分解者分解 , 而释放出来,被初级消费者摄入，流入, 第二营养级 ))
2．第二营养级能量的输入和输出
(1)输入：初级消费者的_同化量__。
(2)输出
a．通过_呼吸作用__以热能形式散失。
b．用于自身生长、发育和繁殖eq \b\lc\{\rc\ (\a\vs4\al\c1(随遗体残骸流向 分解者 ,被次级消费者摄入，流入, 第三营养级))
3．在某个生态系统中能量流动的过程图解
二、能量流动的特点
1．生态系统的能量流动具有_单向流动__、_逐级递减__的特点。一般来说，能量在相邻两个营养级间的传递效率为 10%～20% ，其计算公式为 能量传递效率＝eq \f(某一营养级同化量,上一营养级同化量)×100% 。
2．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__，一般不超过_5__个营养级。任何生态系统都需要不断得到来自系统外的_能量补充__，以便维持生态系统的正常功能。
判断正误
1．流经生态系统的总能量是照射在生产者上的太阳能。( × )
2．流经第二营养级的总能量指次级消费者摄入体内的能量。( × )
3．兔吃草后排出的粪便中的能量是兔同化量的一部分。( × )
4．生长、发育和繁殖的能量＝分解者分解利用的能量＋下一营养级同化的能量＋未被利用的能量。( √ )
5．生态系统中的能量流动是单向的。( √ )
6．能量只能沿着食物链传递，捕食关系是不能逆转的。( √ )
7．能量流动是逐级递减的，其原因是一部分能量未被下一营养级利用，一部分能量以热能的形式散失，还有一部分能量被分解者利用。( √ )
8．生态系统的食物链中营养级越高的生物，其体型必然越大。( × )
核心探讨
一、研究能量流动的基本思路
1．研究能量流经一个种群的情况，可以列举该种群中每一个个体的情况：
如果以个体为单位研究能量流动，有什么问题？
提示：以个体为研究对象，有很大的局限性和偶然性，如个体会死亡、数据可能不准确、不同个体之间的差异过大等。
2．如果将种群看作一个整体去研究能量流动，则可概括为下图形式，又会遇到什么问题？
提示：种群存在于复杂的食物网内，可能因食物网的复杂性而影响结果的准确性。
3．如果以一个营养级的所有种群作为一个整体来研究，下图表示能量流动的情况，这种方式有什么优点？
提示：能很好地避免以个体和种群为研究对象带来的不足，提高结果的准确性。
二、能量流动的过程
1．地球上几乎所有生态系统的能量都来自哪里？这些能量是如何输入生态系统的？
提示：来自太阳。生产者通过光合作用将光能转化为化学能，固定在有机物中。
2．绘图表示第一营养级的能量来源是什么，去路有哪些？并回答第一营养级的能量怎样传递到第二营养级？
提示：如图所示
储存在植物体中的能量，有一部分被初级消费者摄入体内，能量就流入了第二营养级。
3．下图为能量流经第二营养级的示意图，其中摄入量指植食性动物取食的总量，即食物总量；同化量是指该动物经过消化和吸收后转化为自身的能量。请据图写出二者之间的关系。
提示：同化量＝摄入量－粪便量。
4．分析、比较分别流入第一、第二营养级的能量的去路，归纳二者的共同点。
提示：输入这两个营养级的能量，一部分在呼吸作用中以热能的形式散失，另一部分用于其自身的生长、发育和繁殖等生命活动，储存在自身的有机物中。这些有机物中的能量一部分流向分解者，另一部分则被下一营养级摄入体内。
5．在生态系统中，能量流动大致可以概括为下图：
请思考：(1)初级消费者粪便中的能量是哪个箭头？
提示：由生产者流向分解者的箭头。
(2)哪个或哪些箭头代表初级消费者的同化量？
提示：①或②＋③＋④。
(3)哪些箭头代表初级消费者用于生长、发育和繁殖的能量？
提示：①－③或②＋④。
(4)生态系统中的能量流动和转化是否遵循能量守恒定律？
提示：遵循能量守恒定律。能量在生态系统中流动、转化后，一部分储存在生态系统(生物体的有机物)中，另一部分在呼吸作用中以热能的形式散失，两者之和与流入生态系统的能量相等。
三、定量研究能量流动的特点
1．阅读教材P56“思考·讨论”，设计表格，整理赛达伯格湖能量流动图解中的数据，计算“流出”该营养级的能量占“流入”该营养级能量的百分比(“流出”的能量不包括呼吸作用散失的能量)。
2．流入某一营养级的能量，为什么不会百分之百地流入下一个营养级？
提示：流入某一营养级的能量除了流入下一营养级之外，还有：(1)一部分通过该营养级的呼吸作用散失；(2)一部分作为排遗物、遗体或残枝败叶被分解者利用；(3)一部分未被利用。
3．通过以上分析，请总结生态系统中能量流动的特点。
提示：生态系统中能量流动是单向的；能量在流动过程中逐级递减。
4．能量在流动过程中逐级递减，与能量守恒定律矛盾吗？为什么？
提示：不矛盾。能量在流动过程中逐级递减，指的是流入各个营养级的能量。能量守恒定律可以用于衡量流入某个生态系统的总能量，总能量＝储存在生态系统(生物体的有机物)中的能量＋被各个营养级的生物利用、散发至非生物环境中的能量。因此，虽然能量在流动过程中逐级递减，但总能量依然遵循能量守恒定律。
5．任何生态系统都需要不断得到能量补充，以便维持生态系统的正常功能，如人工鱼塘需要投喂饲料，此时流入鱼塘生态系统的总能量如何表示？
提示：生产者固定的太阳能＋人工投入的有机物中的化学能。
核心归纳
1．能量流经某一营养级的模型分析
(1)能量来源eq \b\lc\{\rc\ (\a\vs4\al\c1(①生产者的能量主要来自太阳能,②消费者的能量来自上一营养级同, 化的能量))
(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向)
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向可有四条：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”。
(3)相关能量值
①摄入量(a)＝同化量(b)＋粪便量(c)
②同化量(b)＝用于生长、发育和繁殖的能量(e)＋呼吸散失量(d)
③用于生长、发育和繁殖的能量(e)＝流向分解者的能量(f)＋流向下一营养级的能量＋未被利用的能量(g)
2．能量沿食物链(网)流动的模型分析
(1)能量流动的不定时分析
由图可知，除最高营养级外，每一营养级的能量去向有：
①呼吸作用散失的能量。
②流向下一营养级的能量。
③流向分解者的能量。
(2)能量流动的定时分析
由图可知，除最高营养级外，每一营养级的能量去向有：
①呼吸作用散失的能量。
②流向下一营养级的能量。
③流向分解者的能量。
④暂时未利用的能量。
典题应用
1．下图是某生态系统的部分能量流动示意图，其中E1是流入生产者的总能量，下列叙述错误的是( D )
A．第一营养级传递给分解者的总能量是E4＋E7
B．E1、E2、E6中的能量主要以稳定化学能的形式存在
C．初级消费者粪便中的能量包括在E2中
D．E7可直接为绿色植物提供物质和能量
解析：第二营养级粪便中的能量属于第一营养级同化的能量，因此第一营养级传递给分解者的总能量是E4＋E7，A项正确；E1、E2、E6中的能量储存在有机物中，主要以稳定化学能的形式存在，B项正确；初级消费者粪便中的能量属于上一营养级的同化量，即E2，C项正确；E7是粪便中的能量，不能直接为绿色植物提供物质和能量，绿色植物光合作用的能量来自光能，D项错误。
2．(2023·全国卷甲)在生态系统中，生产者所固定的能量可以沿着食物链传递，食物链中的每个环节即为一个营养级。下列关于营养级的叙述，错误的是( C )
A．同种动物在不同食物链中可能属于不同营养级
B．作为生产者的绿色植物所固定的能量来源于太阳
C．作为次级消费者的肉食性动物属于食物链的第二营养级
D．能量从食物链第一营养级向第二营养级只能单向流动
解析：杂食动物既会捕食植物，又会捕食动物，如果捕食植物，就是第二营养级，如果捕食动物，就是第三营养级或更高营养级，所以不同食物链中的动物会处于不同的营养级，A正确；绿色植物进行的是光合作用，能量来源于太阳，B正确；次级消费者是第三营养级，初级消费者是第二营养级，第一营养级是生产者，C错误；因为第一营养级是植物，第二营养级是动物，食物链是单向的，能量流动也就是单向的，D正确。
知识点二 生态金字塔和研究能量流动的实践意义
教材梳理
1．_能量__金字塔：将单位时间内_各营养级__所得到的能量数值转换为相应面积(或体积)的图形，并将图形按照营养级的次序排列，可形成一个金字塔图形，通常呈现上窄下宽的金字塔形。
2．_生物量__金字塔：反映各营养级生物量之间的关系。生物量指每个营养级所容纳的_有机物__的总干重，这种生态金字塔一般也呈正金字塔形。
3．_数量__金字塔：反映各营养级的生物个体的数目比值关系，一般呈正金字塔形，但也可能呈倒金字塔形，如_昆虫和树__。
4．研究能量流动的实践意义
(1)帮助人们将生物在时间、空间上进行合理配置，增大流入某个生态系统的_总能量__，如间种套作、稻→萍→蛙等立体农业生产方式。
(2)帮助人们科学地规划和设计_人工生态系统__，使能量_多级利用__，提高能量的_利用率__，如沼气池的应用。
(3)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__，如草场载畜量的确定。
判断正误
1．研究能量流动，可调整能量流动关系，使生产者固定的能量全部流向人类。( × )
2．稻田生态系统中，防治稻田害虫可提高生产者和消费者之间的能量传递效率。( × )
3．生物量金字塔、数量金字塔同能量金字塔一样都是正立的。( × )
4．相邻两个营养级的能量传递效率不会小于10%，也不会大于20%。( × )
核心探讨
1．(1)分析数量金字塔出现上宽下窄倒置的金字塔形的原因。
提示：当生产者个体比消费者个体大得多时，数量金字塔经常是倒置的。
(2)分析生物量金字塔出现上宽下窄倒置的金字塔形的原因。
提示：海洋生态系统中，浮游植物个体小，世代周期短，又不断被捕食，因而某一时间调查到的生物量可能低于浮游动物的生物量。当然，总的来看，一年中浮游植物的总的生物量还是比浮游动物的多。
2．下图是两个农业生态系统的模式图。图a中农作物为人类提供的食物、为家禽和家畜提供的饲料，都与图b相同。
(1)分析这两幅图，完成这两个生态系统的能量流动图解。

提示：如图所示
(2)分析能量流动图解，总结图b所示生态系统的优势：_实现了能量的多级、充分利用，提高了能量的利用率__。
3．以农田生态系统为例，思考回答以下问题：
(1)哪些措施能增加流入农田生态系统的总能量？
提示：间作套种等立体农业生产方式充分利用了空间和资源，能增加流入农田生态系统的总能量。
(2)及时清除农田中杂草的意义是什么？
提示：除草可以调整农田生态系统中的能量流动关系，使能量更多地流向对人类最有益的部分。
核心归纳
1．三种生态金字塔的比较
2．能量传递效率与能量利用率的区别
(1)能量传递效率
①含义：生态系统中能量传递效率约为10%～20%，即输入某一营养级的能量中，只有10%～20%的能量流到下一营养级(最高营养级除外)。
②计算公式
能量传递效率＝eq \f(某一营养级同化量,上一营养级同化量)×100%。
(2)能量利用率
①一般指流入最高营养级(或人类)的能量占生产者固定总能量的比值。
②一般来说，食物链越短，能量利用率越高。
③有时考虑分解者的参与，使营养结构更复杂，以实现能量的多级利用，从而提高能量的利用率。
典题应用
3．某草原生态系统中能量金字塔由最下面一层到最上面一层共四层，分别为甲、乙、丙、丁(如下图)，若有外来生物戊入侵，且会与丙竞争食物，但不会被丁所捕食。下列有关说法不正确的是( B )
A．甲可能为绿色植物，甲固定的能量大于乙、丙、丁同化的能量之和
B．甲、乙、丙、丁构成该生态系统的生物群落
C．丁生物的种群数量很可能会逐渐减少
D．戊在生态系统中处于第三营养级
解析：处于能量金字塔最底层的是生产者，所以甲可能为绿色植物，生产者甲固定的能量大于乙、丙、丁同化的能量之和；能量金字塔包含生产者和消费者，不包含分解者，而生物群落应该包含该生态系统中的所有生物，可见甲、乙、丙、丁不能构成该生态系统的生物群落；由于生物戊入侵，与丙(丁的食物)竞争食物，所以丙的数量会下降，又由于戊不会被丁所捕食，所以丁生物的种群数量很可能会因食物减少而逐渐减少；戊与丙竞争食物，所以在生态系统中处于第三营养级。
4．下列关于生态系统能量流动的叙述，不正确的是( C )
A．生产者固定的能量是光能或化学能
B．自然生态系统中，数量金字塔存在倒置情况，能量金字塔则不存在
C．与传统鱼塘相比，桑基鱼塘可显著提高不同营养级之间的能量传递效率
D．在农田中除草、捉虫可使能量持续高效地流向对人类最有益的部分
解析：通过光合作用自养的生产者固定的能量是光能，通过化能合成作用自养的生产者固定的能量是化学能，A项正确；自然生态系统中，能量流动逐级递减，能量金字塔只能是“正立”的，而生物数量与能量之间不具有绝对的比例关系，数量金字塔有倒置的情况，B项正确；桑基鱼塘通过增加或延长食物链，可以实现物质和能量的多级利用，提高能量的利用率，但不能提高不同营养级之间的能量传递效率，C项错误；在农田中除草、捉虫，通过调整能量流动的方向，可使能量更多地流向对人类最有益的部分，D项正确。
营养级
流入能量[J/(cm2·a)]
流出能量[J/(cm2·a)]
出入比
生产者
_464.6__
_62.8__
13.5%
植食性动物
_62.8__
_12.6__
20.1%
肉食性动物
_12.6__
—
—
项目
能量金字塔
数量金字塔
生物量金字塔
形状
每一层的含义
各营养级生物同化量的多少
各营养级生物个体数目
各营养级生物有机物总量
特点
天然生态系统一定呈正金字塔形
通常为正金字塔形，有时会出现倒金字塔形
一般呈正金字塔形
象征意义
能量沿食物链流动过程中具有逐级递减的特点
一般情况下，生物个体数目在食物链中随营养级升高而逐级减少
一般情况下，生物量(现存生物有机物的总质量)在食物链中随营养级的升高而逐级减少
特殊形状
某些人工生态系统(如人工鱼塘)可呈现倒金字塔形
一棵树与树上的昆虫和鸟的数量关系：
海洋生态系统中，生产者浮游植物个体小，寿命短，又会不断被浮游动物吃掉，因而某一时间调查到的浮游植物生物量可能会低于其捕食者——浮游动物的生物量