構建以“同化量”為主體的概念模型

沈兆瑞

(天津市武清區楊村第一中學 天津 301700)

能量是高中生物學教學中的核心概念，一切生命活動都伴隨著能量的變化。能量流動作為生態系統的主要功能之一，也是教學的重難點。想要研究能量在生態系統中的流動過程，首先要引入能夠代表能量的具體概念和相關參數。對此，不同版本教材給出類似的概念，如浙科版的“初級生產量”，北師大版和人教版的“同化量”等。本文將以“同化量”為主體，構建概念模型對能量流動進行分析。

在構建模型之前，先明確“同化量”的概念。“同化量”是指生物從外界環境中獲得的能量。對于生產者而言，它指光合作用所固定的太陽能；對于消費者而言，它指消化后吸收的能量；對于分解者而言，它指從細胞外吸收的能量[1]。研究能量流動實際上就是分析生態系統各組分同化量的來源和去處，并進一步對其定量分析。

能量流動的過程比較抽象，因此本章節多以概念圖的方式呈現，對概念圖的識別、區分和理解是學生所面臨的主要難點。針對上述問題，筆者對不同版本教材及相關概念圖進行總結，并將其歸為兩類： ①單個營養級的概念模型，著重體現同化量的來源和去處；②多個營養級的概念模型，著重于體現能量流動的特點和用于定量分析。

1 單個營養級的概念模型

構建單個營養級的概念模型旨在闡明該營養級同化量的來源與去處，這也是研究能量流動過程的第一步。如圖1所示，初級消費者的同化量等于攝入量減去糞便量，也就是其消化吸收的能量。這部分能量可初步分為兩個去處： 除去呼吸作用散失，其余能量用于自身的生長、發育和繁殖。后者繼續流向兩個去處，分別流入下一營養級和分解者。

圖1 能量流經第二營養級示意圖

針對單個營養級的概念模型，可提出如下問題,加深學生對相關概念的理解： ①初級消費者糞便中的能量應屬于哪個營養級？(生產者，以區分“攝入”和“同化”概念)；②上述糞便中的能量屬于生產者同化量的哪一去處？(流向分解者，幫助學生了解能量流向分解者的兩條途徑： 遺體殘骸和糞便)；③能量流入次級消費者和被次級消費者攝入有何區別？(流入下一營養級相當于被其同化，以區分“流入”和“被攝入”概念)。

2 多個營養級的概念模型

將單營養級的模型進行簡化和重組后，即為多個營養級的概念模型(圖2)。與前者不同，多營養級模型側重于對生態系統各環節(多個營養級)同化量的整體展示。該模型能直觀體現能量流動的特點，單向流動和逐級遞減的原因在此圖中一目了然。

圖2 能量流經多個營養級示意圖

那么，如何區分上述兩種概念模型呢？兩者的側重點不同，單營養級模型注重同化量的來源和去處，而多營養級模型簡化了細節，更注重整體。具體表現為： ①多營養級模型簡化了來源，圖2中無“攝入”和“糞便”相關概念，而直接引入“同化”和“流入”；②多營養級模型簡化了去處，圖2中無“用于自身生長、發育和繁殖”，而直接將之細化為流向下一營養級和分解者。

3 能量傳遞效率的定量分析

在定性描述的基礎上，可進一步對能量流動進行定量分析，如人教版教材中的“賽達伯格湖的能量流動圖解”。該圖屬于多營養級概念模型，并增加了“未利用”的概念，它指在一段時間內，未被自身呼吸消耗，且尚未被下一營養級或分解者利用的能量。舉例說明： ①某時刻生物體內所蘊含的有機物中的化學能；②若干年前形成的化石燃料(煤或石油等)中的化學能，均屬于未利用的能量。“未利用”體現出定量分析受“時間”因素的限制，在實際測算中意義重大，不可或缺。

通過對各營養級同化量的定量分析，可計算相鄰兩個營養級的能量傳遞效率，常見公式如下： 能量傳遞效率=該營養級的同化量/上一營養級的同化量×100%。然而，該公式在復雜情景下的適用度還有待商榷，下文將以人工魚塘為例，深入剖析。

例： 人工魚塘是一種異養生態系統，輸入該生態系統的總能量為生產者固定的太陽能和有機物輸入的化學能之和。據圖3分析，①第二營養級和第三營養級的同化量分別為J/cm2·a，②第二、三營養級之間的能量傳遞效率為%。

首先，分析同化量的來源和去處(表1)。得到兩個營養級的同化量之后，能否直接套用上述公式來表示第二、三營養級之間的傳遞效率呢？答案是否定的，人工有機物的輸入無疑使該問題變得復雜起來。

圖3 人工魚塘能量流動示意圖(單位： J/cm2·a)

表1 同化量的來源和去處分析

解決問題的要點在于厘清概念，第二、三營養級之間的能量傳遞依賴于捕食關系，因此，只應考慮能量在食物鏈傳遞過程中的效率。就本題而言，肉食性動物同化量的來源有兩個，上一營養級流入(2.5)和有機物輸入(5)，其中通過食物鏈傳遞的能量只有前者(2.5)。確定公式中的分子后，分母該如何選擇呢(14還是16)？是否需要排除有機物輸入(2)的能量呢？問題依然撲朔迷離。

其實，只要換個角度，問題將迎刃而解。若從單個營養級的概念模型來分析，能量傳遞效率的實質就是流入下一營養級的能量占同化量的比例，該比值是能量在食物鏈中的傳遞效率的直觀體現。設計公式如下： 能量傳遞效率=流入下一營養級的能量/該營養級的同化量×100%。本題中，第二營養級的同化量為16，其中流入下一營養級的為2.5，所以第二、三營養級之間的傳遞效率約為2.5/16×100%=15.6%。