生态系统的能量流动金字塔模型

◆安徽省铜陵市实验高级中学 汪正强

安徽省铜陵市第二中学 谷菊贵

一、创作背景

生态系统的能量流动是生态系统的三大功能之一，包括能量的输入、传递、转化和散失过程。本制作主要介绍如何构建物理模型及利用该模型来解释能量流动的特点、能量流动的去向及能量散失等情况，借助构建出的模型正确地理解、解决相关的生态学问题。

二、作品构造

1.亚克力板圆环三块。第一块直径20 cm，环长3 cm，厚5 cm。第二块直径13.9 cm，环长3 cm，厚5 cm。第三块直径7.8 cm，厚5 cm，中间开一个小孔，孔径为1.1 cm。

图1 亚克力板圆环

2.将设计好的若干海报裁剪好后，分别粘贴于亚克力板的上、下面和侧面。

3.高15 cm、直径为1 cm的圆柱形小棒一根。

图2 海报

三、模型的构建与应用效果

1.模型主体包括大、中、小三块亚克力板。大号构件正、反面均为圆环；中、小号构件正面是圆环，反面是圆盘。将中号圆盘面朝上放入最大的圆环中，将最小的圆盘朝上放入中号圆环中。通过观察发现，除了最高营养级以外，一个营养级同化的能量，若限量不限时分析，可以划分为三个去向：呼吸散失、流向下一营养级、流向分解者。

图3 模型主体的组成部分

2.将构件从上到下依次叠放，摆成金字塔形。很容易观察到，生态系统的能量沿食物链单向流动，即次级消费者同化的能量直接来自初级消费者，初级消费者同化的能量直接来自生产者，所有营养级的能量直接或间接来源于第一营养级。换言之，输入到一个生态系统的总能量即为生产者固定的太阳能总量。

另外，从模型侧面观察，我们会发现能量流动的第二个特点：逐级递减，因为从下往上看各构件的体积（间接表示各同化的能量值）越来越小。依此特点和规律，我们发现，营养级越高所同化的总能量越少，当能量足够少时，便不足以继续维持一个营养级存在了。所以，自然界中食物链的长度一般不会超过五个营养级。

3.所有营养级都存在呼吸散失量和流向分解者这两部分去向，最高营养级的能量去向较其他营养级不存在流向下一营养级这一部分。呼吸散失量指通过生物的呼吸作用，最终以热能形式散失到环境中的能量值、流向分解者的这一部分能量通过分解者的分解作用，最终也以热能的形式散失到环境中。

俯视该模型或按压模型使高营养级依次嵌入后再观察，很容易发现输入到一个生态系统的能量最终都以热能形式散失到无机环境中。

图5 模型俯瞰图

四、创新点

1.将教材上的概念模型与数学模型的创新性转化为物理模型，既直观，操作性又强。

2.利用该模型能很好地展示能量的流动过程、特点及规律。

3.一具多用，巧妙地突破与解释了生态系统能量流动的诸多难点。

图4 模型主体效果图