《生态系统能量流动》问题解析

1、问题解析江西省泰和县第二中学（343700）刘金华1、如何理解能量流动和物质循环是生态系统的基本功能？地球上生命的生存与发展，完全依赖于生态系统的能量流动和物质循环，能量的单向流动和物质周而复始的循环推动了一切生命活动的进行。因此，能量流动和物质循环是生态系统的动力核心，也是生态系统的基本功能。从能量流动来看：生物个体的生命活动无时无刻不在消耗着能量，能量是推动生物体各种生命活动的动力。不论哪种生物，只有不断地获得能量，才能生活下去。同样，由生物群落和无机环境构成的生态系统，其生存与发展也离不开能量的供应。也就是说，能量必须不断地从无机环境输入到生物群落中，并沿食物链（网）这个渠道进行传递，才

2、能维持群落中各种生物正常的生命活动。能量的输入、传递和消失就构成了生态系统的能量流动过程。只有深入分析能量流动的过程，才能发现并深刻理解能量流动的特点，并运用能量流动的特点和规律指导生产实践。2为什么能量流动只能是单向的？能量之所以单向流动即能量只能从第一营养级流向第二营养级，再依次流向后面各个营养级，既不能逆向流动，也不能循环流动，是因为生物之间的捕食关系是一定的，能量只能由被捕食者流向捕食者而不能逆流。由于太阳能是生态系统能量的源头，生产者只有通过光合作用，才能将太阳能固定在它所合成的有机物中并输入到生态系统的第一营养级。而当能量沿食物链流动时，每个营养级的生物都进行呼吸作用释放一部分热能

3、，这部分热能一旦散失，生产者是不能固定的。因此，能量不能循环流动。由此可见，生态系统是一个开放的能量耗散系统，太阳能必须不断地输入生态系统，才能满足各营养级生物对能量的需求。但是，生态系统从属于“物理系统”，其能量流动照样遵循能量守恒定律。3能量沿食物链流动时，为什么会呈现逐级递减的特点?这需要我们仔细分析能量的输入、传递和散失过程，尤其注意追踪各营养级生物能量散失的途径。能量的输入生态系统中能量的源头是阳光，生产者只有通过光合作用，才能把太阳能固定在它所合成的有机物中，这样光能才能输入到生态系统的第一营养级。因此，流经一个生态系统的总能量是生产者固定的太阳能的总量，并非照射到这个生态系统中所

4、有植物体上的太阳能。因为有相当部分的太阳辐射能没有被生产者所“捕捉”和固定。简洁地说，只有“固定”，才能“输入”。能量的传递和散失能量是沿食物链（网）传递的，食物链（网）是能量流动的渠道。但是，每一个营养级的能量都不能全部传给下一个营养级。这是因为各营养级生物都必须消耗一部分能量，用以维持自身的生长、发育、繁殖等生命活动。这种能量“自耗”是通过呼吸作用实现的，即有机物中的化学能通过呼吸作用释放出来，大部分以热能的形式散失掉，只有一小部分转化为ATP,用于生长、发育、繁殖等生命活动。用于生长、发育、繁殖等生命活动的能量最终将储存在生物体内的有机物中。该部分能量又有两个去向：一部分随着遗体被分解者

5、分解而释放出来,另一部分被下一营养级生物摄入体内。摄入体内的能量,并不是该营养级生物的同化量,因为有一小部分能量存在于动物排出的粪便中,最终被分解者分解释放出来。因此,真正流入下一营养级的能量,应该是该营养级生物的同化量。即：同化量=摄入量-粪便量从上面分析可知，能量流动之所以逐级递减，是因为：各营养级生物呼吸消耗；生产者的遗体、残枝败叶,消费者的尸体、粪便中的能量被分解者利用,经微生物的呼吸作用消耗；各营养级生物中都有一部分生物末被下一个营养级生物所利用。以鼠类危害麦田里小麦为例：尽管麦田里有鼠类危害，但小麦植株并非一定全都遭到鼠类的咬食；一些小麦植株虽然被鼠类咬断，但鼠类食用的主要是其中的

6、籽粒。由图851可知，能量在两个相邻营养级之间的传递效率可用下式计算。图85能量传_11!递效率=（下一营养级同化量/上一营养级同化量）xlOO%到某一经过生态学家的定量分析和研究，发现能量传递效率大约为10%20%,也就是说，在输入到某一个营养级的能量中,大约只有10%20%的能量能够流动到后一个营养级。需要说明的是上述簾例只是大体上的数字，它反映了各种类型的生态系统能量传递的一般规律。但对不同的生态系统，确切的比例数总会由于各种食物链的不同，食物链内营养级数目的不同，以及食物链与食物链之间的交织等因素而有差异。总之，上述的比例数不是绝对数字，它只是形象地说明能量每经过一个营养级，大致上降低

7、一个数量级。4、教材P.89“生态系统能量流动图解”与教材P.90“赛达伯格湖的能量流动图解”相比,流入某一个营养级所获得的能量去路少了1条“未利用”途径，出现这种差别的原因是什么？答：出现这种差别的原因在于2种能量流动图解的分析方法和理解角度不同：（1）定量不定时分析，流入某一个营养级所获得的能量在足够长的时间内的去路有三条：自身呼吸消耗；被下一营养级获得；随遗体、残落物、排泄物被分解者分解。但这一定量的能量不管传递如何，最终都以热能形式在群落中散失，生产者只有源源不断地固定太阳能，才能保证生态系统能量流动的正常进行。（2）定量定时分析，流入某一个营养级所获得的能量在足够长的时间内的去路有四

8、条：自身呼吸消耗；被下一营养级获得；随遗体、残落物、排泄物被分解者分解；未利用。如果以年为单位研究，第四部分的能量将保留下一年。5如果把各个营养级的生物个体数量由低营养级向高营养级绘成图形或把各个营养级的生物量绘成图形，也是呈金字塔形吗？解答：能量沿着食物链流动时逐级递减，那么越多消耗的能量就越多，因此，一条食物链一般不会超过五个营养级，对此可以用能量金字塔来形象说明。通常情况下，生物的能量值与个体数量、生物量有密切关系，因为能量是推动生物体生长、发育、繁殖的动力。所以，把各个营养级生物个体数量可以绘成数量金字塔或按各个营养级生物量可以绘制出生物量金字塔，但是，它们有时会出现倒置的塔形。例如，

9、成千上万只昆虫生活在一棵大树上，该数量金字塔的塔形就会发生倒置。又如某些水生生态系统中，浮游动物的量往往超过浮游植物的量，这时的生物量金字塔也是倒置的。总之不论哪种情况，一年中流入到树或浮游植物的总能量还是比流入昆虫或浮游植物的总能量要多得多，也就是说，自然生态系统中的，只有能量金字塔总是保持正常的金字塔形状。6怎样理解研究能量流动的意义就在于“设法使能量持续高效地流向对人类有益的部分”？图852表示一个森林生态系统中森林地上部分总初级生产量、净初级生产量的变化情况。图中的横坐标表示叶面积指数（也叫叶面指数），纵坐标表示最大总光合量。所谓叶面指数，是指地表单位面积上植物叶片的面积数量。叶片平铺

10、在地表上并呈镶嵌排列的植物（如南瓜），其叶面指数只有1左右；叶片交错生长的森林以及稻、麦等农田，其叶面指数可以达到4以上。图852森林生态系统发育过程中总初级生产量、净初级生产量与叶面指数的关系从图853可以看出，随着该森林生态系统的发育，森林的叶面指数也在变化。当叶面指数达到810时，森林的总初级生产量达到了最大值，这表明这片森林已经发育到成熟阶段了。但是，若从净初级生产量方面来看，当叶面指数达到4时，这片森林的净初级生产量达到了最大值（如果这一森林生态系统继续发育，叶面指数超过了4，由于呼吸作用增强所造成的消耗也随着增多，净初级生产量不仅不再增加，反而开始减少）。因为人们经营管理森林的一个重要目的就是期望获得森林的最大净初级生产量，显然，在这个森林生态系统的叶面指数达到4（而不是810）时进行合理开采利用，是最为合算的。同样，在栽培谷物的过程