2019-2020年高中生物 （人教大纲版）第二册 第八章　生物与环境 3生态系统(三、备课资料).doc

2019-2020年高中生物 （人教大纲版）第二册 第八章生物与环境 3生态系统(三、备课资料)一、能量流动中的初级生产（一）概念生态系统中能量的流动包括初级生产和次级生产两个主要过程。为了论述的方便，先介绍几个有关的概念。1.生产、生产力、生产量生产（production）指生物积累能量的过程，生产的速率或能力称为生产力（productivity），即单位时间内生产有机质的速率，常用克干重/（米2年）、千焦/（米2年）等单位表示。任一时间段中，单位面积上生产有机质的数量即为生产量。2.生物量和现存量生物生产有机物质的总量称为生物量（biomass），包括活的和死的有机体。如植物的生物量是指根、茎、叶、花、果实、种子及枯死、凋落的部分。常用单位面积（或体积）上的生物重量（干重或湿重）或所含的能量（千焦）表示。现存量（standing crop）指观察时某一时间内活的生物量。而产量（yield）往往指生物体全部或某一部分的生物量，例如，农业生产中的粮食产量（种子、果实等），畜牧业生产中的产草量、产肉量、产蛋量、产奶量等，木材生产中的木材蓄积量等。3.周转率（turnover rate）在一定时间内新生产的生物量占总生物量的比率。如浮游植物的周转率比陆生植物周转率高得多。周转率的倒数为周转期（turn-over time）。（二）初级生产和初级生产力生态系统的能量流动涉及到光合作用、呼吸作用，动物食草、食肉及微生物的分解等复杂的过程。这些过程的起点是光合作用，即绿色植物的生产。表1发展中和成熟的生态系统的初级生产力kcal/(m2a)紫苜蓿地（人工）幼松林（西欧）中龄松栎林（北美）成熟雨林（中美）总初级生产力（Pg）24400122001150045000自养呼吸（Ra）9200470064003xx净初级生产力（Pn）152007500500013000异养呼吸作用（Rh）8004600300013000群落净生产力（Pnc）144002900xx很少至无Pn/Pg(%)62.361.543.528.9Pnc/Pg(%)59.023.817.40EOdum表，故仍用原单位绿色植物的生产称初级生产（primary production），是指生产者能量积累的过程。初级生产者积累能量的速率就是初级生产力或第一性生产力（primary productivity），生产的有机物质的量就是初级生产量。生态系统中有机物质的生产过程可分为四个连续的部分，即四种水平的生产和生产力：总初级生产力（gross primary productivity）或总光合作用，指在测定阶段，包括生产者呼吸作用中被消耗的有机物质在内的光合作用的总速率（固定的总太阳能），常用Pg表示；净初级生产力（net primary productivity,简写Pn），指在测定阶段植物组织通过植物呼吸消耗掉的有机物质（Ra）的积累率（即总初级生产量-呼吸消耗量=净初级生产量），用公式表示为：Pn=Pg-Ra。群落净生产力（net munity productivity,简写Pnc），指被消费者消耗后剩下的有机物质的贮藏率。即：Pnc=Pn-Rh(Rh表示异养呼吸，代表消费者的消耗)。次级生产力（secondary productivity），指消费者和还原者利用植物（净初级生产量）进行同化作用的速率。因为消费者只利用植物生产出的食物，除去自身呼吸及排泄等消耗的部分，剩余的食物在同化过程中转变为自身的成分。因此，次级生产力不分为“净”和“总”的量，表1表明前三个过程的关系。表中的幼松林、中龄松栎林和成熟雨林分别代表发展初期、中期和成熟期三个阶段的生态系统，它们的初级生产力是不同的。幼松林的总初级生产力只有成熟雨林的1/4左右，但自养呼吸作用小，净初级生产力却比雨林高，Pn/Pg=61.5；同样，异养呼吸也较低，Pnc/Pg=23.8，而成熟雨林总初级生产力很高，但自养呼吸却消耗了71.1%，净初级生产只占28.9%，再除去异养呼吸消耗的部分，群落的净生产力（Pnc）几乎为零。而属人工生态系统的紫苜蓿地，群落的总初级生产力较高，自养呼吸和异氧呼吸都较小，因而净初级生产力和群落净生产力也都较高，Pn/Pg和Pnc/Pg分别为62.3和59.0，这也是人工生态系统的特点。这是由于人工生态系统中入了辅助能量和减少了自养与异氧二者的消耗，使净初级生产力和群落净生产力提高了。虽然不同植物群落的总初级生产力与净初级生产力差别较大，但一般植物利用太阳能的比率都是不高的。由表2可知，绿色植物的总初级生产仅仅利用总太阳能的3.6%，减去呼吸所消耗的能量，只有2.4%的总太阳能形成净生产力，也就是说绝大部分太阳能不为植物所利用而被丢失。尽管如此，被绿色植物固定的这部分太阳能，即净初级生产量是人和其他消费者生存所必需的。表2根据总太阳能估算初级生产力所消耗的能量kcal/(m2d)由于生态条件的不同，地球上各种生态系统的总初级生产力和净初级生产力的差别很大，表3列出了不同生态系统净初级生产力的情况。在陆地生态系统中，森林生态系统的净初级生产力大，尤以热带雨林最大，这表明了它所具有的适宜的温度、充沛的降水等条件；而荒漠和苔原生态系统的生产力较小，也反映了生态条件的恶劣；岩石、冰、沙等则更不适于生物的生存，因而生产力最低。在海洋生态系统中，海藻床和珊瑚礁的生产力最大。陆地植物叶子的垂直分布和水体中浮游植物的富集，影响光线的穿透力，反过来又影响生态系统初级生产力的分布。在水生生态系统中，生产力最大的区域不是在阳光充足的水面，而是在水面以下的一定深度，这种深度取决于水的透明度和浮游生物的密度。随着水深的增加，光强度变弱，直至达到被浮游植物吸收这一点（光补偿点）。在森林生态系统中也存在着类似的情况，光合能力最大的部分不在树冠顶端，而在稍低的部位。表3地球上各种生态系统净初级生产力和植物生物量（按生产力顺序排列）生态系统的初级生产力，随着系统的发育年龄而改变。例如森林生态系统中，随着森林的发育，叶面积指数（叶面积/地表面积）增大。当叶面积指数为4时，森林达到最大净初级生产力，但当叶面积指数达到89时才达到最大总初级生产力。成熟的生态系统总初级生产力最大，净初级生产力却降低，这是由于叶和其他器官的呼吸作用要损失较多的能量。（如下图）从自然状态看，自然生态系统总要发展到最大量的总初级生产力，但这种最大能力对人类来说并不重要，人类需要的是最大的净初级生产力。如何解决这一矛盾，将是农业生态系统中研究的重要问题之一。生态系统的初级生产力除决定于植物吸收光能的能力大小外，还受各种生态因子的影响。凡影响植物光合作用的因子都是影响初级生产力的因子，如CO2浓度、温度、湿度、土壤肥力、矿质元素、动物活动等因子。有关这方面的内容可参阅植物生理学和植物个体生态的文献。需要注意的是，水生生态系统中影响光合作用的限制因子与陆生生态系统是不尽相同的。测定初级生产力的方法很多，此处仅介绍几种常用方法：1.收割法定期或一次性收割植物体，然后称重（湿重和干重）。定期收割包括收割地上部分与地下部分及枯枝、落叶等。2.氧气测定法根据光合作用和呼吸作用中氧气含量的变化，测定水生生态系统中浮游植物的初级生产力，测定方法是“黑白瓶”法。3.CO2测定法由于CO2是光合原料和呼吸产物，通过测定CO2的变化来测定光合强度并估算生产力，所用仪器是“CO2红外气体分析仪”。4.pH测定法通过测定pH的变化来计算水生生态系统的初级生产力，原理是浮游植物光合和呼吸引起CO2含量的变化，CO2的变化又导致pH的变化。5.原料消耗测定法利用矿质原料的消耗来测定海洋生态系统的初级生产力。6.同位素标记法应用放射性同位素14C来测定植物对14C的吸收速度，从而计算初级生产力，这是一种较新的方法。7.叶绿素测定法根据叶绿素的含量与光合强度之间有密切关系的原理，可通过测定叶绿素含量而估算初级生产力，这是一种较有前途的方法。二、生态系统内能量的分流在一个生态系统中，能量流动的起点是从生产者固定的太阳能开始的，该生态系统中全部的生产者所固定的太阳能即为流经该生态系统的总能量。 这个总能量将进行如下几种分流：第一，一部分能量用于生产者自身的新陈代谢等各项生命活动的需要（即通过呼吸作用消耗）；第二，一部分能量随生产者的遗体、残枝败叶和动物的尸体粪便等被分解者分解而释放出来；第三，一部分能量则被初级消费者（草食动物）摄入体内并被其同化（动物同化量=摄入量-粪便量），这部分能量的10%20%沿食物链（网）传给下一营养级；其余的能量即是未利用能量。以后各营养级的能量流动，也将按上述分流情况进行。如此沿食物链（网）进行下去，当然能量流动呈递减趋势，若把各营养级的能量用体积来表示，即自然会出现“能量金字塔”，同时这也正是能量分流的结果，是自然界的食物链在长期进化过程中自然选择的结果。三、能量流动题型归类文字概念型：常对生态系统能量流动的概念、能量传递效率、能量金字塔及生态系统的成分和营养结构等不同角度进行考查，对此，要在识记、理解这些概念的同时，注意知识迁移，灵活运用，到什么山上唱什么歌。推理说明型：依背景材料及相关条件，推出未知生物的地位和作用。首先看哪种生物含量最多、能量最多，则一般为生产者。其次看生态系统中三大功能类群的关系，依次推出消费者和分解者，并说明其营养级别，消费者级别和分解者的作用，值得注意的是：分解者不占营养级。识图计算型：考题中常出现比较复杂的食物网，要弄清题意，理清所需要的食物链，然后进行运算。关于“最多”“最少”“至多”“至少”等字样的理解，更要保证清醒的头脑，因为能量在相邻两营养级之间的传递效率是10%20%，计算中取多大的值就是问题的关键了。因此，要根据题意：“最多”“至多”按10%的传递效率计算；“最少”“至少”按20%的传递效率计算；更重要的是要盯住食物网中同一营养级的分流情况或不同来源，全面分析与该营养级有关的其他因素。四、生态系统生物数量变化分析对于生态系统的某一食物链，若第一营养级（生产者）的生物数量减少，则该食物链的其他生物数量将自然减少。这是因为第一营养级是其他各种生物赖以生存的直接和间接食物来源，该营养级生物的减少，必将导致其他营养级的连锁反应，引起以后各营养级的生物依次减少，这类问题相对比较简单。对于一条食物链中，处于“天敌”地位的生物数量减少，则被捕食者数量会迅速增加，不过这种增加是暂时的。因为，随着该物种数量的增加，种群密度会逐渐加大，势必导致种内斗争的加剧，此时又没有了天敌的“压力”，斗争中自然使其素质下降，流行病蔓延，生老病死的个体增多，最终使其密度下降，直至相对稳定。即：天敌减少对被捕食方的影响是先增加后减少，最后趋向稳定。 对于食物网中处于“中间”营养级的生物减少，相关生物的变化情况，应视具体食物链作具体分析。如右图所示的食物网中，如果蚱蜢大量减少将会引起什么样的结果呢？蚱蜢大量减少，则蜥蜴和蛇也都相继减少；蛇的减少不会直接影响到鹰的减少。因为，鹰还可以依赖于其他食物链的食物来源，倒是由于蛇的减少使得鹰更多地以食草籽的鸟和兔子为食，从而导致了食草籽的鸟和兔的减少。因此，对此食物网来说，蚱蜢的减少，只能引起蜥蜴、蛇、食草籽的鸟和兔的减少，位于最高营养级、金字塔最顶端的鹰则岿然不动。五、典型例题分析例1在一个光照和水肥充足的小岛上，各种植物生长茂盛，有在树上飞跃的小型益鸟和猫头鹰，有鼠、蛇及蛙等动物在活动，还有许多昆虫、真菌和腐烂的尸体。根据上述的描述回答：（1）这个小岛上能否构成一个生态系统？理由是什么？（2）小型益鸟是第_营养级。（3）在岛上的食物网中，若以相同的植物能量为起点，请找出猫头鹰获得能量最多的食物链：_。（4）这个小岛上的分解者是_，其作用是_。分析：根据小岛的自然现象，有生态学的知识分析，这一小岛构成了一个生态系统。因为可形成生产者、消费者和分解者组成的生物群落，也具有非生物的物质和能量（光、水、肥等），符合生态系统的概念。小型鸟的营养级别，根据其栖息场所可以断定是以昆虫为食的肉食动物，至少也是第三营养级，而这里的“小型”二字，也就提示你，它是第三营养级可以定论。在岛上的食物网中，若有相同的植物能量起点，根据能量流动的特点，食物链中环节越少，处在高一级营养级的生物获得的能量就越多，故猫头鹰获得能量最多的食物链是：草鼠猫头鹰。分解者是营腐生生活的微生物，因为它能将复杂的有机物分解成简单的无机物，归还大自然。 答案：（略）例2一片树林中，树、昆虫、食虫鸟的个体数比例关系如右图所示。下列选项能正确表示三者之间能量流动关系的是 分析：题中已给出了树、昆虫、鸟三者间的数量“金字塔”，旨在考查生态系统的数量金字塔与能量金字塔的关系。从题图可知，依照个体数量统计，树的数目最少，而昆虫的数目最多，但是若按能量流动关系分析，三者间能构成的食物链是：树昆虫鸟。根据能量流动的特点，若用方框的大小表示能量的话，框的大小应沿食物链由大到小排叠，出现了与数量金字塔不同的形状。答案：C例3生态系统的能量流动是指A.太阳能被绿色植物固定的过程B.系统内生物体能量代谢的过程C.系统内伴随物质循环的能量转移过程D.能量从生物体进入环境的过程分析：生态系统的能量流动是指能量的输入、传递、转换和输出的过程，其中伴随着物质循环的进行而进行。二者的关系是：物质是能量的载体，能量流动推动物质循环。选项A、B、D均属能量流动中的一个环节，不能代表整个系统的能量流动，只有C能反应能量流动的全过程。答案：C