生态系统的能量流动深度解读与分析

尹利军

一、群落能量流动过程

生态系统能量流动包括能量的输入、传递、转化和散失.其内容总结如下表.

例1图1表示某一生态系统的能量金字塔，其Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ分别代表不同的营养级，E1、E2代表能量的形式.下列叙述正确的是

（）.

A.Ⅰ和Ⅳ是实现物质循环的关键生态成分图1

B.该图所示的食物网只有1条食物链：Ⅰ→Ⅱ→Ⅲ→Ⅳ

C.E1表示的能量主要是通过光合作用所输入的能量

D.能量可在食物链中循环利用

解析本题考查能量流动过程，考查分析问题能力.图中Ⅰ代表生产者，Ⅱ、Ⅲ和Ⅳ都代表消费者，实现物质循环的关键生态成分是生产者和分解者，A项错误.每一营养级的生物种类可能有很多，该图所示的食物网可能由很多条食物链组成，B项错误.生态系统中能量流动是单向的，能量不能循环利用，D项错误.

答案：C

方法归纳流经生态系统的能量还可以用表格形式体现，如下表是某生态系统营养级和能量流动的调查情况[能量单位J/（cm2·a）]，表中的①～④分别表示不同的营养级，⑤为分解者，表中NP=GP-R.

分析根据题干可以推知表中的营养结构关系是②→⑤→④→①→③（但不一定构成一条食物链），这是该生态系统能量流动的途径.流入该生态系统的总能量是②生产者固定的太阳能总量，即871.27J/（cm2·a），可以通过比较生态系统散失的总能量（呼吸消耗部分）比生产者固定的太阳能总量少，推断该系统能量在增加，系统的稳定性会提升.

营养级生物同化作用所固定的能量（GP）生物体贮存着的能量（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、某营养级能量流动过程（如图2所示）

图解解读：

（1）图中摄入量、同化量、粪便量三者之间的关系：摄入量=同化量+粪便量.流入某一营养级的能量是指该营养级生物的同化量，而不是摄入量；粪便中能量不属本营养级同化量而属“上一营养级的同化量中流入分解者的能量的一部分”.

（2）在各营养级中，能量的三个去路：①通过呼吸作用以热能的形式散失；②被下一营养级生物利用；③被分解者利用.

图3例2某生态系统中有A、B、C、D四种生物，构成食物链A→B→C，D为分解者，如图3是该生态系统中能量流入B处发生的一系列变化示意图，下列说法错误的是 （ ）.

A.图中的甲表示B的同化量，乙表示B用于生长、发育和繁殖的能量

B.参与丁过程的都是异养型生物，包括细菌、真菌等

C.当生态系统处于相对稳定状态时，B的种群数量一般处于K值

D.图中D的能量全部来自B生物

解析本题考查营养级间能量流动过程.当生态系统处于相对稳定状态时，B种群数量达到环境容纳的最大值，一般处于K值；B摄入量为其同化量和粪便量之和，其同化量一部分用于呼吸消耗，一部分用于自身的生长、发育和繁殖；丁过程为分解者的分解作用，分解者主要是营腐生生活的细菌、真菌等，都是异养型生物；D的能量可来自于B的粪便，而此部分属于上一营养级A的能量.

答案：D

方法归纳为便于掌握某营养级能量流动过程，可以用“拼图法”分拆其过程，如图4所示（设在第一、二营养级间流动）.

分析输入第一营养级的能量也即流经整个生态系统的总能量是生产者固定的总能量，即W1，被分解为两部分：一部分在生产者的呼吸作用中以热能的形式散失了（A1），一部分则用于生产者的生长、发育和繁殖（B1+C1+D1）.而后一部分能量中，包括现存的植物体B1、流向分解者的C1、流向下一营养级的D1.将图中第三营养级同化的总能量D2“拼回”第二营养级，则第二营养级的总能量刚好等于D1，即第二营养级同化的能量；再将D1“拼回”第一营养级，则刚好等于生产者固定的总能量W1.可见，在一个生态系统中，所有生物的总能量都来自W1，所有生物总能量之和都小于W1（呼吸作用消耗的缘故）.

单向流动 逐级递减

原因①能量流动是沿食物链进行的，食物链中各营养级之间的捕食关系是长期自然选择的结果，是不可逆转的；②各营养级通过呼吸作用所产生的热能不能被生物群落重复利用，因此能量流动无法循环.

①各营养级生物都会因呼吸作用消耗大部分能量；②各营养级的能量都会有一部分流入分解者，包括未被下一营养级生物利用的部分.

说明①不定时分析：流入某一营养级的能量在足够长的时间内的去路可能有3条，即自身呼吸消耗、流入下一营养级（最高营养级除外）和被分解者分解利用.

②定时分析：流入某一营养级的能量在一定时间内的去路可能有4条，除了上面的三条外，还有一条是既未被自身呼吸消耗，也未被下一营养级和分解者利用，即“未被利用”部分.如果是以年为单位研究，其中“未被利用”部分能量将保留到下一年.

提示影响能量传递效率高低的因素

上一营养级生物呼吸速率越低，或是下一营养级的捕食、同化效率越高，相邻营养级之间的能量传递效率就会越高.代谢所需的酶由生物的遗传基础决定，环境条件会影响生物的代谢和捕食效率.

例3在生态系统中，营养级越高的生物获得的总能量越少.下列解释错误的是（ ）.

A.各营养级中总有一部分能量被分解者利用

B.各营养级中的能量一部分以热能形式散失

C.生物维持自身的生命活动消耗一部分能量

D.能量金字塔顶层的生物数量少需要能量少

解析D项应该是能量金字塔顶层的生物因为所处的营养级高，因而获得的能量最少，不能满足太多个体所需.

答案：D

四、能量流动效率的相关计算

能量传递效率是指“相邻两营养级”间的传递效率，即下一营养级全部生物同化量/上一营养级全部生物同化量×100%，而不是相邻营养级中个体间的传递效率，如“一只狼”捕获“一只狐”时，应获得了狐的“大部分能量”而不是获得“ 10%～20%”的能量，“所有狼”可获得“所有狐”的能量才是10%～20%；同一食物链不同环节能量传递效率往往不完全相同，不涉及“最多”、“最少”，计算时不能按10%或20%，而需按具体数值计算.如在食物链A→B→C→D中，能量传递效率分别为a%、b%、c%，若A的能量为M，则D的能量为M×a%×b%×c%；在食物网中，某一营养级同时从上一营养级的多种生物按一定比例获取能量，则按照单独的食物链进行计算后再合并.

例4（综合原创题）回答下列有关能量传递效率问题.

（1）图5为一个草原生态系统的营养结构示意图，E表示牧草一年固定的太阳能总量，E1、E2、E3分别表示流入牲畜、昆虫、鼠的能量.第一营养级传递到第二营养级的能量传递效率是.

（2）在图6所示的食物网中，假如猫头鹰的食物有2/5来自于兔子，2/5来自于鼠，1/5来自于蛇，那么猫头鹰若增加 20 g体重，最少需要消费植物 （ ）.

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

图7图8（3）如图7所示的食物网中，若人的体重增加

1 kg，最少消耗水藻kg，最多消耗水藻kg.

（4）有一食物网如图8所示.如果能量传递效率为10%，各条食物链传递到庚的能量相等，则庚增加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）某自然保护区地震后，据不完全统计，植被毁损达到30%以上.图9为该地区在人为干预下恢复过程的能量流动图[单位为103 kJ/（m2·y）]，请回答：

图9①如图所示，输入该生态系统的能量主要是，第一营养级到第二营养级的能量传递效率为 （保留一位小数）.

②图9中A表示，图中未利用部分的能量在生物体内的存在形式是.

③如图所示，除生产者外其他营养级需要补偿能量输入的原因是.计算可知，肉食性动物需补偿输入的能量值至少为×103 kJ/（m2·y）.

解析本题综合考查能量流动的传递效率问题，考查获取信息能力和分析问题能力.（1）该食物网共有4条食物链；牲畜、昆虫、鼠属于第二营养级，由第一营养级传递到第二营养 级的能量传递效率是两个营养级同化量的比值，即（E1+E2+E3）/E.（2）通过食物链（植物→兔→猫头鹰），猫头鹰增加20 g×2/5=8 g，最少需要消费植物的量为8 g×5×5=200 g；通过食物链（植物→鼠→猫头鹰），猫头鹰增加20 g×2/5=8 g，最少需要消费植物的量为8 g×5×5=200 g；通过食物链（植物→鼠→蛇→猫头鹰），猫头鹰增加20 g×1/5=4 g，最少需要消费植物的量为4 g×5×5×5=500 g.所以合计至少需要消费植物200 g+200 g+500 g=900 g.（3）能量在相邻两个营养级间的传递效率是10%～20%.求最少消耗水藻时，选最短的食物链，如水藻→小鱼→人，传递效率按20%计算，设最少消耗水藻为X，则X×20%×20%=1 kg，X=25 kg；求最多消耗水藻时，选最长的食物链，如水藻→水蚤→虾→小鱼→大鱼→人，传递效率按10%计算，设最多消耗水藻为Y，则Y×10%×10%×10%×10%×10%=1 kg，Y=100 000 kg.（4）设丙的能量为x，经丙→丁→己→庚传递到庚的能量为0.5 kJ，则需要丙0.5÷（10%）3=500（kJ），经丙→戊→庚传递到庚的能量为0.5 kJ，则需要丙0.5÷（10%）2=50 （kJ），即丙最少含500+50=550（kJ）的能量.（5）生态系统的能量输入有两种方式：输入太阳能和人为输入有机物，从图可以推知，该生态系统输入的太阳能为3+14+70+23=110×103 kJ/（m2·y），输入的有机物能量为7×103 kJ/（m2·y），所以输入该生态系统的能量主要是生产者光合作用固定的太阳能，第一营养级到第二营养级的能量传递效率为14/110×100%=12.7%（保留一位小数）.图9中A表示细胞呼吸（或呼吸作用），图中未利用部分的能量在生物体内的存在形式是有机物中的化学能.如图9所示，除生产者外其他营养级需要补偿能量输入的原因是植被受损，光合作用能力减弱，流入该生态系统的能量减少；补偿能量输入可以减轻植被恢复的压力.从第二营养级流入第三营养级的能量为：（14+2）-（0.5+4+9）=2.5×103 kJ/（m2·y），肉食性动物需补偿输入的能量值至少为：（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生产者光合作用固定的太阳能12.7%②细胞呼吸（或呼吸作用） 有机物中的化学能③植被受损，流入该生态系统的能量减少；减轻植被恢复的压力（答出前者即可） 5

五、考查能量流动与物质循环关系（如下表所示）

项目能量流动物质循环（以碳循环为例）

形式以有机物为载体以化学元素形式流动

特点单向流动、逐级递减全球性、循环性

范围生态系统各营养级生物圈（全球性）

联系同时进行，相互依存，不可分割：①能量的固定、储存、转移和释放，离不开物质的合成和分解；

②物质是能量沿食物链（网）流动的载体；③能量是物质在生态系统中循环往复的动力

图示

例5下列有关生态系统中能量流动的叙述，正确的是（ ）.

A.兔子吃了1千克的草，则这1千克草中的能量就流入了兔子体内

B.一只狼捕食了一只兔子，则这只兔子中约有10%～20%的能量流入狼的体内

C.生产者通过光合作用合成有机物，能量就从无机环境流入了生物群落

D.生态系统的能量是伴随着物质循环而被循环利用的

解析本题考查能量流动和物质循环关系.兔子吃的草中的能量一部分被兔子同化，一部分残留在粪便中，故A错误；能量传递效率中的10%～20%指的是营养级与营养级之间的传递效率，并非个体与个体之间的，故B错误；生产者通过光合作用合成有机物来固定太阳能，而太阳能来自无机环境，故C正确；生态系统中的能量是单向流动、逐级递减的，最终都会以热能的形式散失，故D错误.

答案：C

六、考查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，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改变.

例6某生态系统中的四种生物构成一条食物链a→b→c→d，通过测定得到这四种生物a、b、c、d所含的有机物总量分别为M1、M2、M3和M4.下列叙述中错误的是（ ）.

A.M1一定不是a种群固定的太阳能总量

B.若M1<5M2，则生态系统稳态可能遭到破坏

C.d个体所含的有机物的质量应比c个体的小

D.若M2大量增加，一般会导致M1减少、M3增加

解析本题考查能量流动对生态系统稳定性的影响.生产者固定的太阳能总量中会通过细胞呼吸损失一部分，故A正确；根据能量流动的特点，前一营养级同化的能量要大于或等于后一营养级同化的能量的5倍，才能满足后一营养级的能量需要，故B正确；相对较高营养级的个体不一定比相对较低营养级的个体小，如虎与兔，故C错误；一定时间内，M2大量增加会导致被捕食者减少，捕食者增多，故D正确. 答案：C

七、以能量流动为中心的生态学综合知识考查

例7某弃耕地的主要食物链由植物→田鼠→鼬构成.生态学家对此食物链能量流动进行了研究，结果如下表，单位是J/（hm2·a）.

植物田鼠鼬

固定的太阳能摄入量同化量呼吸量摄入量同化量呼吸量

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

（1）能量从田鼠传递到鼬的效率是.

（2）在研究能量流 动时，可通过标志重捕法调查田鼠种群密度.在1 hm2范围内，第一次捕获并标记40只田鼠，第二次捕获30只，其中有标记的15只.该种群密度是只/hm2.若标记的田鼠有部分被鼬捕食，则会导致种群密度估算结果.

（3）田鼠和鼬都是恒温动物，同化的能量中只有3%～ 5%用于，其余在呼吸作用中以热能的形式散失.

（4）鼬能够依据田鼠留下的气味去猎捕后者，田鼠同样也能够依据鼬的气味或行为躲避猎捕.可见，信息能够，维持生态系统的稳定.

解析本题考查能量流动传递效率及能量流动与生态系统结构和功能的关系.（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），故能量传递效率为2.25×1077.50×108×100%=3%.（2）设1 hm2的范围内种群数量为M，则40M=1530，M=80.若标记的田鼠有部分被鼬捕食，即重捕个体中标记个体数减少，则估算值M偏高.（3）某一营养级的能量，一部分用于呼吸作用（细胞呼吸），一部分用于自身的生长、发育和繁殖.田鼠和鼬都属于恒温动物，进行呼吸作用用于维持体温需消耗大量能量，还有部分能量用于自身的生长、发育和繁 殖.（4）由题意知，通过信息传递，鼬和田鼠的数量基本稳定，可见信息传递可调节生物的种间关系，维持生态系统的稳定.

答案：（1）3% （2）80 偏高

（3）生长、发育、繁殖等生命活动

（4）调节生物的种间关系

（收稿日期：2014-10-15）