“生态系统的能量流动”教学中几个难点的思考分析

丁傅

在现行人教版高级中学生物学必修三“稳态和环境”中，“生态系统的能量流动”既是重点又是难点。但，教材中介绍能量流动的篇幅过于精简，示意图却较复杂，学生在内容的分析和知识的理解上很难倒位。在平时的有关能量流动的图例的分析和计算也是学生经常出现障碍。而教材中并未就这些问题深究。所以教师在授课中需要对教材中的一些内容进行进一步地组合和加深分析，使学生能较深刻地理解能量流动的相关原理，更好地培养学生分析和推理的能力。

能量流动的过程和特点是这节内容的重点和难点。教材对其过程的分析较简略。而将能量流动的过程分析透彻，对有关生态问题的分析具有重要的指导意义。

1、能量来源和能量输入的分析

教材中提到：“地球上几乎所有的生态系统所需要的能量都来自太阳。”部分学生对此不甚理解。这是因为在必修一“光合作用”部分，对化能合成作用叙述得非常简略，学生已印象不深或忘记。所以教师可适当回顾：正是因为极为少数的生态系统可以化能自养型微生物的合成作用，利用无机物氧化过程中放出的化学能。例如，前苏联的科学家乘深海潜水艇进入到太平洋马里亚纳海沟，在10916m深处发现了独立于陆地上光合作用之外的生态系统：细菌取代了植物成为深海生物链中最低的一环。它们从海底温泉水流中的矿物质中获取能量，成为深海生物生存的基础。除此外，地球上几乎所有的生态系统都依靠太阳能而存在。因此说，太阳能是几乎所有生态系统的能量的来源。

能量流动几乎都是从绿色植物(生产者)光合作用固定太阳能开始的(极少数的生态系统除外)。通过光合作用，可以把其他生物不能利用的太阳转化成可以利用的化学能，储存在有机物中，使得太阳能从无机环境进入生物群落，供生产者、消费者、分解者利用。所以绿色植物通过光合作用固定的太阳能就是输入生态系统的总能量，也是生态系统的第一营养级获得的能量。当然太阳能只有极少的部分输入生态系统，大部分被大气层吸收、散射或反射，即使照在叶片上也不能全部转化。

2、能量在食物链各环节中传递的分析

教材中给出了两幅图例来辅助叙述(见教材第94页)。这两幅图例是经常需要学生分析的。所以需要对其进行较详细的分析。这是一个学习的重点和难点，需要教师进行突破：

(1)明确相关的概念。几个难以区分的概念是学生必须明确的，比如摄入量、同化量、粪便量等。为了帮助学生有效地理解这些概念。笔者采用了“情景展示(吃草的牛排出粪便，粪便被屎壳郎利用)——分组合作探究——引导”的教学过程。让学生探讨“牛吃入肚的草中的能量会不会全部被牛吸收转化成牛自身的能量?牛粪便中是否含有能量?牛粪能量的归属?牛的摄入量与同化量是否相同。它们又是什么关系?牛粪的能量去路?”等一系列问题。最终明确：①摄入量、同化量、粪便量的概念；②摄入量＝同化量＋粪便量；③牛粪中能量不属于牛，是草(上一个营养级)中能量的一部分，最终被分解者利用；④牛的同化量才是牛真正获得的能量。

(2)分析教材中图例。学生对教材中的“能量流经第二营养级的示意图”的分析比较困难，笔者在多媒体课件中适当地对图例进行了简化处理，帮助学生更好地分析。

首先让学生分析原图，经讨论得出：初级消费者同化的能量才是初级消费者获得的能量；初级消费者的粪便的能量属于上一个营养级(可以归属到上一个营养级的流向分解者的能量中去)。从简化后的图中，学生能很容易地分析出初级消费者同化的能量有3条去路，即：①经呼吸作用以热能形式散失；②被分解者利用；③流向下一个营养级。同时与教材中第二幅图例“生态系统能量流动示意图”建立很好的联系。前者是后者中一个环节中的能量转换的具体图例。学生通过分析第二幅图例，也能很快地得出能量沿着食物链流动时是单向流动、逐级递减的结论并找到原因。也能分析出生态系统中能量最终都是以热能形式散失的，所以需要不断的输入太阳能，才能维持生态系统的运转。

教材中还涉及了美国生态学家林德曼对赛达伯格湖能量流动进行了定量分析图例。首先，给学生简单介绍林德曼的研究背景。让学生分析图例，并找出与第二幅图例间的区别和联系。

通过对比分析，学生发现“赛达伯格湖的能量流动图解”与“生态系统能量流动示意图”相比，每个营养级的能量去路有4条，多出一条“未被利用”。针对学生的疑惑，教师与学生一起探讨两幅图例对能量流动的分析方法的区别。

“生态系统能量流动示意图”中是进行定量不定时的分析。流入某一营养级的一定量的能量在足够长久的时间内去路有3条。但不管怎么传递，最终都以热能从生物群落中散失出去。

“赛达伯格湖的能量流动图解”中是进行定量、定时的分析。以某个营养级中一定量的能量在一段时间内(比如一年)的能量流向分析。在这段时间内，这一营养级中的生物总有相当部分个体中能量没有被自身呼吸消耗，未流入下一营养级，也未被分解者利用，而是储存在活体的体内有机物中“未被利用”。如以年为单位，“未被利用”的能量会保留至下一年。但从长远时间来看：“未被利用”的能量仍然将通过另外3个去路传递，最终散失。所以无论3个去路或是4个去路是不矛盾的。一个稳定的生态系统在长期来看，能量的输入和传递、散失是平衡的。3能量传递效率的计算和分析

(1)能量传递为什么没有达到100％，教材中没有直接给出答案，但笔者让学生通过对“赛达伯格湖的能量流动图解”重新整理数据，设计表格、分析数据之间关系，找到了原因，并计算出相关的传递效率值：

能量传递的效率＝上一营养级同化量/下一营养级同化量

两个营养级之间的传递效率大约10％～20％，但在不同生态系统中，总会因各种食物链的不同等因素而不同。例如上述赛达伯格湖中第一营养级到第二营养级的传递效率为13.5％，而第二营养级到第三营养级的传递效率却为20.1％。前者低后者高，这在其他的生态系统中相似。这是为什么?这个问题学生比较难回答。教师可以引导学生从食物的成分角度来考虑。学生经过思考讨论后，植物中的有较多的纤维索等成分不容易被植食动物消耗吸收；而动物体除毛发、骨骼等难消化分解外大都可以被更高营养级消化吸收。

(2)在探讨“为什么食物链一般不超过4～5个营养级?为什么一山容不得二虎?”等一类问题时，让学生通过计算来认识。假设第一营养级总能量100％，按最高效率20％计算，第n营养级所获得的能量只有1/5^n-1(如果按10％计算，公式为1/10^n-1)。由此可知，因为能量流动是逐级递减的，能量传到第4～5个营养级时，该营养级能传给下一个营养级的能量太少，不足以维持下一营养级的生存。

(3)在食物链或食物网中进行有关能量传递量的～tg分析时。有一些共通的分析思路可循的。教师可以让学生在分析计算时进行归类。例如：

①已知低营养级的同化量，估算高营养级最多(或者至少)获取的能量。需要从传递效率和食物链的营养级数等方面考虑，选择最大传递效率(按10％～20％)和最少营养级数(或者最小传递效率和最多营养级数)来计算。

②已知高营养级的同化量，估算最多(或者至少)消耗低营养级的能量，选择最小传递效率和最多营养级数(或者最大传递效率和最少营养级数)来计算。

③在对传递效率的理解上，要强调此传递效率是食物网中的某个营养级的全部生物个体同化的能量与上一个营养级的全部生物个体同化的能量的比值。

如果某种生物为杂食性的，也就是该生物同时处于不同的食物链上，需要将其不同来源的能量分别归入相对应的食物链中的营养级中去计算。将此类问题称为“能量分流问题”。

下面就几道例题进行解析：

【例1】图2表示某生态系统食物网的图解，猫头鹰体重每增加1 kg，至少消耗草约()

A.100 kgB.44.5 kg

C.25 kgD.15 kg

此题答案是c。根据关键词“至少消耗”，确定选择最大传递效率20％，营养级最少的食物链“草一田鼠一猫头鹰”(因为能量损耗少)进行计算：1÷20％÷20％＝25(kg)。

此题有一点要说明一下，那就是能量流动能否用体重来表示。笔者认为在能量流动中用体重表示是不恰当的。由于不同生物中含水量不同，有机物成分差异大，因此含的能量也差别大。所以生物体所含能量事实上不能用生物体质量来表示的。但在高中阶段，因为不需要那么精确，对这些差异进行了忽略。所以利用了生物体质量来代替能量。

【例2】(2004年上海高考题)如果一个人的食物有1/2来自绿色植物，1/4来自小型肉食动物，1/4来自羊肉，假如传递效率为10％，那么该人每增加1kg体重，约消耗植物()

A.10 kgB.28 kg

C.100 kgD.280 kg

此题答案是D。这是典型的“能量分流问题”。要根据题中描述写出食物网，再根据人的食物来源的不同比例，将人的1kg体重进行分配成1/2、1/4、1/4，分别归入不同的食物链中计算，最后将各个食物链中消耗的植物质量求和。

解答此类型的问题，还需注意是将高营养级的能量分配还是将低营养级能量进行分流。不然会导致结论错误。

学生在分析理解这些原理和掌握传递概率的分析计算后，也能自己来分析诸如教材的“问题探讨”栏目中的先吃鸡还是先吃玉米的问题了。

4、研究能量流动在实践意义

研究能量流动，可以帮人们科学规划、设计人工生态系统，使能量得到最有效利用，提高了能量的利用率。研究能量流动还可以帮助人们人们合理地调整生态系统中能量流动关系，使能量持续高效流向对人类最有益的部分。

在这部分内容的学习中，更多是让学生从生活实践的实例中去分析，例如，学校当地的农民每年都要焚烧秸秆，浓烟都给人们生活和健康带来危害。教师可以此为话题，参照教材中“调查”栏目，让学生讨论，对如何改变这种状况提出建议和策略。学生在讨论和总结中大多能利用自己所掌握的知识或原理来解决一些问题或提出建议。在讨论中甚至还能提出疑问并设法解决。例如：有学生提出：“生态系统中的分解者中能量有可能流向消费者吗?”在讨论和教师指导后，总结出这是有可能的，因为教材中的食物链只是捕食食物链，而在生态系统中还有腐生食物链的存在。生活中也有这样例子：人们利用棉子壳和麦秆等培养平菇等食用菌供人食用，其本身的能量也就流向人了，而这些食用菌就属于分解者。学生一旦主动参与到讨论和学习，往往会迸发出很大的潜力。这更有助于学生对所学内容的理解和应用。