生態系統的能量流動金字塔模型

汪正強 谷菊貴

一、創作背景

生態系統的能量流動是生態系統的三大功能之一，包括能量的輸入、傳遞、轉化和散失過程。本制作主要介紹如何構建物理模型及利用該模型來解釋能量流動的特點、能量流動的去向及能量散失等情況，借助構建出的模型正確地理解、解決相關的生態學問題。

二、作品構造

1.亞克力板圓環三塊。第一塊直徑20 cm，環長3 cm，厚5 cm。第二塊直徑13.9 cm，環長3 cm，厚5 cm。第三塊直徑7.8 cm，厚5 cm，中間開一個小孔，孔徑為1.1 cm。

2.將設計好的若干海報裁剪好后，分別粘貼于亞克力板的上、下面和側面。

3.高15 cm、直徑為1 cm的圓柱形小棒一根。

三、模型的構建與應用效果

1.模型主體包括大、中、小三塊亞克力板。大號構件正、反面均為圓環;中、小號構件正面是圓環，反面是圓盤。將中號圓盤面朝上放入最大的圓環中，將最小的圓盤朝上放入中號圓環中。通過觀察發現，除了最高營養級以外，一個營養級同化的能量，若限量不限時分析，可以劃分為三個去向：呼吸散失、流向下一營養級、流向分解者。

2.將構件從上到下依次疊放，擺成金字塔形。很容易觀察到，生態系統的能量沿食物鏈單向流動，即次級消費者同化的能量直接來自初級消費者，初級消費者同化的能量直接來自生產者，所有營養級的能量直接或間接來源于第一營養級。換言之，輸入到一個生態系統的總能量即為生產者固定的太陽能總量。

另外，從模型側面觀察，我們會發現能量流動的第二個特點：逐級遞減，因為從下往上看各構件的體積（間接表示各同化的能量值）越來越小。依此特點和規律，我們發現，營養級越高所同化的總能量越少，當能量足夠少時，便不足以繼續維持一個營養級存在了。所以，自然界中食物鏈的長度一般不會超過五個營養級。

3.所有營養級都存在呼吸散失量和流向分解者這兩部分去向，最高營養級的能量去向較其他營養級不存在流向下一營養級這一部分。呼吸散失量指通過生物的呼吸作用，最終以熱能形式散失到環境中的能量值、流向分解者的這一部分能量通過分解者的分解作用，最終也以熱能的形式散失到環境中。

俯視該模型或按壓模型使高營養級依次嵌入后再觀察，很容易發現輸入到一個生態系統的能量最終都以熱能形式散失到無機環境中。

四、創新點

1.將教材上的概念模型與數學模型的創新性轉化為物理模型，既直觀，操作性又強。

2.利用該模型能很好地展示能量的流動過程、特點及規律。

3.一具多用，巧妙地突破與解釋了生態系統能量流動的諸多難點。