生態(tài)系統(tǒng)的能量流動(dòng)金字塔模型

◆安徽省銅陵市實(shí)驗(yàn)高級(jí)中學(xué) 汪正強(qiáng)

安徽省銅陵市第二中學(xué) 谷菊貴

一、創(chuàng)作背景

生態(tài)系統(tǒng)的能量流動(dòng)是生態(tài)系統(tǒng)的三大功能之一，包括能量的輸入、傳遞、轉(zhuǎn)化和散失過(guò)程。本制作主要介紹如何構(gòu)建物理模型及利用該模型來(lái)解釋能量流動(dòng)的特點(diǎn)、能量流動(dòng)的去向及能量散失等情況，借助構(gòu)建出的模型正確地理解、解決相關(guān)的生態(tài)學(xué)問(wèn)題。

二、作品構(gòu)造

1.亞克力板圓環(huán)三塊。第一塊直徑20 cm，環(huán)長(zhǎng)3 cm，厚5 cm。第二塊直徑13.9 cm，環(huán)長(zhǎng)3 cm，厚5 cm。第三塊直徑7.8 cm，厚5 cm，中間開(kāi)一個(gè)小孔，孔徑為1.1 cm。

圖1 亞克力板圓環(huán)

2.將設(shè)計(jì)好的若干海報(bào)裁剪好后，分別粘貼于亞克力板的上、下面和側(cè)面。

3.高15 cm、直徑為1 cm的圓柱形小棒一根。

圖2 海報(bào)

三、模型的構(gòu)建與應(yīng)用效果

1.模型主體包括大、中、小三塊亞克力板。大號(hào)構(gòu)件正、反面均為圓環(huán)；中、小號(hào)構(gòu)件正面是圓環(huán)，反面是圓盤(pán)。將中號(hào)圓盤(pán)面朝上放入最大的圓環(huán)中，將最小的圓盤(pán)朝上放入中號(hào)圓環(huán)中。通過(guò)觀察發(fā)現(xiàn)，除了最高營(yíng)養(yǎng)級(jí)以外，一個(gè)營(yíng)養(yǎng)級(jí)同化的能量，若限量不限時(shí)分析，可以劃分為三個(gè)去向：呼吸散失、流向下一營(yíng)養(yǎng)級(jí)、流向分解者。

圖3 模型主體的組成部分

2.將構(gòu)件從上到下依次疊放，擺成金字塔形。很容易觀察到，生態(tài)系統(tǒng)的能量沿食物鏈單向流動(dòng)，即次級(jí)消費(fèi)者同化的能量直接來(lái)自初級(jí)消費(fèi)者，初級(jí)消費(fèi)者同化的能量直接來(lái)自生產(chǎn)者，所有營(yíng)養(yǎng)級(jí)的能量直接或間接來(lái)源于第一營(yíng)養(yǎng)級(jí)。換言之，輸入到一個(gè)生態(tài)系統(tǒng)的總能量即為生產(chǎn)者固定的太陽(yáng)能總量。

另外，從模型側(cè)面觀察，我們會(huì)發(fā)現(xiàn)能量流動(dòng)的第二個(gè)特點(diǎn)：逐級(jí)遞減，因?yàn)閺南峦峡锤鳂?gòu)件的體積（間接表示各同化的能量值）越來(lái)越小。依此特點(diǎn)和規(guī)律，我們發(fā)現(xiàn)，營(yíng)養(yǎng)級(jí)越高所同化的總能量越少，當(dāng)能量足夠少時(shí)，便不足以繼續(xù)維持一個(gè)營(yíng)養(yǎng)級(jí)存在了。所以，自然界中食物鏈的長(zhǎng)度一般不會(huì)超過(guò)五個(gè)營(yíng)養(yǎng)級(jí)。

3.所有營(yíng)養(yǎng)級(jí)都存在呼吸散失量和流向分解者這兩部分去向，最高營(yíng)養(yǎng)級(jí)的能量去向較其他營(yíng)養(yǎng)級(jí)不存在流向下一營(yíng)養(yǎng)級(jí)這一部分。呼吸散失量指通過(guò)生物的呼吸作用，最終以熱能形式散失到環(huán)境中的能量值、流向分解者的這一部分能量通過(guò)分解者的分解作用，最終也以熱能的形式散失到環(huán)境中。

俯視該模型或按壓模型使高營(yíng)養(yǎng)級(jí)依次嵌入后再觀察，很容易發(fā)現(xiàn)輸入到一個(gè)生態(tài)系統(tǒng)的能量最終都以熱能形式散失到無(wú)機(jī)環(huán)境中。

圖5 模型俯瞰圖

四、創(chuàng)新點(diǎn)

1.將教材上的概念模型與數(shù)學(xué)模型的創(chuàng)新性轉(zhuǎn)化為物理模型，既直觀，操作性又強(qiáng)。

2.利用該模型能很好地展示能量的流動(dòng)過(guò)程、特點(diǎn)及規(guī)律。

3.一具多用，巧妙地突破與解釋了生態(tài)系統(tǒng)能量流動(dòng)的諸多難點(diǎn)。

圖4 模型主體效果圖