例说生态学几则疑点
广东省深圳市育才中学(518066) 夏献平
高中生物学教学过程中,不少内容因为我们理解的不透彻,或者教材及相关教学参考资料存在的不严密,或者相互存在着矛盾等原因而给中学教学和评价带来了一定的困惑.下面列举几例做简要分析.
1 关于生态系统的稳定性
人教社高中生物必修教材第二册(2004年9月第二版)P94:"生态系统所具有的保持或恢复自身结构和功能相对稳定的能力,叫做生态系统的稳定性."这里涉及到"稳定"和"稳定性"二个相近的词,由于《现代汉语词典》等工具书认为"稳定"也有"使……稳定"的含义,所以"稳定"和"稳定性"二个概念很容易被混用.值得注意的是,"稳定性"已成了具有特定内涵的生物学专用名词,不可简单地与"稳定"等同.下面做一比较.
1.1 "稳定"与"稳定性"的区别.对生态系统而言,"稳定"是指包括"相对不变"之类含义的现象或者状态,而"稳定性"是保持原状或者被干扰或破坏后恢复原状的能力.可见,"稳定"的保持或恢复的水平是 "稳定性"的重要指标.
应该指出的是,"稳定性遭到破坏"这样的提法是有歧义的.因为"稳定状态的破坏"不等于"稳定性被破坏".例如,生态系统的结构和功能遭到严重破坏,其恢复力稳定性依然存在.具体实例之一是,草原遭遇火灾等被破坏后经过一定时间仍然能恢复"稳定",说明当初只破坏了"稳定"并没破坏其"恢复力稳定性",当然,破坏"稳定"的同时,也削弱或破坏了"抵抗力稳定性".
1.2 "恢复"与和"恢复力稳定性"的区别."被污染的水域恢复了原来稳定的状态"这一实例,是说明了生态系统具有"恢复力稳定性"还是"抵抗力稳定性" 按教材的理解,轻度污染后的恢复,说明了抵抗力稳定性的存在;若是重度污染导致生态系统的结构和功能遭到破坏后的恢复则说明生态系统"恢复力稳定性"的存在.可见,"恢复"是个过程,而"恢复力稳定性"是 "能力"层面上的描述."恢复"功能的存在对未破坏而仅仅是受到干扰的生态系统来说,只是说明了其有自动调节能力,或者说具有抵抗力稳定性;而对被破坏的生态系统来说,却是说明了其具有恢复力稳定性.从这个意义上说,恢复力稳定性事实上也反映了"恢复"的难度,恢复力稳定性越强,意味着恢复的难度越小.
1.3 森林与草原相比,谁的稳定性强.上述教材有这样一道题:要求判断"森林比草原稳定性强"这句话是否正确.不难看出,这句话是不对的,原因是森林的恢复力稳定性比草原的弱,配套的教学参考书的答案就是这一观点.可是教材却有"提高生态系统的稳定性"的叙述.其将"生态系统稳定性"看成是"生态系统抵抗力稳定性"的代名词.显然,这是欠严密的.因为,它忽视了"恢复力稳定性"的存在之事实,若此按一般理解,"森林比草原稳定性强"这句话也是对的.可见,只有全面把握了"抵抗力稳定性", "恢复力稳定性"与"稳定性"的具体内涵后,我们对教材的理解才准确和科学.
2 腐殖质的积累与分解
2.1 什么是腐殖质
简单来说,腐殖质是土壤中特有的较稳定的的含氮相对较多的高分子有机化合物.它对土壤的理化性质和生物学性质有重要的影响.
腐殖质虽是较稳定的化合物,但可被缓慢的分解,为植物生长提供有效的养分.其分解速度与温度,湿度和通气状况等因素密切相关.陆地生态系统中,通常纬度高,湿度小的地区,分解速度就越慢,有利于有机物的积累.如,热带稀树草原的分解速率比温带草原快得多,一般看不到凋落层,土壤中也很少有腐殖质的积累.
2.2 实例分析.
例1 [2003年北京春季高考理综试题]单位面积计,热带雨林中残枝落叶较温带森林的多,土壤中有机物的积累量一般是
A.热带雨林小于温带森林 B.热带雨林大于温带森林
C.热带雨林等于温带森林 D.热带雨林与温带森林无法比
分析 :热带雨林的分解者活动活跃,所以分解作用快,有机物积累量少.
答案:A
例2 [1993年IBO试题]下图是两个生态系统中腐殖质总量随时间而发生变化的情况,这是指哪两个生态系统
A 热带草原 热带雨林 B 热带雨林 温带阔叶林
C 冻土苔原 热带雨林 D 热带草原 温带草原
分析 生态系统的差异,直接表现在腐殖质积累速度的差异上,具体可显示在相关曲线差异上. 由于选项A,B和D所分别表示的三对生态系统的差异不明显,而曲线Ⅰ与曲线Ⅱ差异却明显,所以不符合要求.只有选项C符合要求.仔细分析是有道理的:曲线Ⅰ是表示冻土苔原,位于高纬度地区,腐殖质的积累则需经历漫长的时间才能达到最大值,且积累量相对较大;曲线Ⅱ是表示热带雨林,位于低纬度地区,腐殖质的积累只需短时间便能达到最大值,且积累量相对较小;二者的积累速度相差最大.
答案:C
比较 例1与例2的区别是,前者讨论的是积累量,后者不仅讨论了有机物的积累量,也涉及到积累的速度.二题并不矛盾.它们的共同点是热带雨林积累的量相对少.
3 物质与总能量的含义
物质的含义.上述教材第93页:"能量的固定,储存,转移和释放,离不开物质的合成和分解等过程.物质作为能量的载体,使能量沿着食物链(网)流动;能量作为动力,使物质能够不断地在生物群落和无机环境之间循环往返……".引文中有三处提到"物质",其内涵是否一致 前2处物质事实上是指"有机物",而第3处则是指"化学元素".也就是说前2处的"物质"与"物质循环"中的物质(组成生物体的基本化学元素)的含义不一,后者才与其相统一.
总能量的含义.生态系统的"总能量"是指什么 "流经生态系统的总能量"与"生态系统的总能量"是有区别的.上述教材第89页:"生产者固定的太阳能的总量便是流经这个生态系统的总能量,这些能量是沿着食物链(网)逐级流动的","能量在沿食物链流动的过程中是逐级减少的".下面通过一道题目进行讨论.
例3 [2002年广东高考第41题第3小题]下表是对某水生生态系统营养级和能量流动情况的调查结果,表中A,B,C,D分别表示不同的营养级,E为分解者.Pg表示生物同化作用固定能量的总量,Pn表示生物体贮存的能量(Pn=Pg-R),R表示生物呼吸消耗的能量.�サノ�:102千焦/m2/年

Pg
Pn
R
A
15.9
2.8
13.1
B
870.7
369.4
501.3
C
0.9
0.3
0.6
D
141.0
61.9
79.1
E
211.5
20.1
191.4
分析回答:从能量输入和输出角度看,该生态系统的总能量是否增加 为什么
分析 有人一看到能量变化,就想到能量是逐级递减的,而将此题答成"不能增加".显然,这是误解.一个生态系统的总能量,一般指生物群落所贮存的能量的总和.判断该生态系统总能量是否增加,应该比较总输入和总消耗的数量.对本题目而言,该生态系统输入的总能量是生产者固定的总能量[Pg=870.7102千焦/(m2/年)]输出的总能量是所有生物呼吸消耗的能量[(R)=785.5千焦/(m2/年)],输入大于输出,总能量增加.
答案:(3)增加�じ蒙�态系统输入的总能量大于所有生物消耗能量之和或答Pg(生产者的)>R(所有生物的呼吸消耗)
讨论 不难看出,"流经生态系统的总能量"不同于"生态系统的总能量".前者是"生产者固定的太阳能的总量",指输入生态系统的能量,是逐级递减的,而后者的增减则是由输入与输出能量的多少所决定的,可能增加也可能减少;它们在生态系统发生,发展和成熟等过程中是变化的.根据发育状态,总体上可将生态系统可分为三类:一是增长系统.能量的输入超过输出,总生产量超过总呼吸量,多余的能量参与系统内部结构的改变;二是平衡系统.即能量的输入和输出相等,系统的净生产量大致等于零.三是衰老系统.能量输出比输入多,系统变小或较不活跃.
在局部时间段做分析,如果生态系统在一段时间内停止进行光合作用,意味着此时间内停止了能量的输入,而呼吸作用会继续进行,也意味着这一阶段"生态系统的总能量"会减少,而此时能量流动过程还可进行.例如,植物等低营养级的生物在夜间也会被高营养级的动物所食.对从诞生到达到稳定状态的生态系统来说,总体上看"流经生态系统的总能量"总是大于"生态系统的总能量",它们总是处在动态变化中.
因此, "生态系统的总能量"与"流经生态系统的总能量"既独立的,又相关.其独立主要表现在,其变化具有不一致性.例如,对一个处在稳定状态的生态系统来说,生产者在不进行光合作用的时间,"流经生态系统的总能量"为0,而"生态系统总能量"却不会是0,只是有减少的趋势.只要有生态系统的存在,或者说只要有生物的存在,"生态系统总能量"就一定大于0.其相关性主要表现在,在一定的时间内,"流经生态系统的总能量" 超过"呼吸消耗的总能量"越多,"生态系统的总能量"增加得也就越多.反过来说,"生态系统总能量"的增加的表现之一往往会使生产者数目的增加或体积的增大,势必带来固定太阳能的能力增强,而使"流经生态系统的总能量"有增加的可能.
参考文献:
1.夏献平.高中生物教材的主要特色.生物学杂志.2001.3:P24( )
2.碧霞等.在稳定中寻求发展.中学生物教学.2005.5:P1
刊登于《生物学杂志》2005年第6期
习题分析2007.1.16
对两道题的分析
1,在1957年,美国的生态学家H.T.Odum对佛罗里达州的银泉进行了生态系统营养级和能量流动情况的调查,下表是调查结果.表中的①,②,③,④分别是表示不同的营养级,⑤为分解者.GP表示生物同化作用所固定的能量,R表示生物呼吸消耗的能量,NP表示生物体贮存着的能量(NP=GP-R),下列叙述中正确的是
单位:102千焦/m2/年
GP
NP
R
①
15.91
2.81
13.23
②
871.27
369.69
501.58
③
0.88
0.34
0.54
④
141.20
62.07
79.13
⑤
211.85
19.26
192.59
A.生态系统能量流动的渠道可能是②→④→①→③→⑤
B.能量在初级消费者和次级消费者之间的传递效率约为5.5%
C.若该生态系统维持现在的能量输入,输出水平,则有机物的总量会增多
D.④营养级GP的去向中,未被利用的能量有一部分残留在自身的粪便中
分析与思考:此题是从一道高考题变来的(2002广东)解决此题的关键是理解GP和NP的含义.讨论的最难点在于C项.关于C项的解释网上讨论比较多.现附后.从下文看,我在理解时也发生了偏差,即计算输出水平的能量时,没有把分解者的能量计算在内,只计算了生产者和消费者的R值.而恰巧的是:能量输入减去输出也是正值,所以有机物会增多,虽然结论对了,但理解错了.
2,.(12分)植物在生长发育过程中常常表现出顶端优势,即顶芽具有优先生长的优势.为 了探究同一枝条中是离根基部最远处(直线距离)的芽具有生长优势还是离地面最远处 (垂直距离)的芽具有生长优势,某学习小组进行了一系列的探究活动.
方法步骤:
(1)初春,选择四根长势相似的葡萄一年生枝条,每一枝条上留取3个茁壮的芽,从离根最远处依次定为A,B,C.
(2)弯曲并绑扎固定甲,乙,丙,丁4根枝条,分别使A,B,C三个芽留取在枝条上显示出某种"顶端"的含义;其中甲,乙,丁的姿态如下图所示,试在方框内画出丙枝条的姿态并标出A,B,C三个芽的位置.
(3)过一时间段后,同时测量各芽发育成的新枝长度,请你设计一表格,以便科学地记录数据:
结果预测及相关结论
(4)预测1:
结论:离根基部最远处的芽有生长优势.
(5)预测2:
结论:离地面最远处的芽有生长优势.
(6)预测3:甲中的A芽,乙中的A和C芽,丙中的A和B芽在各枝条中发育成的新枝
最长,丁中的A,B,C芽发育成的新枝一样长,结论: .
(7)在这个学习小组中,有人根据自己的实验假设预测了在同一时间内各个芽发育成新 枝长度,并根据自己的预测,在电脑上用Excel软件绘制出新枝的生长情况柱状图,如下图所示.
由上图分析可知,此人的预期是:甲,乙,丙枝上发育生长最快的芽依次是
(填字母),此人的实验假设是:
答案:
(12分)
(2)如图(2分)
(3)(2分)
枝 别
长
度
芽别
甲
乙
丙
丁
A
B
C
(4)甲,乙,丙中均为A芽发育成的新枝最长,丁中各芽发育成的新枝一样长.(2分)
(5)甲中A芽,乙中C芽,丙中B芽在各枝条中发育成的新枝最长,丁中各芽发育成的新枝一样长.(2分)
(6)离地面最远处和离根基部最远处的芽具有同样的生长优势.(2分)
(7)A,C,B(1分) 离地面最远处的芽有生长优势.(1分)
分析及思考:
[分析]该题中的实验目的是:探究同一枝条中的直线距离和垂直距离最远处的芽,哪一个具有顶端优势.
依据该实验目的,应设计的变量昨看是两个,一个是直线距离的不同,一个垂直距离的不同.出现这样的问题怎么办.该题用了一个巧妙的办法:即以其中的一个因素为变量(该题用垂直距离),而另一个则为不变量(该题用直线距离).以变量为主线设计实验,不过在设置变量时,就尽量做到其它因素不变.
另外,此题既然探讨"最远".那至少设置三个系列变量,即最远,适中,最近.再加上一个对照,所以应设置4个实验.就是题中的甲,乙,丙,丁4个实验,不难看出丁为对照组.
分析到此,可以看出甲图中的变量为A点垂直距离最远;乙图中的变量为C点垂直距离最远;丙图中自然就是B点垂直距离最远为变量了.哪怎么想起来是用垂直距离作为变量的呢 是从丁图中分析得知的,丁图既然作为对照,用A,B,C三点的垂直距离相等.哪能不能设置直线距离为变量呢 我觉得也可以,只不过对照实验的枝条应该就是以根基部为园心的的图弧形了.
变量设置好后,就要考虑在设置变量时如何达到另一个因素不变,该因素就是直线距离,也是求最远,所以也要设置三个,所以取了三个点(ABC三点).不过在此实验中,甲乙丙丁四组中,都要想办法达到一个因素不变:即一个点最远(如A点),一个点适中(如B点),一个点最近(如C点),而且这三个点在实验中互为对照.
[思考]:遇到看似两个变量的问题,要想办法用一个变量来解决,这样才能遵循单一变量的原则.涉及到"最远","最近"等之最的问题,至少要设置三组实验,如果加上对照实验,应为四个.
附: