定义 将生态系统中各营养级生物同化量按从低到高排列,形成的呈正金字塔形的能量流动模型。
从哪来 基于3. 营养级的概念,明确了能量流动的路径节点,进而构建出1. 能量金字塔的量化结构。
为什么 能量在流经生态系统各个营养级时,由于呼吸作用散失热能、未被利用及被分解者利用等原因,只有10%-20%的能量能流入下一营养级。这种逐级递减的特性,决定了高营养级生物获得的能量必然少于低营养级,从而在图形上表现为底部宽、顶部窄的正金字塔结构。
讲法
类比“工资层层扣税”法
适合:对抽象概念理解困难、喜欢生活化类比的学生
把生产者比作“公司总部”,初级消费者是“部门经理”,次级消费者是“主管”。总部发100万预算(同化量),经理拿到手后,要交房租(呼吸消耗)、买办公用品(未利用),最后只能给主管发10-20万。主管再往下发,钱就更少了。问学生:如果主管想给实习生(三级消费者)发工资,钱够吗?为什么越往上发,能拿到的钱越少?
讲法
数学函数递减法
适合:逻辑性强、擅长数学建模的学生
设定生产者同化量为 $E_0$,传递效率为 $k$($0.1 \le k \le 0.2$)。
第一营养级能量:$E_0$
第二营养级能量:$E_1 = E_0 \times k$
第三营养级能量:$E_2 = E_1 \times k = E_0 \times k^2$
...
第 $n$ 营养级能量:$E_{n-1} = E_0 \times k^{n-1}$
因为 $0 < k < 1$,所以 $k^{n-1}$ 随 $n$ 增大而急剧减小。画图时,横轴是营养级,纵轴是能量,连接各点即为金字塔。强调这是指数衰减模型,而非线性减少。
讲法
物质守恒与热力学第二定律法
适合:物理基础好、喜欢探究本质的高阶学生
从热力学第二定律切入:能量转化具有方向性且伴随熵增。生物体维持生命活动必须通过呼吸作用将有机物中的化学能转化为热能散失到环境中,这部分能量无法被生物体再次利用(能量不循环)。因此,每一级生物体“存”下来的能量(用于生长、发育、繁殖)必然少于“进”来的能量。金字塔形状正是能量耗散不可逆性的直观体现。