半封闭人工生态系统实验的创新

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半封闭人工生态系统实验的创新
作者：陈亚光
来源：《发明与创新(学生版)》2011年第06期

实验在生物生态教学中，能为学生提供认知材料和学习情境，激发学生的学习兴趣，对科
学方法和思想的获得，以及对研究能力和创新能力的培养，都有十分重要的意义。

我设计一个半封闭人工小生态系统的实验，希望同学们试着做，体会生物学实验的重要
性，同时也巩固一下生态系统中生态因子之间的相互关系。

生态系统是指在一定时间和空间内，由生物群落与其环境组成的一个整体。各组成要素间
借助物种流动、能量流动、物质循环、信息传递和价值流动，而相互联系、相互制约，并形成
具有自调节功能的复合体。

它有四种成分组成：非生物的物质和能量、生产者、消费者、分解者，生产者、消费者和
分解者是紧密联系、缺一不可的。其中，生产者和分解者是联系生物群落与无机环境的两大
“桥梁”；生产者与各级消费者以捕食关系建立的食物链和食物网是生态系统的营养结构，是能
量流动和物质循环的渠道。

生态系统的结构应该包含两部分内容：生态系统的成分和食物链及食物网。

一、半封闭人工生态小系统的制作过程

1.非生物的物质和能量。
第一步，找一个大的透明塑料瓶，先在底部中央用电烙铁烫一个直径0.5cm左右的小孔，
在距底部2／5以上的部位，每隔1cm左右用电烙铁烙一个0.3cm左右的小孔，有绘画特长的
同学，可以先在塑料瓶壁上绘制出图案，再用电烙铁烙出自己喜欢的各种图形。

第二步，往瓶里装一些含大量腐殖质的优质栽培营养土，压实。注意：土的高度要低于瓶
下部2／5处1cm左右，以免以后浇水时水溢出。

第三步，把瓶放到阳台，“非生物的物质和能量”这一环节就做好了。
2.生产者。
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买一些带根的青年小白菜，选择一颗根部受损害较轻的，首先把外部的大片叶用剪刀从根
部去掉(注意：不要伤及根部)，留下3～4片小叶即可，然后把它种植到瓶里，浇足底水，放在
阳台上。不要让阳光直射，以免植株因水分过度蒸发而死亡，等到小白菜完全成活后，方可置
于阳光下，让其茁壮生长。

另外，要及时浇水，浇水要遵循“见干见湿”的原则，即土壤干了再浇水，每次浇水要做到
彻底浇透。大约两周左右，小白菜就会长满整瓶。

这样，“生产者”这一环节就做好了。
3.消费者。
同学们都喜欢饲养小动物，而那些既饲养方便又能给人带来快乐的，是所有同学的首选。
在这所有的家养小动物中，推荐蟋蟀和蝈蝈(即冬嘶)，这两种小动物取之简单，在花园里、农
田里，都有它们的踪影，或捉或买，很方便。
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蝈蝈是昆虫纲、直翅目、冬蜥科的昆虫，蟋蟀是昆虫纲、直翅目、蟋蟀科的昆虫，这两种
小动物的雄性个体前翅上有发音器。它们的翘翅左右摩擦，从而震动发音，发出音调，再经过
两前翅和身体之间形成的类似“共鸣箱”结构的共鸣，就可以“演唱”出动听晚耳的“歌声”，而雌
性个体是不会“叫”的。

等到小白菜几乎要长满瓶的时候，将一只雄性的蝈蝈或蟋蟀放到瓶中，盖上瓶盖，将瓶置
于阳台上即可。注意，因为，冬蜥科的昆虫和蟋蟀科的昆虫都有雄性间好斗的特性，所以，一
个瓶子只能放置一个雄性个体。

这样，“消费者”这一环节就做好了。
4.分解者。
土壤里有大量的细菌和真菌以及某些原生动物，能分解动植物的残体、粪便和各种复杂的
有机化合物，吸收某些分解产物，最终能将有机物分解为简单的无机物，并把它们释放到环境
中去。

另外，也可以放置一两条蚯蚓，蚯蚓是腐食性环节动物，可以充分利用有机废物，像小白
菜的残枝败叶，蝈蝈、蟋蟀的粪便，都是蚯蚓的食物，蚯蚓把这些东西吃下以后，可以将其转
化为肥料，供小白菜生长发育的需要。蚯蚓的活动还能疏松土壤，促进根的发育和吸收营养物
质。

这样，“分解者”这一环节就做好了，整个人工生态小环境也就做好了，我们把它叫做“生
态瓶”。

二、生态瓶的食物链和物质循环及能量流动

1.生态系统中的食物链。
生态系统中，由食物关系把多种生物联接起来，一种生物以另一种生物为食，另一种以第
三种生物为食……彼此形成一个以食物联接起来的链锁关系。

在这个人工生态小环境中，含大量腐殖质的优质栽培营养土，富含大量的可供小白菜生长
发育的矿质元素，阳台上窗台外的阳光，以及通过生态瓶的外壁上的小孔进出的空气，共同组
成了“非生物的物质和能量”；小白菜从生态瓶中的土壤里吸收水分和矿质营养，从空气中吸收
CO2利用阳光，将水和CO2合成糖类，再进一步合成其他有机物，以满足生长发育的需要，所
以，小白菜是“生产者”。
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在生态瓶里，蝈蝈或蟋蟀是动物，自己不能利用C02和水合成有机物，它们以小白菜的嫩
叶为食，所以，蝈蝈或蟋蟀是“消费者”；土壤里有大量的分解者，主要是细菌和真菌以及某些
原生动物，以及蚯蚓，它们能够充分利用蝈蝈或蟋蟀的粪便和小白菜的残枝败叶，分解为简单
的无机物，并把它们释放到小生态环境中去，所以，它们是“分解者”。

在这个生态瓶中，共有两条食物链：
A、捕食性食物链：其构成形式是：小白菜一蝈蝈或蟋蟀；
B、腐生性食物链：小白菜残体及蝈蝈或蟋蟀的粪便一蚯蚓一微生物(或者小白菜残体及蝈
蝈或蟋蟀的粪便一微生物)。

2.物质循环链。
生态瓶里，物质循环是各种物质在半封闭的条件下，在一定的程度上，各种物质反复循环
利用，并且体现物质是能量的载体，使能量随食物链流动。

生态瓶的物质循环如下图所示：

3.能量流动链。
生态系统的能量流动具有单向性和逐级递减。生态瓶的能量流动如下图所示：

4.能色量流动和物质循环的区别和联系。
能量流动和物质循环的区别在于：物质循环中，多种物质反复循环利用，而能量流动则是
单向流动，并逐级递减；二者的联系在于物质循环是能量的载体，使能量随食物链流动而流
动，能量流动作为动力，使得物质反复循环利用。

5.生态平衡。
生态系统中的能量流和物质循环在通常情况下总是平稳地进行着，与此同时，生态系统的
结构也保持相对的稳定状态，这叫做生态平衡。在这个半封闭人工小生态系统中，生产者、消
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费者以及分解者在一定时间内，结构和功能处于相对稳定状态，其物质和能量的输入输出接近
平衡。

6.生态瓶内小环境。
一般情况下，不用给蝈蝈或蟋蟀添加其他食物，瓶里小白菜每天的生物同化量，足够蝈蝈
或蟋蟀取食，而小白菜的残枝败叶和蝈蝈或蟋蟀的排泄物，也可以满足一两条蚯蚓和微生物的
分解需要。

但是，这个生态瓶不是完全的密闭状态，而是半封闭，为了调节瓶内的温度、湿度以及
C02的含量，瓶壁上应凿很多小孔，防止温度和湿度过高。另外，如果瓶内的土壤干燥，要及
时浇水，以满足小白菜对水的需求。

这个系统维护起来方便、简单，非常适合中学生制作，既学习了生物知识；掌握了实验操
作技能，又结识一个“小伙伴”，欣赏它们快乐、悦耳的歌声。

三、学生自己动手做实验的意义

1.培养了学生学习的兴趣。
实验教学可以充分调动学生学习兴趣，通过看得见、感受得到的实验现象，能使学生始终
处在良好的情绪状态中学习，充分调动学生的学习兴趣，使得学生学习的主动性、积极性都得
到充分的发挥。

通过自己动手做实验，使学生认识到生态系统各成分间是紧密联系、缺一不可的，体会进
行保护生态环境的重要性；再者，通过自己动手制作并维护生态瓶，可以让学生认识到生态系
统是一个生物与环境组成的统一整体，生物与环境是相互联系、相互影响的。

2.培养学生动手能力和培养学生观察能力。
实验操作是培养学生动手能力的最好机会和途径；让学生有目的地去实验，集中注意力去
观察，尤其要观察每一点细微的变化和现象，学会准确描述实验现象和结果。

3.培养学生的思维能力和学生的探究能力。
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