逍遥学能 2014-05-25 10:37
摘 要：“系统分析法”是必修3科学方法的侧重点之一，也是培养学生生物科学素养和科学的世界观、方法论的重要内容。本文结合实例介绍“系统分析法”在生态系统结构和功能分析的应用。
关键词：系统分析法 定性分析 定量分析
生态系统作为一个开放的生命系统，对其结构和功能的分析应采用“系统分析法”。所谓系统分析就是利用数学的概念和方法，采用系统科学的研究途径来解决复杂的系统问题。具体地说是指把要解决的问题作为一个系统，根据系统的性质和关系，在明确系统的边界后，对系统要素进行综合分析，分析系统组成要素、层次结构以及各组分间相互影响的定量关系，建立系统的数学模型，优化系统结构，实行系统调控，实现优化系统功能，进而找出解决问题的分析方法。用系统分析方法研究生态系统各部分的相互联系及其整体功能已成为生态学研究的发展趋势。因此，在高考复习备考中只有深刻领悟系统分析的方法和思想，才能更好的把握生态系统这个生命系统的结构和系统内部及其与外界环境之间进行的物质交换、能量流动和信息传递的功能。
高中阶段对于生态系统的系统分析涉及到定性分析和定量研究两个阶段。下面结合实例介绍“系统分析方法”在生态系统结构和功能分析的应用。
1．定性分析
包括划分系统边界、确定系统组分、分析系统结构层次、明确问题及研究目标。边界指系统的范围，生态系统的范围可大可小，其中最大的生态系统是生物圈，研究生态系统时可根据研究的需要划定范围；生态系统组成成分，即生产者、消费者、分解者组成的生物成分和非生物的物质和能量组成的无机环境；结构包括时空结构和营养结构。
例1． 下面表格表示某生态系统的食物网情况（相应动物右边格中的√表示此动物胃中含有上面的生物），请据表分析回答：
植物
食植昆虫
食虫昆虫
蛙
食虫鸟
鼠
蛇
鹰
食植昆虫
√
食虫昆虫
√
蛙
√
√
食虫鸟
√
√
鼠
√
蛇
√
√
√
鹰
√
√
√
⑴该生态系统共有___________条食物链。
⑵如果该生态系统中能量传递效率平均为10%，那么若第一营养级的同化能量为2×107kJ，则鹰最终获得的最大能量值是______________。
⑶鹰处于第五营养级的食物链有____________条。
⑷蛇和鹰的关系是______________。
⑸要使生态系统完整，还需要增加的成分是__________________。
解析：此题考查生态系统的结构及分析。生态系统结构包括生态系统的成分和营养结构（食物链和食物网）。食物链是在一个生态系统中，各种生物通过食物关系而建立的一种联系。由于各种生物食性复杂性致使各种生物在一个生态系统中彼此交错联系形成复杂的食物网。在题中生态系统中，各种生物通过食物关系建立的食物网如图：
查食物链的数目，一定要从生产者开始到该链的最高级为止，中间不能停，也不能从中间开始，该食物网共有8条食物链；获得最大能量要根据最短的食物链计算，即植物→鼠→鹰，如果该生态系统中能量传递效率平均为10%，若第一营养级的同化能量为2×107kJ，则鹰最终获得的最大能量值是2×107kJ×10%×10%=2×105kJ；不同食物链生物之间的关系不同，蛇吃食虫鸟或鼠等时与鹰的关系为竞争，鹰吃蛇时为捕食关系；完整的生态系统包括生产者、消费者、分解者生物成分和非生物的物质和能量。?
答案：（1）8（2）2×105kJ （3）3（4）竞争和捕食（5）非生物物质和能量及分解者
2．定量分析：定量分析是基于数学工具进行定量研究各组分间的影响关系、建立系统数学模型的过程。生态系统都是开放系统，系统与环境之间具有物质、能量和信息的交流，两者相互联系、相互影响，共同组成一个统一的整体。每个生态系统都具有一定的自动调节能力，在不断变化的环境条件下，依靠自我调节机制维持其稳态，实现物质循环和能量流动的相对稳定，最后达到生态平衡状态。通过对生态系统功能的定量分析，便于把握其变化规律。
例2． 在生态系统中，生产者通过光合作用固定的能量称为总初级生产量。生产者固定的能量一部分被自己呼吸作用消耗掉，剩下的可用于生长、发育和繁殖，这部分能量称为净初级生产量。下表列出四个生态系统中总初级生产量与总入射日光量、生产者呼吸消耗量与总初级生产量的比值。
玉米田
荒地
甲湖泊
乙湖泊
总初级生产量/总入射日光量
1．6%
1．2%
0．4%
0．1%
生产者呼吸消耗/总初级生产量
23．4%
15．1%
22．3%
21．0%
⑴四个生态系统中，光能利用效率最高的是_________，总初级生产量转化为净初级生产量比例最高的生态系统是_________。
⑵下图表示草原生态系统中具有食物关系的甲、乙、丙、丁四个种群和分解者的能量相对值。请在虚框内绘制由甲、乙、丙、丁四个种群形成的食物网简图。
⑶根据第（2）小题的信息，在下图虚框中用文字补充完成能量流经丙种群的情况。
解析：⑴生态系统对太阳能的利用率等于总初级生产量/总入射日光量，根据表中数据可知光能利用效率最高的是玉米田；生产者固定的能量一部分被自己呼吸作用消耗掉，剩下的可用于生长、发育和繁殖，这部分能量称为净初级生产量。结合表中数据总初级生产量转化为净初级生产量比例最高的生态系统应该是生产者呼吸消耗/总初级生产量最小的荒地。
⑵食物网是在一个生态系统中各种食物链彼此交错连接构成的复杂网状结构。而典型的食物链是有生产者和各级消费者构成的捕食链，分解者不参与捕食链构成。这样根据生态系统能量流动沿着食物链逐级递减，且传递效率10～20%的规律，便可写出甲、乙、丙、丁四个种群形成的食物网简图。
⑶能量流经某一营养级时，从系统分析角度分析，一部分用于自身呼吸作用消耗，以热能形式散失；另一部分用于生长发育和繁殖，这部分能量可以传递给下一个营养级，也可通过遗体残骸传递给分解者，被分解者利用。由于丙属于最高营养级，它所同化的能量不再往下一营养级传递。
答案：⑴玉米田 荒地⑵
⑶
总之，系统分析法的本质是一种根据客观事物所具有的系统特征，从事物的整体出发，分析整体与局部、部分与部分、整体与外部环境之间的相互关系的现代科学方法。在“稳态与环境”模块中的“描述群落的结构特征”、“讨论某一生态系统的结构”、“阐明群落的演替”、“分析生态系统中的物质循环和能量流动的基本规律及其应用”、“阐明生态系统的稳定性”、“探讨人口增长对生态环境的影响”、“关注全球性环境问题”等知识点，以及 “调查当地自然群落中若干种生物的生态位”、“调查或探讨一个农业生态系统中的能量流动”、“调查当地生态环境中的主要问题，提出保护建议或行动计划”等活动中，都渗透和利用系统分析的思想和方法，学习这部分内容和复习备考时要灵活加以运用。
[变式训练]
1．近年来在防治稻田虫害方面进行了多种尝试，如①构建稻—萍—鱼生态系统，在该系统中，虽有危害水稻的病菌、害虫和杂草，但鱼的活动可起到除虫、松土和增氧的作用，红萍叶片内的蓝藻固氮可促进红萍和水稻生长；②培育转Bt基因抗虫水稻，减少虫害。此外，一些水稻遭遇虫害时会释放某些物质，引来天敌消灭害虫，科学家称之为稻田三重营养关系。
根据上述材料，请回答下列问题：
⑴指出在稻—萍—鱼生态系统中存在哪些种间关系。（各举一例）
⑵在稻田三重营养关系中，水稻通过 信息引来天敌，防治害虫。
⑶转Bt基因抗虫水稻不可能一劳永逸地解决虫害问题，因为 。
⑷画出稻—萍—鱼生态系统的能量流动图（不考虑与人的联系）。?
2．某研究小组的同学利用样方法研究野生山坡上A、B、C三个不同地点的植物群落，他们也测量了各种土壤特征和环境因素，结果见下表。根据所得数据回答问题：
植物种类
地点A
地点B
地点C
非生物因素
地点A
地点B
地点C
草
3
5
9
风速
低
高
高
蕨类
7
5
8
距地1．5米的光强
低
中
高
灌木
15
4
2
土壤湿度（%）
48
35
15
松树
0
2
0
土壤的有机物（%）
6．5
3．8
205
落叶树
20
5
0
土壤深度（cm）
＞300
≈100
＜15
土壤氨量（mg?kg-1）
9．4
4．5
2．3
⑴根据调查结果判断，物种丰富度最大的地点是 。如果分别用甲、乙表示地点B中的两种松树，二者之间的物种关系可表示为下图中的 。
⑵如果遭遇山火，山坡的植被彻底烧光，原地点将发生的群落演替属于 。
⑶参考表中非生物因素，落叶树在地点C不能生长的原因是 、 （至少说出两个原因）。
⑷下图方框中表示被调查地点的生态系统，用箭头画出该生态系统能量流动的模型。
变式训练答案：
1．⑴捕食：虫吃水稻（或杂草）或鱼吃虫（或其他草食动物）；竞争：水稻（或红萍）与杂草竞争；寄生：病菌寄生在水稻上；互利共生：红萍与蓝藻共生⑵）化学⑶昆虫会进化（或产生抗性）?⑷见图
2．⑴A C⑵次生演替⑶土壤深浅度，不足以支持高大树木的生长 土壤湿度小，水分不足以支持树木的生长 土壤氨的含量低，缺少养分供树木生长⑷画出输入（光能）、输出（呼吸释放的热能）、系统内的流动（生产者到消费者和分解者、消费者到分解者）