生態(tài)系統(tǒng)的能量流動深度解讀與分析

尹利軍

一、群落能量流動過程

生態(tài)系統(tǒng)能量流動包括能量的輸入、傳遞、轉(zhuǎn)化和散失.其內(nèi)容總結(jié)如下表.

例1圖1表示某一生態(tài)系統(tǒng)的能量金字塔，其Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ分別代表不同的營養(yǎng)級，E1、E2代表能量的形式.下列敘述正確的是

（）.

A.Ⅰ和Ⅳ是實現(xiàn)物質(zhì)循環(huán)的關(guān)鍵生態(tài)成分圖1

B.該圖所示的食物網(wǎng)只有1條食物鏈：Ⅰ→Ⅱ→Ⅲ→Ⅳ

C.E1表示的能量主要是通過光合作用所輸入的能量

D.能量可在食物鏈中循環(huán)利用

解析本題考查能量流動過程，考查分析問題能力.圖中Ⅰ代表生產(chǎn)者，Ⅱ、Ⅲ和Ⅳ都代表消費者，實現(xiàn)物質(zhì)循環(huán)的關(guān)鍵生態(tài)成分是生產(chǎn)者和分解者，A項錯誤.每一營養(yǎng)級的生物種類可能有很多，該圖所示的食物網(wǎng)可能由很多條食物鏈組成，B項錯誤.生態(tài)系統(tǒng)中能量流動是單向的，能量不能循環(huán)利用，D項錯誤.

答案：C

方法歸納流經(jīng)生態(tài)系統(tǒng)的能量還可以用表格形式體現(xiàn)，如下表是某生態(tài)系統(tǒng)營養(yǎng)級和能量流動的調(diào)查情況[能量單位J/（cm2·a）]，表中的①～④分別表示不同的營養(yǎng)級，⑤為分解者，表中NP=GP-R.

分析根據(jù)題干可以推知表中的營養(yǎng)結(jié)構(gòu)關(guān)系是②→⑤→④→①→③（但不一定構(gòu)成一條食物鏈），這是該生態(tài)系統(tǒng)能量流動的途徑.流入該生態(tài)系統(tǒng)的總能量是②生產(chǎn)者固定的太陽能總量，即871.27J/（cm2·a），可以通過比較生態(tài)系統(tǒng)散失的總能量（呼吸消耗部分）比生產(chǎn)者固定的太陽能總量少，推斷該系統(tǒng)能量在增加，系統(tǒng)的穩(wěn)定性會提升.

營養(yǎng)級生物同化作用所固定的能量（GP）生物體貯存著的能量（NP）生物呼吸消耗的能量（R）

①15.912.6813.23

②871.27369.69501.58

③0.880.340.54

④141.2062.0779.13

⑤211.8519.26192.59

二、某營養(yǎng)級能量流動過程（如圖2所示）

圖解解讀：

（1）圖中攝入量、同化量、糞便量三者之間的關(guān)系：攝入量=同化量+糞便量.流入某一營養(yǎng)級的能量是指該營養(yǎng)級生物的同化量，而不是攝入量；糞便中能量不屬本營養(yǎng)級同化量而屬“上一營養(yǎng)級的同化量中流入分解者的能量的一部分”.

（2）在各營養(yǎng)級中，能量的三個去路：①通過呼吸作用以熱能的形式散失；②被下一營養(yǎng)級生物利用；③被分解者利用.

圖3例2某生態(tài)系統(tǒng)中有A、B、C、D四種生物，構(gòu)成食物鏈A→B→C，D為分解者，如圖3是該生態(tài)系統(tǒng)中能量流入B處發(fā)生的一系列變化示意圖，下列說法錯誤的是 （ ）.

A.圖中的甲表示B的同化量，乙表示B用于生長、發(fā)育和繁殖的能量

B.參與丁過程的都是異養(yǎng)型生物，包括細菌、真菌等

C.當生態(tài)系統(tǒng)處于相對穩(wěn)定狀態(tài)時，B的種群數(shù)量一般處于K值

D.圖中D的能量全部來自B生物

解析本題考查營養(yǎng)級間能量流動過程.當生態(tài)系統(tǒng)處于相對穩(wěn)定狀態(tài)時，B種群數(shù)量達到環(huán)境容納的最大值，一般處于K值；B攝入量為其同化量和糞便量之和，其同化量一部分用于呼吸消耗，一部分用于自身的生長、發(fā)育和繁殖；丁過程為分解者的分解作用，分解者主要是營腐生生活的細菌、真菌等，都是異養(yǎng)型生物；D的能量可來自于B的糞便，而此部分屬于上一營養(yǎng)級A的能量.

答案：D

方法歸納為便于掌握某營養(yǎng)級能量流動過程，可以用“拼圖法”分拆其過程，如圖4所示（設(shè)在第一、二營養(yǎng)級間流動）.

分析輸入第一營養(yǎng)級的能量也即流經(jīng)整個生態(tài)系統(tǒng)的總能量是生產(chǎn)者固定的總能量，即W1，被分解為兩部分：一部分在生產(chǎn)者的呼吸作用中以熱能的形式散失了（A1），一部分則用于生產(chǎn)者的生長、發(fā)育和繁殖（B1+C1+D1）.而后一部分能量中，包括現(xiàn)存的植物體B1、流向分解者的C1、流向下一營養(yǎng)級的D1.將圖中第三營養(yǎng)級同化的總能量D2“拼回”第二營養(yǎng)級，則第二營養(yǎng)級的總能量剛好等于D1，即第二營養(yǎng)級同化的能量；再將D1“拼回”第一營養(yǎng)級，則剛好等于生產(chǎn)者固定的總能量W1.可見，在一個生態(tài)系統(tǒng)中，所有生物的總能量都來自W1，所有生物總能量之和都小于W1（呼吸作用消耗的緣故）.

單向流動 逐級遞減

原因①能量流動是沿食物鏈進行的，食物鏈中各營養(yǎng)級之間的捕食關(guān)系是長期自然選擇的結(jié)果，是不可逆轉(zhuǎn)的；②各營養(yǎng)級通過呼吸作用所產(chǎn)生的熱能不能被生物群落重復利用，因此能量流動無法循環(huán).

①各營養(yǎng)級生物都會因呼吸作用消耗大部分能量；②各營養(yǎng)級的能量都會有一部分流入分解者，包括未被下一營養(yǎng)級生物利用的部分.

說明①不定時分析：流入某一營養(yǎng)級的能量在足夠長的時間內(nèi)的去路可能有3條，即自身呼吸消耗、流入下一營養(yǎng)級（最高營養(yǎng)級除外）和被分解者分解利用.

②定時分析：流入某一營養(yǎng)級的能量在一定時間內(nèi)的去路可能有4條，除了上面的三條外，還有一條是既未被自身呼吸消耗，也未被下一營養(yǎng)級和分解者利用，即“未被利用”部分.如果是以年為單位研究，其中“未被利用”部分能量將保留到下一年.

提示影響能量傳遞效率高低的因素

上一營養(yǎng)級生物呼吸速率越低，或是下一營養(yǎng)級的捕食、同化效率越高，相鄰營養(yǎng)級之間的能量傳遞效率就會越高.代謝所需的酶由生物的遺傳基礎(chǔ)決定，環(huán)境條件會影響生物的代謝和捕食效率.

例3在生態(tài)系統(tǒng)中，營養(yǎng)級越高的生物獲得的總能量越少.下列解釋錯誤的是（ ）.

A.各營養(yǎng)級中總有一部分能量被分解者利用

B.各營養(yǎng)級中的能量一部分以熱能形式散失

C.生物維持自身的生命活動消耗一部分能量

D.能量金字塔頂層的生物數(shù)量少需要能量少

解析D項應(yīng)該是能量金字塔頂層的生物因為所處的營養(yǎng)級高，因而獲得的能量最少，不能滿足太多個體所需.

答案：D

四、能量流動效率的相關(guān)計算

能量傳遞效率是指“相鄰兩營養(yǎng)級”間的傳遞效率，即下一營養(yǎng)級全部生物同化量/上一營養(yǎng)級全部生物同化量×100%，而不是相鄰營養(yǎng)級中個體間的傳遞效率，如“一只狼”捕獲“一只狐”時，應(yīng)獲得了狐的“大部分能量”而不是獲得“ 10%～20%”的能量，“所有狼”可獲得“所有狐”的能量才是10%～20%；同一食物鏈不同環(huán)節(jié)能量傳遞效率往往不完全相同，不涉及“最多”、“最少”，計算時不能按10%或20%，而需按具體數(shù)值計算.如在食物鏈A→B→C→D中，能量傳遞效率分別為a%、b%、c%，若A的能量為M，則D的能量為M×a%×b%×c%；在食物網(wǎng)中，某一營養(yǎng)級同時從上一營養(yǎng)級的多種生物按一定比例獲取能量，則按照單獨的食物鏈進行計算后再合并.

例4（綜合原創(chuàng)題）回答下列有關(guān)能量傳遞效率問題.

（1）圖5為一個草原生態(tài)系統(tǒng)的營養(yǎng)結(jié)構(gòu)示意圖，E表示牧草一年固定的太陽能總量，E1、E2、E3分別表示流入牲畜、昆蟲、鼠的能量.第一營養(yǎng)級傳遞到第二營養(yǎng)級的能量傳遞效率是.

（2）在圖6所示的食物網(wǎng)中，假如貓頭鷹的食物有2/5來自于兔子，2/5來自于鼠，1/5來自于蛇，那么貓頭鷹若增加 20 g體重，最少需要消費植物 （ ）.

A.600 g B.900 g C.1 600 g D.5 600 g

圖7圖8（3）如圖7所示的食物網(wǎng)中，若人的體重增加

1 kg，最少消耗水藻kg，最多消耗水藻kg.

（4）有一食物網(wǎng)如圖8所示.如果能量傳遞效率為10%，各條食物鏈傳遞到庚的能量相等，則庚增加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

（5）某自然保護區(qū)地震后，據(jù)不完全統(tǒng)計，植被毀損達到30%以上.圖9為該地區(qū)在人為干預下恢復過程的能量流動圖[單位為103 kJ/（m2·y）]，請回答：

圖9①如圖所示，輸入該生態(tài)系統(tǒng)的能量主要是，第一營養(yǎng)級到第二營養(yǎng)級的能量傳遞效率為 （保留一位小數(shù)）.

②圖9中A表示，圖中未利用部分的能量在生物體內(nèi)的存在形式是.

③如圖所示，除生產(chǎn)者外其他營養(yǎng)級需要補償能量輸入的原因是.計算可知，肉食性動物需補償輸入的能量值至少為×103 kJ/（m2·y）.

解析本題綜合考查能量流動的傳遞效率問題，考查獲取信息能力和分析問題能力.（1）該食物網(wǎng)共有4條食物鏈；牲畜、昆蟲、鼠屬于第二營養(yǎng)級，由第一營養(yǎng)級傳遞到第二營養(yǎng) 級的能量傳遞效率是兩個營養(yǎng)級同化量的比值，即（E1+E2+E3）/E.（2）通過食物鏈（植物→兔→貓頭鷹），貓頭鷹增加20 g×2/5=8 g，最少需要消費植物的量為8 g×5×5=200 g；通過食物鏈（植物→鼠→貓頭鷹），貓頭鷹增加20 g×2/5=8 g，最少需要消費植物的量為8 g×5×5=200 g；通過食物鏈（植物→鼠→蛇→貓頭鷹），貓頭鷹增加20 g×1/5=4 g，最少需要消費植物的量為4 g×5×5×5=500 g.所以合計至少需要消費植物200 g+200 g+500 g=900 g.（3）能量在相鄰兩個營養(yǎng)級間的傳遞效率是10%～20%.求最少消耗水藻時，選最短的食物鏈，如水藻→小魚→人，傳遞效率按20%計算，設(shè)最少消耗水藻為X，則X×20%×20%=1 kg，X=25 kg；求最多消耗水藻時，選最長的食物鏈，如水藻→水蚤→蝦→小魚→大魚→人，傳遞效率按10%計算，設(shè)最多消耗水藻為Y，則Y×10%×10%×10%×10%×10%=1 kg，Y=100 000 kg.（4）設(shè)丙的能量為x，經(jīng)丙→丁→己→庚傳遞到庚的能量為0.5 kJ，則需要丙0.5÷（10%）3=500（kJ），經(jīng)丙→戊→庚傳遞到庚的能量為0.5 kJ，則需要丙0.5÷（10%）2=50 （kJ），即丙最少含500+50=550（kJ）的能量.（5）生態(tài)系統(tǒng)的能量輸入有兩種方式：輸入太陽能和人為輸入有機物，從圖可以推知，該生態(tài)系統(tǒng)輸入的太陽能為3+14+70+23=110×103 kJ/（m2·y），輸入的有機物能量為7×103 kJ/（m2·y），所以輸入該生態(tài)系統(tǒng)的能量主要是生產(chǎn)者光合作用固定的太陽能，第一營養(yǎng)級到第二營養(yǎng)級的能量傳遞效率為14/110×100%=12.7%（保留一位小數(shù)）.圖9中A表示細胞呼吸（或呼吸作用），圖中未利用部分的能量在生物體內(nèi)的存在形式是有機物中的化學能.如圖9所示，除生產(chǎn)者外其他營養(yǎng)級需要補償能量輸入的原因是植被受損，光合作用能力減弱，流入該生態(tài)系統(tǒng)的能量減少；補償能量輸入可以減輕植被恢復的壓力.從第二營養(yǎng)級流入第三營養(yǎng)級的能量為：（14+2）-（0.5+4+9）=2.5×103 kJ/（m2·y），肉食性動物需補償輸入的能量值至少為：（0.05+0.25+2.1+5.1）-2.5=5×103 kJ/（m2·y）.

答案：（1）（E1+E2+E3）/E（2）B（3） 25100000（4）A（5）①生產(chǎn)者光合作用固定的太陽能12.7%②細胞呼吸（或呼吸作用） 有機物中的化學能③植被受損，流入該生態(tài)系統(tǒng)的能量減少；減輕植被恢復的壓力（答出前者即可） 5

五、考查能量流動與物質(zhì)循環(huán)關(guān)系（如下表所示）

項目能量流動物質(zhì)循環(huán)（以碳循環(huán)為例）

形式以有機物為載體以化學元素形式流動

特點單向流動、逐級遞減全球性、循環(huán)性

范圍生態(tài)系統(tǒng)各營養(yǎng)級生物圈（全球性）

聯(lián)系同時進行，相互依存，不可分割：①能量的固定、儲存、轉(zhuǎn)移和釋放，離不開物質(zhì)的合成和分解；

②物質(zhì)是能量沿食物鏈（網(wǎng)）流動的載體；③能量是物質(zhì)在生態(tài)系統(tǒng)中循環(huán)往復的動力

圖示

例5下列有關(guān)生態(tài)系統(tǒng)中能量流動的敘述，正確的是（ ）.

A.兔子吃了1千克的草，則這1千克草中的能量就流入了兔子體內(nèi)

B.一只狼捕食了一只兔子，則這只兔子中約有10%～20%的能量流入狼的體內(nèi)

C.生產(chǎn)者通過光合作用合成有機物，能量就從無機環(huán)境流入了生物群落

D.生態(tài)系統(tǒng)的能量是伴隨著物質(zhì)循環(huán)而被循環(huán)利用的

解析本題考查能量流動和物質(zhì)循環(huán)關(guān)系.兔子吃的草中的能量一部分被兔子同化，一部分殘留在糞便中，故A錯誤；能量傳遞效率中的10%～20%指的是營養(yǎng)級與營養(yǎng)級之間的傳遞效率，并非個體與個體之間的，故B錯誤；生產(chǎn)者通過光合作用合成有機物來固定太陽能，而太陽能來自無機環(huán)境，故C正確；生態(tài)系統(tǒng)中的能量是單向流動、逐級遞減的，最終都會以熱能的形式散失，故D錯誤.

答案：C

六、考查能量流動與生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性

能量流動效率能直接反映生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性，能量在傳遞過程中，若超過一定的限度，容易引起種群的生長、繁殖或再生等的障礙，從而導致生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性的改變.

例6某生態(tài)系統(tǒng)中的四種生物構(gòu)成一條食物鏈a→b→c→d，通過測定得到這四種生物a、b、c、d所含的有機物總量分別為M1、M2、M3和M4.下列敘述中錯誤的是（ ）.

A.M1一定不是a種群固定的太陽能總量

B.若M1<5M2，則生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)可能遭到破壞

C.d個體所含的有機物的質(zhì)量應(yīng)比c個體的小

D.若M2大量增加，一般會導致M1減少、M3增加

解析本題考查能量流動對生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響.生產(chǎn)者固定的太陽能總量中會通過細胞呼吸損失一部分，故A正確；根據(jù)能量流動的特點，前一營養(yǎng)級同化的能量要大于或等于后一營養(yǎng)級同化的能量的5倍，才能滿足后一營養(yǎng)級的能量需要，故B正確；相對較高營養(yǎng)級的個體不一定比相對較低營養(yǎng)級的個體小，如虎與兔，故C錯誤；一定時間內(nèi)，M2大量增加會導致被捕食者減少，捕食者增多，故D正確. 答案：C

七、以能量流動為中心的生態(tài)學綜合知識考查

例7某棄耕地的主要食物鏈由植物→田鼠→鼬構(gòu)成.生態(tài)學家對此食物鏈能量流動進行了研究，結(jié)果如下表，單位是J/（hm2·a）.

植物田鼠鼬

固定的太陽能攝入量同化量呼吸量攝入量同化量呼吸量

2.45×10111.05×1097.50×1087.15×1082.44×1072.25×1072.18×107

（1）能量從田鼠傳遞到鼬的效率是.

（2）在研究能量流 動時，可通過標志重捕法調(diào)查田鼠種群密度.在1 hm2范圍內(nèi)，第一次捕獲并標記40只田鼠，第二次捕獲30只，其中有標記的15只.該種群密度是只/hm2.若標記的田鼠有部分被鼬捕食，則會導致種群密度估算結(jié)果.

（3）田鼠和鼬都是恒溫動物，同化的能量中只有3%～ 5%用于，其余在呼吸作用中以熱能的形式散失.

（4）鼬能夠依據(jù)田鼠留下的氣味去獵捕后者，田鼠同樣也能夠依據(jù)鼬的氣味或行為躲避獵捕.可見，信息能夠，維持生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定.

解析本題考查能量流動傳遞效率及能量流動與生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能的關(guān)系.（1）田鼠的同化量是7.50×108 J/（hm2·a），鼬的同化量是2.25×10 7 J/（hm2·a），故能量傳遞效率為2.25×1077.50×108×100%=3%.（2）設(shè)1 hm2的范圍內(nèi)種群數(shù)量為M，則40M=1530，M=80.若標記的田鼠有部分被鼬捕食，即重捕個體中標記個體數(shù)減少，則估算值M偏高.（3）某一營養(yǎng)級的能量，一部分用于呼吸作用（細胞呼吸），一部分用于自身的生長、發(fā)育和繁殖.田鼠和鼬都屬于恒溫動物，進行呼吸作用用于維持體溫需消耗大量能量，還有部分能量用于自身的生長、發(fā)育和繁 殖.（4）由題意知，通過信息傳遞，鼬和田鼠的數(shù)量基本穩(wěn)定，可見信息傳遞可調(diào)節(jié)生物的種間關(guān)系，維持生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定.

答案：（1）3% （2）80 偏高

（3）生長、發(fā)育、繁殖等生命活動

（4）調(diào)節(jié)生物的種間關(guān)系

（收稿日期：2014-10-15）