“生態系統的能量流動”教學中的難點剖析

吳曉菲

摘 要： 生態系統的能量流動是現行人教版生物必修3“穩態與環境”中的重難點內容，學生對于書本內容的分析和知識的理解存在疑問和偏差，作者整理了教學中常見的幾個基本概念的疑難點并進行剖析，對學生容易混淆的知識點進行了表述，并就能量流動過程中涉及的相關計算進行梳理。

關鍵詞： 能量流動 太陽能 固定 流入

“生態系統的能量流動”是現行人教版“生物必修3穩態與環境”中一節重要的教學內容。經過高三一年的教學，我發現學生對于教材中能量流動的過程和概念很模糊，對于計算很迷惑，書本上的相關概念表述過于精簡，示意圖卻較為復雜，導致學生在學習內容的分析和知識的理解上很難到位，需要教師在授課中對教材中的一些內容進行進一步的組合并加深分析，使學生能較深刻地理解能量流動的相關原理，更好地培養和提高學生分析和推理的能力。下面我就“生態系統的能量流動”這節教學中學生常出現混淆的一些疑難點進行分析。

一、幾個基本概念的疑難點分析

1.流動的能量都來自于太陽能么？

人教版生物必修3第94頁描述：地球上幾乎所有的生態系統所需要的能量都來自太陽。這里的“幾乎所有”不代表全部，譬如海底熱泉生態系統，需要的能量來自于能進行化能合成作用的微生物，主要微生物就是硫細菌，所以不能認為所有生態系統能量的來源都是太陽能。當然以太陽能為主要輸入方式的生態系統，也不能認為其能量只來自于太陽能，比如城市生態系統，由于生產者較少，為了維持生態系統的相對穩定，就需要有額外的能量輸入，因此在這種人類作用占主導的生態系統中，流經的總能量就不僅僅是太陽能。

2.怎樣理解生產者固定的太陽能？

太陽每天輸送到地球的能量大約為1×10■kJ。這些能量絕大部分都被地球表面的大氣層吸收、散射和反射掉了，大約只有1%以可見光的形式，被生態系統的生產者通過光合作用轉化成為化學能，固定在它們所制造的有機物中。這里所說的“固定”的含義該如何理解？是否就是生產者同化的能量呢？有些資料習題中出現“初級總生產量”，這個概念與固定的能量又是什么關系呢？根據我們對生產者的概念的理解，生產者是自養生物，能夠將無機物在體內合成有機物，絕大多數情況下是指綠色植物，綠色植物是沒有糞便產生的，那么對生產者來說，通過光合作用固定的太陽能最終都會儲存在其體內的有機物中，所以“固定”即為“同化”。有些資料習題中出現的“初級總生產量”實際上就是指生產者光合作用制造的有機物的量，從能量的角度理解，也就是指固定的能量。因而，對生產者綠色植物來說，“固定量”，“同化量”，“初級總生產量”，在計算時，可以進行概念轉化，看做是同一個數值。

3.流入第二營養級的能量是否就是第二營養級攝入的能量？

在人教版全日制必修第二冊老教材中，關于能量在各營養級間流動的描述是“輸入第一營養級的能量，一部分在生產者的呼吸作用中以熱能的形式散失了，一部分則用于生產者的生長、發育和繁殖，也就是儲存在構成植物體的有機物中。在后一部分能量中，一部分隨著植物遺體和殘枝敗葉等被分解者分解而釋放出來，還有一部分則被初級消費者——植食性動物攝入體內。被植食性動物攝入體內的能量，有一小部分存在于動物排出的糞便中，其余大部分則被動物體所同化。這樣，能量就從第一營養級流入第二營養級”。在新教材人教版“必修3穩態與環境”第94頁中描述“輸入第一營養級的能量，一部分在生產者的呼吸作用中以熱能的形式散失了，一部分用于生產者的生長、發育和繁殖，儲存在植物體的有機物中。構成植物體的有機物中的能量，一部分隨著殘枝敗葉等被分解者分解而釋放出來；另一部分則被初級消費者攝入體內，這樣，能量就流入了第二營養級”。新老教材中的“流入“怎么理解？是攝入的意思么？與同化有什么樣的聯系？

根據老教材的說法“被植食性動物攝入體內的能量，有一小部分存在于動物排出的糞便中，其余大部分則被動物體所同化。這樣，能量就從第一營養級流入第二營養級”，強調了“流入”應該是指被第二營養級同化的能量；新教材中，沒有用語言強調攝入體內的能量被動物體同化的過程，直接說“構成植物體的有機物中的能量，一部分隨著殘枝敗葉等被分解者分解而釋放出來；另一部分則被初級消費者攝入體內，這樣，能量就流入了第二營養級”。學生認為“攝入”即為“流入”，在后面理解同化的能量和糞便的能量時便會出現疑惑。筆者認為教師在教學過程中，應該繼續沿用老教材的說法，給學生進行解釋，讓學生理解什么叫做流入，只要明白流入即為同化，那么在進行計算時就不會一頭霧水。

4.能量金字塔和數量金字塔是一樣的嗎？

人教版“必修3穩態與環境”提到：如果將單位時間內各個營養級所得到的能量數值，由低到高繪制成圖，可形成一個金字塔圖形，叫做能量金字塔。從圖形中可以看出，能量金字塔是上小下大型的，符合能量傳遞逐級遞減的特點。除了能量金字塔外，還可以按照每個營養級的生物個體數量為依據繪制數量金字塔，這種金字塔一般情況下可清楚地表明各營養級由下而上數目逐漸減少的規律，但是由于生物個體的大小不同，生物個體的代謝效率有差別，因此一個營養級的生物數量多并不意味著其固定的能量一定比另一個生物數量較少的營養級固定的能量多。如成千上萬個昆蟲以一株大樹為生，在這個生態系統中，生產者大樹是第一營養級，消費者昆蟲是第二營養級，前者的生物數量遠遠小于后者的生物數量，是一個典型的上大下小的倒金字塔形的生態數量錐體?？梢?，數量金字塔有時可能是倒置的，但這并不意味著高營養級固定的能量大于低營養級固定的能量，我們在教學時應充分說明這一點。

二、有關能量流動的計算問題

能量流動涉及的計算是重難點，理解能量流動計算的前提是對人教版“必修3穩態與環境”第94頁能量流經第一營養級和第二營養級的過程要理解，對94頁生態系統能量流動示意圖的箭頭含義要明確，同時，對95頁林德曼所做的賽達伯格湖的能量流動圖解的數字關系要清楚。解決了書本上這三個圖解問題，能量流動的相關計算問題就能迎刃而解。

人教版“必修3穩態與環境”94頁在談及輸入第一營養級的能量時，提到了四個“一部分”。對這四個“一部分”可以分兩個層次來看。首先，將輸入第一營養級的能量分兩部分來看：一部分在生產者的呼吸作用中以熱能的形式散失了，一部分用于生產者的生長、發育和繁殖，儲存在植物體的有機物中。也就是說，“呼吸作用中以熱能的形式散失的能量”與“用于生產者的生長、發育和繁殖即儲存在植物體的有機物中的能量”是并列關系，且都來自于生產者固定的太陽能。其次，構成植物體的有機物中的能量中分為兩部分：一部分隨著殘枝敗葉等被分解者分解而釋放出來，另一部分則被初級消費者攝入體內，這樣，能量就流入了第二營養級。即“上一級中儲存在有機物中的能量”，又分了兩個部分：隨殘枝敗葉被分解者分解釋放的能量和流入第二營養級的能量（即被第二營養級同化的能量），以圖解形式可以這樣表示：

能量流經第二營養級時，書本給出了示意圖5-6：根據對圖示的理解，初級消費者由于是植食性動物，會有糞便產生，因此攝入的能量去掉糞便中所含的能量才為同化的能量，同化的能量同樣是分了兩部分去向，在用于生長發育和繁殖的能量中，也分了兩部分去向，這就與圖1分析的能量流動對應起來，所以每一營養級同化的能量實際上都可以按照這樣的去向分析。對應課本圖5-7：生態系統能量流動示意圖，每一營養級同化的能量都有三個去向：①流入下一營養級（或下一營養級同化）；②呼吸作用散失；③流向分解者。這就為能量流動的計算問題提供了參考。

當然，在能量流動計算時，要考慮“定量不定時”和“定量定時”，若定量定時，則要考慮未利用的能量，若定量不定時，則不需要考慮“未利用的能量”。例如在林德曼所做的賽達伯格湖的能量流動過程中，屬于定量定時分析：每一年，每一營養級同化量的去向就可以分為以下四個方向：①流入下一營養級（下一營養級同化）；②呼吸作用散失；③流向分解者；④未利用。在計算的時候，可以將這四個數值相加，得到的和便是該營養級同化的總能量。按照這一方法，我們可以對林德曼的賽達伯格湖的能量流動進行定量定時的計算：

由圖中可知，生產者固定的太陽能為464.6J/（cm■·a），按照定時定量計算來看，這一能量有四個去向：流向分解者的能量：12.5J/（cm■·a）；流入下一營養級的能量（下一營養級同化量）：62.8J/（cm■·a）；生產者自身呼吸作用散失的能量：96.3J/（cm■·a）；生產者未被利用的能量：293J/（cm■·a）。這四項數據相加之和恰好等同于生產者固定的太陽能的總量464.6J/（cm■·a）。按照這一方法，植食性動物和肉食性動物的能量流動的數值都符合這一公式。在植食性動物同化的62.8J/（cm■·a）的能量中，有2.1J/（cm■·a）流向分解者，有12.6J/（cm■·a）被肉食性動物同化，有18.8J/（cm■·a）通過呼吸作用以熱能的形式散失，還有29.3J/（cm■·a）未被利用。故同化的能量也有四個去向。對肉食性動物而言，因為是最高營養級，所以其同化的能量（12.6J/（cm■·a））中沒有了流入更高營養級的能量，只有被分解者利用的，自身呼吸作用消耗的和未被自身利用的能量，故所同化的能量只有三個去向。根據以上分析，我們看看一道例題：

例：如圖是某湖泊生態系統能量流動的定量分析圖解。圖中A、B、C代表三個營養級，數字均為實際測得的能量數，單位為百萬千焦。已知該生態系統受到的太陽輻射為118872百萬千焦，但其中118761百萬千焦的能量未被利用。請回答：

（節選）能量從第一營養級到第二營養級的轉化效率為？搖？搖？搖？搖%，從第二營養級到第三營養級效率為？搖？搖？搖？搖%。

根據所給數據進行計算：流經該生態系統的總能量為118872-118761=111百萬千焦，該部分是生產者所固定的總能量。A到B的能量轉化效率為15.0/111x100%≈13.5%，從B到C的能量轉化效率為3.0/15.0x100%=20%。

我們從圖中也可以看到流經該生態系統的總能量按照定量定時計算公式，111百萬千焦恰好等于其流向分解者的3.0百萬千焦、流入初級消費者的15.0百萬千焦、生產者自身呼吸消耗的51.5百萬千焦和未利用的41.5百萬千焦這四者之和。

根據以上分析可以較好地理解“生態系統”食物鏈中，相鄰兩營養級之間的能量傳遞效率是指高營養級生物同化的能量占低營養級生物同化能量的百分比，就容易理解生態系統能量流動的特點中“逐級遞減”的原因。又因為生態系統中的生物將熱能固定為有機物中的化學能，所以可以比較容易地推知能量“單向流動”的特點。

能量流動在生態系統的功能中屬于重難點，也是學生容易混淆知識點、產生錯誤計算的章節，如何將課本簡單的表述轉化為學生能理解的內容，需要教師在平時教學中多鉆研教材，多接觸習題。在講授過程中，要逐級分析，并結合圖形公式，加深學生對知識的理解，只要梳理好能量流動的去向和組成，相關問題就會迎刃而解。

參考文獻：

[1]蘇智先，王仁卿.生態學概論[M].北京：高等教育出版社，1993.

[2]丁傅.“生態系統的能量流動”教學中幾個難點的思考分析[J].中學生物學，2012（6）.