吳曉菲
摘 要: 生態(tài)系統(tǒng)的能量流動(dòng)是現(xiàn)行人教版生物必修3“穩(wěn)態(tài)與環(huán)境”中的重難點(diǎn)內(nèi)容,學(xué)生對(duì)于書(shū)本內(nèi)容的分析和知識(shí)的理解存在疑問(wèn)和偏差,作者整理了教學(xué)中常見(jiàn)的幾個(gè)基本概念的疑難點(diǎn)并進(jìn)行剖析,對(duì)學(xué)生容易混淆的知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行了表述,并就能量流動(dòng)過(guò)程中涉及的相關(guān)計(jì)算進(jìn)行梳理。
關(guān)鍵詞: 能量流動(dòng) 太陽(yáng)能 固定 流入
“生態(tài)系統(tǒng)的能量流動(dòng)”是現(xiàn)行人教版“生物必修3穩(wěn)態(tài)與環(huán)境”中一節(jié)重要的教學(xué)內(nèi)容。經(jīng)過(guò)高三一年的教學(xué),我發(fā)現(xiàn)學(xué)生對(duì)于教材中能量流動(dòng)的過(guò)程和概念很模糊,對(duì)于計(jì)算很迷惑,書(shū)本上的相關(guān)概念表述過(guò)于精簡(jiǎn),示意圖卻較為復(fù)雜,導(dǎo)致學(xué)生在學(xué)習(xí)內(nèi)容的分析和知識(shí)的理解上很難到位,需要教師在授課中對(duì)教材中的一些內(nèi)容進(jìn)行進(jìn)一步的組合并加深分析,使學(xué)生能較深刻地理解能量流動(dòng)的相關(guān)原理,更好地培養(yǎng)和提高學(xué)生分析和推理的能力。下面我就“生態(tài)系統(tǒng)的能量流動(dòng)”這節(jié)教學(xué)中學(xué)生常出現(xiàn)混淆的一些疑難點(diǎn)進(jìn)行分析。
一、幾個(gè)基本概念的疑難點(diǎn)分析
1.流動(dòng)的能量都來(lái)自于太陽(yáng)能么?
人教版生物必修3第94頁(yè)描述:地球上幾乎所有的生態(tài)系統(tǒng)所需要的能量都來(lái)自太陽(yáng)。這里的“幾乎所有”不代表全部,譬如海底熱泉生態(tài)系統(tǒng),需要的能量來(lái)自于能進(jìn)行化能合成作用的微生物,主要微生物就是硫細(xì)菌,所以不能認(rèn)為所有生態(tài)系統(tǒng)能量的來(lái)源都是太陽(yáng)能。當(dāng)然以太陽(yáng)能為主要輸入方式的生態(tài)系統(tǒng),也不能認(rèn)為其能量只來(lái)自于太陽(yáng)能,比如城市生態(tài)系統(tǒng),由于生產(chǎn)者較少,為了維持生態(tài)系統(tǒng)的相對(duì)穩(wěn)定,就需要有額外的能量輸入,因此在這種人類(lèi)作用占主導(dǎo)的生態(tài)系統(tǒng)中,流經(jīng)的總能量就不僅僅是太陽(yáng)能。
2.怎樣理解生產(chǎn)者固定的太陽(yáng)能?
太陽(yáng)每天輸送到地球的能量大約為1×10■kJ。這些能量絕大部分都被地球表面的大氣層吸收、散射和反射掉了,大約只有1%以可見(jiàn)光的形式,被生態(tài)系統(tǒng)的生產(chǎn)者通過(guò)光合作用轉(zhuǎn)化成為化學(xué)能,固定在它們所制造的有機(jī)物中。這里所說(shuō)的“固定”的含義該如何理解?是否就是生產(chǎn)者同化的能量呢?有些資料習(xí)題中出現(xiàn)“初級(jí)總生產(chǎn)量”,這個(gè)概念與固定的能量又是什么關(guān)系呢?根據(jù)我們對(duì)生產(chǎn)者的概念的理解,生產(chǎn)者是自養(yǎng)生物,能夠?qū)o(wú)機(jī)物在體內(nèi)合成有機(jī)物,絕大多數(shù)情況下是指綠色植物,綠色植物是沒(méi)有糞便產(chǎn)生的,那么對(duì)生產(chǎn)者來(lái)說(shuō),通過(guò)光合作用固定的太陽(yáng)能最終都會(huì)儲(chǔ)存在其體內(nèi)的有機(jī)物中,所以“固定”即為“同化”。有些資料習(xí)題中出現(xiàn)的“初級(jí)總生產(chǎn)量”實(shí)際上就是指生產(chǎn)者光合作用制造的有機(jī)物的量,從能量的角度理解,也就是指固定的能量。因而,對(duì)生產(chǎn)者綠色植物來(lái)說(shuō),“固定量”,“同化量”,“初級(jí)總生產(chǎn)量”,在計(jì)算時(shí),可以進(jìn)行概念轉(zhuǎn)化,看做是同一個(gè)數(shù)值。
3.流入第二營(yíng)養(yǎng)級(jí)的能量是否就是第二營(yíng)養(yǎng)級(jí)攝入的能量?
在人教版全日制必修第二冊(cè)老教材中,關(guān)于能量在各營(yíng)養(yǎng)級(jí)間流動(dòng)的描述是“輸入第一營(yíng)養(yǎng)級(jí)的能量,一部分在生產(chǎn)者的呼吸作用中以熱能的形式散失了,一部分則用于生產(chǎn)者的生長(zhǎng)、發(fā)育和繁殖,也就是儲(chǔ)存在構(gòu)成植物體的有機(jī)物中。在后一部分能量中,一部分隨著植物遺體和殘枝敗葉等被分解者分解而釋放出來(lái),還有一部分則被初級(jí)消費(fèi)者——植食性動(dòng)物攝入體內(nèi)。被植食性動(dòng)物攝入體內(nèi)的能量,有一小部分存在于動(dòng)物排出的糞便中,其余大部分則被動(dòng)物體所同化。這樣,能量就從第一營(yíng)養(yǎng)級(jí)流入第二營(yíng)養(yǎng)級(jí)”。在新教材人教版“必修3穩(wěn)態(tài)與環(huán)境”第94頁(yè)中描述“輸入第一營(yíng)養(yǎng)級(jí)的能量,一部分在生產(chǎn)者的呼吸作用中以熱能的形式散失了,一部分用于生產(chǎn)者的生長(zhǎng)、發(fā)育和繁殖,儲(chǔ)存在植物體的有機(jī)物中。構(gòu)成植物體的有機(jī)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(lái);另一部分則被初級(jí)消費(fèi)者攝入體內(nèi),這樣,能量就流入了第二營(yíng)養(yǎng)級(jí)”。新老教材中的“流入“怎么理解?是攝入的意思么?與同化有什么樣的聯(lián)系?
根據(jù)老教材的說(shuō)法“被植食性動(dòng)物攝入體內(nèi)的能量,有一小部分存在于動(dòng)物排出的糞便中,其余大部分則被動(dòng)物體所同化。這樣,能量就從第一營(yíng)養(yǎng)級(jí)流入第二營(yíng)養(yǎng)級(jí)”,強(qiáng)調(diào)了“流入”應(yīng)該是指被第二營(yíng)養(yǎng)級(jí)同化的能量;新教材中,沒(méi)有用語(yǔ)言強(qiáng)調(diào)攝入體內(nèi)的能量被動(dòng)物體同化的過(guò)程,直接說(shuō)“構(gòu)成植物體的有機(jī)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(lái);另一部分則被初級(jí)消費(fèi)者攝入體內(nèi),這樣,能量就流入了第二營(yíng)養(yǎng)級(jí)”。學(xué)生認(rèn)為“攝入”即為“流入”,在后面理解同化的能量和糞便的能量時(shí)便會(huì)出現(xiàn)疑惑。筆者認(rèn)為教師在教學(xué)過(guò)程中,應(yīng)該繼續(xù)沿用老教材的說(shuō)法,給學(xué)生進(jìn)行解釋?zhuān)寣W(xué)生理解什么叫做流入,只要明白流入即為同化,那么在進(jìn)行計(jì)算時(shí)就不會(huì)一頭霧水。
4.能量金字塔和數(shù)量金字塔是一樣的嗎?
人教版“必修3穩(wěn)態(tài)與環(huán)境”提到:如果將單位時(shí)間內(nèi)各個(gè)營(yíng)養(yǎng)級(jí)所得到的能量數(shù)值,由低到高繪制成圖,可形成一個(gè)金字塔圖形,叫做能量金字塔。從圖形中可以看出,能量金字塔是上小下大型的,符合能量傳遞逐級(jí)遞減的特點(diǎn)。除了能量金字塔外,還可以按照每個(gè)營(yíng)養(yǎng)級(jí)的生物個(gè)體數(shù)量為依據(jù)繪制數(shù)量金字塔,這種金字塔一般情況下可清楚地表明各營(yíng)養(yǎng)級(jí)由下而上數(shù)目逐漸減少的規(guī)律,但是由于生物個(gè)體的大小不同,生物個(gè)體的代謝效率有差別,因此一個(gè)營(yíng)養(yǎng)級(jí)的生物數(shù)量多并不意味著其固定的能量一定比另一個(gè)生物數(shù)量較少的營(yíng)養(yǎng)級(jí)固定的能量多。如成千上萬(wàn)個(gè)昆蟲(chóng)以一株大樹(shù)為生,在這個(gè)生態(tài)系統(tǒng)中,生產(chǎn)者大樹(shù)是第一營(yíng)養(yǎng)級(jí),消費(fèi)者昆蟲(chóng)是第二營(yíng)養(yǎng)級(jí),前者的生物數(shù)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于后者的生物數(shù)量,是一個(gè)典型的上大下小的倒金字塔形的生態(tài)數(shù)量錐體??梢?jiàn),數(shù)量金字塔有時(shí)可能是倒置的,但這并不意味著高營(yíng)養(yǎng)級(jí)固定的能量大于低營(yíng)養(yǎng)級(jí)固定的能量,我們?cè)诮虒W(xué)時(shí)應(yīng)充分說(shuō)明這一點(diǎn)。
二、有關(guān)能量流動(dòng)的計(jì)算問(wèn)題
能量流動(dòng)涉及的計(jì)算是重難點(diǎn),理解能量流動(dòng)計(jì)算的前提是對(duì)人教版“必修3穩(wěn)態(tài)與環(huán)境”第94頁(yè)能量流經(jīng)第一營(yíng)養(yǎng)級(jí)和第二營(yíng)養(yǎng)級(jí)的過(guò)程要理解,對(duì)94頁(yè)生態(tài)系統(tǒng)能量流動(dòng)示意圖的箭頭含義要明確,同時(shí),對(duì)95頁(yè)林德曼所做的賽達(dá)伯格湖的能量流動(dòng)圖解的數(shù)字關(guān)系要清楚。解決了書(shū)本上這三個(gè)圖解問(wèn)題,能量流動(dòng)的相關(guān)計(jì)算問(wèn)題就能迎刃而解。
人教版“必修3穩(wěn)態(tài)與環(huán)境”94頁(yè)在談及輸入第一營(yíng)養(yǎng)級(jí)的能量時(shí),提到了四個(gè)“一部分”。對(duì)這四個(gè)“一部分”可以分兩個(gè)層次來(lái)看。首先,將輸入第一營(yíng)養(yǎng)級(jí)的能量分兩部分來(lái)看:一部分在生產(chǎn)者的呼吸作用中以熱能的形式散失了,一部分用于生產(chǎn)者的生長(zhǎng)、發(fā)育和繁殖,儲(chǔ)存在植物體的有機(jī)物中。也就是說(shuō),“呼吸作用中以熱能的形式散失的能量”與“用于生產(chǎn)者的生長(zhǎng)、發(fā)育和繁殖即儲(chǔ)存在植物體的有機(jī)物中的能量”是并列關(guān)系,且都來(lái)自于生產(chǎn)者固定的太陽(yáng)能。其次,構(gòu)成植物體的有機(jī)物中的能量中分為兩部分:一部分隨著殘枝敗葉等被分解者分解而釋放出來(lái),另一部分則被初級(jí)消費(fèi)者攝入體內(nèi),這樣,能量就流入了第二營(yíng)養(yǎng)級(jí)。即“上一級(jí)中儲(chǔ)存在有機(jī)物中的能量”,又分了兩個(gè)部分:隨殘枝敗葉被分解者分解釋放的能量和流入第二營(yíng)養(yǎng)級(jí)的能量(即被第二營(yíng)養(yǎng)級(jí)同化的能量),以圖解形式可以這樣表示:
能量流經(jīng)第二營(yíng)養(yǎng)級(jí)時(shí),書(shū)本給出了示意圖5-6:根據(jù)對(duì)圖示的理解,初級(jí)消費(fèi)者由于是植食性動(dòng)物,會(huì)有糞便產(chǎn)生,因此攝入的能量去掉糞便中所含的能量才為同化的能量,同化的能量同樣是分了兩部分去向,在用于生長(zhǎng)發(fā)育和繁殖的能量中,也分了兩部分去向,這就與圖1分析的能量流動(dòng)對(duì)應(yīng)起來(lái),所以每一營(yíng)養(yǎng)級(jí)同化的能量實(shí)際上都可以按照這樣的去向分析。對(duì)應(yīng)課本圖5-7:生態(tài)系統(tǒng)能量流動(dòng)示意圖,每一營(yíng)養(yǎng)級(jí)同化的能量都有三個(gè)去向:①流入下一營(yíng)養(yǎng)級(jí)(或下一營(yíng)養(yǎng)級(jí)同化);②呼吸作用散失;③流向分解者。這就為能量流動(dòng)的計(jì)算問(wèn)題提供了參考。
當(dāng)然,在能量流動(dòng)計(jì)算時(shí),要考慮“定量不定時(shí)”和“定量定時(shí)”,若定量定時(shí),則要考慮未利用的能量,若定量不定時(shí),則不需要考慮“未利用的能量”。例如在林德曼所做的賽達(dá)伯格湖的能量流動(dòng)過(guò)程中,屬于定量定時(shí)分析:每一年,每一營(yíng)養(yǎng)級(jí)同化量的去向就可以分為以下四個(gè)方向:①流入下一營(yíng)養(yǎng)級(jí)(下一營(yíng)養(yǎng)級(jí)同化);②呼吸作用散失;③流向分解者;④未利用。在計(jì)算的時(shí)候,可以將這四個(gè)數(shù)值相加,得到的和便是該營(yíng)養(yǎng)級(jí)同化的總能量。按照這一方法,我們可以對(duì)林德曼的賽達(dá)伯格湖的能量流動(dòng)進(jìn)行定量定時(shí)的計(jì)算:
由圖中可知,生產(chǎn)者固定的太陽(yáng)能為464.6J/(cm■·a),按照定時(shí)定量計(jì)算來(lái)看,這一能量有四個(gè)去向:流向分解者的能量:12.5J/(cm■·a);流入下一營(yíng)養(yǎng)級(jí)的能量(下一營(yíng)養(yǎng)級(jí)同化量):62.8J/(cm■·a);生產(chǎn)者自身呼吸作用散失的能量:96.3J/(cm■·a);生產(chǎn)者未被利用的能量:293J/(cm■·a)。這四項(xiàng)數(shù)據(jù)相加之和恰好等同于生產(chǎn)者固定的太陽(yáng)能的總量464.6J/(cm■·a)。按照這一方法,植食性動(dòng)物和肉食性動(dòng)物的能量流動(dòng)的數(shù)值都符合這一公式。在植食性動(dòng)物同化的62.8J/(cm■·a)的能量中,有2.1J/(cm■·a)流向分解者,有12.6J/(cm■·a)被肉食性動(dòng)物同化,有18.8J/(cm■·a)通過(guò)呼吸作用以熱能的形式散失,還有29.3J/(cm■·a)未被利用。故同化的能量也有四個(gè)去向。對(duì)肉食性動(dòng)物而言,因?yàn)槭亲罡郀I(yíng)養(yǎng)級(jí),所以其同化的能量(12.6J/(cm■·a))中沒(méi)有了流入更高營(yíng)養(yǎng)級(jí)的能量,只有被分解者利用的,自身呼吸作用消耗的和未被自身利用的能量,故所同化的能量只有三個(gè)去向。根據(jù)以上分析,我們看看一道例題:
例:如圖是某湖泊生態(tài)系統(tǒng)能量流動(dòng)的定量分析圖解。圖中A、B、C代表三個(gè)營(yíng)養(yǎng)級(jí),數(shù)字均為實(shí)際測(cè)得的能量數(shù),單位為百萬(wàn)千焦。已知該生態(tài)系統(tǒng)受到的太陽(yáng)輻射為118872百萬(wàn)千焦,但其中118761百萬(wàn)千焦的能量未被利用。請(qǐng)回答:
(節(jié)選)能量從第一營(yíng)養(yǎng)級(jí)到第二營(yíng)養(yǎng)級(jí)的轉(zhuǎn)化效率為?搖?搖?搖?搖%,從第二營(yíng)養(yǎng)級(jí)到第三營(yíng)養(yǎng)級(jí)效率為?搖?搖?搖?搖%。
根據(jù)所給數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算:流經(jīng)該生態(tài)系統(tǒng)的總能量為118872-118761=111百萬(wàn)千焦,該部分是生產(chǎn)者所固定的總能量。A到B的能量轉(zhuǎn)化效率為15.0/111x100%≈13.5%,從B到C的能量轉(zhuǎn)化效率為3.0/15.0x100%=20%。
我們從圖中也可以看到流經(jīng)該生態(tài)系統(tǒng)的總能量按照定量定時(shí)計(jì)算公式,111百萬(wàn)千焦恰好等于其流向分解者的3.0百萬(wàn)千焦、流入初級(jí)消費(fèi)者的15.0百萬(wàn)千焦、生產(chǎn)者自身呼吸消耗的51.5百萬(wàn)千焦和未利用的41.5百萬(wàn)千焦這四者之和。
根據(jù)以上分析可以較好地理解“生態(tài)系統(tǒng)”食物鏈中,相鄰兩營(yíng)養(yǎng)級(jí)之間的能量傳遞效率是指高營(yíng)養(yǎng)級(jí)生物同化的能量占低營(yíng)養(yǎng)級(jí)生物同化能量的百分比,就容易理解生態(tài)系統(tǒng)能量流動(dòng)的特點(diǎn)中“逐級(jí)遞減”的原因。又因?yàn)樯鷳B(tài)系統(tǒng)中的生物將熱能固定為有機(jī)物中的化學(xué)能,所以可以比較容易地推知能量“單向流動(dòng)”的特點(diǎn)。
能量流動(dòng)在生態(tài)系統(tǒng)的功能中屬于重難點(diǎn),也是學(xué)生容易混淆知識(shí)點(diǎn)、產(chǎn)生錯(cuò)誤計(jì)算的章節(jié),如何將課本簡(jiǎn)單的表述轉(zhuǎn)化為學(xué)生能理解的內(nèi)容,需要教師在平時(shí)教學(xué)中多鉆研教材,多接觸習(xí)題。在講授過(guò)程中,要逐級(jí)分析,并結(jié)合圖形公式,加深學(xué)生對(duì)知識(shí)的理解,只要梳理好能量流動(dòng)的去向和組成,相關(guān)問(wèn)題就會(huì)迎刃而解。
參考文獻(xiàn):
[1]蘇智先,王仁卿.生態(tài)學(xué)概論[M].北京:高等教育出版社,1993.
[2]丁傅.“生態(tài)系統(tǒng)的能量流動(dòng)”教學(xué)中幾個(gè)難點(diǎn)的思考分析[J].中學(xué)生物學(xué),2012(6).