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一、教学目标 1.分析生态系统能量流动的过程和特点。 2.概述研究能量流动的实践意义。 3.尝试调查农田生态系统中的能量流动情况。 二、教学重点和难点 生态系统能量流动的过程和特点。 三、教学策略 本节教学可以从“问题探讨”引入，在学生讨论时，教师应作必要的提示：生命活动离不开能量，生物需要不断从外界获取能量才能维持生存；在生物获得的能量中只有一部分贮存于生物体内；由于能量沿食物链流动过程中逐级递减，因而能量相同的食物，动物性食品比例越高，意味着消耗的总能量越多。 在学生讨论的基础上，教师引出生态系统的能量流动的基本涵义。然后，提出怎样研究生态系统的能量流动。在进行“能量流动的分析”的教学时，要提醒学生注意：研究能量流动可以是在个体水平上，也可以在群体水平上。研究生态系统中能量流动一般在群体水平上，这种将群体视为一个整体进行研究是系统科学常用的研究方法。理解能量流动的分析方法有助于学生学习本节后面的内容。 研究能量在沿着食物链从一个种群流动到另一种群时，需要考虑能量被利用和未被利用等多方面的能量值，以某动物种群捕食种群A为例，可用图5-4表示。
图5-4 能量流动的分析 可以借助于某一具体的食物链，让学生分析“能量流动的过程”。教师可概括：（1）几乎所有生态系统的能量源头是太阳能。植物通过光合作用，把太阳光能固定下来，这是生态系统繁荣的基础。提醒学生注意：植物光合作用固定的能量减去呼吸作用消耗的能量，才是能够为下一营养级消费的能量。所以，从能量的角度来看，植物的多少决定了生物种类和数量。在气候温暖、降雨充沛的地方，植物格外繁茂，各种生物就会非常繁荣，热带雨林就是这样的情况；在气候寒冷、降雨很少的地方，植物很难生长，各种生物的数量都很少，显得荒凉而冷寂；（2）能量沿着食物链流动时，每一营养级都有输入、传递、转化和散失的过程；（3）生物的遗体残骸是分解者能量的来源。 能量在生态系统中是如何流动的，这是许多生态学家关注的问题。而对此问题的回答，仅仅作定性的阐释是不够的，必须基于科学实验，用实验数据来说明问题，由此引出林德曼的研究。 在学习“林德曼的研究”时，重点应放在如何整理数据、分析数据，进而得出科学结论上。可采用“资料分析”的建议。教师要引导学生用数据来分析能量流动的特点，在学生归纳总结的基础上，教师阐述生态系统能量流动具有的两个特点。 “能量”是科学中的核心概念，学生在学习本节时，应结合物理学知识，回答“思考与讨论”中的问题。 关于研究能量流动的实践意义的教学，可从分析“桑基鱼塘”着手。教师应向学生说明：人们在利用生态系统的资源的过程中，期望的“高效”与“持续”常常会发生矛盾。如何根据客观规律来调整生态系统中的能量流动关系，以满足人类的需求，是一个必须解决的重要问题，教师可进一步引导学生讨论一些实例。 四、答案和提示 （一）问题探讨 提示：应该先吃鸡，再吃玉米（即选择1）。若选择2，则增加了食物链的长度，能量逐级递减，最后人获得的能量较少。 （二）思考与讨论1 1.提示：遵循能量守恒定律。能量在生态系统中流动、转化后，一部分储存在生态系统（生物体有机物）中，而另一部分被利用、散发至无机环境中，两者之和与流入生态系统的能量相等。 2.提示：不能，能量流动是单向的。 （三）资料分析 1和2
3.提示：流入某一营养级的能量主要有以下去向：一部分通过该营养级的呼吸作用散失了；一部分作为排出物、遗体或残枝败叶不能进入下一营养级，而为分解者所利用；还有一部分未能进入（未被捕食）下一营养级。所以，流入某一营养级的能量不可能百分之百地流到下一营养级。 4.提示：生态系统中能量流动是单向的；能量在流动过程中逐级递减。 （四）思考与讨论2 提示：“桑基鱼塘”的设计理念是从人类所需出发，通过能量多级利用，充分利用流经各营养级的能量，提高生产效益。 （五）调查 参考调查点：稻田生态系统 组成成分： （1） 非生物的物质和能量； （2） 生产者： 水稻、杂草、浮游植物等；（3）消费者：田螺、泥鳅、黄鳝、鱼、青蛙、浮游动物、昆虫、鸟类等；（3）分解者：多种微生物。 问题提示： 1.生产者主体是水稻，其他生产者有杂草、浮游植物等。农民主要通过喷洒除草剂，或人工除草的方式抑制杂草的生长。 2.初级消费者有：田螺、浮游动物、植食性昆虫、植食性鱼、鸟类等。一般而言，植食性昆虫和鸟类等往往对水稻生长构成危害，田螺、植食性鱼数量较多时也会对水稻生长构成危害。农民采取喷洒农药、竖稻草人等措施防止或减少这些动物的危害。 3.次级消费者有：泥鳅、黄鳝、肉食性鱼、青蛙等。一般而言，这些消费者对水稻生长利大于害。农民通过禁捕，或适量放养等措施，实现生态农业的目标。 5.农民对秸秆的传统处理方式有焚烧或填埋等；现代农业提出了综合利用思想，例如，秸秆可作为多种工业原材料，还可以用来生产沼气，以充分利用其中的能量。 6.主要通过合理密植的方法提高作物的光能利用效率。 7.通过稻田养鱼等措施，实现立体化生态农业；通过建造沼气池，实现能量的多级利用。 （六）技能训练：分析和处理数据 提示： 这些玉米的含碳量折合成葡萄糖是6 687.5 kg，计算公式是(12+18)/12×2 675，这些葡萄糖储存的能量是1.07×1011 kJ（计算公式是EG=MG×1.6×107）； 这些玉米呼吸作用消耗的能量是3.272×1010 kJ（计算公式为ΔE呼=ΔMG×1.6×107）； 这些玉米在整个生长季节所固定的太阳能总量是1.397 2×1011 kJ（计算公式为E固=EG+ΔE呼），呼吸作用消耗的能量占所固定太阳能的比例是23.4%； 这块玉米田的太阳能利用效率是1.64%（计算公式为η=1.397 2×1011/8.5×1012）。 （七）旁栏思考题 一般情况下，也是金字塔形。但是有时候会出现倒置的塔形。例如，在海洋生态系统中，由于生产者（浮游植物）的个体小，寿命短，又会不断地被浮游动物吃掉，所以某一时刻调查到的浮游植物的量可能低于浮游动物的量。当然，总的来看，一年中流过浮游植物的总能量还是比流过浮游动物的要多。与此同理，成千上万只昆虫生活在一株大树上，该数量金字塔的塔形也会发生倒置。 （八）练习 基础题 1.A。2.D。3.B。 拓展题
（2）图b所示生态系统中流向分解者的能量，还有一部分可以以生活能源或食物中化学能的形式被人类再度利用，因此，该生态系统实现了能量的多级、充分利用，提高了能量的利用率。
2.提示：不能。在一个封闭的系统中，物质总是由有序朝着无序的方向（熵增加）发展。硅藻能利用获取的营养通过自身的新陈代谢作用释放能量，依靠能量完成物质由无序向有序的转化，维持其生命活动。 五、参考资料 1.怎样研究生态系统的能量流动？ （1）能量流动的研究方法 能量流动的研究方法比较多，这里仅介绍四种主要方法。 ①直接观察法这是一种十分简单的方法。在某种情况下，可以利用照相机来拍摄物种的取食情况。 ②肠胃分析这种方法需先在野外搜集所研究的动物可能取食的食物，然后与动物肠胃内的食物碎片做比较分析。鸟类、取食昆虫的蝙蝠和小型哺乳动物，以及取食植物的大型昆虫都可以用此方法进行研究。 ③同位素示踪分析在一些消费者中，尤其是在许多昆虫和节肢动物中要鉴定食物碎片是很困难的，因为食物碎片太小，而有些昆虫则取食液体或不定形食物。这时，就可以使用同位素示踪的研究方法。一般情况是在植物茎基部打孔，用同位素，如32P标记。也可以在植物的根茎部周围挖坑，并灌满水，在坑底部的植物根部划许多裂缝，接着注入同位素标记的水溶液，使标记的水借助于负蒸发压被吸入植物体内，然后把坑封闭。随着时间的推移，同位素就移到植物体的各个部分，含量可用计数器测出。在实验期间，也可以搜集标记植物周围的动物，显然，凡带有标记的动物一定吃了标记的植物。取食的相对量可以用每分每毫克干重来表示。一旦植食动物被同位素标记了，它就可以用类似的方法来识别。 ④利用血清技术生物之间营养关系的一种极敏感的指标是沉淀反应。它的基本程序是先从所研究的被食者体内提取抗原，注射到某种动物（如兔子）体内，产生一种特殊的抗体，然后用这种抗体与有可能取食这种食物的动物肠内物质相互作用，如出现阳性反应则说明这种动物取食了此种食物。这种方法只能获得一个定性结果，而且在某一时间内只能检验一种食物，而不能同时研究多种食物。虽然这种方法受到很多因素的限制，但敏感性极高。 2.能量流动的基本原理 （1）生态系统中能量流动符合热力学定律 生态系统的能量流动遵循热力学第一定律和热力学第二定律。 热力学第一定律指出，能量可以由一种形式转化为另一种形式；在转化过程中是按严格的当量比例进行的。能量既不能消灭，也不能凭空产生。依据这个定律可知，一个系统的能量发生变化，环境的能量也必定发生相应的变化，如果体系的能量增加，环境的能量就要减少，反之亦然。对生态系统来说也是如此。 热力学第二定律指出，在封闭系统中，一切过程都伴随着能量的改变。在能量传递和转化过程中，除了一部分可以继续传递和作功的能量（自由能）外，总有一部分以热能的形式消散。对生态系统来说，当能量以食物的形式在生物之间传递时，食物中相当一部分能量转化为热能而消散，其余则用于合成新的组织而作为潜能贮存下来。 （2）生态系统能量流动是单向的 能量以光的状态进入生态系统后，就不能再以光的形式存在，而是以化学能或热能的形式存在。生物代谢过程产生的热能也不能再转化为生物的化学能。从总的能量流动途径而言，能量只是单程流经生态系统，是不可逆的。 （3）能量在生态系统内流动是不断递减的 生态系统中各营养级不能百分之百地利用前一营养级的生物量和能量，总要耗散掉一部分。耗散掉的能量包括热能、不能被生物采食到或摄入的能量。一般来说，能量在相邻两个营养级之间的传递效率大约是10%～20%。 （4）能量流动速率不同 生态系统中能量流动速率与生态系统类型和不同生物有密切关系。 3.林德曼的研究简介 1936年英国生态学家坦斯利（A.G.Tansley）首先提出生态系统（ecosystem）一词。概念提出以后，作为一种理论受到了许多人的赞赏。半个多世纪以来，许多生态学家对生态系统理论和实践作出了巨大贡献，林德曼就是其中一位。 20世纪30年代末，美国生态学家林德曼（R.L.Linderman）在美国赛达伯格湖对该湖泊生态系统进行了开拓性的研究工作。他通过定位、定量的测定工作，对湖泊生态系统中各类生物有机体的生物量，各类生物有机体之间的营养关系以及与环境之间的能量关系进行了深入调查和研究，取得了从一个营养级到另一个营养级物质与能量移动的本质了解，创立了营养动态观点（trophic-dynamic viewpoint）。他发现能量沿营养级移动时，逐级递减，后一营养级只能是前一营养级能量的1/10左右，从而提出生态系统中能量传递的“十分之一定律”。1942年他将这一结论发表。他在《生态学的营养动态概说》一文中指出，生态系统营养动态的基本过程就是能量在生态系统中的转化过程。生态系统内部的生物有机体都要依靠系统外部能量（太阳能）的输入。生态系统中的绿色植物，作为生产者首先通过光合作用吸收太阳能，因此生产者是生态系统的能量基础。 他的这项工作具有划时代的意义，是生态系统中能量流动研究的经典，成为后来许多关于植物群落和动物群落中能量流动研究的基础。林德曼又以数学关系定量地表达了群落中的营养相互作用，建立了养分循环的理论模型，标志着生态学从定性走向定量的开始，开创了定量描述生态系统能量流动的研究。 林德曼定律当初是林德曼在水生生态系统和实验室的培养箱的研究中得到的。大量研究证明，这一定律十分适用于水域生态系统，对陆地生态系统不完全适用。陆地生态系统的消费效率有时比海洋生态系统低得多。在其他不同的生态系统中，其值高则可达30%，低则可能只有1%或更低。 4.生态金字塔与能量金字塔 生态金字塔包括三种类型：能量金字塔、数量金字塔和生物量金字塔。 能量金字塔是以各营养级所固定的总能量来表示的，它以热力学为基础，较好地反映了生态系统内能量流动的本质。数量金字塔过高地估计了小型生物的作用，而生物量金字塔又过于强调了大型生物的作用，而能量金字塔所提供的情况较为客观和全面。图5-7生态金字塔的四种类型能量金字塔表示生物之间的能量关系，把植物干物质和动物干物质都换算成能量单位，计算两个营养级之间的比值，表示能量传递的有效程度，在表达能量流动方面，有更明了的效果。例如，4 hm2紫花苜蓿接受的太阳辐射量，每年为2.646×1010 kJ，苜蓿固定的能量是6.258×107 kJ，固定效率约为0.24%，光能利用率还算比较高的。牛吃苜蓿获得的能量为4.998×106 kJ，牛对苜蓿的转化率为8%，人吃牛肉获得的能量为3.486×104 kJ，人对牛肉的转化率为0.7%左右。在能量金字塔图解中，各层的长度一般是取所代表数值的对数，因为各营养级的数值相差甚大，不便直接按实数绘出。 |
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