第2节 生态系统的能量流动
[学习目标] 1.说出能量流动的概念。2.理解能量流动的过程。3.总结能量流动的特点。4.概述研究能量流动的意义。
一、能量流动的概念和过程
1．概念
(1)以种群作为能量流动的研究对象，请完成下图：
(2)能量流动的概念：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．完善能量流经第二营养级的示意图，并回答下列问题：
(1)输入第二营养级的能量是初级消费者摄入的还是其同化的？
答案 同化的能量。
(2)第二营养级同化的能量有哪些去向？
答案 经呼吸作用散失、被次级消费者摄入和遗体残骸等被分解者分解三部分。
(3)初级消费者的粪便量属于初级消费者的同化量吗？
答案 初级消费者的粪便量属于初级消费者摄入消化道，但是未被吸收同化的能量，应属于生产者流向分解者的那部分能量。
3．生态系统能量流动的过程
(1)能量的输入源头是什么？在输入过程中能量是如何转换的？
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答案 能量的输入源头是太阳能。 在输入过程中发生光能→有机物中的化学能的转换。
(2)流经生态系统的总能量是什么？
答案 生产者固定的太阳能总量。
(3)生态系统能量流动的主渠道是什么？
答案 食物链和食物网。
(4)流经生态系统的能量最终主要通过什么途径以什么形式散失的？
答案 通过各个营养级自身的呼吸消耗以及分解者的呼吸作用，以热能的形式散失。
二、能量流动的特点
下图是赛达伯格湖的能量流动图解[单位：J/(cm2·a)]，请完成以下分析：
1. 图中生产者能否同化肉食性动物的能量完成循环？
答案 不能，经过长期的自然选择，食物链中吃与被吃的关系不可逆转。
2. 呼吸作用散失的能量能否再被生产者利用来合成有机物？
答案 不能，生产者不能利用散失的热能。
3. 由此可见，生态系统的能量流动有什么特点？
答案 单向流动。
4．每个营养级会把所有的能量传递给下一个营养级吗？为什么？据此可知能量流动还有什么特点？
答案 不会。因为各营养级的生物都会因呼吸作用而消耗掉相当大一部分能量，还有少部分能量传递给了分解者和未被利用。所以，能量流动还具有逐级递减的特点。
5．如何计算相邻营养级之间的能量传递效率？相邻两营养级间的传递效率一般是多少？
答案 相邻营养级间的能量传递效率＝×100%。相邻两营养级间的能量传递效率大约是10%～20%。
6. 若将单位时间内各营养级所得到的能量、每个营养级有机体的数量及单位空间内各营养级的生物量数值绘制成金字塔，如下面图表所示，分析并填空。
能量金字塔
数量金字塔
生物量金字塔
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形状
特点
呈正金字塔形
通常为正金字塔形，有时会出现倒金字塔形，如成千上万的昆虫以一株树为生
一般呈正金字塔形，有时会出现倒金字塔形，如某一时间浮游植物的生物量(用质量来表示)可能低于浮游动物的生物量
三、研究能量流动的实践意义
1．相比农作物秸秆直接燃烧，上图中设计的生态系统有何优点？
答案 该生态系统实现了农作物中能量的多级利用，提高了能量利用率。
2．在上述生态系统中，人们为提高农作物的产量，要经常到田间除草、灭虫、灭鼠。这样做的目的是什么？
答案 合理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。
3．有人说：“由于上述生态系统是人工设计，所以其中营养级之间能量的传递效率可由人类任意控制。”你认为对吗？
答案 不对，通过人工设计可以把本应该流向分解者的能量，重新被人类利用，从而提高了能量的利用效率，但没有改变能量的传递效率。
一、例析能量流动的过程
下图是某湖泊生态系统能量流动的原理分析图解。图中A、B、C代表三个营养级，数字均为实际测得的能量数，单位为百万千焦。请据图回答下列问题：
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1．流经该生态系统的总能量是哪部分？具体数值是多少？
分析 流经生态系统的总能量是生产者所固定的太阳能的总量，即：
3．0＋15.0＋51.5＋41.5＝111.0(百万千焦)。
答案 是生产者(A)所固定的太阳能总量。具体数值是111.0百万千焦。
2．能量从第一营养级到第二营养级的转化效率为多少？从第二营养级到第三营养级的转化效率又是多少？
分析 能量的转化效率也就是能量的利用率，等于后一营养级同化的能量与前一营养级同化的能量之比。A—B：15.0/111.0×100%＝13.5%；B—C：3.0/15.0×100%＝20%。
答案 13.5%；20%。
3．次级消费者通过异化作用消耗的能量占其总能量的百分比是多少？
分析 次级消费者C通过异化作用消耗的能量占其同化作用得到的能量百分比为：1.8/3.0×100%＝60%。
答案 60%。
4．次级消费者粪便中的能量属于次级消费者给分解者的能量吗？为什么？
答案 不属于。次级消费者的粪便中的能量不属于次级消费者同化的能量，属于初级消费者的遗体残骸流向分解者的能量。
5．图中展示了生态系统能量流动的两个特点，分别是什么？
答案 单向流动和逐级递减。
【归纳提炼】
二、能量流动过程中相关最值的计算
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分析下图食物网，进行相关计算：
1. 如果 A增重1千克， C最多增重多少千克，最少增重多少千克？
分析 ①C增重最多，按最短食物链，最高传递效率：
1 kg×20%×20%＝1/25 kg
②C增重最少，按最长食物链，最低传递效率：
1 kg×10%×10%×10%×10%＝1/10 000 kg
答案 1/25千克；1/10 000千克
2．如果C增重1千克，至少需消耗A多少千克，最多需消耗A多少千克？
分析 如果C增重1千克，①消耗A最少，按最短食物链、最高传递效率：
1 kg÷20%÷20%＝25 kg
②消耗A最多，按最长食物链、最低传递效率：
1 kg÷10%÷10%÷10%÷10%＝10 000 kg
答案 25千克；10 000千克。
3．如果C从B、F中获得的能量比为3∶1，C增重1千克，则最少需要消耗A多少千克？
分析 消耗A最少，按最高传递效率计算：
沿食物链A→B→C逆推：3/4 kg÷20%÷20%＝75/4 kg
沿食物链A→D→E→F→C逆推：1/4 kg÷20%÷20%÷20%÷20%＝625/4 kg
答案 175千克。
4．如果C取食B、F的能量比例关系由1∶1变为1∶2，当C增重1千克，传递效率为10%时，所需要A的能量是改变前的多少倍？
分析 当比例关系为1∶1时，当C增重1千克时，C从B获得1/2 kg，沿食物链A→B→C计算：
1/2 kg÷10%÷10%＝50 kg
C从F获得1/2kg，沿食物链A→D→E→F→C计算：
1/2 kg÷10%÷10%÷10%÷10%＝5 000 kg
A总量为50 kg＋5 000 kg＝5 050 kg
当比例关系变为1∶2后，当C增重1千克时，C从B获得1/3 kg，沿食物链A→B→C计算：
1/3 kg÷10%÷10%＝100/3 kg
C从F获得2/3 kg，沿食物链A→D→E→F→C计算：
2/3 kg÷10%÷10%÷10%÷10%＝20 000/3 kg
A总量为100/3 kg ＋20 000/3 kg ＝6 700 kg
所以所需要A的能量是改变前的6 700 kg÷5 050 kg＝1.33倍。
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答案 1.33倍。
1．某生态系统的能量传递效率为10%。在“草→兔→狐”食物链中，如果狐活动一天需要200 kJ的能量，需要草提供的能量约为( )
A．200 kJ B．2 500 kJ C．5 000 kJ D．20 000 kJ
答案 D
解析 如果狐活动一天需要200 kJ的能量，需要草提供的能量约为200 kJ÷10%÷10%＝20 000 kJ。
2．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，下列关于能量流动的叙述，正确的是( )
A．能量沿食物链单向流动
B．能量沿食物链循环流动
C．能量在各营养级间可以循环利用
D．消费者的级别越高，所获得的能量越多
答案 A
解析 能量流动的特点是单向流动，逐级递减，A正确；能量沿食物链或食物网单向流动，B错误；能量在各营养级间不能循环利用，C错误；消费者的级别越高，所获得的能量越少，D错误。
3．如图表示一般生态系统的结构模式图，在不考虑物质的输入和输出情况下，下列说法正确的是( )
A．能量主要是以太阳能的形式输入生态系统
B．组分1、2、3分别代表生产者、消费者和分解者
C．在一个幼苗茁壮成长的农田生态系统中能量的输出量和输入量相等
D．如果组分1是生产者，那么组分1代表的是绿色植物
答案 A
解析 能量主要是通过生产者固定太阳能输入生态系统中，A正确；据图可知，生态系统的组分1、2、3分别代表生产者、分解者和消费者，B错误；在一个幼苗茁壮成长的农田生态系统中能量的输入量大于输出量，C错误；如果组分1是生产者，那么组分1代表的主要是绿色植物，还包括蓝藻，以及进行化能合成作用的硝化细菌等，D错误。
4．根据生态系统的结构和功能，下列叙述错误的是( )
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A．“桑基鱼塘”生态系统与普通水稻生态系统相比实现了能量多级利用
B．人工鱼塘生态系统中消费者同化的能量往往大于生产者所固定的太阳能
C．水产养殖业，为充分利用生产者所固定的能量，应以食物链长的鱼类为养殖对象
D．营养级越高的生物种群体内积累的有毒物质越多，所获得的能量越少
答案 C
解析 “桑基鱼塘”是人工建立的良性生态系统，实现了能量的多级利用，A正确；由于人工鱼塘中高密度饲养鱼，需要投入大量的饲料，因此人工鱼塘生态系统中消费者同化的能量往往大于生产者所固定的太阳能，B正确；能量是单向流动、逐级递减的，所以水产养殖时，为充分利用生产者所固定的太阳能，应缩短食物链，减少能量的浪费，因此应多养殖植食性鱼类，C错误；由于食物链的富集作用，营养级越高的生物种群体内积累的有毒物质越多，由于能量逐级递减，营养级越高的生物从生产者获得的能量越少，D正确。
5．如图为某草原生态系统流经第二营养级的能量示意图，其中a表示该营养级食物的摄入量，f表示流向下一营养级的能量，以下分析正确的是( )
A．图中b表示用于生长、发育和繁殖的能量
B．c表示生物体内储存的有机物
C．d中能量均未被该营养级生物同化
D．为提高羊肉的产量，应该提高图中的比值
答案 D
解析 b表示该营养级同化的能量，c表示用于生长、发育和繁殖的能量，A、B错误；d表示分解者利用的能量，有一部分能量未被该营养级生物同化，C错误；图中a表示该营养级摄入的能量，c表示用于生长、发育和繁殖的能量，所以的比值越高，羊肉的产量越高，D正确。
知识点一 能量流动的过程
1．流经生态系统的总能量是( )
A．生产者固定的全部能量
B．初级消费者得到的全部能量
C．生产者和消费者体内的全部能量
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D．照射到地球上的全部太阳能
答案 A
解析 流经生态系统的总能量是指生产者固定的太阳能总量，A正确；该生态系统初级消费者得到的全部能量小于生产者固定的太阳能，B错误；每个营养级的生物都要通过呼吸作用散失部分能量，故生产者和消费者体内的全部能量要小于生产者固定的全部能量，C错误；照射到该生态系统的太阳能大多数散失掉了，只有少量被生产者固定成为流经生态系统的总能量，D错误。
2．生态系统的能量流动是指( )
①能量输入 ②能量传递 ③能量储存 ④能量转化 ⑤能量散失
A．①②③④ B．①②④
C．①②④⑤ D．①②③⑤
答案 C
解析 生态系统的基本功能有物质循环、能量流动和信息传递，其中生态系统的能量流动是指生态系统中能量的输入、传递、转化和散失过程，即①②④⑤正确。
3．人工鱼塘里的某淡水鱼，成鱼底栖，捕食贝壳类，幼鱼生活在水体表层，滤食藻类和浮游动物。下列有关叙述错误的是( )
A．幼鱼与浮游动物可能具有捕食和竞争关系
B．幼鱼和成鱼属于该生态系统中的消费者
C．该鱼的成鱼和幼鱼在水中的分层分布构成群落的垂直结构
D．输入该生态系统的能量大于生产者固定的太阳光能
答案 C
解析 该种鱼的幼体滤食浮游动物，故与浮游动物具有捕食关系，该种鱼的幼体和浮游动物都滤食浮游藻类，故与浮游动物具有竞争关系，A正确；幼鱼和成鱼属于该生态系统中的消费者，B正确；该种成年鱼及其幼体是一个物种，在水体的分布不能构成群落的垂直结构，仅仅是该物种的分布范围，C错误；人工鱼塘输入的能量主要是人工喂食，故大于生产者固定的太阳光能，D正确。
知识点二 能量流动的特点及相关计算
4．如果一个生态系统有四种生物并构成一条食物链。下表是某一时间分别测得这四种生物(甲、乙、丙、丁)所同化的能量值(kJ)，那么该段时间内流经该生态系统的总能量(kJ)是( )
生物种类
甲
乙
丙
丁
生物同化的能量(kJ)
550
100
3 000
18
A.680 B．3 000 C．3 680 D．15 000
答案 B
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解析 根据表格数据分析可知，由甲、乙、丙、丁4种生物构成的食物链是：丙→甲→乙→丁，其中丙的能量最多，为生产者，生产者同化的太阳能总量就是流经该生态系统的总能量，即流经该生态系统的总能量是3 000 kJ。
5．如图表示在某生态系统中，能量流经第二营养级的示意图。对该图分析不合理的是( )
A．能量流动是伴随着物质利用而进行的
B．图中甲为初级消费者同化的能量，即第二营养级所含有的能量
C．该图不够完善，缺少甲中通过细胞呼吸以热能形式散失的能量
D．乙比甲的能量少的原因是甲的遗体、残骸中能量被分解者利用而未传递下去
答案 D
解析 在生态系统的能量流动过程中，物质是能量流动的载体，能量是物质循环的动力，能量流动是伴随着物质利用而进行的，A正确；由于该图表示的是能量流经第二营养级的示意图，所以甲为初级消费者同化的能量，即第二营养级含有的能量，B正确；该图不够完善，没有标出甲中通过呼吸以热能形式散失的能量，C正确；乙比甲的能量少的原因是呼吸作用消耗了很多能量，D错误。
6．如图表示某草原生态系统中部分生物能量流动图解，①～④表示相关过程能量的流动量。下列有关叙述正确的是( )
A．图中反映了生态系统具有能量流动、物质循环和信息传递功能
B．①是流入该生态系统的总能量
C．图中(②＋④)/(①＋③)的比值代表鼠→鹰的能量传递效率
D．③和④分别是草和鼠同化量的一部分
答案 D
解析 图中反映了生态系统具有能量流动、物质循环功能，没有体现出信息传递功能，A错误；①是鼠的同化量，B错误；图中的比值代表鼠→鹰的能量传递效率，C错误；③④分别表示鼠和鹰粪便中的能量，是未被同化的能量，仍属于其上一个营养级，D正确。
7．在如图所示的食物网中，假如猫头鹰的食物有来自于兔子，来自于鼠，来自于蛇，那么猫头鹰若增加20 g体重，最少需要消费植物( )
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A．600 g B．900 g C．1 600 g D．5 600 g
答案 B
解析 根据题意，计算最高营养级至少消耗生产者的量应该按最大能量传递效率计算，所以最少需要消费植物为：20×÷20%÷20%＋20× ÷20%÷20%÷20%＝900 g。
8．如图为某一生态系统的能量金字塔，其中Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ分别代表不同的营养级，E1、E2代表能量的形式。下列叙述正确的是( )
A．Ⅰ是初级消费者
B．Ⅳ为分解者
C．E1为太阳能，E2为热能
D．能量可在食物链中循环利用
答案 C
解析 Ⅰ是生产者，A错误；Ⅳ位于第四营养级，属于消费者，B错误；E1为生产者通过光合作用固定的太阳能，E2为生物群落通过呼吸散失的热能，C正确；能量是单向流动、逐级递减的，不能循环利用，D错误。
知识点三 研究能量流动的实践意义
9．桑基鱼塘分布在我国长江三角洲、珠江三角洲一带的水乡，是一种典型的水陆物质和能量交换型生态工程(如图)。下列有关桑基鱼塘的说法正确的是( )
A．该生态系统提高了营养级间的能量传递效率
B．该生态系统中物种较多，不利于提高系统的生产力
C．该生态系统稳定性的维持不需要人的干预
D．该生态系统在一定程度上实现了对能量的多级利用
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答案 D
解析 该生态系统提高了营养级间的能量利用率，但不能提高能量传递效率，A错误；该生态系统中物种较多，有利于提高系统的生产力，B错误；该生态系统稳定性的维持离不开人类的干预，C错误；该生态系统在一定程度上实现了对物质和能量的多级利用，D正确。
10. 如图是某农业生态系统模式图，下列关于该系统的叙述错误的是( )
A．微生物利用的是农作物通过光合作用储存的能量
B．沼渣、沼液作为肥料还田可以促进物质循环
C．多途径利用农作物可提高该系统中能量的传递效率
D．食用菌、甲烷菌及蚯蚓是该生态系统中的分解者
答案 C
解析 该生态系统的能量是由农作物经过光合作用输入的，所以微生物利用的是农作物通过光合作用储存的能量，A正确；沼渣、沼液作为肥料还田可以促进物质循环利用，B正确；多途径利用农作物可提高该系统中能量的利用率，但不能提高能量的传递效率，C错误；食用菌、甲烷菌及蚯蚓能将有机物分解成无机物，是该生态系统中的分解者，D正确。
综合训练
11. 回答下列有关生物与环境的问题：
某弃置耕地的主要食物链由植物→田鼠→鼬构成，生态学家对此食物链能量流动进行了研究，结果如表，单位是J/(hm2·a)。
植物
田鼠
鼬
固定太阳能
摄入量
同化量
呼吸量
摄入量
同化量
呼吸量
2.45×1011
1.05×108
7.5×108
7.15×108
2.44×107
2.25×107
2.18×107
(1)此地形成的群落是________演替的结果。
(2)若要调查田鼠的种群密度，在2 hm2范围内，第一次捕获并标记50只田鼠，第二次捕获30只，其中有标记的10只，则该种群密度是________只/hm2。若标记的田鼠更易被鼬捕食，则会导致种群密度估算结果__________(偏小/偏大)。
(3)能量沿“植物→田鼠→鼬”的流动逐级递减主要是通过__________作用离开生态系统，能量从田鼠到鼬的能量传递效率是______________。
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(4)田鼠和鼬都是恒温动物，同化的能量中只有3%～5%用于自身的_____________________，
大多数在呼吸作用中以__________的形式散失。
答案 (1)次生 (2)75 偏大
(3)呼吸 3%
(4)生长、发育和繁殖等生命活动 热能
解析 (1)此弃置耕地本来就有一定的生命基础，所以此地形成的群落是次生演替的结果。(2)根据题意知2 hm2范围内，第一次捕获并标记50只田鼠，第二次捕获30只，其中有标记的10只，则该种群密度是50×30÷10÷2＝75(只/hm2)。若标记的田鼠更易被鼬捕食，则会导致种群密度估算结果偏大。(3)能量逐级递减主要是通过细胞呼吸以热能的形式散失；田鼠同化量是7.5×108 J/(hm2·a)，鼬的同化量是 2.25×107 J/(hm2·a)，所以能量从田鼠到鼬的传递效率是(2.25×107)÷(7.5×108)＝3%。(4)田鼠和鼬都是恒温动物，同化的能量中只有3%～5%用于自身的生长、发育和繁殖等生命活动，大多数在呼吸作用中以热能的形式散失。
12．研究者对某水域浮游生物群落进行调查，绘制出如图能量金字塔，据图回答下列问题：
(1)该群落生产者主要通过__________从环境中获得能量，消费者则主要通过__________获得能量。
(2)该群落中从生产者到初级消费者的能量传递效率是很低的，只有__________，原因是________________________________________________________________________
________________________________________________________________________。
(3)能量在流动过程中逐级__________，该群落必须________________________________，才能维持生态系统的正常功能。
答案 (1)光合作用 摄取食物
(2)1.6% 浮游植物的寿命较短，大多数未被消费者取食就死亡了
(3)递减 不断从外界获取能量
解析 (1)该群落生产者主要通过光合作用从环境中获得能量，消费者则主要通过摄取食物获得能量。(2)该群落中从生产者到初级消费者的能量传递效率是很低的，为 ×100%＝1.6%，可能原因是浮游植物的寿命较短，大多数未被消费者取食就死亡了。(3)由于能量在流动过程中逐级递减，所以能量越来越少，为了维持生态系统的稳定性，需要不断从外界获取能量。
13．下表是生物学工作者收集到的某湖区几种生物的食物关系(“√”表示存在食物关系)，请据表回答问题：
13
被捕食者
捕食者
绿藻
螺蛳
鲫鱼
轮虫
螺蛳
√
鲫鱼
√
√
√
轮虫
√
(1)此生态系统中共有__________条食物链，在该食物网中鲫鱼占有哪几个营养级？________________________________________________________________________。
(2)若由于某种原因轮虫全部死亡，螺蛳的种群数量在短时间内将__________。
(3)假如鲫鱼的食物有来自轮虫，来自螺蛳，来自绿藻，能量流动效率按10%计算，该鲫鱼增重5 kg，需消耗绿藻__________kg。
(4)图1是某经济鱼引进后，对其进行种群密度调查并绘出的种群增长速率曲线，调查该经济鱼的种群密度时，常用的方法是__________。在t2时，该鱼的种群数量达到K值，K值的含义是__________________。根据图1信息，在图2中绘出该经济鱼的种群数量变化曲线。
答案 (1)3 第二、第三营养级 (2)减少 (3)320
(4)标志重捕法 最大容纳量 曲线如图
解析 (1)根据表中信息，可写出3条食物链，即绿藻→螺蛳→鲫鱼、绿藻→鲫鱼、绿藻→轮虫→鲫鱼，由此可见，在该食物网中鲫鱼占有2个营养级(第二营养级和第三营养级)。
(2)螺蛳和轮虫都是鲫鱼的食物，轮虫全部死亡后，螺蛳被捕食的概率增大，所以螺蛳的种群数量在短时间内将减少。
(3)鲫鱼的食物有来自轮虫，来自螺蛳，来自绿藻，能量流动效率按10%计算，该鲫鱼增重5 kg需消耗绿色植物5×÷10%÷10%＋5×÷10%÷10%＋5×÷10%＝320(kg)。
(4)调查鱼的种群密度一般用标志重捕法，在t2时期该鱼的种群数量不再增长，达到最大值，即该河流对该鱼的最大容纳量。
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