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【转载】生态系统能量流动的定性定量解析  

2017-12-20 09:22:54|  分类: 高考生物必修3 |  标签: |举报 |字号 订阅

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吴  义(单位:宣城市宣州区孙埠高级中学,1072760131@qq.com)

摘要:定性定量分析生态系统的能量流动,抓住能量的输入、转化、传递和散失这一主线,理解能量传递效率、能量传递量、同化量及用于生长发育和繁殖的能量等知识点,掌握能量流动的规律。

关键字: 生态系统  能量流动 能量传递效率 同化量  初级生产量

生态系统的能量流动这节内容,在高中生物教学中有一定的难度,同时学生在学习这节内容时,确实有些难以理解的地方。要详细的掌握这节内容,可以从这一条主线分析入手,即能量的输入、转化、传递和散失,定性定量分析能量的流动过程,区分一些易混淆的生态学名词和生理过程,从而清晰理解能量流动中的难点。

一、从这一条主线四个点进行定性解析

1.能量的输入

生态系统中的能量流动,绝大多数开始于绿色植物的光合作用对于太阳能的固定,还有一少部分是以化能合成作用进入生态系统,这节内容是以植物做为生产者代表来阐述的。植物所固定的太阳能或所制造的有机物质称为初级生产量。

阳光照射到植物的叶片,部分光能被叶片吸收后,吸收后的一部分光能被植物色素吸收进行光合作用,也就是生产者固定的光能,或生产者同化的能量,其余的光能使叶片产生热量等。生产者进行光合作用后,才能得到外界能量,能量在生产者体内进行转化、储存和散失。

植物固定的能量有一部分被植物自己的呼吸消耗掉,剩下的可用于植物生长和生殖等生命活动,这部分生产量称为净初级生产量。而包括呼吸消耗在内的全部生产量,称为总初级生产量,如图1所示,总初级生产量就是生产者同化量。总初级生产量(GP)、呼吸所消耗的能量(R)和净初级生产量(NP)三者之间的关系是: GP=NP+R



生态系统能量流动的定性定量解析 - 衣带渐宽 - 衣带渐宽

图1

2.能量的

净初级生产量是生产者以上()各营养级所需能量的唯一来源。从理论上讲,净初级生产量可以全部被异养生物所所用,转化为次级生产量;但实际上,任何一个生态系统中的净初级生产量都可能流失到这个生态系统以外的地方去。还有很多植物生长在动物所达不到的地方,因此也无法被利用。总之,对动物来说,净初级生产量或因得不到、或因不可食、或因动物种群密度低等原因,总有相当一部分未被利用。即使是被动物摄入的,也有一部分通过动物的消化道排出体外。

当生产者被消费者捕食后,生产者部分净初级生产量被消化吸收进入消费者体内,进行了能量的递,没有消化吸收的净初级生产量就随消费者的粪便一直存在体外,以有机物的形式存在,最后被分解者利用。

3.能量的转化

在生产者体内,能量以光能进行光合作用形式输入,在体内转化为化学能,其一部分能量伴随自身的呼吸作用以热能散失。其中前者多于后者的能量以化学能储存在自身有机物中,用于生长发育和繁殖等生命活动,这就是能量在生产者体内进行了转化。

在消费者和分解者体内,能量是以有机物中的化学能进入体内,其一部分能量伴随自身的呼吸作用以热能散失,前者多于后者的能量以化学能储存在自身有机物中,用于生长发育和繁殖等生命活动。这就是能量在消费者和分解者体内进行了转化。

4.能量的散失

在生产者、消费者和分解者体内,部分能量是自身在呼吸作用时以热能的方式进行了能量的散失,进入无机环境中。

二、利用课本图中的数据来定量解析能量的传递

1.生产者与消费者的同化量 

 


生态系统能量流动的定性定量解析 - 衣带渐宽 - 衣带渐宽

图2

如图2所示,图中生产者的464.6 J/(cm2·a),就是生产者固定的能量,即生产者的同化量或初级生产量。生产者的净初级生产量为368.3 J/(cm2·a),计算公式为:464.6-96.3=368.3J/(cm2·a) 。

图2中植食性动物的62.8 J/(cm2·a),是植食性动物消化吸收生产者的有机物获得的能量,即植食性动物的同化量。植食性动物的有机物净积累量为44.0J/(cm2·a),计算公式为:62.8-18.8=44.0J/(cm2·a)。

图2中肉食性动物12.6 J/(cm2·a),是肉食性动物消化吸收植食性动物有机物得到的能量,即肉食性动物的同化量。肉食性动物的有机物净积累量为5.1J/(cm2·a),计算公式为:12.6-7.5=5.1J/(cm2·a)。

2.各营养级之间能量的传递量与传递效率

第一营养级到第二营养级的能量传递量是:62.8J/(cm2·a)

第一营养级到第二营养级的能量传递效率是:13.5%(62.8/464.6 ×100%=13.5%)

第二营养级到第三营养级的能量传递量是:12.6 J/(cm2·a)

第二营养级到第三营养级的能量传递效率是:20.1%(12.6/62.8 ×100%=20.1%)

第一营养级的能量解析:生产者通过光合作用获得的能量是464.6 J/(cm2·a),呼吸作用消耗96.3 J/(cm2·a),有机物积累的能量是368.3 J/(cm2·a),其有三个形式:植食性动物得到62.8 J/(cm2·a),自身的枯枝落叶等有机物中的能量被分解者得到12.5 J/(cm2·a),在该调查期间还以有机物存在自然界中是293 J/(cm2·a)。即:464.6=96.3+62.8+12.5+293。

第二营养级的能量解析:植食性动物获得的能量是62.8 J/(cm2·a),呼吸作用消耗18.8 J/(cm2·a),有机物积累的能量是44.0 J/(cm2·a),其有三个形式:被肉食性动物捕食获得12.6 J/(cm2·a),自身脱落的被毛皮屑、尸体等被分解者获得2.1 J/(cm2·a),在该调查期间还以有机物存在自然界中是29.3 J/(cm2·a)。即:62.8=18.8+12.6+2.1+29.3。

三、这节内容所涉及到的一些生态学专业名词和生理过程

1.摄入量与同化量

摄入量表示一个生物所摄取的能量。对植物来说,代表被光合作用所吸收的是光能。对动物来说,代表动物吃进的食物能量。

同化量表示在动物消化道内被吸收的能量,即消费者吸收所采食的食物能量。对植物来说是指在光合作用中所固定的光能。

理清它们之间的关系,还要了解消费者粪便所含物质的来源。粪便一般是人或动物的食物残渣排泄物。食物残渣在大肠内,其中一部分水分和电解质等被大肠黏膜吸收,经过细菌的发酵和腐败作用,即变成粪便排出体外。粪便含有食物中不能被消化的和没有被消化吸收的物质,消化道脱落的黏膜碎片和大量细菌,还有未被吸收的消化道分泌物等。对照同化作用的概念,不难发现,来自于食物而未被消化吸收部分的能量,并没有被这一级消费者所同化,即没有被吸收,始终位于消费者体外,没有进入消费者生物体内。实质上它属于上一营养级流向分解者的一个分支,而不是本级消费者流向分解者的能量。可见摄入的总能量并没有全部被该消费者所同化,当然也就不能看成是该营养级同化的总能量。
    同时,粪便中还有少部分能量不是来自于食物残渣,如前面提到的消化道脱落的上皮细胞等排泄物中的能量,因此,不能统一地把粪便中的能量就全部归于上一营养级的生物。

生态系统能量流动的定性定量解析 - 衣带渐宽 - 衣带渐宽

图3

 如图3所示,图中“未同化的”能量就形成了粪便中绝大多数的能量。

关于它们之间的关系大致可以这样来概括:摄食的能量=同化的能量+粪便中的部分能量。

生产者同化的能量就是初级生产量,扣去呼吸作用散失的能量,剩余的能量用于生长发育与繁殖等生命活动,也就是净积累的能量。

消费者同化的能量就是消化吸收的能量,扣去呼吸作用散失的能量,剩余的能量用于生长发育与繁殖等生命活动,也就是净积累的能量。

 2.同化效率与能量传递效率

能量传递效率又叫做林德曼效率,是指n+1营养级所获得的能量占n营养级获得能量之比或相邻营养级间的同化能量之比。而同化效率指被植物吸收的光能中被光合作用所固定的能量比例,或被动物摄食的能量中被同化了的能量比例。

同化效率=被植物固定的能量/吸收的光能;同化效率=被动物吸收的能量/动物的摄食量。

显然,这两个概念是有区别的。同化效率的高低不仅取决于该生物所处的营养级,还因食物性质不同而有差异,通常肉食性动物的同化效率要高于植食性动物。

图2中生产者能量的同化效率大约是0.1%(464/497228 ×100%=0.1%)。例如,蝗虫只能消化它们摄入食物的30%,其余70%将以粪便形式排出体外,同化效率是30%。

3.呼吸作用释放的能量与热能散失

在生物体内,1 mol的葡萄糖在彻底氧化分解以后,共释放出2870 kJ的能量,其中有1161 kJ左右的能量转移储存在ATP中,其余的1709 kJ能量都以热能的形式散失了。当ATP水解时,储存其中的能量就释放出来,用于生物体的各项生命活动。

流入下一营养级的能量中有一部分通过呼吸作用以热能形式散失了,但不能误认为呼吸作用释放的能量就全部转化为热能了,或经过其他中间途径最终也都转化为热能散失了。从生物化学角度分析,生物生长、发育和繁殖等生命活动的基本单体就是细胞,细胞的生长与分化的形成建立于细胞内生化反应的进行,其中就包括有放热散热过程。 因此不能把“呼吸作用散失”与“用于生长、发育和繁殖等生命活动”看成两个相互独立的分支,两者之间是相关联的。

 参考文献

1.李博:《生态学》,高等教育出版社2000年版,第208页

2.孙儒泳:《基础生态学》,高等教育出版社2002年版,第206页  

3. [美]E.P.奥德姆,孙儒泳 钱国桢等译:《生态学》,人民教育出版社,1981年7月第1版,第37页

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