人教版教材word版必修3生態(tài)系統(tǒng)的能量流動

第2節(jié)生態(tài)系統(tǒng)的能量流動問題探討假設(shè)你像小說中的魯賓遜那樣，流落在一個荒島上，那里除了有能飲用的水以外，幾乎沒有任何食物。你隨身尚存的食物只有一只母雞、15kg玉米。討論：你認為以下哪種生存策略能讓你維持更長的時間來等待救援：1．先吃雞，再吃玉米。2．先吃玉米，同時用一部分玉米喂雞，吃雞產(chǎn)下的蛋，最后吃雞。本節(jié)聚焦怎樣研究生態(tài)系統(tǒng)的能量流動？生態(tài)系統(tǒng)中的能量流動有什么特點？什么是能量金字塔？一切生命活動都伴隨著能量的變化。沒有能量的輸入，也就沒有生命和生態(tài)系統(tǒng)。生態(tài)系統(tǒng)中能量的輸入、傳遞、轉(zhuǎn)化和散失的過程，稱為生態(tài)系統(tǒng)的能量流動。能量流動的過程地球上幾乎所有的生態(tài)系統(tǒng)所需要的能量都來自太陽。太陽每天輸送到地球的能量大約為1×1019kJ。這些能量絕大部分都被地球表面的大氣層所吸收、散射和反射掉了，大約只有1%以可見光的形式，被生態(tài)系統(tǒng)的生產(chǎn)者通過光合作用轉(zhuǎn)化成為化學能，固定在它們所制造的有機物中。這樣，太陽能就輸入到了生態(tài)系統(tǒng)的第一營養(yǎng)級。輸入第一營養(yǎng)級的能量，一部分在生產(chǎn)者的呼吸作用中以熱能的形式散失了；一部分用于生產(chǎn)者的生長、發(fā)育和繁殖等生命活動，儲存在植物體的有機物中。構(gòu)成植物體的有機物中的能量，一部分隨著殘枝敗葉等被分解者分解而釋放出來；另一部分則被初級消費者攝入體內(nèi)，這樣，能量就流入了第二營養(yǎng)級。能量流入第二營養(yǎng)級后，將發(fā)生圖5—6所示的變化。能量在第三、第四營養(yǎng)級的變化，與第二營養(yǎng)級的情況大致相同。生態(tài)系統(tǒng)中的能量流動過程，可以概括為圖5-7所示:思考與討論1．生態(tài)系統(tǒng)中的能量流動和轉(zhuǎn)化是否遵循能量守恒定律？為什么？2．流經(jīng)某生態(tài)系統(tǒng)的能量能否再回到這個生態(tài)系統(tǒng)中來？學科交叉學科交叉與物理學的聯(lián)系根據(jù)熱力學第二定律，在封閉系統(tǒng)中，隨著時間的推移無序性將增加。生命系統(tǒng)是開放系統(tǒng)，可以通過獲取能量來維持系統(tǒng)的有序性。為了研究能量流經(jīng)生態(tài)系統(tǒng)的食物鏈時，每一級的能量變化和能量轉(zhuǎn)移效率，美國生態(tài)學家林德曼.Lindenman,1915—1942)對一個結(jié)構(gòu)相對簡單的天然湖泊—賽達伯格湖的能量流動進行了定量分析，得出了圖5—8所示的數(shù)據(jù)：（圖中數(shù)字為能量數(shù)值，單位是J/(cm2·a)(焦每平方厘米年)。圖中“未固定”是指未被固定的太陽能，“未利用”是指未被自身呼吸作用消耗，也未被后一個營養(yǎng)級和分解者利用的能量。為研究方便起見，這里將肉食性動物作為一個營養(yǎng)級。)資料分析生態(tài)系統(tǒng)的能量流動特點根據(jù)上圖所提供的數(shù)據(jù)，完成以下分析:1．用表格的形式，將圖中的數(shù)據(jù)進行整理。例如，可以將每一營養(yǎng)級上的能量“流入”和“流出”整理成為一份清單(“流出”的能量不包括呼吸作用散失的能量)。2．計算“流出”該營養(yǎng)級的能量占“流入”該營養(yǎng)級能量的百分比。3．流入某一營養(yǎng)級的能量，為什么不會百分之百地流到下一個營養(yǎng)級？4．通過以上分析，你能總結(jié)出什么規(guī)律？林德曼的研究發(fā)現(xiàn)，生態(tài)系統(tǒng)的能量流動具有兩個明顯的特點:1．生態(tài)系統(tǒng)中能量流動是單向的。在生態(tài)系統(tǒng)中，能量流動只能從第一營養(yǎng)級流向第二營養(yǎng)級，再依次流向后面的各個營養(yǎng)級，不可逆轉(zhuǎn)，也不能循環(huán)流動。2．能量在流動過程中逐級遞減。輸入到一個營養(yǎng)級的能量不可能百分之百地流入下一個營養(yǎng)級，能量在沿食物鏈流動的過程中是逐級減少的。一般來說，在輸入到某一個營養(yǎng)級的能量中，只有10%—20%的能量能夠流到下一個營養(yǎng)級，也就是說，能量在相鄰兩個營養(yǎng)級間的傳遞效率大約是10%—20%。如果將單位時間內(nèi)各個營養(yǎng)級所得到的能量數(shù)值，由低到高繪制成圖，可形成一個金字塔圖形，叫做能量金字塔(圖5-9)。從能量金字塔可以看出，在一個生態(tài)系統(tǒng)中，營養(yǎng)級越多，在能量流動過程中消耗的能量就越多。生態(tài)系統(tǒng)中的能量流動一般不超過4—5個營養(yǎng)級。任何生態(tài)系統(tǒng)都需要不斷得到來自系統(tǒng)外的能量補充，以便維持生態(tài)系統(tǒng)的正常功能。如果一個生態(tài)系統(tǒng)在一段較長時期內(nèi)沒有能量(太陽能或現(xiàn)成有機物質(zhì))輸入，這個生態(tài)系統(tǒng)就會崩潰。如果把各個營養(yǎng)級的生物數(shù)量關(guān)系，用繪制能量金字塔的方式表達出來，是不是也是金字塔形：如果是，有沒有例外？研究能量流動的實踐意義思考與討論我國古代就已發(fā)展出“?；~塘”生產(chǎn)方式:利用桑葉喂蠶，蠶沙(蠶糞)養(yǎng)魚，魚塘泥肥桑，在桑、蠶、魚之間形成良性循環(huán)。古人在設(shè)計這種農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式時，不一定清楚其中的科學道理。請從生態(tài)系統(tǒng)能量流動特點出發(fā)，分析這種設(shè)計的合理性。桑基魚塘研究生態(tài)系統(tǒng)的能量流動，可以幫助人們科學規(guī)劃、設(shè)計人工生態(tài)系統(tǒng)，使能量得到最有效的利用。例如，在農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)中，如果把作物秸稈當燃料燒掉，人類就不能充分利用秸稈中的能量；如果將秸稈做飼料喂牲畜，讓牲畜糞便進入沼氣池，將發(fā)酵產(chǎn)生的沼氣做燃料(圖5—10)，將沼氣池中的沼渣做肥料，就能實現(xiàn)對能量的多級利用，從而大大提高能量的利用率?！吧；~塘”也基本體現(xiàn)了這個原理。研究生態(tài)系統(tǒng)的能量流動，還可以幫助人們合理地調(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?。例如，在一個草場上，如果放養(yǎng)的牲畜過少，就不能充分利用牧草所能提供的能量;如果放養(yǎng)的牲畜過多，就會造成草場的退化，使畜產(chǎn)品的產(chǎn)量下降。只有根據(jù)草場的能量流動特點，合理確定草場的載畜量，才能保持畜產(chǎn)品的持續(xù)高產(chǎn)。調(diào)查當?shù)剞r(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)中的能量流動情況一、目的要求1．調(diào)查當?shù)氐霓r(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)，明確它的組成成分。2．分析農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)中能量流動的情況，并作出評價。3．對所調(diào)查的農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)提出能量流動方面的改進建議。二、活動建議農(nóng)村的同學要進行實地調(diào)查，城市的同學可以通過詢問親友、電話訪談、搜集資料、走訪農(nóng)業(yè)部門等方式進行調(diào)查。調(diào)查過程中要注意對以下問題進行分析:1．當?shù)剞r(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)中生產(chǎn)者的主體是什么？還有哪些種類的生物是生產(chǎn)者？農(nóng)民是用什么方法抑制其他生產(chǎn)者的數(shù)量的？2．初級消費者有哪些？其中哪些是對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)有益的？哪些是有害的？對這些初級消費者，農(nóng)民分別采取了哪些措施？3．次級消費者有哪些？它們與農(nóng)作物是什么關(guān)系？4．養(yǎng)殖動物的飼料來源是怎樣的？5．農(nóng)民對作物秸稈是如何處理的？6．人們通過什么方式來提高光能利用效率？7．怎樣才能使該生態(tài)系統(tǒng)中的能量得到更充分的利用？三、撰寫調(diào)查報告整理調(diào)查結(jié)果，盡可能詳盡地畫出該農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的食物鏈和食物網(wǎng)，寫一篇有關(guān)農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)能量流動情況的調(diào)查分析報告。四、交流就調(diào)查報告的主要內(nèi)容與農(nóng)民進行交流。農(nóng)民對你們的建議持什么態(tài)度？如果實施你們的建議，他們有什么現(xiàn)實困難？根據(jù)和農(nóng)民交流的情況，對調(diào)查報告作進一步修改。分析和處理數(shù)據(jù)1926年，美國一位生態(tài)學家研究了一塊玉米田的能量流動情況，得到如下數(shù)據(jù)。1．這塊田共收割玉米約10000株，質(zhì)量為6000kg。通過對玉米植株的化學成分進行分析，計算出其中共含碳2675kg。2．據(jù)他估算，這些玉米在整個生長過程中通過細胞呼吸消耗的葡萄糖共2045kg。3．1kg葡萄糖儲存×104kJ能量。4．在整個生長季節(jié)，入射到這塊玉米田的太陽能總量為×109kJ。請根據(jù)以上數(shù)據(jù)計算:這些玉米的含碳量折合成葡萄糖是多少？這些葡萄糖儲存的能量是多少？這些玉米呼吸作用消耗的能量是多少？這些玉米在整個生長季節(jié)所固定的太陽能總量是多少？呼吸作用消耗的能量占所固定太陽能總量的比例是多少？這塊玉米田的太陽能利用效率是多少？處理數(shù)據(jù)根據(jù)計算結(jié)果，畫出能量流經(jīng)該玉米種群的圖解，圖解中應(yīng)標明各環(huán)節(jié)能量利用和散失的比例。一、基礎(chǔ)題1．調(diào)查得知某河流生態(tài)系統(tǒng)的營養(yǎng)結(jié)構(gòu)共有4個營養(yǎng)級(以a、b、c、d表示)。經(jīng)測定，一年中流經(jīng)這4個營養(yǎng)級的能量分別為:營養(yǎng)級能量(J?m-2)ax105bx105cx105dx105該生態(tài)系統(tǒng)中初級消費者是：A.a； B.b；C.c；D.d。答[]2．流經(jīng)某一生態(tài)系統(tǒng)的總能量是：A．照射到該生態(tài)系統(tǒng)中的全部太陽能；B．該生態(tài)系統(tǒng)中所有生產(chǎn)者、消費者、分解者體內(nèi)的能量；C．該生態(tài)系統(tǒng)中生產(chǎn)者體內(nèi)的能量，D．該生態(tài)系統(tǒng)中生產(chǎn)者所固定的太陽能。答[]3．在一定時間內(nèi)，某生態(tài)系統(tǒng)中全部生產(chǎn)者固定的能量值為a，全部消費者所獲得的能量值為b，全部分解者所獲得的能量值為c，則a、b、c之間的關(guān)系是：A.a=b+c；B.a>b+c；C.a<b+c；D.c=a+b。答[]二、拓展題1.下圖是兩個農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的模式圖。圖a中農(nóng)作物為人類提供的食物量、為家禽和家畜提供的飼料量，都與圖b相同。（1）分析這兩幅圖，完成這兩個生態(tài)系統(tǒng)的能量流動圖解。（2）哪個生態(tài)系統(tǒng)的能量能夠更多地被人類所利用？為什么？2．將一塊方糖放人水中，方糖就會立即溶解，消失得無影無蹤。溶解在水中的方糖還能再自行變回原來的形狀嗎？為什么？一類名叫硅藻的小生物，生活在水中。它們能利用溶解在水中的硅化物制造自己絢麗精致的外殼，而通常情況下水體中硅化物的含量極為微少，僅有百萬分之幾，這遠比方糖溶解后水中的含糖量低得多。硅藻依靠什么力量筑造自己的精美小屋呢？通過這一實例，你對能量在生態(tài)系統(tǒng)中的作用是否有了進一步的認識？生態(tài)農(nóng)業(yè)生態(tài)農(nóng)業(yè)是指運用生態(tài)學原理，在環(huán)境與經(jīng)濟協(xié)調(diào)發(fā)展的思想指導下，應(yīng)用現(xiàn)代科學技術(shù)建立起來的多層次、多功能的綜合農(nóng)業(yè)生產(chǎn)體系。生態(tài)系統(tǒng)中能量多級利用和物質(zhì)循環(huán)再生是生態(tài)學的一條基木原理。在生態(tài)系統(tǒng)中，能量流動和物質(zhì)循環(huán)主要是通過食物鏈來完成的。食物鏈既是一條能量轉(zhuǎn)換鏈，也是一條物質(zhì)傳遞鏈，從經(jīng)濟上看還是一條價值增值鏈。因此，遵循這一原理，就可以合理設(shè)計食物鏈，使生態(tài)系統(tǒng)中的物質(zhì)和能量被分層次多級利用，使生產(chǎn)一種產(chǎn)品時產(chǎn)生的有機廢棄物，成為生產(chǎn)另一種產(chǎn)品的投入，也就是使廢物資源化，以便提高能量轉(zhuǎn)化效率，減少環(huán)境污染。北京大興區(qū)留民營村，在發(fā)展生態(tài)農(nóng)業(yè)之前，全村以種植業(yè)為主，主要依靠大量施用化肥來提高農(nóng)作物的產(chǎn)量，經(jīng)濟效益很低。該村農(nóng)田每年生產(chǎn)的1000t作物秸稈，除部分用做燃料外，大部分被丟棄，秸稈還田率很低。1983年，這個村開始發(fā)展生態(tài)農(nóng)業(yè)。為了充分利用作物的秸稈，這個村大力發(fā)展飼養(yǎng)業(yè)，建立了奶牛場、雞場、鴨場、豬場和漁場，同時還建立了飼料加工廠、面粉加工廠及食品加工廠等，并且開發(fā)了沼氣等能源，形成了種、養(yǎng)、加工等多種經(jīng)營的生產(chǎn)結(jié)構(gòu)。在留民營村，作物桔稈和糧食加工產(chǎn)生的米糠、麩皮作為飼料送到飼養(yǎng)場，牲畜的糞便和部分秸稈進入沼氣池，產(chǎn)生的沼氣供農(nóng)民做飯和照明用。沼氣池中產(chǎn)生的沼渣和沼液，一部分送到池塘養(yǎng)魚，一部分送到農(nóng)田作肥料，還有一部分經(jīng)過加工處理成豬的飼料。豆制品廠的下腳料用來喂奶牛和豬，雞糞既可以用做肥料，經(jīng)過發(fā)酵除臭后，又是豬的好飼料。就這樣，通過對農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)中物質(zhì)循環(huán)再生利用和能量的多級利用，使整個生態(tài)村的上述各業(yè)生產(chǎn)相互依存、相互促進，形成了