趙德強
在對中學(xué)生物教學(xué)論壇、生物教學(xué)QQ群中調(diào)查發(fā)現(xiàn),99%的教師對能量流動的理解存在錯誤和爭議。翻閱各種教學(xué)輔導(dǎo)資料,也會發(fā)現(xiàn)對能量流動的相關(guān)講解和試題也存在錯誤?,F(xiàn)對能量流動的錯誤及爭議的形成原因及相應(yīng)的正確理解進行剖析。
1 對能量流動存在錯誤理解
圖1是生態(tài)系統(tǒng)能量流動示意圖,圖中箭頭1是指從生產(chǎn)者流入初級消費的能量。對箭頭1所代表的能量誤認(rèn)為是同化量,正確的應(yīng)該是攝入量。
為什么會普遍出現(xiàn)錯誤的理解呢?生態(tài)系統(tǒng)能量流動示意圖在各個教材中均有,并且圖示模型完全相同,人教版舊版必修二P89上指出:“被植食性動物攝入體內(nèi)的能量,有一小部分存在于動物排出的糞便中,其余大部分則被動物體所同化。這樣,能量就從第一營養(yǎng)級流入了第二營養(yǎng)級?!边@個描述均認(rèn)為圖中箭頭1是代表同化量。原來教材的描述在人們頭腦中形成了根深蒂固的觀點,很多教師認(rèn)為箭頭1是代表同化量。
現(xiàn)在使用的人教版教材對此描述進行了相應(yīng)改動。圖2是人教版教材《穩(wěn)態(tài)與環(huán)境》有關(guān)能量流經(jīng)第二營養(yǎng)級示意圖。既然圖示是“能量流經(jīng)第二營養(yǎng)級”的過程,那么能量流動就有來源、起點、動向等。能量流經(jīng)第二營養(yǎng)級的起點應(yīng)該是圖中“初級消費者攝入”這個方框,而不是“初級消費者同化”這個方框。所以從圖示內(nèi)容來看,流經(jīng)第二營養(yǎng)級的能量是攝入量而不是同化量。
人教版教材的相應(yīng)的文字?jǐn)⑹鋈缦拢?/p>
“構(gòu)成植物體的有機物中的能量,一部分隨著殘枝敗葉等被分解者分解而釋放出來;另一部分則被初級消費者攝入體內(nèi),這樣,能量就從第一營養(yǎng)級流入第二營養(yǎng)級。能量流入第二營養(yǎng)級后,將發(fā)生圖5-6所示的變化”。
仔細閱讀圖示及文字內(nèi)容,可以得出,流入第二營養(yǎng)級的能量就是初級消費者攝入體內(nèi)的能量,而不是初級消費者同化量,也就是說流入量就是攝入量。而流入第二營養(yǎng)級的能量去向有三:① 自身呼吸消耗,轉(zhuǎn)化為其他形式的能量和熱能;② 流向下一營養(yǎng)級;③ 遺體、殘骸、糞便等被分解者分解。
再從重慶2009年高考第5題來分析,流入下一營養(yǎng)級的能量也應(yīng)該是攝入量。
圖3是某森林生態(tài)系統(tǒng)物質(zhì)和能量流向示意圖,h、i、j、k表示不同用途的有機物(j是未利用部分),方框大小表示使用量。下列敘述正確的是( )
A. 進入該生態(tài)系統(tǒng)的CO2量與各h產(chǎn)生的CO2總量相等
B. 生產(chǎn)者中i的量大于被初級消費者同化的有機物量
C. 流向分解者的k可被生產(chǎn)者直接吸收利用
D. 流經(jīng)該生態(tài)系統(tǒng)的物質(zhì)和能量可循環(huán)利用
解析:該題的答案是B。此題給出了某森林生態(tài)系統(tǒng)物質(zhì)和能量流向模型,從模型來看,每個營養(yǎng)的物質(zhì)和能量有4個去向:即h、i、j、k。h表示呼吸消耗量,i表示攝入量,j是未利用部分,k表示分解者分解部分。試題給出的這個模型實際上是教材生態(tài)系統(tǒng)能量流動示意圖的一個變式,只是教材生態(tài)系統(tǒng)能量流動示意圖是定量不定時分析的結(jié)果,而試題的模型實際上是定量定時分析的結(jié)果,所以,在模型中是未利用部分。
科學(xué)的東西來不得半點的虛假,教材內(nèi)容的改變是使知識更加科學(xué)合理,而教師對改變了的東西卻視而不見,或見到后而不接受,仍然以原來不準(zhǔn)確或者不科學(xué)的東西傳授給學(xué)生,這是不應(yīng)該的。雖然新舊教材的變化過程中,很多教輔資料題目和講解是按老教材的內(nèi)容編寫的,但教師不能以教輔資料為準(zhǔn),要以教材為依據(jù)。
2 對能量傳遞效率存在合理爭論
能量傳遞效率是相鄰兩個營養(yǎng)級間同化量之比值,還是攝入量之比值存在著不同的觀點。
2.1 不同教材及教參中的觀點
人教版教材及教參認(rèn)為能量傳遞效率是相鄰兩個營養(yǎng)級間攝入量之比值。能量傳遞效率是通過分析賽達伯格湖的能量流動圖解得出的,圖4是現(xiàn)行人教版教材及教參對賽達伯格湖的能量流動的相關(guān)分析。
圖4數(shù)字為能量數(shù)值,單位是J/(cm2·a)。圖中“未固定”是指未被固定的太陽能,“未利用”是指未被自身呼吸作用消耗,也未被后一個營養(yǎng)級和分解者利用的能量。為研究方便起見,這里將肉食性動物作為一個營養(yǎng)級。
將圖4中的數(shù)據(jù)整理如表1。
從表1可以看出,62.8 J/(cm2·a)是指流入植食性動物能量,前面已經(jīng)分析了,流入量就是攝入量,也就是說62.8 J/(cm2·a)是指植食性動物攝入量(能量)而不是同化量,表格中的出入比也就是能量傳遞效率就只能是相鄰兩個營養(yǎng)級間攝入量之比值。
北師大版教材認(rèn)為:從能量流動過程的數(shù)量變化特征來看,在食物鏈和食物網(wǎng)中,能量隨著營養(yǎng)級的升高而逐級減少,人們把一個營養(yǎng)級和它的上一個營養(yǎng)級所同化的能量值的比值稱為林德曼效率,并將之視為一個常數(shù)(10%~20%)。
2.2 高校教材的不同觀點
筆者在查閱了各種生態(tài)學(xué)高校教材時發(fā)現(xiàn),對林德曼所研究賽達伯格湖的能量流動圖解中的植食性動物62.8 J/(cm2·a),往往都用了“吃入”或者“吃掉”一詞進行描述,也就是流入下一個營養(yǎng)級的能量是代表的是攝入量,而非同化量。林德曼效率相當(dāng)于同化效率、生產(chǎn)效率和消費效率的乘積。
Le==××
即林德曼效率=(n+1)營養(yǎng)級攝取的食物/n營養(yǎng)級攝取的食物。
但各種版本的生態(tài)學(xué)在描述了林德曼定律的本初含義后,往往又指出“也有學(xué)者把營養(yǎng)級之間的同化量的比值,即An+1/An視為標(biāo)準(zhǔn)效率”。
3 高考試題中的觀點
2012年安徽高考題:某棄耕地的主要食物鏈由植物→田鼠→鼬構(gòu)成。生態(tài)學(xué)家對此食物鏈能量流動進行了研究,結(jié)果如表2,單位是J/(hm2·a)。
能量從田鼠傳遞到鼬的效率是___________。
解析:能量從田鼠傳遞到鼬的效率是(2.25×107)÷(7.50×108)=3%。答案3%是按同化量之間的比值來算的。
綜上,有關(guān)能量傳遞效率的含義在不同版本的教材中含義是沒有統(tǒng)一的,在高校教材中也有不同的學(xué)術(shù)觀點。