“系統分析法”在生態系統結構和功能分析的應用

摘要 “系統分析法”是必修3科學方法的側重點之一，也是培養學生生物科學素養和科學的世界觀、方法論的重要內容。結合實例介紹“系統分析法”在生態系統結構和功能分析的應用。

關鍵詞 系統分析法 定性分析 定量分析

中圖分類號 G633.91

文獻標識碼 B

文件編號 1003－7586(2011)06－0054－03

生態系統作為一個開放的生命系統，對其結構和功能的分析應采用“系統分析法”。所謂系統分析就是利用數學的概念和方法，采用系統科學的研究途徑來解決復雜的系統問題。具體地說是指把要解決的問題作為一個系統，根據系統的性質和關系，在明確系統的邊界后，對系統要素進行綜合分析，分析系統組成要素、層次結構以及各組分間相互影響的定量關系，建立系統的數學模型，優化系統結構，實行系統調控，實現優化系統功能，進而找出解決問題的分析方法。用系統分析方法研究生態系統各部分的相互聯系及其整體功能已成為生態學研究的發展趨勢。因此，在高考復習備考中只有深刻領悟系統分析的方法和思想，才能更好地把握生態系統這個生命系統的結構和系統內部及其與外界環境之間進行的物質交換、能量流動和信息傳遞的功能。

高中階段對于生態系統的系統分析涉及到定性分析和定量研究兩個階段。下面結合實例介紹“系統分析方法”在生態系統結構和功能分析的應用。

1 定性分析

定性分析包括劃分系統邊界、確定系統組分、分析系統結構層次、明確問題及研究目標。邊界指系統的范圍，生態系統的范圍可大可小，其中最大的生態系統是生物圈，研究生態系統時可根據研究的需要劃定范圍、生態系統組成成分，即生產者、消費者、分解者組成的生物成分和非生物的物質和能量組成的無機環境；結構包括時空結構和營養結構。

【例1】表1表示某生態系統的食物網情況(相應動物右邊格中的√表示此動物胃中含有上面的生物)，請據表分析回答：

(1)該生態系統共有______條食物鏈。

(2)如果該生態系統中能量傳遞效率平均為10％，那么若第一營養級的同化能量為2×10⁷kJ，則鷹最終獲得的最大能量值是______________。

(3)鷹處于第五營養級的食物鏈有____條。

(4)蛇和鷹的關系是______________。

(5)要使生態系統完整，還需要增加的成分是______________。

解析：此題考查生態系統的結構及分析。生態系統結構包括生態系統的成分和營養結構(食物鏈和食物網)。食物鏈是在一個生態系統中，各種生物通過食物關系而建立的一種聯系。由于各種生物食性復雜性致使各種生物在一個生態系統中彼此交錯聯系形成復雜的食物網。在題中生態系統中，各種生物通過食物關系建立的食物網如圖1所示。

計算食物鏈的數目，一定要從生產者開始到該鏈的最高級為止，中間不能停，也不能從中間開始，該食物網共有8條食物鏈；獲得最大能量要根據最短的食物鏈計算，即植物一鼠一鷹，如果該生態系統中能量傳遞效率平均為10％，若第一營養級的同化能量為2×10⁷KJ，則鷹最終獲得的最大能量值是2×10⁷ kJ×10％×10％=2×10⁵kJ；不同食物鏈生物之間的關系不同，蛇吃食蟲鳥或鼠等時與鷹的關系為競爭，鷹吃蛇時為捕食關系；完整的生態系統包括生產者、消費者、分解者生物成分和非生物的物質和能量。

答案：(1)8 (2)2×10⁵kJ (3)3 (4)競爭和捕食 (5)非生物物質和能量及分解者

2 定量分析

定量分析是基于數學工具進行定量研究各組分間的影響關系、建立系統數學模型的過程。生態系統都是開放系統，系統與環境之間具有物質、能量和信息的交流，兩者相互聯系、相互影響，共同組成一個統一的整體。每個生態系統都具有一定的自動調節能力，在不斷變化的環境條件下，依靠自我調節機制維持其穩態，實現

物質循環和能量流動的相對穩定，最后達到生態平衡狀態。通過對生態系統功能的定量分析，便于把握其變化規律。

【例2】在生態系統中，生產者通過光合作用固定的能量稱為總初級生產量。生產者固定的能量一部分被自己呼吸作用消耗掉，剩下的可用于生長、發育和繁殖，這部分能量稱為凈初級生產量。表2列出四個生態系統中總初級生產量與總入射日光量、生產者呼吸消耗量與總初級生產量的比值。

(1)四個生態系統中，光能利用效率最高的是______________，總初級生產量轉化為凈初級生產量比例最高的生態系統是______________。

(2)圖2表示草原生態系統中具有食物關系的甲、乙、丙、丁四個種群和分解者的能量相對值。請在虛框內繪制由甲、乙、丙、丁四個種群形成的食物網簡圖。

(3)根據第(2)小題的信息，在下圖虛框中用文字補充完成能量流經丙種群的情況。

解析：(1)生態系統對太陽能的利用率等于總初級生產量／總入射日光量，根據表中數據可知光能利用效率最高的是玉米田；生產者固定的能量一部分被自己呼吸作用消耗掉，剩下的可用于生長、發育和繁殖，這部分能量稱為凈初級生產量。結合表中數據總初級生產量轉化為凈初級生產量比例最高的生態系統應該是生產者呼吸消耗／總初級生產量最小的荒地。

(2)食物網是在一個生態系統中各種食物鏈彼此交錯連接構成的復雜網狀結構。而典型的食物鏈是有生產者和各級消費者構成的捕食鏈，分解者不參與捕食鏈構成。這樣根據生態系統能量流動沿著食物鏈逐級遞減，傳

遞效率為10％-20％的規律，便可寫出甲、乙、丙、丁四個種群形成的食物網簡圖。

(3)能量流經某一營養級時，從系統分析角度分析，一部分用于自身呼吸作用消耗，以熱能形式散失；另一部分用于生長發育和繁殖，這部分能量可以傳遞給下一個營養級，也可通過遺體殘骸傳遞給分解者，被分解者利用。由于丙屬于最高營養級，它所同化的能量不再往下一營養級傳遞。

答案：(1)玉米田 荒地

(2)

變式訓練：

1 近年來在防治稻田蟲害方面進行了多種嘗試，如①構建稻－萍－魚生態系統，在該系統中，雖有危害水稻的病菌、害蟲和雜草，但魚的活動可起到除蟲、松土和增氧的作用，紅萍葉片內的藍藻固氮可促進紅萍和水稻生長；②培育轉Bt基因抗蟲水稻，減少蟲害。此外，一些水稻遭遇蟲害時會釋放某些物質，引來天敵消滅害蟲，科學家稱之為稻田三重營養關系。

根據上述材料，請回答下列問題：

(1)指出在稻－萍－魚生態系統中存在哪些種間關系。(各舉一例)

______________

(2)在稻田三重營養關系中，水稻通過______________信息引來天敵，防治害蟲。

(3)轉Bt基因抗蟲水稻不可能一勞永逸地解決蟲害問題，因為______________。

(4)畫出稻－萍－魚生態系統的能量流動圖(不考慮與人的聯系)。

2 某研究小組的同學利用樣方法研究野生山坡上A、B、C三個不同地點的植物群落，他們也測量了各種土壤特征和環境因素，結果見表3。根據所得數據回答問題：

(1)根據調查結果判斷，物種豐富度最大的地點是______________。如果分別用甲、乙表示地點B中的兩種松樹，二者之間的物種關系可表示為下圖中的______________。

(2)如果遭遇山火，山坡的植被徹底燒光，原地點將發生的群落演替屬于______________。

(3)參考表中非生物因素，落葉樹在地點c不能生長的原因是______________、______________(至少說出兩個原因)。

(4)下圖方框中表示被調查地點的生態系統，用箭頭畫出該生態系統能量流動的模型。

變式訓練答案：

1 (1)捕食：蟲吃水稻(或雜草)或魚吃蟲(或其他草食動物)；競爭：水稻(或紅萍)與雜草競爭；寄生：病菌寄生在水稻上；互利共生：紅萍與藍藻共生

(2)化學

(3)昆蟲會進化(或產生抗性)

(4)見下圖

2 (1)A C

(2)次生演替

(3)土壤深淺度，不足以支持高大樹木的生長土壤濕度小，水分不足以支持樹木的生長土壤氨的含量低，缺少養分供樹木生長

(4)畫出輸入(光能)、輸出(呼吸釋放的熱能)、系統內的流動(生產者到消費者和分解者、消費者到分解者)

總之，系統分析法的本質是一種根據客觀事物所具有的系統特征，從事物的整體出發，分析整體與局部、部分與部分、整體與外部環境之間的相互關系的現代科學方法。在“穩態與環境”模塊中的“描述群落的結構特征”、“討論某一生態系統的結構”、“闡明群落的演替”、“分析生態系統中的物質循環和能量流動的基本規律及其應用”、“闡明生態系統的穩定性”、“探討人口增長對生態環境的影響”、“關注全球性環境問題”等知識點，以及“調查當地自然群落中若干種生物的生態位”、“調查或探討一個農業生態系統中的能量流動”、“調查當地生態環境中的主要問題，提出保護建議或行動計劃”等活動中，都滲透和利用系統分析的思想和方法。學生學習這部分內容和復習備考時，教師要引導學生靈活運用。