湖北 孟大順

快問快答 突破難點
——生態(tài)系統(tǒng)的能量流動專題

湖北 孟大順

生態(tài)系統(tǒng)的能量流動這一部分內(nèi)容在教學中要求頗高，且能量流動的過程和特點是考試中的重點，也是難點?，F(xiàn)對這一專題中的一些細節(jié)進行分析，以期對同學們備考有所幫助。

1.能量的輸入或散失過程屬于能量流動的過程嗎？

屬于。生態(tài)系統(tǒng)中能量的輸入、傳遞和散失的過程，稱為生態(tài)系統(tǒng)的能量流動。

2.生態(tài)系統(tǒng)中能量的源頭都是陽光嗎？

除極少特殊的空間以外，地球上所有的生態(tài)系統(tǒng)所需要的能量都來自太陽。極少特殊的空間，如深?；鹕娇谥械牧蚣毦蓮牧蜓趸蝎@得化學能將無機物合成有機物。所以對這些極少特殊空間來說，生態(tài)系統(tǒng)中能量的源頭是化學能。

3.生態(tài)系統(tǒng)的能量總量是生產(chǎn)者固定的能量總量

這里的生產(chǎn)者包括綠色植物、光合細菌、藍藻以及化能合成細菌（如：硝化細菌、硫細菌、鐵細菌）等。而生產(chǎn)者固定的能量，是指其同化的能量，并不能等同于接受的能量。生產(chǎn)者可以通過光合作用或化能合成作用將其固定。生態(tài)系統(tǒng)的能量總量也不是指將生態(tài)系統(tǒng)中各個營養(yǎng)級能量相加后的總和，而僅是生產(chǎn)者固定的能量總量。

4.能量流動的渠道是食物鏈和食物網(wǎng)嗎？

在人教版必修2中提到“食物鏈和食物網(wǎng)是生態(tài)系統(tǒng)的營養(yǎng)結(jié)構(gòu)，生態(tài)系統(tǒng)的物質(zhì)循環(huán)和能量流動就是沿著這種渠道進行的?！钡@不能理解為能量流動的全過程都發(fā)生在食物鏈和食物網(wǎng)。能量流動的過程主要是傳遞，主要發(fā)生在生物群落內(nèi)部。故食物鏈和食物網(wǎng)僅是在生物群落中通過生物的同化作用進行能量傳遞的渠道。

5.能量流經(jīng)第一營養(yǎng)級的過程：

能量流經(jīng)第一營養(yǎng)級的過程，教材是以文字形式表述，現(xiàn)以圖示表示如下：

由于糞便沒有被初級消費者同化，不屬于第二營養(yǎng)級的能量，而屬于第一營養(yǎng)級的能量，且最終還是被分解者分解。故第一營養(yǎng)級能量的去路為：①自身呼吸消耗；②分解者分解；③傳給下一個營養(yǎng)級。若定時分析，還應(yīng)包括“未利用”部分。

6.被初級消費者——植食性動物攝入體內(nèi)的能量就是第二營養(yǎng)級同化的能量嗎？

被植食性動物攝入體內(nèi)的能量，有一小部分存在于動物排出的糞便中，其余大部分則被動物體所同化。故攝入不等于同化。同化量＝攝入量－糞便量。植食性動物攝入的能量，除糞便外，其余被消化吸收，但其中也是大部分被同化，少數(shù)未被同化，如糖尿病患者的尿糖現(xiàn)象。由此，同化的能量才是該營養(yǎng)級的能量。

7.生態(tài)系統(tǒng)的每個營養(yǎng)級能量流動的方向都是三個嗎？（不考慮“未利用”部分）

第一營養(yǎng)級能量的去路為：①自身呼吸消耗；②分解者分解；③傳給下一個營養(yǎng)級。但不是每個營養(yǎng)級能量的去路都為三個，最高營養(yǎng)級是個特例。最高營養(yǎng)級的動物無捕食者，故最高營養(yǎng)級能量的去路為：①自身呼吸消耗；②分解者分解。因此，整個生態(tài)系統(tǒng)能量流動的去路為自身呼吸消耗和分解者分解兩個。

8.生態(tài)系統(tǒng)的能量流動的圖解分析

分析：

（1）流經(jīng)整個生態(tài)系統(tǒng)的能量為生產(chǎn)者所固定的太陽能總量；

（2）能量流動的方向（箭頭）：單向流動；

（3）箭頭由粗到細：表示流入下一個營養(yǎng)級的能量逐級遞減；

（4）方塊面積越來越?。罕硎倦S著營養(yǎng)級的升高，貯存在生物體內(nèi)的能量越來越少；

（5）分解者體內(nèi)的能量及呼吸產(chǎn)生的能量以熱能的形式散失，成為不可再利用的能量。

9.賽達伯格湖的能量流動圖解分析

1942年，美國生態(tài)學家林德曼對一個天然湖泊——賽達伯格湖（Cedar Bog）能量流動的定量分析，得到如下數(shù)據(jù)：

賽達伯格湖的能量流動圖解

注：圖中的數(shù)字為能量數(shù)值，單位是J/（cm2·a） （焦每平方厘米每年）。圖中的“未固定”是指未被固定的太陽能，“未利用”是指未被后一個營養(yǎng)級和分解者利用的能量。為研究方便起見，這里將肉食性動物作為一個營養(yǎng)級。

分析：

（1）賽達伯格湖是一個天然湖泊。若是人工湖泊，如養(yǎng)魚的池塘、水庫，還有外源能量補充，這時在計算能量傳遞效率時還需相應(yīng)的加上補充的能量。

（2）“未固定”是指未被固定的太陽能。照射到湖泊中的太陽能并不是全部都被生產(chǎn)者所接受，有些照射的區(qū)域可能無生產(chǎn)者的存在。被生產(chǎn)者接受的太陽能也不是全部都被固定下來，如因為植物光飽和點的存在，當光照強度大于光飽和點時，植物利用的能力有限。又如植物夏季的“午休”現(xiàn)象，因為氣孔關(guān)閉，CO2減少，導(dǎo)致暗反應(yīng)受限而不能充分利用光能。再比如葉綠體中的光合色素對綠光吸收就很少。

（3）生產(chǎn)者固定的能量464.6 J/（cm2·a），就是這個生態(tài)系統(tǒng)的總能量。

（4）植食性動物同化的能量是62.8 J/（cm2·a），肉食性動物同化的能量是12.6 J/（cm2·a）。

（5）“未利用”是指未被后一個營養(yǎng)級和分解者利用的能量。這個去路是因為定時分析所產(chǎn)生的，因為在短時間（1年）內(nèi)，時間相對較短，生物未被捕食或未被分解。

（6）能量守恒嗎？

熱力學第一定律（能量守恒定律）可以表述如下：“在自然界發(fā)生的所有現(xiàn)象中，能量既不能消失也不能憑空產(chǎn)生，它只能以嚴格的當量比例由一種形式轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N形式?！睂ι鷳B(tài)系統(tǒng)也是如此嗎？

該生態(tài)系統(tǒng)的總能量即生產(chǎn)者固定的能量為464.6 J/（cm2·a）。能量的去路為分解者、呼吸、未利用三個方向，其能量總和為14.6+122.6+327.3=464.5 J/（cm2·a）。能量不守恒呀？其實肉食性動物被分解者分解的那部分只有0.1 J/（cm2·a），微量，計算時未算在分解者內(nèi)。若加上該部分，恰好相等?？梢?，生態(tài)系統(tǒng)的能量是守恒的。其實對于每一個營養(yǎng)級來說，該營養(yǎng)級同化能量與該營養(yǎng)級流出的能量也是守恒的。如植食性動物，同化的能量為62.8 J/（cm2·a），流出的能量為18.8+2.1+29.3+12.6=62.8 J/（cm2·a），也是相等的。

生態(tài)系統(tǒng)能量雖然是守恒的，但在生產(chǎn)者固定的同時，不斷有能量的流出，而流出的能量主要是熱能，又不能被生產(chǎn)者所固定，所以生態(tài)系統(tǒng)需要源源不斷地補充太陽能。如自制的小生態(tài)瓶不放在光下，將很難維持。當然，如果能量的散失出現(xiàn)問題，對生態(tài)系統(tǒng)也是不利的，如溫室效應(yīng)對全球環(huán)境的影響。對比較穩(wěn)定的生態(tài)系統(tǒng)，隨著有機物的積累，一部分能量若以煤、石油及天然氣的形式存在下來，還是有利的。

10.能量的傳遞效率

從第一營養(yǎng)級流入第二營養(yǎng)級的能量，占生產(chǎn)者所固定能量總量的百分比是62.8/464.6=13.52%。從第二營養(yǎng)級流入第三營養(yǎng)級的能量，占初級消費者所同化的能量總量的百分比是12.6/62.8=20.06%。

流入某個營養(yǎng)級的能量，為什么不能百分之百地流向后一個營養(yǎng)級？從生態(tài)系統(tǒng)能量流動的過程可知，原因有三：①自身呼吸消耗；②分解者分解；③未利用（定時分析）。

能量在一條食物鏈內(nèi)逐級流動時的傳遞效率大約只有10%～20%，美國生態(tài)學家林德曼（R.L.Lindemann）對此則更為明確地提出了“十分之一定律”。顯然，上述的比例數(shù)只是大體上的數(shù)字，確切的比例數(shù)由于各種食物鏈中生物種類的不同，各種食物鏈內(nèi)營養(yǎng)級數(shù)目的不同，以及食物鏈與食物鏈之間的交織等因素而有差異?？傊?，上述的比例數(shù)不是絕對的數(shù)字，它只是形象地說明能量每經(jīng)過一個營養(yǎng)級，大致上降低一個數(shù)量級。

傳遞效率可以小于10%，但一般不會超過20%。但我們剛才計算從第二營養(yǎng)級流入第三營養(yǎng)級的能量傳遞效率是12.6/62.8=20.06%，卻大于20%，這又是什么原因呢？原來在賽達伯格湖中，我們將肉食性動物作為一個營養(yǎng)級——第三營養(yǎng)級，使第三營養(yǎng)級能量還加上了后面營養(yǎng)級的能量，分子部分增大后，整個比值變大了，這才超過了20%。

11.能量流動的特點

（1）單向流動：

單向流動是指生態(tài)系統(tǒng)的能量流動只能從第一營養(yǎng)級流向第二營養(yǎng)級，再依次流向后面各個營養(yǎng)級，一般不能逆向流動，也不能循環(huán)流動。單向是指沿食物鏈由低營養(yǎng)級流向高營養(yǎng)級。不能逆向流動，這是因為食物鏈中各營養(yǎng)級的順序（捕食關(guān)系）是不可逆轉(zhuǎn)的。各營養(yǎng)級的能量總是趨于以呼吸作用產(chǎn)生熱能而散失掉，而不被生態(tài)系統(tǒng)再次利用，所以能量不能循環(huán)。

（2）逐級遞減：

逐級遞減是指輸入到一個營養(yǎng)級的能量不可能百分之百地流入后一個營養(yǎng)級，能量在沿食物鏈流動的過程中是逐級減少的。各營養(yǎng)級生物會因呼吸作用而散失部分能量，分解者利用一部分能量，且各營養(yǎng)級生物總有一部分能量不能被下一營養(yǎng)級利用，故能量流動時候逐級遞減。

12.能量金字塔

將單位時間內(nèi)各個營養(yǎng)級所得到的能量數(shù)值，按營養(yǎng)級的順序由低到高繪制成圖，這樣就形成一個金字塔形，叫作能量金字塔。

由A→D，營養(yǎng)級逐級升高，能量逐級減少。若第一營養(yǎng)級至第四營養(yǎng)級能量依次為A、B、C、D，則有A＞B＞C＞D。能量傳遞效率約為10% ～ 20%，暫且用20%計算，則（A、B、C、D……）構(gòu)成等比數(shù)列，公比為20%，由等比數(shù)列求和公式：

除了能量金字塔以外，一些資料上還有生物量金字塔（可以用質(zhì)量來表示）或數(shù)量金字塔（用生物體數(shù)目來表示）。這里要指出的是，生物量金字塔和數(shù)量金字塔有時候會出現(xiàn)倒置的塔形。例如，在海洋生態(tài)系統(tǒng)中，由于生產(chǎn)者（浮游植物）的個體小，壽命短，又會不斷地被浮游動物吃掉，所以在某一時刻調(diào)查到的浮游植物的生物量，可能低于浮游動物的生物量，這時生物量金字塔的塔形就顛倒過來了。當然，事實上一年中流過浮游植物的總能量還是比流過浮游動物的要多。與此同理，成千上萬只昆蟲生活在一株大樹上時，該數(shù)量金字塔的塔形也會發(fā)生倒置。

13.為什么一般的食物鏈上營養(yǎng)級不會多于5個？

根據(jù)能量傳遞效率為10%～20%計算，流入到下一營養(yǎng)級能量是很少的。所以營養(yǎng)級越高，生物種類和數(shù)量就越少。當能量流經(jīng)4～5個營養(yǎng)級，所剩的能量就少到不足以再維持下一營養(yǎng)級的生命了。

14.一只狼吃了一只兔子獲得了少部分物質(zhì)和能量嗎？

就一只狼吃一只兔子而言，少部分物質(zhì)和能量，如兔子的皮、骨、毛等，未被狼吸收同化，故應(yīng)該是獲得這只兔子的大部分物質(zhì)和能量。但為什么兔和狼所在的營養(yǎng)級之間能量傳遞的效率大約只有10%～20%呢？這是因為在兔子這個營養(yǎng)級中，并不是所有的兔子都被狼吃掉了，兔子有一部分能量還用于自身呼吸消耗，所以傳遞給下一個營養(yǎng)級的能量較少。

15.研究生態(tài)系統(tǒng)能量流動的意義

研究生態(tài)系統(tǒng)能量流動，可以幫助人們合理調(diào)整生態(tài)系統(tǒng)中的能量流動關(guān)系，使能量持續(xù)高效地流向?qū)θ祟愖钣幸娴牟糠帧５藗冊诶蒙鷳B(tài)系統(tǒng)資源的過程中，期望的“高效”與“持續(xù)”常常會發(fā)生矛盾。如何根據(jù)客觀規(guī)律來調(diào)整生態(tài)系統(tǒng)中的能量流動關(guān)系，以滿足人類的需求，是一個必須解決的問題。如在草場上，只有根據(jù)能量流動特點，合理確定草場的載畜量，才能保證畜產(chǎn)品的持續(xù)高產(chǎn)。

16.生態(tài)農(nóng)業(yè)中，如“?；~塘”生產(chǎn)模式，提高了能量傳遞效率了嗎？

在農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)中，如果把作物秸稈當燃料燒掉，人們就不能充分利用秸稈中的能量。如果將秸稈當飼料喂牲畜，讓牲畜糞便進入沼氣池，將發(fā)酵產(chǎn)生的沼氣當燃料，就實現(xiàn)對能量的多級利用，這就是生態(tài)農(nóng)業(yè)。由此可見，生態(tài)農(nóng)業(yè)是把以前沒有利用的能量進行多級利用，提高了能量的利用率。但食物鏈中能量傳遞的效率并沒有改變。

另外，還需注意的是，高中范圍內(nèi)講的食物鏈，就是指捕食鏈，并不包括腐生鏈和寄生鏈，所以分解者、寄生生物不是食物鏈成分，不涉及能量傳遞的過程。

（作者單位：湖北省襄陽市第四中學）