《生態(tài)系統(tǒng)能量流動(dòng)》問題解析

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1、問題解析 江西省泰和縣第二中學(xué)（343700）劉金華 1、如何理解能量流動(dòng)和物質(zhì)循環(huán)是生態(tài)系統(tǒng)的基本功能？地球上生命的生存與發(fā)展，完全依賴于生態(tài)系統(tǒng)的能量流動(dòng)和物質(zhì)循環(huán)，能量的單向流動(dòng)和物質(zhì)周而復(fù)始的循環(huán)推動(dòng)了一切生命活動(dòng)的進(jìn)行。因此，能量流動(dòng)和物質(zhì)循環(huán)是生態(tài)系統(tǒng)的動(dòng)力核心，也是生態(tài)系統(tǒng)的基本功能。 從能量流動(dòng)來看：生物個(gè)體的生命活動(dòng)無時(shí)無刻不在消耗著能量，能量是推動(dòng)生物體各種生命活動(dòng)的動(dòng)力。不論哪種生物，只有不斷地獲得能量，才能生活下去。同樣，由生物群落和無機(jī)環(huán)境構(gòu)成的生態(tài)系統(tǒng)，其生存與發(fā)展也離不開能量的供應(yīng)。也就是說，能量必須不斷地從無機(jī)環(huán)境輸入到生物群落中，并沿食物鏈（網(wǎng)）這個(gè)渠道

2、進(jìn)行傳遞，才能維持群落中各種生物正常的生命活動(dòng)。能量的輸入、傳遞和消失就構(gòu)成了生態(tài)系統(tǒng)的能量流動(dòng)過程。只有深入分析能量流動(dòng)的過程，才能發(fā)現(xiàn)并深刻理解能量流動(dòng)的特點(diǎn)，并運(yùn)用能量流動(dòng)的特點(diǎn)和規(guī)律指導(dǎo)生產(chǎn)實(shí)踐。 2．為什么能量流動(dòng)只能是單向的？ 能量之所以單向流動(dòng)即能量只能從第一營(yíng)養(yǎng)級(jí)流向第二營(yíng)養(yǎng)級(jí)，再依次流向后面各個(gè)營(yíng)養(yǎng)級(jí)，既不能逆向流動(dòng)，也不能循環(huán)流動(dòng)，是因?yàn)樯镏g的捕食關(guān)系是一定的，能量只能由被捕食者流向捕食者而不能逆流。由于太陽(yáng)能是生態(tài)系統(tǒng)能量的源頭，生產(chǎn)者只有通過光合作用，才能將太陽(yáng)能固定在它所合成的有機(jī)物中并輸入到生態(tài)系統(tǒng)的第一營(yíng)養(yǎng)級(jí)。而當(dāng)能量沿食物鏈流動(dòng)時(shí)，每個(gè)營(yíng)養(yǎng)級(jí)的生物都進(jìn)行

3、呼吸作用釋放一部分熱能，這部分熱能一旦散失，生產(chǎn)者是不能固定的。因此，能量不能循環(huán)流動(dòng)。由此可見，生態(tài)系統(tǒng)是一個(gè)開放的能量耗散系統(tǒng)，太陽(yáng)能必須不斷地輸入生態(tài)系統(tǒng)，才能滿足各營(yíng)養(yǎng)級(jí)生物對(duì)能量的需求。但是，生態(tài)系統(tǒng)從屬于“物理系統(tǒng)”，其能量流動(dòng)照樣遵循能量守恒定律。3．能量沿食物鏈流動(dòng)時(shí)，為什么會(huì)呈現(xiàn)逐級(jí)遞減的特點(diǎn)? 這需要我們仔細(xì)分析能量的輸入、傳遞和散失過程，尤其注意追蹤各營(yíng)養(yǎng)級(jí)生物能量散失的途徑。 能量的輸入生態(tài)系統(tǒng)中能量的源頭是陽(yáng)光，生產(chǎn)者只有通過光合作用，才能把太陽(yáng)能固定在它所合成的有機(jī)物中，這樣光能才能輸入到生態(tài)系統(tǒng)的第一營(yíng)養(yǎng)級(jí)。因此，流經(jīng)一個(gè)生態(tài)系統(tǒng)的總能量是生產(chǎn)者固定的太陽(yáng)能的

4、總量，并非照射到這個(gè)生態(tài)系統(tǒng)中所有植物體上的太陽(yáng)能。因?yàn)橛邢喈?dāng)部分的太陽(yáng)輻射能沒有被生產(chǎn)者所“捕捉”和固定。簡(jiǎn)潔地說，只有“固定”，才能“輸入”。 能量的傳遞和散失能量是沿食物鏈（網(wǎng)）傳遞的，食物鏈（網(wǎng)）是能量流動(dòng)的渠道。但是，每一個(gè)營(yíng)養(yǎng)級(jí)的能量都不能全部傳給下一個(gè)營(yíng)養(yǎng)級(jí)。這是因?yàn)楦鳡I(yíng)養(yǎng)級(jí)生物都必須消耗一部分能量，用以維持自身的生長(zhǎng)、發(fā)育、繁殖等生命活動(dòng)。這種能量“自耗”是通過呼吸作用實(shí)現(xiàn)的，即有機(jī)物中的化學(xué)能通過呼吸作用釋放出來，大部分以熱能的形式散失掉，只有一小部分轉(zhuǎn)化為ATP,用于生長(zhǎng)、發(fā)育、繁殖等生命活動(dòng)。用于生長(zhǎng)、發(fā)育、繁殖等生命活動(dòng)的能量最終將儲(chǔ)存在生物體內(nèi)的有機(jī)物中。該部分能量

5、又有兩個(gè)去向：一部分隨著遺體被分解者分解而釋放出來,另一部分被下一營(yíng)養(yǎng)級(jí)生物攝入體內(nèi)。攝入體內(nèi)的能量,并不是該營(yíng)養(yǎng)級(jí)生物的同化量,因?yàn)橛幸恍〔糠帜芰看嬖谟趧?dòng)物排出的糞便中,最終被分解者分解釋放出來。因此,真正流入下一營(yíng)養(yǎng)級(jí)的能量,應(yīng)該是該營(yíng)養(yǎng)級(jí)生物的同化量。即：同化量=攝入量-糞便量 從上面分析可知，能量流動(dòng)之所以逐級(jí)遞減，是因?yàn)椋孩俑鳡I(yíng)養(yǎng)級(jí)生物呼吸消耗；②生產(chǎn)者的遺體、殘枝敗葉,消費(fèi)者的尸體、糞便中的能量被分解者利用,經(jīng)微生物的呼吸作用消耗； ③各營(yíng)養(yǎng)級(jí)生物中都有一部分生物末被下一個(gè)營(yíng)養(yǎng)級(jí)生物所利用。以鼠類危害麥田里小麥為例：盡管麥田里有鼠類危害，但小麥植株并非一定全都遭到鼠類的咬食；一

6、些小麥植株雖然被鼠類咬斷，但鼠類食用的主要是其中的籽粒。 由圖8—5—1可知，能量在兩個(gè)相鄰營(yíng)養(yǎng)級(jí)之間的傳遞效率可用下式計(jì)算。 圖85 能量傳 _1￥1! 遞效率=（下一營(yíng)養(yǎng)級(jí)同化量/上一營(yíng)養(yǎng)級(jí)同化量）xlOO% 到某一 經(jīng)過生態(tài)學(xué)家的定量分析和研究，發(fā)現(xiàn)能量傳遞效率大約為10%?20%,也就是說，在輸入到某一個(gè)營(yíng)養(yǎng)級(jí)的能量中,大約只有10%?20%的能量能夠流動(dòng)到后一個(gè)營(yíng)養(yǎng)級(jí)。需要說明的是上述簾例只是大體上的數(shù)字，它反映了各種類型的生態(tài)系統(tǒng)能量傳遞的一般規(guī)律。但對(duì)不同的生態(tài)系統(tǒng)，確切的比例數(shù)總會(huì)由于各種食物鏈的不同，食物鏈內(nèi)營(yíng)養(yǎng)級(jí)數(shù)目的不同，以及食物鏈與食物鏈之間的交織

7、等因素而有差異?？傊?，上述的比例數(shù)不是絕對(duì)數(shù)字，它只是形象地說明能量每經(jīng)過一個(gè)營(yíng)養(yǎng)級(jí)，大致上降低一個(gè)數(shù)量級(jí)。 4、教材P.89“生態(tài)系統(tǒng)能量流動(dòng)圖解”與教材P.90“賽達(dá)伯格湖的能量流動(dòng)圖解”相比,流入某一個(gè)營(yíng)養(yǎng)級(jí)所獲得的能量去路少了1條“未利用”途徑，出現(xiàn)這種差別的原因是什么？ 答：出現(xiàn)這種差別的原因在于2種能量流動(dòng)圖解的分析方法和理解角度不同： （1）定量不定時(shí)分析，流入某一個(gè)營(yíng)養(yǎng)級(jí)所獲得的能量在足夠長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)的去路有三條：自身呼吸消耗；被下一營(yíng)養(yǎng)級(jí)獲得；隨遺體、殘落物、排泄物被分解者分解。但這一定量的能量不管傳遞如何，最終都以熱能形式在群落中散失，生產(chǎn)者只有源源不斷地固定太陽(yáng)能，才

8、能保證生態(tài)系統(tǒng)能量流動(dòng)的正常進(jìn)行。 （2）定量定時(shí)分析，流入某一個(gè)營(yíng)養(yǎng)級(jí)所獲得的能量在足夠長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)的去路有四條：自身呼吸消耗；被下一營(yíng)養(yǎng)級(jí)獲得；隨遺體、殘落物、排泄物被分解者分解；未利用。如果以年為單位研究，第四部分的能量將保留下一年。 5．如果把各個(gè)營(yíng)養(yǎng)級(jí)的生物個(gè)體數(shù)量由低營(yíng)養(yǎng)級(jí)向高營(yíng)養(yǎng)級(jí)繪成圖形或把各個(gè)營(yíng)養(yǎng)級(jí)的生物量繪成圖形，也是呈金字塔形嗎？ 解答：能量沿著食物鏈流動(dòng)時(shí)逐級(jí)遞減，那么越多消耗的能量就越多，因此，一條食物鏈一般不會(huì)超過五個(gè)營(yíng)養(yǎng)級(jí)，對(duì)此可以用能量金字塔來形象說明。通常情況下，生物的能量值與個(gè)體數(shù)量、生物量有密切關(guān)系，因?yàn)槟芰渴峭苿?dòng)生物體生長(zhǎng)、發(fā)育、繁殖的動(dòng)力。所以，把

9、各個(gè)營(yíng)養(yǎng)級(jí)生物個(gè)體數(shù)量可以繪成數(shù)量金字塔或按各個(gè)營(yíng)養(yǎng)級(jí)生物量可以繪制出生物量金字塔，但是，它們有時(shí)會(huì)出現(xiàn)倒置的塔形。例如，成千上萬只昆蟲生活在一棵大樹上，該數(shù)量金字塔的塔形就會(huì)發(fā)生倒置。又如某些水生生態(tài)系統(tǒng)中，浮游動(dòng)物的量往往超過浮游植物的量，這時(shí)的生物量金字塔也是倒置的?？傊徽撃姆N情況，一年中流入到樹或浮游植物的總能量還是比流入昆蟲或浮游植物的總能量要多得多，也就是說，自然生態(tài)系統(tǒng)中的，只有能量金字塔總是保持正常的金字塔形狀。 6．怎樣理解研究能量流動(dòng)的意義就在于“設(shè)法使能量持續(xù)高效地流向?qū)θ祟愑幸娴牟糠帧?？圖8—5—2表示一個(gè)森林生態(tài)系統(tǒng)中森林地上部分總初級(jí)生產(chǎn)量、凈初級(jí)生產(chǎn)量的變化情

10、況。圖中的橫坐標(biāo)表示葉面積指數(shù)（也叫葉面指數(shù)），縱坐標(biāo)表示最大總光合量。所謂葉面指數(shù)，是指地表單位面積上植物葉片的面積數(shù)量。葉片平鋪在地表上并呈鑲嵌排列的植物（如南瓜），其葉面指數(shù)只有1左右；葉片交錯(cuò)生長(zhǎng)的森林以及稻、麥等農(nóng)田，其葉面指數(shù)可以達(dá)到4以上。 圖8—5—2森林生態(tài)系統(tǒng)發(fā)育過程中總初級(jí)生產(chǎn)量、凈初級(jí)生產(chǎn)量與葉面指數(shù)的關(guān)系從圖8—5—3可以看出，隨著該森林生態(tài)系統(tǒng)的發(fā)育，森林的葉面指數(shù)也在變化。當(dāng)葉面指數(shù)達(dá)到8?10時(shí)，森林的總初級(jí)生產(chǎn)量達(dá)到了最大值，這表明這片森林已經(jīng)發(fā)育到成熟階段了。但是，若從凈初級(jí)生產(chǎn)量方面來看，當(dāng)葉面指數(shù)達(dá)到4時(shí)，這片森林的凈初級(jí)生產(chǎn)量達(dá)到了最大值（如

11、果這一森林生態(tài)系統(tǒng)繼續(xù)發(fā)育，葉面指數(shù)超過了4，由于呼吸作用增強(qiáng)所造成的消耗也隨著增多，凈初級(jí)生產(chǎn)量不僅不再增加，反而開始減少）。因?yàn)槿藗兘?jīng)營(yíng)管理森林的一個(gè)重要目的就是期望獲得森林的最大凈初級(jí)生產(chǎn)量，顯然，在這個(gè)森林生態(tài)系統(tǒng)的葉面指數(shù)達(dá)到4（而不是8?10）時(shí)進(jìn)行合理開采利用，是最為合算的。 同樣，在栽培谷物的過程中，人們首要的目的是獲取高產(chǎn)量的籽粒，而不是大量的秸稈。因此，人們?cè)谶M(jìn)行農(nóng)田管理時(shí)，既要使農(nóng)田的葉面指數(shù)保持在適宜的數(shù)值上，又要使谷稈比（谷粒重/秸稈重）適當(dāng)增高。這樣就可以避免由于呼吸作用的增強(qiáng)而造成過多的消耗，也可以避免過多地增加秸稈的重量，從而使農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)中的能量盡可能多地流向?qū)θ祟愖钣幸娴牟糠郑黾庸攘５漠a(chǎn)量。