生態(tài)系統(tǒng)的能量流動金字塔模型

汪正強 谷菊貴

一、創(chuàng)作背景

生態(tài)系統(tǒng)的能量流動是生態(tài)系統(tǒng)的三大功能之一，包括能量的輸入、傳遞、轉(zhuǎn)化和散失過程。本制作主要介紹如何構(gòu)建物理模型及利用該模型來解釋能量流動的特點、能量流動的去向及能量散失等情況，借助構(gòu)建出的模型正確地理解、解決相關(guān)的生態(tài)學(xué)問題。

二、作品構(gòu)造

1.亞克力板圓環(huán)三塊。第一塊直徑20 cm，環(huán)長3 cm，厚5 cm。第二塊直徑13.9 cm，環(huán)長3 cm，厚5 cm。第三塊直徑7.8 cm，厚5 cm，中間開一個小孔，孔徑為1.1 cm。

2.將設(shè)計好的若干海報裁剪好后，分別粘貼于亞克力板的上、下面和側(cè)面。

3.高15 cm、直徑為1 cm的圓柱形小棒一根。

三、模型的構(gòu)建與應(yīng)用效果

1.模型主體包括大、中、小三塊亞克力板。大號構(gòu)件正、反面均為圓環(huán);中、小號構(gòu)件正面是圓環(huán)，反面是圓盤。將中號圓盤面朝上放入最大的圓環(huán)中，將最小的圓盤朝上放入中號圓環(huán)中。通過觀察發(fā)現(xiàn)，除了最高營養(yǎng)級以外，一個營養(yǎng)級同化的能量，若限量不限時分析，可以劃分為三個去向：呼吸散失、流向下一營養(yǎng)級、流向分解者。

2.將構(gòu)件從上到下依次疊放，擺成金字塔形。很容易觀察到，生態(tài)系統(tǒng)的能量沿食物鏈單向流動，即次級消費者同化的能量直接來自初級消費者，初級消費者同化的能量直接來自生產(chǎn)者，所有營養(yǎng)級的能量直接或間接來源于第一營養(yǎng)級。換言之，輸入到一個生態(tài)系統(tǒng)的總能量即為生產(chǎn)者固定的太陽能總量。

另外，從模型側(cè)面觀察，我們會發(fā)現(xiàn)能量流動的第二個特點：逐級遞減，因為從下往上看各構(gòu)件的體積（間接表示各同化的能量值）越來越小。依此特點和規(guī)律，我們發(fā)現(xiàn)，營養(yǎng)級越高所同化的總能量越少，當能量足夠少時，便不足以繼續(xù)維持一個營養(yǎng)級存在了。所以，自然界中食物鏈的長度一般不會超過五個營養(yǎng)級。

3.所有營養(yǎng)級都存在呼吸散失量和流向分解者這兩部分去向，最高營養(yǎng)級的能量去向較其他營養(yǎng)級不存在流向下一營養(yǎng)級這一部分。呼吸散失量指通過生物的呼吸作用，最終以熱能形式散失到環(huán)境中的能量值、流向分解者的這一部分能量通過分解者的分解作用，最終也以熱能的形式散失到環(huán)境中。

俯視該模型或按壓模型使高營養(yǎng)級依次嵌入后再觀察，很容易發(fā)現(xiàn)輸入到一個生態(tài)系統(tǒng)的能量最終都以熱能形式散失到無機環(huán)境中。

四、創(chuàng)新點

1.將教材上的概念模型與數(shù)學(xué)模型的創(chuàng)新性轉(zhuǎn)化為物理模型，既直觀，操作性又強。

2.利用該模型能很好地展示能量的流動過程、特點及規(guī)律。

3.一具多用，巧妙地突破與解釋了生態(tài)系統(tǒng)能量流動的諸多難點。