“生態(tài)系統(tǒng)的能量流動”教學(xué)中的難點剖析

吳曉菲

摘 要： 生態(tài)系統(tǒng)的能量流動是現(xiàn)行人教版生物必修3“穩(wěn)態(tài)與環(huán)境”中的重難點內(nèi)容，學(xué)生對于書本內(nèi)容的分析和知識的理解存在疑問和偏差，作者整理了教學(xué)中常見的幾個基本概念的疑難點并進行剖析，對學(xué)生容易混淆的知識點進行了表述，并就能量流動過程中涉及的相關(guān)計算進行梳理。

關(guān)鍵詞： 能量流動 太陽能 固定 流入

“生態(tài)系統(tǒng)的能量流動”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)過高三一年的教學(xué)，我發(fā)現(xiàn)學(xué)生對于教材中能量流動的過程和概念很模糊，對于計算很迷惑，書本上的相關(guān)概念表述過于精簡，示意圖卻較為復(fù)雜，導(dǎo)致學(xué)生在學(xué)習(xí)內(nèi)容的分析和知識的理解上很難到位，需要教師在授課中對教材中的一些內(nèi)容進行進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”這節(jié)教學(xué)中學(xué)生常出現(xiàn)混淆的一些疑難點進行分析。

一、幾個基本概念的疑難點分析

1.流動的能量都來自于太陽能么？

人教版生物必修3第94頁描述：地球上幾乎所有的生態(tài)系統(tǒng)所需要的能量都來自太陽。這里的“幾乎所有”不代表全部，譬如海底熱泉生態(tài)系統(tǒng)，需要的能量來自于能進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)能量的來源都是太陽能。當(dāng)然以太陽能為主要輸入方式的生態(tài)系統(tǒng)，也不能認(rèn)為其能量只來自于太陽能，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)的相對穩(wěn)定，就需要有額外的能量輸入，因此在這種人類作用占主導(dǎo)的生態(tài)系統(tǒng)中，流經(jīng)的總能量就不僅僅是太陽能。

2.怎樣理解生產(chǎn)者固定的太陽能？

太陽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%以可見光的形式，被生態(tài)系統(tǒng)的生產(chǎn)者通過光合作用轉(zhuǎn)化成為化學(xué)能，固定在它們所制造的有機物中。這里所說的“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)“初級總生產(chǎn)量”，這個概念與固定的能量又是什么關(guān)系呢？根據(jù)我們對生產(chǎn)者的概念的理解，生產(chǎn)者是自養(yǎng)生物，能夠?qū)o機物在體內(nèi)合成有機物，絕大多數(shù)情況下是指綠色植物，綠色植物是沒有糞便產(chǎn)生的，那么對生產(chǎn)者來說，通過光合作用固定的太陽能最終都會儲存在其體內(nèi)的有機物中，所以“固定”即為“同化”。有些資料習(xí)題中出現(xiàn)的“初級總生產(chǎn)量”實際上就是指生產(chǎn)者光合作用制造的有機物的量，從能量的角度理解，也就是指固定的能量。因而，對生產(chǎn)者綠色植物來說，“固定量”，“同化量”，“初級總生產(chǎn)量”，在計算時，可以進行概念轉(zhuǎn)化，看做是同一個數(shù)值。

3.流入第二營養(yǎng)級的能量是否就是第二營養(yǎng)級攝入的能量？

在人教版全日制必修第二冊老教材中，關(guān)于能量在各營養(yǎng)級間流動的描述是“輸入第一營養(yǎng)級的能量，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、發(fā)育和繁殖，也就是儲存在構(gòu)成植物體的有機物中。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，還有一部分則被初級消費者——植食性動物攝入體內(nèi)。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)級流入第二營養(yǎng)級”。在新教材人教版“必修3穩(wěn)態(tài)與環(huán)境”第94頁中描述“輸入第一營養(yǎng)級的能量，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、發(fā)育和繁殖，儲存在植物體的有機物中。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，能量就流入了第二營養(yǎng)級”。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)老教材的說法“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)級流入第二營養(yǎng)級”，強調(diào)了“流入”應(yīng)該是指被第二營養(yǎng)級同化的能量；新教材中，沒有用語言強調(diào)攝入體內(nèi)的能量被動物體同化的過程，直接說“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，能量就流入了第二營養(yǎng)級”。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便會出現(xiàn)疑惑。筆者認(rèn)為教師在教學(xué)過程中，應(yīng)該繼續(xù)沿用老教材的說法，給學(xué)生進行解釋，讓學(xué)生理解什么叫做流入，只要明白流入即為同化，那么在進行計算時就不會一頭霧水。

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：如果將單位時間內(nèi)各個營養(yǎng)級所得到的能量數(shù)值，由低到高繪制成圖，可形成一個金字塔圖形，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，符合能量傳遞逐級遞減的特點。除了能量金字塔外，還可以按照每個營養(yǎng)級的生物個體數(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養(yǎng)級由下而上數(shù)目逐漸減少的規(guī)律，但是由于生物個體的大小不同，生物個體的代謝效率有差別，因此一個營養(yǎng)級的生物數(shù)量多并不意味著其固定的能量一定比另一個生物數(shù)量較少的營養(yǎng)級固定的能量多。如成千上萬個昆蟲以一株大樹為生，在這個生態(tài)系統(tǒng)中，生產(chǎn)者大樹是第一營養(yǎng)級，消費者昆蟲是第二營養(yǎng)級，前者的生物數(shù)量遠遠小于后者的生物數(shù)量，是一個典型的上大下小的倒金字塔形的生態(tài)數(shù)量錐體?？梢?，數(shù)量金字塔有時可能是倒置的，但這并不意味著高營養(yǎng)級固定的能量大于低營養(yǎng)級固定的能量，我們在教學(xué)時應(yīng)充分說明這一點。

二、有關(guān)能量流動的計算問題

能量流動涉及的計算是重難點，理解能量流動計算的前提是對人教版“必修3穩(wěn)態(tài)與環(huán)境”第94頁能量流經(jīng)第一營養(yǎng)級和第二營養(yǎng)級的過程要理解，對94頁生態(tài)系統(tǒng)能量流動示意圖的箭頭含義要明確，同時，對95頁林德曼所做的賽達伯格湖的能量流動圖解的數(shù)字關(guān)系要清楚。解決了書本上這三個圖解問題，能量流動的相關(guān)計算問題就能迎刃而解。

人教版“必修3穩(wěn)態(tài)與環(huán)境”94頁在談及輸入第一營養(yǎng)級的能量時，提到了四個“一部分”。對這四個“一部分”可以分兩個層次來看。首先，將輸入第一營養(yǎng)級的能量分兩部分來看：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、發(fā)育和繁殖，儲存在植物體的有機物中。也就是說，“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、發(fā)育和繁殖即儲存在植物體的有機物中的能量”是并列關(guān)系，且都來自于生產(chǎn)者固定的太陽能。其次，構(gòu)成植物體的有機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，另一部分則被初級消費者攝入體內(nèi)，這樣，能量就流入了第二營養(yǎng)級。即“上一級中儲存在有機物中的能量”，又分了兩個部分：隨殘枝敗葉被分解者分解釋放的能量和流入第二營養(yǎng)級的能量（即被第二營養(yǎng)級同化的能量），以圖解形式可以這樣表示：

能量流經(jīng)第二營養(yǎng)級時，書本給出了示意圖5-6：根據(jù)對圖示的理解，初級消費者由于是植食性動物，會有糞便產(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分析的能量流動對應(yīng)起來，所以每一營養(yǎng)級同化的能量實際上都可以按照這樣的去向分析。對應(yīng)課本圖5-7：生態(tài)系統(tǒng)能量流動示意圖，每一營養(yǎng)級同化的能量都有三個去向：①流入下一營養(yǎng)級（或下一營養(yǎng)級同化）；②呼吸作用散失；③流向分解者。這就為能量流動的計算問題提供了參考。

當(dāng)然，在能量流動計算時，要考慮“定量不定時”和“定量定時”，若定量定時，則要考慮未利用的能量，若定量不定時，則不需要考慮“未利用的能量”。例如在林德曼所做的賽達伯格湖的能量流動過程中，屬于定量定時分析：每一年，每一營養(yǎng)級同化量的去向就可以分為以下四個方向：①流入下一營養(yǎng)級（下一營養(yǎng)級同化）；②呼吸作用散失；③流向分解者；④未利用。在計算的時候，可以將這四個數(shù)值相加，得到的和便是該營養(yǎng)級同化的總能量。按照這一方法，我們可以對林德曼的賽達伯格湖的能量流動進行定量定時的計算：

由圖中可知，生產(chǎn)者固定的太陽能為464.6J/（cm■·a），按照定時定量計算來看，這一能量有四個去向：流向分解者的能量：12.5J/（cm■·a）；流入下一營養(yǎng)級的能量（下一營養(yǎng)級同化量）：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）。這四項數(shù)據(jù)相加之和恰好等同于生產(chǎn)者固定的太陽能的總量464.6J/（cm■·a）。按照這一方法，植食性動物和肉食性動物的能量流動的數(shù)值都符合這一公式。在植食性動物同化的62.8J/（cm■·a）的能量中，有2.1J/（cm■·a）流向分解者，有12.6J/（cm■·a）被肉食性動物同化，有18.8J/（cm■·a）通過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去向。對肉食性動物而言，因為是最高營養(yǎng)級，所以其同化的能量（12.6J/（cm■·a））中沒有了流入更高營養(yǎng)級的能量，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)能量流動的定量分析圖解。圖中A、B、C代表三個營養(yǎng)級，數(shù)字均為實際測得的能量數(shù)，單位為百萬千焦。已知該生態(tài)系統(tǒng)受到的太陽輻射為118872百萬千焦，但其中118761百萬千焦的能量未被利用。請回答：

（節(jié)選）能量從第一營養(yǎng)級到第二營養(yǎng)級的轉(zhuǎn)化效率為？搖？搖？搖？搖%，從第二營養(yǎng)級到第三營養(yǎng)級效率為？搖？搖？搖？搖%。

根據(jù)所給數(shù)據(jù)進行計算：流經(jīng)該生態(tài)系統(tǒng)的總能量為118872-118761=111百萬千焦，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計算公式，111百萬千焦恰好等于其流向分解者的3.0百萬千焦、流入初級消費者的15.0百萬千焦、生產(chǎn)者自身呼吸消耗的51.5百萬千焦和未利用的41.5百萬千焦這四者之和。

根據(jù)以上分析可以較好地理解“生態(tài)系統(tǒng)”食物鏈中，相鄰兩營養(yǎng)級之間的能量傳遞效率是指高營養(yǎng)級生物同化的能量占低營養(yǎng)級生物同化能量的百分比，就容易理解生態(tài)系統(tǒng)能量流動的特點中“逐級遞減”的原因。又因為生態(tài)系統(tǒng)中的生物將熱能固定為有機物中的化學(xué)能，所以可以比較容易地推知能量“單向流動”的特點。

能量流動在生態(tài)系統(tǒng)的功能中屬于重難點，也是學(xué)生容易混淆知識點、產(chǎn)生錯誤計算的章節(jié)，如何將課本簡單的表述轉(zhuǎn)化為學(xué)生能理解的內(nèi)容，需要教師在平時教學(xué)中多鉆研教材，多接觸習(xí)題。在講授過程中，要逐級分析，并結(jié)合圖形公式，加深學(xué)生對知識的理解，只要梳理好能量流動的去向和組成，相關(guān)問題就會迎刃而解。

參考文獻：

[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”教學(xué)中幾個難點的思考分析[J].中學(xué)生物學(xué)，2012（6）.