生態(tài)系統(tǒng)中能量流動(dòng)的巧析巧用

李海彬

【中圖分類號(hào)】Q493.8

生態(tài)系統(tǒng)的功能之一是能量流動(dòng)，能量流動(dòng)沿著食物鏈流動(dòng)，那么能量沿食物鏈流動(dòng)時(shí)有什么樣特征？根據(jù)這些特征，我們?nèi)绾稳ビ?jì)算在某一食物鏈中某一營(yíng)養(yǎng)級(jí)的生物個(gè)體固定的能量和物質(zhì)分別是多少呢？要解決這個(gè)問題，我們首先要清楚能量流動(dòng)的過程。

關(guān)于能量流動(dòng)的過程我們可以用以下的簡(jiǎn)圖表示：

從能量流動(dòng)的過程可以看出能量流動(dòng)有以下特點(diǎn)：能量流動(dòng)的起點(diǎn)是太陽能。流經(jīng)生態(tài)系統(tǒng)的總能量是生態(tài)系統(tǒng)所有生產(chǎn)者固定的全部太陽能。流經(jīng)每一營(yíng)養(yǎng)級(jí)的能量除了用于每一營(yíng)養(yǎng)級(jí)生物個(gè)體的同化作用和異化作用外，還有一部分能量要流向下一個(gè)營(yíng)養(yǎng)級(jí)，另外植物留下的殘枝敗葉和動(dòng)物的排泄物以及尸體被分解者分解后有一部分能量回到無機(jī)自然環(huán)境中，當(dāng)然動(dòng)物的排泄物也散失了部分能量。總之，每一營(yíng)養(yǎng)級(jí)的生物個(gè)體都在消耗能量，流向下一營(yíng)養(yǎng)級(jí)的能量在逐漸減少，而且能量只能從高營(yíng)養(yǎng)級(jí)而向低營(yíng)養(yǎng)級(jí)流動(dòng)，也就是說能量在生態(tài)系統(tǒng)中是單向流動(dòng)逐級(jí)遞減的。既然能量流動(dòng)是逐級(jí)遞減的，那么能量的傳遞效率是多少呢？根據(jù)生態(tài)學(xué)家林曼對(duì)天然湖泊 賽達(dá)伯格湖的能量流動(dòng)進(jìn)行的定量分析，我們知道能量的傳遞效率是10%～20%，也就是說能量在生態(tài)系統(tǒng)中最高的傳遞效率是 ，最低的傳遞效率是 。清楚了能量流動(dòng)的特點(diǎn)以及能量的傳遞效率，關(guān)于生態(tài)系統(tǒng)中能量的計(jì)算也就不是什么難題了。我們看下面 的實(shí)例：

例1：在下列這條食物鏈中，牧草 兔 狼 獅，第一營(yíng)養(yǎng)級(jí)的生物 牧草固定100KJ的能量，那么獅子固定的能量最多是多少？最少是多少？

分析：這是一個(gè)已知低營(yíng)養(yǎng)級(jí)的生物個(gè)體固定的能量求較高營(yíng)養(yǎng)級(jí)的生物個(gè)體固定的能量最多是多少、最少是多少的問題，根據(jù)能量傳遞效率所包含的意義，求較高營(yíng)養(yǎng)級(jí)的生物個(gè)體固定的能量最多是多少。我們就按照最高的傳遞效率 來計(jì)算，求較高營(yíng)養(yǎng)級(jí)的生物個(gè)體固定的能量最少是多少，我們就按最低的傳遞效率 來計(jì)算。先來看這條食物鏈中各營(yíng)養(yǎng)級(jí)的生物個(gè)體所處的營(yíng)養(yǎng)級(jí)級(jí)別及消費(fèi)者級(jí)別。

假設(shè)第一營(yíng)養(yǎng)級(jí)的生物個(gè)體 牧草固定的能量為A1，第二營(yíng)養(yǎng)級(jí)、第三營(yíng)養(yǎng)級(jí)、第四營(yíng)養(yǎng)級(jí)的生物個(gè)體固定的能量為A2、A3、A4，則根據(jù)能量傳遞效率的包含的意義，則有A2最少= A1× ；A3最少= A1× × = A1× ；A4最少= A1× × × = A1× ，不難推導(dǎo)出第n營(yíng)養(yǎng)級(jí)的生物個(gè)體固定的能量：An最少= A1× ，同理第n營(yíng)養(yǎng)級(jí)的生物個(gè)體固定的能量An最多= A1× ，在這里需要注意的是n代表營(yíng)養(yǎng)級(jí)級(jí)別，而不是消費(fèi)者級(jí)別。則：A4最少=100× =0.1（KJ）；A4最多=100× =0.8（KJ）。

例2：在下列這條食物鏈中，牧草 兔 狼 獅，第四營(yíng)養(yǎng)級(jí)的生物個(gè)體 獅固定100KJ的能量，則：第一營(yíng)養(yǎng)級(jí)的生物個(gè)體 牧草最少要固定多少千焦的能量？最多要固定多少千焦的能量？

分析：這是一個(gè)已知較高營(yíng)養(yǎng)級(jí)的生物個(gè)體固定的能量，求較低營(yíng)養(yǎng)級(jí)的生物個(gè)體固定的能量最少是多少、最多是多少的問題，也就是例1的逆問題。同樣，我們假設(shè)第n營(yíng)養(yǎng)級(jí)的生物個(gè)體固定的能量為An，則根據(jù)對(duì)例1的分析以及能量傳遞效率所包含的意義，我們不難推導(dǎo)出An=A1最少× ，則A1最少=An×5n-1，同理A1最多= An×10n-1，則：A1最少=100×54-1=1.25×104（KJ），A1最多=100×104-1=1×105（KJ）

從對(duì)例1和例2的分析，我們可清楚知道：如果已知較低營(yíng)養(yǎng)級(jí)的生物個(gè)體固定的能量，求較高營(yíng)養(yǎng)級(jí)生物個(gè)體固定的能量最少是多少，我們就按最低的傳遞效率 來計(jì)算，求較高營(yíng)養(yǎng)級(jí)的生物個(gè)體固定的能量最多是多少，就按照最高的傳遞效率 來計(jì)算。如果已知較高營(yíng)養(yǎng)級(jí)的生物個(gè)體固定的能量，求較低營(yíng)養(yǎng)級(jí)的生物個(gè)體固定的能量最少是多少我們就按最高的傳遞效率 來計(jì)算，求較低營(yíng)養(yǎng)級(jí)的生物個(gè)體固定的能量最多是多少，我們就按最低的傳遞效率 來計(jì)算。在這里需要強(qiáng)調(diào)的是以上推導(dǎo)出的四個(gè)公式：An最少= A1× ；An最多= A1× ，A1最少=An×5n-1；A1最多=An×10n-1，不僅符合能量的問題的計(jì)算，也符合物質(zhì)問題的計(jì)算。因?yàn)槲镔|(zhì)循環(huán)伴隨著能量流動(dòng)進(jìn)行。

總之，能夠很好理解生態(tài)系統(tǒng)中能量流動(dòng)的特點(diǎn)及傳遞效率所包含的意義，對(duì)我們處理能量流動(dòng)的問題提供很多的便捷途徑。endprint