2021年高考生物 第二单元 第4讲 生态系统的功能 能量流动和物质循环教学案 新人教版必修3

年高考生物 第二单元 第4讲 生态系统的功能 能量流动和物质循环
教学案 新人教版必修3
xx 备考·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1 生态系统的能量流动(5年17考)
(xx 安徽卷、海南卷……)
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：三大功能类群的
呼吸作用
(2)能量流动图解
2．每一营养级能量来源与去路的分析
(1)能量来源⎩⎨⎧生产者的能量主要来自太阳能
消费者的能量来自于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)的能量可存在如下去向： ①自身呼吸消耗 ②流入下一营养级 ③被分解者分解利用
④未被利用量(最终也将被分解者利用) 3．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。

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 一般为正金字塔形 象征含义
能量沿食物链流动过程
中具有逐级递减的特性
一般生物个体数目在食
物链中随营养级升高而
逐级递减
一般生物有机物的总质
量沿食物链升高逐级递
减
每一阶含义 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
每一营养级生物的有机物总量
特殊形状
无
极少
4.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。

思维激活
判断正误
(1)植物→鼠→鹰这条食物链，第三营养级含能量少(xx·全国新课标Ⅰ，5D)( )。

(2)生态系统的食物链中营养级越高的生物，其体型必然越大 (2011·海南，21C)( )。

(3)生态金字塔可采用生物量单位，能量单位和个体数量单位，生态金字塔必然呈正金字塔形( )。

(4)散失的热能可以被生产者固定再次进入生态系统( )。

(5)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%( )。

(6)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( )。

答案 (1)√ (2)× (3)× (4)× (5)× (6)×
生态系统能量流动的过程及特点
1．(xx·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/(hm 2
·a)。

(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1 hm 2
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/hm 2。

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，同化的能量中只有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。

解析 (1)田鼠的同化量是7.50×108
J/(hm 2
·a)，鼬的同化量是2.25×107
J/(hm 2
·a)，故能量传递效率为2.25×107
7.50×10
8×100%＝3%。

(2)设1 hm 2
的范围内种群数量为M ，则40M ＝1530
，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。

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
互动探究
据上题表格中数据推算随鼬粪便流失的能量是多少？这部分能量应包含于表中哪一数据中？
提示鼬粪便中的能量＝鼬的摄入量－鼬同化量＝2.44×107－2.25×107＝1.9×106(J/hm2·a)此部分能量应包含于表中田鼠同化量即7.56×108 h中。

题后反思
以第二营养级为例，能量的来源和去路图解如下：
由此可见：(1)摄入量－粪便量＝同化量。

(2)同化量－呼吸量＝生长、发育、繁殖量。

(3)一个营养级粪便量不属于该营养级同化量，而属于上一营养级的同化量，即上一营养级流向分解者的能量
能量流动的相关计算
2．如图所示的食物网中，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，X＝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
[对点强化]
(xx·广东预测)如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，所以A项错误；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，所以B项错误；图中b等于呼吸散失的能量与c之和，所以C项错误；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，所以D项正确。

答案 D
考点2 生态系统的物质循环(5年9考)
(xx天津卷，xx海南卷……)
1．生态系统的物质循环
概念
在生态系统中，组成生物体的C、H 、O、N、P、S等化
学元素不断进行着从无机环境到生物群落，又从生物群
落回到无机环境的循环过程
范围生物圈(全球)
对象组成生物体的化学元素
形式
生物群落与无机环境间：无机物
生物群落内：有机物
动力能量
物质循环
特点
全球性、反复出现、循环流动
2.碳循环过程
(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
⎩⎪
⎨
⎪⎧
①生产者、消费者的呼吸作用
②分解者的分解作用（实质是呼吸作用）
③化学燃料的燃烧
(3)温室效应的产生原因：
①化学燃料的大量燃烧，产生大量CO2。

②植被破坏，降低了对大气中CO2的调节能力。

思维激活
巧辨图形判断参与碳循环的四种成分：以下三幅图均为生态系统物质循环常见图解，你能否辨认出各图中A～E的成分类别？
提示图1：A——生产者；B——非生物物质和能量；C——消费者；D——分解者
图2：A——生产者；B——初级消费者；C——非生物物质和能量；D——次级消费者；E——分解者
图3：A——非生物物质和能量；E——生产者；F、D、B依次为初级、次级、三级消费者；C——分解者
碳循环
1．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
解析丁为大气CO2库，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。

答案 A
互动探究
若将上述题图改为“能量流动图”则相关的箭头是否有变动？
提示作为能量流动图，应添加由“太阳能―→甲”的箭头，并去掉b箭头。

物质循环与能量流动综合
2．如图是某生态系统的物质和能量流向示意图(能量传递效率按10%计算)。

下列有关叙述正确的是( )。

A．X1过程的完成必须依赖一种具有双层膜结构的细胞器
B．X1过程吸收的CO2总量与Y1、Y2、Y3……及Z过程释放的CO2总量相等
C．当该生态系统处于相对稳定状态时，X3过程的能量值约为X1过程能量值的1%
D．Z1、Z2、Z3……过程提供的有机物中的碳将全部转变为Z过程释放的CO2中的碳解析图示X1表示光合作用固定CO2的过程，参与的生物可能是绿色植物或原核生物蓝藻等，X2、X3等表示动物摄食有机物的过程，Y1、Y2等表示生产者和消费者通过呼吸作用释放CO2的过程，Z表示分解者的分解作用。

一般情况下，生产者固定的CO2大于Y和Z 过程释放的CO2总量，因为还有一部分有机物未被利用。

Z1、Z2、Z3……过程提供的有机物中的碳还有一部分转化到分解者自身的有机物中。

当生态系统达到动态平衡时，X3＝X1×10%×10%。

答案 C
互动探究
图中可进行X1的生物类群有哪些？X1能否表示化能合成作用？
提示可进行光合作用的生物类群有植物、光合细菌、蓝藻等，X1不可表示化能合成作用，化能合成作用所需能量不是“光能”而是体外无机物氧化所释放的化学能。

题后归纳
物质循环与能量流动的关系
项目能量流动物质循环
形式主要以有机物为载体无机物、有机物特点单向流动，逐级递减循环往复
范围生态系统中的各营养级生物圈(全球性)
联系同时进行，相互依存，不可分割：①能量的输入、传递、转化和散失，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循环往复的动力
图示
技法提炼
快速确认碳循环各环节的“三看法”
一看――→
双
箭头
⎩⎪
⎨
⎪⎧双箭头一方为“生产者”，另一方为“大气
CO2库”。

二看――→
多
箭头
⎩⎪
⎨
⎪⎧图示各环节均可向其指来箭头，则被指向方为
“大气CO2库”。

三看――――――――――→
“生产者”“消费
者”及其指向⎩⎪
⎨
⎪⎧生产者指向消费者
生产者消费者均指向分解者
[对点强化]
如图是生物圈中碳循环示意图，下列相关分析不正确的是( )。

A．生物圈通过碳循环实现碳元素的自给自足
B．A是消费者，C是生产者，各成分间以CO2的形式传递碳元素
C．对E过度开发利用会打破生物圈中碳循环的平衡
D．碳循环过程需要能量驱动，同时又是能量的载体
解析图中A为消费者，B为分解者，C为生产者，D为大气中的CO2库；碳元素在生物群落与无机环境之间以CO2的形式传递，在生物群落之间以有机物的形式传递。

答案 B
易混点混淆“同化量”、“摄入量”、“粪便量”
点拨(1)摄入量≠同化量，粪便中能量不属本营养级同化量而属“上一营养级的同化量中流入分解者的能量的一部分”。

(2)流入某一营养级的能量是指该营养级生物的同化量，而不是摄入量，“摄入量”、“同化量”及“粪便”关系如下(以草→兔→狐→狼为例)。

图中A、B、C均属流向分解者的能量，但A、B均属“草的同化量”，只有C才属兔的同化量。

易错点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
点拨能量传递效率是指“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，“所有狼”可获得“所有狐”的能量才是10%～20%
易错点2 错将能量“传递效率”等同于“能量利用效率”或将能量“多级利用”看作能量“循环利用”
点拨能量传递效率与能量利用效率的比较
(1)能量传递效率：能量在沿食物链流动的过程中，逐级递减，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%
(2)能量利用效率：通常考虑的是流入人类可利用部分的能量(即流入目标环节的能量)占生产者能量的比值，生态工程中常通过建“沼气池”“蘑菇房”等实现废物资源化，这就是提高了能量利用率。

“原料—产品—原料—产品”的无废弃物生产模式正是实现物质循环再生、能量多级利用的典型模式，该模式具有少消耗、多效益、可持续的特点。

提高了能量利用率，但并未提高能量“传递效率”。

此外，能量流动永远是单向的、不循环的，能量最终均以热能形式散失于系统中，不能被“循环利用”。

纠错演练
1.在分析生态系统的能量流动时经常涉及“输入量(输入到某一营养级的能量)”、“摄入量”、“同化量”、“粪便量”等说法，则下列说法中正确的是( )。

A.某一营养级生物的摄入量即同化量
B.某一营养级生物的粪便量是该营养级生物同化量的一部分
C.输入到某一营养级的能量即该营养级生物的同化量
D.相邻两营养级生物中较高营养级与较低营养级生物的摄入量之比表示能量传递效率
解析输入量即同化量，摄入量＝同化量＋粪便量，因此，A项错误，C项正确；某一营养级生物的粪便量实际上是上一营养级生物同化量的一部分，B项错误。

答案 C
2.如图表示A、B两个特定生态系统的能量金字塔。

有关解释正确的是( )。

一个吃玉米的人所获得的能量一定比一个吃牛肉的人获得的能量多②能量沿食物链单向流动，传递效率随营养级的升高而逐级递减③若A和B中玉米的数量相同，A能养活10 000人，则B至少能养活500人④若土壤中含相同浓度的难降解污染物，则A 中的人比B中的人体内污染物浓度低
A.①③④ B．①②③ C．①②③④ D．③④
解析本题考查生态系统的能量金字塔的分析。

①错误，因不知道两人的食物量，一个吃玉米的人所获得的能量和一个吃牛肉的人获得的能量无法比较；②错误，能量沿食物链单向流动，随营养级的升高而逐级递减，但传递效率不一定逐级递减，仍为10%～20%；
③正确，若A和B中玉米的数量相同，设养活一人消耗能量为m，如A能养活10 000人，对应的玉米能量至少是50 000 m，同样数量的玉米，B中至少养活的人数是50 000×10%×10%＝500人；④正确，若土壤中含相同浓度的难降解污染物，则生态系统A中的人比B中的人体内污染物浓度低的原因是由于生物的富集作用。

答案 D
3.设计生态工程的常用方法之一是给食物链(网)“加环”，如图就是一种“加环”示意
图，据图判断下列说法正确的是( )。

①用残渣来培育食用菌和蛆、蛹，实现了物质的多级利用
②用玉米的副产品玉米芯生产木糖醇，可增加经济效益
③用蛆、蛹粪便作为有机肥还田，运用了能量循环再生原理
④该生态工程通过“加环”提高了能量传递效率⑤在离开人的管理条件下，该生态工
程仍可以正常运转
A.①② B．②③⑤ C．①④⑤ D．②④
解析该生态工程中用残渣来培育食用菌和蛆、蛹，用玉米芯生产木糖醇，充分地利用了废弃物，实现了物质的多级利用，增加了经济效益；能量只能单向流动、逐级递减，而不能循环利用，也不能提高能量“传递效率”，只能提高能量“利用效率”；该生态工程是在人的参与下建立的，因此该生态工程离不开人的管理。

答案 A
1．(xx·海南)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、乙和分解者所贮存的能量之和是输入该生态系统的总能量
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项正确；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项正确；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有一部分以热能的形式散失，C项正确；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。

答案 D
2．(2011·海南)关于生态系统的叙述，正确的是 ( )。

A．生态系统中生产者得到的能量必然大于消费者得到的
B．生态系统中的信息传递对所有捕食者都必然有利的
C．生态系统的食物链中营养级越高的生物，其体型必然越大
D．生态系统的食物链中营养级越高的生物，其体型必然越小
解析根据生态系统能量流动的特点，能量在流动中逐级递减，故生态系统中生产者得到的能量必然大于消费者得到的。

答案 A
3．(xx·山东理综)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
解析④/③的含义是有机物积累量/同化量，在同化量相同的情况下，由于恒温动物要维持自身的体温，所以其体内积累的有机物要少于变温动物，所以恒温动物的④/③值一般低于变温动物；③/①表示同化量/获取量，而不是能量传递率，能量传递率是后一营养级的同化量与前一营养级的同化量的比值；③/②表示同化量/食入量，圈养动物一般要求短时间内长大，例如养猪，育肥速度越快越好，同化量高就意味着长得快，这个比值高意味着用同样的饲料能够让圈养的动物长得更多；食草动物的食物中含有大量纤维素，纤维素绝大部分不能被同化，食肉动物的食物中，营养物质主要是蛋白质、脂肪等，绝大部分都可以被同化，即食肉哺乳动物的③/②值要高于食草动物。

答案 C
4．(2011·山东理综改编)下图为某草原生态系统的食物网。

(1)图中食物网较简单，因此，该草原生态系统的________能力较差，其________稳定性也相应较低。

除图中所示的生物类群外，该生态系统的生物组成成分还应有________才能保证其物质循环的正常进行。

(2)如果图中草能提供10 000 kJ的能量，营养级间的能量传递效率为10%～20%，那么鹰占据的营养级能够得到的最低和最高能量值分别是________kJ和________kJ。

若去除蛇，且狐的数量不变，则草原容纳鹰的数量会________。

若外来生物入侵该区，则会导致该草原的________锐减或丧失。

(3)影响图中兔种群数量变化的种间因素是________和竞争。

若某年兔种群的K值为1 000只，且1只兔和4只鼠消耗的草量相等，其他条件不变的情况下，次年鼠的数量增加400只，则兔种群的K值变为________只。

用标志重捕法调查该区鼠的种群数量时，若部分标记个体迁出，则导致调查结果________(填“偏高”或“偏低”)。

解析(1)生态系统的自我调节能力和抵抗力稳定性大小与食物网的复杂程度呈正相关，生态系统的生物组成成分包括生产者、消费者和分解者，食物网中只有生产者和消费者，没有分解者。

(2)计算鹰得到的最低能量值应选最长的食物链和最低的能量传递效率进行计算，而计算最高能量值应选最短的食物链和最高的能量传递效率，所以鹰得到的最低能量值是鹰位于第四营养级时，即得到的最低能量值为10 000×10%×10%×10%＝10(kJ)，鹰得到最高能量值是鹰位于最低营养级(即第三营养级)时，得到的能量值为10 000×20%×20%＝400(kJ)；若去除蛇，鹰所处的营养级降低，使鹰获得的能量增多，从而使草原容纳鹰的数量增加；外来物种的入侵会使生物多样性锐减。

(3)影响兔种群数量变化的种间因素为捕食和竞争；兔和鼠为竞争关系，在其他条件不变的情况下，鼠的数量增加400只，会导致兔的数量减少100只，所以兔种群的K值变为900只；用标志重捕法调查种群密度时，若部分标记个体迁出，会导致再捕获时被标记个体的捕获量减
少，从而导致调查结果偏高。

答案自我调节(或反馈调节，负反馈调节) 抵抗力分解者(2)10 400 增加生物多样性(或物种多样性) (3)捕食900 偏高
(时间：30分钟)
基础对点练——考纲对点·夯基础
考点一生态系统的功能之一——能量流动(Ⅱ)
1．食物链草―→兔―→狐中，兔经同化作用所获得的能量的去向不应该包括
( )。

A．通过兔子呼吸作用释放
B．通过兔子的粪便流入分解者体内
C．通过狐狸的粪便流入分解者体内
D．流入狐狸体内
解析由于同化量＝摄入量－粪便量，因此兔子的粪便中含有的能量是没有被兔子同化的能量，仍是草的同化量的一部分。

同理可知，狐狸粪便中含有的能量属于兔子的同化量的一部分。

答案 B
2．(xx·湖南湘潭模拟)右图为生态系统能量流动的部分图解，①代表一定的能量值。

下列相关叙述中，正确的是( )。

A．生态系统的能量流动是循环进行的
B．能量在沿食物链流动时逐级递减
C．次级消费者属于第二营养级
D．图中①代表呼吸作用所消耗的能量
解析生态系统能量流动是单向的、逐级递减的；次级消费者属于第三营养级，图中①代表流向分解者的能量。

答案 B
3．(xx·长沙模拟)某草原生态系统中能量金字塔由最下面一层到最上面一层共四层，分别为甲、乙、丙、丁(如右图)，若有外来种生物戊入
侵，且会与丙竞争食物，但不会被丁所捕食。

下列有关说法不正确的是
( )。

A．甲可能为绿色植物，甲固定的能量大于乙、丙、丁同化
的能量之和
B．甲、乙、丙、丁构成该生态系统的生物群落
C．丁生物的种群数量很可能会逐渐减少
D．戊在生态系统中处于第三营养级
解析处于能量金字塔底层的是生产者，所以甲可能为绿色植物，生产者甲固定的能量大于乙、丙、丁同化的能量之和；能量金字塔包含生产者和消费者，不包含分解者，而生物群落应该包含该生态系统中的所有生物，可见甲、乙、丙、丁尚不能构成该生态系统的生物群落；由于生物戊入侵，与丙(丁的食物)竞争食物，所以丙的数量会下降，又由于戊不会被丁所捕食，所以丁生物的种群数量很可能会因食物减少而逐渐减少，戊与丙竞争食物，所以在生态系统中处于第三营养级。

答案 B
4．(xx·厦门检测)下图是某生态系统能量流动示意图，相关叙述正确的是
( )。

A．图中各营养级的生物共形成一条食物链，这是能量流动的渠道
B．②与①的比值表示由第一营养级到第二营养级的能量传递效率
C．④表示通过呼吸作用释放的能量，可用于生物体的生长、发育和繁殖
D．每个营养级的能量输出除③④外，还能流入下一营养级
解析图中各营养级的生物应包含许多种群，故包含许多条食物链并形成复杂的食物网；生物体生长、发育和繁殖所需的能量是生物体同化量的一部分，而不是呼吸作用散失的“热能”；食物链中最高营养级的生物所同化的能量不再流入“下一营养级”。

答案 B。