構建以“同化量”為主體的概念模型

沈兆瑞

(天津市武清區(qū)楊村第一中學 天津 301700)

能量是高中生物學教學中的核心概念，一切生命活動都伴隨著能量的變化。能量流動作為生態(tài)系統(tǒng)的主要功能之一，也是教學的重難點。想要研究能量在生態(tài)系統(tǒng)中的流動過程，首先要引入能夠代表能量的具體概念和相關參數(shù)。對此，不同版本教材給出類似的概念，如浙科版的“初級生產量”，北師大版和人教版的“同化量”等。本文將以“同化量”為主體，構建概念模型對能量流動進行分析。

在構建模型之前，先明確“同化量”的概念?！巴俊笔侵干飶耐饨绛h(huán)境中獲得的能量。對于生產者而言，它指光合作用所固定的太陽能；對于消費者而言，它指消化后吸收的能量；對于分解者而言，它指從細胞外吸收的能量[1]。研究能量流動實際上就是分析生態(tài)系統(tǒng)各組分同化量的來源和去處，并進一步對其定量分析。

能量流動的過程比較抽象，因此本章節(jié)多以概念圖的方式呈現(xiàn)，對概念圖的識別、區(qū)分和理解是學生所面臨的主要難點。針對上述問題，筆者對不同版本教材及相關概念圖進行總結，并將其歸為兩類： ①單個營養(yǎng)級的概念模型，著重體現(xiàn)同化量的來源和去處；②多個營養(yǎng)級的概念模型，著重于體現(xiàn)能量流動的特點和用于定量分析。

1 單個營養(yǎng)級的概念模型

構建單個營養(yǎng)級的概念模型旨在闡明該營養(yǎng)級同化量的來源與去處，這也是研究能量流動過程的第一步。如圖1所示，初級消費者的同化量等于攝入量減去糞便量，也就是其消化吸收的能量。這部分能量可初步分為兩個去處： 除去呼吸作用散失，其余能量用于自身的生長、發(fā)育和繁殖。后者繼續(xù)流向兩個去處，分別流入下一營養(yǎng)級和分解者。

圖1 能量流經(jīng)第二營養(yǎng)級示意圖

針對單個營養(yǎng)級的概念模型，可提出如下問題,加深學生對相關概念的理解： ①初級消費者糞便中的能量應屬于哪個營養(yǎng)級？(生產者，以區(qū)分“攝入”和“同化”概念)；②上述糞便中的能量屬于生產者同化量的哪一去處？(流向分解者，幫助學生了解能量流向分解者的兩條途徑： 遺體殘骸和糞便)；③能量流入次級消費者和被次級消費者攝入有何區(qū)別？(流入下一營養(yǎng)級相當于被其同化，以區(qū)分“流入”和“被攝入”概念)。

2 多個營養(yǎng)級的概念模型

將單營養(yǎng)級的模型進行簡化和重組后，即為多個營養(yǎng)級的概念模型(圖2)。與前者不同，多營養(yǎng)級模型側重于對生態(tài)系統(tǒng)各環(huán)節(jié)(多個營養(yǎng)級)同化量的整體展示。該模型能直觀體現(xiàn)能量流動的特點，單向流動和逐級遞減的原因在此圖中一目了然。

圖2 能量流經(jīng)多個營養(yǎng)級示意圖

那么，如何區(qū)分上述兩種概念模型呢？兩者的側重點不同，單營養(yǎng)級模型注重同化量的來源和去處，而多營養(yǎng)級模型簡化了細節(jié)，更注重整體。具體表現(xiàn)為： ①多營養(yǎng)級模型簡化了來源，圖2中無“攝入”和“糞便”相關概念，而直接引入“同化”和“流入”；②多營養(yǎng)級模型簡化了去處，圖2中無“用于自身生長、發(fā)育和繁殖”，而直接將之細化為流向下一營養(yǎng)級和分解者。

3 能量傳遞效率的定量分析

在定性描述的基礎上，可進一步對能量流動進行定量分析，如人教版教材中的“賽達伯格湖的能量流動圖解”。該圖屬于多營養(yǎng)級概念模型，并增加了“未利用”的概念，它指在一段時間內，未被自身呼吸消耗，且尚未被下一營養(yǎng)級或分解者利用的能量。舉例說明： ①某時刻生物體內所蘊含的有機物中的化學能；②若干年前形成的化石燃料(煤或石油等)中的化學能，均屬于未利用的能量?！拔蠢谩斌w現(xiàn)出定量分析受“時間”因素的限制，在實際測算中意義重大，不可或缺。

通過對各營養(yǎng)級同化量的定量分析，可計算相鄰兩個營養(yǎng)級的能量傳遞效率，常見公式如下： 能量傳遞效率=該營養(yǎng)級的同化量/上一營養(yǎng)級的同化量×100%。然而，該公式在復雜情景下的適用度還有待商榷，下文將以人工魚塘為例，深入剖析。

例： 人工魚塘是一種異養(yǎng)生態(tài)系統(tǒng)，輸入該生態(tài)系統(tǒng)的總能量為生產者固定的太陽能和有機物輸入的化學能之和。據(jù)圖3分析，①第二營養(yǎng)級和第三營養(yǎng)級的同化量分別為J/cm2·a，②第二、三營養(yǎng)級之間的能量傳遞效率為%。

首先，分析同化量的來源和去處(表1)。得到兩個營養(yǎng)級的同化量之后，能否直接套用上述公式來表示第二、三營養(yǎng)級之間的傳遞效率呢？答案是否定的，人工有機物的輸入無疑使該問題變得復雜起來。

圖3 人工魚塘能量流動示意圖(單位： J/cm2·a)

表1 同化量的來源和去處分析

解決問題的要點在于厘清概念，第二、三營養(yǎng)級之間的能量傳遞依賴于捕食關系，因此，只應考慮能量在食物鏈傳遞過程中的效率。就本題而言，肉食性動物同化量的來源有兩個，上一營養(yǎng)級流入(2.5)和有機物輸入(5)，其中通過食物鏈傳遞的能量只有前者(2.5)。確定公式中的分子后，分母該如何選擇呢(14還是16)？是否需要排除有機物輸入(2)的能量呢？問題依然撲朔迷離。

其實，只要換個角度，問題將迎刃而解。若從單個營養(yǎng)級的概念模型來分析，能量傳遞效率的實質就是流入下一營養(yǎng)級的能量占同化量的比例，該比值是能量在食物鏈中的傳遞效率的直觀體現(xiàn)。設計公式如下： 能量傳遞效率=流入下一營養(yǎng)級的能量/該營養(yǎng)級的同化量×100%。本題中，第二營養(yǎng)級的同化量為16，其中流入下一營養(yǎng)級的為2.5，所以第二、三營養(yǎng)級之間的傳遞效率約為2.5/16×100%=15.6%。