搜索
例谈生态系统『能量流动』知识中的几个特殊问题长葛第三实验高中齐永平“能量流动”是生态系统的重要功能之一。在高中生物知识中，能量流动与物质循环的关系、能量流动的特点、能量传递的效率等知识共同构成了以“生态系统的能量流动”为中心的知识体系。然而在“能量流动”知识中，仍存在一些易被忽视或不常见的问题，如“能量值”的表示方式、最值的计算、能量流动与生态系统稳态的关系等。本文就此结合教材谈一谈对这些问题的认识，望能对教与学有所帮助。一、能量流动的几种“最值”计算由于一般情况下能量在两个相邻营养级之间的传递效率是10%~20%。故在能量流动的相关问题中，若题干中未做具体说明，则一般认为能量传递的最低效率为10%，最高效率为20%。所以，在已知较高营养级生物的能量求消耗较低营养级生物的能量时，若求“最多”值，则说明较低营养级生物的能量按“最低”效率传递，若求“最（至）少”值，则说明较低营养级生物的能量按“最高”效率传递。反之，已知较低营养级生物的能量求传递给较高营养级生物的能量时，若求“最多”值，则说明较低营养级生物的能量按“最高”效率传递，若求“最少”值，则说明较低营养级生物的能量按“最低”效率传递。这一关系可用下图来表示。1.以生物的同化量（实际获取量）为标准的“最值”计算例1.下图为某生态系统食物网简图，若E生物种群总能量为，B生物种群总能量为，从理论上计算，A贮存的总能量最少为（）A.B.C.D.解析：由图可知D为生产者，要使A获得的能量最少，则必须保证三个条件，即：一是能量来源途径最少；二是能量传递效率最低（按10%算）；三是食物链要最长。故从理论上讲，与A贮存的总能量最少相关的食物链不可能是D→A，也不可能是D→A、D→E→C→A同时存在，只能是D→E→C→A。为此，E的能量在传递给A的途径中，只有确保：①E在传递给B时用去的能量最多；②E的总能量减去传递给B的后再传给C时效率最低；③C在传递给A时效率最低，结果才能使A获得的能量最少。所以据此计算得A贮存的总能量最少为故答案选B项。2.以生物的积累量为标准的“最值”计算例2.已知某营养级生物同化的能量为1000kJ，其中95%通过呼吸作用以热能的形式散失，则其下一营养级生物获得的能量最多为（）A.200kJB.40kJC.50kJD.10kJ解析：本题具有较大的迷惑性，极易错选A项。由于该营养级的能量95%通过呼吸作用以热能的形式散失，故积累的能量只有5%，因而其最多也只有5%（即5%×1000＝50kJ）的能量传递给下一营养级。因此答案选C项。二、能量值的几种不同表示方式及相关计算“能量值”除了用“焦耳”等能量单位表示外，在许多生物资料中，其还可用生物量、数量、面积、体积单位等形式来表示，因而使能量流动关系有了更加丰富的内涵，但是不管用何种单位形式表示，通常情况下能量的传递效率都遵循“10%~20%”的规律，下面结合一些例子分别加以阐述。1.能量（单位）表示法及计算以能量（单位）��“焦耳”表示能量值的多少是“能量流动”知识中最常见的形式。在以“焦耳”为单位的能量传递过程中，各营养级的能量数值呈现出典型的“金字塔”形，不可能出现倒置。1.1以生物体同化量的总量为特征的计算如例11.2以ATP为特征的计算这种形式的能量计算是建立在物质氧化分解的基础上的，它常涉及利用呼吸作用或光合作用的反应式。例3：在能量金字塔中，如果生产者在光合作用过程中产生240mol的氧气，其全部用于初级消费者分解血糖，则其释放并贮存在ATP中的能量最多有（）可被三级消费者捕获？A.B.C.D.解析：依据有氧呼吸反应式，可知240mol的氧气能分解40mol的葡萄糖，又由于每摩尔葡萄糖彻底氧化分解产生的能量有1161kJ转移到ATP中，故初级消费者产生的ATP中的能量最多有“”被三级消费者捕获。答案选C项。2.生物量（质量单位）表示法及计算例4：如果一个人食物有1/2来自绿色植物，1/4来自小型肉食动物，1/4来自羊肉，假如传递效率为10%，那么该人每增加1千克体重，约消耗植物（）A.10千克B.28千克C.100千克D.280千克解析：解答本题时，首先应画出食物网，然后依据食物网和题干信息来解答。①通过“植物→人”这条链计算出消耗植物的量为0.5÷10%＝5千克；②通过“植物→植食动物→小型肉食动物→人”这条链计算出消耗植物的量为0.25÷10%÷10%÷10%＝250千克；③通过“植物→羊→人”这条链计算出植物的量为0.25÷10%÷10%＝25千克。故要消耗植物的总量为280千克。答案选D项。3.数量（生物体数目）表示法及计算例5：在一片草原上，假如一年中，至少有70000只昆虫生活才可养活一只食虫鸟，而食虫鸟若按10%的能量传递率将能量传给鹰，则理论上每年大约需要3000只食虫鸟才能维持一只鹰的生存，那么如果鹰只靠捕食食虫鸟来生活，则每年至少需要（）只昆虫才能保证一只鹰的生存？A.B.C.D.无法统计解析：生物体的数量通常能够反映出生物体能量的多少，一般情况下其间成正相关，故常可用生物体的数量来表示能量的多少。由题意可知，昆虫与食虫鸟之间、食虫鸟与鹰之间的能量传递效率只有保证为20%，才能实现“至少”维持一只鹰生存所需的能量供应。故维持一只鹰生存至少需要食虫鸟1500只，由此可计算出维持一只鹰生存至少需要昆虫的量为1500×70000＝1.05×108只。答案选C项。需要说明的是在以生物体数目表示的能量流动关系中，有时会出现“金字塔”倒置的现象。如下例。例6.一片树林中，树、昆虫和食虫鸟类的个体数比例关系如下图所示。下列能正确表示树、昆虫、食虫鸟之间的能量流动关系的是（选项方框面积表示能量的大小）（）解析：在树林中，由于树具有较大的体积（包括其地上的树冠、茎和地下的根系），因而尽管树的量少，但其仍具有较多的能量。故一棵树上可生活着许多昆虫和食虫鸟，又由于食虫鸟以昆虫为食，故按能量流动的特点，其总能量必将小于昆虫的总能量。答案选C项。4.面积（单位）表示法及计算例7.在“棉花→棉蚜→食蚜蝇→瓢虫→麻雀→鹰”这条食物链中，如果食蚜蝇要有5m2的生活空间才能满足自身的能量需求，则一只鹰的生活空间至少是（）A.B.C.D.解析：本题以生物的生活范围来反映所具能量的大小。由题意可知鹰处于最高营养级，按能量最高传递效率可求出一只鹰至少所需的生活空间为：（1÷20%÷20%÷20%）×5m2＝54m2。答案选D项。5.体积（单位）表示法及计算例8：具有三个营养级的能量金字塔，最上层的体积是最下层的（）A.10%~20%B.1%~4%C.0.1%~1%D.1%~10%解析：具有三个营养级的能量金字塔，若用体积表示能量值的大小，则能量按最低传递效率传递时，最上层体积应为10%×10%＝1%，按最高传递效率传递时，最上层体积应为20%×20%＝4%。故答案选B项。三、能量流动与生态系统的稳定性能量流动效率能直接反映生态系统的稳定性，能量在传递过程中，若超过一定的限度，则容易引起种群的生长、繁殖或再生等的障碍，从而导致生态系统稳定性的破坏，故在研究生态系统的稳定性时必须时刻关注能量流动效率。例9：某生态系统中初级消费者和次级消费者的总能量分别是W1和W2，当下列哪种情况发生时，最有可能使生态平衡遭到破坏？（）A.W110W2B.W15W2C.W110W2D.W15W2解析：一般情况下，生态系统的能量在两个相邻营养级之间传递效率大约是10%~20%。小于或等于20%则不会导致其稳定性的破坏，而大于20%则有可能引起某些营养级生物量的大起大落或生态环境的改变，导致生态系统抵抗力稳定性被破坏。纵观本题的四个选项，A选项反映的能量传递效率小于10%，B选项反映的能量传递效率小于20%，C选项反映的能量传递效率大于10%（但不一定大于20%），只有D选项反映的能量传递效率大于20%。故本题答案选D项。例10：某海滩黄泥螺种群现存量约3000吨，正常状况下，每年该种群最多可增加300吨，为充分利用黄泥螺资源，又不影响可持续发展，理论上每年最多捕捞黄泥螺的吨数为（）A.3000B.1650C.1500D.不超过3000解析：生态系统的稳定性是生物与无机环境长期相互作用形成的，要不影响可持续发展，又要能够获得最大的捕捞量，则必须注意在维持生态系统稳定性的前提下进行捕捞。故答案选D项。