2022-2023學(xué)年人教版選擇性必修2 第3章 第2節(jié)　生態(tài)系統(tǒng)的能量流動 學(xué)案

1、第2節(jié)生態(tài)系統(tǒng)的能量流動學(xué)習(xí)目標(biāo)素養(yǎng)定位1.通過分析資料,了解能量流動的概念和過程2.通過分析實例,掌握能量流動的特點3.通過模型解釋生態(tài)金字塔表征了食物網(wǎng)各營養(yǎng)級之間的關(guān)系4.聯(lián)系生產(chǎn)實際舉例說明研究能量流動的意義1.通過對能量流經(jīng)第一、第二營養(yǎng)級的分析,簡述如何研究生態(tài)系統(tǒng)的能量流動過程。(科學(xué)思維)2.通過對賽達(dá)伯格湖能量流動的定量分析,概述生態(tài)系統(tǒng)的能量流動規(guī)律。(科學(xué)思維)3.用生態(tài)金字塔表征生態(tài)系統(tǒng)的能量流動等特點。(科學(xué)思維)4.嘗試運用生態(tài)系統(tǒng)的能量流動規(guī)律為生產(chǎn)實踐提出合理建議,認(rèn)同研究能量流動具有實踐意義。(社會責(zé)任)一、能量流動的過程1.概念:生態(tài)系統(tǒng)中能量的輸入、傳遞、

2、轉(zhuǎn)化和散失的過程。2.能量流經(jīng)第一營養(yǎng)級的過程(1)輸入:生態(tài)系統(tǒng)的生產(chǎn)者通過光合作用把太陽能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能,固定在它們所制造的有機物中。(2)能量去向。在生產(chǎn)者的呼吸作用中以熱能形式散失。隨著殘枝敗葉等被分解者分解而釋放出來。被初級消費者攝入體內(nèi),流入第二營養(yǎng)級。3.能量流經(jīng)第二營養(yǎng)級的過程(1)輸入:通過攝食生產(chǎn)者。(2)去向。呼吸作用以熱能的形式散失;流向下一營養(yǎng)級;被分解者分解利用。4.生態(tài)系統(tǒng)能量流動的示意圖二、能量流動的特點1.特點(1)單向流動:沿食物鏈由低營養(yǎng)級流向高營養(yǎng)級,不可逆轉(zhuǎn),也不能循環(huán)流動。(2)逐級遞減:能量在沿食物鏈流動的過程中逐級減少;營養(yǎng)級越多,在能量流動過程中

3、消耗的能量就越多,生態(tài)系統(tǒng)中的能量流動一般不超過5個營養(yǎng)級。2.能量傳遞效率(1)計算公式。能量傳遞效率=某一營養(yǎng)級同化量上一營養(yǎng)級同化量100%。(2)能量在相鄰兩個營養(yǎng)級間的傳遞效率一般只有 10%20%。三、生態(tài)金字塔及研究能量流動的實踐意義1.生態(tài)金字塔(1)能量金字塔。將單位時間內(nèi)各營養(yǎng)級所得到的能量數(shù)值轉(zhuǎn)換為相應(yīng)面積(或體積)的圖形,并將圖形按照營養(yǎng)級的次序排列,可形成一個金字塔圖形,叫作能量金字塔。(2)生物量金字塔。用能量金字塔的方法表示各個營養(yǎng)級生物量(每個營養(yǎng)級所容納的有機物的總干重)之間的關(guān)系,就形成生物量金字塔。(3)數(shù)量金字塔是用能量金字塔的方法表示各個營養(yǎng)級的生物個

4、體的數(shù)目比值關(guān)系。2.研究能量流動的實踐意義(1)幫助人們將生物在時間、空間上進行合理配置,增大流入某個生態(tài)系統(tǒng)的總能量。(2)幫助人們科學(xué)地規(guī)劃和設(shè)計人工生態(tài)系統(tǒng),使能量得到最有效的利用。(3)幫助人們合理地調(diào)整生態(tài)系統(tǒng)中的能量流動關(guān)系,使能量持續(xù)高效地流向?qū)θ祟愖钣幸娴牟糠帧?1)流經(jīng)生態(tài)系統(tǒng)的總能量是照射在生產(chǎn)者上的太陽能。()提示:流經(jīng)生態(tài)系統(tǒng)的總能量通常是生產(chǎn)者固定的太陽光能。(2)生產(chǎn)者和各級消費者的能量均可流入下一個營養(yǎng)級。()提示:最高營養(yǎng)級沒有流入下一個營養(yǎng)級的能量。(3)散失的熱能不可以被生產(chǎn)者固定再次進入生態(tài)系統(tǒng)。()(4)生物量金字塔、數(shù)量金字塔同能量金字塔一樣都是正置

5、的。()提示:生物量金字塔、數(shù)量金字塔都有倒置的特例。(5)拔去田地中的雜草是人為地調(diào)整能量流動的方向,提高生態(tài)系統(tǒng)的能量傳遞效率。()提示:雜草與作物屬于同一營養(yǎng)級,同營養(yǎng)級內(nèi)物種的改變,一般不影響相鄰營養(yǎng)級之間的能量傳遞效率。(6)利用農(nóng)作物秸稈培育蘑菇,實現(xiàn)了生態(tài)系統(tǒng)中能量的循環(huán)利用。()提示:能量不能循環(huán)流動。探究一能量流動的過程資料:呼倫貝爾草原上的鷹捕食兔子,存在一條食物鏈:草兔鷹。草原上生產(chǎn)者主要是草,草原上幾乎全部動物都是直接或間接由草養(yǎng)活。請分析并回答以下問題:問題(1):草的能量來自哪里?輸入生態(tài)系統(tǒng)的能量是指哪一部分?提示:草的能量來自太陽能。生產(chǎn)者固定的太陽能總量。問題

6、(2):生產(chǎn)者的能量又是通過什么途徑,以什么形式傳遞給其他動物的?提示:傳遞途徑為食物鏈或食物網(wǎng);以有機物的形式傳遞。問題(3):生產(chǎn)者的能量有哪些去路?生態(tài)系統(tǒng)的能量傳遞過程中發(fā)生了怎樣的轉(zhuǎn)化?提示:一部分通過呼吸作用以熱能的形式散失;一部分流入分解者被分解釋放出去;另一部分流入第二營養(yǎng)級(初級消費者)。太陽能有機物中的化學(xué)能熱能?；顒?如圖表示能量流經(jīng)第二營養(yǎng)級示意圖,請據(jù)圖思考下列問題:問題(4):攝入量和糞便量、初級消費者的同化量之間具有怎樣的等量關(guān)系?提示:攝入量=糞便量+同化量。問題(5):初級消費者的糞便中的能量屬于哪個營養(yǎng)級的能量?第三營養(yǎng)級的糞便中的能量呢?提示:初級消費者的

7、糞便中的能量屬于第一營養(yǎng)級的能量。第三營養(yǎng)級的糞便中的能量屬于第二營養(yǎng)級的能量。問題(6):初級消費者同化的能量又有幾個流向?提示:自身呼吸散失、被分解者利用和流向下一營養(yǎng)級。1.生態(tài)系統(tǒng)能量流動的過程(1)能量流動的源頭太陽能,但輸入生態(tài)系統(tǒng)的總能量是指生產(chǎn)者固定的太陽能總量。(2)能量轉(zhuǎn)化:太陽能有機物中的化學(xué)能熱能(最終散失)。在能量轉(zhuǎn)化過程中,葉綠體把光能轉(zhuǎn)化為有機物中的化學(xué)能儲存起來;線粒體把有機物中的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為熱能和ATP中的化學(xué)能。(3)流動形式是有機物中的化學(xué)能,而能量傳遞的途徑是沿著食物鏈和食物網(wǎng)進行的。(4)散失途徑:呼吸作用,包括各個營養(yǎng)級自身的呼吸消耗以及分解者的呼吸

8、作用。(5)能量散失的形式:以熱能形式散失。(6)研究能量流動既可以在個體水平上,也可以在群體水平上進行,研究生態(tài)系統(tǒng)能量流動則一般在群體水平上進行。2.某一營養(yǎng)級的能量流動圖解(1)由以上圖解可得到的等量關(guān)系。動物同化的能量=攝入量-糞便有機物中的能量,即攝入的食物只有部分被同化。同化量=自身呼吸以熱能形式散失的能量+用于該營養(yǎng)級生物生長、發(fā)育和繁殖等的能量。該營養(yǎng)級生物生長、發(fā)育和繁殖的能量=被分解者分解的能量+流入下一營養(yǎng)級的能量(最高營養(yǎng)級的生物除外)+未被利用的能量。(2)某一營養(yǎng)級的能量定量不定時分析和定量定時分析的去路。定量不定時分析:流入某一營養(yǎng)級的一定能量在足夠長的時間內(nèi)去路

9、可有三條:a.一部分通過呼吸作用以熱能的形式散失;b.一部分隨生物的遺體或殘骸等被分解者分解利用;c.還有一部分流入下一營養(yǎng)級(最高營養(yǎng)級的生物除外)。定量定時分析:流入某一營養(yǎng)級的一定能量在一定的時間內(nèi)去路可有四條:a.一部分通過呼吸作用以熱能的形式散失;b.一部分隨生物的遺體或殘骸等被分解者分解利用;c.一部分流入下一營養(yǎng)級(最高營養(yǎng)級的生物除外);d.還有一部分未被利用,即未被自身呼吸消耗,也未被下一營養(yǎng)級和分解者利用。1.某生態(tài)系統(tǒng)中有A、B、C、D四種生物,構(gòu)成食物鏈ABC,D為分解者,甲、乙、丙、丁代表各種能量,如圖是該生態(tài)系統(tǒng)中能量流入B處發(fā)生的一系列變化示意圖,下列說法錯誤的是

10、(D)A.圖中的甲表示B的同化量,乙表示B用于生長、發(fā)育和繁殖的能量B.參與丁過程的都是異養(yǎng)型生物,包括大多數(shù)細(xì)菌、真菌等C.丙表示呼吸作用釋放的能量D.圖中D利用的能量全部來自B生物解析:甲表示B的同化量,乙表示B用于生長、發(fā)育和繁殖的能量,丙表示B呼吸作用以熱能形式散失的能量,丁表示分解者的分解作用散失的熱能,圖中D利用的能量不全部來自B生物,還來自A生物(B糞便中的能量是B未同化的能量,屬于上一個營養(yǎng)級A同化的能量)。2.某同學(xué)繪制了如圖所示的能量流動圖解(W1為生產(chǎn)者固定的太陽能),下列敘述不正確的是(C)A.C1可代表生產(chǎn)者流向分解者的能量,初級消費者糞便的能量是C1的組成部分B.初

11、級消費者用于生長、發(fā)育和繁殖的能量為B2+C2+D2C.初級消費者攝入的能量為A2+B2+C2D.圖解表明初級消費者并未獲得生產(chǎn)者固定的所有能量解析:由題圖可知,A代表呼吸作用散失的能量,B代表未被利用的能量,C代表本營養(yǎng)級流向分解者的能量,D代表下一營養(yǎng)級的同化量。C1包括了初級消費者糞便中的能量;初級消費者用于生長、發(fā)育和繁殖的能量為B2+C2+D2;初級消費者攝入的能量應(yīng)大于其同化量,即大于A2+B2+C2+D2。探究二能量流動的特點活動:生態(tài)學(xué)家林德曼對一個天然湖泊賽達(dá)伯格湖的能量流動進行了定量分析,得出了如圖所示的數(shù)據(jù)。注:圖中數(shù)字為能量數(shù)值,單位是J/(cm2a)。問題(1):第一

12、營養(yǎng)級到第二營養(yǎng)級之間的能量傳遞效率是多少(保留一位小數(shù))?為什么能量不能100%流入下一營養(yǎng)級?提示:能量傳遞效率=62.8464.6100%13.5%。因為每個營養(yǎng)級的能量都有一部分通過呼吸作用散失,一部分被分解者分解利用,還有部分未被利用,所以傳到下一營養(yǎng)級的不能是100%。問題(2):一般肉食性動物體內(nèi)的能量能否流入植食性動物?為什么?提示:不能;因為食物鏈中生物之間的捕食關(guān)系是不可逆轉(zhuǎn)的。問題(3):總結(jié)出能量流動的特點。提示:能量流動是單向的;能量在流動過程中是逐級遞減的。問題(4):能量在流動過程中逐級遞減,與能量守恒定律矛盾嗎?為什么?提示:不矛盾。能量在流動過程中逐級遞減,指

13、的是流入各個營養(yǎng)級的能量逐漸減少。能量守恒定律可以用于衡量流入某個生態(tài)系統(tǒng)的總能量,流入某個生態(tài)系統(tǒng)的總能量=儲存在生態(tài)系統(tǒng)(生物體的有機物)中的能量+被各個營養(yǎng)級的生物以及分解者利用、散發(fā)至非生物環(huán)境中的能量。因此,雖然能量在流動過程中逐級遞減,但總能量依然遵循能量守恒定律。能量流動的特點及原因能量傳遞效率的相關(guān)“最值”計算若題干中未做具體說明,則一般認(rèn)為能量傳遞的最低效率為10%,最高效率為20%。(1)在食物鏈ABCD中,則有:注: 食物鏈越短,最高營養(yǎng)級獲得的能量越多;生物間的取食關(guān)系越簡單,生態(tài)系統(tǒng)的能量流動過程中損耗的能量越少。(2)在食物網(wǎng)中則有:3.下圖表示能量流經(jīng)某生態(tài)系統(tǒng)第

14、二營養(yǎng)級示意圖單位J/(cm2a),據(jù)圖分析,有關(guān)說法正確的是(C)A.該生態(tài)系統(tǒng)第三營養(yǎng)級同化的能量是15 J/(cm2a)B.能量由第二營養(yǎng)級到第三營養(yǎng)級的傳遞效率是15%C.第二營養(yǎng)級用于生長、發(fā)育和繁殖的能量是30 J/(cm2a)D.分解者分解動植物遺體釋放出來的能量,可供綠色植物再利用解析:該生態(tài)系統(tǒng)第三營養(yǎng)級攝入的能量是15 J/(cm2a),同化量小于攝入量;由于只知道第三營養(yǎng)級攝入量,不知道同化量,故不能計算能量由第二營養(yǎng)級到第三營養(yǎng)級的傳遞效率;第二營養(yǎng)級用于生長、發(fā)育和繁殖的能量是30 J/(cm2a);分解者分解動植物遺體,其中的能量最終以熱能的形式散失,而熱能不能被綠

15、色植物再利用。4.如圖表示某生態(tài)系統(tǒng)食物網(wǎng)的圖解,貓頭鷹體重每增加1 kg,至少消耗A約(C)A.100 kgB.44.5 kgC.25 kgD.15 kg解析:圖中有3條食物鏈,即AB貓頭鷹、ACB貓頭鷹、ACD貓頭鷹。題中所問為貓頭鷹體重每增加1 kg,至少消耗的A的質(zhì)量,已知高營養(yǎng)級的能量求低營養(yǎng)級能量時,需最少能量,選最短食物鏈(AB貓頭鷹),按最高能量傳遞效率20%計算,則至少消耗A的質(zhì)量為120%20%=25 kg。探究三生態(tài)金字塔及研究能量流動的實踐意義活動:閱讀教材P5758“生態(tài)金字塔”內(nèi)容,思考并回答以下問題:問題(1):構(gòu)建出的能量金字塔說明了什么?提示:說明能量流動是逐

16、級遞減的。資料1:生態(tài)學(xué)家調(diào)查了不同生態(tài)系統(tǒng)中的生物個體數(shù)量和生物量(調(diào)查數(shù)據(jù)中排除了微生物和土壤動物),所得數(shù)據(jù)如表格所示。P代表生產(chǎn)者,C1、C2、C3依次代表初級、次級和三級消費者。表1夏季兩個生態(tài)系統(tǒng)的生物個體數(shù)量統(tǒng)計表(單位:個hm-2)名稱某草地溫帶森林P15 000 0002 000C12 000 0001 500 000C2900 0001 200 000C31020表2夏季兩個生態(tài)系統(tǒng)的生物量統(tǒng)計表(單位:gm-2)名稱某湖泊某海峽P964C11121C24問題(2):請根據(jù)表1,分別建構(gòu)兩個生態(tài)系統(tǒng)的數(shù)量金字塔。提示:某草地:溫帶森林:問題(3):根據(jù)表2,分別建構(gòu)兩個生態(tài)

17、系統(tǒng)的生物量金字塔。提示:某湖泊:某海峽:問題(4):分析數(shù)量金字塔出現(xiàn)上寬下窄倒置的金字塔形的原因。提示:當(dāng)生產(chǎn)者個體比消費者個體大得多時,數(shù)量金字塔通常是倒置的。問題(5):分析生物量金字塔出現(xiàn)上寬下窄倒置的金字塔形的原因。提示:海洋生態(tài)系統(tǒng)中,浮游植物個體小,世代周期短,又會不斷被捕食,因而某一時間調(diào)查到的生物量可能低于浮游動物的生物量。當(dāng)然,總的來看,一年中浮游植物的總的生物量還是比浮游動物的要多。資料2:如圖是新農(nóng)村建設(shè)中某地通過新建沼氣池和植樹造林,構(gòu)建的新型農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)。問題(6):據(jù)圖從能量流動角度分析,與傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)相比生態(tài)農(nóng)業(yè)的優(yōu)點是什么?提示:實現(xiàn)了對能量的多級利用,提高了能

18、量的利用率。問題(7):種植農(nóng)作物時,要清除雜草和害蟲,從能量流動角度分析其目的是什么?提示:調(diào)整能量流動關(guān)系,使能量流向?qū)θ祟愖钣幸娴牟糠帧栴}(8):人們在研究能量流動時,將秸稈作為牲畜飼料,糞便進入沼氣池生產(chǎn)燃料。此過程提高能量的傳遞效率了嗎?提示:沒有。提高了能量的利用率,即人類充分利用了流向分解者的能量,實現(xiàn)了對能量的多級利用,減少了環(huán)境污染,但沒有提高能量在不同營養(yǎng)級之間的傳遞效率。(1)生態(tài)金字塔是能量金字塔、數(shù)量金字塔、生物量金字塔的總稱,生態(tài)金字塔的每一層代表一個營養(yǎng)級。(2)能量金字塔體現(xiàn)的是營養(yǎng)級與營養(yǎng)級所含總能量的關(guān)系,不會倒置。而數(shù)量金字塔和生物量金字塔一般為正金字塔

19、形,但也有倒置的情況。5.甲、乙、丙、丁是某同學(xué)繪制的生態(tài)金字塔,下列與之相關(guān)的說法,錯誤的是(C)A.生態(tài)金字塔包括能量金字塔、生物量金字塔和數(shù)量金字塔,基本呈現(xiàn)圖丙所示形態(tài)B.由于能量流動具有逐級遞減的特征,能量金字塔通常呈現(xiàn)圖丙所示形態(tài)C.不能用圖甲表示生物數(shù)量金字塔D.生態(tài)金字塔中每一層代表一個營養(yǎng)級,分解者不包含在其中解析:某些食物鏈,如樹蟲鳥,其數(shù)量金字塔可能如圖甲。6.茶樹菇味道鮮美,常生長在油茶樹枯朽的樹樁上。某林場嘗試在樹下套種茶樹菇,并用桐樹、柳樹、楊樹脫落的枝葉制作培養(yǎng)基。下列相關(guān)敘述正確的是(B)A.油茶樹枯朽樹樁中的能量不屬于油茶樹的同化量B.生長在油茶樹樹樁上的茶樹

20、菇屬于生態(tài)系統(tǒng)中的分解者C.套種措施可以提高樹木和茶樹菇對陽光等資源的利用率D.該林場提高了能量的傳遞效率,實現(xiàn)了能量的多級利用解析:油茶樹枯朽樹樁中的能量屬于油茶樹的同化量中流向分解者的部分;茶樹菇屬于分解者,不能直接利用陽光;該林場的做法實現(xiàn)了能量的多級利用,提高了能量的利用率而不是傳遞效率。課堂小結(jié) 真實情境 我國南方部分地區(qū)的農(nóng)民收入大大增加,因為改變了稻田生產(chǎn)模式,由過去單一化的“稻魚”向“稻+N”(如“稻+魚+鴨”“稻+魚+蟹”)生態(tài)綜合種養(yǎng)模式發(fā)展,為農(nóng)民增收提供了新途徑。探究:(1)輸入該生態(tài)系統(tǒng)的總能量是水稻通過光合作用固定的太陽能總量嗎?為什么?提示:不是;稻田中除了水稻還

21、有其他的生產(chǎn)者。(2)鴨清除了蟲害和雜草,從能量流動角度分析有什么意義?提示:調(diào)整了能量流動關(guān)系,使能量持續(xù)高效地流向?qū)θ祟愖钣幸娴牟糠帧?3)這種立體式種養(yǎng)模式有什么好處?提示:不同生物占有不同的生態(tài)位,有利于充分利用生態(tài)系統(tǒng)的物質(zhì)和能量,提高了能量的利用率。隨堂檢測1.研究生態(tài)系統(tǒng)的能量流動,可以參考如圖所示的模型。下列有關(guān)敘述中錯誤的是(C)A.研究流經(jīng)某一種群的能量時,要考慮到能量被利用和未被利用等方面B.研究生態(tài)系統(tǒng)中的能量流動,一般在群體水平上C.模型中的“能量輸入”就是指捕食者的捕食D.模型中的“能量散失”主要指呼吸作用散失的能量解析:模型中的“能量輸入”在第一營養(yǎng)級一般是指生產(chǎn)

22、者固定的能量,第二營養(yǎng)級之后是指同化量,即捕食者的捕食量-糞便中的能量。2.如果食物鏈上各營養(yǎng)級均以生物個體的數(shù)量來表示,并以食物鏈起點的生物個體數(shù)作底層來繪制數(shù)量金字塔,則只有兩個營養(yǎng)級的夏季草原生態(tài)系統(tǒng)(假設(shè)第一營養(yǎng)級是牧草,第二營養(yǎng)級是羊)和森林生態(tài)系統(tǒng)(假設(shè)第一營養(yǎng)級是喬木,第二營養(yǎng)級是昆蟲)的數(shù)量金字塔的形狀最可能是(A)A.前者為金字塔形,后者為倒置的金字塔形B.前者為倒置的金字塔形,后者為金字塔形C.前者為金字塔形,后者為金字塔形D.前者為倒置的金字塔形,后者為倒置的金字塔形解析:只有牧草和羊兩個營養(yǎng)級的夏季草原生態(tài)系統(tǒng)中,牧草為第一營養(yǎng)級,羊為第二營養(yǎng)級,且牧草的數(shù)量比羊多,則

23、該生態(tài)系統(tǒng)繪制的數(shù)量金字塔為上窄下寬的金字塔形;只有喬木和昆蟲兩個營養(yǎng)級的森林生態(tài)系統(tǒng)中,喬木為第一營養(yǎng)級,昆蟲為第二營養(yǎng)級,且一棵樹上可以有很多昆蟲,昆蟲的數(shù)量比喬木的數(shù)量多,則該生態(tài)系統(tǒng)繪制的數(shù)量金字塔為倒置的金字塔形。3.為提高農(nóng)業(yè)產(chǎn)量,農(nóng)民采取了如下手段,某同學(xué)根據(jù)能量流動的特點進行分析,其中敘述正確的是( B)人工除草使用農(nóng)藥消滅害蟲溫室種植時,適當(dāng)降低夜間溫度對農(nóng)作物施肥A.是為了減少營養(yǎng)級,從而降低能量傳遞過程中能量的損失B.是為了使能量盡可能多地流向?qū)θ祟愖钣幸娴牟糠諧.是為了增加農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的能量輸入D.是為農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)額外補充能量,從而提高農(nóng)業(yè)產(chǎn)量解析:人工除草,使用農(nóng)藥消滅害蟲,都是調(diào)整能量流動的方向,