“生態(tài)系統(tǒng)的能量流動(dòng)和物質(zhì)循環(huán)”的疑難解析

   學(xué)習(xí)能量流動(dòng)的過(guò)程時(shí)，在理解“生態(tài)系統(tǒng)能量流動(dòng)”的基本含義的基礎(chǔ)上，將能量流動(dòng)分為輸入、傳遞、散失三個(gè)問(wèn)題來(lái)討論，并得出以下結(jié)論：

（1）生態(tài)系統(tǒng)中的能量流動(dòng)是從綠色植物把太陽(yáng)能固定在體內(nèi)以后開始的，能量輸入的源頭是陽(yáng)光。生產(chǎn)者的能量一般來(lái)自太陽(yáng)光，各級(jí)消費(fèi)者的能量來(lái)自上一個(gè)營(yíng)養(yǎng)級(jí)，分解者的能量來(lái)自生產(chǎn)者和消費(fèi)者。

（2）輸入生態(tài)系統(tǒng)的總能量是生產(chǎn)者所固定的太陽(yáng)能的總量，流入各級(jí)消費(fèi)者的總能量是指各級(jí)消費(fèi)者在進(jìn)行同化作用過(guò)程中所同化的物質(zhì)中含有的總能量。流入一個(gè)營(yíng)養(yǎng)級(jí)的能量一般用于四個(gè)方面：一是呼吸消耗；二是儲(chǔ)存在構(gòu)成生物體的有機(jī)物中，用于生長(zhǎng)、發(fā)育和繁殖；三是動(dòng)植物遺體、殘落物、排泄物等被分解者分解；四是流入下一個(gè)營(yíng)養(yǎng)級(jí)的生物體內(nèi)（最后一個(gè)營(yíng)養(yǎng)級(jí)的生物除外）。

（3）能量流動(dòng)的主渠道是食物鏈和食物網(wǎng)，能量的變化情況是：太陽(yáng)光能→生物體中的化學(xué)能→熱能，因此熱能是能量流動(dòng)的最終歸縮。

1. 對(duì)能量流動(dòng)過(guò)程的定量分析，是研究能量流動(dòng)規(guī)律的關(guān)鍵

根據(jù)“賽達(dá)伯格湖的能量流動(dòng)圖解”可從兩方面進(jìn)行討論：一是分析食物鏈中各營(yíng)養(yǎng)級(jí)生物能量的輸入、傳遞和散失；二是從整體上分析整個(gè)生態(tài)系統(tǒng)能量流動(dòng)的過(guò)程，最后得出能量單向流動(dòng)、逐級(jí)遞減的特點(diǎn)。能量流動(dòng)是單向的原因是：第一，食物鏈各營(yíng)養(yǎng)級(jí)的順序是不可逆轉(zhuǎn)的，這是長(zhǎng)期自然選擇的結(jié)果；第二，各營(yíng)養(yǎng)級(jí)的能量總是趨向于以呼吸作用產(chǎn)生的熱能而散失。能量在流動(dòng)中逐級(jí)遞減的原因是：第一，各營(yíng)養(yǎng)級(jí)的生物都會(huì)因呼吸作用消耗相當(dāng)大的一部分能量；第二，各營(yíng)養(yǎng)級(jí)總有一部分生物未被下一營(yíng)養(yǎng)級(jí)的生物所利用。

2. 從提高能量利用率和能量傳遞效率兩個(gè)角度，理解研究生態(tài)系統(tǒng)中能量流動(dòng)的目的

提高能量利用率的措施：（1）實(shí)現(xiàn)能量的多級(jí)利用，充分利用秸桿、動(dòng)物糞便等中的能量；（2）縮短食物鏈；（3）通過(guò)除草、治蟲、滅鼠等調(diào)整能量流動(dòng)的方向等。

提高能量傳遞效率的措施：（1）培育動(dòng)植物的新品種；（2）加強(qiáng)種、養(yǎng)管理，目的在于提高種、養(yǎng)動(dòng)植物的同化效率，降低種、養(yǎng)動(dòng)植物的呼吸消耗及其充分利用上一營(yíng)養(yǎng)級(jí)的同化產(chǎn)物等比例。

相鄰兩個(gè)營(yíng)養(yǎng)級(jí)之間能量傳遞效率＝第n＋1營(yíng)養(yǎng)級(jí)同化量/第n營(yíng)養(yǎng)級(jí)同化量×100%。能量的傳遞效率為10%~20%的含義是指“在輸入到某一個(gè)營(yíng)養(yǎng)級(jí)的能量中只有10%~20%的能量流動(dòng)到下一個(gè)營(yíng)養(yǎng)級(jí)”，這里“輸入到某一個(gè)營(yíng)養(yǎng)級(jí)的能量”是指流入這個(gè)營(yíng)養(yǎng)級(jí)的總能量，“流動(dòng)到下一個(gè)營(yíng)養(yǎng)級(jí)”是指下一營(yíng)養(yǎng)級(jí)的總能量。通過(guò)四個(gè)左右的營(yíng)養(yǎng)級(jí)，能量已減少到不足以再維持一個(gè)營(yíng)養(yǎng)級(jí)的生命活動(dòng)，所以一個(gè)食物鏈中的營(yíng)養(yǎng)級(jí)一般不超過(guò)五個(gè)。

由于生態(tài)系統(tǒng)的能量流動(dòng)具有單向性和逐級(jí)遞減的特點(diǎn)，因此，生態(tài)系統(tǒng)必須不斷地從外界獲得能量，否則，整個(gè)生態(tài)系統(tǒng)就會(huì)崩潰。

3. 金字塔

金字塔有三種形式：能量金字塔、生物量金字塔和數(shù)量金字塔。

能量金字塔：是指將單位時(shí)間內(nèi)各個(gè)營(yíng)養(yǎng)級(jí)所得到的能量數(shù)值由低到高繪制成的圖形呈金字塔形，稱為能量金字塔。營(yíng)養(yǎng)級(jí)別越低，占有的能量就越多；反之，營(yíng)養(yǎng)級(jí)別越高，占有的能量就越少。所以能量金字塔塔基體積最大，越往上越小。能量金字塔是絕不會(huì)倒置的。從能量金字塔可以看出：在生態(tài)系統(tǒng)中，營(yíng)養(yǎng)級(jí)越多，在能量流動(dòng)過(guò)程中消耗的能量就越多。

生物量金字塔：是以每個(gè)營(yíng)養(yǎng)級(jí)的生物量繪制的金字塔。這種類型的金字塔在陸地生態(tài)系統(tǒng)中一般是不會(huì)倒置的。但它的缺點(diǎn)是忽略了一些單細(xì)胞生物，由于其生命周期短，不積累生物量，又加上在測(cè)定生物量時(shí)是以現(xiàn)存量為依據(jù)的，所以在海洋生態(tài)系統(tǒng)中，生物量金字塔會(huì)出現(xiàn)倒置現(xiàn)象，即出現(xiàn)浮游動(dòng)物數(shù)量多于浮游植物數(shù)量的現(xiàn)象。

生物數(shù)量金字塔：是以每個(gè)營(yíng)養(yǎng)級(jí)的生物個(gè)體數(shù)量為依據(jù)繪制的金字塔。這種類型的金字塔的缺點(diǎn)是忽略了個(gè)體的大小，即有的生物體個(gè)體數(shù)量很少，但每個(gè)個(gè)體的生物量卻很大。如一棵大樹上有幾百只昆蟲。所以這種類型的金字塔也往往出現(xiàn)倒置現(xiàn)象。

4. 準(zhǔn)確理解生態(tài)系統(tǒng)的物質(zhì)循環(huán)的概念時(shí)須注意

（1）這里的“物質(zhì)”主要是指組成生物體的基本化學(xué)元素，而不是指由這些元素組成的細(xì)胞內(nèi)化合物。

（2）盡管被研究的生態(tài)系統(tǒng)有大有小，但物質(zhì)循環(huán)帶有全球性。

（3）物質(zhì)循環(huán)不是物質(zhì)的簡(jiǎn)單移動(dòng)，而是通過(guò)各種生命活動(dòng)及無(wú)機(jī)環(huán)境中的各種變化來(lái)實(shí)現(xiàn)，其中伴隨著復(fù)雜的物質(zhì)變化和能量轉(zhuǎn)換。

（4）生態(tài)系統(tǒng)的物質(zhì)循環(huán)離不開能量的驅(qū)動(dòng)。

5. 綜合運(yùn)用光合作用、呼吸作用、生態(tài)系統(tǒng)中能量流動(dòng)的知識(shí)分析碳循環(huán)的形式、過(guò)程和范圍（如下圖），分析比較物質(zhì)循環(huán)和能量流動(dòng)的聯(lián)系與區(qū)別。

6. 人類的活動(dòng)極大地影響物質(zhì)循環(huán)（如濫伐森林對(duì)碳循環(huán)的影響，化石燃料的大量燃燒與溫室效應(yīng)等），注意綜合運(yùn)用所學(xué)知識(shí)分析解決具體情景問(wèn)題。

溫室效應(yīng)：大氣中CO₂等增多，全球氣候變暖。

原因：綠色植被的破壞、化石燃料的燃燒，導(dǎo)致大氣中CO₂含量的升高；太陽(yáng)能輻射到地表后，其中大部分是以紅外線的形式重新輻射回大氣中，CO₂能夠吸收紅外線，大氣中CO₂含量的升高，過(guò)多地吸收紅外線中的能量，從而使大氣溫度升高，產(chǎn)生溫室效應(yīng)。

危害：冰川融化、海平面上升、氣候異常、危及生物多樣性。

緩解溫室效應(yīng)的措施：一是減少CO₂的釋放量，主要是減少化石燃料的使用，開發(fā)新能源（如太陽(yáng)能、風(fēng)能、核能等）替代化石能源；二是增加CO₂的吸收量，主要是保護(hù)植被，特別是保護(hù)好森林和草原，大力植樹造林，擴(kuò)大綠色植被的覆蓋面積。