“系統(tǒng)分析法”在生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能分析的應(yīng)用

摘要 “系統(tǒng)分析法”是必修3科學(xué)方法的側(cè)重點之一，也是培養(yǎng)學(xué)生生物科學(xué)素養(yǎng)和科學(xué)的世界觀、方法論的重要內(nèi)容。結(jié)合實例介紹“系統(tǒng)分析法”在生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能分析的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞 系統(tǒng)分析法 定性分析 定量分析

中圖分類號 G633.91

文獻(xiàn)標(biāo)識碼 B

文件編號 1003－7586(2011)06－0054－03

生態(tài)系統(tǒng)作為一個開放的生命系統(tǒng)，對其結(jié)構(gòu)和功能的分析應(yīng)采用“系統(tǒng)分析法”。所謂系統(tǒng)分析就是利用數(shù)學(xué)的概念和方法，采用系統(tǒng)科學(xué)的研究途徑來解決復(fù)雜的系統(tǒng)問題。具體地說是指把要解決的問題作為一個系統(tǒng)，根據(jù)系統(tǒng)的性質(zhì)和關(guān)系，在明確系統(tǒng)的邊界后，對系統(tǒng)要素進(jìn)行綜合分析，分析系統(tǒng)組成要素、層次結(jié)構(gòu)以及各組分間相互影響的定量關(guān)系，建立系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，優(yōu)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，實行系統(tǒng)調(diào)控，實現(xiàn)優(yōu)化系統(tǒng)功能，進(jìn)而找出解決問題的分析方法。用系統(tǒng)分析方法研究生態(tài)系統(tǒng)各部分的相互聯(lián)系及其整體功能已成為生態(tài)學(xué)研究的發(fā)展趨勢。因此，在高考復(fù)習(xí)備考中只有深刻領(lǐng)悟系統(tǒng)分析的方法和思想，才能更好地把握生態(tài)系統(tǒng)這個生命系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)內(nèi)部及其與外界環(huán)境之間進(jìn)行的物質(zhì)交換、能量流動和信息傳遞的功能。

高中階段對于生態(tài)系統(tǒng)的系統(tǒng)分析涉及到定性分析和定量研究兩個階段。下面結(jié)合實例介紹“系統(tǒng)分析方法”在生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能分析的應(yīng)用。

1 定性分析

定性分析包括劃分系統(tǒng)邊界、確定系統(tǒng)組分、分析系統(tǒng)結(jié)構(gòu)層次、明確問題及研究目標(biāo)。邊界指系統(tǒng)的范圍，生態(tài)系統(tǒng)的范圍可大可小，其中最大的生態(tài)系統(tǒng)是生物圈，研究生態(tài)系統(tǒng)時可根據(jù)研究的需要劃定范圍、生態(tài)系統(tǒng)組成成分，即生產(chǎn)者、消費者、分解者組成的生物成分和非生物的物質(zhì)和能量組成的無機(jī)環(huán)境；結(jié)構(gòu)包括時空結(jié)構(gòu)和營養(yǎng)結(jié)構(gòu)。

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

(1)該生態(tài)系統(tǒng)共有______條食物鏈。

(2)如果該生態(tài)系統(tǒng)中能量傳遞效率平均為10％，那么若第一營養(yǎng)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(yǎng)級的食物鏈有____條。

(4)蛇和鷹的關(guān)系是______________。

(5)要使生態(tài)系統(tǒng)完整，還需要增加的成分是______________。

解析：此題考查生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及分析。生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)包括生態(tài)系統(tǒng)的成分和營養(yǎng)結(jié)構(gòu)(食物鏈和食物網(wǎng))。食物鏈?zhǔn)窃谝粋€生態(tài)系統(tǒng)中，各種生物通過食物關(guān)系而建立的一種聯(lián)系。由于各種生物食性復(fù)雜性致使各種生物在一個生態(tài)系統(tǒng)中彼此交錯聯(lián)系形成復(fù)雜的食物網(wǎng)。在題中生態(tài)系統(tǒng)中，各種生物通過食物關(guān)系建立的食物網(wǎng)如圖1所示。

計算食物鏈的數(shù)目，一定要從生產(chǎn)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(wǎng)共有8條食物鏈；獲得最大能量要根據(jù)最短的食物鏈計算，即植物一鼠一鷹，如果該生態(tài)系統(tǒng)中能量傳遞效率平均為10％，若第一營養(yǎng)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(guān)系不同，蛇吃食蟲鳥或鼠等時與鷹的關(guān)系為競爭，鷹吃蛇時為捕食關(guān)系；完整的生態(tài)系統(tǒng)包括生產(chǎn)者、消費者、分解者生物成分和非生物的物質(zhì)和能量。

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

2 定量分析

定量分析是基于數(shù)學(xué)工具進(jìn)行定量研究各組分間的影響關(guān)系、建立系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的過程。生態(tài)系統(tǒng)都是開放系統(tǒng)，系統(tǒng)與環(huán)境之間具有物質(zhì)、能量和信息的交流，兩者相互聯(lián)系、相互影響，共同組成一個統(tǒng)一的整體。每個生態(tài)系統(tǒng)都具有一定的自動調(diào)節(jié)能力，在不斷變化的環(huán)境條件下，依靠自我調(diào)節(jié)機(jī)制維持其穩(wěn)態(tài)，實現(xiàn)

物質(zhì)循環(huán)和能量流動的相對穩(wěn)定，最后達(dá)到生態(tài)平衡狀態(tài)。通過對生態(tài)系統(tǒng)功能的定量分析，便于把握其變化規(guī)律。

【例2】在生態(tài)系統(tǒng)中，生產(chǎn)者通過光合作用固定的能量稱為總初級生產(chǎn)量。生產(chǎn)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(fā)育和繁殖，這部分能量稱為凈初級生產(chǎn)量。表2列出四個生態(tài)系統(tǒng)中總初級生產(chǎn)量與總?cè)肷淙展饬俊⑸a(chǎn)者呼吸消耗量與總初級生產(chǎn)量的比值。

(1)四個生態(tài)系統(tǒng)中，光能利用效率最高的是______________，總初級生產(chǎn)量轉(zhuǎn)化為凈初級生產(chǎn)量比例最高的生態(tài)系統(tǒng)是______________。

(2)圖2表示草原生態(tài)系統(tǒng)中具有食物關(guān)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(nèi)繪制由甲、乙、丙、丁四個種群形成的食物網(wǎng)簡圖。

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

解析：(1)生態(tài)系統(tǒng)對太陽能的利用率等于總初級生產(chǎn)量／總?cè)肷淙展饬浚鶕?jù)表中數(shù)據(jù)可知光能利用效率最高的是玉米田；生產(chǎn)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(fā)育和繁殖，這部分能量稱為凈初級生產(chǎn)量。結(jié)合表中數(shù)據(jù)總初級生產(chǎn)量轉(zhuǎn)化為凈初級生產(chǎn)量比例最高的生態(tài)系統(tǒng)應(yīng)該是生產(chǎn)者呼吸消耗／總初級生產(chǎn)量最小的荒地。

(2)食物網(wǎng)是在一個生態(tài)系統(tǒng)中各種食物鏈彼此交錯連接構(gòu)成的復(fù)雜網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。而典型的食物鏈?zhǔn)怯猩a(chǎn)者和各級消費者構(gòu)成的捕食鏈，分解者不參與捕食鏈構(gòu)成。這樣根據(jù)生態(tài)系統(tǒng)能量流動沿著食物鏈逐級遞減，傳

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

(3)能量流經(jīng)某一營養(yǎng)級時，從系統(tǒng)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(fā)育和繁殖，這部分能量可以傳遞給下一個營養(yǎng)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(yǎng)級，它所同化的能量不再往下一營養(yǎng)級傳遞。

答案：(1)玉米田 荒地

(2)

變式訓(xùn)練：

1 近年來在防治稻田蟲害方面進(jìn)行了多種嘗試，如①構(gòu)建稻－萍－魚生態(tài)系統(tǒng)，在該系統(tǒng)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(nèi)的藍(lán)藻固氮可促進(jìn)紅萍和水稻生長；②培育轉(zhuǎn)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(zhì)，引來天敵消滅害蟲，科學(xué)家稱之為稻田三重營養(yǎng)關(guān)系。

根據(jù)上述材料，請回答下列問題：

(1)指出在稻－萍－魚生態(tài)系統(tǒng)中存在哪些種間關(guān)系。(各舉一例)

______________

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

(3)轉(zhuǎn)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(tài)系統(tǒng)的能量流動圖(不考慮與人的聯(lián)系)。

2 某研究小組的同學(xué)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(huán)境因素，結(jié)果見表3。根據(jù)所得數(shù)據(jù)回答問題：

(1)根據(jù)調(diào)查結(jié)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(guān)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(fā)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(diào)查地點的生態(tài)系統(tǒng)，用箭頭畫出該生態(tài)系統(tǒng)能量流動的模型。

變式訓(xùn)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(lán)藻共生

(2)化學(xué)

(3)昆蟲會進(jìn)化(或產(chǎn)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(yǎng)分供樹木生長

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

總之，系統(tǒng)分析法的本質(zhì)是一種根據(jù)客觀事物所具有的系統(tǒng)特征，從事物的整體出發(fā)，分析整體與局部、部分與部分、整體與外部環(huán)境之間的相互關(guān)系的現(xiàn)代科學(xué)方法。在“穩(wěn)態(tài)與環(huán)境”模塊中的“描述群落的結(jié)構(gòu)特征”、“討論某一生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)”、“闡明群落的演替”、“分析生態(tài)系統(tǒng)中的物質(zhì)循環(huán)和能量流動的基本規(guī)律及其應(yīng)用”、“闡明生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性”、“探討人口增長對生態(tài)環(huán)境的影響”、“關(guān)注全球性環(huán)境問題”等知識點，以及“調(diào)查當(dāng)?shù)刈匀蝗郝渲腥舾煞N生物的生態(tài)位”、“調(diào)查或探討一個農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)中的能量流動”、“調(diào)查當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境中的主要問題，提出保護(hù)建議或行動計劃”等活動中，都滲透和利用系統(tǒng)分析的思想和方法。學(xué)生學(xué)習(xí)這部分內(nèi)容和復(fù)習(xí)備考時，教師要引導(dǎo)學(xué)生靈活運用。