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生态系统“能量流动”

生态系统“能量流动”

分类:高三生物教案   更新:2014/3/12   来源:网络

生态系统“能量流动”

“能量流动”是生态系统的重要功能之一。在高中生物知识中,能量流动与物质循环的关系、能量流动的特点、能量传递的效率等知识共同构成了以“生态系统的能量流动”为中心的知识体系。然而在“能量流动”知识中,仍存在一些易被忽视或不常见的问题,如“能量值”的表示方式、最值的计算、能量流动与生态系统稳态的关系等。本文就此结合教材谈一谈对这些问题的认识,望能对教与学有所帮助。
    生态系统“能量流动”
    “能量流动”是生态系统的重要功能之一。在高中生物知识中,能量流动与物质循环的关系、能量流动的特点、能量传递的效率等知识共同构成了以“生态系统的能量流动”为中心的知识体系。然而在“能量流动”知识中,仍存在一些易被忽视或不常见的问题,如“能量值”的表示方式、最值的计算、能量流动与生态系统稳态的关系等。本文就此结合教材谈一谈对这些问题的认识,望能对教与学有所帮助。
    一、能量流动的几种“最值”计算
    由于一般情况下能量在两个相邻营养级之间的传递效率是10%~20%。故在能量流动的相关问题中,若题干中未做具体说明,则一般认为能量传递的最低效率为10%,最高效率为20%。所以,在已知较高营养级生物的能量求消耗较低营养级生物的能量时,若求“最多”值,则说明较低营养级生物的能量按“最低”效率传递,若求“最(至)少”值,则说明较低营养级生物的能量按“最高”效率传递。反之,已知较低营养级生物的能量求传递给较高营养级生物的能量时,若求“最多”值,则说明较低营养级生物的能量按“最高”效率传递,若求“最少”值,则说明较低营养级生物的能量按“最低”效率传递。这一关系可用下图来表示。
    1. 以生物的同化量(实际获取量)为标准的“最值”计算
    例1. 下图为某生态系统食物网简图,若E生物种群总能量为 ,B生物种群总能量为 ,从理论上计算,A贮存的总能量最少为()
    A.  B. 
    C.  D. 
    解析:由图可知D为生产者,要使A获得的能量最少,则必须保证三个条件,即:一是能量来源途径最少;二是能量传递效率最低(按10%算);三是食物链要最长。故从理论上讲,与A贮存的总能量最少相关的食物链不可能是D→A,也不可能是D→A、D→E→C→A同时存在,只能是D→E→C→A。
    为此,E的能量在传递给A的途径中,只有确保:①E在传递给B时用去的能量最多;②E的总能量减去传递给B的后再传给C时效率最低;③C在传递给A时效率最低,结果才能使A获得的能量最少。所以据此计算得A贮存的总能量最少为
    故答案选B项。
    2. 以生物的积累量为标准的“最值”计算
    例2. 已知某营养级生物同化的能量为1000kJ,其中95%通过呼吸作用以热能的形式散失,则其下一营养级生物获得的能量最多为()
    A. 200kJ B. 40kJ C. 50kJ D. 10kJ
    解析:本题具有较大的迷惑性,极易错选A项。由于该营养级的能量95%通过呼吸作用以热能的形式散失,故积累的能量只有5%,因而其最多也只有5%(即5%×1000=50kJ)的能量传递给下一营养级。因此答案选C项。
    二、能量值的几种不同表示方式及相关计算
    “能量值”除了用“焦耳”等能量单位表示外,在许多生物资料中,其还可用生物量、数量、面积、体积单位等形式来表示,因而使能量流动关系有了更加丰富的内涵,但是不管用何种单位形式表示,通常情况下能量的传递效率都遵循“10%~20%”的规律,下面结合一些例子分别加以阐述。
    1. 能量(单位)表示法及计算
    以能量(单位)��“焦耳”表示能量值的多少是“能量流动”知识中最常见的形式。在以“焦耳”为单位的能量传递过程中,各营养级的能量数值呈现出典型的“金字塔”形,不可能出现倒置。
    1.1 以生物体同化量的总量为特征的计算
    如例1
    1.2 以ATP为特征的计算
    这种形式的能量计算是建立在物质氧化分解的基础上的,它常涉及利用呼吸作用或光合作用的反应式。
    例3:在能量金字塔中,如果生产者在光合作用过程中产生240mol的氧气,其全部用于初级消费者分解血糖,则其释放并贮存在ATP中的能量最多有()可被三级消费者捕获?
    A.  B. 
    C.  D. 
    解析:依据有氧呼吸反应式,可知240mol的氧气能分解40mol的葡萄糖,又由于每摩尔葡萄糖彻底氧化分解产生的能量有1161kJ转移到ATP中,故初级消费者产生的ATP中的能量最多有“ ”被三级消费者捕获。
    答案选C项。
    2. 生物量(质量单位)表示法及计算
    例4:如果一个人食物有1/2来自绿色植物,1/4来自小型肉食动物,1/4来自羊肉,假如传递效率为10%,那么该人每增加1千克体重,约消耗植物()
    A. 10千克 B. 28千克 C. 100千克 D. 280千克
    解析:解答本题时,首先应画出食物网,然后依据食物网和题干信息来解答。①通过“植物→人”这条链计算出消耗植物的量为0.5÷10%=5千克;②通过“植物→植食动物→小型肉食动物→人”这条链计算出消耗植物的量为0.25÷10%÷10%÷10%=250千克;③通过“植物→羊→人”这条链计算出植物的量为0.25÷10%÷10%=25千克。故要消耗植物的总量为280千克。
    答案选D项。
    3. 数量(生物体数目)表示法及计算
    例5:在一片草原上,假如一年中,至少有70000只昆虫生活才可养活一只食虫鸟,而食虫鸟若按10%的能量传递率将能量传给鹰,则理论上每年大约需要3000只食虫鸟才能维持一只鹰的生存,那么如果鹰只靠捕食食虫鸟来生活,则每年至少需要()只昆虫才能保证一只鹰的生存?
    A.  B. 
    C.  D. 无法统计
    解析:生物体的数量通常能够反映出生物体能量的多少,一般情况下其间成正相关,故常可用生物体的数量来表示能量的多少。由题意可知,昆虫与食虫鸟之间、食虫鸟与鹰之间的能量传递效率只有保证为20%,才能实现“至少”维持一只鹰生存所需的能量供应。故维持一只鹰生存至少需要食虫鸟1500只,由此可计算出维持一只鹰生存至少需要昆虫的量为1500×70000=1.05×108只。答案选C项。
    需要说明的是在以生物体数目表示的能量流动关系中,有时会出现“金字塔”倒置的现象。如下例。
    例6. 一片树林中,树、昆虫和食虫鸟类的个体数比例关系如下图所示。下列能正确表示树、昆虫、食虫鸟之间的能量流动关系的是(选项方框面积表示能量的大小)()
    解析:在树林中,由于树具有较大的体积(包括其地上的树冠、茎和地下的根系),因而尽管树的量少,但其仍具有较多的能量。故一棵树上可生活着许多昆虫和食虫鸟,又由于食虫鸟以昆虫为食,故按能量流动的特点,其总能量必将小于昆虫的总能量。
    答案选C项。
    4. 面积(单位)表示法及计算
    例7. 在“棉花→棉蚜→食蚜蝇→瓢虫→麻雀→鹰”这条食物链中,如果食蚜蝇要有5m2的生活空间才能满足自身的能量需求,则一只鹰的生活空间至少是()
    A.  B.  C.  D. 
    解析:本题以生物的生活范围来反映所具能量的大小。由题意可知鹰处于最高营养级,按能量最高传递效率可求出一只鹰至少所需的生活空间为:(1÷20%÷20%÷20%)×5m2=54m2。
    答案选D项。
    5. 体积(单位)表示法及计算
    例8:具有三个营养级的能量金字塔,最上层的体积是最下层的( )
    A. 10%~20% B. 1%~4%
    C. 0.1%~1% D. 1%~10%
    解析:具有三个营养级的能量金字塔,若用体积表示能量值的大小,则能量按最低传递效率传递时,最上层体积应为10%×10%=1%,按最高传递效率传递时,最上层体积应为20%×20%=4%。故答案选B项。
    三、能量流动与生态系统的稳定性
    能量流动效率能直接反映生态系统的稳定性,能量在传递过程中,若超过一定的限度,则容易引起种群的生长、繁殖或再生等的障碍,从而导致生态系统稳定性的破坏,故在研究生态系统的稳定性时必须时刻关注能量流动效率。
    例9:某生态系统中初级消费者和次级消费者的总能量分别是W1和W2,当下列哪种情况发生时,最有可能使生态平衡遭到破坏?()
    A. W1>10W2 B. W1>5W2 C. W1<10W2 D. W1<5W2
    解析:一般情况下,生态系统的能量在两个相邻营养级之间传递效率大约是10%~20%。小于或等于20%则不会导致其稳定性的破坏,而大于20%则有可能引起某些营养级生物量的大起大落或生态环境的改变,导致生态系统抵抗力稳定性被破坏。纵观本题的四个选项,A选项反映的能量传递效率小于10%,B选项反映的能量传递效率小于20%,C选项反映的能量传递效率大于10%(但不一定大于20%),只有D选项反映的能量传递效率大于20%。
    故本题答案选D项。
    例10:某海滩黄泥螺种群现存量约3000吨,正常状况下,每年该种群最多可增加300吨,为充分利用黄泥螺资源,又不影响可持续发展,理论上每年最多捕捞黄泥螺的吨数为()
    A. 3000 B. 1650 C. 1500 D. 不超过3000
    解析:生态系统的稳定性是生物与无机环境长期相互作用形成的,要不影响可持续发展,又要能够获得最大的捕捞量,则必须注意在维持生态系统稳定

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