高考生物专题9生物与环境第28讲生态系统中的生产量和生物量能量流动和物质循环高三全册生物

第28讲 生态系统中的生产量和生物量
能量流动和物质循环 知识内容
考试要求 知识内容 考试要求
1．初级生产量、次级生产量
及生物量的含义
a
3.生态系统中的能量流动 c 2．生态系统中的碳循环 c
4.能量流动和物质循环的关系 c 生态系统中的生产量和生物量
1．初级生产量：指绿色植物通过光合作用所制造的有机物质或所固定的能量。

单位：g/(m 2·a)或J/(m 2
·a)(a 代表年)。

(1)生产过程的化学反应式
6CO 2＋12H 2O ――→2.8×106 J 叶绿体C 6H 12O 6＋6O 2＋6H 2O
(2)总初级生产量：包括呼吸消耗在内的全部生产量，用GP 表示。

(3)净初级生产量：在初级生产量中，有一部分是被植物的呼吸(R)消耗掉了，剩下的用于植物的生长和繁殖，用NP 表示，即NP ＝GP －R 。

净初级生产量随温度和雨量的不同有很大差异。

2．生物量：净生产量在某一调查时刻前的积累量。

(1)单位：g/m 2或J/m 2。

(2)NP ＝GP －R ⎩⎪⎨⎪⎧>0 生物量增加<0 生物量减少＝0 生物量不变
3．次级生产量：异养生物(包括消费者和分解者)等次级生产者利用现成有机物质而生产出来的有机物质。

(1)单位：g/(m 2·a)或J/(m 2·a)。

(2)生产过程：次级生产者的同化量－呼吸量，即为次级生产量。

[基础诊断]
(1)次级生产量归根结底是要依靠植物在光合作用中产生的有机物(√)
(2)凡是异养生物都是次级生产者(√)
(3)海洋的初级生产量之和虽是陆地初级生产量的1/2，但次级生产量却相当于陆地的3倍多(√)
(4)次级生产量减去呼吸量即为净次级生产量(×)
[教材热考拾遗]
(必修3 P107图6－7改编)如图表示动物利用食物的过程，下列叙述正确的是( ) A．次级生产量的食源都是初级生产量
B．次级生产量是次级生产者的同化量
C．哺乳动物的③/①值一般为10%
D．恒温动物的④/③值一般低于变温动物
解析：选D。

次级生产量的食源可以是初级生产量，也可以是上一营养级的次级生产量，A错误；在单位时间内由于动物和微生物(异养型)的生长和繁殖而增加的生物量或所贮存的能量即为次级生产量，所以次级生产量等于同化量减去呼吸量，B错误；哺乳动物与其食物之间的能量传递效率应为：③/(①＋未收获量)＝10%，C错误；与变温动物相比，恒温动物需要消耗更多的能量维持体温，所以细胞呼吸消耗的能量多，有机物的积累量(④)较少，所以恒温动物的④/③值一般低于变温动动物，D正确。

1．比较初级生产量、生物量和次级生产量
生产与呼吸消耗平衡时达到稳定状态，即所谓顶极群落的状态，如果生产量大于呼吸量，则还可以继续演替，群落的丰度还能继续上升。

换句话说顶极群落中的总生产量等于总呼吸量，初级生产者生产的能量基本全部沿食物链被各个营养级消耗，因此群落总的净生产量约为零。

[题组冲关]
1．(2017·浙江4月选考)下列关于生态系统生产量和生物量的叙述，正确的是( ) A．陆地生态系统的总初级生产量随着纬度的增加而增加
B．顶极群落的净初级生产量小于同类型的非顶极群落
C．因海洋生态系统中以捕食食物链为主而导致生物量为倒金字塔形
D．食高等植物的消费者比食单细胞藻类的消费者具有更高的次级生产量
解析：选B。

总初级生产量是绿色植物通过光合作用固定的能量，陆地生态系统的总初级生产量随着纬度的增加而减少，A错误；顶极群落是达到平衡状态的群落，群落整体的净生产量几乎为0，所以顶极群落的净生产量小于同类型的非顶极群落，B正确；海洋中的生产者主要是单细胞藻类，它们个体小、繁殖快、含纤维素少，可以整个被浮游动物吞食和消化，并迅速地转化为下一个营养级的生物量，所以生物量为正金字塔形，C错误；植食动物利用藻类的效率相当于陆地动物利用植物效率的5倍，所以植食动物具有更高的次级生产量，D错误。

2．(2020·浙江省十校联考)下列有关生物量的描述，不正确的是( )
A．生物量实际上就是净生产量在某一调查时刻前的积累量
B．构成植物体的有机物积累越多则其生物量越大
C．生物量的单位通常用g/m2或J/m2表示
D．生物量只能用于植物不能用于动物
解析：选D。

次级生产量是次级生产者(包括异养生物即消费者、分解者)的有机物质生产量，不包括生产者的生产量(初级生产量)，D错误。

生态系统中的能量流动
1．能量流动的过程
(1)能量的来源：太阳能。

(2)起点：生产者固定太阳能。

(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．能量流动特点
(1)单方向的，不可逆的。

(2)逐级递减，传递效率一般只有约10%。

3．从能量流动过程可以推知
(1)植食动物比肉食动物多。

(2)高营养级生物数量少、生物量小、能量少、价值高。

(3)一个生态系统必须不断地从外界输入能量才能维持其正常功能。

[基础诊断]
(1)流经生态系统的总能量是照射在生产者上的太阳能(×)
(2)生产者通过光合作用合成有机物时，能量就从无机环境输入到了生物群落(√)
(3)除最高营养级外，某一营养级的总能量由四个部分组成：自身呼吸消耗的能量、流向下一个营养级的能量、被分解者利用的能量和未被利用的能量(√)
(4)生态系统中生产者得到的能量必然大于消费者得到的(×)
(5)多吃肉食比多吃素食消耗的粮食总量更多(√)
(6)由于散失的热能不能被生产者再固定，且食物链中捕食与被捕食的关系不可逆转，所以生态系统的能量流动是单向的(√)
[教材热考拾遗]
(必修3 P110图6－9改编)赛达伯格湖的能量流动如下图所示。

图中数字为能量数值，单位是J/(cm2·a)。

请回答：
(1)生态系统的两大重要功能是_________________________________________________。

(2)生产者处于第________营养级，图中生产者到植食性动物的能量传递效率约为________%(保留一位小数)。

(3)据图分析，植食性动物所同化能量的去向包括：________、________、未利用和流向下一营养级。

由此可见，生态系统中能量流动的特点是___________________________。

解析：(2)生产者处于第一营养级，图中生产者到植食性动物的能量传递效率约为62.8÷464.6×100%≈13.5%。

(3)植食性动物所同化能量的去向有：呼吸消耗；流向分解者；流向下一营养级；未利用。

能量流动的特点是单向流动、逐级递减。

答案：(1)物质循环和能量流动
(2)一13.5
(3)呼吸作用分解者利用(与前一空位置可颠倒)
单向流动、逐级递减
考法1 能量流动的过程分析
(1)光能射入量＝生产者固定量＋反射量。

(2)生产者同化量＝流经生态系统总能量≠各营养级同化量总和。

(3)动物同化的能量不等于摄入的能量：动物同化的能量＝摄入量－粪便中有机物中的能量，即摄入的食物只有部分被同化。

(4)粪便量属于上一营养级的同化量。

消费者产生的粪便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，属于上一营养级的未被利用的部分。

例如蜣螂利用大象的粪便获得能量，就不能说蜣螂获得了大象的能量。

因混淆“摄入量”与“同化量”“粪便中的能量”
与“尿液中的能量”而出错
(1)摄入量≠同化量：摄入量－粪便中能量才是同化量，动物的粪便不曾被动物消化吸收而同化，不属于同化量，如兔吃草时，兔粪便中的能量应为草流向分解者的能量，而不属于兔同化量。

(2)粪便中的能量≠尿液中的能量：粪便中的能量不属于动物同化量，但尿液中尿素所含能量应属于动物同化量的一部分。

[题组冲关]
1．(2020·浙江1月选考)下列关于生态系统能量流动的叙述，正确的是( )
A．营养级数量越多，相邻营养级之间的能量传递效率就越低
B．呼吸消耗量在同化量中所占比例越少，生物量增加就越多
C．生产者的净初级生产量越大，各级消费者的体型就越大
D．营养级所处的位置越高，该营养级所具有的总能量就越多
答案：B
2．如图为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表示流经生态系统内部的总能量
B．次级消费者粪便中的能量属于①中的部分能量
C．④是指第二营养级遗体残骸中蕴含的能量
D．一般情况下，③＋④之和约为②的10%
解析：选B。

生产者的同化量是流经生态系统的总能量，①是初级消费者的同化量；次级消费者粪便中的能量来自初级消费者，属于初级消费者同化量的一部分；次级消费者是第
三营养级，④是其遗体残骸中蕴含的能量；一般情况下，两个营养级之间的同化量之比是能量传递效率，③/②约为10%。

考法2 流入某一营养级的能量来源和去路
(1)能量来源⎩
⎪⎨⎪⎧生产者的能量主要来自太阳能消费者的能量来自上一营养级同化的能量 (2)能量去向：流入某一营养级(最高营养级除外)的能量去向可以从以下两个角度分析
①定量不定时(能量的最终去处)⎩⎪⎨⎪⎧a.自身呼吸消耗b.流入下一营养级c.被分解者分解利用
这一定量的能量不管如何传递，最终都以热能形式从生物群落中散失，生产者源源不断地固定太阳能，才能保证生态系统能量流动的正常进行。

②定量定时⎩⎪⎨⎪⎧a.自身呼吸消耗
b.流入下一营养级
c.被分解者分解利用
d.未被自身呼吸消耗， 也未被下一营养级 和分解者利用，即“未利用”
如果是以年为单位研究，未被利用的能量将保留到下一年。

利用“拼图法”巧解能量流动
输入第一营养级的能量(W 1)，即生产者的同化量被分为两部分：一部分在生产者的呼吸作用中以热能的形式散失(A 1)，一部分则用于生产者的生长、发育和繁殖(B 1＋C 1＋D 1)。

后一部分能量中包括现存的植物体B 1、流向分解者的C 1、流向下一营养级的D 1。

[题组冲关]
3．(2020·浙江杭州高三模拟)下列有关生态系统的能量及其生态学原理运用的叙述，正确的是( )
A ．最高营养级生物所同化的能量不会再提供给其他生物
B ．分解者可以通过分解消费者的粪便，从而获得该消费者所同化的能量
C ．为提高作物的产量，可多给作物施用有机肥，实现能量的循环利用
D ．可通过增加食物链提高人工生态系统的稳定性，以减少病虫害
解析：选D 。

最高营养级生物所同化的能量可被分解者获取，A 错误；消费者的粪便中含有的能量属于上一营养级的生物，不属于消费者的同化量，B 错误；为提高作物的产量，
可多给作物施用有机肥，实现物质的循环利用，生态系统的能量流动不能循环，C 错误；可通过增加食物链提高人工生态系统的稳定性，以减少病虫害，D 正确。

4．下图为“桑基鱼塘”农业生态系统的能量流动图解，据图分析，下列叙述错误的是
( )
A ．图中用于桑树生长、发育、繁殖的能量是C
B ．图中未利用的能量是指蚕粪便中的能量
C ．桑树与蚕之间的能量传递效率可以用(E ＋F ＋G ＋H )/A 表示
D ．桑树的总光合作用固定的能量可以用B ＋C 表示
解析：选B 。

B 表示桑树的呼吸作用消耗的能量、C 表示用于桑树生长、发育、繁殖的能量。

桑树的总光合作用固定的能量是B ＋C 。

桑树与蚕之间的能量传递效率可以用(E ＋F ＋G ＋H )/A 表示。

未利用的能量是指既没有流向分解者，也没有流向下一营养级和用于呼吸的能量。

考法3 能量流动特点的原因分析与传递效率
(1)能量流动特点的原因分析
①单向流动的原因
a ．食物链中各营养级的顺序是不可逆转的，这是长期自然选择的结果，如肉食动物以植食动物为食，而植食动物不能以肉食动物为食，植物与植食动物的能量关系也是如此。

b ．各营养级生物通过呼吸作用所产生的热能不能被生物群落重复利用，因此能量无法循环。

②逐级递减的原因
a ．各营养级生物都会因呼吸作用消耗大部分能量。

b ．各营养级的能量都会有一部分流入分解者，包括未被下一营养级生物所利用的部分。

(2)能量传递效率：指相邻两个营养级之间同化量的比值。

能量传递效率＝下一营养级的同化量本营养级的同化量
×100%＝≈10%
能量传递效率≠能量利用效率
(1)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%。

(2)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。

[题组冲关]
5．下列有关生态系统中能量流动的叙述，正确的是( )
A．兔子吃了1千克的草，则这1千克草中的能量就流入了兔子体内
B．一只狼捕食了一只兔子，则这只兔子中约有10%的能量流入狼的体内
C．生产者通过光合作用合成有机物，能量就从无机环境流入了生物群落
D．生态系统的能量是伴随着物质循环而被循环利用的
解析：选C。

兔子吃的草中的能量一部分被兔子同化，一部分残留在粪便中，A错误。

能量传递效率中的10%指的是营养级与营养级之间的传递效率，并非个体与个体之间的，B 错误。

生产者通过光合作用合成有机物来固定太阳能，而太阳能来自无机环境，C正确。

生态系统中的能量是单向流动、逐级递减的，最终都会以热能的形式散失，D错误。

6．下面为生态系统中能量流动图解部分示意图(字母表示能量的多少)，下列选项中正确的是( )
A．图中b＝h＋c＋d＋e＋f＋i
B．生产者与初级消费者之间的能量传递效率为b/a×100%
C．在“草→兔→狼”这一食物链中，狼粪便中的能量属于d
D．缩短食物链可以提高能量传递效率
解析：选C。

首先，生产者固定的能量应该是流经生态系统的总能量，摄入量＝同化量＋粪便中的能量，因此c为同化量，h为粪便中的能量，同化量＝呼吸作用中以热能形式散失的能量＋用于生长、发育和繁殖的能量，因此d是初级消费者用于自身生长、发育和繁殖的能量，f是呼吸作用中以热能形式散失的能量，i是流入分解者的能量，e是下一营养级摄入的能量，所以b＝h＋c＝f＋d＋h＝f＋e＋g，A项错误；能量传递效率是相邻营养级同化量之间的比值，生产者与初级消费者之间的能量传递效率为c/a×100%，B项错误；狼粪便中的能量应该属于上一级消费者兔子的同化量中用于生长、发育和繁殖的能量，C项正确；缩短食物链可以提高能量利用率，但不能提高能量传递效率，D项错误。

生态系统中的碳循环
1．含义：在一个相对封闭的循环圈中周而复始，往复循环。

参与循环的物质数量恒定，而且可以得到重复利用。

2．碳循环的路线：大气圈―→植物和动物―→分解者―→大气圈。

3．碳循环过程
(1)写出图中各标号的名称
①呼吸作用；②光合作用或化能合成作用；③摄食；④呼吸作用；⑤燃烧；⑥分解作用。

(2)循环形式：CO2和有机物。

4．碳循环的特点
(1)反复利用，往复循环。

(2)具有全球性。

[基础诊断]
(1)碳在生物群落和无机环境之间主要以有机物形式循环(×)
(2)化石燃料的大量燃烧是造成温室效应的主要原因(√)
(3)低碳生活方式有助于维持生物圈中碳循环的平衡(√)
(4)生态系统的物质循环指的是各种化合物在生物群落与无机环境之间往复循环(×)
(5)生态系统的物质循环和能量流动的渠道都是食物链和食物网，所以物质和能量是循环往复的(×)
(6)物质是能量流动的载体，能量流动是物质循环的动力(√)
(7)如果人们不按生态规律办事，乱砍滥伐森林，会影响生态系统的碳循环(√)
[教材热考拾遗]
(必修3 P112图6－12改编)某生态系统的能量流动和碳循环如图所示。

请回答：
(1)在该生态系统的组成成分中，③属于________。

(2)图中②代表的生理过程是___________________________________________。

(3)图中__________(填“实线”或“虛线”)箭头代表碳循环。

能量流动具有单方向的、不可逆的和______________________的特点。

(4)若某生态系统遭到火灾，多年后演变成了一片森林，这个过程称为__________。

该生态系统会朝着物种多样化、________复杂化和功能完善化的方向发展，直至稳态为止。

解析：由图可知，①为生产者的光合作用，②为呼吸作用，③为分解者，④为由生产者流向下一个营养级的能量。

碳能够循环利用，而能量只能单向流动、逐级递减，故虚线表能量流动，实线代表碳循环。

(1)由图可知，③属于分解者。

(2)图中②代表的生理过程是呼吸作用。

(3)物质能够循环利用，而能量只能单向流动、逐级递减，所以实线为碳循环。

(4)群落演替是一些物种优势取代另外一些物种的过程，生态系统会朝着物种多样化、结构复杂化和功能完善化的方向发展，直至稳态为止。

答案：(1)分解者(2)呼吸作用(3)实线逐级递减(4)次生演替(演替) 结构
考法1 碳循环过程
(1)碳循环分析
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大气中CO2来源
a．生产者、消费者的呼吸作用。

b．分解者的分解作用。

c．化学燃料的燃烧。

③分析温室效应产生的原因
a．化学燃料的大量燃烧，产生CO2。

b．植被破坏，降低了对大气中CO2的调节能力。

④缓解温室效应的措施
a．开发清洁能源，减少化学燃料的燃烧。

b．植树造林、退耕还林还草，增加绿地面积。

(2)常见模型分析
图1：E为生产者；F、D、B都为消费者；C为分解者；A为大气中的CO2库。

图2：A为生产者；B为消费者；C为分解者；D为大气中的CO2库。

图3：A为生产者；C为消费者；B为分解者；D为大气中的CO2库。

图4：A为生产者；B、C都为消费者；D为分解者。

“三看法”快速确认碳循环的各环节
[题组冲关]
1．如图为生物圈碳循环过程示意图，甲～丁表示生态系统的成
分，①～⑦表示过程。

下列叙述正确的是( )
A．①⑤⑥表示呼吸
B．①和②的速率基本相等
C．甲→丙→丁构成捕食食物链
D．③④⑦过程中碳以有机物的形式传递
解析：选D。

①表示光合作用或化能合成作用，⑤⑥表示呼吸作用，A错误；一般情况下，①的速率大于②，B错误；甲→丙构成捕食食物链，丁是分解者，C错误；③④⑦过程中碳以有机物的形式传递，D正确。

2．大气中CO2过多与碳循环失衡有关。

根据下图所作出的判断不正确的是( )
A．增加自养生物种类和数量有利于降低大气中的CO2含量
B．大气中CO2的增加主要与异养生物②的数量增加有关
C．该生态系统中的自养生物与所有异养生物构成了生物群落
D．该图能表示物质循环过程，不能准确表示能量流动
解析：选B。

自养生物能利用大气中的CO2，有利于降低大气中的CO2含量，A正确；大气中CO2的增加主要与化石燃料的燃烧有关，B错误；生态系统中的自养生物为生产者，所有异养生物包括消费者和分解者，这些生物共同构成了生物群落，C正确；该图能表示物质循环过程，不能准确表示能量流动，能量是单向流动、逐级递减的，D正确。

考法2 能量流动和物质循环的关系
(1)能量流动和物质循环的关系
项目能量流动物质循环(以碳循环为例) 形式太阳能→化学能→热能
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
重金属和DDT等农药的生物放大：生物放大问题与能量流动相反，能量沿食物链流动时逐级递减，而农药或重金属在食物链中则存在“生物放大作用”，即营养级越高，该物质浓度越高。

[题组冲关]
3．(2020·浙江八所重点中学联考)图1是某生态系统碳循环示意图，其中A、B、C、D 是生态系统内各生物成分，1、2、3、4、5、6表示有关的生理过程；图2为该生态系统中某一食物链及部分能量流动情况。

下列说法正确的是( )
A．在图1中，B、C分别属于初级消费者、生产者
B．图1中能表示细胞呼吸过程的只有2、4、5
C．如果A发生瘟疫，D的数量将先增加后减少最后趋于稳定
D．在图2的食物链中，②/①的值代表兔与狼(生物之间)的能量传递效率
解析：选C。

图1中C是生产者，B是分解者，D是初级消费者，A是次级消费者，A项错误；图中的过程3是分解者的分解作用，其实质也是细胞呼吸，B项错误；如果次级消费者A因发生瘟疫而数量减少，则初级消费者的数量会增加，增加后会导致生产者数量减少，D又会因食物减少而使其数量减少，最后趋于相对稳定状态，C项正确；图2中的①和②代表兔和狼的摄入量而不是同化量，所以②/①的值不能代表兔与狼(生物之间)的能量传递效率，D项错误。

4．如图表示某生态系统(部分)的组成及物质和能量流向情况(秃鹫以动物尸体为食)，下列关于该生态系统的叙述正确的是( )
A．M代表光能，N代表热能，P代表无机盐、CO2
B．图中共有4条捕食食物链，秃鹫所占有的营养级最多
C．图中狼与秃鹫之间的能量传递效率一般为10%
D．群落内部的负反馈调节维持着该生态系统的稳定性
解析：选D。

由题意可知：该图表示某生态系统的组成及物质和能量的流向情况，所以M应表示光能和CO2等无机物，N表示生产者、消费者通过呼吸散失的热能和CO2，P表示由分解者分解释放的热能和CO2等，A错误；秃鹫以动物尸体为食，说明秃鹫属于分解者，不参与捕食食物链的构成，因此图中只有1条捕食食物链，B错误；能量在相邻两个营养级之间的传递效率一般是10%，秃鹫属于分解者，因此狼与秃鹫之间的能量传递效率一般不会是10%，C错误；群落内部的负反馈调节是生态系统自我调节能力的基础，维持着该生态系统的稳定性，D正确。

1．(2020·浙江嘉兴模拟)下列关于生产量的叙述，正确的是( )
A．净初级生产量会部分转化为次级生产量
B．次级生产者就是指各种动物，不包括分解者
C．分解者的生产量不会转化为消费者的生产量
D．顶极群落的初级生产量大于演替中的群落
解析：选A。

净初级生产量会被第二营养级和其他消费者摄入体内，转化为次级生产量，A正确；凡是异养生物都属于次级生产者，次级生产者包括分解者，B错误；分解者的生产量能转化为消费者的生产量，C错误；顶极群落的初级生产量有可能大于演替中的群落，但也不一定，因为有的顶极群落是草本阶段，D错误。

2．下列关于生态系统中物质循环和能量流动的叙述，正确的是( )
A．富营养化水体出现蓝细菌水华的现象，可以说明能量流动的特点
B．生态系统中能量的初始来源只有太阳能。