城市生態(tài)系統(tǒng)能量流動(dòng)

1、 東北林業(yè)大學(xué)森林資源與環(huán)境學(xué)院 2022年5月3日第二章 生態(tài)系統(tǒng)的能量流動(dòng)一一 關(guān)于能量的基本概念關(guān)于能量的基本概念二二 生物能量的來源生物能量的來源三三 生態(tài)系統(tǒng)的營養(yǎng)結(jié)構(gòu)生態(tài)系統(tǒng)的營養(yǎng)結(jié)構(gòu)四四 生態(tài)系統(tǒng)中能量動(dòng)態(tài)和儲存生態(tài)系統(tǒng)中能量動(dòng)態(tài)和儲存五五 生態(tài)系統(tǒng)按能量來源的分類生態(tài)系統(tǒng)按能量來源的分類六六 森林經(jīng)營對生態(tài)系統(tǒng)中能量的影響森林經(jīng)營對生態(tài)系統(tǒng)中能量的影響七七 小結(jié)小結(jié) 東北林業(yè)大學(xué)森林資源與環(huán)境學(xué)院 2022年5月3日引 言為什么要研究生態(tài)系統(tǒng)的能量流動(dòng)？為什么要研究生態(tài)系統(tǒng)的能量流動(dòng)？ 能量是生態(tài)系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)力 林業(yè)、農(nóng)業(yè)、漁業(yè)、牧業(yè)等工作者對森林、 農(nóng)田、漁場、草原等的經(jīng)營管理

2、，應(yīng)掌握能量的輸入和輸出途徑及其限制因素，以達(dá)到高產(chǎn)目的，設(shè)法調(diào)整生態(tài)系統(tǒng)的能量分配關(guān)系，使能量流向?qū)θ祟愖钣幸娴牟糠帧?東北林業(yè)大學(xué)森林資源與環(huán)境學(xué)院 2022年5月3日一一 關(guān)于能量的概念關(guān)于能量的概念1 能量能量做功的能力。做功的能力。2 能量值的表示：能量值的表示：卡或千卡卡或千卡。3 與生物體有關(guān)的幾種能量形式：與生物體有關(guān)的幾種能量形式： 輻射能、機(jī)械能、化學(xué)能、熱能輻射能、機(jī)械能、化學(xué)能、熱能4 .生態(tài)系統(tǒng)能量流遵循熱力學(xué)定律生態(tài)系統(tǒng)能量流遵循熱力學(xué)定律 東北林業(yè)大學(xué)森林資源與環(huán)境學(xué)院 2022年5月3日熱力學(xué)第一定律熱力學(xué)第一定律 又稱為能量守恒與轉(zhuǎn)化原理又稱為能量守恒與轉(zhuǎn)化原

3、理. （ Energy Conservation Law ） 能量可從一種形式轉(zhuǎn)換成另一種形式，但能量即不能能量可從一種形式轉(zhuǎn)換成另一種形式，但能量即不能增加也不會減少。增加也不會減少。 如太陽輻射能，通過綠色植物的光合作用轉(zhuǎn)變?yōu)榇嬖谌缣栞椛淠?，通過綠色植物的光合作用轉(zhuǎn)變?yōu)榇嬖谟谟袡C(jī)物質(zhì)化學(xué)鍵中的化學(xué)潛能；動(dòng)物通過消耗自身于有機(jī)物質(zhì)化學(xué)鍵中的化學(xué)潛能；動(dòng)物通過消耗自身體內(nèi)貯存的化學(xué)潛能變成爬、跳、飛、游的機(jī)械能體內(nèi)貯存的化學(xué)潛能變成爬、跳、飛、游的機(jī)械能 東北林業(yè)大學(xué)森林資源與環(huán)境學(xué)院 2022年5月3日熱力學(xué)第二定律熱力學(xué)第二定律(熵律熵律entropy law)表達(dá)有關(guān)能量傳遞方向和轉(zhuǎn)換

4、效率的規(guī)律。表達(dá)有關(guān)能量傳遞方向和轉(zhuǎn)換效率的規(guī)律。 自然界中任何形式的能最終歸宿是熱能，且自然界中任何形式的能最終歸宿是熱能，且不可逆。不可逆。任何一種能量的轉(zhuǎn)換，總有一些能量損失掉，任何一種能量的轉(zhuǎn)換，總有一些能量損失掉，一種形式的能絕不會全部轉(zhuǎn)換成另一種形式一種形式的能絕不會全部轉(zhuǎn)換成另一種形式的能。的能。 東北林業(yè)大學(xué)森林資源與環(huán)境學(xué)院 2022年5月3日熱力學(xué)的兩個(gè)定律第一定律：A = B + C 第二定律：C ASUNA: 日光，100單位釋放的能量B: 熱，98單位釋放的能量形式C:糖，2單位濃縮的能量形式橡樹葉，能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng) 東北林業(yè)大學(xué)森林資源與環(huán)境學(xué)院 2022年5月3日太陽

5、輻射能有機(jī)物質(zhì)的合成過程，有機(jī)物質(zhì)的合成過程，即生產(chǎn)者（綠色植物）即生產(chǎn)者（綠色植物）吸收太陽能量形成初吸收太陽能量形成初級生產(chǎn)量。級生產(chǎn)量。熱 能化學(xué)能熱 能機(jī)械能活有機(jī)物質(zhì)被各級消活有機(jī)物質(zhì)被各級消費(fèi)者（動(dòng)物）消費(fèi)的費(fèi)者（動(dòng)物）消費(fèi)的過程。過程。死有機(jī)物質(zhì)（動(dòng)植物死有機(jī)物質(zhì)（動(dòng)植物殘?bào)w和排泄物）被腐殘?bào)w和排泄物）被腐生物分解的過程。生物分解的過程。生態(tài)系統(tǒng)中能量的流動(dòng)能量流動(dòng)特點(diǎn)：1 “越流越細(xì)”，能量在流動(dòng)過程中逐漸耗散。2 單向流動(dòng)，不可逆。 東北林業(yè)大學(xué)森林資源與環(huán)境學(xué)院 2022年5月3日二二 生物能量的來源生物能量的來源我們能利用的能量來自：我們能利用的能量來自：太陽輻射、核能、

6、太陽輻射、核能、地?zé)岬責(zé)崽栞椛淠苁巧鷳B(tài)系統(tǒng)中的能量的最主要來太陽輻射能是生態(tài)系統(tǒng)中的能量的最主要來源。源。 東北林業(yè)大學(xué)森林資源與環(huán)境學(xué)院 2022年5月3日太陽輻射紅外線紅外線太陽輻射太陽輻射無線電波無線電波X光光可見光可見光紫外光紫外光射線射線波長波長頻率頻率/秒秒10410101010.110-610201015太陽輻射位于電磁輻射譜的中間范圍 東北林業(yè)大學(xué)森林資源與環(huán)境學(xué)院 2022年5月3日按能量來源將生物分為：按能量來源將生物分為： 草食動(dòng)物（草食動(dòng)物（herbivores）肉食動(dòng)物肉食動(dòng)物 (carnivores)雜食動(dòng)物雜食動(dòng)物(omnivores)腐生物腐生物(saprot

7、rophs)異養(yǎng)生物異養(yǎng)生物自養(yǎng)生物自養(yǎng)生物光能自養(yǎng)型光能自養(yǎng)型(photoautotrophs)化能自養(yǎng)型化能自養(yǎng)型(chemoautotrophs) 東北林業(yè)大學(xué)森林資源與環(huán)境學(xué)院 2022年5月3日三三 生態(tài)系統(tǒng)的營養(yǎng)結(jié)構(gòu)生態(tài)系統(tǒng)的營養(yǎng)結(jié)構(gòu)（一）（一）能量轉(zhuǎn)換的途徑，或稱能量流動(dòng)的渠道能量轉(zhuǎn)換的途徑，或稱能量流動(dòng)的渠道食物鏈?zhǔn)澄镦?food chains)指生物界食物關(guān)系中，甲吃乙、乙吃丙、丙吃丁的現(xiàn)象。生物之間這種能量轉(zhuǎn)換連續(xù)依賴的次序稱為食物鏈。 東北林業(yè)大學(xué)森林資源與環(huán)境學(xué)院 2022年5月3日食物鏈類型：食物鏈類型： 草牧食物鏈（捕食食物鏈）草牧食物鏈（捕食食物鏈）: 是以綠色植

8、物為基礎(chǔ)，是以綠色植物為基礎(chǔ)，從草食動(dòng)物開始的食物鏈，草原和水體生態(tài)系統(tǒng)是以從草食動(dòng)物開始的食物鏈，草原和水體生態(tài)系統(tǒng)是以草牧食物鏈為主的生態(tài)系統(tǒng)。草牧食物鏈為主的生態(tài)系統(tǒng)。 腐生食物鏈（碎食食物鏈）腐生食物鏈（碎食食物鏈）: 指以死有機(jī)物質(zhì)為基礎(chǔ)，指以死有機(jī)物質(zhì)為基礎(chǔ)，從腐生物開始的食物鏈。森林是以腐生食物鏈為優(yōu)勢從腐生物開始的食物鏈。森林是以腐生食物鏈為優(yōu)勢的生態(tài)系統(tǒng)。在森林中，有的生態(tài)系統(tǒng)。在森林中，有90%的凈生產(chǎn)是被腐生生的凈生產(chǎn)是被腐生生物所分解消耗的。物所分解消耗的。 寄生性食物鏈寄生性食物鏈:由宿主和寄生物構(gòu)成。它以大型動(dòng)物由宿主和寄生物構(gòu)成。它以大型動(dòng)物為食物鏈的起點(diǎn)，繼之以

9、小型動(dòng)物、微型動(dòng)物、細(xì)菌為食物鏈的起點(diǎn)，繼之以小型動(dòng)物、微型動(dòng)物、細(xì)菌和病毒。后者與前者是寄生性關(guān)系。和病毒。后者與前者是寄生性關(guān)系。陸地與海洋食物鏈的例子陸地與海洋食物鏈的例子 東北林業(yè)大學(xué)森林資源與環(huán)境學(xué)院 2022年5月3日 東北林業(yè)大學(xué)森林資源與環(huán)境學(xué)院 2022年5月3日 在同一個(gè)食物鏈中，在同一個(gè)食物鏈中，常包含有食性和其它生活習(xí)性極常包含有食性和其它生活習(xí)性極不相同的多種生物不相同的多種生物。 在同一個(gè)生態(tài)系統(tǒng)中，可能有多條食物鏈，它們的在同一個(gè)生態(tài)系統(tǒng)中，可能有多條食物鏈，它們的長長短不同，營養(yǎng)級數(shù)目不等短不同，營養(yǎng)級數(shù)目不等。由于在一系列取食與被取。由于在一系列取食與被取食的

10、過程中，每一次轉(zhuǎn)化都將有大量化學(xué)能變?yōu)闊崮苁车倪^程中，每一次轉(zhuǎn)化都將有大量化學(xué)能變?yōu)闊崮芟?。因此，自然生態(tài)系統(tǒng)中營養(yǎng)級的數(shù)目是有限的。消散。因此，自然生態(tài)系統(tǒng)中營養(yǎng)級的數(shù)目是有限的。 在不同的生態(tài)系統(tǒng)中，在不同的生態(tài)系統(tǒng)中，各類食物鏈的比重不同各類食物鏈的比重不同. 在任一生態(tài)系統(tǒng)中，在任一生態(tài)系統(tǒng)中，各類食物鏈總是協(xié)同起作用各類食物鏈總是協(xié)同起作用。 東北林業(yè)大學(xué)森林資源與環(huán)境學(xué)院 2022年5月3日（二）食物網(wǎng)（二）食物網(wǎng)(food webs)生物之間的捕食和被食的關(guān)系不是簡單的一生物之間的捕食和被食的關(guān)系不是簡單的一條鏈，而是錯(cuò)綜復(fù)雜的相互依賴的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，條鏈，而是錯(cuò)綜復(fù)雜的相互依賴的

11、網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，即食物網(wǎng)。即食物網(wǎng)。食物網(wǎng)不僅維持著生態(tài)系統(tǒng)的相對平衡，并食物網(wǎng)不僅維持著生態(tài)系統(tǒng)的相對平衡，并推動(dòng)著生物的進(jìn)化，成為自然界發(fā)展演變的推動(dòng)著生物的進(jìn)化，成為自然界發(fā)展演變的動(dòng)力。動(dòng)力。這種以營養(yǎng)為紐帶，把生物與環(huán)境、生物與這種以營養(yǎng)為紐帶，把生物與環(huán)境、生物與生物緊密聯(lián)系起來的結(jié)構(gòu)，稱為生態(tài)系統(tǒng)的生物緊密聯(lián)系起來的結(jié)構(gòu)，稱為生態(tài)系統(tǒng)的營養(yǎng)結(jié)構(gòu)。營養(yǎng)結(jié)構(gòu)。 東北林業(yè)大學(xué)森林資源與環(huán)境學(xué)院 2022年5月3日食物網(wǎng)食物網(wǎng) 東北林業(yè)大學(xué)森林資源與環(huán)境學(xué)院 2022年5月3日（三）生態(tài)金字塔（三）生態(tài)金字塔(ecological pyramid)數(shù)量金字塔數(shù)量金字塔(pyramid of n

12、umbers)生物量金字塔生物量金字塔(pyramid of biomass)能量金字塔能量金字塔(energy pyramid)p1C2C3C4Cp1C2C3C4Cp1C2Cp1C2C3C3C數(shù)量能量落葉林草地落葉林及草地?cái)?shù)量和能量金字塔落葉林及草地?cái)?shù)量和能量金字塔 東北林業(yè)大學(xué)森林資源與環(huán)境學(xué)院 2022年5月3日單位：公斤單位：公斤生物量金字塔生物量金字塔1000100101浮游動(dòng)物浮游動(dòng)物魚魚浮游植物浮游植物 東北林業(yè)大學(xué)森林資源與環(huán)境學(xué)院 2022年5月3日能量金字塔能量金字塔 東北林業(yè)大學(xué)森林資源與環(huán)境學(xué)院 2022年5月3日四 生態(tài)系統(tǒng)的能量動(dòng)態(tài)和儲存（一）基本名詞解釋（一）基本

13、名詞解釋 生產(chǎn)量生產(chǎn)量(production)：一定時(shí)期內(nèi)有機(jī)物質(zhì)增加的總一定時(shí)期內(nèi)有機(jī)物質(zhì)增加的總重量。重量。 總生產(chǎn)量總生產(chǎn)量(gross production)：某一時(shí)期合成的有機(jī)物質(zhì)總量. 凈生產(chǎn)量凈生產(chǎn)量(net production)：總生產(chǎn)量減去呼吸損失的部分. 初級生產(chǎn)量初級生產(chǎn)量(primary production)：綠色植物的生產(chǎn)量. 次級生產(chǎn)量次級生產(chǎn)量(seconddary production)：消費(fèi)者的生產(chǎn)量. 東北林業(yè)大學(xué)森林資源與環(huán)境學(xué)院 2022年5月3日 生物量生物量(biomass)：任一時(shí)間某一地方某一種：任一時(shí)間某一地方某一種群、營養(yǎng)級或某一生態(tài)系統(tǒng)

14、有機(jī)物質(zhì)的總重群、營養(yǎng)級或某一生態(tài)系統(tǒng)有機(jī)物質(zhì)的總重量。量。(kg/ha、g/m2、kj/m2) 現(xiàn)存量現(xiàn)存量(standing crop)：單位面積上當(dāng)時(shí)所測：單位面積上當(dāng)時(shí)所測得的生物體的總重量。得的生物體的總重量。 生產(chǎn)力生產(chǎn)力(productivity)：指單位時(shí)間單位面積：指單位時(shí)間單位面積的生產(chǎn)量，即生產(chǎn)的速率。的生產(chǎn)量，即生產(chǎn)的速率。 東北林業(yè)大學(xué)森林資源與環(huán)境學(xué)院 2022年5月3日（二）初級生產(chǎn)者（綠色植物）營養(yǎng)級（二）初級生產(chǎn)者（綠色植物）營養(yǎng)級1 能量輸入能量輸入 光合作用光合作用光合效能：太陽能量進(jìn)入生態(tài)系統(tǒng)的效能。光合效能：太陽能量進(jìn)入生態(tài)系統(tǒng)的效能。光合效能光合效能

15、 100 測定值：測定值：15進(jìn)入系統(tǒng)的太陽能量生產(chǎn)量 東北林業(yè)大學(xué)森林資源與環(huán)境學(xué)院 2022年5月3日2 能量消耗能量消耗（1）呼吸的消耗）呼吸的消耗植物群落呼吸損失掉的能量變化幅度在植物群落呼吸損失掉的能量變化幅度在1590以上。以上。損失量從極地到熱帶逐次提高。原因：溫度損失量從極地到熱帶逐次提高。原因：溫度增高，尤其是夜晚溫度高。從而影響植物產(chǎn)增高，尤其是夜晚溫度高。從而影響植物產(chǎn)量。量。 東北林業(yè)大學(xué)森林資源與環(huán)境學(xué)院 2022年5月3日（2）草食動(dòng)物的消耗草食動(dòng)物的消耗因生態(tài)系統(tǒng)類型不同而有很大變化。因生態(tài)系統(tǒng)類型不同而有很大變化。草地?fù)p失量約草地?fù)p失量約2860%之間。之間。森

16、林為森林為1.5%2.5%。水體生態(tài)系統(tǒng)浮游植物群落水體生態(tài)系統(tǒng)浮游植物群落6099。思考：如何看待森林中的昆蟲？思考：如何看待森林中的昆蟲？（3）凋落物的消耗）凋落物的消耗 東北林業(yè)大學(xué)森林資源與環(huán)境學(xué)院 2022年5月3日3 凈生產(chǎn)力和生物量凈生產(chǎn)力和生物量 奧德姆根據(jù)初級生產(chǎn)力將生態(tài)系統(tǒng)劃分為奧德姆根據(jù)初級生產(chǎn)力將生態(tài)系統(tǒng)劃分為4級：級： 最低：荒漠和深海。最低：荒漠和深海。 較低：山地森林、熱帶稀樹草原、某些臨時(shí)較低：山地森林、熱帶稀樹草原、某些臨時(shí) 農(nóng)耕地、半干旱草原、深湖和大陸架。農(nóng)耕地、半干旱草原、深湖和大陸架。 較高：熱帶雨林，長久性農(nóng)耕地和淺湖。較高：熱帶雨林，長久性農(nóng)耕地和

17、淺湖。 最高：少數(shù)特殊的生態(tài)系統(tǒng)（農(nóng)業(yè)高產(chǎn)田、最高：少數(shù)特殊的生態(tài)系統(tǒng)（農(nóng)業(yè)高產(chǎn)田、 河漫灘、三角洲、珊瑚礁、紅樹林）。河漫灘、三角洲、珊瑚礁、紅樹林）。 東北林業(yè)大學(xué)森林資源與環(huán)境學(xué)院 2022年5月3日 東北林業(yè)大學(xué)森林資源與環(huán)境學(xué)院 2022年5月3日能否提高生態(tài)系統(tǒng)的生產(chǎn)力？能否提高生態(tài)系統(tǒng)的生產(chǎn)力？ 地球上的森林具有很大的生長潛力。地球上的森林具有很大的生長潛力。1.生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力受到很多環(huán)境因子的限制，如光照、生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力受到很多環(huán)境因子的限制，如光照、水分、溫度、養(yǎng)分供應(yīng)、生長期等。水分、溫度、養(yǎng)分供應(yīng)、生長期等。2.生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)對生產(chǎn)力的提高也很重要。生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)對生產(chǎn)力的提

18、高也很重要。 如何提高生態(tài)系統(tǒng)的生產(chǎn)力？如何提高生態(tài)系統(tǒng)的生產(chǎn)力？ 給生態(tài)系統(tǒng)增加能量，從而提高光能利用效率。 天然條件下：溫度的升高，雨量的增多。 人工條件下：營造高光合效能的速生樹種，樹種的合理混交，整地，灌溉，排水，施肥，森林撫育，病蟲害防治等。 東北林業(yè)大學(xué)森林資源與環(huán)境學(xué)院 2022年5月3日4 生物量在植物體內(nèi)的分配生物量在植物體內(nèi)的分配經(jīng)營者的愿望經(jīng)營者的愿望 林業(yè)工作者林業(yè)工作者：凈生產(chǎn)量更多地分布于：凈生產(chǎn)量更多地分布于樹干樹干；農(nóng)民農(nóng)民：要求農(nóng)作物結(jié)出更多的：要求農(nóng)作物結(jié)出更多的種子種子或其他可食或其他可食的的塊莖和根莖塊莖和根莖； 主要影響因素：品種，環(huán)境，經(jīng)營措施主要影

19、響因素：品種，環(huán)境，經(jīng)營措施 思考：如何讓樹干多長點(diǎn)兒？思考：如何讓樹干多長點(diǎn)兒？ 東北林業(yè)大學(xué)森林資源與環(huán)境學(xué)院 2022年5月3日5 能量流周轉(zhuǎn)期能量流周轉(zhuǎn)期轉(zhuǎn)換時(shí)間（年）轉(zhuǎn)換時(shí)間（年）=(凋落物）轉(zhuǎn)換時(shí)間（年）凋落物）轉(zhuǎn)換時(shí)間（年）=能量流周轉(zhuǎn)期的意義能量流周轉(zhuǎn)期的意義:）凈生產(chǎn)力（）生物量（yrmgmg/22）凋落速率（）凋落物積累（yrmgmg/22 東北林業(yè)大學(xué)森林資源與環(huán)境學(xué)院 2022年5月3日（三）初級消費(fèi)者（草食動(dòng)物）營養(yǎng)級（三）初級消費(fèi)者（草食動(dòng)物）營養(yǎng)級陸地生態(tài)系統(tǒng)中植物凈生產(chǎn)量轉(zhuǎn)換成食草動(dòng)陸地生態(tài)系統(tǒng)中植物凈生產(chǎn)量轉(zhuǎn)換成食草動(dòng)物凈生產(chǎn)量的效率很低，多數(shù)均少于物凈生產(chǎn)量

20、的效率很低，多數(shù)均少于1。（四）二級消費(fèi)者（肉食動(dòng)物）營養(yǎng)級（四）二級消費(fèi)者（肉食動(dòng)物）營養(yǎng)級（五）腐生營養(yǎng)食物鏈（五）腐生營養(yǎng)食物鏈在許多生態(tài)系統(tǒng)中占據(jù)能量流的大部分。在許多生態(tài)系統(tǒng)中占據(jù)能量流的大部分。影響凋落物分解的因子：水分，溫度，影響凋落物分解的因子：水分，溫度，pH值，值，氧氣，土壤動(dòng)物數(shù)量，凋落物理化性質(zhì)，細(xì)氧氣，土壤動(dòng)物數(shù)量，凋落物理化性質(zhì)，細(xì)菌和真菌的相對量。菌和真菌的相對量。 東北林業(yè)大學(xué)森林資源與環(huán)境學(xué)院 2022年5月3日五、生態(tài)系統(tǒng)按能量來源的分類五、生態(tài)系統(tǒng)按能量來源的分類 純太陽能生態(tài)系統(tǒng)純太陽能生態(tài)系統(tǒng) 主要或完全依賴太陽輻射的自然生態(tài)系統(tǒng)。主要或完全依賴太陽輻射的自然生態(tài)系統(tǒng)。 生產(chǎn)力低，面積大。對于水循環(huán)、調(diào)節(jié)氣候、凈化空氣等全球生態(tài)的生產(chǎn)力低，面積大。對于水循環(huán)、調(diào)節(jié)氣候、凈化空氣等全球生態(tài)的平衡有重要作用。平衡有重要作用。 有自然補(bǔ)助能的太陽供能生態(tài)系統(tǒng)有自然補(bǔ)助能的太陽供能生態(tài)系統(tǒng) 有自然提供的其他能源，用以補(bǔ)助太陽輻射有自然提供的其他能源，用以補(bǔ)助