資源簡介

生物選擇性必修2 生物與環境【教學設計】
第2節　生態系統的能量流動
[學習目標]
1.通過分析生態系統中能量在生物群落中單向流動并逐級遞減的規律,培養物質與能量觀等生命觀念、歸納與概括等科學思維。
2.通過舉例說明利用能量流動規律,人們能夠更加科學、有效地利用生態系統中的資源,培養關注生物學社會性議題的社會責任感。
3.通過解釋生態金字塔表征了食物網各營養級之間在個體數量、生物量和能量方面的關系,培養建模的科學思維。
4.通過調查生態系統的能量流動,培養觀察提問、團隊合作、交流討論等科學探究素養。
【課件自主預習】
一、生態系統能量流動的概念和過程
1.能量流動的概念:是指生態系統中能量的輸入、傳遞、轉化和散失的過程。
2.能量流經第一營養級的過程(以綠色植物為例)
(1)能量輸入:生態系統中的生產者通過光合作用把太陽能轉化為化學能,固定在它們所制造的有機物中。
(2)能量去向
①在生產者的呼吸作用中以熱能的形式散失。
②用于生產者的生長、發育和繁殖等生命活動,儲存在植物體的有機物中。構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;另一部分被初級消費者攝入體內,這樣,能量就流入了第二營養級。
3.能量流經第二營養級的過程
(1)能量輸入:初級消費者同化生產者的能量。
(2)能量去向
①在初級消費者的呼吸作用中以熱能的形式散失。
②用于初級消費者的生長、發育和繁殖等生命活動,儲存在初級消費者的有機物中。構成初級消費者的有機物中的能量,一部分以遺體殘骸的形式被分解者利用;另一部分被次級消費者攝入體內,這樣,能量就流入了第三營養級。
(3)圖解
4.能量在不同營養級間變化情況
能量在第三、第四營養級的變化,與第二營養級的情況大致相同。
5.生態系統能量流動的示意圖(教材P55圖36)
由圖可以看出:生產者及各級消費者能量流動相同的三個去向是:通過呼吸作用以熱能的形式散失,被下一營養級同化,被分解者利用。
二、能量流動的特點和生態金字塔
1.能量流動的特點
2.能量的輸入
任何生態系統都需要不斷得到來自系統外的能量補充,以便維持生態系統的正常功能。
3.生態金字塔:包括能量金字塔、生物量金字塔和數量金字塔
(1)能量金字塔:將單位時間內各營養級所得到的能量數值轉換為相應面積(或體積)的圖形,并將圖形按照營養級的次序排列,可形成一個金字塔圖形。
(2)生物量金字塔:將單位時間內各營養級的生物量(每個營養級所能容納的有機物的總干重)數值轉換為相應面積(或體積)的圖形,并將圖形按照營養級的次序排列,可形成一個金字塔圖形。
(3)數量金字塔:將單位時間內各營養級生物個體的數目轉換為相應面積(或體積)的圖形,并將圖形按照營養級的次序排列,可形成一個金字塔圖形。
(4)能量金字塔通常都是上窄下寬的金字塔形;生物量和數量金字塔大多是上窄下寬的金字塔形。
三、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,增大流入某個生態系統的總能量。
2.幫助人們科學地規劃和設計人工生態系統,使能量得到最有效的利用。
3.幫助人們合理地調整生態系統中的能量流動關系,使能量持續高效地流向對人類最有益的部分。
【預習檢測】
1.判斷下面有關生態系統能量流動過程說法的正誤。
(1)生態系統的能量流動指能量的輸入和散失過程。(　×　)
(2)散失的熱能不可以被生產者固定再次進入生態系統。(　√　)
(3)流經生態系統的總能量是照射在生產者上的太陽能。(　×　)
(4)初級消費者糞便中的能量屬于生產者同化的能量。(　√　)
(5)初級消費者攝入的能量全部轉化為自身的能量,儲存在有機物中。(　×　)
2.判斷下面有關生態系統能量流動特點和意義說法的正誤。
(1)生態系統的能量流動是逐級遞減的,原因是一個營養級同化的能量只有一部分流入下一個營養級。(　√　)
(2)生態系統的能量流動是單向的,原因是一個營養級呼吸散失的能量不能被生產者再同化,以及捕食關系是不可逆的。(　√　)
(3)能量金字塔和生物量金字塔均可以出現倒置現象。(　×　)
(4)拔去田地中的雜草是人為地調整能量流動的方向,提高生態系統的能量傳遞效率。(　×　)
(5)相鄰兩個營養級的能量傳遞效率不會小于10%,也不會大于20%。(　×　)
(6)沼渣、沼液作為肥料還田,使能量能夠循環利用。(　×　)
【課堂互動探究】
探究點一　能量流動的過程
[活動] 閱讀教材P55能量流動的過程相關文字及圖35和圖36。
(1)據圖分析下列問題。
①a、b、c、d、e、f之間具有怎樣的等量關系
提示:a=b+c;b=d+e+f。
②第一營養級中未被利用能量的最終去向是什么
提示:死亡后被分解者吸收利用,通過分解者的呼吸作用散失。
(2)結合教材圖35和36,分析回答下列問題。
①被初級消費者攝入的能量(攝入量)全部被初級消費者同化(同化量)了嗎
提示:沒有。初級消費者攝入生產者后要排出糞便。糞便中有機物的能量(糞便量)最終流向了分解者。即攝入量=同化量+糞便量。
②初級消費者糞便中的能量是其同化量的一部分嗎 為什么
提示:不是。初級消費者糞便中的能量不屬于其同化的能量,而是屬于生產者所同化的能量。
③流入初級消費者體內的能量(同化量)有何用途
提示:初級消費者在呼吸作用中以熱能的形式散失;初級消費者進行生長、發育和繁殖等生命活動。
④流入初級消費者體內的能量(同化量)最終去向有哪些
提示:呼吸作用散失的熱能、第三營養級同化的能量、分解者利用的能量。
⑤能量流動的渠道是什么
提示:食物鏈和食物網。
⑥對每個營養級來說,能量流動的各個過程之間有何關系(不包括最高營養級)
提示:流入能量=呼吸作用散失的熱能+下一營養級同化的能量+分解者利用的能量。
⑦流入生物群落的能量,最終通過什么途徑離開生物群落
提示:通過生物(各個營養級和分解者)的呼吸作用以熱能形式散失。
[深度思考] 某營養級能量來源就是同化上一營養級的能量的說法是否正確 為什么
提示:不正確。自然生態系統:生產者的能量主要來自固定的太陽能,消費者的能量來自同化上一營養級的能量。人工生態系統:消費者的能量來自同化上一營養級的能量和人工輸入的能量。
[歸納總結] 流入某一營養級能量的來源和去路(以自然生態系統
為例)
(2)能量去向:流入某一營養級(最高營養級除外)的能量去向可從以下兩個角度分析
①能量的最終去路
②某段時間內的能量去路
[應用] 假設某生態系統中有a、b、c、d四個種群,構成食物鏈a→b→c,d為分解者,如圖是該生態系統中能量流入b處發生的一系列變化示意圖,下列說法錯誤的是(　C　)
A.圖中的甲表示b的同化量,乙表示b用于生長、發育和繁殖的能量
B.參與丁過程的都是異養型生物,主要包括營腐生的細菌、真菌等
C.當生態系統處于相對穩定狀態時,b的種群數量一般處于K/2
D.圖中d的能量不全部來自b生物
解析:b攝入量為其同化量(甲)和糞便量之和,其同化量一部分用于呼吸消耗,一部分用于自身的生長、發育和繁殖(乙);丁過程為分解者的分解作用,分解者主要是營腐生生活的細菌、真菌等,都是異養型生物;當生態系統處于相對穩定狀態時,b種群數量一般達到環境容納量,即處于K值;d的能量可來自b的糞便,而此部分屬于上一營養級a同化的能量。
探究點二　能量流動的特點
[情境1] 閱讀教材P56“思考·討論”,分析賽達伯格湖的能量流動情況。
[思考] (1)對于每一個營養級來講,輸入和輸出的能量是否相等 為什么
提示:不相等。因為每個營養級中都有未被利用的能量。
(2)從第一營養級流入第二營養級的能量,占第一營養級所固定能量的百分比是多少
提示:由圖可知,流經該生態系統的總能量為464.6 J/(cm2·a),第二營養級的同化量為62.8 J/(cm2·a),因此占第一營養級所固定能量的百分比為62.8÷464.6×100%≈13.5%。
(3)流入某個營養級的能量,為什么不能百分之百地流向下一個營養級
提示:各營養級生物體內大部分能量被呼吸作用消耗;其次是上個營養級的部分能量未被下一個營養級利用;還有少數能量被分解者利用。
[應用] 下圖是麻風樹樹林中兩個營養級的能量流動圖解,已知麻風樹的同化的總能量為a,其中字母代表了能量,則下列敘述不正確的是(　A　)
A.從麻風樹輸入下一營養級的能量傳遞效率為a′/a×100%
B.c是第二營養級用于生長、發育和繁殖的能量
C.d是指第二營養級呼吸作用消耗的能量
D.a′到e的箭頭中含有的能量屬于生產者同化的能量
解析:根據題意和圖示分析可知,該圖只包括兩個營養級,麻風樹是第一營養級,則a′只能代表第二營養級的攝入量,b代表第二營養級的同化量,d代表第二營養級用于呼吸作用消耗的能量,c是指第二營養級用于生長、發育和繁殖的能量,e則是流入分解者的能量。被消費者同化的能量是b,所以從麻風樹流入下一營養級的能量傳遞效率為b/a×100%;c=同化量b-呼吸消耗的能量d,為第二營養級用于生長、發育和繁殖的能量;a′到e的能量來自a′的糞便,a′的糞便中的能量屬于上一個營養級生產者同化的能量。
[情境2] 閱讀教材P57～P58生態金字塔內容。
[思考] 比較能量金字塔、數量金字塔和生物量金字塔。
類型 能量金字塔 數量金字塔 生物量金字塔
形狀
特點 正金字塔形 一般為正金字塔形 一般為正金字塔形
象征 含義 能量沿食物鏈流動過程中具有逐級遞減的特性 一般生物個體數目在食物鏈中隨營養級升高而逐級遞減 一般生物有機物的總干重隨食物鏈中營養級升高而逐級遞減
每一 階含 義　 每一營養級生物所含能量的多少 每一營養級生物個體的數量 每一營養級生物的有機物總干重
[歸納總結] 生態系統中能量流動特點的原因
單向流動原因:食物鏈中的捕食關系不能逆轉;熱能不能再次被固定。
逐級遞減原因:每個營養級都有能量通過呼吸作用散失;每個營養級都有能量被分解者利用。
[應用] (不定項選擇)如圖是某同學繪制的生態系統能量金字塔,其中a～d代表能量值。下列相關敘述正確的是(　BC　)
A.圖中所示的各種生物成分組成一條食物鏈
B.次級消費者、三級消費者分別屬于第三、第四營養級
C.能量c可代表生產者呼吸釋放的熱能及流向分解者的能量
D.在生態系統中,b的值不可能超過d的10倍
解析:題圖中各營養級的生物不是一種,所以圖示的各種生物可以構成多條食物鏈;次級消費者、三級消費者分別屬于第三、第四營養級;圖中c表示呼吸作用散失的能量及流向分解者的能量;在生態系統中,能量傳遞效率一般在10%～20%之間,但也會有特例,即b的值可能會超過d的10倍。
探究點三　生態系統的能量流動過程中的相關計算
[情境] 分析下圖食物網,進行相關計算。
[思考] (1)如果A增重1 kg,C最多增重多少千克,最少增重多少千克
提示:①C增重最多,按最短食物鏈,最高傳遞效率計算:
1 kg×20%×20%=1/25 kg。
②C增重最少,按最長食物鏈,最低傳遞效率計算:
1 kg×10%×10%×10%×10%=1/10 000 kg。
(2)如果C增重1 kg,至少需消耗A多少千克,最多需消耗A多少千克
提示:①消耗A最少,按最短食物鏈、最高傳遞效率:1 kg÷20%÷20%=25 kg。
②消耗A最多,按最長食物鏈、最低傳遞效率:
1 kg÷10%÷10%÷10%÷10%=10 000 kg。
(3)如果C從B、F中獲得的能量比為3∶1,C增重1 kg,則最少需要消耗A多少千克
提示:消耗A最少,按最高傳遞效率計算,沿食物鏈A→B→C逆推:3/4 kg÷20%÷20%=75/4 kg;沿食物鏈A→D→E→F→C逆推:1/4 kg÷20%÷20%÷20%÷20%=625/4 kg。所以最少需要消耗A為75/4 kg+625/4 kg=175 kg。
(4)如果C取食B、F的能量比例關系由1∶1變為1∶2,當C增重1 kg,傳遞效率為10%時,所需要A的能量是改變前的約多少倍
提示:①當比例關系為1∶1時,當C增重1 kg,C從B獲得1/2 kg,沿食物鏈A→B→C計算:1/2 kg÷10%÷10%=50 kg;C從F獲得1/2 kg,沿食物鏈A→D→E→F→C計算:1/2 kg÷10%÷10%÷10%÷10%=5 000 kg。
A總量為50 kg+5 000 kg=5 050 kg。
②當比例關系變為1∶2后,當C增重1 kg時,C從B獲得1/3 kg,沿食物鏈A→B→C計算:1/3 kg÷10%÷10%=100/3 kg;C從F獲得2/3 kg,沿食物鏈A→D→E→F→C計算:2/3 kg÷10%÷10%÷10%÷10%=
20 000/3 kg。
A總量為100/3 kg+20 000/3 kg=6 700 kg。
所以所需要A的能量是改變前的6 700 kg÷
5 050 kg≈1.33倍。
[深度思考] 具有人工能量輸入的能量傳遞效率如何計算
提示:人工輸入到某一營養級的能量是該營養級同化量的一部分,但卻不是從上一營養級流入的能量。如求第二營養級到第三營養級傳遞效率時,應為第三營養級從第二營養級同化的能量(不包括人工輸入到第三營養級的能量)/第二營養級的同化量(包括人工輸入到第二營養級的能量)×100%。
[歸納總結] 能量流動的相關計算
(1)能量傳遞效率的相關“最值”計算
①食物鏈越短,最高營養級獲得的能量越多。
②生物間的取食關系越簡單,生態系統的能量流動過程中消耗的能量越少。具體計算方法如下:
(2)能量傳遞效率的有關“定值”計算
①已確定營養級間能量傳遞效率的,不能按“最值”法計算,而需按具體數值計算。例如,在食物鏈A→B→C→D中,能量傳遞效率分別為a%、b%、c%,若A的能量為M,則D獲得的能量為M×a%×b%×c%。
②如果是在食物網中,某一營養級同時從上一營養級多種生物獲得能量,且各途徑所獲得的能量比例確定,則按照各單獨的食物鏈進行計算后合并。
[應用]
某生態系統中存在如圖所示的食物網,如將C的食物比例由A∶B=1∶1調整為A∶B=2∶1,其他條件不變,相鄰兩個營養級之間的能量傳遞效率按10%計算,該生態系統能承載C的數量是原來的(　B　)
A.1.875倍 B.1.375倍
C.1.273倍 D.0.575
解析:當C的食物比例為A∶B=1∶1時,設C獲得的能量為x,則需要A的能量為x÷10%+x÷10%÷10%=55x;當C的食物比例A∶B調整為2∶1時,設C獲得的能量為y,需要A的能量為y÷10%+y÷10%÷10%=40y。兩種情況下,生產者的數量是一定的,所以55x=40y,則y=1.375x,即該生態系統能承載C的數量是原來的1.375倍。
課堂小結
完善概念圖 記憶節節清
1.生態系統的能量流動:生態系統中能量的輸入、傳遞、轉化和散失的過程。 2.一個營養級的同化量:自身呼吸散失、流向下一個營養級(最高營養級除外)、被分解者利用和未被利用的能量。 3.能量流動的途徑:食物鏈(食物網)。 4.能量轉換:光能→化學能→熱能。 5.能量流動特點:單向流動、逐級遞減。
隨堂反饋
1.判斷下列關于生態系統能量流動的說法是否正確。
(1)生態金字塔可采用生物量單位,能量單位和個體數量單位,生態金字塔必然呈正金字塔形。(　×　)
(2)每一個營養級的同化量都是自身呼吸散失+流向下一個營養級+被分解者利用+未被利用的能量。(　×　)
(3)相鄰兩個營養級的能量傳遞效率可以小于10%,也可以大于20%。(　√　)
(4)研究能量流動,可合理設計人工生態系統,提高能量的利用率。(　√　)
2.下列有關生態系統能量流動的敘述中,錯誤的是(　C　)
A.能量流動是單向的,不可逆轉的
B.食物鏈越短,可供最高營養級消費的能量越多
C.初級消費者越多,次級消費者獲得的能量越少
D.營養級越多,散失的能量越多
解析:由于相鄰兩個營養級之間的能量傳遞效率為10%～20%,所以初級消費者越多,次級消費者獲得的能量也越多。
3.如圖所示的食物網中,戊的食物有1/2來自乙,1/4來自丙,1/4來自丁,且能量從生產者到消費者的傳遞效率為10%,從消費者到消費者的能量傳遞效率為20%。若戊體重增加20 g,需要消耗植物(　C　)
A.1 125 g B.1 600 g
C.2 000 g D.6 500 g
解析:甲為生產者,戊所在食物鏈共有以下三條:①甲→乙→戊,戊增加20 g×1/2=10 g,需要乙10 g×5=50 g,需要甲50 g×10=500 g;②甲→丙→戊,戊增加20 g×1/4=5 g,需要丙5×5 g=25 g,需要甲25 g×10=250 g;③甲→丙→丁→戊,戊增加20 g×1/4=5 g,需要丁5×5 g=25 g,需要丙25 g×5=125 g,需要甲125 g×10=1 250 g,故共需要甲500 g+250 g+1 250 g=2 000 g。
4.(不定項選擇)為提高農業產量,農民采取了如下手段,某同學根據能量流動的特點進行分析,其中敘述正確的是(　BC　)
①人工除草　②使用農藥消滅害蟲　③溫室種植時,適當降低夜間溫度　④對農作物施肥
A.①是為了減少營養級,從而降低能量傳遞過程中能量的損失
B.②是為了使能量盡可能多地流向對人類最有益的部分
C.③是為了減少農田生態系統的能量消耗
D.④是為農田生態系統額外補充能量,從而提高農業產量
解析:①人工除草,②使用農藥消滅害蟲,都是調整能量流動的方向,使能量能夠持續高效地流向對人類最有益的部分;③溫室種植時,適當降低夜間溫度,降低呼吸作用強度,可以減少有機物的消耗;④對農作物施肥是補充營養物質,而不是補充能量。
5.若某生態系統中只具有三個營養級,且處于相對穩定狀態。如圖表示該生態系統的能量流動的關系圖,a、b、c、d等表示不同的生理過程和相應的能量數值。請據圖回答下列相關問題:
(1)從生態系統的營養級上分析,圖中的A屬于　　　　　　。
(2)圖中a1表示生產者固定的能量,a2表示初級消費者　　　　的能量,初級消費者用于生長、發育和繁殖的能量可用代數式　　　　　表示。
(3)圖中表示呼吸作用過程的是　　　　(填圖中標號)。a3的大小最多相當于a1大小的　　　　%。
解析:(1)圖中A能利用大氣中CO2和太陽能,應該是生產者,從生態系統的營養級上分析,生產者屬于第一營養級。
(2)分析題圖可知,a2可表示初級消費者的同化量,b2可表示初級消費者呼吸散失的能量,c2可表示初級消費者流向分解者的能量,a3可表示次級消費者同化的能量,b3可表示次級消費者呼吸散失的能量,c3可表示次級消費者流向分解者的能量;同化量-呼吸散失的能量=用于生長、發育和繁殖的能量=流向下一營養級的能量+流向分解者的能量,又因為該生態系統中只有三個營養級,所以C同化的能量最終通過呼吸作用散失和流向分解者,則初級消費者用于生長、發育和繁殖的能量可表示為a2-b2(或a3+c2或b3+c3+c2)。
(3)圖中b1可表示生產者呼吸作用過程,b2可表示初級消費者呼吸作用過程,b3可表示次級消費者呼吸作用過程,d可表示分解者呼吸作用過程;求a3的最大值,能量傳遞效率應按20%計算,故a3=a1×20%×20%=4%a1,a3的大小最多相當于a1大小的4%。
答案:(1)第一營養級　(2)同化　a2-b2(或a3+c2或b3+c3+c2)　(3)b1、b2、b3、d　4

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