高中生物苏教版必修3教学案第四章 第二节 第1课时 生态系统中的能量流动和物质循环 Word版含答案.docx

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第二节

生态系统的稳态

第1课时　生态系统中的能量流动和物质循环

1.生态系统中的能量的输入、传递、转化和散失的过程称

为生态系统的能量流动。

2．生态系统的能量流动从生产者固定太阳能开始。

3．能量流动具有单向流动和逐级递减的特点。

4．生态系统中的物质循环是指在生态系统中组成生物体的

C、H、O、N、P、Ca等元素，从无机环境到生物群落，

再回到无机环境的循环过程。

5．在无机环境中，碳主要以CO2和碳酸盐的形式存在。

6．碳循环是指碳元素在生物圈中的循环过程。

CO2在绿色

植物和大气之间循环往复的过程是碳循环最简单的途径。

7．大气中CO2浓度升高导致温室效应增强。

8．在生物圈中，物质循环与能量流动同时进行，两者相互

依存，不可分割。

一、生态系统中的能量流动

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，称为生态系统的能量流动。

2．能量流动的过程

（1）起点：

太阳能被生产者通过光合作用转化为化学能固定在有机物中，从而输入到生态系统的第一营养级。

（2）各营养级的能量去向：

①在呼吸作用中以热能的形式散失。

②储存在各营养级生物体内，用于自身的生命活动。

这部分能量又有两个去向：

a．通过下一营养级的取食而流入下一营养级。

b．流向分解者。

3．能量流动的特点

（1）单向流动：

沿食物链的方向流动。

（2）逐级递减：

传递效率为10%～20%。

4．研究能量流动的意义

（1）可以帮助人们在设计人工生态系统时充分考虑能量的有效利用。

（2）可以合理调整生态系统中的能量流动关系，使能量流向对人类最有益的部分。

二、生态系统中的物质循环

1．物质循环的概念

（1）别称：

生物地球化学循环。

（2）循环主体：

组成生物体的C、H、O、N、P、Ca等元素。

（3）循环范围：

无机环境和生物群落之间。

2．水循环

（1）概念：

水以固态、液态和气态在陆地、海洋和大气之间不断循环的过程。

（2）主要环节：

降水和蒸发。

（3）影响因素：

太阳能和大气环流等因素。

3．碳循环

（1）概念：

碳元素在生物圈中的循环过程。

（2）主要存在形式：

CO2和碳酸盐。

（3）循环形式：

CO2、碳水化合物。

（4）过程：

①光合作用：

大气中CO2通过生产者的光合作用进入生物群落。

②呼吸作用：

生产者、消费者、分解者的呼吸作用把生物群落中的碳以CO2形式返回大气中。

③燃烧：

化石燃料的燃烧使非生物的有机物中的碳以CO2形式返回大气中。

1．判断下列叙述的正误

（1）生态系统中能量的初始来源只有太阳能（×）

（2）在“植物→鼠→鹰”这条食物链中，第三营养级含能量最少（√）

（3）生态系统中生产者固定的能量必然大于消费者得到的能量（√）

（4）沼渣、沼液作为肥料还田，使能量能够循环利用（×）

（5）光合作用推动碳循环过程，促进了生物群落中的能量循环（×）

（6）碳在生物群落与无机环境之间的循环主要以CO2的形式进行（√）

（7）植物可通过呼吸作用和光合作用参与生态系统的碳循环（√）

（8）由于过度的人工碳排放，破坏了生态系统的碳平衡，导致大气中CO2浓度增加并引起全球气候变化（√）

2．假若在一个与外界隔绝、没有食物的荒岛上，给你3只鸡（其中2只为母鸡）和20kg玉米，理论上分析，如何利用它们使你在此荒岛上生存的时间最长（　　）

A．先吃掉3只鸡，然后再吃玉米

B．先吃尽玉米，然后再吃鸡

C．用玉米喂养母鸡使之产蛋，再吃鸡蛋

解析：

选A　先吃掉3只鸡，然后再吃玉米，可以减少能量的散失。

3．下图为某生态系统能量流动的部分示意图，其中数字为能量值，单位是kJ/（m2·a）。

能量在第二营养级和第三营养级间的传递效率为（　　）

A．16%　　　　　　　　B．15%

C．12%D．10%

解析：

选B　传递效率为各营养级同化量之比，所以第二营养级和第三营养级间的传递效率为20.4/136＝15%。

4．在下列食物链中，假设初级消费者从生产者获得的能量数值相同，提供给猫头鹰能量最多的食物链是（　　）

A．绿色植物→蚱蜢→青蛙→蛇→猫头鹰

B．绿色植物→鼠→蛇→猫头鹰

C．绿色植物→鼠→猫头鹰

解析：

选C　食物链越短，能量在流动过程中散失越少。

5．某河流生态系统的营养结构共有4个营养级，分别以a、b、c、d表示。

一年内输入这4个营养级的能量数值如下表所示。

该生态系统中初级消费者所属营养级是（　　）

营养级

a

b

c

d

能量（J·m－2）

141.10×105

15.91×105

0.88×105

871.27×105

A．aB．b

C．cD．d

解析：

选A　在生态系统中含能量最多的是生产者，即d；其次是初级消费者，即a。

6．肉类和鸡蛋的价格比粮食和蔬菜高，从生态学的观点看，这是由于（　　）

A．动物饲养麻烦、花工夫、投资大

B．动物性食物营养价值高

C．食物链延长，能量流失多，动物性食品成本高

解析：

选C　动物都是直接或间接以植物为食，相比吃粮食和蔬菜，食物链延长，导致能量散失增多，故在生产过程中成本也提高了。

7．生态系统物质循环的特点不包括下列的（　　）

A．带有全球性

B．物质是指组成生物体的元素

C．在群落的各营养级之间循环往复

解析：

选C　组成生物体的C、H、O、N、P、S等元素，都不断进行着从无机环境到生物群落的循环，而在生物群落的各营养级之间是单向流动的。

8．从碳循环的角度看，人体内有机物中的碳元素究其根源是来自（　　）

A．食物中的碳

B．大气中CO2中的碳

C．非生物环境中的碳酸盐

解析：

选B　人体内有机物直接或间接地来自植物，而植物的有机物是通过光合作用形成的，其来自大气中的CO2和水。

1．能量流动的过程

生态系统中的能量流动过程，可以表示为下图。

（1）来源：

太阳能。

（2）起点：

从生产者（主要是植物）固定太阳能开始。

（3）渠道：

食物链和食物网。

（4）能量变化：

太阳光能→生物体中有机物的化学能→热能（最终散失）。

（5）能量在食物链中流动的形式：

有机物（食物）中的化学能。

（6）能量散失的主要途径：

细胞呼吸（包括各营养级生物本身及分解者的细胞呼吸）；能量散失的主要形式是热能。

2．每个营养级的能量来源和去向

（1）来源

（2）去向：

①自身呼吸消耗，转化为其他形式的能量和热能。

②流向下一营养级。

③残体、落叶等被分解者分解。

④未被利用：

包括生物每年的积累量，也包括动植物残体以化石燃料形式被储存起来的能量。

即一个营养级同化的能量＝呼吸消耗的能量＋被下一营养级同化的能量＋分解者利用的能量＋未被利用的能量＝摄入量－粪便中所含能量。

3．能量流动的特点

（1）单向流动：

①食物链中各营养级的顺序是不可逆转的，因为捕食关系不可逆转，这是长期自然选择的结果。

②各营养级的能量大部分以呼吸作用产生的热能的形式散失，这部分能量是不能被重复利用的。

（2）逐级递减：

①每个营养级的生物总有一部分能量不能被下一营养级利用。

②各个营养级的生物都会因呼吸作用消耗相当大的一部分能量。

③各营养级中的能量都要有一部分流入分解者。

（3）传递效率约为10%～20%。

计算方法为：

能量传递效率＝

×100%。

[思考探究]

1．

（1）维持生态系统稳态的动力是什么？

提示：

是能量。

（2）初级消费者取食摄入的能量就是其同化的能量吗？

提示：

不是。

同化量＝摄入量－粪便量。

（3）初级消费者粪便中的能量最终流向分解者，这部分能量包括在“初级消费者流向分解者”的能量中吗？

提示：

不包括，这部分能量包括在“生产者流向分解者”的能量中。

（4）从能量流动的特点分析，为什么一条食物链的营养级一般不超过五个？

提示：

能量通过四个左右的营养级传递，已减少到不足以维持下一个营养级的生命活动的程度，所以一条食物链中营养级一般不超过五个。

[题组冲关]

1．下图为某生态系统的能量流动简图，下列叙述错误的是（　　）

A．甲是生产者，乙是消费者

B．该生态系统是一个开放的系统

C．能量通过光合作用固定并进入系统，以热能形式输出

D．甲、乙和分解者所贮存的能量之和是输入该生态系统的总能量

解析：

选D　根据题中简图可知，甲能够固定太阳能，为生产者，乙从甲获取能量，为消费者；该生态系统需要从外界获得能量，同时能量也可以扩散到外界，是一个开放的生态系统；能量通过光合作用进入生态系统，经过生产者、消费者和分解者的呼吸作用后以热能的形式散失；输入该生态系统的总能量是生产者甲固定的太阳能总能量。

2．以下表示动物利用食物的过程，分析正确的是（　　）

A．恒温动物的④/③值一般高于变温动物

B．哺乳动物的③/①值一般为10%～20%

C．提高圈养动物生长量一般需提高③/②值

D．食肉哺乳动物的③/②值一般低于食草哺乳动物

解析：

选C　恒温动物与变温动物消耗有机物的量在不同温度下是不同的，因此不能确定在不同温度条件下恒温动物的④/③一般高于变温动物。

哺乳动物的③/①值应大于20%。

肉食动物的③/②值一般高于食草哺乳动物，③/②越高，说明有更多的食入量转变成动物的同化量，有利于提高动物的生长量。

不同的生态金字塔能形象地说明营养级与能量、生物量、数量之间的关系，是定量研究生态系统的直观体现。

归纳如下：

项目

能量金字塔

数量金字塔

生物量金字塔

形状

特点

正金字塔形

一般为正金字塔形，有时会出现倒金字塔形，如树与树上昆虫的数量关系

正金字塔形

象征含义

能量沿食物链传递过程中具有逐级递减的特点

生物个体数目在食物链中随营养级升高而逐级递减

生物量（现存生物中有机物的总质量）沿食物链流动逐级递减

每一级含义

食物链中每一营养级生物所含能量的多少

每一营养级生物个体的数目

每一营养级生物的总生物量

[名师点拨]　能量金字塔也有倒置的

人工生态系统中因能量可人为补充，可能会使能量金字塔呈现倒置状况。

如人工鱼塘中生产者的能量未必比消费者（鱼）的多。

[题组冲关]

3.一片树林中，树、昆虫和食虫鸟的个体数比例关系如右图所示。

下列选项能正确表示树、昆虫、食虫鸟之间能量关系的是（方框面积表示能量的大小）（　　）

解析：

选C　从生物的个体数来看，一棵大树上可能有成百上千个昆虫生活着；但是从能量的角度来考虑，一棵大树的总能量要比成百上千个昆虫的总能量多很多。

4.右图表示某一生态系统的能量金字塔，其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和Ⅳ是实现物质循环的关键生态成分

B．该图所示的食物网只有1条食物链：

Ⅰ→Ⅱ→Ⅲ→Ⅳ

C．E1表示的能量主要是通过光合作用所固定的能量

D．能量可在食物链中循环利用

解析：

选C　图中Ⅰ代表生产者，则E1表示的能量主要是生产者通过光合作用固定的能量。

Ⅱ、Ⅲ和Ⅳ都代表消费者，实现物质循环的关键生态成分是生产者和分解者。

每一营养级的生物种类可能有很多，该图所示的食物网可能由很多条食物链组成。

生态系统中能量流动是单向的，能量不能循环利用。

1．碳循环

（1）碳循环图示

（2）碳循环解读

①自然界中碳的存在形式：

CO2和碳酸盐。

碳在生物群落中的存在形式：

含碳有机物。

②碳在生物群落和无机环境之间循环是以CO2的形式进行的。

碳元素在生物群落中的传递，主要靠食物链和食物网，传递形式为含碳有机物。

③大气中的碳元素进入生物群落，是通过光合作用或化能合成作用而实现的。

④大气中CO2的主要来源

⑤特点：

具有全球性；反复循环利用。

⑥大气中CO2浓度升高，会导致温室效应的发生。

2．物质循环与能量流动的比较

项目

能量流动

物质循环（以碳循环为例）

形式

以有机物为载体

（CO2―→含碳有机物―→CO2）

特点

单向流动、逐级递减

全球性、循环性

范围

生态系统各营养级

生物圈（全球性）

联系

同时进行、相互依存，不可分割

①能量的固定、储存、转移和释放，离不开物质的合成和分解

②物质是能量沿食物链（网）流动的载体

③能量是物质在生态系统中往复循环的动力

图示

[名师点拨]　有关碳循环示意图中生态系统成分的判断

（1）首先判断双箭头的两端是生产者和大气中的CO2库，除双箭头外生产者（A）只有发出箭头，大气（B）只有接受箭头。

（2）消费者（C）接受一个箭头而发出两个，分解者（D）则接受两个发出一个，两者之间物质流动方向是从消费者（C）到分解者（D）。

[思考探究]

2．

（1）水循环为什么在一定程度上影响着物质在地球上的分布呢？

提示：

水是良好溶剂，生态系统内的许多物质都能溶解其中。

（2）温室效应是由于CO2排放量的迅速增加所致，你认为控制温室效应应采取哪些措施？

提示：

采取措施：

①减少煤、石油等化石燃料的燃烧；②大力植树造林；③开发新能源。

（3）既然物质是循环的，为什么人们还不断向农田中施加氮肥？

提示：

物质在生物圈范围内是循环的，农田中不断有粮食产出，所以要不断施加氮肥。

[题组冲关]

5．关于水循环的叙述，不正确的是（　　）

A．水在陆地、海洋和大气之间不断循环

B．降水和蒸发是水循环中的两个主要环节

C．水循环受太阳能、大气环流等因素的影响

D．水循环不影响其他物质的循环

解析：

选D　水能溶解其他物质，水循环在一定程度上影响着其他物质在地球上的分布。

6.右图为碳元素在生态系统中循环的模式图，图中甲、乙、丙表示生态系统的生物成分，箭头表示生理过程。

相关叙述，不正确的是（　　）

A．d过程代表光合作用，b过程代表呼吸作用

B．甲所示的营养级在食物链中占有的碳元素最多

C．碳元素在甲、乙、丙之间以有机物的形式传递

D．碳元素可在无机环境和生物群落之间反复流动

解析：

选A　丁为无机环境，甲为生产者，乙为消费者，丙为分解者；d过程为呼吸作用，b过程为光合作用；生产者所含有机物最多，占有的碳元素也最多；碳元素在生物群落内部以有机物的形式进行传递，在无机环境与生物群落间主要以CO2的形式进行传递；碳元素可以在生态系统中反复流动。

在解决有关能量传递的计算问题时，首先要确定相关的食物链，理清生物在营养级上的差别，能量传递效率为10%～20%，解题时注意题目中是否有“最多”“最少”“至少”等特殊的字眼，从而确定使用10%或20%来解题。

（1）设食物链为A→B→C→D，分情况讨论如下：

已知D营养级的能量为M，则至少需要A营养级的能量等于M÷（20%）3；最多需要A营养级的能量＝M÷（10%）3。

已知A营养级的能量为N，则D营养级获得的最多能量等于N×（20%）3；最少能量＝N×（10%）3。

（2）如果是在食物网中，同一营养级同时从上一营养级多种生物获得能量，且各途径所获得的生物量相等，则按照各单独的食物链进行计算后合并。

（3）在食物网中分析，如确定生物量变化的“最多”或“最少”时，还应遵循以下原则：

①食物链越短，最高营养级获得的能量越多；

②生物间的取食关系越简单，生态系统消耗的能量越少，如已知D营养级的能量为M，计算至少需要A营养级的能量时，应取最短食物链A→D，并以20%的效率进行传递，即等于M÷20%；计算最多需要A营养级的能量时，应取最长的食物链A→B→C→D，并以10%的效率进行传递，即等于M÷（10%）3。

（4）已知较低营养级生物的能量求解较高营养级生物的能量时，若求解“最多”值，则说明较低营养级的能量按“最高”效率传递；若求解“最（至）少”值，则说明较低营养级生物的能量按“最低”效率传递。

具体规律如下：

生产者

消费者

[题组冲关]

1.右图所示为某生态系统中的食物网简图，若E种群中的总能量为5.8×109kJ，B种群的总能量为1.6×108kJ，从理论上分析，A种群获得的总能量最多是（　　）

A．2.0×108kJ　　　　　B．2.32×108kJ

C．4.2×108kJD．2.26×108kJ

解析：

选A　从图中可以看出，E的能量传递有三条途径，但只有两条途径能传递到A。

所以C和D获得的总能量为（5.8×109－1.6×108÷20%）×20%＝1×109kJ，所以A获得的总能量最多为1×109×20%＝2.0×108kJ。

2．某同学绘制了如下图所示的能量流动图解，下列叙述不正确的是（　　）

A．生产者固定的总能量可表示为（A1＋B1＋C1＋A2＋B2＋C2＋D2）

B．由生产者到初级消费者的能量传递效率为D1/W1

C．初级消费者摄入的能量为（A2＋B2＋C2＋D2）

D．W1＞D1＋D2

解析：

选C　由图可知，W1为生产者固定的太阳能，W1＝A1＋B1＋C1＋D1；D1为初级消费者同化的能量，D1＝A2＋B2＋C2＋D2；由于细胞呼吸消耗部分能量，所以W1＞D1＋D2。

3.在右图所示的食物网中，a表示动物性食物所占比例，若鸟要使体重增加x，至少需要生产者的量为y，那么x与y的关系可表示为（　　）

A．y≥90xa＋10xB．y≤20xa＋5x

C．y≥20xa＋5xD．y≥100xa＋10x

解析：

选C　根据能量传递效率为10%～20%，如果能量传递效率为20%，则y为xa/（20%）2＋x（1－a）/20%＝20xa＋5x；如果能量传递效率为10%，则y为xa/（10%）2＋x（1－a）/10%＝90xa＋10x；所以20xa＋5x≤y≤90xa＋10x。

4.右图食物网中，假如猫头鹰的食物有2/5来自兔，2/5来自鼠，1/5来自蛇，能量传递效率按10%计算，那么，猫头鹰若要增加5g体重需要消耗的植物是（　　）

A．900B．1400

C．1200D．1600

解析：

选B　在植物、鼠、兔、猫头鹰食物网中，猫头鹰属第三营养级，可把此食物链简化为一条，即植物―→兔（鼠）

猫头鹰，则消耗植物5×4/5÷10%÷10%＝400g；另一条食物链中猫头鹰为第四营养级，则消耗植物为5×1/5÷10%÷10%÷10%＝1000g，所以总共消耗植物为1400g。

5.对右图所示的一个食物网（能量传递效率按10%计算），相关叙述正确的是（　　）

A．昆虫属于第一营养级，鸟属于第二营养级

B．该食物网中初级消费者只有昆虫，次级消费者只有鸟

C．在鸟类的食物构成中，若动物性食物和植物性食物各占一半，则鸟类增加能量a时，生产者提供的能量为50a

D．若绿色植物固定的太阳能总量为M，昆虫获得的总能量为m1，鸟类获得的总能量为m2，则必有M＞m1＋m2　

解析：

选D　由图可知该食物网有两条食物链：

①植物→鸟，②植物→昆虫→鸟。

昆虫处在第二营养级，鸟占有第二、三两个营养级；若鸟类能量增加a时，由题意①中消耗植物的能量为0.5a÷10%＝5a，②中消耗植物的能量为0.5a÷10%÷10%＝50a，即共需生产者提供5a＋50a＝55a的能量；绿色植物所固定的太阳能M是系统所获得的总能量，必有M＞m1＋m2。

6．有一食物网如下图所示。

如果能量传递效率为10%，各条食物链传递到庚的能量相等，则庚增加1kJ的能量，丙最少含多少能量（　　）

A．550kJB．500kJ

C．400kJD．100kJ

解析：

选A　设丙的能量为x，根据题意，经丙→丁→己→庚传递到庚的能量为0.5kJ，则需要丙0.5÷（10%）3＝500（kJ），经丙→戌→庚传递到庚的能量为0.5kJ，则需要丙0.5÷（10%）2＝50（kJ），即丙最少含有500＋50＝550（kJ）的能量。

一、选择题

1．生态系统能量流动主要是研究系统内各营养级及之间的（　　）

①能量输入　②能量传递　③能量转化　④能量散失

A．①②③　　　　　　　B．①②④

C．①③④D．①②③④

解析：

选D　生态系统的能量流动是系统内各种群的能量输入、能量转化和能量散失，以及种群间的能量传递过程。

2．生态系统中，能量形式转变的顺序是（　　）

A．光能→化学能→热能B．热能→光能→化学能

C．化学能→光能→热能D．光能→热能→化学能

解析：

选A　生态系统中的能量流动应从生产者固定太阳能开始，将光能转化为有机物中的化学能，然后依次再被各级消费者利用，最终以热能的形式散失于无机环境中。

3．在“水藻→小鱼→大鱼”组成的食物链中，小鱼不会吃大鱼，但大鱼可以吃小鱼，该食物链的不可逆性，说明在一个生态系统中（　　）

A．物质循环是单向的B．能量流动是单向的

C．碳循环是单向的D．水循环是单向的

解析：

选B　在一条食物链中，大鱼吃小鱼，即意味着能量由一个营养级流向下一个营养级，这种流动方向是不可逆的，说明能量流动是单向的。

4．下图为某生态系统的能量流动过程，下列叙述错误的是（　　）

A．该生态系统中食草昆虫属于初级消费者

B．该生态系统中能量的最终来源是太阳光能

C．该生态系统中的能量在传递过程中是逐级递减的

D．该生态系统中的第一营养级是太阳能

解析：

选D　该生态系统中的第一营养级是水稻等植物。

5．a→b→c→d是某生态系统的一条食物链，测得a、b、c、d四种生物所含能量分别为m1、m2、m3、m4。

对这一食物链中能量流动的叙述，错误的是（　　）

A．a所固定的太阳能为流入食物链的总能量

B．m1、m2、m3、m4之和为该食物链的总能量

C．四种生物所含能量的关系是a＞b＞c＞d

D．四种生物呼吸所消耗的能量的关系是a＞b＞c＞d

解析：

选B　流经该生态系统的总能量是生产者a固定的太阳能总量。

由于能量流动逐级递减，所以a、b、c、d同化的能量越来越少，其呼吸作用释放的能量也是逐级递减的。

6．大象是植食性动物，有一种蜣螂则专以象粪为食。

设大象在某段时间所同化的能量为107kJ，则这部分能量可流入蜣螂体内的约为（　　）

A．0kJB．106kJ

C．2×106kJD．106～2×106kJ

解析：

选A　象粪中的能量，是大象取食植物后未消化的能量，属于生产者的同化能量的一部分，而大象同化的能量没有流入蜣螂体内。

7.右面是自然界碳循环的简图，对图中甲、乙、丙的分析正确的是（　　）

A．甲为生产者，乙为分解者，丙为消费者

B．甲为消费者，乙为分解者，丙为生产者

C．甲为分解者，乙为生产者，丙为消费者

D．甲为生产者，乙为消费者，丙为分解者

解析：

选A　无机环境中的碳进入哪一营养级，哪一营养级即是生产者，则甲为生产者；生产者、消费者均有所指向的那一类生物应为分解者，则乙为分解者，丙为消费者；且分解者、生产者、消费者均有指向无机环境的箭头，即它们通过呼吸作用产生CO2。

8．下列关于生态系统能量流动和物质循环的关系的叙述，不正确的是（　　）

A．二者是密切联系的两个过程

B．在能量流动过程中，物质是能量的载体

C．能量是物质循环的动力

D．从能量流动和物质循环的角度来看，生态系统是一个自给自足的系统

解析：

选D　组成生物体的各种元素不断进行着从无机环境到生物群落，再回到无机环境的循环，循环的动力来自能量，而物质又是能量的载体，以保证能量从一种形式转变为另一种形式；在全球范围（生物圈）内，物质是循环的，但能量是不循环的。

生态系统的物质可以自给自足，但能量需来自系统外。

9．图示某生态系统中，四种