步步高大一轮复习讲义第九单元 第34讲生态系统的能量流动和物质循环免费下载.docx

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第34讲　生态系统的能量流动和物质循环

[考纲要求]　生态系统中的物质循环和能量流动的基本规律及其应用（Ⅱ）。

一、能量流动的过程

1．概念理解

—

　⇓

—

　⇓

—太阳能→有机物中的化学能→热能

　⇓

—

2．过程图解

[判一判]

1．生态系统的能量流动指能量的输入和散失过程（　×　）

提示　还包括传递和转化过程。

2．流经生态系统的总能量是照射在生产者上的太阳能（　×　）

提示　是生产者固定的太阳能或化学能。

3．散失的热能可以被生产者固定再次进入生态系统（　×　）

提示　生产者只能利用太阳能或化学能（化能合成作用），不能利用热能。

4．流经第二营养级的总能量指次级消费者摄入到体内的能量（　×　）

提示　初级消费者同化的能量。

二、能量流动的特点及意义

1．能量传递效率：

是指相邻两个营养级之间同化量的比值。

2．能量流动的特点：

单向流动、逐级递减。

3．研究意义

（1）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。

（2）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。

[解惑]　相邻两营养级之间能量传递效率只有10%～20%，因此食物链中营养级一般不超过4～5个。

[判一判]

1．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%（　×　）

2．能量金字塔可以出现倒置现象（　×　）

3．研究能量流动，可合理设计人工生态系统，提高能量的传递效率（　×　）

三、物质循环

1．概念

（1）物质：

组成生物体的化学元素，如C、H、O、N、P、S等。

（2）循环范围：

生物群落和无机环境之间。

（3）循环特点：

具有全球性。

2．碳循环

（1）循环形式

①无机环境与生物群落之间：

CO2。

②生物群落内：

以有机物形式沿食物链和食物网传递。

（2）图解

[解惑]　生态系统物质循环的物质是指组成生物体的基本元素，而非其组成的化合物；在循环过程中伴随着复杂的物质和能量的转化。

考点一　分析生态系统的能量流动

1．观察下面的能量流动过程图解，回答相关问题。

（1）能量的来源：

太阳能。

（2）起点：

从生产者固定太阳能开始。

（3）流经生态系统的总能量：

生产者通过光合作用所固定的全部太阳能。

（4）渠道：

食物链和食物网。

（5）能量转化：

太阳能→有机物中的化学能→热能（最终散失）。

（6）流动形式：

有机物中的化学能。

（7）散失途径：

呼吸作用，包括各个营养级自身的呼吸消耗以及分解者的呼吸作用。

（8）能量散失的形式：

以热能形式散失。

2．观察下图能量在营养级之间流动过程图解，回答相关问题。

（1）摄入量、同化量、粪便量三者之间的关系是摄入量＝同化量＋粪便量。

（2）在各营养级中，能量的三个去路：

①通过呼吸作用以热能的形式散失；②被下一营养级生物利用；③被分解者利用。

（3）概括能量流动的特点

①单向流动：

能量只能沿着食物链由低营养级流向高营养级。

②逐级递减：

相邻两个营养级的能量传递效率约为10%～20%。

3．写出能量传递效率的计算公式

相邻两个营养级的传递效率＝

×100%。

易错警示　能量流动中的2个“比较”

（1）生态系统中同化量和摄入量的比较

同化量为每一营养级通过摄食并转化成自身有机物的能量，摄入量是消费者摄入的能量，同化量＝摄入量－粪便量。

消费者产生的粪便中的能量，不属于该营养级同化的能量，它实际上与上一营养级的遗体、残骸一样，属于未被利用的那部分能量。

（2）能量传递效率与能量利用效率的比较

能量传递效率：

能量在沿食物链流动的过程中，逐级减少，若以“营养级”为单位，能量在相邻两个营养级之间的传递效率约为10%～20%。

其计算公式为能量传递效率＝（下一营养级同化量/上一营养级同化量）×100%。

能量利用效率：

通常考虑的是流入人体中的能量占生产者能量的比值，或流入最高营养级的能量占生产者能量的比值，或考虑分解者的参与，以实现能量的多级利用。

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，因此食物链越短，能量利用效率越高；同时，生态系统中生物种类越多，营养结构越复杂，抵抗力稳定性越强，能量利用效率越高。

1．如图为某生态系统中能量流动图解部分示意图，①②③④各代表一定的能量值，下列各项中正确的是（　　）

A．①表示流经该生态系统内部的总能量

B．一般情况下，次级消费者增加1kg，生产者至少增加100kg

C．生物与生物之间的捕食关系一般不可逆转，所以能量流动具有单向性

D．从能量关系看②≥③＋④

答案　C

解析　①仅仅是流经该生态系统内部总能量的一部分；次级消费者增加1kg，生产者至少增加25kg；从能量关系上看，②>③＋④。

2．如图为一食物网。

若要使丙体重增加x，已知其食用的动物性食物（乙）所占比例为a，则至少需要的生产者（甲）的量为y，那么x与y的关系可表示为（　　）

A．y＝90ax＋10xB．y＝25ax＋5x

C．y＝20ax＋5xD．y＝10ax＋10x

答案　C

解析　由题干中的“至少”可知，应该按最大传递效率20%计算，a表示动物性食物（乙）所占比例，则1－a表示直接从生产者（甲）获得食物所占比例，故有（1－a）x÷20%＋ax÷20%÷20%＝y，即y＝20ax＋5x。

技法提炼

生态系统中能量传递的相关计算

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A→B→C→D，分情况讨论如下：

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

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

2．在食物网中分析：

如在A→B→C→D中，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，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。

3．在食物网中，某一营养级同时从上一营养级的多种生物按一定比例获取能量，则按照单独的食物链进行计算后再合并。

考点二　聚焦生态系统的物质循环

1．观察下面碳循环过程图，回答相关问题。

（1）碳进入生物群落的途径：

生产者的光合作用或化能合成作用。

（2）碳返回无机环境的途径

（3）分析温室效应产生的原因

①化学燃料的大量燃烧，产生CO2。

②植被破坏，降低了对大气中CO2的调节能力。

（4）概括物质循环的特点

①全球性：

物质循环的范围是生物圈。

②往复循环，重复利用：

物质可以在无机环境和生物群落之间反复利用。

2．观察下面能量流动和物质循环的关系图解，填写表格中的内容。

项目

能量流动

物质循环

形式

光能→有机物中的化学能→热能（一般形式）

以化学元素形式流动

过程

沿食物链（网）单向流动

在无机环境和生物群落间往复循环

范围

生态系统各营养级

全球性

特点

单向流动，逐级递减

反复出现，循环流动

联系

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

易错警示　与物质循环有关的2点提示

（1）物质循环的“物质”和“范围”

①参与物质循环的“物质”是指组成生物体的化学元素。

②循环的范围是生物圈，而不是具体的某一生态系统。

（2）碳循环及存在形式

①在生物群落和无机环境间：

以CO2形式循环。

②在生物群落内部：

以含碳有机物形式传递。

③在无机环境中：

主要以CO2和碳酸盐形式存在。

3．下图是生态系统中碳循环示意图，其中“→”表示碳的流动方向。

下列叙述不正确的是

（　　）

A．在碳循环过程中，同时伴随着能量流动

B．由于某种原因造成图中E生物数量大量减少，推测短期内与之相邻的两个营养级生物数量发生的变化是D增多，F减少

C．该生态系统的消费者包括图中的D、E、F、B

D．A→C过程中碳主要以CO2的形式进行循环，F→B以含碳有机物的形式进行流动

答案　C

解析　分析图形，A、B、D、E、F均有箭头指向C，则C是无机环境中的二氧化碳库。

A、C之间为双向箭头，A为生产者。

A、D、E、F均有箭头指向B，则B为分解者，D、E、F为消费者。

图示中包含的食物链为A→D→E→F，故E减少，短时间内D增多，F减少。

碳在生物群落与无机环境之间主要以CO2的形式循环，在生物群落内部是以含碳有机物的形式流动。

4．如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。

下列相关叙述中，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进行传递

D．碳元素可在无机环境和生物群落之间反复利用

答案　A

解析　丁为无机环境，甲为生产者，乙为消费者，丙为分解者；d过程代表呼吸作用，b过程代表光合作用；碳元素在生物群落内部主要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二氧化碳的形式进行传递。

技法提炼

巧辨图形判断参与碳循环的四种成分

1．图1——先根据双向箭头确定A和B应为生产者和非生物的物质和能量，不能写“无机环境”，也不能写“生物类别”，再根据A→D，确定D为分解者，剩下C为消费者。

2．图2——根据A与C之间是双向箭头判断：

A和C一个是生产者，一个是非生物的物质和能量。

根据A、B、D的碳都流向E，可进一步判断：

A是生产者，B是初级消费者，C是非生物的物质和能量，D是次级消费者，E是分解者。

3．图3——首先找出相互之间具有双向箭头的两个成分，即A和E，一个为生产者，一个是大气中的CO2库。

又因为其他各个成分都有箭头指向A，所以A为大气中的CO2库，E为生产者。

然后观察剩余的几个成分，其中其他生物部分的箭头都指向C，所以C是分解者，剩余的B、D、F则为消费者。

整个图解中，食物链是E→F→D→B。

实验十九　探究土壤中微生物的分解作用

完善该实验的探究案例

实验假设

案例1

案例2

微生物能分解落叶使之腐烂

微生物能分解淀粉

实验设计

实验组

对土壤高温处理

A杯中加入30mL土壤浸出液

对照组

对土壤不做任何处理

B杯中加入30_mL蒸馏水

自变量

土壤中是否含微生物

土壤中微生物的有无

实验现象

在相同时间内实验组落叶腐烂程度小于对照组

A

A1

不变蓝

A2

产生砖红色沉淀

B

B1

变蓝

B2

不变色

结论分析

微生物对落叶有分解作用

土壤浸出液中的微生物能分解淀粉

注　在A1、B1中加入碘液，在A2、B2中加入斐林试剂。

易错警示　对空白对照实验的理解：

空白对照指的是不对实验对象做任何处理，但是不给对照组任何处理是相对实验组而言的。

实际上对照组还是要做一定的处理，只是不加实验组的处理因素，或者说相对于实验组而言，除实验变量外，其他的处理与实验组完全相同。

空白对照能清晰地对比和衬托出实验组的变化和结果，增强说服力。

5．同学们在课外活动中发现植物的落叶在土壤里会逐渐腐烂，形成腐殖质。

他们猜测落叶的腐烂是由于土壤微生物的作用，不同生态系统的土壤微生物分解能力不同，并设计了实验进行验证。

（1）实验设计首先要遵循的是________原则和________原则。

（2）以带有同种落叶的土壤为实验材料，均分为A和B。

实验时A不做处理（自然状态）；B用塑料袋包好，放在60℃的恒温箱中灭菌1h。

B处理的目的是____________________

____________________________________________________________________________________________________________________________。

（3）

（2）中实验的自变量是________________________，因变量是____________________，无关变量是______________（至少写出两点）。

（4）如果同学们的猜测是正确的，若干天后

（2）中B组的落叶_________________________

_______________________________________________。

（5）如果同学们用带有相同量同种植物落叶的冻土苔原和热带雨林的等量土壤为实验材料，分别模拟原生态系统的无机环境条件进行C组和D组的实验，定期抽样检测样品土壤中未腐烂的落叶的含量，请根据预期结果在图中绘出相应的曲线。

答案　

（1）单一变量　对照　

（2）杀死土壤微生物，同时避免土壤理化性质的改变　（3）土壤微生物（作用）的有无　落叶的腐烂程度　土壤温度、含水量、pH、落叶的种类和大小等（合理即可）　（4）腐烂程度小于对照组　（5）如图

解析　由题意可知，该实验的目的是验证落叶的腐烂是由于土壤微生物的作用，实验的自变量是土壤中微生物的有无，因变量是落叶的腐烂程度。

为遵循生物实验设计的对照原则和单一变量原则，应尽量减少无关变量对实验的影响，如土壤温度、湿度、pH、落叶的种类和大小等。

在绘制曲线时，应注意以下几点：

①明确横坐标和纵坐标的意义，其中纵坐标为未腐烂的落叶量；②两曲线的起点相同，注意纵坐标初始值不为0；③由于微生物的分解作用，两曲线呈下降趋势，且D组下降速度较C组快；④随时间延长，微生物的数量增多，故两曲线的下降趋势是由慢到快。

序号

错因分析

正确答案

序号

错因分析

正确答案

①

不理解总能量的含义

N2

②

不清楚粪便量的来源

0

③

不清楚能量传递效率的计算方法

×100%

⑤

对种类和数量区分不清

增加各营养级生物的种类

④

不清楚自我调节能力如何进行

负反馈调节

题组一　生态系统的能量流动

1．（2012·海南卷，19）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，可以热能形式输出

D．甲、乙和分解者所储存的能量之和是输入该生态系统的总能量

答案　D

解析　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，A正确；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，B正确；能量通过光合作用固定并进入生态系统，经过生产者、消费者和分解者的呼吸作用后有一部分以热能的形式散失，C正确；输入该生态系统的总能量是生产者甲固定的太阳能总量，D不正确。

2．（2010·山东卷，6）以下表示动物利用食物的过程。

正确的分析是（　　）

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

答案　C

解析　恒温动物相对于变温动物来说，代谢强，所以呼吸代谢消耗量相对多，有机物积累少，④/③值一般低于变温动物；相邻两个营养级的能量传递效率是10%～20%，哺乳动物与其上一个营养级（食物）之间的传递效率表示为③/（①＋未获取量）；提高圈养动物的生长量应该提高③/②值，这样才能促使有机物积累；食肉哺乳动物与食草哺乳动物的③/②值无法比较。

3．（2010·江苏卷，11）有人发起“多吃素食、少吃肉食”的运动，以支援粮食短缺地区的灾民。

运用生态学知识对此的合理解释是（　　）

A．多吃肉食会增加心血管病的发病率

B．直接以低营养级的生物为食将消耗生态系统更多的能量

C．多吃肉食比多吃素食消耗的粮食总量更多

D．节省的肉食可以帮助灾民提高营养水平

答案　C

解析　从食物链中的能量流动特点来看，营养级越高，在能量流动过程中损失的能量越多。

多吃素食，是将人放在初级消费者的层次上，只经过一次能量传递，这样人获得的能量最多，消耗的粮食总量最少。

题组二　物质循环与能量流动的综合

4．（2009·重庆卷，5）如图是某森林生态系统物质和能量流向示意图，h、i、j、k表示不同用途的有机物（j是未利用部分），方框大小表示使用量，下列叙述正确的是（　　）

A．进入该生态系统的CO2量与各h产生的CO2总量相等

B．生产者i的量大于被初级消费者同化有机物的量

C．流向分解者的k可被生产者直接吸收利用

D．流经该生态系统的物质和能量可循环利用

答案　B

解析　进入该生态系统的CO2量应该包括各h产生的CO2总量和未利用部分的总和，A项错误；能量流动是逐级递减的，所以生产者i的量大于被初级消费者同化有机物的量，B项正确；能量流动是单向的，所以流向分解者的k不能被生产者直接吸收利用，C、D项错误。

5．（2012·安徽卷，30Ⅱ）某弃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，结果如下表，单位是J/（hm2·a）。

植物

田鼠

鼬

固定的

太阳能

摄入量

同化量

呼吸量

摄入量

同化量

呼吸量

2.45×1011

1.05×109

7.50×108

7.15×108

2.44×107

2.25×107

2.18×107

（1）能量从田鼠传递到鼬的效率是______。

（2）在研究能量流动时，可通过标志重捕法调查田鼠种群密度。

在1hm2范围内，第一次捕获并标记40只田鼠，第二次捕获30只，其中有标记的15只。

该种群密度是________只/hm2。

若标记的田鼠有部分被鼬捕食，则会导致种群密度估算结果__________。

（3）田鼠和鼬都是恒温动物，同化的能量只有3%～5%用于____________________，其余在呼吸作用中以热能的形式散失。

（4）鼬能够依据田鼠留下的气味去猎捕后者，田鼠同样也能够依据鼬的气味或行为躲避猎捕。

可见，信息能够__________________________________，维持生态系统的稳定。

答案　

（1）3%　

（2）80　偏高　（3）生长、发育、繁殖等生命活动　（4）调节生物的种间关系

解析　

（1）田鼠的同化量是7.50×108J/（hm2·a），鼬的同化量是2.25×107J/（hm2·a），故能量传递效率为（2.25×107）/（7.50×108）×100%＝3%。

（2）设1hm2的范围内种群数量为M，则40/M＝15/30，M＝80。

若标记的田鼠有部分被鼬捕食，即重捕个体中标记个体数减少，则估算值M偏高。

（3）某一营养级的能量，一部分用于呼吸作用（细胞呼吸），一部分用于自身的生长、发育和繁殖。

田鼠和鼬都属于恒温动物，进行呼吸作用用于维持体温需消耗大量能量，还有部分能量用于自身的生长、发育和繁殖。

（4）由题意知，通过信息传递，鼬和田鼠的数量基本稳定，可见信息传递可调节生物的种间关系，维持生态系统的稳定。

6．（2010·广东卷，26）气候变化与生态系统的碳循环密切相关。

下表为A、B两个不同时期陆地生态系统与大气环境的碳交换情况。

时期

碳吸收量（kgC·a－1）

碳释放量（kgC·a－1）

A

1.20×1014

1.20×1014

B

1.20×1014

1.26×1014

（1）生态系统碳的吸收主要是通过________作用实现的，碳的释放主要是通过________作用实现的。

（2）表中____________时期的生态系统处于稳定状态，原因是_____________________。

（3）由于过度的人工碳排放，破坏了生态系统的__________，导致大气中____________增加并引起全球气候变化。

（4）人们正在积极开发新能源以减少碳排放。

如“叶绿素太阳能电池”是模仿类囊体吸收光能的特性而制造的，类囊体吸收光能的过程发生在光合作用的________阶段；又如经改造的蓝藻能在细胞内将光合作用产生的________直接发酵转化为燃料乙醇。

答案　

（1）光合　呼吸　

（2）A　碳的吸收量等于碳的释放量　（3）碳平衡　CO2浓度　（4）光反应　有机物

解析　

（1）光合作用吸收CO2，呼吸作用释放CO2，生态系统中的碳循环主要是通过光合作用和呼吸作用实现的。

（2）生态系统中的碳吸收量等于碳释放量时，说明该生态系统处于相对稳定状态。

（3）过度的人工碳排放使得碳释放量大大超过碳吸收量，从而破坏了生态系统的稳定性。

向大气中排放大量的CO2会引起温室效应，导致全球气候变化。

（4）光合作用的光反应阶段中，对光能的吸收和转化发生在叶绿体的类囊体薄膜上。

蓝藻光合作用的产物是糖类（有机物），经酒精发酵可生成乙醇。

【组题说明】

考　点

题　号

错题统计

错因分析

能量流动

2、4、7、8、10、11

物质循环

3、6、9、12、15

能量流动与物质循环的综合

1、5、13、14

一、单项选择题

1．图中甲、乙、丙分别代表热带雨林生态系统中的三大功能类群。

下列说法正确的是（　　）

A．丙处于两个营养级，是杂食性动物

B．图中表示出了两条食物链

C．图中的箭头可以表示物质和能量的传递方向

D．乙→丙的能量传递效率为10%～20%

答案　C

解析　本题的关键词为“三大功能类群”，即生产者、消费者与分解者，分解者不属于食物链中的营养级。

据图分析，甲代表生产者，乙代表消费者，丙代表分解者。

2．在生态系统中，能量可以通过食物链在生物群落中流动。

随着营养级的升高，其获得的总能量越来越少。

下列解释错误的是（　　）

A．各营养级中总有一部分能量被分解者利用

B．各营养级中的能量一部分以热能形式散失

C．生物维持自身的生命活动消耗一部分能量

D．能量金字塔顶层的生物生命活动需要的能量少

答案　D

解析　能量在生态系统中是单向流动、逐级递减的，其原因是各营养级中总有一部分能量被分解者利用；一部分以热能形式散失；还有一部分用于维持自身的生命活动。

能量金字塔顶层的生物个体通常较大，其生命活动需要的能量相对较多。

3．若甲代表生产者，乙代表消费者，丙代表分解者，丁代表大气中的CO2库，则图中能正确表示甲、乙、丙、丁在碳循环中的关系的是（　　）

答案　B

解析　生产者从大气中吸收CO2进行光合作用，合成的有机物一部分被消费者利用，一部分被分解者利用，一部分未被