构建以“同化量”为主体的概念模型

沈兆瑞

(天津市武清区杨村第一中学 天津 301700)

能量是高中生物学教学中的核心概念，一切生命活动都伴随着能量的变化。能量流动作为生态系统的主要功能之一，也是教学的重难点。想要研究能量在生态系统中的流动过程，首先要引入能够代表能量的具体概念和相关参数。对此，不同版本教材给出类似的概念，如浙科版的“初级生产量”，北师大版和人教版的“同化量”等。本文将以“同化量”为主体，构建概念模型对能量流动进行分析。

在构建模型之前，先明确“同化量”的概念。“同化量”是指生物从外界环境中获得的能量。对于生产者而言，它指光合作用所固定的太阳能；对于消费者而言，它指消化后吸收的能量；对于分解者而言，它指从细胞外吸收的能量[1]。研究能量流动实际上就是分析生态系统各组分同化量的来源和去处，并进一步对其定量分析。

能量流动的过程比较抽象，因此本章节多以概念图的方式呈现，对概念图的识别、区分和理解是学生所面临的主要难点。针对上述问题，笔者对不同版本教材及相关概念图进行总结，并将其归为两类： ①单个营养级的概念模型，着重体现同化量的来源和去处；②多个营养级的概念模型，着重于体现能量流动的特点和用于定量分析。

1 单个营养级的概念模型

构建单个营养级的概念模型旨在阐明该营养级同化量的来源与去处，这也是研究能量流动过程的第一步。如图1所示，初级消费者的同化量等于摄入量减去粪便量，也就是其消化吸收的能量。这部分能量可初步分为两个去处： 除去呼吸作用散失，其余能量用于自身的生长、发育和繁殖。后者继续流向两个去处，分别流入下一营养级和分解者。

图1 能量流经第二营养级示意图

针对单个营养级的概念模型，可提出如下问题,加深学生对相关概念的理解： ①初级消费者粪便中的能量应属于哪个营养级？(生产者，以区分“摄入”和“同化”概念)；②上述粪便中的能量属于生产者同化量的哪一去处？(流向分解者，帮助学生了解能量流向分解者的两条途径： 遗体残骸和粪便)；③能量流入次级消费者和被次级消费者摄入有何区别？(流入下一营养级相当于被其同化，以区分“流入”和“被摄入”概念)。

2 多个营养级的概念模型

将单营养级的模型进行简化和重组后，即为多个营养级的概念模型(图2)。与前者不同，多营养级模型侧重于对生态系统各环节(多个营养级)同化量的整体展示。该模型能直观体现能量流动的特点，单向流动和逐级递减的原因在此图中一目了然。

图2 能量流经多个营养级示意图

那么，如何区分上述两种概念模型呢？两者的侧重点不同，单营养级模型注重同化量的来源和去处，而多营养级模型简化了细节，更注重整体。具体表现为： ①多营养级模型简化了来源，图2中无“摄入”和“粪便”相关概念，而直接引入“同化”和“流入”；②多营养级模型简化了去处，图2中无“用于自身生长、发育和繁殖”，而直接将之细化为流向下一营养级和分解者。

3 能量传递效率的定量分析

在定性描述的基础上，可进一步对能量流动进行定量分析，如人教版教材中的“赛达伯格湖的能量流动图解”。该图属于多营养级概念模型，并增加了“未利用”的概念，它指在一段时间内，未被自身呼吸消耗，且尚未被下一营养级或分解者利用的能量。举例说明： ①某时刻生物体内所蕴含的有机物中的化学能；②若干年前形成的化石燃料(煤或石油等)中的化学能，均属于未利用的能量。“未利用”体现出定量分析受“时间”因素的限制，在实际测算中意义重大，不可或缺。

通过对各营养级同化量的定量分析，可计算相邻两个营养级的能量传递效率，常见公式如下： 能量传递效率=该营养级的同化量/上一营养级的同化量×100%。然而，该公式在复杂情景下的适用度还有待商榷，下文将以人工鱼塘为例，深入剖析。

例： 人工鱼塘是一种异养生态系统，输入该生态系统的总能量为生产者固定的太阳能和有机物输入的化学能之和。据图3分析，①第二营养级和第三营养级的同化量分别为J/cm2·a，②第二、三营养级之间的能量传递效率为%。

首先，分析同化量的来源和去处(表1)。得到两个营养级的同化量之后，能否直接套用上述公式来表示第二、三营养级之间的传递效率呢？答案是否定的，人工有机物的输入无疑使该问题变得复杂起来。

图3 人工鱼塘能量流动示意图(单位： J/cm2·a)

表1 同化量的来源和去处分析

解决问题的要点在于厘清概念，第二、三营养级之间的能量传递依赖于捕食关系，因此，只应考虑能量在食物链传递过程中的效率。就本题而言，肉食性动物同化量的来源有两个，上一营养级流入(2.5)和有机物输入(5)，其中通过食物链传递的能量只有前者(2.5)。确定公式中的分子后，分母该如何选择呢(14还是16)？是否需要排除有机物输入(2)的能量呢？问题依然扑朔迷离。

其实，只要换个角度，问题将迎刃而解。若从单个营养级的概念模型来分析，能量传递效率的实质就是流入下一营养级的能量占同化量的比例，该比值是能量在食物链中的传递效率的直观体现。设计公式如下： 能量传递效率=流入下一营养级的能量/该营养级的同化量×100%。本题中，第二营养级的同化量为16，其中流入下一营养级的为2.5，所以第二、三营养级之间的传递效率约为2.5/16×100%=15.6%。