快问快答 突破难点——生态系统的能量流动专题

湖北 孟大顺

快问快答 突破难点
——生态系统的能量流动专题

湖北 孟大顺

生态系统的能量流动这一部分内容在教学中要求颇高，且能量流动的过程和特点是考试中的重点，也是难点。现对这一专题中的一些细节进行分析，以期对同学们备考有所帮助。

1.能量的输入或散失过程属于能量流动的过程吗？

属于。生态系统中能量的输入、传递和散失的过程，称为生态系统的能量流动。

2.生态系统中能量的源头都是阳光吗？

除极少特殊的空间以外，地球上所有的生态系统所需要的能量都来自太阳。极少特殊的空间，如深海火山口中的硫细菌可从硫氧化中获得化学能将无机物合成有机物。所以对这些极少特殊空间来说，生态系统中能量的源头是化学能。

3.生态系统的能量总量是生产者固定的能量总量

这里的生产者包括绿色植物、光合细菌、蓝藻以及化能合成细菌（如：硝化细菌、硫细菌、铁细菌）等。而生产者固定的能量，是指其同化的能量，并不能等同于接受的能量。生产者可以通过光合作用或化能合成作用将其固定。生态系统的能量总量也不是指将生态系统中各个营养级能量相加后的总和，而仅是生产者固定的能量总量。

4.能量流动的渠道是食物链和食物网吗？

在人教版必修2中提到“食物链和食物网是生态系统的营养结构，生态系统的物质循环和能量流动就是沿着这种渠道进行的。”但这不能理解为能量流动的全过程都发生在食物链和食物网。能量流动的过程主要是传递，主要发生在生物群落内部。故食物链和食物网仅是在生物群落中通过生物的同化作用进行能量传递的渠道。

5.能量流经第一营养级的过程：

能量流经第一营养级的过程，教材是以文字形式表述，现以图示表示如下：

由于粪便没有被初级消费者同化，不属于第二营养级的能量，而属于第一营养级的能量，且最终还是被分解者分解。故第一营养级能量的去路为：①自身呼吸消耗；②分解者分解；③传给下一个营养级。若定时分析，还应包括“未利用”部分。

6.被初级消费者——植食性动物摄入体内的能量就是第二营养级同化的能量吗？

被植食性动物摄入体内的能量，有一小部分存在于动物排出的粪便中，其余大部分则被动物体所同化。故摄入不等于同化。同化量＝摄入量－粪便量。植食性动物摄入的能量，除粪便外，其余被消化吸收，但其中也是大部分被同化，少数未被同化，如糖尿病患者的尿糖现象。由此，同化的能量才是该营养级的能量。

7.生态系统的每个营养级能量流动的方向都是三个吗？（不考虑“未利用”部分）

第一营养级能量的去路为：①自身呼吸消耗；②分解者分解；③传给下一个营养级。但不是每个营养级能量的去路都为三个，最高营养级是个特例。最高营养级的动物无捕食者，故最高营养级能量的去路为：①自身呼吸消耗；②分解者分解。因此，整个生态系统能量流动的去路为自身呼吸消耗和分解者分解两个。

8.生态系统的能量流动的图解分析

分析：

（1）流经整个生态系统的能量为生产者所固定的太阳能总量；

（2）能量流动的方向（箭头）：单向流动；

（3）箭头由粗到细：表示流入下一个营养级的能量逐级递减；

（4）方块面积越来越小：表示随着营养级的升高，贮存在生物体内的能量越来越少；

（5）分解者体内的能量及呼吸产生的能量以热能的形式散失，成为不可再利用的能量。

9.赛达伯格湖的能量流动图解分析

1942年，美国生态学家林德曼对一个天然湖泊——赛达伯格湖（Cedar Bog）能量流动的定量分析，得到如下数据：

赛达伯格湖的能量流动图解

注：图中的数字为能量数值，单位是J/（cm2·a） （焦每平方厘米每年）。图中的“未固定”是指未被固定的太阳能，“未利用”是指未被后一个营养级和分解者利用的能量。为研究方便起见，这里将肉食性动物作为一个营养级。

分析：

（1）赛达伯格湖是一个天然湖泊。若是人工湖泊，如养鱼的池塘、水库，还有外源能量补充，这时在计算能量传递效率时还需相应的加上补充的能量。

（2）“未固定”是指未被固定的太阳能。照射到湖泊中的太阳能并不是全部都被生产者所接受，有些照射的区域可能无生产者的存在。被生产者接受的太阳能也不是全部都被固定下来，如因为植物光饱和点的存在，当光照强度大于光饱和点时，植物利用的能力有限。又如植物夏季的“午休”现象，因为气孔关闭，CO2减少，导致暗反应受限而不能充分利用光能。再比如叶绿体中的光合色素对绿光吸收就很少。

（3）生产者固定的能量464.6 J/（cm2·a），就是这个生态系统的总能量。

（4）植食性动物同化的能量是62.8 J/（cm2·a），肉食性动物同化的能量是12.6 J/（cm2·a）。

（5）“未利用”是指未被后一个营养级和分解者利用的能量。这个去路是因为定时分析所产生的，因为在短时间（1年）内，时间相对较短，生物未被捕食或未被分解。

（6）能量守恒吗？

热力学第一定律（能量守恒定律）可以表述如下：“在自然界发生的所有现象中，能量既不能消失也不能凭空产生，它只能以严格的当量比例由一种形式转变为另一种形式。”对生态系统也是如此吗？

该生态系统的总能量即生产者固定的能量为464.6 J/（cm2·a）。能量的去路为分解者、呼吸、未利用三个方向，其能量总和为14.6+122.6+327.3=464.5 J/（cm2·a）。能量不守恒呀？其实肉食性动物被分解者分解的那部分只有0.1 J/（cm2·a），微量，计算时未算在分解者内。若加上该部分，恰好相等。可见，生态系统的能量是守恒的。其实对于每一个营养级来说，该营养级同化能量与该营养级流出的能量也是守恒的。如植食性动物，同化的能量为62.8 J/（cm2·a），流出的能量为18.8+2.1+29.3+12.6=62.8 J/（cm2·a），也是相等的。

生态系统能量虽然是守恒的，但在生产者固定的同时，不断有能量的流出，而流出的能量主要是热能，又不能被生产者所固定，所以生态系统需要源源不断地补充太阳能。如自制的小生态瓶不放在光下，将很难维持。当然，如果能量的散失出现问题，对生态系统也是不利的，如温室效应对全球环境的影响。对比较稳定的生态系统，随着有机物的积累，一部分能量若以煤、石油及天然气的形式存在下来，还是有利的。

10.能量的传递效率

从第一营养级流入第二营养级的能量，占生产者所固定能量总量的百分比是62.8/464.6=13.52%。从第二营养级流入第三营养级的能量，占初级消费者所同化的能量总量的百分比是12.6/62.8=20.06%。

流入某个营养级的能量，为什么不能百分之百地流向后一个营养级？从生态系统能量流动的过程可知，原因有三：①自身呼吸消耗；②分解者分解；③未利用（定时分析）。

能量在一条食物链内逐级流动时的传递效率大约只有10%～20%，美国生态学家林德曼（R.L.Lindemann）对此则更为明确地提出了“十分之一定律”。显然，上述的比例数只是大体上的数字，确切的比例数由于各种食物链中生物种类的不同，各种食物链内营养级数目的不同，以及食物链与食物链之间的交织等因素而有差异。总之，上述的比例数不是绝对的数字，它只是形象地说明能量每经过一个营养级，大致上降低一个数量级。

传递效率可以小于10%，但一般不会超过20%。但我们刚才计算从第二营养级流入第三营养级的能量传递效率是12.6/62.8=20.06%，却大于20%，这又是什么原因呢？原来在赛达伯格湖中，我们将肉食性动物作为一个营养级——第三营养级，使第三营养级能量还加上了后面营养级的能量，分子部分增大后，整个比值变大了，这才超过了20%。

11.能量流动的特点

（1）单向流动：

单向流动是指生态系统的能量流动只能从第一营养级流向第二营养级，再依次流向后面各个营养级，一般不能逆向流动，也不能循环流动。单向是指沿食物链由低营养级流向高营养级。不能逆向流动，这是因为食物链中各营养级的顺序（捕食关系）是不可逆转的。各营养级的能量总是趋于以呼吸作用产生热能而散失掉，而不被生态系统再次利用，所以能量不能循环。

（2）逐级递减：

逐级递减是指输入到一个营养级的能量不可能百分之百地流入后一个营养级，能量在沿食物链流动的过程中是逐级减少的。各营养级生物会因呼吸作用而散失部分能量，分解者利用一部分能量，且各营养级生物总有一部分能量不能被下一营养级利用，故能量流动时候逐级递减。

12.能量金字塔

将单位时间内各个营养级所得到的能量数值，按营养级的顺序由低到高绘制成图，这样就形成一个金字塔形，叫作能量金字塔。

由A→D，营养级逐级升高，能量逐级减少。若第一营养级至第四营养级能量依次为A、B、C、D，则有A＞B＞C＞D。能量传递效率约为10% ～ 20%，暂且用20%计算，则（A、B、C、D……）构成等比数列，公比为20%，由等比数列求和公式：

除了能量金字塔以外，一些资料上还有生物量金字塔（可以用质量来表示）或数量金字塔（用生物体数目来表示）。这里要指出的是，生物量金字塔和数量金字塔有时候会出现倒置的塔形。例如，在海洋生态系统中，由于生产者（浮游植物）的个体小，寿命短，又会不断地被浮游动物吃掉，所以在某一时刻调查到的浮游植物的生物量，可能低于浮游动物的生物量，这时生物量金字塔的塔形就颠倒过来了。当然，事实上一年中流过浮游植物的总能量还是比流过浮游动物的要多。与此同理，成千上万只昆虫生活在一株大树上时，该数量金字塔的塔形也会发生倒置。

13.为什么一般的食物链上营养级不会多于5个？

根据能量传递效率为10%～20%计算，流入到下一营养级能量是很少的。所以营养级越高，生物种类和数量就越少。当能量流经4～5个营养级，所剩的能量就少到不足以再维持下一营养级的生命了。

14.一只狼吃了一只兔子获得了少部分物质和能量吗？

就一只狼吃一只兔子而言，少部分物质和能量，如兔子的皮、骨、毛等，未被狼吸收同化，故应该是获得这只兔子的大部分物质和能量。但为什么兔和狼所在的营养级之间能量传递的效率大约只有10%～20%呢？这是因为在兔子这个营养级中，并不是所有的兔子都被狼吃掉了，兔子有一部分能量还用于自身呼吸消耗，所以传递给下一个营养级的能量较少。

15.研究生态系统能量流动的意义

研究生态系统能量流动，可以帮助人们合理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。但人们在利用生态系统资源的过程中，期望的“高效”与“持续”常常会发生矛盾。如何根据客观规律来调整生态系统中的能量流动关系，以满足人类的需求，是一个必须解决的问题。如在草场上，只有根据能量流动特点，合理确定草场的载畜量，才能保证畜产品的持续高产。

16.生态农业中，如“桑基鱼塘”生产模式，提高了能量传递效率了吗？

在农业生态系统中，如果把作物秸秆当燃料烧掉，人们就不能充分利用秸秆中的能量。如果将秸秆当饲料喂牲畜，让牲畜粪便进入沼气池，将发酵产生的沼气当燃料，就实现对能量的多级利用，这就是生态农业。由此可见，生态农业是把以前没有利用的能量进行多级利用，提高了能量的利用率。但食物链中能量传递的效率并没有改变。

另外，还需注意的是，高中范围内讲的食物链，就是指捕食链，并不包括腐生链和寄生链，所以分解者、寄生生物不是食物链成分，不涉及能量传递的过程。

（作者单位：湖北省襄阳市第四中学）