農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的能量流

1、第四章 農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的能量流第四章農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的能量流Chapter 4 En ergy flow in the agroecosystemJ HRW4I Fi 4 ir. -iThdtHlrH KHI li U -FWhllmFlrw! TrofjhiG Levol沁TOTKi TrosphicTtiarEl TrcifHilGL-evne1! 口ijrt li 中的皿 ILeviPrliniBryO MW LhmMFB任何生命過(guò)程無(wú)不自始至終貫穿著能量、物質(zhì)和信息的有組織、有做功，是生態(tài)系統(tǒng)最重要的功能；農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的能量流動(dòng)，是體現(xiàn)農(nóng)業(yè)第一節(jié)能量流動(dòng)的基本規(guī)律NeatHeuTHeatAb

2、iotic chemicala (cvHbon dioifiiilv, xygeh. nrtrogen.olJlr nrgyC4nwHWFAPrZuGt+M(bacteria, funguK)ICIJ$4 跡ndfefy uwkhifwamj130IWJ? 一、能量的基本概念 , 形態(tài)與度量 能量( energy )，在物理學(xué)上指的是物質(zhì)具有 作功的能力。能是物質(zhì)運(yùn)動(dòng)的量度。 一般把能分為兩種存在形式：潛能和動(dòng)能。 潛能是靜態(tài)能量， 它是存在于物體內(nèi)部的化學(xué)能 量，具有作功的潛在能力， 生態(tài)系統(tǒng)中有機(jī)物質(zhì) 的化學(xué)結(jié)合能是潛能的一種。 動(dòng)能則與物體本身的質(zhì)量、 運(yùn)動(dòng)速度和相對(duì)位置 有關(guān)，動(dòng)能是物

3、理學(xué)上所主要討論的能量形式。 1形態(tài)：日光能( Solar energy) 化學(xué)能 (chemical energy) 動(dòng)能 (Kinetic energy) 熱 能 (thermal energy)2度量卡或千卡 (生態(tài)學(xué)上) calory 焦耳(農(nóng) 業(yè)工程上，為目前國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)單位) joule、生態(tài)系統(tǒng)的能量來(lái)源3i?JL/r 才.*土0 6勒赴土陽(yáng)輻卄穿過(guò) 址閘州%別 覽電MUL禍科迪用屮料扎用特曲孑11也卑宦黃的邨片上片給卑複曲#Mt此牧理導(dǎo)臥 電址臭曲孔天吒懇 下為刃堆.卄石初S/平方峯/g曲札丸先宜左廠沖啊齊.旳* eewfi IK和亠、/sA /九那侖人削軸盤(pán)枚尾球表生 F甲m瓏岐

4、異出史蠱趕上畔地華蟲(chóng)址”杞時(shí)SolarradiationEnergy in Enaroy oytReflected by stmohere (34%)UV rad atiQiRadiated 旳atTio&phcrem lul (66%)Lowflr* StratoAphereAiortd by oraneVibie舊卩即】嚴(yán)idGreerrhddSc旳朮 rnpcBipfiae errectAbsdrbtadl by thtHeal radia：ed the earth1. 太陽(yáng)能：占99%以上2. 自然輔助能(naturala uxiliary energy )如地?zé)崮?、潮汐能、核能等?

5、%3. 人工輔助能(artificial auxiliaryenergy):人畜力、燃料、電力、肥料、農(nóng)藥 等農(nóng)業(yè)生態(tài)景觀與農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的水平結(jié)構(gòu)? 三、能量流動(dòng)的基定律（一）熱力學(xué)第一定律認(rèn)為：一個(gè)系統(tǒng)的任何狀 態(tài)的變化，都伴隨著吸熱、放熱和做功，而系統(tǒng) 的總能量并不增加或減少，它是守恒的。即 E=A Q+A W AE表示系統(tǒng)內(nèi)能的變化，AQ 表示系統(tǒng)吸熱或放熱，AW表示自身做功或系統(tǒng) 對(duì)外做功。實(shí)際上，能量的當(dāng)量轉(zhuǎn)換關(guān)系不限于熱、功和內(nèi) 能之間，各種形式的能量都有當(dāng)量轉(zhuǎn)換關(guān)系。 在 生態(tài)系統(tǒng)中，太陽(yáng)的輻射能，大部分通過(guò)地面、 水面、生物表面等反射、散射和蒸發(fā)蒸騰耗能而 離開(kāi)生態(tài)系統(tǒng)；只有小

6、部分通過(guò)綠色植物的光合 作用轉(zhuǎn)化為有機(jī)物質(zhì)中的化學(xué)潛能。（二）熱力學(xué)第二定律認(rèn)為：由于總有一部分能 量散發(fā)為不能再利用的熱能，能量從一種形態(tài)轉(zhuǎn) 變?yōu)榱硪环N形態(tài)的效率，總不可能是百分之百。自由能是系統(tǒng)中可用于做功的那一部分能量。 自 由能做功后即衰變?yōu)椴荒芾玫臒o(wú)用能， 通常是 分散的熱能。由熱力學(xué)第二定律可知，世界上一切有序的結(jié) 構(gòu)、格局、安排都會(huì)自然地趨向于無(wú)序。要使系 統(tǒng)維持有序狀態(tài)，只有使系統(tǒng)獲得更多的潛能以 做功。（三）普里高津的耗散結(jié)構(gòu)理論 一個(gè)遠(yuǎn)離平衡態(tài)的開(kāi)放系統(tǒng)，通過(guò)與外界環(huán)境所 進(jìn)行的物質(zhì)、能量的不斷交換，就能克服無(wú)序狀 態(tài)，維持穩(wěn)定狀態(tài)。生態(tài)系統(tǒng)為一個(gè)具有耗散 結(jié)構(gòu)的開(kāi)放系統(tǒng)

7、，服從熱力學(xué)第二定律。?四、能 量流 動(dòng)的 特征1 .能流是 單向流動(dòng)2 .能流是 能量不斷 遞減的 過(guò)程1S.DUJ3.能量流動(dòng)的途徑 和渠道是 食物鏈(food chain) 和食物網(wǎng)(food web)第二節(jié) 初級(jí)生產(chǎn)的能量轉(zhuǎn)化? 一、初級(jí)生產(chǎn)中的能量平衡關(guān)系（一）初級(jí)生產(chǎn)：是指自養(yǎng)生物利用無(wú)機(jī)環(huán)境中 的能量進(jìn)行同化作用， 在生態(tài)系統(tǒng)中首次把環(huán)境 的能量轉(zhuǎn)化成有機(jī)體化學(xué)能，并貯存起來(lái)的過(guò) 程。其中綠色植物光合作用固定太陽(yáng)能生產(chǎn)有機(jī)物 的過(guò)程， 是最主要的初級(jí)生產(chǎn)， 是生態(tài)系統(tǒng)能量 流動(dòng)的基礎(chǔ)。初級(jí)生產(chǎn)者包括綠色植物 和化能合成細(xì)菌等（二）凈初級(jí)生產(chǎn)量=總 初級(jí)生產(chǎn)量-呼吸量光合作用光能自

8、養(yǎng)型（硫化?二、初級(jí)生產(chǎn)力的潛力 估算與分析（一）作物生產(chǎn)力估算的重要意義在于：1. 提供作物的理論產(chǎn)量，定量表達(dá)在一定的氣 候、土壤和農(nóng)業(yè)技術(shù)水平下作物可能達(dá)到的生產(chǎn) 能 力，預(yù)示農(nóng)業(yè)的發(fā)展前景；2. 為國(guó)家或地區(qū)制定農(nóng)業(yè)發(fā)展規(guī)劃，確定投資方 向及有關(guān)農(nóng)業(yè)政策的依據(jù)；3. 是估算土地人口承載能力的基礎(chǔ)；4. 是揭示作物生育規(guī)律、產(chǎn)量形成與環(huán)境條件相互作用的機(jī)制， 對(duì)定量分析資源利用程度、 生產(chǎn) 潛力、產(chǎn)量限制因素等的有效的手段。（二） 初級(jí)生產(chǎn)力測(cè)定的方法：主要分為直接 測(cè)定和間接測(cè)定直接測(cè)定是測(cè)定初級(jí)生產(chǎn)者的生物量 間接測(cè)定是通過(guò)測(cè)定初級(jí)生產(chǎn)者的代謝活動(dòng)的 情況，如測(cè)定02或CO的濃度變化

9、等再對(duì)初級(jí)生 產(chǎn)力進(jìn)行推（估）算。使用光合作用測(cè)定儀測(cè)定和利用遙感 （衛(wèi)星） 技 術(shù)間接測(cè)定則是比較先進(jìn)的方法。? 三、提高農(nóng)業(yè)初級(jí)生產(chǎn)力的途徑1、因地制宜，增加綠色植被覆蓋，充分利用太 陽(yáng)輻射能， 增加系統(tǒng)的生物量通量或能通量， 增 強(qiáng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。2、適當(dāng)增加投入，保護(hù)和改善生態(tài)環(huán)境，消除 或減緩限制因子的制約。3、改善植物品質(zhì)特點(diǎn)，選育高光效的抗逆性強(qiáng) 的優(yōu)良品種。4、加強(qiáng)生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)部物質(zhì)循環(huán)，減少養(yǎng)份水分 制約。5、改進(jìn)耕作制度，提高復(fù)種指數(shù)，合理密植，實(shí)行 間套種,提高栽培管理技術(shù)。6、調(diào)控作物群體結(jié)構(gòu)，盡早形成并盡量維持最 佳的群體結(jié)構(gòu)。第三節(jié)次級(jí)生產(chǎn)的能量轉(zhuǎn)化次級(jí)生產(chǎn)：是指 異養(yǎng)

10、生物的生 產(chǎn)，也就是生態(tài) 系統(tǒng)消費(fèi)者、分 解者利用初級(jí) 生產(chǎn)量進(jìn)行的 同化、生長(zhǎng)發(fā) 育、繁殖后代的 過(guò)程。次級(jí)生產(chǎn)者：大 農(nóng)業(yè)中的畜牧 水產(chǎn)業(yè)和蟲(chóng)、菌 業(yè)生產(chǎn)都屬次級(jí)生產(chǎn)? 一、次級(jí)生產(chǎn)的能量平衡P=NI+I I=A+(R1+R2)+(F+U+G) P 初級(jí)生產(chǎn)總量 Ni 未食用部分 I 食用部分 A 貯存量 R1 體增熱 R2 維持能 F 固體排泄物 U 液體排泄物 G 氣體排泄物? 二、次級(jí)生產(chǎn)在農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)中的地位和作 用1. 轉(zhuǎn)化農(nóng)副產(chǎn)品，提高利用價(jià)值2. 生產(chǎn)動(dòng)物蛋白質(zhì)，改善食物構(gòu)成。3. 促進(jìn)物質(zhì)循環(huán)，增強(qiáng)生態(tài)系統(tǒng)功能。4. 提高經(jīng)濟(jì)價(jià)值。? 三、我國(guó)農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的次級(jí)生產(chǎn)1. 生

11、產(chǎn)結(jié)構(gòu)上： 我國(guó)應(yīng)由以豬為主的單一結(jié)構(gòu)向禽、 蛋、豬、 水產(chǎn)多元結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變。加快發(fā)展家禽。2. 次級(jí)生產(chǎn)精料轉(zhuǎn)化效率低 主要原因是飼料資源高度分散和蛋白質(zhì)飼 料短缺。 我國(guó)應(yīng)大力提高飼料轉(zhuǎn)化率， 發(fā)展高蛋 白質(zhì)飼料。? 四、初級(jí)生產(chǎn)與次級(jí)生產(chǎn)的關(guān)系1. 次級(jí)生產(chǎn)依賴(lài)初級(jí)生產(chǎn)。2. 合理的次級(jí)生產(chǎn)促進(jìn)初級(jí)生產(chǎn)。3. 過(guò)度放牧破壞初級(jí)生產(chǎn)，使草原退化。? 五、次級(jí)生產(chǎn)的改善途徑1. 調(diào)整種植業(yè)結(jié)構(gòu)， 建立糧 - 經(jīng) - 飼三元結(jié)構(gòu)2. 培育、改良、推廣優(yōu)良畜禽漁品種3. 將分散經(jīng)營(yíng)適度集約化養(yǎng)殖4. 大力開(kāi)發(fā)飼料，進(jìn)行科學(xué)喂養(yǎng)5. 改善次級(jí)生產(chǎn)構(gòu)成： 發(fā)展草食動(dòng)物、 水產(chǎn) 業(yè)， 發(fā)展腐生食物鏈，利用

12、分解能等。第四節(jié) 生態(tài)系統(tǒng)中的輔助能、生態(tài)系統(tǒng)的輔助能煤礦r自然輛助能；見(jiàn)蕪流機(jī)朝次地?zé)醸 人工輔肋能(artificial auxiliaiy energy)生物稱(chēng)助能*勞丈h畜丈h有機(jī)肥、種子種苗等彳直接工業(yè)輔肋能(如煤、石油、天然氣錚,稱(chēng)助能 J鵬工業(yè)輔助能(如RJ氏農(nóng)藥、蒲膜等】潮汐風(fēng)能畜力?二、人工輔助能對(duì)農(nóng)業(yè)增產(chǎn)的意義1. 輔助能輸入的作用是改善不良的生態(tài)環(huán)境條 件，解除環(huán)境中一些限制因子的制約， 促進(jìn)農(nóng)作 物對(duì)日光能的吸收、利用和轉(zhuǎn)化。2. 總的來(lái)說(shuō)，隨著人工輔助能投入的增加，特別 是工業(yè)輔助能投入量的增加，產(chǎn)量明顯提高。3. 工業(yè)輔助能投入的增加也帶來(lái)了能源短缺、環(huán) 境污染和成

13、本提高等問(wèn)題。今后應(yīng)優(yōu)化輔助能投 入，提高輔助能的利用效率。未來(lái)農(nóng)業(yè)更多的是應(yīng)該更多地投入科學(xué)技術(shù)和信息，替代工業(yè)輔助 能的直接投入。?三、農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的能流特征和轉(zhuǎn)化效率1. 自然生態(tài)系統(tǒng)與農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的比較自然生態(tài)系統(tǒng)：主要是自然輔助能。農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)：自然輔助能和人工輔助能 能量的大量輸入輸出。2. 不同類(lèi)型農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的比較不同歷史發(fā)展時(shí)期：原始農(nóng)業(yè)(primitive agriculture) :輔助能 投入少，生產(chǎn)力低傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)(traditional agriculture) :輔助 能投入多，生產(chǎn)力相對(duì)高現(xiàn)代農(nóng)業(yè)(modern agriculture) :輔助能投入更多，生產(chǎn)力大大

14、提高、次級(jí)生產(chǎn)的改善 第五節(jié)生態(tài)系統(tǒng)的能量關(guān)系，、生態(tài)系統(tǒng)的能流路徑1. 太陽(yáng)輻射能通過(guò)光合作用進(jìn)入生態(tài)系統(tǒng)，成為 生態(tài)系統(tǒng)能量的主要來(lái)源。2. 以植物有機(jī)物質(zhì)形式貯存起來(lái)的化學(xué)潛能，沿 著食物鏈和食物網(wǎng)流動(dòng)，驅(qū)動(dòng)生態(tài)系統(tǒng)完成物質(zhì) 流動(dòng)、信息傳遞等功能。3. 化學(xué)潛能貯存在生態(tài)系統(tǒng)的生物組分內(nèi)，或者 隨著產(chǎn)品等輸出，離開(kāi)生態(tài)系統(tǒng)。4. 植物、動(dòng)物和微生物有機(jī)體通過(guò)呼吸作用釋放 熱能，并散失。5. 輔助能對(duì)以太陽(yáng)輻射能為始點(diǎn)，以食物鏈為主 線的能量流動(dòng)起輔助作用。、生態(tài)效率和生態(tài)金字塔I忡妙. I ? w IIsetwnifiM；羽并f科1. 生態(tài)效率： 即食物鏈各環(huán) 節(jié)上的能量轉(zhuǎn) 化效率2. 生態(tài)金字塔 是指由于能量 每經(jīng)過(guò)一個(gè)營(yíng) 養(yǎng)級(jí)時(shí)被凈同 化的部分都要 大大少于前一 個(gè)營(yíng)養(yǎng)級(jí)，當(dāng)營(yíng) 養(yǎng)級(jí)由低到高， 其個(gè)體數(shù)目、生 物量或所含能 量就呈現(xiàn)類(lèi)似 埃及金字塔的 塔形分布。3. 林德曼的十 分之一定律： 在 自然條件下，每 年從任何一個(gè) 營(yíng)養(yǎng)級(jí)上能收 獲到的生產(chǎn)量， 按能量計(jì)只不 過(guò)是它前一個(gè) 營(yíng)養(yǎng)級(jí)生產(chǎn)量 的十分之一左? 三、能與人類(lèi)社會(huì)的發(fā)展1. 能量是生