内容正文:
高考总复习 生物学
第九单元
生物与环境
第5课时 生态系统的能量流动
1.通过分析生态系统的能量流动的过程,建立生命系统的物质和能量观。(生命观念)
2.分析能量流动过程,归纳总结能量流动特点,构建生态系统的能量流动过程模型,形成科学思维习惯。(科学思维)
3.通过总结研究能量流动的实践意义,形成学以致用、关注生产生活的态度。(社会责任)
考点一 能量流动的过程和特点
一、 能量流动的概念
生态系统中能量的______________________的过程,称为生态系统的能量流动。
输入、传递、转化和散失
二、能量流动的过程
1.能量流入第一营养级
2.第二营养级及其后营养级能量流动
(1)分析
①输入该营养级的总能量是指图中的__(填字母)。
②粪便中的能量(c)______(填“属于”或“不属于”)该营养级同化的能量,应为________________营养级同化的能量中流向______的部分。
③初级消费者同化的能量(b)=__________________________+________________________________。
④生长、发育和繁殖的能量(e)=__________________________+__________________________+未被利用的能量(j)。
b
不属于
上一个(或第一)
呼吸作用以热能的形式散失的能量(d)
用于生长、发育和繁殖的能量(e)
分解者利用的能量(f-c)
下一营养级同化的能量(i)
分解者
(2)总结:①摄入量=同化量+______。
其中最高营养级无 ________。
粪便量
Ⅱ
[易错提醒] (1)生态系统的能量输入并不是只有生产者固定的太阳能,人工鱼塘等生态系统的能量输入还包括饲料中有机物中的能量。
(2)生产者同化的能量,就是生产者通过光合作用制造的有机物中的能量,即光合作用总量。用于生产者自身生长、发育和繁殖的能量:需除去其呼吸消耗的能量,即净光合量。
三、能量流动的特点
[易错提醒] 任何生态系统都需要不断得到来自系统外的能量补充,以便维持生态系统的正常功能。
四、生态金字塔的类型及特点
项目 能量金字塔 数量金字塔 生物量金字塔
形状
每一阶含义 每一营养级生物所含能量的多少 每一营养级生物个体的数量 每一营养级生物所含的有机物总干重
项目 能量金字塔 数量金字塔 生物量金字塔
象征含义 能量沿食物链流动过程具有________的特点 一般情况下,生物个体数量在食物链中随营养级升高而逐级递减 一般情况下,生物体内有机物的总干重随营养级升高而逐级____
特征 上窄下宽的正金字塔形 一般为正金字塔形,但可能出现____的金字塔形,例如“树→昆虫” 一般为正金字塔形
逐级递减
递减
倒置
(选择性必修2 P57“旁栏思考”)人类位于食物链的顶端,从能量金字塔来看,人口数量日益增长,这对地球上现有的生态系统造成的影响是_________________________________________________________
__________________________________________________________________________________________________________________。
人口数量日益增长,会要求低营养级有更多的能量流入人类所处的营养级,也就是说,人类所需的食物会更多,将不得不生产更多的农畜产品,会给地球上现有的自然生态系统带来更大的压力
五、研究能量流动的意义
1.将生物在时间、空间上进行________,增大流入_______________
_____。例:间作套种、多层育苗、立体农业等。
2.科学地规划、设计人工生态系统,使能量得到____________。例:沼气池实现了对能量的多级利用,提高了能量利用率。
3.合理地调整生态系统中的____________,使能量________________
________________。例:合理放牧、农田除草除虫、鱼塘去除黑鱼。
合理配置
某个生态系统的
最有效的利用
能量流动关系
持续高效地流向对
总能量
人类最有益的部分
(正确的画“√”,错误的画“×”)
1.流经生态系统的总能量是照射在生产者上的太阳能。( )
提示:流经生态系统的总能量是生产者固定的太阳能总量。
2.一种蜣螂专以象粪为食,则该种蜣螂最多能获取大象所同化能量的20%。( )
提示:象粪中的能量不属于大象的同化量,所以蜣螂从大象同化量中获取的能量为0。
×
×
3.初级消费者粪便中的能量属于生产者同化的能量。( )
4.鱼塘中生产者固定的能量就是流经该生态系统的总能量。( )
提示:鱼塘中生产者固定的能量和添加的有机物(如饲料)中的能量是流经该生态系统的总能量。
5.“桑基鱼塘”实现了能量的多级利用,大大提高了能量的传递效率。( )
提示:“桑基鱼塘”实现了能量的多级利用,大大提高了能量的利用率。
√
×
×
6.能量金字塔和生物量金字塔均可以出现倒置现象。( )
提示:生态系统中,能量是单向流动、逐级递减的,因此能量金字塔不会倒置。
7.研究能量流动,可调整能量流动关系,使生产者固定的能量全部流向人类。( )
提示:由于在各营养级中都会有生物的细胞呼吸存在,通过细胞呼吸,部分能量会以热能的形式散失,因此研究能量流动,可调整能量流动关系,使生产者固定的能量尽可能多地流向对人类最有益的部分,但是做不到全部流向人类。
×
×
考向一 基于能量流动的过程与特点,考查生命观念及科学思维
1.(2025·湖北武汉模拟)下图表示桑基鱼塘生态系统局部能量流动,图中字母代表相应的能量。下列有关叙述不正确的是( )
D
A.图中b表示桑树呼吸作用散失的能量
B.图中的c可表示桑树用于生长、发育、繁殖的能量
C.如果g表示蚕传递给分解者的能量,则f表示未被利用的能量
D.图中h/d可以表示第一营养级到第二营养级的能量传递效率
解析:生产者桑树所固定的太阳能总量中有一部分通过呼吸作用以热能的形式散失,即图中的b,另一部分则储存在其体内的有机物中,用于生长、发育和繁殖等生命活动,即图中的c,A、B正确;图中d表示蚕同化的能量,e表示蚕通过呼吸作用散失的热能,如果g表示蚕传递给分解者的能量,则f表示未被利用的能量,C正确;h/d可以表示第二营养级到第三营养级的能量传递效率,d/a可以表示第一营养级到第二营养级的能量传递效率,D错误。
2.为了尽快恢复遭受外来物种入侵破坏后的某生态系统,人们向该生态系统的植食性动物、肉食性动物分别补偿输入了2.3×103 kJ、3.7×103 kJ的能量。该生态系统中各营养级能量流动如下表(单位:×103 kJ)。下列说法错误的是( )
C
食物链 植物 植食性动物 肉食性动物
同化量 579 X Y
呼吸作用散失 133 37.6 8.7
未被利用 328 41.3 9.1
分解者分解 19 5.4 2.9
A.植物用于生长、发育和繁殖的能量为446×103 kJ
B.由植食性动物流入分解者的能量包括植食性动物尸体残骸和肉食性动物粪便中的能量
C.第二营养级到第三营养级的能量传递效率约为17.17%
D.各营养级同化量都存在的去向是呼吸作用散失、分解者分解及未被利用
解析:植物的同化量一部分在呼吸作用中以热能的形式散失了,一部分则用于生长、发育和繁殖,因此植物用于生长、发育和繁殖的能量=579-133=446×103 kJ,A正确;分解者分解粪便和动植物的遗体残骸,因此由植食性动物流入分解者的能量包括植食性动物尸体残骸和肉食性动物粪便中的能量,B正确;第二营养级到第三营养级的能量传递效率等于第三营养级的同化量除以第二营养级的同化量,分析上表中的数据,第二营养级同化量X=(579-133-328-19+2.3)×103 kJ=
101.3×103 kJ,第三营养级从第二营养级获得的同化量Y=(101.3-37.6-41.3-5.4)×103 kJ=17×103 kJ,则第二营养级到第三营养级的传递效率=17×103÷(101.3×103)×100%≈16.78%,C错误;某一营养级的同化量,一部分在呼吸作用中以热能的形式散失了,一部分则用于生长、发育和繁殖[这部分能量又可以分为流入下一营养级(最高营养级除外)、流向分解者、暂时未利用],D正确。
[易错警示]
人工输入生态系统的能量的计算问题
在一条食物链中,如果人工给第二营养级输入部分能量,那么在计算第一营养级到第二营养级之间的能量传递效率时,这部分能量不能用于计算;但是在计算第二营养级到第三营养级之间的能量传递效率时,第二营养级同化的能量应该包括人工输入的这部分能量。人工给其他营养级输入能量时,计算规律一样。即:
(1)人工输入的能量属于相邻两营养级中下一营养级时,计算能量传递效率时,不能用于计算;
(2)人工输入的能量属于相邻两营养级中上一营养级时,计算能量传递效率时,应该用于计算。
考向二 基于生态金字塔的类型及特点,考查生命观念及科学思维
3.(2025·广西贺州模拟)如果食物链上各营养级均以生物个体的数量来表示,并以食物链起点的生物个体数作底层来绘制数量金字塔,则只有两个营养级的夏季草原生态系统(假设第一营养级是牧草,第二营养级是羊)和森林生态系统(假设第一营养级是乔木,第二营养级是昆虫)数量金字塔的形状最可能是( )
C
A.前者为金字塔形,后者为倒金字塔形
B.前者为倒金字塔形,后者为金字塔形
C.前者为金字塔形,后者为金字塔形
D.前者为倒金字塔形,后者为倒金字塔形
解析:草原生态系统中,作为第一营养级的牧草的个体数量远多于作为第二营养级的羊的个体数量,该生态系统数量金字塔的形状最可能是金字塔形;森林生态系统中,作为第一营养级的乔木的一个个体上生活着大量作为第二营养级的昆虫个体,该生态系统数量金字塔的形状最可能为倒金字塔形。故选A。
4.(2025·福建泉州模拟)如图 Ⅰ 和 Ⅱ 分别表示水生生态系统和陆地生态系统的某种生态金字塔,a、b、c、d代表不同营养级。有关叙述不正确的是( )
A.图 Ⅰ 不可能是生物量金字塔
B.图 Ⅱ 可能是生物数量金字塔
C.图 Ⅰ 和 Ⅱ 通常不能表示能量金字塔
D.a代表第一营养级,属于生产者
A
解析:图 Ⅰ 有可能是生物量金字塔,生物量金字塔有时候会出现倒金字塔,A错误;图 Ⅱ 可能是生物数量金字塔,生物数量金字塔一般呈正金字塔形,有时候会出现倒金字塔形,B正确;图 Ⅰ 和 Ⅱ 通常不能表示能量金字塔,能量金字塔呈正金字塔形,C正确;a位于最底层,代表第一营养级,属于生产者,D正确。
考点二 能量流动相关的模型及计算
一、理解常考的两种能量流动模型
1.第二营养级的能量流动过程模型
2.“拼图法”分析能量流动过程
(1)W1、D1指相应营养级的同化量,B1、B2指相应营养级中未被利用的能量。
(2)各营养级用于生长、发育和繁殖的能量为B1+C1+D1或B2+C2+D2。
(3)能量传递效率不会是100%。从图中可以看出,相邻两个营养级的传递效率等于D1/W1×100%,一般情况下,能量在相邻两个营养级间的传递效率为10%~20 %。
(4)利用“拼图法”可得关系式:
二、能量流动的计算
1.能量传递效率的计算公式
[易错提醒] (1)营养级越多,在能量流动中消耗的能量越多;营养级越高,得到的能量越少。
(2)能量传递效率指由一个营养级流入下一个营养级的能量比例,大约是10%~20%,不能随意改变;但能量利用率可以人为改变,例如充分利用作物秸秆就可以提高能量利用率。
2.能量来源比例改变的计算在具体计算时务必先看清分配比例,再确定求解中应“顺推(用乘法)”还是“逆推(用除法)”,以如图食物网为例:
(1)若已知“植物同化量(A)”,并告知其“传向动物与直接传向人比例由1∶1调整为1∶2”,求解人最多增重变化量(M),计算时宜“顺推(用乘法)”,如下表所示:
调整前 A×1/2×20%+A×1/2×(20%)2=M1
调整后 A×2/3×20%+A×1/3×(20%)2=M2
(2)若已知“人同化量(M)”并告知人的食物来源“素食、肉食由1∶1调整为2∶1”,求解最少需要植物变化量(A),计算时应“逆推(用除法)”,如下表所示:
调整前 M×1/2÷20%+M×1/2÷(20%)2=A1
调整后 M×2/3÷20%+M×1/3÷(20%)2=A2
若某草原生态系统只存在如图所示的食物关系,尝试回答下列问题。
(1)假如猫头鹰的食物有2/5来自兔,2/5来自鼠,1/5来自蛇,那么,猫头鹰若要增加20 g体重,最少需要消耗的植物为________。
(2)假如植物有2/5被兔所食,有3/5被鼠所食;鼠有2/3直接被猫头鹰捕食,有1/3被蛇捕食后流入猫头鹰体内。那么,猫头鹰若要增加20 g体重,最少需要消耗的植物为______(精确到个位数)。
答案:(1)900 g
(2)595 g
解析:(1)在生态系统中,能量传递效率为20%时,能量在流动过程中损失最小,可消耗最少的植物,为最高营养级提供最多的能量。因此,若计算使猫头鹰增加20 g体重至少消耗的植物质量,则能量按20%传递。猫头鹰的食物有2/5来自兔,2/5来自鼠,1/5来自蛇,那么猫头鹰若增加20 g体重,根据食物链“植物→兔→猫头鹰”,至少需要消耗植物2/5×20÷20%÷20%=200 g;根据食物链“植物→鼠→猫头鹰”,至少需要消耗植物2/5×20÷20%÷20%=200 g;根据食物链“植物→鼠
→蛇→猫头鹰”,至少需要消耗植物1/5×20÷20%÷20%÷20%=500 g;故最少需要消耗植物200+200+500=900 g。(2)设最少需要消耗的植物为a g,则从食物链“植物→兔→猫头鹰”中,猫头鹰获得的能量为2/5a×20%×20%;从食物链“植物→鼠→猫头鹰”中,猫头鹰得到的能量为3/5a×20%×2/3×20%;从食物链“植物→鼠→蛇→猫头鹰”中,猫头鹰获得的能量为3/5a×20%×1/3×20%×20%。三者之和为20 g,可计算出a≈595。
能量传递效率的相关“最值”计算
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%。
(1)在食物链A→B→C→D中,则有
(2)在食物网中则有
1.(2025·北京东城模拟)下图为生态系统中能量流动图解部分示意图(字母表示能量的多少),下列叙述不正确的是( )
D
A.图中f代表初级消费者通过呼吸作用消耗的能量
B.在“草→兔→狼”这一食物链中,狼粪便中的能量属于d
C.若有未被利用的能量,则在g和i中有一处表示未被利用的能量
D.初级消费者与次级消费者之间的能量传递效率为e/b×100%
解析:图中f代表初级消费者通过呼吸作用消耗的能量,A正确;在“草→兔→狼”这一食物链中,狼粪便中的能量未被狼(次级消费者)同化,仍属于其上一个营养级(初级消费者)的能量,即属于d,B正确;g或i表示的是未被利用的能量或被分解者利用的能量,C正确;初级消费者与次级消费者之间的能量传递效率=(次级消费者同化量/初级消费者同化量)×100%,而图中b表示初级消费者的摄入量,c表示初级消费者的同化量,e表示次级消费者的摄入量,但不清楚次级消费者的同化量,所以无法计算能量传递效率,D错误。
2.下图甲表示食物链上能量流动的部分情况,图乙表示兔的能量来源与去向。下列有关叙述正确的是( )
注:图甲中的草指某一种草,假定该生态系统中只有图示这一条简单的食物链。
B
A.图甲中草到兔的能量传递效率为(②/①)×100%
B.能量W1=A1+B1+C1+D1
C.兔通过呼吸作用释放的能量均以热能的形式散失
D.兔流向分解者的能量包括兔的遗体和粪便中的能量
解析:分析图甲:①表示兔的摄入量,②表示狐的摄入量,③表示兔粪便中的能量,④表示兔流向分解者的能量,⑤表示兔通过呼吸作用散失的能量。分析图乙:W1为兔的同化量,A1为兔呼吸作用散失的能量,C1为兔流向分解者的能量,D1为兔流向下一营养级的能量,B1为未利用的能量。兔的同化量为①-③,草的同化量未知,A错误;图乙中W1为兔的同化量,W1=A1+B1+C1+D1,B正确;兔通过呼吸作用释放的能量一部分转化为热能,一部分转化为ATP中的化学能用于多项生命活动,C错误;兔粪便中的能量不属于兔同化的能量,而是属于上一营养级的能量,D错误。
3.(2025·山东潍坊模拟)如图是某人工鱼塘生态系统能量流动过程中部分环节涉及的能量值(单位为103 kJ·m-2·a-1),下列说法错误的是( )
C
A.图中A代表的生理过程是呼吸作用
B.第二营养级到第三营养级的能量传递效率约为15.6%
C.该生态系统中生产者固定的总能量是9.6×104 kJ·m-2·a-1
D.捕食关系一般不可逆转,所以能量流动具有单向性
解析:由题图可知,图中A代表的生理过程是各种生物的呼吸作用,A正确;肉食性动物从植食性动物获得的(同化的)能量=5.1+2.1+0.25+0.05-5=2.5×103 kJ·m-2·a-1,植食性动物的总同化量=2.5+4+9+0.5=16×103 kJ·m-2·a-1,则第二营养级到第三营养级的能量传递效率=2.5/16×100%≈15.6%,B正确;该生态系统中能量的来源有两个:生产者固定的能量和有机物输入,生产者固定的总能量=(3+70+23)×103 kJ·m-2·a-1+植食性动物的同化量,C错误;食物链是以捕食关系形成的联系,捕食关系的单向性决定了能量流动的单向性,D正确。
1.(2024·山东卷)某稳定的生态系统某时刻第一、第二营养级的生物量分别为6 g/m2和30 g/m2,据此形成上宽下窄的生物量金字塔。该生态系统无有机物的输入与输出,下列说法错误的是( )
A.能量不能由第二营养级流向第一营养级
B.根据生物体内具有富集效应的金属浓度可辅助判断不同物种所处营养级的高低
C.流入分解者的有机物中的能量都直接或间接来自第一营养级固定的能量
D.第一营养级固定的能量可能小于第二营养级同化的能量
D
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解析:生态系统中的能量流动具有单向流动的特点,即只能由低营养级流向高营养级,A正确;生物富集指的是生物体从周围环境中吸收、积蓄某种元素或难以降解的化合物,使其在机体内浓度超过环境浓度的现象,具有富集效应的金属会沿着食物链在生物体内逐渐聚集,最终积累在食物链的顶端,即营养级越高,具有富集效应的金属浓度越高,B正确;流入分解者的有机物中的能量属于流入该生态系统总能量的一部分,流入该生态系统的总能量是生产者(处于第一营养级)固定的能量,C正确;生态系统中的能量流动具有逐级递减的特点,该稳定的生态系统无有机物的输入和输出,其第一营养级固定的能量一定大于第二营养级同化的能量,D错误。
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2.(2024·吉林卷改编)下图为某红松人工林能量流动的调查结果。此森林的初级生产量有很大部分是沿着碎屑食物链流动的,表现为枯枝落叶和倒木被分解者分解,剩余积累于土壤。据图分析,下列叙述正确的是( )
注:植物所固定的太阳能或所制造的有机物质称为初级生产量,其包括净初级生产量和自身呼吸消耗的能量。
D
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A.E是太阳照射到生态系统的能量
B.E2属于未被利用的能量
C.E3占净初级生产量的29%
D.E3的产生过程是物质循环的必要环节
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解析:由题中信息知,此森林的初级生产量有很大部分是沿着碎屑食物链流动的,表现为枯枝落叶和倒木被分解者分解,再结合题图可知,E为初级生产量(植物所固定的太阳能或所制造的有机物质),E1为净初级生产量(初级生产量-自身呼吸消耗的能量),A错误;E2表示通过呼吸作用散失的能量,B错误;E3(18×1010 J·hm-2·a-1 )占净初级生产量(50×1010 J·hm-2·a-1)的(18×1010)/(50×1010)×100%=36%,C错误;枯枝落叶和倒木被分解者分解,E3的产生过程是微生物的分解过程,该过程是物质循环的必要环节,D正确。
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3.(2023·山东卷)某浅水泉微型生态系统中能量情况如表所示,该生态系统中的初级消费者以生产者和来自陆地的植物残体为食。下列说法正确的是( )
项目 生产者固定 来自陆地的植物残体 初级消费者摄入 初级消费者同化 初级消费者呼吸消耗
能量[105 J/
(m2·a)] 90 42 84 13.5 3
C
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A.流经该生态系统的总能量为90×105 J/(m2·a)
B.该生态系统的生产者有15%的能量流入下一营养级
C.初级消费者用于生长、发育和繁殖的能量为10.5×105 J/(m2·a)
D.初级消费者粪便中的能量为70.5×105 J/(m2·a),该能量由初级消费者流向分解者
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解析:该生态系统中的初级消费者以生产者和来自陆地的植物残体为食,因此可知,流经该生态系统的总能量为生产者固定的太阳能和来自陆地的植物残体中的能量,即90+42=132×105 J/(m2·a),A错误;表格中没有显示生产者流入初级消费者的能量,因此无法计算有多少能量流入下一营养级,B错误;初级消费者同化量为13.5×105 J/(m2·a),初级消费者呼吸消耗能量为3×105 J/(m2·a),因此初级消费者用于生长、发育和繁殖的能量=同化量-呼吸消耗能量=10.5×105 J/(m2·a),C正确;初级消费者粪便中的能量为84-13.5=70.5×105 J/(m2·a),初级消费者粪便中的能量不属于初级消费者流向分解者的能量,D错误。
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4.(2023·全国甲卷)在生态系统中,生产者所固定的能量可以沿着食物链传递,食物链中的每个环节即为一个营养级。下列关于营养级的叙述,错误的是( )
A.同种动物在不同食物链中可能属于不同营养级
B.作为生产者的绿色植物所固定的能量来源于太阳
C.作为次级消费者的肉食性动物属于食物链的第二营养级
D.能量从食物链第一营养级向第二营养级只能单向流动
C
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解析:某种动物在某条食物链中可能属于次级消费者,在另一条食物链中可能属于三级消费者,即同种动物在不同食物链中可能属于不同营养级,A正确;绿色植物可通过光合作用制造有机物,属于生产者,其固定的能量来源于太阳,B正确;作为次级消费者的肉食性动物属于食物链的第三营养级,C错误;在生态系统中,能量只能从食物链的第一营养级流向第二营养级,再依次流向后面的各个营养级,不可逆转,也不能循环流动,D正确。
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1.(选择性必修2 P54)能量流动:生态系统中____________________________的过程。
2.(选择性必修2 P56)生态系统的能量单向流动的原因:_______________________________________________________________________________。
能量的输入、传递、转化和散失
食物链中的捕食关系是长期自然选择的结果,不可逆转;生产者不能再利用散失的能量
题后反思 基础落实
3.(选择性必修2 P56)能量流动逐级递减的原因:______________________________________________________________________________________________________________________________。
4.(选择性必修2 P57)能量金字塔直观地反映出生态系统各营养级间能量的关系,由于能量在流动过程中总是________,因此能量金字塔通常都是__________________。
某个营养级同化的能量自身呼吸要消耗一部分,还有一部分被分解者分解利用,还有一部分未被利用,所以不能将全部的能量流入下一个营养级
逐级递减
上窄下宽的金字塔形
题后反思 基础落实
5.(选择性必修2 P58)从能量流动的角度分析建设“沼气池”的意义是________________________________________________。
6.(选择性必修2 P58)从能量流动的角度分析,合理确定草场载畜量的目的是________________________________________________________
________________。
实现了对能量的多级利用,从而大大提高能量的利用率
调整生态系统中的能量流动关系,使能量持续高效地流向对人类最有益的部分
题后反思 基础落实
7.科学思维与长句表达专练
(1)稻—萍—蛙农业生产模式主要体现了研究能量流动的实践意义是______________________________________________________________________________。
(2)人们不断地对江南某湿地保护区进行除草、杀虫,目的是_________________________________________________________________________。
可以帮助人们将生物在时间、空间上进行合理配置,增大流入某个生态系统的总能量
调整生态系统中的能量流动关系,使能量持续高效地流向对人类最有益的部分
题后反思 基础落实
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