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生态系统中能量流动的计算方法


生态系统中能量流动的计算方法(一)
生态系统中能量流动的计算是近几年高考的热点, 考生常因缺乏系统总结和解法归纳而 容易出错。下面就相关问题解法分析如下: 一、食物链中的能量计算 1.已知较低营养级生物具有的能量(或生物量),求较高营养级生物所能获得能量(或 生物量)的最大值。 例 1.若某生态系统固定的总能量为 24000kJ, 则该生态系统的第四营养级生物最多能获

得的能量是( ) A. 24kJ B. 192kJ C.96kJ D. 960kJ 解析:据题意,生态系统固定的总能量是生态系统中生产者(第一营养级)所固定的能 量,即 24000kJ,当能量的传递效率为 20%时,每一个营养级从前一个营养级获得的能量是 最多的。因而第四营养级所获得能量的最大值为:24000×20%×20%×20%=192kJ。 答案:B 规律:已知较低营养级的能量(或生物量),不知道传递效率,计算较高营养级生物获 得能量(或生物量)的最大值时,可按照最大传递效率 20%计算,即较低营养级能量(或生 物量)×(20%) (n 为食物链中由较低营养级到所需计算的营养级的箭头数)。 2.已知较高营养级的能量(或生物量),求较低营养级应具备的能量(或生物量)的最 小值。 例 2.在一条有 5 个营养级的食物链中,若第五营养级的生物体重增加 1 kg,理论上至 少要消耗第一营养级的生物量为( ) A. 25 kg B. 125 kg C. 625 kg D. 3125 kg 解析:据题意,要计算消耗的第一营养级的生物量,应按照能量传递的最大效率 20%计 算。设需消耗第一营养级的生物量为 X kg,则 X=1÷(20%) =625 kg。 答案:C 规律:已知能量传递途径和较高营养级生物的能量(或生物量)时,若需计算较低营养 级应具有的能量(或生物量)的最小值(即至少)时,按能量传递效率的最大值 20%进行计 算,即较低营养级的生物量至少是较高营养级的能量(或生物量)×5 (n 为食物链中,由 较低营养级到所需计算的营养级的箭头数)。 3.已知能量的传递途径和传递效率,根据要求计算相关生物的能量(或生物量)。 例 3.在能量金字塔中, 生产者固定能量时产生了 240molO2, 若能量传递效率为 10%~15% 时,次级消费者获得的能量最多相当于多少 mol 葡萄糖?( ) A.0.04 B. 0.4 C.0.9 D.0.09 解析: 结合光合作用的相关知识可知: 生产者固定的能量相当于 240÷6=40mol 葡萄糖; 生产者的能量传递给次级消费者经过了两次传递, 按最大的能量传递效率计算, 次级消费者 获得的能量最多相当于 40×15%×15%=0.9mol 葡萄糖。 答案:C 规律: 已知能量传递效率及其传递途径时, 可在确定能量传递效率和传递途径的基础上, 按照相应的能量传递效率和传递途径计算。 二、食物网中能量流动的计算 1.已知较高营养级从各食物链中获得的比例,未告知传递效率时的能量计算。 例 4.右图食物网中, 在能量传递效率为 10%~20% 时,假设每个营养级的生物从前一营养级的不同生物
n 4 n

处获得的能量相等。则人的体重每增加 1 kg,至少需要消耗水藻 kg。 解析:由题意知:人从大鱼和小鱼处获得的能量是相等的,小鱼从虾和水藻处获得的能 量是相等的, 而且, 题中 “至少” 需要多少, 应按能量传递的最大效率计算。 计算方法如下: 在“小鱼→大鱼→人”的传递途径中,大鱼的生物量至少为 0.5÷20%=2.5 kg,小鱼 的生物量至少为 2.5÷20%=12.5 kg;在“小鱼→人”的传递途径中,小鱼的生物量至少是 0.5÷20%=2.5 kg。因此,小鱼的生物量总量至少为 12.5+2.5=15 kg。 同理:在“水藻→水蚤→虾→小鱼”的传递过程中,水藻的生物量至少是 15÷2÷20% ÷20%÷20%=937.5 kg;在“水藻→小鱼”的传递过程中,水藻的生物量至少是 15÷2÷20% =37.5 kg。因此,水藻的生物量总量至少为 937.5+37.5=975 kg。 答案:975 规律: 对于食物网中能量流动的计算, 先应根据题意写出相应的食物链并确定各营养级 之间的传递效率, 按照从不同食物链获得的比例分别进行计算, 再将各条食物链中的值相加 即可。 2.已知较高营养级从各食物链中获得的比例,在特定传递效率时的计算。 例 5.若人的食物 1/2 来自植物,1/4 来自小型食肉动物,1/4 来自羊肉,若各营养级之 间的能量传递效率为 10%时,人增重 1 kg 需要消耗的植物为__ kg。 解析:根据题意可画出食物网(右图),从题目要求可 以判断能量的传递效率为 10%, 根据人增重从不同途径获得能 量的比例可计算如下: 植物→人:0.5÷10%=5 kg; 植物→羊→人:0.25÷10%÷10%=25 kg; 植物→羊→小型肉食动物→人:0.25÷10%÷10%÷10%=250 kg; 因此:人增重 1 kg 共消耗植物 5+25+250=280 kg。 答案:280 规律:对于食物网中能量流动的计算,先应根据题意写出相应的食物网,根据特定的传 递效率,按照从不同食物链获得的比例分别计算,再将各条食物链中的值相加即可。 三、已知各营养级的能量(或生物量),计算特定营养级间能量的传递效率 例 6.在某生态系统中,1 只 2 kg 的鹰要吃 10 kg 的小鸟,0.25 kg 的小鸟要吃 2 kg 的 昆虫,而 100 kg 的昆虫要吃 1000 kg 的绿色植物。若各营养级生物所摄入的食物全转化成 能量的话,那么,绿色植物到鹰的能量传递效率为( ) A. 0.05% B. 0.5% C. 0.25% D. 0.025% 解析:根据题意,可根据能量传递效率的概念计算出各营养级之间的能量传递效率,再 计算出绿色植物转化为鹰的食物链中各营养级的生物量。即:10 kg 的小鸟需要昆虫的生物 量=10÷(0.25÷2)=80 kg;80 kg 的昆虫需要绿色植物的生物量=80÷(100÷1000)=800 kg。 因此,从绿色植物→昆虫→小鸟→鹰的生物量依次为 800 kg→80 kg→10 kg→2 kg, 则鹰转化绿色植物的百分比为 2/800×100%=0.25%。 答案:C 规律:要计算能量传递效率,可先根据各营养级的生物量计算出各营养级的传递效率, 并推算出不同营养级的生物量,最后计算出所需计算转化效率的较高营养级(本题中的鹰) 的生物量(或能量)占较低营养级(本题中的植物)的比例即可。 四、巩固练习

1.某人捕得一条重 2 kg 的杂食海鱼,若此鱼的食物有 1/2 来自植物,1/4 来自草食鱼 类,1/4 来自以草食鱼类为食的小型肉食鱼类,则该鱼至少需要海洋植物__ kg。 2.在浮游植物→浮游动物→鱼这条食物链中,如果鱼要增加 1000 kg,那么,至少需要 浮游动物和浮游植物分别是 ( ) A.10000 kg 和 50000 kg B.5000 kg 和 25000 kg C.50000 kg 和 50000 kg D.10000 kg 和 10000 kg 3.某个生态系统中, 生产者和次级消费者的总能量分别是 E1 和 E3, 在下列几种情况中, 可能导致生态平衡被破坏的是 A. E1>100E3 B. E1<100E3 C. E1<25E3 D. E1>25E3 4.有一食物网如右图所示。 假如猫头鹰的食物 2/5 来自兔子, 2/5 来自老鼠,其余来自蛇,那么猫头鹰要增加 20g 体重,最多 消耗植物__克。 5.右图为美国生态学家林 德曼于 1942 年对一个天然湖泊 ──赛达伯格湖的能量流动进 行测量时所得结果。请据图中相 关数据,则第二营养级向第三营 养级的能量传递效率是___。 6.下图所示的食物网中,C 生物同化的总能量为 a,其中 A 生物直接供给 C 生物的比例为 x, 则按最低的能量传递效率计算, 需要 A 生物的总能量(y)与 x 的函数关系式为__________。

五、巩固练习答案与解析 1.80 kg 解析:由题意可知,这条鱼的食物来源于三条食物链,即:植物→杂食鱼;植 物→草食鱼类→杂食鱼; 植物→草食鱼类→小型肉食鱼类→杂食鱼, 由较高营养级的生物量 求其对较低营养级的需要量时,应按能量传递效率 20%计算。通过三条食物链消耗植物分别 是 5 kg、12.5 kg 和 62.5 kg,因此,消耗植物的最少量是 5+12.5+62.5=80 kg。 2.B 解析:较高营养级获得参量一定时,能量传递效率越大,则所需较低营养级生物量 越少,应按 20%的能量传递效率计算。所以需要浮游动物的生物量为 1000÷20%=5000 kg, 所需浮游植物为 1000÷20%÷20%=25000 kg。 3. C 解析:生态系统的能量传递效率为 10%~20%,当生产者的能量小于次级消费者能 量的 25 倍,则说明该生态系统中,在生产者、初级消费者和次级消费者之间的能量流动效 率已经高于 20%,此时,次级消费者对于初级消费者的捕食强度会加大,可能使生态系统的 稳定性受到破坏,影响生生态系统的可持续性发展,导致生态平衡破坏。 4.5600 解析:该食物网中有三条食物链,最高营养级为鹰。据题意,应按最低能量传 递效率(10%)计算,可得到三条链消耗的植物分别为 800g、800g、4000g,共消耗植物 5600 克。

5.20.06% 解析:能量传递效率为下一个营养级所获得的能量占上一个营养级获得能量 的比例。则:第二营养级向第三营养级的传递效率为:12.6÷62.8×100%=20.06%。 6.y=100a-90ax 解析:C 从 A 直接获得的比例为 x,则直接获得能量为 ax,需要消耗 A 的能量为 10ax;通过 B 获得的比例为(1-x),则获得能量为(1-x)a,需要消耗 A 的 能量为 100(1-x)a。因此,消耗 A 的总能量为:10ax+100(1-x)a=100a-90ax,可 得函数关系式:y=100a-90ax。

生态系统中能量流动的计算(二)
“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 能量为 ,从理论上计算,A 贮存的总能量最少为( ) ,B 生物种群总

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“ 答案选 C 项。 ”被三级消费者捕获。

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( 证一只鹰的生存? A. B. C. D. 无法统计 )只昆虫才能保

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%, 选项反映的能量传递效率小于 20%, 选项反映的 B C 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性的前提下进行捕捞。 故答案选 D 项。


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