“生态系统的能量流动”教学中的难点剖析

吴晓菲

摘 要： 生态系统的能量流动是现行人教版生物必修3“稳态与环境”中的重难点内容，学生对于书本内容的分析和知识的理解存在疑问和偏差，作者整理了教学中常见的几个基本概念的疑难点并进行剖析，对学生容易混淆的知识点进行了表述，并就能量流动过程中涉及的相关计算进行梳理。

关键词： 能量流动 太阳能 固定 流入

“生态系统的能量流动”是现行人教版“生物必修3稳态与环境”中一节重要的教学内容。经过高三一年的教学，我发现学生对于教材中能量流动的过程和概念很模糊，对于计算很迷惑，书本上的相关概念表述过于精简，示意图却较为复杂，导致学生在学习内容的分析和知识的理解上很难到位，需要教师在授课中对教材中的一些内容进行进一步的组合并加深分析，使学生能较深刻地理解能量流动的相关原理，更好地培养和提高学生分析和推理的能力。下面我就“生态系统的能量流动”这节教学中学生常出现混淆的一些疑难点进行分析。

一、几个基本概念的疑难点分析

1.流动的能量都来自于太阳能么？

人教版生物必修3第94页描述：地球上几乎所有的生态系统所需要的能量都来自太阳。这里的“几乎所有”不代表全部，譬如海底热泉生态系统，需要的能量来自于能进行化能合成作用的微生物，主要微生物就是硫细菌，所以不能认为所有生态系统能量的来源都是太阳能。当然以太阳能为主要输入方式的生态系统，也不能认为其能量只来自于太阳能，比如城市生态系统，由于生产者较少，为了维持生态系统的相对稳定，就需要有额外的能量输入，因此在这种人类作用占主导的生态系统中，流经的总能量就不仅仅是太阳能。

2.怎样理解生产者固定的太阳能？

太阳每天输送到地球的能量大约为1×10■kJ。这些能量绝大部分都被地球表面的大气层吸收、散射和反射掉了，大约只有1%以可见光的形式，被生态系统的生产者通过光合作用转化成为化学能，固定在它们所制造的有机物中。这里所说的“固定”的含义该如何理解？是否就是生产者同化的能量呢？有些资料习题中出现“初级总生产量”，这个概念与固定的能量又是什么关系呢？根据我们对生产者的概念的理解，生产者是自养生物，能够将无机物在体内合成有机物，绝大多数情况下是指绿色植物，绿色植物是没有粪便产生的，那么对生产者来说，通过光合作用固定的太阳能最终都会储存在其体内的有机物中，所以“固定”即为“同化”。有些资料习题中出现的“初级总生产量”实际上就是指生产者光合作用制造的有机物的量，从能量的角度理解，也就是指固定的能量。因而，对生产者绿色植物来说，“固定量”，“同化量”，“初级总生产量”，在计算时，可以进行概念转化，看做是同一个数值。

3.流入第二营养级的能量是否就是第二营养级摄入的能量？

在人教版全日制必修第二册老教材中，关于能量在各营养级间流动的描述是“输入第一营养级的能量，一部分在生产者的呼吸作用中以热能的形式散失了，一部分则用于生产者的生长、发育和繁殖，也就是储存在构成植物体的有机物中。在后一部分能量中，一部分随着植物遗体和残枝败叶等被分解者分解而释放出来，还有一部分则被初级消费者——植食性动物摄入体内。被植食性动物摄入体内的能量，有一小部分存在于动物排出的粪便中，其余大部分则被动物体所同化。这样，能量就从第一营养级流入第二营养级”。在新教材人教版“必修3稳态与环境”第94页中描述“输入第一营养级的能量，一部分在生产者的呼吸作用中以热能的形式散失了，一部分用于生产者的生长、发育和繁殖，储存在植物体的有机物中。构成植物体的有机物中的能量，一部分随着残枝败叶等被分解者分解而释放出来；另一部分则被初级消费者摄入体内，这样，能量就流入了第二营养级”。新老教材中的“流入“怎么理解？是摄入的意思么？与同化有什么样的联系？

根据老教材的说法“被植食性动物摄入体内的能量，有一小部分存在于动物排出的粪便中，其余大部分则被动物体所同化。这样，能量就从第一营养级流入第二营养级”，强调了“流入”应该是指被第二营养级同化的能量；新教材中，没有用语言强调摄入体内的能量被动物体同化的过程，直接说“构成植物体的有机物中的能量，一部分随着残枝败叶等被分解者分解而释放出来；另一部分则被初级消费者摄入体内，这样，能量就流入了第二营养级”。学生认为“摄入”即为“流入”，在后面理解同化的能量和粪便的能量时便会出现疑惑。笔者认为教师在教学过程中，应该继续沿用老教材的说法，给学生进行解释，让学生理解什么叫做流入，只要明白流入即为同化，那么在进行计算时就不会一头雾水。

4.能量金字塔和数量金字塔是一样的吗？

人教版“必修3稳态与环境”提到：如果将单位时间内各个营养级所得到的能量数值，由低到高绘制成图，可形成一个金字塔图形，叫做能量金字塔。从图形中可以看出，能量金字塔是上小下大型的，符合能量传递逐级递减的特点。除了能量金字塔外，还可以按照每个营养级的生物个体数量为依据绘制数量金字塔，这种金字塔一般情况下可清楚地表明各营养级由下而上数目逐渐减少的规律，但是由于生物个体的大小不同，生物个体的代谢效率有差别，因此一个营养级的生物数量多并不意味着其固定的能量一定比另一个生物数量较少的营养级固定的能量多。如成千上万个昆虫以一株大树为生，在这个生态系统中，生产者大树是第一营养级，消费者昆虫是第二营养级，前者的生物数量远远小于后者的生物数量，是一个典型的上大下小的倒金字塔形的生态数量锥体。可见，数量金字塔有时可能是倒置的，但这并不意味着高营养级固定的能量大于低营养级固定的能量，我们在教学时应充分说明这一点。

二、有关能量流动的计算问题

能量流动涉及的计算是重难点，理解能量流动计算的前提是对人教版“必修3稳态与环境”第94页能量流经第一营养级和第二营养级的过程要理解，对94页生态系统能量流动示意图的箭头含义要明确，同时，对95页林德曼所做的赛达伯格湖的能量流动图解的数字关系要清楚。解决了书本上这三个图解问题，能量流动的相关计算问题就能迎刃而解。

人教版“必修3稳态与环境”94页在谈及输入第一营养级的能量时，提到了四个“一部分”。对这四个“一部分”可以分两个层次来看。首先，将输入第一营养级的能量分两部分来看：一部分在生产者的呼吸作用中以热能的形式散失了，一部分用于生产者的生长、发育和繁殖，储存在植物体的有机物中。也就是说，“呼吸作用中以热能的形式散失的能量”与“用于生产者的生长、发育和繁殖即储存在植物体的有机物中的能量”是并列关系，且都来自于生产者固定的太阳能。其次，构成植物体的有机物中的能量中分为两部分：一部分随着残枝败叶等被分解者分解而释放出来，另一部分则被初级消费者摄入体内，这样，能量就流入了第二营养级。即“上一级中储存在有机物中的能量”，又分了两个部分：随残枝败叶被分解者分解释放的能量和流入第二营养级的能量（即被第二营养级同化的能量），以图解形式可以这样表示：

能量流经第二营养级时，书本给出了示意图5-6：根据对图示的理解，初级消费者由于是植食性动物，会有粪便产生，因此摄入的能量去掉粪便中所含的能量才为同化的能量，同化的能量同样是分了两部分去向，在用于生长发育和繁殖的能量中，也分了两部分去向，这就与图1分析的能量流动对应起来，所以每一营养级同化的能量实际上都可以按照这样的去向分析。对应课本图5-7：生态系统能量流动示意图，每一营养级同化的能量都有三个去向：①流入下一营养级（或下一营养级同化）；②呼吸作用散失；③流向分解者。这就为能量流动的计算问题提供了参考。

当然，在能量流动计算时，要考虑“定量不定时”和“定量定时”，若定量定时，则要考虑未利用的能量，若定量不定时，则不需要考虑“未利用的能量”。例如在林德曼所做的赛达伯格湖的能量流动过程中，属于定量定时分析：每一年，每一营养级同化量的去向就可以分为以下四个方向：①流入下一营养级（下一营养级同化）；②呼吸作用散失；③流向分解者；④未利用。在计算的时候，可以将这四个数值相加，得到的和便是该营养级同化的总能量。按照这一方法，我们可以对林德曼的赛达伯格湖的能量流动进行定量定时的计算：

由图中可知，生产者固定的太阳能为464.6J/（cm■·a），按照定时定量计算来看，这一能量有四个去向：流向分解者的能量：12.5J/（cm■·a）；流入下一营养级的能量（下一营养级同化量）：62.8J/（cm■·a）；生产者自身呼吸作用散失的能量：96.3J/（cm■·a）；生产者未被利用的能量：293J/（cm■·a）。这四项数据相加之和恰好等同于生产者固定的太阳能的总量464.6J/（cm■·a）。按照这一方法，植食性动物和肉食性动物的能量流动的数值都符合这一公式。在植食性动物同化的62.8J/（cm■·a）的能量中，有2.1J/（cm■·a）流向分解者，有12.6J/（cm■·a）被肉食性动物同化，有18.8J/（cm■·a）通过呼吸作用以热能的形式散失，还有29.3J/（cm■·a）未被利用。故同化的能量也有四个去向。对肉食性动物而言，因为是最高营养级，所以其同化的能量（12.6J/（cm■·a））中没有了流入更高营养级的能量，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个去向。根据以上分析，我们看看一道例题：

例：如图是某湖泊生态系统能量流动的定量分析图解。图中A、B、C代表三个营养级，数字均为实际测得的能量数，单位为百万千焦。已知该生态系统受到的太阳辐射为118872百万千焦，但其中118761百万千焦的能量未被利用。请回答：

（节选）能量从第一营养级到第二营养级的转化效率为？摇？摇？摇？摇%，从第二营养级到第三营养级效率为？摇？摇？摇？摇%。

根据所给数据进行计算：流经该生态系统的总能量为118872-118761=111百万千焦，该部分是生产者所固定的总能量。A到B的能量转化效率为15.0/111x100%≈13.5%，从B到C的能量转化效率为3.0/15.0x100%=20%。

我们从图中也可以看到流经该生态系统的总能量按照定量定时计算公式，111百万千焦恰好等于其流向分解者的3.0百万千焦、流入初级消费者的15.0百万千焦、生产者自身呼吸消耗的51.5百万千焦和未利用的41.5百万千焦这四者之和。

根据以上分析可以较好地理解“生态系统”食物链中，相邻两营养级之间的能量传递效率是指高营养级生物同化的能量占低营养级生物同化能量的百分比，就容易理解生态系统能量流动的特点中“逐级递减”的原因。又因为生态系统中的生物将热能固定为有机物中的化学能，所以可以比较容易地推知能量“单向流动”的特点。

能量流动在生态系统的功能中属于重难点，也是学生容易混淆知识点、产生错误计算的章节，如何将课本简单的表述转化为学生能理解的内容，需要教师在平时教学中多钻研教材，多接触习题。在讲授过程中，要逐级分析，并结合图形公式，加深学生对知识的理解，只要梳理好能量流动的去向和组成，相关问题就会迎刃而解。

参考文献：

[1]苏智先，王仁卿.生态学概论[M].北京：高等教育出版社，1993.

[2]丁傅.“生态系统的能量流动”教学中几个难点的思考分析[J].中学生物学，2012（6）.