【本讲教育信息】

一. 教学内容：

生态系统的功能

二. 知识要点：

生态系统的能量流动、物质循环、能量流动与物质循环的关系、生物固氮

三. 重难点解析：

（一）生态系统的能量流动

概念：生态系统中能量的输入、传递和散失的过程。

特点：单向流动：沿食物链方向由低营养级流向下一营养级。

逐级递减（10—20%）

研究目的：设法调整生态系统的能量流动方向，使能量流向对人类最有益的部分。

第一营养级能量流动：

能量转换：

能量流动特点：

a. 单向流动：能量只能从第一营养级流向第二营养级，再流向其他营养级，不能逆向流动，也不能循环流动

b. 逐级递减：能量在沿食物链流动的过程中是逐级减少的，相邻两个营养级间的能量传递效率大约10% ~ 20%

c. 能量流动过程中遵循能量守恒定律

能量流动的定量分析：塞达伯格湖能量流动分析，1942年，美国，林德曼

能量金字塔：单位时间内各个营养级所得到的能量数值，由低到高绘制成图，形成一个金字塔形

在一个生态系统中，营养级越多，在能量流动过程中消耗的能量就越多

研究能量流动的意义：

a. 合理调整生态系统中的能量流动关系，使能量持续高效的流向对人类最有意的地方

b. 实现能量的多级利用，从而大大提高能量的利用效率

例如：根据草场的能量流动特点，合理确定载畜量，保持出产品的持续高产

作物秸杆做饲料，牲畜粪便进入沼气池，沼气作燃料，沼渣作肥料，实现能量多级利用

（二）物质循环

概念：指组成生物体的C、H、O、N、P、S等基本元素在生态系统的无机环境与生物群落之间形成的反复的循环运动。

特点：具有全球性；物质可以被生物群落反复利用。

1. 碳循环：

碳在生物群落与无机环境之间的循环主要形式：二氧化碳

大气中二氧化碳生物体大气

碳循环现状：

化石燃料中的碳快速释放大气二氧化碳增加温室效应气温升高，冰川融化、海面上升，陆地生态系统改变

2. 物质循环和能量流动的关系

特点不同：物质循环过程中，无机环境中的物质可被生物群落反复利用能量流动在各营养级逐级递减、单向流动

关系：

能量流动和物质循环使生态系统的主要功能

两者同时进行、彼此相互依存、不可分割

物质是能量的载体，使能量沿食物链（网）流动

能量是动力，使物质能不断循环

（三）能量流动与物质循环的关系

区 别		能量流动	物质循环
	形式	含碳有机物	CO2
	范围	生物群落的各营养级之间	生物群落与无机环境之间
	特点	单向流动、逐级递减	全球性、循环流动
联 系	物质是能量流动的载体，能量是物质循环的动力。能量流动和物质循环是生态系统的主要功能，二者同时进行，相互依存，不可分割，在生物群落中都是以 食物链为流动渠道。

生态系统的稳定性

1. 概念：

（1）生态系统稳定性：生态系统具有保持或恢复自身结构和功能相对稳定的能力

（2）抵抗力稳定性：生态系统抵抗外界干扰并使自身的结构和功能保持原状能力

（3）恢复力的稳定性：生态系统在遭到外界干扰因素的破坏后恢复到原状的能力

2. 内容：

抵抗力稳定性：

成因：生态系统内部具有一定的自动调节能力

影响因素：

特点：生态系统的自动调节能力总有一定的限度，超过限度，稳定性就会被破坏

例如：

河流轻微污染污染消除生物种类、数量无明显影响

微生物分解

生态系统稳定性

森林生态系统＞草原生态系统＞农田生态系统＞苔原生态系统

恢复力稳定性：

控制污染排放自身净化系统恢复原状

两者的相互关系：

对一个生态系统来说，抵抗力稳定性与恢复力稳定性之间往往存在着相反关系。

如：森林生态系统，抵抗力稳定性高，恢复力稳定性低

草原生态系统，抵抗力稳定性低，恢复力稳定性高

3. 提高生态系统的稳定性

根据各生态系统的稳定性特点，采取相应的对策。保持生态系统的稳定性。

如：种植防护林、避免过量砍伐、控制污染排放生态农业

概念：运用生态学原理、在环境与经济协调发展的思想指导下，应用现代科学技术建立起的多层次、多功能的综合农业生产体系

经营模式：

优点：1. 通过延长食物链，科学地利用了农业生态系统中的各种成分

2. 能量最大限度地得到利用，使能量朝着有利于人类的方向流动

3. 能够减少化肥的施用，从而减少环境污染

（四）生物固氮

概念：固氮微生物将大气中的氮还原成氨的过程。

氮循环图解如下：

生物固氮在农业生产中的应用。

【典型例题】

[例1] 一个池塘有生产者（浮游植物）、初级消费者（植食性鱼类）、次级消费者（肉食性鱼类）、分解者（微生物）。其中生产者固定的全部能量为a，流入初级消费者、次级消费者、分解者的能量依次为b、c、d，下列表述正确的是（ ）

A. a=b+d B. a＞b+d C. a＜b+d D. a＜c+d

分析：本题考核生态系统的能量流动，主要考核能量流动的过程和特点。

一个生态系统中，流经该系统的总能量是生产者固定的太阳能。该生态系统中生产者固定的全部能量是a，即流经该系统的各个营养级的总能量是a，数值是最大的。这些能量一部分在生产者的呼吸作用中以热能形式散失到环境中，一部分用于自身的生长、发育、繁殖。在后一部分能量中，一部分随植物遗体和残枝败叶等被分解者分解释放出来，还有一部分沿着食物链流入初级消费者，除小部分能量随动物粪便排出体外，其余被初级消费者同化。能量依次沿食物链单向流动、逐级递减传递下去。

答案：B

[例2] 下面是有关生态系统的问题。

（1）图1是生态系统中碳循环示意图，图中“→”表示碳的流动方向。请回答：

① 写出图中含有三个营养级的食物链（用字母表示）

② 在物质循环的过程中，同时伴随着_____________。若生产者有5000kg，按能量最大传递效率计算，位于第三营养级的生物可增重__________kg。

（2）图2表示一生态系统中生物种类间的相互关系，图中各种类均生活在退潮后暴露出的岩石上，其中海藻、藤壶、贻贝和海葵固着于岩石表面，海星、石鳖和石械则在岩石表面来回爬动找寻食物，图中的数字表示海星食物中各种类所占的比例（%）。

① 生态系统中处于第三营养级的种类有 。两者既有捕食关又有竞争关系的种类是_________________________________。

②当除去全部海星一年后，与对照地区相比，该处生物种类组成发生了很大的变化，其中_________成为优势种，而石鳖和石械数量大为减少，其原因是_________。

分析：本题综合考核了生态系统物质循环中的碳循环的特点、能量流动逐级递减的特点、生态系统中个生物之间关系。本题要求写出图中含有三个营养级的食物链，而食物链中只能有生产者和各级消费者。由此可推断：A为生产者、B为分解者、C为大气中的CO₂、D为初级消费者、E为次级消费者。所以三个营养级的食物链为A→D→E。在物质循环的过程中，同时伴随着能量流动。生产者为第一营养级，若生产者有5000kg，按最大能量传递效率计算，即按能量传递效率为20％计算，位于第三营养级的生物可增重5000kg×20％×20％=200kg。生产者在黑暗中不进行光合作用，生产者在黑暗中每小时释放出来的44mgCO₂是通过呼吸作用产生的。根据有氧呼吸反应式可计算得到生产者在黑暗中每小时消耗的O₂为32mg。生产者在光下和黑暗条件下的呼吸作用强度基本相同，生产者每小时实际产生的O₂量为呼吸消耗量（32mg）与释放量（32mg）之和为64mg。此生态系统中处于第三营养级的种类有海星、荔枝螺、海葵（其中海星在捕食荔枝螺的食物链中为第四营养级）。两者既有捕食关系又有竞争关系的种类是海星和荔枝螺，图示表示的是它们在食物方面的竞争，藤壶、贻贝都是它们的食物。当除去全部海星后，海星的主要捕食对象藤壶（64％）就大量繁殖，藤壶成为优势种。藤壶的大量繁殖占据了岩石表面，使海藻减少，石鳖和石槭因失去食物而数量减少。

答案：（1）①A；D；E ②能量流动；200 ③64 （2）海星、荔枝螺、海葵；海星和荔枝螺 ②藤壶；藤壶大量繁殖，占据了岩石表面，使海藻不能生长，石鳖和石槭因失去食物而数量减少。

[例3] 我国北方处于平衡状态的某森林生态系统，其碳素循环如下图3，箭头和字母分别表示碳素传递方向和转移量。下列选项正确的是（ ）

A. 夏季，a>b+c+e B. 秋季，e+f<g

C. 春季，g=b+e+f D. 冬季，d>c+f

分析：本题考核生态系统中的物质循环。碳素在无机环境和生物群落之间的循环，离不开生产者（主要是绿色植物）。在题目所给出的生态系统中，a代表绿色植物通过光合作用固定的太阳能及合成的有机物，这是流经该森林生态系统的总能量，数量最大；b代表植物呼吸作用散失到大气中的二氧化碳；c代表通过食物链流到动物（各级消费者）体内的总能量，d代表动物的呼吸作用散失到大气中的二氧化碳；e代表植物的残枝、落叶流到分解者的能量；f代表动物流到分解者的能量；g代表分解者的呼吸作用散失到大气中的二氧化碳。在一年中的不同的季节，植物进行光合作用的强度不同。根据生态系统能量流动的效率10％-20％，在夏季，处于平衡状态的森林生态系统，植物光合作用所固定的总能量>植物呼吸作用所消耗的能量+流到动物体的能量+流到分解者的能量。我国北方的夏季昼长夜短，气温较高，生产者同化作用占优势，因而a>b+c+e；在秋季，植物遗体、残枝、败叶相对增多，动物的粪便等也相对增多，而土壤中的生物数量相对稳定，由于气温变低代谢变缓、繁殖变慢，因而g<e+f；在冬季，动物呼吸作用加强以维持体温，即d值增大，而动物可摄入的有机物量相对减少，即c值减少，对动物而言c、d、f三者的关系可能是d+f≤c，而不可能是d>c十f。

答案：A

几点注意问题：

1. 生态金字塔。

生态金字塔指各个营养级之间的数量关系，不同的金字塔能形象地说明营养级与能量、生物量、数量之间的关系，是定量研究生态系统的直观体现。

（1）能量金字塔（图4）

能量金字塔的形状永远是正金字塔形。

能量金字塔每一台阶的含义：代表食物链中每一营养级生物所含能量多少。

能量金字塔形状的象征含义；表明能量流动沿食物链流动过程具有逐级递减的特性。

（2）数量金字塔

数量金字塔每一台阶的含义：表示每一营养级生物个体的数目。

数量金字塔的一般形状如图5。因为在捕食链中，随着营养级的升高，能量越来越少，而动物的体形一般越来越大，因而生物个体数目越来越少。

数量金字塔的特殊形状：如一棵树与树上昆虫及鸟的数量关系可形象表示如图6。

（3）生物量金字塔

生物量金字塔每一台阶的含义：表示每一营养级现存生物的质量，即有机物的总质量。

生物量金字塔的一般形状：能量是以物质形式存在的，因而每一营养级的生物量（现存生物有机物的总质量）在一定程度上代表着能量值的高低，从这个意义上讲，生物量金字塔的形状一般同能量金字塔形状相似（如图7）。

生物量金字塔的特殊形状：如海洋生态系统中，生产者浮游植物个体小，寿命短，又会不断被浮游动物吃掉，因而某一时间调查到的浮游植物的生物量可能要低于其捕食者浮游动物的生物量，但这并不是说流过生产者这一环节的能量比流过浮游动物的要少。

综上可知，只有能量金宇塔永远是底宽上尖的正金字塔形，数量金字塔及生物量金字塔一般也是正金字塔形，但有时也会出现倒置的特殊形状的金字塔。

2. 自然界中的碳循环。

大气中的碳元素进入生物群落的途径，主要是光合作用，也可通过化能合成作用；碳元素由生物群落回到无机环境的途径，主要通过呼吸作用；碳元素在生物群落中的传递，主要靠食物链和食物网，传递形式为有机物；碳在无机环境、生产者、消费者、分解者之间传递时，只有生产者与无机环境之间的传递是相互的，其他各成分之间的传递都是单向的。地球上最大的碳库是岩石圈和化石燃料，含碳量约占地球上碳总量的99.9％，这两个库中的碳活动缓慢，实际上起着贮存库的作用。地球上还有三个碳库——大气圈库、水圈库和生物库。这三个库中的碳在生物和无机环境之间迅速交换，容量小而活跃，实际上起着交换库的作用。碳在岩石圈中主要以碳酸盐的形式存在，总量为2.7×10¹⁶t，在大气圈中以二氧化碳和一氧化碳的形式存在，总量有2×10¹²t，在水圈中以多种形式存在；在生物库中则存在着几百种被生物合成的有机物。

3. 自然界中的氮循环。

构成氮循环的主要环节是：生物体内有机氮的合成、氨化作用、硝化作用、反硝化作用和固氮作用。

生物体内有机氮的合成是指：植物吸收土壤中的铵盐和硝酸盐，进而将这些无机氮同化成植物体内的蛋白质等有机氮，动物直接或间接以植物为食物，将植物体内的有机氮同化成动物体内的有机氮，这一过程称为生物体内有机氮的合成。

氨化作用是指：动植物的遗体，排出物和残留物中的有机氮被微生物分解后形成氨的过程。

硝化作用是指：在有氧的条件下，土壤中的氨或铵盐在硝化细菌的作用下最终氧化成硝酸盐的过程。

反硝化作用是指：在氧气不足的条件下，土壤中的硝酸盐被反硝化细菌等多种微生物还原成亚硝酸盐，并且进一步还原成分子态氮并返回到大气中的过程。

固氮作用：通过电离、工业、生物等将大气中的氮还原成氨的过程。

4. 几种微生物在氮循环中的作用。

	在氮循环中的作用	代谢类型	在生态系统中的地位
根瘤菌	将N2合成氨	异养需氧型	消费者
圆褐固氮菌	将N2合成氨	异养需氧型	分解者
细菌、真菌	将生物遗体中含氮化合物转化为氨	异养需氧型	分解者
硝化细菌	将土壤中氨转化为硝酸盐	自养需氧型	生产者
反硝化细菌	硝酸盐→亚硝酸盐→N2	异养厌氧型	分解者

【模拟试题】（答题时间：90分钟）

1. 在生态系统中有关食物链与能量流动的叙述，不正确的是（ ）

A. 能量沿食物链流动是单向的

B. 食物链越长，最高营养级上获得的能量越少

C. 初级消费者越多，次级消费者获得的能量越少

D. 生物种类越多，生态系统中的食物链越多

2. 某河流生态系统的营养结构共有4个营养级，分别以a、b、c、d表示。一年内输入这4个营养级的能量数值如下表：

该生态系统中初级消费者所属营养级是（ ）

A. a B. b C. c D. d

3. 一片树林中，树、昆虫和食虫鸟类的个体数比例关系如图所示。下列选项能正确表示树、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）

4. 有图所示的一个食物网（能量传递效率按10%计算），则下列叙述中正确的是（ ）

A. 该食物网中初级消费者是昆虫，次级消费者是鸟

B. 昆虫属于第一营养级，鸟属于第二营养级

C. 若绿色植物固定的太阳能总量为M，昆虫获得的总能量为m1，鸟获得的总能量为m2，则M＞m1+ m2

D. 在鸟类的食物构成中，若动物性食物和植物性食物各占一半，则鸟类增加能量A时，生产者需提供能量为55A

5. 图为生态系统中食物链所反映出的能量流动情况，图中的箭头符号为能量的移动方向，单位为kcal/m2年。下列说法正确的是（ ）

① 在入射的太阳能中，生产者只利用了其中的1%左右

② 分解者可利用来自各营养级转移到（A）的所有能量

③ 消费者营养级别越高，可利用的总能量越多

④ 当人们把生产者当做食物时，比起其他营养级，可获得更多的食物

A. ①② B. ①④ C. ②④ D. ③④

6. 图表示某生态系统食物网的图解，猫头鹰体重每增加1kg，至少消耗A约（ ）

A. 100kg B.44.5kg C. 25kg D. 15kg

7.（2002年广东卷）下表是对某水生生态系统营养级和能量流动情况的调查结果，表中A、B、C、D分别表示不同的营养级，E为分解者。Pg表示生物同化作用固定能量的总量，Pn表示生物体贮存的能量（Pn＝Pg－R），R表示生物呼吸消耗的能量。单位：102千焦/m²/年

	Pg	Pn	R
A	15.9	2.8	13.1
B	870.7	369.4	501.3
C	0.9	0.3	0.6
D	141.0	61.9	79.1
E	211.5	20.1	191.4

分析回答：

（1）能量流动是从A、B、C、D中的哪个营养级开始的?为什么?

（2）该生态系统中能量从第三营养级传递到第四营养级的效率是多少?

（3）从能量输入和输出角度看，该生态系统的总能量是否增加?为什么?

8.（2003年全国理综卷）据图判断，下列叙述不符合生态学原理的是（ ）

A. 物质经过了多级利用，实现了良性循环

B. 每一级生产环节都获得产品，提高了生态经济效益

C. 由于食物链延长，能量逐级损耗，系统总能量利用效率降低

D. 由于各级产物都可以利用，减少了废物和污染

9.（2003年江苏卷）火灾常给森林带来较大危害，但是在某些国家有时对寒带地区森林中的残枝落叶等进行有限度的人工火烧，以对森林进行资源管理，这种人工火烧的主要目的是（ ）

A. 消灭森林病虫害

B. 刺激树木种子萌发

C. 加速生态系统的分解过程

D. 提高森林的蓄水能力

10. 在局部地区的暴雨会使提供特定生态系统的氮、磷、钙的量受到限制，而提供给该系统的碳量很少出现这一问题，其原因是（ ）

A. 生物体不需要多少碳

B. 植物用阳光和水分就能制造自身的碳

C. 植物能很好地吸收土壤中的碳

D. 许多养料是来自土壤的，碳主要来自空气

11.（2000年上海卷）图是某生态系统中食物网简图，图中甲——庚代表各种不同的生物。请据图分析回答：

（1）此生态系统中作为生产者的生物是 ；作为次级消费者的生物是 。

（2）若此生态系统受到重金属盐污染，那么在体内积存重金属污染物最多的生物是 。

（3）生物甲与已的关系是 。

（4）该生态系统只表示了部分成分，图中未表示的成分有 。

（5）已知各营养级之间的能量转化效率为10%，若一种生物摄食两种下一营养级的生物，且它们被摄食的生物量相等，则丁每增加10千克生物量，需消耗生产者 千克。

12. 生产者所制造的有机物质的量被称为初级生产力。下表为地球上主要生态系统的总面积及生产者的净初级生产力（g干重／m²·y）。请回答：

生态系统类型	湖河	沼泽	热带森林	温带森林	冻土带	荒漠密灌林	农田	开阔大洋
面积（10^6km^2）	2	2	20	18	8	18	14	332
净初级生产力	500	200	2000	1300	140	70	650	125

（1）陆地生态系统中的_________是生物圈的最主要的能量基地，因为__________。

（2）荒漠密灌林的净初级生产力较低的主要限制因素是___________；而群落结构单一的农田生态系统的净初级生产力却较高的主要原因是：_________________。

（3）表中所列生态系统属于湿地的是________________。

（4）表中各净初级生产力，除未利用的部分外，其余的去向是_______________。

13. 图示某农场部分物质循环示意图，据此回答：

（1）图示可否称为生态农业______，判断的依据______。

（2）若要充分利用生产者固定的太阳能，就要改进该系统，请提出你的修改意见______。

（3）该系统的主要成分是______,该系统的______稳定性较低。

（4）该系统物质循环的特点是__________________。

（5）若人也是该系统的一员，请在图15中用箭头标出该的能量流动的过程。

14. 图是两个农业生态系统的结构模式图。图a中农作物为人类提供的食物量、为家禽和家畜提供的饲料量，都与图b相同。

（1）请根据图a、图b所示生态系统的结构,在下面用箭头完成这两个生态系统能量流动和利用的图解（各种生物的呼吸作用耗能和图中未标出的分解者耗能可不标出）。

（2）图 所示生态系统的能量能够更多地被人类利用，原因是 。

15.（2004年广东卷）下列关于固氮菌的叙述，错误的是（ ）

A. 一种根瘤菌能侵入所有种类的豆科植物

B. 豆科植物与其根瘤内的根瘤菌互利共生

C. 土壤中的根瘤菌不能固氮

D. 具有根瘤的豆科植物能以氮气为氮源

16.（2003年江苏卷）自生和共生固氮微生物可以将（ ）

A. 大气中的N₂转化为NH₃

B. 大气中的N₂转化为NO^3-

C. 土壤中的N₂转化为NO^3-

D. 土壤中的NO^3-转化为N₂

17.（2002年山西卷）豆科植物与根瘤菌的互利共生关系主要体现在（ ）

A. 豆科植物从根瘤菌获得NH₃，根瘤菌从豆科植物获得糖类

B. 豆科植物从根瘤菌获得含氮有机物，根瘤菌从豆科植物获得NH₃

C. 豆科植物从根瘤菌获得N₂，根瘤菌从豆科植物获得有机物

D. 豆科植物从根瘤菌获得NO，根瘤菌从豆科植物获得NH₃

18. 有关氮循环的内容，以下说法错误的是（ ）

A. 土壤中的氨在有氧条件下，经过硝化细菌的作用，最终转化成硝酸盐

B. 土壤中的反硝化细菌在缺氧的条件下，将硝酸盐转化成亚硝酸盐，并最终转化成氨气

C. 植物只能利用土壤中的硝酸盐和铵盐，而不能直接利用空气中的氮气

D. 自生固氮菌的代谢类型属于自养需氧型

19. 关于生物固氮在农业生产中的应用，正确的是（ ）

A. 自然界每年通过生物固氮所提供的氮素约4×10⁸t

B. 经过根瘤菌拌种的豆科植物，可以增产20％～40％

C. 用固氮基因工程让非豆科作物固氮，不仅能明显提高粮食产量，而且有利于生态环境的保护

D. 固氮菌由核糖体合成，经高尔基体加工后具生物活性的固氮酶，能将N₂还原成NH₃

20. 某湿地生态系统处于稳态，其氮素循环如图所示：

（1）水生植物获得氮素的途径有_________ 、_______和_______________（除去人为因素影响），在水生植物中能利用大气中的N₂的生物主要有 _______________。

（2）微生物C代谢类型是 ______________________

（3）氮是植物光合作用过程中各种酶以及____________________等的重要组成成分。

（4）水中的草履虫变形虫等微生物与微生物C的基因结构进行比较，其主要结构特点

是____________。

（5）水中溶解氧的增加，对图中氮循环的______________过程（填数字）是不利的。

【试题答案】

1. C 2. A 3. C 4. CD 5. B 6. C

7.（1）BB营养级含能量最多，是生产者。（2）5.7%（3）增加该生态系统输入的总能量大于所有生物消耗能量之和或答Pg（生产者的）＞R（所有生物的呼吸消耗）

8. C 9. C 10. D

11. （1）戊；甲、乙、丁（2）丙（3）捕食和竞争（4）非生物因素和分解者（5）3250

12.（1）热带森林；面积广阔，结构复杂，光合效率高，净初级生产力最高

（2）水；人在不断的输入能量

（3）湖河、沼泽

（4）被初级消费者摄入体内；被分解者利用

13.（1）是；具有能量的多级利用

（2）用猪粪、鸡粪饲养蚯蚓或蝇蛆来喂鸡；用玉米秸秆发酵做猪饲料；用猪粪、鸡粪和不能做饲料的玉米秸秆发酵制沼气

（3）玉米；抵抗力；物质的大量输出和输入

14.（1）图a

（2）b；图b所示生态系统中流向分解者的能量，还有一部分可以以生活能源或食物中化学能的形式被人类再度利用。

15. C 16. B 17. A 18. D 19. AC

20. （1）生物固氮；电离固氮；尿素及微生物C的氧化；蓝藻

（2）自养需氧型

（3）ATP；NADP+

（4）编码区是间隔的，不连续的

（5）④