备战2020年高考生物一轮复习第34讲 生态系统的主要功能——能量流动与物质循环 讲义

第34讲 生态系统的主要功能——能量流动与物质循环
【最新考纲】 生态系统中物质循环和能量流动的基本规律及应用(Ⅱ)。

考点一 生态系统的能量流动
1．能量流动的过程
(1)概念理解
输入—⎩⎨⎧ 源头：太阳能流经生态系统的总能量：生产者固定的太阳
能总量
⇓
传递—⎩⎨⎧ 途径：食物链和食物网形式：有机物中的化学能
⇓
转化—太阳能→有机物中的化学能→热能
⇓
散失—⎩⎨⎧ 形式：最终以热能形式散失过程：自身呼吸作用
(2)流动过程
①能量流动的渠道是食物链和食物网。

②能量散失的途径是呼吸作用(代谢过程)。

③流动过程中能量的转化是太阳能→有机物中的化学能→热能。

④上述过程中，能量流动不能(填“能”或“不能”)逆转，原因是食物链中各营养级的顺序是长期自然选择的结果，生物之间的捕食关系是一定的；能量流动不能(填“能”或“不能”)循环，原因是最终散失的热能不能再被利用。

(3)能量流经第二营养级的过程
①输入一个营养级的能量：是指该营养级同化的能量，也就是摄入能量(a)－粪便中能量(c)。

②流入某一营养级(最高营养级除外)的能量可存在的去向：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.未被利用的能量。

特别提醒
(1)某营养级“粪便”中能量应属其上一营养级的同化量或上一营养级被分解者分解的能量的一部分，如兔粪便中的能量不属于兔的同化量，而是草同化量的一部分。

(2)未被利用的能量：包括生物每年的积累量和动植物残体以化石燃料形式被储存起来的能量，最终也将被分解者利用。

2．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。

相邻营养级之间的传递效率一般为10%～20%，若将单位时间内各个营养级所得到的能量数值由低到高可绘成能量金字塔。

(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。

诊断辨析
(1)生态系统相对稳定时无能量的输入和散失。

(×)
(2)生产者固定的能量除用于自身呼吸外，其余均流入下一个营养级。

(×)
(3)兔吃草后排出的粪便中的能量是兔同化量的一部分。

(×)
(4)一只狼捕食了一只兔子，该狼获得了兔子能量的10%～20%。

(×)
(5)能量流动规律可用“能量金字塔”表示，一个生态系统的营养级越多，在能量流动过程中散失的热能越多，所以能量流动一般不会超过4～5个营养级。

(√)
(6)拔去田地中的杂草是人为地调整能量流动的方向，可以提高生态系统的能量传递效率。

(×)
热图解读
(1)如图表示能量在两个营养级之间的流动过程：
①第一个营养级的同化量与其摄入量和粪便量有怎样的关系？
②上一个营养级同化的总能量是不是全部流向下一个营养级？为什么？
次级消费者粪便中的能量直接来自A、B、C中的哪一部分的能量？
提示(1)①同化量＝摄入量－粪便量。

②不是。

一部分能量被自身呼吸所消耗，还有一部分被分解者所利用，总有一部分能量未被下一营养级利用。

(2)B
考向一生态系统能量流动的过程和特点
1．关于草原生态系统能量流动的叙述，错误的是()
A．能量流动包括能量的输入、传递、转化和散失的过程
B．分解者所需的能量可来自各营养级生物所储存的能量
C．生态系统维持正常功能需要不断得到来自系统外的能量
D．生产者固定的能量除用于自身呼吸外，其余均流入下一营养级
解析生产者固定的能量除用于自身呼吸外，其余均流入下一营养级及分解者，D项错误。

答案 D
2．如图为草原生态系统的能量流动图解模型，A、B、C分别表示流入各营养级生物的能量，D、E、F分别表示各营养级生物用于生长、发育、繁殖的能量，G、H、I分别表示草、兔子、狼呼吸作用消耗的能量，J、K、L分别表示流入分解者的能量。

下列说法中，正确的是()
A．图中A＝D，B＝E，C＝F
B．K中能量包括兔子尸体及狼粪便中的能量
C．食物链中能量最少的是分解者所处的营养级
D．第一营养级与第二营养级间的能量传递效率是E/D
解析图中应是A>D，B>E，C>F；食物链中能量最少的是狼所处的营养级；第一营养级与第二营养级间的能量传递效率是B/A。

答案 B
3.下列关于图示的说法，正确的是()
A．若三角形为数量金字塔，则此图适合所有的生态系统各营养级的数量关系
B．若三角形为能量金字塔，则所有营养级的总能量为流经该生态系统的总能量
C．若图示为一个生态系统，则该生态系统的结构包括无机环境和生物群落两大部分
D．若需对图中土壤小动物类群丰富度进行研究，常用取样器取样的方法进行采集、调查解析不是所有的生态系统各营养级的数量都呈现金字塔形式，如城市生态系统中生产者数量较少，消费者数量较多；流经生态系统的总能量是第一营养级固定的能量，而不是所有营养级的总能量；生态系统的结构包括生态系统的组成成分和营养结构；调查土壤中小动物类群丰富度时常用取样器取样法。

答案 D
4．用各营养级生物的能量、数量构建的金字塔分别称为能量金字塔、数量金字塔。

在某一栎林中，第一营养级生物为栎树，第二营养级生物为昆虫，第三营养级生物为蛙、蜥蜴和鸟，第四营养级生物为蛇。

该栎林数量金字塔的示意图是()
解析分析生态系统的数量金字塔需要参考生物个体的大小。

第一、二营养级分别是栎树(体型很大)和昆虫，所以第二营养级生物的数量多于第一营养级；与第二营养级生物相比，第三营养级生物含有的能量少，并且生物个体较大，所以第三营养级生物的数量少于第二营养级，同理可知第四营养级生物的数量会更少。

答案 B
整合提升
界定三类生态金字塔
不同的生态金字塔能形象地说明各营养级与能量、生物量、数量之间的关系，是定量研究生
态系统的直观体现。

考向二
能量流动的去向及计算
5.右图为部分能量流动图解，下列叙述正确的是()
A．次级消费者摄入量占初级消费者摄入总量的10%～20%
B．c表示初级消费者的同化量
C．图中能量数值b＝a＋c
D．c指向分解者的箭头中包含初级消费者的遗体残骸，包括次级消费者的粪便
解析能量传递效率10%～20%是相邻营养级同化量之比，而非摄入量，A错误；摄入量减粪便量是同化量，同化量一部分用于呼吸散失，一部分用于生长、发育和繁殖，B错误；图中b 等于呼吸散失的能量与c之和，C错误；c表示生长、发育和繁殖所用能量，这一过程中一部分会被下一营养级摄入，下一营养级的粪便属于c，D正确。

答案 D
6．下面为能量流经某生态系统第二营养级的示意图[单位J/(cm2·a)]，据图分析，有关说法正确的是()
A．该生态系统第一营养级同化的能量至少为400
B．第二营养级用于生长、发育和繁殖的能量是100
C．能量由第二营养级到第三营养级的传递效率是20%
D．该生态系统第三营养级同化的能量是15
解析题图为能量流经某生态系统第二营养级的示意图，其中a表示该营养级摄入的能量，b表示该营养级同化的能量，c表示该营养级用于生长、发育和繁殖的能量，d表示呼吸作用中以热能的形式散失的能量，e表示分解者利用的能量；第二营养级同化的能量为100(摄入量)－20(粪便中的能量)＝80，根据能量传递效率倒推出第一营养级同化的能量至少为400；题图仅表示能量流经第二营养级的过程，并不能得出第三营养级的同化量，因此无法计算由第二营养级到第三营养级的能量传递效率；次级消费者摄入的能量并不等同于第三营养级同化的能量。

答案 A
技法点拨
利用“拼图法”巧解能量流动的相关问题
1．输入第一营养级的能量(W1)，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(A1)，一部分则用于生产者的生长、发育和繁殖(B1＋C1＋D1)。

而后一部分能量中包括现存的植物体B1、流向分解者的C1、流向下一营养级的D1。

2．第一营养级到第二营养级的能量传递效率＝(D1/W1)×100%，第二营养级到第三营养级的能量传递效率＝(D2/D1)×100%。

考向三能量流动中的食物链选择与计算
7．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1 kJ的能量，丙最少含多少能量()
A．550 kJ B．500 kJ
C．400 kJ D．100 kJ
解析设丙的能量为x，经丙→丁→己→庚传递到庚的能量为0.5 kJ，则需要丙0.5÷(10%)3＝500(kJ)，经丙→戊→庚传递到庚的能量为0.5 kJ，则需要丙0.5÷(10%)2＝50(kJ)，即丙最少含500＋50＝550(kJ)的能量。

答案 A
8．下图所示的食物网中，若人的体重增加1 kg，最少消耗水藻________kg，最多消耗水藻
________kg 。

解析 能量在相邻两个营养级间的传递效率是10%～20%，求最少消耗水藻时，选最短的食物链，如水藻→小鱼→人，传递效率按20%计算，设最少消耗水藻为x ，则x ×20%×20%＝1 kg ，a ＝25 kg ；求最多消耗水藻时，选最长的食物链，如水藻→水蚤→虾→小鱼→大鱼→人，传递效率按10%计算，设最多消耗水藻为y ，则y ×10%×10%×10%×10%×10%＝1 kg ，y ＝100 000 kg 。

答案 25 100 000
技法点拨
在解决有关能量传递的计算问题时，需要确定相关的食物链，能量传递效率约为10%～20%，一般从两个方面考虑：
①知低营养级求高营养级⎩⎪⎨⎪⎧ 获得能量最多⎩⎨⎧ 选最短食物链按×20%计算
获得能量最少⎩⎨⎧ 选最长食物链按×10%计算 ②知高营养级求低营养级⎩⎪⎨⎪⎧ 需最少能量⎩⎨⎧ 选最短食物链按÷20%计算需最多能量⎩⎨⎧ 选最长食物链按÷
10%计算 考点二 生态系统的物质循环
1．物质循环 (1)概念：组成生物体的各种元素在无机环境与生物群落间不断循环的过程。

(2)特点：全球性、反复利用、循环流动。

(3)与能量流动的关系：二者同时进行，相互依存，不可分割。

(4)意义：通过能量流动和物质循环，使生态系统中的各种组成成分紧密地联系在一起，形成一个统一的整体。

2．碳循环
(1)碳在无机环境中的存在形式：CO2和碳酸盐。

(2)碳在生物群落中的存在形式：主要是含碳有机物。

(3)循环过程：碳从无机环境到生物群落是通过光合作用、化能合成作用实现的；从生物群落到无机环境则是通过呼吸作用和微生物的分解作用实现的。

3．温室效应
(1)形成原因：大量化石燃料的燃烧，大气中的CO2含量迅速增加，打破了生物圈中碳循环的平衡。

(2)影响：导致气温升高，加快极地和高山冰川的融化，导致海平面上升，进而对人类和其他许多生物的生存构成威胁。

诊断辨析
(1)无机环境中的物质可以通过多种途径被生物群落反复利用。

(√)
(2)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。

(×)
(3)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，所以物质和能量都是循环往复的。

(×)
(4)与碳循环有关的生理活动有光合作用、细胞呼吸和化能合成作用等。

(√)
(5)减少化石燃料的燃烧和大力植树造林都可以有效地缓解温室效应。

(√)
热图解读
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。

请据图思考下列问题：
(1)甲、乙、丙、丁分别代表生态系统的什么成分？并简述判断的理由。

(2)碳在甲、乙、丙之间的流动形式是什么？在甲(或乙或丙)与丁之间的流动形式又是什么？
(3)图中的字母分别表示什么过程？
提示(1)甲和丁之间有双向箭头，且其他几种成分都有箭头指向丁，所以丁为大气中的CO2库，甲为生产者；甲和乙都有箭头指向丙，所以丙为分解者，则乙为消费者。

(2)在甲、乙、丙之间的流动形式是有机物，在甲(或乙或丙)与丁之间的流动形式是CO2。

(3)b代表光合作用或化能合成作用。

d和c代表细胞呼吸，f代表微生物的分解作用，a代表捕食，e和g代表动植物的遗体、排遗物等提供给分解者。

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

答案 C
2．如图是我国北方处于平衡状态的某森林生态系统的碳循环示意图，其中箭头表示碳的传递方向，字母表示碳传递途径。

则下列叙述错误的是()
A．碳从植物体流入动物体的主要形式是含碳有机物
B．a途径是通过光合作用实现的，b、d、g途径是通过细胞呼吸实现的
C．碳在生物群落与无机环境之间的循环主要以二氧化碳的形式进行
D．如果图中的字母表示碳元素传递的数量，植物正常生长，则夏季a、b、c、e之间的关系可表示为a＝b＋c＋e
解析a代表植物的光合作用，b、d、g代表生物的呼吸作用，c代表捕食。

e、f代表动植物的残枝败叶、遗体和粪便被分解者利用。

夏季植物正常生长，a>b＋c＋e，D错误。

答案 D
整合提升
对物质循环过程相关图解的识别
1．物质循环过程示意图
2．将上图换成字母，如下面三种变式图，据图判断A、B、C、D各代表哪种成分。

(1)图1——先根据双向箭头判断：A和B应为生产者和非生物的物质和能量，B不能写成“无机环境”。

再根据A→C判断：C为消费者，剩下的D为分解者。

(2)图2——根据A与C之间的双向箭头判断：A是生产者，C是非生物的物质和能量。

根据A、B、D的箭头都流向E可进一步判断：B是初级消费者，D是次级消费者，E是分解者。

(3)图3——根据A与E之间的双向箭头判断：A为非生物的物质和能量，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。

图解中的食物链是E→F→D→B。

微专题·素养达成
有关能量在不同食物链中分配比例的计算
计算时注意当限制能量来源比例时，由高营养级向低营养级逐级递推(逆推)。

当限制能量分配比例时，假设出低营养级的需求量，由低营养级向高营养级逐级递推(顺推)。

同时要注意分配比例。

典例剖析
(1)若人类获取植物性食物与动物性食物的比例是1∶1，将此食物结构改为4∶1，能量流动效率按10%计算，则调整后可供养的人口是前者的________倍。

(2)若植物向动物及向人提供的能量比例由1∶1调整为1∶4，能量流动效率按10%计算，则调整后供养的人口是前者的________倍。

(3)如图所示的食物网中，戊的食物有12来自于乙，14来自于丙，14来自于丁，且能量从生产者
到消费者的传递效率为10%，从消费者到消费者的能量传递效率为20%。

若戊体重增加20 g ，需要消耗植物( )
A ．1 125 g
B ．1 600 g
C ．2 000 g
D ．6 500 g
[审题] [警示：(1)(2)题区别看懂后再做，否则再看题干！]
[解析] (1)若人类获取植物性食物与动物性食物的比例是1∶1，如下左图，共需植物性食物的相对值为55；如果动物性食物与植物性食物的比例是1∶4，则共需植物性食物的相对值是28(如下右图)。

前者对食物的消耗量是后者的1.96倍，这也就说明后者可供养的人数是前者的
1.96倍。

(2)设植物能量为M ，则调整前人所得能量为：M ×12×10%＋M ×12×(10%)2＝M 20＋M 200＝11M 200，
调整后人所得能量为M ×45×10%＋M ×15×(10%)2＝2M 25＋M 500＝41M 500，则调整后∶调整前比值为
41M 500/11M 200≈1.49，即调整后供养的人口是调整前的1.49倍。

(3)甲为生产者，戊共有以下食物链：①甲→乙→戊，戊增加20 g×1
2＝10 g，需要乙10×5
＝50 g，需要甲50×10＝500 g；②甲→丙→戊，戊增加20 g×1
4＝5 g，需要丙5×5＝25 g，需要
甲25×10＝250 g；③甲→丙→丁→戊，戊增加20 g×1
4＝5 g，需要丁5×5＝25 g，需要丙25×5
＝125 g，需要甲125×10＝1 250 g，故共需要甲500 g＋250 g＋1 250 g＝2 000 g，C项正确。

[答案](1)1.96(2)1.49(3)C
典题演练
1．(2018·玉溪一中期中)某生态系统中存在如图所示的食物网，若将C的食物比例由A∶B ＝1∶1调整为2∶1，能量传递效率按10%计算，该生态系统能承载C的数量是原来的()
A．1.375倍B．1.875倍
C．1.273倍D．0.575倍
解析由于生产者没有改变所以流向该生态系统的总能量没有变化，设C原来的能量为a，则需要A提供的能量为1/2a×10×10＋1/2a×10；改变食物比例后的C的能量设为b，则需要A 提供的能量为2/3b×10＋1/3b×10×10，根据题意可得：1/2a×10×10＋1/2a×10＝2/3b×10＋1/3b×10×10，b/a＝1.375。

答案 A
2．如果把演练1改为“A被下一营养级取食比例C∶B＝1∶1改为C∶B＝2∶1”，则最后结果为________。

答案 1.273倍
3.右图是一个食物网，假如鹰的食物有2/5来自兔，2/5来自鼠，1/5来自蛇，那么鹰若要增加20克体重，至少需要消耗植物()
A．900克B．500克
C．200克D．600克
解析当能量传递效率为最大值即20%时，消耗的植物量最少。

鹰经兔途径消耗的植物量为20×(2/5)÷20%÷20%＝200(g)；鹰经鼠途径消耗的植物量为20×(2/5)÷20%÷20%＝200(g)；鹰经蛇、鼠途径消耗的植物量为20×(1/5)÷20%÷20%÷20%＝500(g)，共计消耗植物量为200＋200＋500＝900(g)。

答案 A
4.在如图所示的食物网中，已知各营养级之间的能量转化效率为10%，若一种生物摄食两种上一营养级的生物时，两种被摄食的生物量相等，则丁每增加10千克生物量，需消耗生产者________千克。

解析据题意，与丁食物来源相关的食物链有三条：戊→庚→丁，戊→甲→丁，戊→己→甲→丁。

丁以甲和庚为食，则按能量传递效率10%计算；各需甲、庚10 kg÷10%÷2＝50 kg。

甲要增长50 kg需摄食己和戊共50 kg÷10%＝500 kg，则己、戊各250 kg，己要增长250 kg则需摄食戊250 kg÷10%＝2 500 kg，庚要增长50 kg则需戊50 kg÷10%＝500 kg。

共需戊：500＋2 500＋250＝3 250(kg)。

答案 3 250
微平台·通关必备
【答题术语】
1．太阳能经过生产者的固定进入生物群落，在食物链和食物网中以化学能的形式流动，最终以热能的形式散失。

2．某一营养级能量的来源为其同化量，去路有自身呼吸作用散失，流入下一营养级和被分解者分解释放。

3．生态系统的能量流动具有单向流动、逐级递减的特点。

4．相邻两个营养级之间的能量传递效率约为10%～20%，因此生态系统的能量流动一般不超过4～5个营养级。

5．研究生态系统的能量流动可以帮助人们科学规划、设计人工生态系统，实现对能量的多级利用，从而提高能量利用率。

还可以帮助人们合理地调整能量流动关系，使能量持续高效地流向对人类最有益的部分。

6．生态系统的物质循环指的是组成生物的各种元素在无机环境和生物群落之间循环往复的现象。

7．碳元素在无机环境和生物群落之间是以CO2的形式循环的，在生物群落内部是以含碳有机物的形式传递的。

8．碳从无机环境进入生物群落的途径是光合作用和化能合成作用，生物群落中的碳进入无机环境的途径有动植物的呼吸作用、微生物的分解作用和化学燃料的燃烧。

【误区警示】
1．错将“相邻两营养级”的传递效率等同于“相邻两个生物个体”间的传递效率
能量传递效率是指“相邻两营养级”间的传递效率，即下一营养级全部生物同化量/上一营养级全部生物同化量×100%，而不是相邻营养级中个体间的传递效率，如“一只狼”捕获“一只狐”时，应获得了狐的“大部分能量”而不是获得“10%～20%”的能量。

2．混淆能量传递效率与能量利用率
能量利用率：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。

主要做法是在食物链之外的某些环节上，通过人为设计其他食物关系和能量利用途径，把本该流向分解者的部分，再调整回来满足人(或最高营养级)利用，这样通过能量多级利用，提高了能量利用率，但能量传递效率只是相邻营养级之间通过捕食关系进行的传递，是两个营养级流入的能量(同化量)之比，这种通过食物链的能量传递效率是不能改变的，正常值变化总是处于10%～20%之间。

3．“传递物质”与“传递能量”的区别
若传递的物质为“有机物”则可认定其同时传递能量，但传递物质为“无机物”时，则不伴随能量传递，此外“植物”唯一的“能量”来源是太阳能。