高二年級(jí)生物生態(tài)系統(tǒng)的能量流動(dòng)隨堂作業(yè)一、能量流動(dòng)過(guò)程分析題某草原生態(tài)系統(tǒng)中存在食物鏈：草→兔→狐。請(qǐng)結(jié)合能量流動(dòng)的特點(diǎn)，分析該食物鏈中能量傳遞的具體過(guò)程，并闡述每個(gè)營(yíng)養(yǎng)級(jí)能量的去向。在該草原生態(tài)系統(tǒng)的食物鏈“草→兔→狐”中，能量流動(dòng)始于草通過(guò)光合作用固定的太陽(yáng)能。草作為生產(chǎn)者，其所固定的太陽(yáng)能是整個(gè)生態(tài)系統(tǒng)能量的源頭。草這一營(yíng)養(yǎng)級(jí)的能量去向主要有以下幾個(gè)方面：一部分能量通過(guò)草的呼吸作用以熱能的形式散失到環(huán)境中，這是維持草自身生命活動(dòng)所必需的，比如草進(jìn)行細(xì)胞呼吸釋放能量供其生長(zhǎng)、分裂等；一部分能量用于草自身的生長(zhǎng)、發(fā)育和繁殖，這部分能量會(huì)儲(chǔ)存在草的有機(jī)物中；還有一部分能量會(huì)隨著殘枝敗葉等被分解者分解而釋放出來(lái)；另外，當(dāng)兔攝食草時(shí)，草中的部分能量會(huì)流入兔這一營(yíng)養(yǎng)級(jí)。兔作為初級(jí)消費(fèi)者，從草中獲取能量后，其能量去向與草類似但又有不同。兔通過(guò)呼吸作用將一部分能量以熱能形式散失，以滿足自身生命活動(dòng)的需求，如奔跑、消化等；兔攝入的草并非全部都能被同化，其中一部分會(huì)以糞便的形式排出體外，這部分能量實(shí)際上屬于草未被兔同化的能量，會(huì)被分解者分解；兔同化的能量中，一部分用于自身的生長(zhǎng)、發(fā)育和繁殖，儲(chǔ)存在兔的身體組織中；當(dāng)狐捕食兔時(shí)，兔體內(nèi)的部分能量會(huì)流入狐這一營(yíng)養(yǎng)級(jí)。狐作為次級(jí)消費(fèi)者，從兔中獲取能量。狐同樣會(huì)通過(guò)呼吸作用散失部分能量；狐攝入的兔也有一部分未被同化，以糞便形式排出，這部分能量屬于兔未被狐同化的能量，由分解者分解；狐同化的能量中，一部分用于自身的生長(zhǎng)、發(fā)育和繁殖；由于在該食物鏈中狐是頂級(jí)消費(fèi)者，其遺體殘骸等會(huì)被分解者分解，釋放出能量。整個(gè)能量流動(dòng)過(guò)程具有單向流動(dòng)和逐級(jí)遞減的特點(diǎn)。單向流動(dòng)是因?yàn)槟芰恐荒軓牡蜖I(yíng)養(yǎng)級(jí)流向高營(yíng)養(yǎng)級(jí)，而不能反向流動(dòng)，這是由捕食關(guān)系的不可逆性決定的。逐級(jí)遞減是指每個(gè)營(yíng)養(yǎng)級(jí)的能量只有大約10%~20%能夠傳遞到下一個(gè)營(yíng)養(yǎng)級(jí)，其余能量則通過(guò)呼吸作用散失、被分解者利用或未被同化等方式消耗掉。下圖為某生態(tài)系統(tǒng)能量流動(dòng)示意圖（圖中數(shù)字表示能量值，單位為kJ）。請(qǐng)分析圖中各部分能量的含義，并說(shuō)明生產(chǎn)者到初級(jí)消費(fèi)者的能量傳遞效率是多少，該效率體現(xiàn)了能量流動(dòng)的什么特點(diǎn)。（假設(shè)圖中生產(chǎn)者固定的總能量為1000kJ，初級(jí)消費(fèi)者同化的能量為150kJ，初級(jí)消費(fèi)者呼吸消耗的能量為50kJ，用于生長(zhǎng)、發(fā)育和繁殖的能量為100kJ，次級(jí)消費(fèi)者同化的能量為30kJ等）首先分析圖中各部分能量的含義：生產(chǎn)者固定的總能量為1000kJ，這是流經(jīng)該生態(tài)系統(tǒng)的總能量，是生產(chǎn)者通過(guò)光合作用將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化而來(lái)的化學(xué)能。初級(jí)消費(fèi)者同化的能量為150kJ，這部分能量是初級(jí)消費(fèi)者從生產(chǎn)者那里獲取并成功同化的能量，是生產(chǎn)者流向初級(jí)消費(fèi)者的能量。初級(jí)消費(fèi)者呼吸消耗的能量為50kJ，這是初級(jí)消費(fèi)者為維持自身生命活動(dòng)，通過(guò)呼吸作用將同化的能量以熱能形式散失的部分。用于生長(zhǎng)、發(fā)育和繁殖的能量為100kJ，這部分能量?jī)?chǔ)存在初級(jí)消費(fèi)者的身體中，可用于自身的生長(zhǎng)、繁殖等生命活動(dòng)，也是能夠流向次級(jí)消費(fèi)者或被分解者利用的能量基礎(chǔ)。次級(jí)消費(fèi)者同化的能量為30kJ，這是次級(jí)消費(fèi)者從初級(jí)消費(fèi)者那里同化的能量，體現(xiàn)了能量從初級(jí)消費(fèi)者到次級(jí)消費(fèi)者的傳遞。生產(chǎn)者到初級(jí)消費(fèi)者的能量傳遞效率計(jì)算方法是：（初級(jí)消費(fèi)者同化的能量÷生產(chǎn)者固定的總能量）×100%，即（150÷1000）×100%=15%。該效率體現(xiàn)了能量流動(dòng)逐級(jí)遞減的特點(diǎn)。從計(jì)算結(jié)果可以看出，生產(chǎn)者固定的能量只有15%傳遞到了初級(jí)消費(fèi)者，大部分能量在傳遞過(guò)程中損失掉了，這表明能量在沿著食物鏈流動(dòng)時(shí)，并不是全部傳遞給下一個(gè)營(yíng)養(yǎng)級(jí)，而是有很大一部分被消耗掉，導(dǎo)致每個(gè)營(yíng)養(yǎng)級(jí)的能量都比上一個(gè)營(yíng)養(yǎng)級(jí)少，呈現(xiàn)出逐級(jí)遞減的趨勢(shì)。某湖泊生態(tài)系統(tǒng)中，浮游植物是生產(chǎn)者，浮游動(dòng)物以浮游植物為食，小型魚(yú)類捕食浮游動(dòng)物，大型魚(yú)類捕食小型魚(yú)類。請(qǐng)分析在該生態(tài)系統(tǒng)中，能量流動(dòng)為什么是單向的，并且逐級(jí)遞減。在該湖泊生態(tài)系統(tǒng)中，能量流動(dòng)單向性的原因主要有以下幾點(diǎn)：首先，食物鏈中各營(yíng)養(yǎng)級(jí)之間的捕食關(guān)系是不可逆的。浮游植物被浮游動(dòng)物捕食，浮游動(dòng)物被小型魚(yú)類捕食，小型魚(yú)類被大型魚(yú)類捕食，這種捕食關(guān)系一旦形成，就不會(huì)逆轉(zhuǎn)，能量也就只能從低營(yíng)養(yǎng)級(jí)向高營(yíng)養(yǎng)級(jí)流動(dòng)，而不能反向進(jìn)行。例如，大型魚(yú)類不會(huì)反過(guò)來(lái)被小型魚(yú)類捕食，小型魚(yú)類也不會(huì)被浮游動(dòng)物捕食。其次，能量轉(zhuǎn)化過(guò)程中存在不可逆性。生產(chǎn)者通過(guò)光合作用將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能，這個(gè)過(guò)程是不可逆的，化學(xué)能不能再自發(fā)地轉(zhuǎn)化為太陽(yáng)能。消費(fèi)者通過(guò)攝食獲取能量，經(jīng)過(guò)消化、吸收等過(guò)程轉(zhuǎn)化為自身的能量，這些能量在呼吸作用中以熱能形式散失后，也不能再重新聚集起來(lái)被生物體利用，因?yàn)闊崮艿膫鬟f是單向的，只能從高溫物體向低溫物體傳遞，而不能反向進(jìn)行。能量流動(dòng)逐級(jí)遞減的原因主要包括：第一，各營(yíng)養(yǎng)級(jí)的生物都會(huì)通過(guò)呼吸作用消耗大量能量。無(wú)論是浮游植物、浮游動(dòng)物，還是小型魚(yú)類、大型魚(yú)類，它們都需要進(jìn)行呼吸作用來(lái)維持生命活動(dòng)，呼吸作用會(huì)將同化的能量一部分以熱能形式散失到環(huán)境中，這部分能量無(wú)法再傳遞到下一個(gè)營(yíng)養(yǎng)級(jí)。例如，浮游動(dòng)物同化能量后，大部分會(huì)通過(guò)呼吸作用散失，只有一小部分用于生長(zhǎng)、發(fā)育和繁殖，進(jìn)而可能傳遞給小型魚(yú)類。第二，各營(yíng)養(yǎng)級(jí)的生物總有一部分能量未被下一個(gè)營(yíng)養(yǎng)級(jí)利用。可能是因?yàn)橄乱粋€(gè)營(yíng)養(yǎng)級(jí)的生物不能完全捕食上一個(gè)營(yíng)養(yǎng)級(jí)的所有個(gè)體，比如小型魚(yú)類可能無(wú)法捕食所有的浮游動(dòng)物，未被捕食的浮游動(dòng)物死亡后，其能量會(huì)被分解者利用，而不是傳遞給小型魚(yú)類。此外，上一個(gè)營(yíng)養(yǎng)級(jí)生物的遺體、殘骸等也會(huì)被分解者分解，這部分能量也不會(huì)傳遞到下一個(gè)營(yíng)養(yǎng)級(jí)。第三，消費(fèi)者攝入的能量并非全部被同化。例如，浮游動(dòng)物攝食浮游植物后，會(huì)有一部分食物殘?jiān)约S便的形式排出體外，這部分能量屬于浮游植物未被浮游動(dòng)物同化的能量，會(huì)被分解者利用，而不會(huì)進(jìn)入浮游動(dòng)物的同化量中，也就無(wú)法傳遞到下一個(gè)營(yíng)養(yǎng)級(jí)。二、能量傳遞效率計(jì)算題某生態(tài)系統(tǒng)的食物鏈為A→B→C→D。已知A固定的能量為10000kJ，B同化的能量為1500kJ，C同化的能量為200kJ，D同化的能量為30kJ。請(qǐng)分別計(jì)算A到B、B到C、C到D的能量傳遞效率，并分析隨著營(yíng)養(yǎng)級(jí)的升高，能量傳遞效率的變化趨勢(shì)。A到B的能量傳遞效率=（B同化的能量÷A固定的能量）×100%=（1500÷10000）×100%=15%。B到C的能量傳遞效率=（C同化的能量÷B同化的能量）×100%=（200÷1500）×100%≈13.3%。C到D的能量傳遞效率=（D同化的能量÷C同化的能量）×100%=（30÷200）×100%=15%。從計(jì)算結(jié)果可以看出，隨著營(yíng)養(yǎng)級(jí)的升高，能量傳遞效率并沒(méi)有呈現(xiàn)出明顯的遞增或遞減的固定趨勢(shì)，而是在一定范圍內(nèi)波動(dòng)（13.3%~15%）。這是因?yàn)槟芰總鬟f效率受到多種因素的影響，如各營(yíng)養(yǎng)級(jí)生物的代謝效率、捕食成功率、食物的消化吸收率等。不同營(yíng)養(yǎng)級(jí)之間的這些因素存在差異，導(dǎo)致能量傳遞效率在不同的營(yíng)養(yǎng)級(jí)傳遞過(guò)程中有所波動(dòng)，但總體上都處于10%~20%的范圍內(nèi)，體現(xiàn)了能量流動(dòng)逐級(jí)遞減的總趨勢(shì)。在一個(gè)農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)中，水稻是生產(chǎn)者，田鼠以水稻為食，蛇捕食田鼠。若水稻固定的太陽(yáng)能總量為8×10?kJ，田鼠同化的能量為6×10?kJ，蛇同化的能量為7×10?kJ。請(qǐng)計(jì)算水稻到田鼠、田鼠到蛇的能量傳遞效率，并說(shuō)明如果蛇的數(shù)量大量減少，對(duì)田鼠和水稻的能量會(huì)產(chǎn)生什么影響。水稻到田鼠的能量傳遞效率=（田鼠同化的能量÷水稻固定的太陽(yáng)能總量）×100%=（6×10?÷8×10?）×100%=7.5%。田鼠到蛇的能量傳遞效率=（蛇同化的能量÷田鼠同化的能量）×100%=（7×10?÷6×10?）×100%≈11.7%。如果蛇的數(shù)量大量減少，對(duì)田鼠和水稻的能量會(huì)產(chǎn)生一系列影響。蛇是田鼠的天敵，蛇數(shù)量減少后，田鼠的生存壓力減小，被捕食的概率降低，田鼠的數(shù)量會(huì)在短時(shí)間內(nèi)增加。隨著田鼠數(shù)量的增加，田鼠對(duì)水稻的攝食量會(huì)增多，導(dǎo)致水稻被消耗的能量增加，那么水稻用于自身生長(zhǎng)、發(fā)育和繁殖的能量會(huì)減少。而田鼠數(shù)量增加后，雖然其同化的能量會(huì)因?yàn)閿z食增多而有所增加，但由于田鼠種群數(shù)量增多，種內(nèi)競(jìng)爭(zhēng)會(huì)加劇，同時(shí)可能會(huì)有其他限制因素（如空間、疾病等）影響其數(shù)量增長(zhǎng)。另外，田鼠呼吸消耗的能量也會(huì)隨著數(shù)量的增加而增多，導(dǎo)致田鼠用于生長(zhǎng)、發(fā)育和繁殖的能量在同化量中的比例可能發(fā)生變化。但總體來(lái)說(shuō)，蛇數(shù)量減少會(huì)使田鼠的同化能量先增加，進(jìn)而導(dǎo)致水稻固定的能量中流向田鼠的部分增加，水稻自身留存的能量減少。某森林生態(tài)系統(tǒng)中，存在食物鏈：植物→昆蟲(chóng)→鳥(niǎo)→猛禽。已知植物固定的能量為5×10?kJ，昆蟲(chóng)同化的能量為4×10?kJ，鳥(niǎo)同化的能量為6×10?kJ，猛禽同化的能量為8×10?kJ。請(qǐng)計(jì)算相鄰兩個(gè)營(yíng)養(yǎng)級(jí)之間的能量傳遞效率，并比較各營(yíng)養(yǎng)級(jí)之間傳遞效率的差異，分析可能的原因。植物到昆蟲(chóng)的能量傳遞效率=（昆蟲(chóng)同化的能量÷植物固定的能量）×100%=（4×10?÷5×10?）×100%=8%。昆蟲(chóng)到鳥(niǎo)的能量傳遞效率=（鳥(niǎo)同化的能量÷昆蟲(chóng)同化的能量）×100%=（6×10?÷4×10?）×100%=15%。鳥(niǎo)到猛禽的能量傳遞效率=（猛禽同化的能量÷鳥(niǎo)同化的能量）×100%=（8×10?÷6×10?）×100%≈13.3%。各營(yíng)養(yǎng)級(jí)之間傳遞效率存在差異，植物到昆蟲(chóng)的傳遞效率較低（8%），昆蟲(chóng)到鳥(niǎo)的傳遞效率較高（15%），鳥(niǎo)到猛禽的傳遞效率處于中間（13.3%）?？赡艿脑蛉缦拢褐参锏嚼ハx(chóng)傳遞效率低，可能是因?yàn)槔ハx(chóng)對(duì)植物的利用率較低。植物的有些部分（如纖維素含量高的細(xì)胞壁）昆蟲(chóng)難以消化吸收，導(dǎo)致昆蟲(chóng)攝入植物后，同化的能量較少。此外，植物可能會(huì)產(chǎn)生一些防御性化學(xué)物質(zhì)，阻止昆蟲(chóng)攝食，使得昆蟲(chóng)能夠獲取的植物能量有限。昆蟲(chóng)到鳥(niǎo)的傳遞效率較高，可能是因?yàn)轼B(niǎo)對(duì)昆蟲(chóng)的捕食效率高，能夠捕食大量的昆蟲(chóng)，并且鳥(niǎo)對(duì)昆蟲(chóng)的消化吸收率高，昆蟲(chóng)的身體結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，營(yíng)養(yǎng)成分更易于被鳥(niǎo)同化。同時(shí)，昆蟲(chóng)的生長(zhǎng)繁殖速度較快，能夠?yàn)轼B(niǎo)提供較為充足的食物來(lái)源，使得鳥(niǎo)能夠同化較多的能量。鳥(niǎo)到猛禽的傳遞效率略低于昆蟲(chóng)到鳥(niǎo)的傳遞效率，可能是因?yàn)槊颓莸牟妒畴y度相對(duì)較大，鳥(niǎo)的活動(dòng)能力較強(qiáng)，猛禽需要消耗更多的能量來(lái)捕食鳥(niǎo)，導(dǎo)致實(shí)際同化的能量比例有所降低。另外，鳥(niǎo)可能會(huì)有一些逃避猛禽捕食的策略，使得猛禽的捕食成功率不如鳥(niǎo)捕食昆蟲(chóng)高，從而影響了能量傳遞效率。三、填空問(wèn)答題生態(tài)系統(tǒng)中能量流動(dòng)的起點(diǎn)是______，能量流動(dòng)的渠道是______和______。能量在流動(dòng)過(guò)程中，最終的去向是______。生態(tài)系統(tǒng)中能量流動(dòng)的起點(diǎn)是生產(chǎn)者通過(guò)光合作用固定的太陽(yáng)能。因?yàn)樯a(chǎn)者是生態(tài)系統(tǒng)中唯一能夠?qū)⑻?yáng)能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能的生物，其他生物都依賴于生產(chǎn)者固定的能量生存。能量流動(dòng)的渠道是食物鏈和食物網(wǎng)。食物鏈反映了生物之間吃與被吃的關(guān)系，能量沿著食物鏈從一個(gè)營(yíng)養(yǎng)級(jí)流向另一個(gè)營(yíng)養(yǎng)級(jí)；而食物網(wǎng)是由多條食物鏈交織而成的，它更全面地反映了生態(tài)系統(tǒng)中生物之間的能量聯(lián)系，使得能量能夠在更復(fù)雜的路徑中流動(dòng)。能量在流動(dòng)過(guò)程中，最終的去向是通過(guò)各營(yíng)養(yǎng)級(jí)生物的呼吸作用以熱能的形式散失到環(huán)境中。無(wú)論是生產(chǎn)者、消費(fèi)者還是分解者，它們?cè)谶M(jìn)行生命活動(dòng)時(shí)都會(huì)進(jìn)行呼吸作用，將同化的能量一部分轉(zhuǎn)化為熱能散失，這些熱能無(wú)法再被生物利用，最終回歸到無(wú)機(jī)環(huán)境中，這也是能量流動(dòng)單向性的一個(gè)重要體現(xiàn)。某生態(tài)系統(tǒng)中，第一營(yíng)養(yǎng)級(jí)的能量為1000kJ，按照能量傳遞效率10%~20%計(jì)算，第三營(yíng)養(yǎng)級(jí)最多可獲得______kJ的能量，最少可獲得______kJ的能量。請(qǐng)說(shuō)明計(jì)算的依據(jù)。某生態(tài)系統(tǒng)中，第一營(yíng)養(yǎng)級(jí)的能量為1000kJ。要計(jì)算第三營(yíng)養(yǎng)級(jí)最多可獲得的能量，應(yīng)按照最高的能量傳遞效率20%計(jì)算。第一營(yíng)養(yǎng)級(jí)到第二營(yíng)養(yǎng)級(jí)最多傳遞的能量為1000×20%=200kJ；第二營(yíng)養(yǎng)級(jí)到第三營(yíng)養(yǎng)級(jí)最多傳遞的能量為200×20%=40kJ，所以第三營(yíng)養(yǎng)級(jí)最多可獲得40kJ的能量。要計(jì)算第三營(yíng)養(yǎng)級(jí)最少可獲得的能量，應(yīng)按照最低的能量傳遞效率10%計(jì)算。第一營(yíng)養(yǎng)級(jí)到第二營(yíng)養(yǎng)級(jí)最少傳遞的能量為1000×10%=100kJ；第二營(yíng)養(yǎng)級(jí)到第三營(yíng)養(yǎng)級(jí)最少傳遞的能量為100×10%=10kJ，所以第三營(yíng)養(yǎng)級(jí)最少可獲得10kJ的能量。計(jì)算的依據(jù)是能量傳遞效率在10%~20%之間，當(dāng)計(jì)算某一營(yíng)養(yǎng)級(jí)最多能獲得的能量時(shí)，采用最高的傳遞效率，因?yàn)檫@樣每一級(jí)傳遞的能量都最多，最終到達(dá)該營(yíng)養(yǎng)級(jí)的能量也就最多；而計(jì)算最少獲得的能量時(shí)，采用最低的傳遞效率，因?yàn)槊恳患?jí)傳遞的能量都最少，最終到達(dá)該營(yíng)養(yǎng)級(jí)的能量也就最少。簡(jiǎn)述生態(tài)系統(tǒng)能量流動(dòng)的特點(diǎn)，并說(shuō)明研究能量流動(dòng)的實(shí)踐意義。生態(tài)系統(tǒng)能量流動(dòng)具有兩個(gè)主要特點(diǎn)：?jiǎn)蜗蛄鲃?dòng)和逐級(jí)遞減。單向流動(dòng)是指能量只能從第一營(yíng)養(yǎng)級(jí)流向第二營(yíng)養(yǎng)級(jí)，再依次流向后面的各個(gè)營(yíng)養(yǎng)級(jí)，而不能逆向流動(dòng)，也不能循環(huán)流動(dòng)。這是由生態(tài)系統(tǒng)中生物之間的捕食關(guān)系決定的，捕食關(guān)系是不可逆的，并且能量在轉(zhuǎn)化過(guò)程中會(huì)以熱能形式散失，而熱能無(wú)法再被生物重新利用來(lái)合成有機(jī)物。逐級(jí)遞減是指能量在沿著食物鏈