例析生態(tài)系統(tǒng)能量流動的計算

有關(guān)生態(tài)系統(tǒng)中能量流動的計算，常常是學生解題的一個難點和失分點，其關(guān)鍵是不能正確判斷同化量的多少。下面就幾道典型的例題作一分析。

1 核心知識

研究生態(tài)系統(tǒng)中的能量主要包括能量的輸入和輸出。

1.1 能量的輸入

就自然生態(tài)系統(tǒng)，對生產(chǎn)者而言，能量的輸入是指生產(chǎn)者通過光合作用固定的太陽能，這也是流經(jīng)整個生態(tài)系統(tǒng)的總能量。對消費者而言，能量的輸入是指從上一營養(yǎng)級同化的能量。對分解者而言，是指各營養(yǎng)級流入的能量。

1.2 能量的輸出

每個營養(yǎng)級所固定的能量一般有3個去向：①自身的呼吸作用，②傳遞給下一個營養(yǎng)級，③遺體殘骸中的能量傳給分解者。特別要注意的是：有些情況還包括了第四個去向——即用于自身的生長發(fā)育，也稱為未被利用的能量。這是能量流動逐級遞減的根本原因。

可以把上述核心知識概括成下面的能量流動概念模型圖1所示。

1.3 能量傳遞效率

能量在兩個營養(yǎng)級之間的傳遞效率為相鄰兩營養(yǎng)級的同化量之比。其核心是判斷同化量的值。

2 例析

2.1 概念模型的直接應用

【例1】圖2為某生態(tài)系統(tǒng)能量傳遞示意圖，請據(jù)圖回答：欲使C增加60Kg，需要A多少千克(

)

A 1500

B 2000 C 2500 D 6000

分析：圖2是圖1的翻版，顯示了能量流動的固定和去向，其中A、B、C的方框表示各營養(yǎng)級固定的能量，通過計算，分別為：1000、200、30；則可根據(jù)各營養(yǎng)級間能量傳遞效率進行本題的計算：[60÷(30÷200)]÷(200÷1000)=2 000 kg，答案選B。

2.2 概念模型的變形

【例2】圖3為某人工松林18年間的能量流動情況(單位：ki)，有關(guān)說法錯誤的是(

)

A “能量Q”指生產(chǎn)者固定的太陽能總量

B 該松林中從第一營養(yǎng)級到第二營養(yǎng)級能量流動的效率遠小于1％

C 該松林的動物全為第二營養(yǎng)級

D 適當?shù)乜撤淠究梢允鼓芰苛飨驅(qū)θ祟愖钣幸娴牟糠?/p>

分析：圖3與圖1有著很大的差別，沒有完全體現(xiàn)能量流動的環(huán)節(jié)和過程，但細化了某些部分能量的去向，給理解增加了困難。特別是B選項的說法與常規(guī)認定的能量流動效率為10％-20％不符，很容易被認為是題目答案。實際上，所有動物并不都是第二營養(yǎng)級，即使以4×10¹⁰作為第二營養(yǎng)級的總能量來計算，其能量傳遞效率也遠小于1％。答案選C。

2.3 能量輸出途徑的缺省

【例3】生態(tài)系統(tǒng)是一個統(tǒng)一的整體，具有一定的結(jié)構(gòu)和功能。圖4是某草原生態(tài)系統(tǒng)的模型，數(shù)字代表能量數(shù)值，單位是J／(cm²·a)，請回答下列問題：

(1)生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性是指生態(tài)系統(tǒng)具有自身結(jié)構(gòu)和功能相對穩(wěn)定的能力，這種自我調(diào)節(jié)能力的基礎(chǔ)是

。如果該草原生態(tài)系統(tǒng)中次級消費者大量減少，生產(chǎn)者的數(shù)量將______________。

(2)圖4中揭示生態(tài)系統(tǒng)的主要功能是____________________________，維持該生態(tài)系統(tǒng)的正常功能，還需要不斷獲得______________。

(3)已知生產(chǎn)者固定的能量是1 600J／(cm²·a)，在面積100 cm²的范圍內(nèi)，每年輸入初級消費者的能量數(shù)值為______________J，次級消費者增加50kg，至少需要生產(chǎn)者______________kg。

分析：該題第(3)小題，很容易理解成跟例1相同，有學生會直接用圖3中數(shù)值進行計算，得出：1 600x[200÷(625+175+200)]×100=32 000；50÷(20÷200)÷[200÷(625+175+200)]=2500。實際上，能量去向的i者之和并不等于固定的能量(112+20+28≠200)，即圖3中缺省了能量流動的另一去向——未被利用的能量。因此生產(chǎn)者固定的1 600J能量應該是該生態(tài)系統(tǒng)的總能量，生產(chǎn)者與初級消費者之間的傳遞效率應該是200／1 600=1／8。正確的計算是：200x100=40000；50÷(20÷200)÷(200÷1 600)=4 000。

參考答案：(1)保持或恢復 負反饋 減少(或先減少后趨于平衡) (2)能量流動和物質(zhì)循環(huán)來自系統(tǒng)外的能量補充(或能量的輸入、太陽能)(3)20 000 4 000

2.4 人工增加的能量輸入

【例3】圖5是某人工魚塘生態(tài)系統(tǒng)能量流動過程中部分環(huán)節(jié)涉及的能量值(單位為10³kj／m²·y)。試回答下列有關(guān)問題：

(1)圖中①代表的生理過程是______________。圖中②代表的能量主要以______________形式貯存。

(2)該生態(tài)系統(tǒng)中生產(chǎn)者固定的總能量是kJ／m^-2·y^-1______________。

(3)能量從該生態(tài)系統(tǒng)的第二營養(yǎng)級到第三營養(yǎng)級傳遞的效率為_____________。

(4)試分析圖中植食動物、肉食動物和頂位肉食動物隨營養(yǎng)級的升高需要的有機物輸入越來越多的原因_____________。

分析：從圖5可知：流經(jīng)生產(chǎn)者的能量來源于生產(chǎn)者的光合作用，去向主要有四個方面：呼吸消耗(23)、貯存(70)、流向分解者(3)和流向初級消費者(待計算X)。植食動物的能量來源，除了來自以生產(chǎn)為食(x)外，還有人工飼喂同化的能量(2)。能量去向也是四個方面，即呼吸(2)、貯存(9)、流向分解者(0.5)、流向下一營養(yǎng)級(等計算Y)。同理肉食動物同化的能量來源有攝取(Y)、人工飼喂(12)，能量去向包括呼吸(2，1)、貯存(5，1)、流向分解者(005)、流向下一營養(yǎng)級(0，25)。從高營養(yǎng)級向前推算可知，Y=(2，1+5，1+0，05+0，25)-5=2，5，同理X=14。第(2)小題根據(jù)生產(chǎn)者的能量去向可以推算出生產(chǎn)者固定的總能量為(23+70+3+14)×103 kJ／m^-2·y^-1y=1.1×105 kJ/m^-2·-y^-1·y。第(3)小題從第二營養(yǎng)級到第三營養(yǎng)級的能量傳遞效率為2.5÷(4+9+2+0.5+2.5)×100％=15.6％。該題中要特別注意理解同化量之比的實質(zhì)，可用公式表示為：能量傳遞效率=某營養(yǎng)級從上—營養(yǎng)級同化的能量/上一營養(yǎng)級的同化總能量。這里分子上的能量數(shù)值不包括人工輸入(即有機物輸入)的能量，而分母上的能量值應為其從上一營養(yǎng)級同化的能量值和有機物輸入的值之和。

參考答案：(1)呼吸作用

(有機物中)穩(wěn)定的化學能 (2)1.1×10⁵ (3)15.6％ (4)能量流動逐級遞減以及維持各營養(yǎng)級較高的輸出量

可見，關(guān)于能量流動的有關(guān)計算題，在掌握核心知識的基礎(chǔ)上，還必須準確理解各種圖形或題干中的相關(guān)信息，正確判斷各營養(yǎng)級的同化量及在計算時所使用的數(shù)值，避免犯經(jīng)驗主義的錯誤。