有關(guān)能量流動(dòng)的疑難剖析

趙德強(qiáng)

在對(duì)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(duì)能量流動(dòng)的理解存在錯(cuò)誤和爭(zhēng)議。翻閱各種教學(xué)輔導(dǎo)資料，也會(huì)發(fā)現(xiàn)對(duì)能量流動(dòng)的相關(guān)講解和試題也存在錯(cuò)誤?，F(xiàn)對(duì)能量流動(dòng)的錯(cuò)誤及爭(zhēng)議的形成原因及相應(yīng)的正確理解進(jìn)行剖析。

1 對(duì)能量流動(dòng)存在錯(cuò)誤理解

圖1是生態(tài)系統(tǒng)能量流動(dòng)示意圖，圖中箭頭1是指從生產(chǎn)者流入初級(jí)消費(fèi)的能量。對(duì)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(huì)普遍出現(xiàn)錯(cuò)誤的理解呢？生態(tài)系統(tǒng)能量流動(dòng)示意圖在各個(gè)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(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)流入了第二營(yíng)養(yǎng)級(jí)?！边@個(gè)描述均認(rèn)為圖中箭頭1是代表同化量。原來(lái)教材的描述在人們頭腦中形成了根深蒂固的觀點(diǎn)，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(duì)此描述進(jìn)行了相應(yīng)改動(dòng)。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(yíng)養(yǎng)級(jí)示意圖。既然圖示是“能量流經(jīng)第二營(yíng)養(yǎng)級(jí)”的過(guò)程，那么能量流動(dòng)就有來(lái)源、起點(diǎn)、動(dòng)向等。能量流經(jīng)第二營(yíng)養(yǎng)級(jí)的起點(diǎn)應(yīng)該是圖中“初級(jí)消費(fèi)者攝入”這個(gè)方框，而不是“初級(jí)消費(fèi)者同化”這個(gè)方框。所以從圖示內(nèi)容來(lái)看，流經(jīng)第二營(yíng)養(yǎng)級(jí)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(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，能量就從第一營(yíng)養(yǎng)級(jí)流入第二營(yíng)養(yǎng)級(jí)。能量流入第二營(yíng)養(yǎng)級(jí)后，將發(fā)生圖5-6所示的變化”。

仔細(xì)閱讀圖示及文字內(nèi)容，可以得出，流入第二營(yíng)養(yǎng)級(jí)的能量就是初級(jí)消費(fèi)者攝入體內(nèi)的能量，而不是初級(jí)消費(fèi)者同化量，也就是說(shuō)流入量就是攝入量。而流入第二營(yíng)養(yǎng)級(jí)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(yíng)養(yǎng)級(jí)；③ 遺體、殘骸、糞便等被分解者分解。

再?gòu)闹貞c2009年高考第5題來(lái)分析，流入下一營(yíng)養(yǎng)級(jí)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(jī)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(jìn)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(jí)消費(fèi)者同化的有機(jī)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(lái)看，每個(gè)營(yíng)養(yǎng)的物質(zhì)和能量有4個(gè)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(gè)模型實(shí)際上是教材生態(tài)系統(tǒng)能量流動(dòng)示意圖的一個(gè)變式，只是教材生態(tài)系統(tǒng)能量流動(dòng)示意圖是定量不定時(shí)分析的結(jié)果，而試題的模型實(shí)際上是定量定時(shí)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(lái)不得半點(diǎn)的虛假，教材內(nèi)容的改變是使知識(shí)更加科學(xué)合理，而教師對(duì)改變了的東西卻視而不見(jiàn)，或見(jiàn)到后而不接受，仍然以原來(lái)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(guò)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(duì)能量傳遞效率存在合理爭(zhēng)論

能量傳遞效率是相鄰兩個(gè)營(yíng)養(yǎng)級(jí)間同化量之比值，還是攝入量之比值存在著不同的觀點(diǎn)。

2.1 不同教材及教參中的觀點(diǎn)

人教版教材及教參認(rèn)為能量傳遞效率是相鄰兩個(gè)營(yíng)養(yǎng)級(jí)間攝入量之比值。能量傳遞效率是通過(guò)分析賽達(dá)伯格湖的能量流動(dòng)圖解得出的，圖4是現(xiàn)行人教版教材及教參對(duì)賽達(dá)伯格湖的能量流動(dòng)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(yáng)能，“未利用”是指未被自身呼吸作用消耗，也未被后一個(gè)營(yíng)養(yǎng)級(jí)和分解者利用的能量。為研究方便起見(jiàn)，這里將肉食性動(dòng)物作為一個(gè)營(yíng)養(yǎng)級(jí)。

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(dòng)物能量，前面已經(jīng)分析了，流入量就是攝入量，也就是說(shuō)62.8 J/（cm2·a）是指植食性動(dòng)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(gè)營(yíng)養(yǎng)級(jí)間攝入量之比值。

北師大版教材認(rèn)為：從能量流動(dòng)過(guò)程的數(shù)量變化特征來(lái)看，在食物鏈和食物網(wǎng)中，能量隨著營(yíng)養(yǎng)級(jí)的升高而逐級(jí)減少，人們把一個(gè)營(yíng)養(yǎng)級(jí)和它的上一個(gè)營(yíng)養(yǎng)級(jí)所同化的能量值的比值稱為林德曼效率，并將之視為一個(gè)常數(shù)（10%～20%）。

2.2 高校教材的不同觀點(diǎn)

筆者在查閱了各種生態(tài)學(xué)高校教材時(shí)發(fā)現(xiàn)，對(duì)林德曼所研究賽達(dá)伯格湖的能量流動(dòng)圖解中的植食性動(dòng)物62.8 J/（cm2·a），往往都用了“吃入”或者“吃掉”一詞進(jìn)行描述，也就是流入下一個(gè)營(yíng)養(yǎng)級(jí)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(fèi)效率的乘積。

Le==××

即林德曼效率=（n+1）營(yíng)養(yǎng)級(jí)攝取的食物/n營(yíng)養(yǎng)級(jí)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(yíng)養(yǎng)級(jí)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(diǎn)

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(duì)此食物鏈能量流動(dòng)進(jìn)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(lái)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(méi)有統(tǒng)一的，在高校教材中也有不同的學(xué)術(shù)觀點(diǎn)。