例析生態系統能量流動的計算

有關生態系統中能量流動的計算，常常是學生解題的一個難點和失分點，其關鍵是不能正確判斷同化量的多少。下面就幾道典型的例題作一分析。

1 核心知識

研究生態系統中的能量主要包括能量的輸入和輸出。

1.1 能量的輸入

就自然生態系統，對生產者而言，能量的輸入是指生產者通過光合作用固定的太陽能，這也是流經整個生態系統的總能量。對消費者而言，能量的輸入是指從上一營養級同化的能量。對分解者而言，是指各營養級流入的能量。

1.2 能量的輸出

每個營養級所固定的能量一般有3個去向：①自身的呼吸作用，②傳遞給下一個營養級，③遺體殘骸中的能量傳給分解者。特別要注意的是：有些情況還包括了第四個去向——即用于自身的生長發育，也稱為未被利用的能量。這是能量流動逐級遞減的根本原因。

可以把上述核心知識概括成下面的能量流動概念模型圖1所示。

1.3 能量傳遞效率

能量在兩個營養級之間的傳遞效率為相鄰兩營養級的同化量之比。其核心是判斷同化量的值。

2 例析

2.1 概念模型的直接應用

【例1】圖2為某生態系統能量傳遞示意圖，請據圖回答：欲使C增加60Kg，需要A多少千克(

)

A 1500

B 2000 C 2500 D 6000

分析：圖2是圖1的翻版，顯示了能量流動的固定和去向，其中A、B、C的方框表示各營養級固定的能量，通過計算，分別為：1000、200、30；則可根據各營養級間能量傳遞效率進行本題的計算：[60÷(30÷200)]÷(200÷1000)=2 000 kg，答案選B。

2.2 概念模型的變形

【例2】圖3為某人工松林18年間的能量流動情況(單位：ki)，有關說法錯誤的是(

)

A “能量Q”指生產者固定的太陽能總量

B 該松林中從第一營養級到第二營養級能量流動的效率遠小于1％

C 該松林的動物全為第二營養級

D 適當地砍伐樹木可以使能量流向對人類最有益的部分

分析：圖3與圖1有著很大的差別，沒有完全體現能量流動的環節和過程，但細化了某些部分能量的去向，給理解增加了困難。特別是B選項的說法與常規認定的能量流動效率為10％-20％不符，很容易被認為是題目答案。實際上，所有動物并不都是第二營養級，即使以4×10¹⁰作為第二營養級的總能量來計算，其能量傳遞效率也遠小于1％。答案選C。

2.3 能量輸出途徑的缺省

【例3】生態系統是一個統一的整體，具有一定的結構和功能。圖4是某草原生態系統的模型，數字代表能量數值，單位是J／(cm²·a)，請回答下列問題：

(1)生態系統的穩定性是指生態系統具有自身結構和功能相對穩定的能力，這種自我調節能力的基礎是

。如果該草原生態系統中次級消費者大量減少，生產者的數量將______________。

(2)圖4中揭示生態系統的主要功能是____________________________，維持該生態系統的正常功能，還需要不斷獲得______________。

(3)已知生產者固定的能量是1 600J／(cm²·a)，在面積100 cm²的范圍內，每年輸入初級消費者的能量數值為______________J，次級消費者增加50kg，至少需要生產者______________kg。

分析：該題第(3)小題，很容易理解成跟例1相同，有學生會直接用圖3中數值進行計算，得出：1 600x[200÷(625+175+200)]×100=32 000；50÷(20÷200)÷[200÷(625+175+200)]=2500。實際上，能量去向的i者之和并不等于固定的能量(112+20+28≠200)，即圖3中缺省了能量流動的另一去向——未被利用的能量。因此生產者固定的1 600J能量應該是該生態系統的總能量，生產者與初級消費者之間的傳遞效率應該是200／1 600=1／8。正確的計算是：200x100=40000；50÷(20÷200)÷(200÷1 600)=4 000。

參考答案：(1)保持或恢復 負反饋 減少(或先減少后趨于平衡) (2)能量流動和物質循環來自系統外的能量補充(或能量的輸入、太陽能)(3)20 000 4 000

2.4 人工增加的能量輸入

【例3】圖5是某人工魚塘生態系統能量流動過程中部分環節涉及的能量值(單位為10³kj／m²·y)。試回答下列有關問題：

(1)圖中①代表的生理過程是______________。圖中②代表的能量主要以______________形式貯存。

(2)該生態系統中生產者固定的總能量是kJ／m^-2·y^-1______________。

(3)能量從該生態系統的第二營養級到第三營養級傳遞的效率為_____________。

(4)試分析圖中植食動物、肉食動物和頂位肉食動物隨營養級的升高需要的有機物輸入越來越多的原因_____________。

分析：從圖5可知：流經生產者的能量來源于生產者的光合作用，去向主要有四個方面：呼吸消耗(23)、貯存(70)、流向分解者(3)和流向初級消費者(待計算X)。植食動物的能量來源，除了來自以生產為食(x)外，還有人工飼喂同化的能量(2)。能量去向也是四個方面，即呼吸(2)、貯存(9)、流向分解者(0.5)、流向下一營養級(等計算Y)。同理肉食動物同化的能量來源有攝取(Y)、人工飼喂(12)，能量去向包括呼吸(2，1)、貯存(5，1)、流向分解者(005)、流向下一營養級(0，25)。從高營養級向前推算可知，Y=(2，1+5，1+0，05+0，25)-5=2，5，同理X=14。第(2)小題根據生產者的能量去向可以推算出生產者固定的總能量為(23+70+3+14)×103 kJ／m^-2·y^-1y=1.1×105 kJ/m^-2·-y^-1·y。第(3)小題從第二營養級到第三營養級的能量傳遞效率為2.5÷(4+9+2+0.5+2.5)×100％=15.6％。該題中要特別注意理解同化量之比的實質，可用公式表示為：能量傳遞效率=某營養級從上—營養級同化的能量/上一營養級的同化總能量。這里分子上的能量數值不包括人工輸入(即有機物輸入)的能量，而分母上的能量值應為其從上一營養級同化的能量值和有機物輸入的值之和。

參考答案：(1)呼吸作用

(有機物中)穩定的化學能 (2)1.1×10⁵ (3)15.6％ (4)能量流動逐級遞減以及維持各營養級較高的輸出量

可見，關于能量流動的有關計算題，在掌握核心知識的基礎上，還必須準確理解各種圖形或題干中的相關信息，正確判斷各營養級的同化量及在計算時所使用的數值，避免犯經驗主義的錯誤。