生态系统中的能量流动

发生的部位

能量流动发生在每一条食物链与食物网中，从阳光开始，依次经过每个营养级：生产者、初级消费者、次级消费者，如此类推。

能量的入口是生产者，绿色植物、藻类或光合细菌，的叶绿体，光能在那里被转化为葡萄糖中的化学能。此后能量随着一种生物吃掉另一种生物而逐级传递：在稻田里是水稻→蝗虫→青蛙→蛇；在池塘里是浮游植物→浮游动物→小鱼→鹭。

另有一条支路经过分解者，细菌与真菌，它们从每个营养级的尸体和废物中获取能量。无论走哪条路径，每种生物都通过呼吸作用把所获能量的大部分以热量形式释放，而这些热量一去不返地离开生态系统。

输入与输出

• 输入：来自太阳的光能，生产者只能捕获其中一小部分，大部分阳光被反射、穿过叶片，或落在裸地和水面上。
• 各消费者级别的输入：所吃食物中的化学能，在能量流动图中以单位面积每年的能量（例如千焦每平方米每年）计量。
• 输出：每一级储存在新生物量中的能量，这是唯一可供下一营养级利用的部分。
• 输出：每一级在呼吸作用中释放的热量，任何生物都无法重新捕获。
• 输出：粪便、尿液与尸体中的能量，流向分解者而非下一级消费者。
• 净结果：单向流动，能量以光的形式进入，沿食物链传递，以热量形式离开，因此生态系统需要持续的阳光供应。

步骤

1. 阳光到达生产者；只有一小部分被叶绿素吸收，经光合作用固定为葡萄糖，再构建成植物的生物量。
2. 生产者把其中一部分化学能用于自身呼吸作用并释放热量；其余储存为新组织，叶、茎、根、种子。
3. 初级消费者（植食性动物）吃掉生产者，获得所食组织中储存的能量；未被吃掉的部分（如根）仍留在生产者体内。
4. 部分食物无法消化，以粪便形式离开植食性动物；含氮废物中的能量随尿液流失。
5. 植食性动物进行呼吸作用，把能量用于运动、保暖和维持生命并以热量释放；剩下的才构建为植食性动物的生物量。
6. 次级消费者（肉食性动物）吃掉植食性动物，重复同样的损失模式；三级消费者随后可能再吃掉肉食性动物。
7. 每次传递中，上一级能量只有约10%储存为下一级的生物量，因此可利用的能量沿食物链迅速缩减。
8. 分解者分解来自每一级的粪便与尸体，把最后储存的能量以热量释放，同时把养分归还土壤。

为何重要以及如何受控

由于每个营养级都损失如此多的能量，食物链很少超过四或五级，因为剩余的能量不足以支持再多一级消费者。这也是为何能量金字塔（不同于数量金字塔）总是呈正立形，每一级所含能量都少于其下一级。

到达每一级的能量多少，取决于生产者的光合作用速率，它受光照强度、温度、水和二氧化碳影响，以及每次传递的效率。恒温消费者以热量散失的能量比例大于变温消费者，因此以哺乳动物结尾的食物链所能支持的末端种群，比以同等体型的爬行动物结尾的食物链更小。

由于损失在每一步累乘，生物量与生物数量通常从生产者到顶级消费者逐级下降，一个栖息地中的顶级肉食动物相对于最终供养它的植物总是稀少的。

能量流动与物质循环形成对比。碳、氮和水在生物与环境之间无限循环，能量则不然：一旦以热量释放，任何生物都无法再利用。

这就是两个专题常被合并考查的原因，关于碳循环的题目常要求解释为什么碳循环而能量流动。它还解释了一个实际原则：直接种植作物供人食用，比先把作物喂给牲畜，能用同样的土地养活多得多的人，因为省去了整整一个营养级的损失。

数量金字塔、生物量金字塔与能量金字塔

如何考查

你可能被要求解释为何只有一小部分能量传递到下一营养级、解释为何食物链通常较短，或解读或绘制能量金字塔。

典型的结构题给出食物链各级的能量含量，例如生产者20 000千焦每平方米每年、初级消费者2 000千焦每平方米每年，要求你计算传递百分比、说明损失的能量去向，并解释食物链为何在某一级之后终止。计算题应写出过程：高一级的能量除以低一级的能量，再乘以100。

数据题可能给出橡树、毛虫与鸟类的数量金字塔并问为何倒转，或要求按比例绘制能量金字塔。论述题常把能量流动与粮食生产联系起来，问为何素食或养鱼能更高效地利用能量。

常见误解

考试风格例题

题目。 在一个草原生态系统中，草固定的能量为30 000千焦每平方米每年。

以草为食的蝗虫储存了3 300千焦每平方米每年的新生物量，以蝗虫为食的蜥蜴储存了280千焦每平方米每年。(a) 计算从草传递到蝗虫的能量百分比。

(b) 解释蝗虫与蜥蜴之间能量损失的三种途径。(c) 提出该生态系统没有第四营养级的原因。

(d) 指出对于这条食物链哪种生态金字塔总是正立的，并说明理由。

参考答案。 (a) 3 300 ÷ 30 000 × 100 = 11%（写出过程）。

(b) 蝗虫在呼吸作用中以热量形式散失能量；能量留在蝗虫未被吃掉的部分，或留在蜥蜴无法消化的物质中并以粪便排出；能量随含氮废物等排泄物流失；用于运动的能量也可得分。(c) 只有280千焦每平方米每年到达蜥蜴，其中约10%，大约28千焦每平方米每年，可供再上一级消费者利用，这能量太少，不足以维持一个更大型捕食者的可存续种群。

(d) 能量金字塔，因为能量在每次传递中都有损失，所以每一级所含能量总是少于其下一级；它按全年测量，因此不受生物大小或数量的影响。

来源:SRC-DSKP-EN

常见问题