高考生物复习 第9单元 第4讲 生态系统的能量流动和物质循环

第4讲生态系统的能量流动和物质循环

1.分析生态系统中的物质在生物群落与无机环境之间不断

循环、能量在生物群落中单向流动并逐级递减的规律

课

标

要2.举例说明利用物质循环和能量流动规律，人们能够更加

求

科学、有效地利用生态系统中的资源

3.解释生态金字塔表征了食物网各营养级之间在个体数量、生

物量和能量方面的关系

4.阐明某些有害物质会通过食物链不断地富集的现象

L物质的循环总是伴随着能量的流动（生命观念）

核

心2,分析能量流动过程，归纳总结能量流动特点；根据碳循环

素

养过程构建循环模型（科学思维）

3.关注温室效应，做出解释，并提出解决问题的思路（社会

责任）

考点一生态系统的能量流动

［知识•能力•素养】

教［材一研・读

1.能量流动的概述

（1）概念：生态系统中能量的输入、传递、转化和散失的过程C

⑵能量流动的四个环节。

源头：太阳能

流经生态系统的总能量:生产者固定的太阳能

0

—1途径：食物链和食物网

山幻［形式：有机物中的化学能

转化—太阳能f有机物中的化学能f热能

形式：最终以热能形式散失

散失-

过程：自身呼吸作用

2.能量流动的过程

(1)能量流经第二营养级的过程。

①c代表初级消费者粪便中的能量。

②流入某一营养级(最高营养级除外)的能量的去向

d：自身呼吸作用散失。

e：用于生长、发育、繁殖等生命活动的能量。

i：流入下一营养级。

f：被分解者分解利用。

J：未被利用的能量。

⑵能量流经生态系统的过程。

①流经生态系统的总能量：生产者固定的太阳能。

②能量流动渠道：食物链和食物网。

③能量传递形式：有机物中的化学能。

④能量散失途径：各种生物的呼吸作用(代谢过程)。

⑤能量散失形式：热能。

3.能量流动的特点及原因分析

(1)能量流动是单向的，原因：①能量流动是沿食物链进行的，食物

链中各营养级之间的捕食关系是长期自然选择的结果,是不可逆转的。②

各营养级通过回皿用所产生的热能不能被生物群落重复利用，因此能量

流动无法循环。

(2)能量流动是逐级递减的原因：①各营养级生物都会因呼吸作用消

耗大部分能量。②各营养级的能量都会有一部分流入分解者。

4.研究能量流动的意义

(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。

(人教版必修3时“科学•技术•社会”)生态农业是指运用

原理，在环境与经济协调发展的思想指导下，应用现代生物科学

技术建立起来的多层次、多功能的综合农业生产体系。

提示：生态学

1.生态系统的能量流动是指能量的输入和散失过程。（X）

提示：生态系统中的能量流动是指能量的输入、传递、转化和散失的

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。（X）

提示：流经生态系统的总能量是该生态系统中生产者所固定的太阳能。

3.初级消费者粪便中的能量属于生产者同化的能量。（4）

4.一只狼捕食了一只兔子，该狼获得了兔子能量的10%〜20队（X）

提示：能量传递效率针对的是相邻两个营养级中的所有生物，不针对

个体。

5.农业生态系统中，沼渣、沼液作为肥料还田，使能量能够循环利

用。（X）

提示：沼液和沼渣可以为农作物提供肥料，沼气池发酵产生的沼气又

能成为人类的能源物质，实现了能量的多级利用，而能量不能循环利用。

6.研究能量流动，对调整能量流动关系，使生产者固定的能量全部

流向人类。（X）

提示；由于在各营养级中都会有生物的细胞呼吸存在，通过细胞呼吸，

部分能量会以热能的形式散失，因此研究能量流动，可调整能量流动关系，

使生产者固定的能量尽可能多地流向对人类最有益的部分，但是做不到全

部流向人类。

（2）能量去向：流入某一营养级的能量去向可从以下两个角度分析：

①定量不定时（在足够长的时间内能量的最终去路）

a.自身呼吸消耗；b.流入下一营养级（最高营养级除外）；c.被分解

者分解利用。

②定量定时：流入某一营养级的一定量的能量在一定时间内的去路可

有四条：

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

利用，既未被自身呼吸消耗，也未被下一营养级和分解者利用，如果是以

年为单位研究，这部分的能量将保留到下一年，因此“未利用”是指在有

限的时间”还没来得及被利用的能量”。可用如图表示。

1.如图表示某一生态系统中的能量流动过程，其中甲、乙、丙代表

该生态系统的生物成分，A、B、C、D、E、F代表能量。请回答下列问题：

太阳辐射

(1)图中第二营养级到第三营养级的能量传递效率是多少？(用图中

字母表示)。

(2)乙的能量流入分解者的包括哪些方面？能量D被下一营养级同化

后的去向是什么？

提示：⑴[C/(B+F)]X100%；(2)乙的遗体残骸中的能量和丙的粪便

中的能量。大部分通过第四营养级生物的呼吸作用以热能的形式散失，一

部分用于该营养级生物的生长、发育和繁殖。

2.“莲藕生态养鱼”是一种养复合生态型的农业新模式，在相同环

境及养殖条件下，若将池塘中主要鱼种由草食性鱼更换为肉食性鱼，则鱼

类产量将如何变化？原因是什么？

提示：降低。能量流动逐级递减，肉食性鱼所处营养级高，获得能量

少。

能量流动过程的分析

1.如图表示某长期稳定的生态系统中光合作用积累的有机物被植食

性动物利用的过程(图中的字母表示所含的能量)。据图分析，下列相关叙

述正确的是()

A.植物积累的能量为c+e+g+h+i

B.植食动物粪便中的能量为d+g

C.b中的物质和能量都被微生物利用

D.能量在相邻营养级传递效率为f/a

A［植物积累的能量为a,根据数量关系可知，图中c+e+g+h+i

也可以表示植物光合作用积累的有机物中的能量，A正确；植食动物粪便

中的能量为d—f,及g,B错误；b中的物质和能量有部分被微生物利用，

C错误；能量在相邻营养级的传递效率为f/(a+植物呼吸作用消耗量)，D

错误。］

2.能量流动是生态系统的三大功能之一。请回答下列问题：

(1)生态系统的另外两大功能是o

(2)生产者利用能，通过作

用，将CO?和乩0合成有机物并储存能量，这些能量是流经生态系统的总

能量。

⑶分解者同化的能量________(填“能”或“不能”)流向生产者；

生产者不同于分解者的能量去向是;与其他营养级的生物

相比，最高营养级生物同化的能量的去向中不包括

(4)如图所示的生态系统中，第一营养级到第二营养级的能量传递效

率(填“大于”“小于”或“等于")7.6虬

［解析］（1）生态系统的三大功能是能量流动、物质循环和信息传递。

⑵绿色植物或其他光合细菌利用（太阳）光能，通过光合作用将COz和H,0

合成有机物并储存能量；还有的生产者，如硝化细菌等利用（无机化学反

应释放的）化学能，通过化能合成作用，将CO?和乩0合成有机物并储存能

量，这些能量是流经生态系统的总能量。（3）由于能量流动是不可逆的，

分解者同化的能量不能流向生产者；由于分解者不会与其他生物构成捕食

关系，因此生产者不同于分解者的能量去向是流向下一营养级：与其他营

养级的生物相比，最高营养级生物同化的能量的去向中不包括流向下一营

养级。（4）题图所示的生态系统中，第一营养级到第二营养级的能量传递

效率为第二营养级（甲和乙）的同化量与第一营养级（水草、藻类）的同化量

的百分比。乙的同化量/水草、藻类的同化量义100%=1900/25000X100%

=7.6%,因此第一营养级到第二营养级的能量传递效率大于7.6%o

［答案］（1）物质循环和信息传递⑵（太阳）光能或（无机化学反

应释放的）化学光合作用或化能合成（3）不能流向下一营养级

流向下一营养级

（4）大于

能量流动特点的分析及相关计算

3.下列关于生态系统的能量流动的叙述中，错误的是（）

A.由于生态系统的能量流动是逐级递减的，所以营养级越高则所同

化的能量就越少

B.由于散失的热能不能被生产者重新固定，所以生态系统的能量流

动是单向不可循环的

C.充分利用作物秸秆等可以提高能量传递的效率

D.能量流动和物质循环的渠道都是食物链和食物网

C［生态系统中的能量沿食物链流动时\部分能量以热能的形式散失,

部分能量被分解者所利用，所以营养级越高同化的能量就越少，A正确；

生产者只能固定光能或化学能，而不能固定每个营养级及分解者所散失的

热能，所以生态系统的能量流动是单向的，B正确；生态系统的能量传递

效率一般不能人为改变，充分利用作物秸秆只能提高能量利用率而不能提

高能量传递效率，C错误；能量流动和物质循环的渠道都是食物链和食物

网，D正确。］

4.科研小组对某人工鱼塘的能量流动进行定量分析,得出相关数据，

如下表所示。整理资料时，由于疏忽图中部分项目和数据模糊不能分辨。

请你帮助恢复有关数据和项目，并回答有关问题：［能量单位：J/(cm2•a),

除表中所列的消费者外，其他类型的消费者忽略不计］

传递给分传递给下一

生物未利用有机物输

甲解营

类型的能量入的能量

者的能量养级的能量

生产者4159719—

植食性

7.91.112乙6

鱼类

肉食性

6.50.86.20.510

鱼类

(1)人工鱼塘生态系统的结构包括。流入该生态

2

系统的总能量为J/(cm•a)0

(2)分析表中数据及各营养级能量的分配，表中甲是指,表

中的数据乙为________。植食性鱼类与肉食性鱼类之间的能量传递效率为

(3)若该鱼塘废弃若干年后成为湿地，这属于演替，该湿地

能净化生活污水且有摄影爱好者前来取景，体现了生物多样性的

价值。

[解析](D生态系统的结构包括组成成分和营养结构，其中营养结

构包括食物链和食物网。生产者同化的能量为=41+5+97+19=

162[J/(cnf•a)],用表格中显示有机物输入的能量=6十10=

16[J/(cm2-a)],因此流入该生态系统的总能量=162+16=

2

178[J/(cm-a)]o(2)表格中甲表示呼吸作用消耗的能量，数据乙=19+

2

6-(7.9+1.1+12)=4[J/(cm•a)]o此数值为植食性鱼类传给肉食性鱼

类的能量，则植食性鱼类和肉食性鱼类的能量传递效率为4/25X100%=

lG%o(3)废弃鱼塘发生的是次生演替；该湿地能净化生活污水，体现了生

物多样性的间接价值；有摄影爱好者前来取景，体现了生物多样性的直接

价值。

[答案](1)生态系统的组成成分和食物链(网)(或生态系统的组成

成分和营养结构)178(2)呼吸作用消耗的能量416%(3)次生

间接和直接

方向调整后的能量计算方法

若在食物网中，某一营养级同时从上一营养级的多种生物中获得能量,

计算某一生物获得的能量或需要某一生物提供的能量时，首先要注意某一

生物“从不同食物链中获得能量的比例”，或某一生物“给不同生物提供

能量的比例”，然后按照各个单独的食物链分别计算后合并。

(1)顺推法：能量流向调整，从前往后计算。即由植物下推，用“乘

法”。

生态系统的物质循环及其与能量流动的关系

［知识•能力•素养】

1.物质循环

(1)概念：组成生物体的各种元素在生物群落与无机环境之间不断循

环的过程。

(2)分析

①物质：组成生物体的化学元素,如C、H、0、N、P、S等。

②循环范围(两个支点)：生.物群落和无机环境之间。

③特点：全球性,反复利用、循环流动。

2.碳循环

(1)请写出图中各标号的名称：

a.生产者;b.消费者;c.呼吸作用;d.光合作用和化能合成作用;

e.呼吸作用;f.化石燃料的燃烧。

⑵碳的存在形式与循环形式。

①在生物群落和无机环境间：主要以照形式循环。

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C02和碳酸盐形式存在。

(3)碳进入生物群落的途径：生产者的光合作用和化能合成作用°

(4)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。

③化石燃料的燃烧。

3.能量流动和物质循环的关系

⑴区别。

项目能量流动物质循环(以碳循环为例)

形式以有机物为载体主要是无机物

单向流动、逐级递

特点全球性、循环性

减

生态系统各营养

范围生物圈(全球性)

级

(2)联系。

①两者是同时进行的，彼此相互依存，不可分割。

②物质作为能量的载体，使能量沿着食物链(网)流动；能量作为动力,

使物质能够不断地在生物群落和无机环境之间循环往返。

。判断正误

1.生态系统的碳循环指的是C()2在无机环境和生物群落中的往复循

环。(X)

提示：碳循环指的是碳元素的循环，而不是含碳化合物的循环。

2.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c(V)

3.大气中的CO2进入生物群落的唯一方式是光合作用。（X）

提示：CO?从无机环境进入生物群落的方式有两种：光合作用和化能

合成作用。

4.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。（义）

提示：物质循环是往复的，而能量流动是单向的。

5.植物可通过呼吸作用和光合作用参与生态系统的碳循环。（J）

6.若不按照生态规律办事，乱砍滥伐森林，会影响生态系统的碳循

环。（J）

重摊

一突.破1

对物质循环过程中相关图解的识别

（1）图1一一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，不能写“无机环境”，也不能写“生物类别”。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之间的双向箭头及a有多个指出箭头,c有多

个指入箭头判断：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之间的双向箭头及a有多个指入箭头，e有多

个指出箭头判断：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。整个图解中，食物链是e-f-dfb。

素］养一提升1

1.大气中的碳被固定，进入生物群落，简要叙述该过程中的物质变

化和能量变化。

提示：物质变化是大气中的碳以CO?形式首先被Gi固定形成C3,然后

C3在ATP和［田的作用下形成(CIM))和C5；能量变化则是储存在ATP中活

跃的化学能转变成储存在(CH#)中的稳定的化学能。

2.温室效应产生的主要原因是什么？缓解措施有哪些？(至少写两

点)

提示：温室效应主要与人类对化石燃料利用过度有关。缓解温室效应

的措施主要有植树造林、减少化石燃料的燃烧、开发新能源等。

［考法・考技•考能】

考法1，碳循环的过程及特点分析

1.下列关于碳循环的叙述，正确的是()

A.大气圈的含碳量明显高于海洋中的

B.生物圈需不断地从外界获得碳的补充

C.人类对能源的过度消费会导致大气中CO?含量增加

D.大气圈通过碳循环时刻保持着CO?含量稳定不变

C［海洋是地球系统中最大的碳库，海洋中的含碳量明显高于大气圈

含碳量，A错误；碳循环是指在生物圈中的循环，因此也叫生物地球化学

循环，碳循环中的物质可以被反复利用，所以生物圈不需要从外界获得碳

的补充，B错误；由于人类对能源的过度消费使CS释放量大于植物的吸

收量，会导致大气中CO?含量增加，C正确；冬季气温低，植物光合作用

弱，吸收C0?减少，气温低，中高纬度的人们需要燃烧化石燃料取暖，使

CO2排放增多，故大气中CO?含量会随季节变化,而不是CO?含量稳定不变，

D错误。］

2.如图为某生态系统碳循环的过程。下列有关叙述错误的是（）

A.d表示大气中的CO”由于许多因素的影响其含量夏季低于冬季

B.通过a的吸收，a、b的呼吸作用、c的分解作用及e的燃烧，实

现碳循环

C.在正常演替过程中，生产者固定CO,量大于整个生物群落排放C02

量

D.只需将d的含义改为热能，该图即可表示为该生态系统的能量流

动示意图

D［d表示大气中的C02,由于夏季植物的光合作用能力强于冬季等

因素的影响，故其含量夏季低于冬季，A正确；碳循环是指以CO2的形式

在无机环境和生物群落之间的往返运动，即通过a的吸收，a、b的呼吸

作用、c的分解作用及e的燃烧，可实现碳循环，B正确；若此生态系统

中的生物群落处在朝复杂化演替的过程中，生产者吸收的C02量大于整个

生物群落排放的C02量，c正确；由于能量只能单向流动、逐级递减，且

植物不能利用热能，所以将d的含义改为热能，题图也不可表示为该生态

系统的能量流动示意图，I）错误。］

考法2＞物质循环和能量流动的关系分析

3.如图为一个简化的生态系统能量流动和物质循环示意图，对图中

箭头的含义表述错误的是（）

A.①可表示碳元素从二氧化碳转变为有机物

B.⑤可表示生物群落中的物质回归无机环境

C.②表示能量在生物体之间单向流动

D.④和⑤可表示生物群落中能量的散失

D［读图可知，碳元素从二氧化碳变为有机物一一①光合作用合成有

机物，A正确；能量在生物体之间单向流动一一②③能量在生物体之间流

动，C正确；生物群落中能量的散失一一④呼吸作用以热能的形式散失,

生物群落中的物质回归无机环境一一⑤分解者的分解，B正确，D错误。］

4.如图为某湿地生态系统的碳循环示意图，箭头表示碳元素的流动

方向，请回答下列问即。

(1)该湿地生态系统中物种丰富，湖中挺立着荷花，湖面漂浮着浮萍，

水中金鱼藻起舞，这种现象体现了群落的结构，这种结构的意义

在于。

(2)图中的营养结构(食物链)可以表示为(用字母和箭头表

示)，图中缺少的一个箭头在________之间。碳元素在A、B之间以________

形式传递，E粪便中的能量属于第营养级同化的能量。

(3)人们每年都要从该湿地生态系统中捕捞一定数量的鲤鱼，使鲤鱼

的种群数量保持在K/2左右，这样做的原因是

［解析］(1)湖中挺立着荷花，湖面漂浮着浮萍，水中金鱼藻起舞，

这种现象体现了群落的垂直结构，这有利于提高群落利用光能等资源的能

力。(2)图中的营养结构(食物链)可以表示为A-D-E-F,图中缺少的一

个箭头在D、B之间。碳元素在A、B之间即在生产者和分解者之间以有机

物形式传递，E粪便中的能量属于上一营养级中的能量，即第二营养级同

化的能量。(3)种群数量在K/2时鲤鱼的增长速率最大，有利于鲤鱼的种

群数量的恢复，故人们从该湿地生态系统中捕捞鲤鱼时应使鲤鱼的种群数

量保持在K/2左右。

［答案］(1)垂直提高了群落利用阳光等资源的能力

(2)A->D->E-*FD、B有机物二

(3)此时鲤鱼的增长速率最大，有利于鲤鱼的种群数量恢复

1.最高营养级的能量去路只有3

个，没有“传递给下一营养级”这1.通常，生态系统的食物链不

一去路。会很长，原因是能量在沿食物

2.流经各营养级的总能量：对生链流动的过程中是逐级递减

产者而言强调关键词“固定”而的。

不能说“照射”，对各级消费者而2.生态系统的能量流动具有单

言强调关键词“同化”而不能说向流动、逐级递减的特点。

“摄入”。3.生态系统的能量单向流动的

3.“相邻两营养级”的能量传递原因：食物链中的捕食关系是

效率才“相邻两个生物个体”间长期自然选择的结果，不能逆

的能量传递效率。如“一只狼”捕转；生产者不能再利用散失的

获“一只狐”时，狼应获得了狐的热能。

大部分能量而不是获得10%〜20%4.生态系统的能量流动逐级递

的能量，所有狼可获得所有狐的能减的原因：某个营养级同化的

量的10%〜20虬能量中自身呼吸要消耗一部

4.未被利用的能量包括生物每年分，还有一部分被分解者利用，

的积累量和动植物残体以化石燃所以不能将全部的能量流入下

料的形式被储存起来的能量。一个营养级。

5.一个营养级所同化的能量=呼5.从能量流动角度分析农田除

吸消耗的能量+被下一营养级同草、除虫的目的：调整生态系

化的能量+分解者利用的能量+统中的能量流动关系，使能量

未被利用的能量。持续、高效地流向对人类最有

6.误认为在生物群落中碳元素都益的部分。

是以C(%的形式进行循环的：在生

物群洛与无机环境之间，碳元素是

以CO2的形式进行的，但在生物群

落内碳元素则是以含碳有机物的

形式进行传递的。

真题体验I感悟高考淬炼考能

［新高考•选择性考试示范］

L（广东选择考适应性测试）1942年，美国生态学家林德曼对赛达伯

格湖的能量流动分析，是生态系统能量流动定量研究的开创性工作。如图

是赛达伯格湖的能量流动图解（图中数字为能量数值，单位是J•cor?•a

―1）。下列关于该生态系统能量利用和传递特征的叙述，错误的是（）

A.太阳能被生态系统固定的效率小于0.1%

B.流经生态系统的总能量为464.6J-cm-2-a-1

C.呼吸作用消耗能量的比例随营养级的提高而降低

D.相邻营养级之间的能量传递效率范围是13%〜20%

C［生产者固定的太阳能为464.61・（:『2・@一1占太阳辐射能量

497693.2J•

摭一2・屋1的0.093%,A正确；流经生态系统的总能量为生产者固定的太

阳能，B正确;生产者呼吸消耗的能量比例为96.3/464.6X100%=20.7%,

植食动物呼吸消耗的能量比例为18.8/62.8X100%=29.9%,C错误；生产

者到植食动物的能量传递效率为62.8/464.6X100%=13.5%,植食动物到

肉食动物的能量传递效率为12.6/62.8X10096=20%,D正确。］

2.(广东选择考适应性测试)早在明朝，我国劳动人民已经懂得根据

鱼类的不同食性和栖息特点进行混合放养，以提高养殖的经济效益。下表

为果鱼塘中鱼的种类、栖息水层和主要食物的对应关系。

鱼的种类栖息水层主要食物

鲤鱼上层