農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)能量轉(zhuǎn)化課件

農(nóng)業(yè)生態(tài)學(xué)Agroecology農(nóng)業(yè)生態(tài)學(xué)Agroecology第七章

農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)能量轉(zhuǎn)化

能量流動與轉(zhuǎn)化的基本原理農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)能量流動的途徑與轉(zhuǎn)化效率農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)能流分析方法第七章農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)能量轉(zhuǎn)化能量流動與轉(zhuǎn)化的基本原理第一節(jié)能量流動與轉(zhuǎn)化的基本原理一、能量流動與轉(zhuǎn)化基本原理二、能量流動與轉(zhuǎn)化定律第一節(jié)能量流動與轉(zhuǎn)化的基本原理一、能量流動與轉(zhuǎn)化基本原理一、生態(tài)系統(tǒng)的能量來源

能量(energy)是一種做功的能力，是生態(tài)系統(tǒng)的動力基礎(chǔ)。生態(tài)系統(tǒng)中能量主要有兩種存在狀態(tài)，即動能(dynamicenergy)和潛能(potentialenergy)。

動能是正在做功的能量，如正在輻射的太陽能，水流所產(chǎn)生的水能等。

潛能是尚未做功，但具有潛在的做功能力的能量。1.能量的基本概念一、生態(tài)系統(tǒng)的能量來源能量(energy)

太陽輻射能是生態(tài)系統(tǒng)最重要的能量來源。生態(tài)系統(tǒng)除接受并轉(zhuǎn)化太陽輻射能外，還要接受風(fēng)能、水能、潮汐能、降雨能、地?zé)崮艿绕渌问降淖匀荒芰?，以輔助太陽能為起點的食物鏈能量轉(zhuǎn)化過程，稱為生態(tài)系統(tǒng)的自然輔助能（naturalauxiliaryenergy）。2.生態(tài)系統(tǒng)的能量來源

太陽輻射能是生態(tài)系統(tǒng)最重要的能量來源。2.

農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)還需要投入大量的人工輔助能量（artificialauxiliaryenergy），以提高食物鏈能量轉(zhuǎn)化效率和系統(tǒng)的生產(chǎn)力，滿足人類的需要。人工輔助能，按性質(zhì)可分為生物能（biologicalenergy）和工業(yè)能（industrialenergy）。農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)還需要投入大量的人工輔助能

量

來源太陽能輔助能自然輔助能人工輔助能生物輔助能工業(yè)輔助能直接工業(yè)

輔助能間接工業(yè)

輔助能圖7-1農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)能量來源能

量

來太陽能輔助能自然輔助能人工輔助能生物輔助能工業(yè)輔助圖7-2

農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)能源及類型圖7-2農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)能源及類型

熱力學(xué)第一定律指出：能量可以在不同的介質(zhì)中被傳遞，在不同的形式間被轉(zhuǎn)化，但能量既不能被消滅，也不能被創(chuàng)造。即能量在轉(zhuǎn)化過程中是守恒的，它只能以嚴格的當(dāng)量比例由一種形式轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N形式。因此該定律又稱為能量守恒定律。二、能量流動與轉(zhuǎn)化定律

1.熱力學(xué)第一定律

熱力學(xué)第一定律指出：能量可以在不同的

對于熱功轉(zhuǎn)化過程，可以用下式表示：Q=△U+W

式中，Q為系統(tǒng)吸收的熱量，△U為系統(tǒng)的內(nèi)能變化，W為系統(tǒng)對外所做的功。

生態(tài)系統(tǒng)中能量的傳遞和轉(zhuǎn)化也嚴格遵循

熱力學(xué)第一定律對于熱功轉(zhuǎn)化過程，可以用下式表示：生態(tài)系統(tǒng)中能

熱力學(xué)第二定律是表達有關(guān)能量傳遞方向和轉(zhuǎn)換效率的規(guī)律。基本內(nèi)容：自然界的所有自發(fā)過程，能量的傳遞均有一定方向，且在能量的傳遞和轉(zhuǎn)化過程中，除一部分可以繼續(xù)傳遞和做功外，總有一部分不能繼續(xù)傳遞和做功而以熱的形式消散，所以任何能量的轉(zhuǎn)換效率都不可能達到100％。2.熱力學(xué)第二定律熱力學(xué)第二定律是表達有關(guān)能量傳遞方向

由熱力學(xué)第二定律可知，生態(tài)系統(tǒng)的能量從一種形式轉(zhuǎn)化為另—種形式時，總是有一部分能量轉(zhuǎn)化為不能利用的熱能而耗散。由熱力學(xué)第二定律可知，生態(tài)系統(tǒng)的能量從一種形式轉(zhuǎn)化為另—

熵（entropy）是熱力學(xué)中的重要狀態(tài)函數(shù)，是對事物或系統(tǒng)無序性的量度。任何物體在溫度為絕對零度時處于無分子運動的最大有序狀態(tài)，這時物體的熵等于零。

熵增加就是系統(tǒng)的無序性增加。封閉系統(tǒng)的熵總是不斷增加，達到最大為止。而與此相反，熵減少方向就必須有外力的推動。3.熵與耗散結(jié)構(gòu)

熵（entropy）是熱力學(xué)中的重要狀態(tài)

耗散結(jié)構(gòu)理論

普利高津的耗散結(jié)構(gòu)（dissipativestructure）理論指出，一個遠離平衡態(tài)的開放系統(tǒng)，通過與外界環(huán)境不斷的物質(zhì)和能量交換，就可能使系統(tǒng)的熵減少和有序性提高，維持一種穩(wěn)定的平衡狀態(tài)。這種不斷與外界交換物質(zhì)和能量、維持系統(tǒng)穩(wěn)定性的狀態(tài)就是耗散結(jié)構(gòu)。

耗散結(jié)構(gòu)理論生態(tài)系統(tǒng)本身就是一個開放的能量耗散系統(tǒng)。生態(tài)系統(tǒng)不斷地與周圍的環(huán)境進行著各種形式能量的交換，通過光合作用引入負熵，通過呼吸作用排出正熵，降低系統(tǒng)的無序性，從而維持著系統(tǒng)的穩(wěn)定狀態(tài)。生態(tài)系統(tǒng)本身就是一個開放的能量耗散系統(tǒng)。1．單向流動與逐級遞減。2．必須不斷地補充系統(tǒng)外能源。3．通過食物鏈形成生態(tài)金字塔。4．能量數(shù)量的遞減伴隨著質(zhì)量的提高。

三、生態(tài)系統(tǒng)能量流動的特點

生態(tài)金字塔1．單向流動與逐級遞減。三、生態(tài)系統(tǒng)能量流動的特點生態(tài)第二節(jié)農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)能量流動的途徑

與轉(zhuǎn)化效率一、農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)能量流動的途徑二、農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的能量轉(zhuǎn)化三、農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的能量轉(zhuǎn)化效率四、農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)人工輔助能的投入與轉(zhuǎn)化效率五、農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)人工輔助能的合理投入與能流

方向的調(diào)控第二節(jié)農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)能量流動的途徑

與轉(zhuǎn)化效率一、農(nóng)業(yè)生態(tài)一、農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)能量流動的途徑

1.生態(tài)系統(tǒng)的能量流動途徑

能量沿食物鏈的輸入、傳遞、轉(zhuǎn)化及散失過程構(gòu)成生態(tài)系統(tǒng)的能量流動。就一般生態(tài)系統(tǒng)而言，能量流動主要以綠色植物轉(zhuǎn)化固定太陽能為貯存在其有機體內(nèi)的化學(xué)潛能，然后沿著食物鏈不同營養(yǎng)級流動，被進一步轉(zhuǎn)化為其他的有機體化學(xué)潛能以及伴隨著的熱能散失。由于生態(tài)系統(tǒng)中往往存在由多條食物鏈交錯構(gòu)成的復(fù)雜食物網(wǎng)營養(yǎng)關(guān)系，捕食食物鏈、腐生食物鏈，甚至寄生食物鏈同時存在。因此，生態(tài)系統(tǒng)的能量流動是沿著長短不一的多條路徑同時進行的。一、農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)能量流動的途徑1.生態(tài)系統(tǒng)的能量流動途徑一、農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)能量流動的途徑

基本路徑：

1.

有機物質(zhì)內(nèi)的化學(xué)能，沿著牧食食物鏈，通過取食關(guān)系被下一營養(yǎng)級生物攝入體內(nèi)，被轉(zhuǎn)化為不同類型的生物質(zhì)化學(xué)能。

2.

在能量轉(zhuǎn)化過程中，每一營養(yǎng)級均有一部分生物質(zhì)能以遺體、殘體及排泄物等形式直接進入腐生食物鏈，被分解或者降解。

3.

通過呼吸作用以熱的形式釋放到環(huán)境中。一、農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)能量流動的途徑基本路徑：

除上述3條基本路徑外，每一營養(yǎng)級還有相當(dāng)數(shù)量的生物質(zhì)能未被利用來做功，而是直接以有機化合物形式沉積在系統(tǒng)中。如森林生態(tài)系統(tǒng)中就有大量的凈初級生產(chǎn)量以有機殘屑形式逐年

堆積在森林底層。除上述3條基本路徑外，每一營養(yǎng)級還有相當(dāng)數(shù)量的生GP.總初級生產(chǎn)量；R.呼吸量；H.草食動物；C.肉食動物圖7-3CedarBog湖生態(tài)系統(tǒng)能量流動的定量分析（J/(cm2·a）（引自Lindeman，1942）C12.6GP464.7H62.8分解微分解2.1分解12.5未利用5.0R7.5未利用29.3未利用293.1R18.8R96.3未吸收

497228.6R7.5入射日光能497693.3GP.總初級生產(chǎn)量；R.呼吸量；H.草食動物；C.肉2.

農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的能量流動途徑

圖7-4

農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)能量流動路徑示意圖2.農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的能量流動途徑圖7-4農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)能

生態(tài)系統(tǒng)中綠色植物通過光合作用對太陽輻射能進行轉(zhuǎn)化和固定，這是生態(tài)系統(tǒng)中的第一次能量固定，所以稱為初級生產(chǎn)（primaryproduction）。農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的初級生產(chǎn)主要包括農(nóng)田、草地和林地等的生產(chǎn)。二、農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的能量轉(zhuǎn)化

1.初級生產(chǎn)的能量轉(zhuǎn)化

生態(tài)系統(tǒng)中綠色植物通過光合作用對太陽輻射能

根據(jù)熱力學(xué)第一定律，生態(tài)系統(tǒng)初級生產(chǎn)過程中的能量平衡關(guān)系可表示為：

Q+q=α(Q+q)+S+H+IE+B+GP

H為顯熱；IE為蒸發(fā)潛能；B為用于系統(tǒng)溫度變化的熱量；Q為太陽直射輻射量；q為太陽散射輻射量；α為輻射反射率；S為下墊面長波輻射和大氣長波輻射之和；GP為植物通過光合作用所固定的太陽能，即總初級生產(chǎn)力或總初級生產(chǎn)量（grossprimaryproduction，GP），常用單位：J/m2·a或g/m2·a。根據(jù)熱力學(xué)第一定律，生態(tài)系統(tǒng)初級生產(chǎn)

在生產(chǎn)者所固定的能量（即總初級生產(chǎn)量）中有一部分要被生產(chǎn)者自身的呼吸代謝所消耗，剩下的能量才是可用于生產(chǎn)者生長和生殖的能量，即為凈初級生產(chǎn)量（netprimaryproduction，NP），因此有：GP=NP+R

式中：GP

為總初級生產(chǎn)量，NP為凈初級生產(chǎn)量，R為呼吸所消耗的能量。

在生產(chǎn)者所固定的能量（即總初級生產(chǎn)

不同類型生態(tài)系統(tǒng)的初級生產(chǎn)量主要受熱量、水分、養(yǎng)分、光照等生態(tài)因子和生態(tài)系統(tǒng)利用這些因子的能力制約。地球上各生態(tài)系統(tǒng)的凈初級生產(chǎn)力大約變化在0~3500g/m2·a范圍內(nèi)。生產(chǎn)力較高的生態(tài)系統(tǒng)是沼澤、濕地、河口灣等。在陸地生態(tài)系統(tǒng)中熱帶雨林的生產(chǎn)力最高，全世界耕地的凈初級生產(chǎn)力平均約為650g/m2·a。

不同類型生態(tài)系統(tǒng)的初級生產(chǎn)量主要受熱量、水分、養(yǎng)分、

次級生產(chǎn)（secondaryproduction）是指異養(yǎng)生物的生產(chǎn)，也就是生態(tài)系統(tǒng)中消費者、分解者利用初級生產(chǎn)量進行的同化、生長發(fā)育及繁育后代的過程。農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的次級生產(chǎn)主要是指畜牧業(yè)、漁業(yè)及食用菌業(yè)生產(chǎn)。。2.次級生產(chǎn)的能量轉(zhuǎn)化次級生產(chǎn)（secondaryproductio圖7-5

生態(tài)系統(tǒng)次級生產(chǎn)能流的一般模式可利用食物未攝入量攝入量同化量排泄量生產(chǎn)量呼吸量圖7-5生態(tài)系統(tǒng)次級生產(chǎn)能流的一般模式可利用食物未攝入

每一個營養(yǎng)級的能量轉(zhuǎn)化都遵循熱力學(xué)定律，其能量轉(zhuǎn)換平衡關(guān)系均可用下式表示：NP=NI+II=R+FU+P

式中，NP為凈初級生產(chǎn)量（或上一營養(yǎng)級凈生產(chǎn)量）；NI為未被下一營養(yǎng)級消費者食用的部分；I為被其食用的部分，簡稱為攝入量（ingestion）；FU為各種形態(tài)的排泄量；R為呼吸代謝消耗量，簡稱為呼吸量（respiratory）；P為下一營養(yǎng)級消費者貯存的能量，簡稱為生產(chǎn)量（production）。每一個營養(yǎng)級的能量轉(zhuǎn)化都遵循熱力學(xué)定律，其能量轉(zhuǎn)

生產(chǎn)量與呼吸量之和構(gòu)成同化量A（assimilation），即：A=P+R

次級生產(chǎn)的能量轉(zhuǎn)化效率隨著生產(chǎn)者的種類和生態(tài)型不同而不同，還與其所處的生態(tài)環(huán)境有關(guān)。人工飼養(yǎng)的家畜、家禽能量轉(zhuǎn)化率要明顯高于野生動物。生產(chǎn)量與呼吸量之和構(gòu)成同化量A（ass

1.

初級生產(chǎn)能量轉(zhuǎn)化效率

農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)初級生產(chǎn)的能量轉(zhuǎn)化效率一般用光能利用率（solarenergyuseefficiency）表示，即一定時間內(nèi)投射到綠色植物表層的太陽輻射能（或光合有效輻射能）被植物轉(zhuǎn)化為有機物質(zhì)中的化學(xué)能的比率，也稱為太陽能轉(zhuǎn)化率。三、農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的能量轉(zhuǎn)化效率

1.初級生產(chǎn)能量轉(zhuǎn)化效率三、農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的能量轉(zhuǎn)化效

其表達式為：

式中，E為作物的光能利用率；DM為一定時間內(nèi)單位面積形成的干物質(zhì)量(kg)，時間一般是一年，有時也可以是一個特定的生長季；H為作物器官的產(chǎn)熱率，即單位干物質(zhì)燃燒產(chǎn)生的熱量(kcal/kg或kJ/kg)；∑Q為同期投射到單位面積上的總輻射量或光合有效輻射量(kcal或kJ)。其表達式為：

光能利用率是系統(tǒng)農(nóng)業(yè)自然資源條件、社會經(jīng)濟條件及管理水平、作物類型和品種共同作用的綜合結(jié)果。

陸地平均光能利用率為0.25%，農(nóng)田平均為0.6%左右，高產(chǎn)農(nóng)田可以達到2.0%以上，小麥、玉米、水稻、高粱等作物可達1.2%～2.4%。同種作物的不同生態(tài)型品種，其利用太陽輻射能的能力也會有差異，選育高光效抗逆性強的優(yōu)良品種對初級生產(chǎn)力的提高有重要意義。光能利用率是系統(tǒng)農(nóng)業(yè)自然資源條件、社會經(jīng)濟條件及

在應(yīng)用優(yōu)良品種的基礎(chǔ)上，合理密植與間套作，優(yōu)化作物群體結(jié)構(gòu)，改善土壤肥力與水利灌溉條件，減少水分養(yǎng)分制約，截獲和轉(zhuǎn)化更多的太陽輻射能，穩(wěn)定和持續(xù)地提高農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的光能利用率及生產(chǎn)力。

在應(yīng)用優(yōu)良品種的基礎(chǔ)上，合理密植與間套作，優(yōu)化作表7-1

湖南長沙地區(qū)不同熟制的光能利用率（1988）資料來源：鄒超亞，1988表7-1湖南長沙地區(qū)不同熟制的光能利用率（1988）資

生態(tài)系統(tǒng)次級生產(chǎn)的能量轉(zhuǎn)化效率(energytransferefficiency)，在生態(tài)學(xué)上又被稱為生態(tài)效率(ecologicalefficiency)。生態(tài)效率種類很多，分別表示不同的含義，從不同角度反映食物鏈上的能量關(guān)系，大致可以分為營養(yǎng)級內(nèi)和營養(yǎng)級間兩大類。

2.

次級生產(chǎn)能量轉(zhuǎn)化效率

生態(tài)系統(tǒng)次級生產(chǎn)的能量轉(zhuǎn)化效率(e

若某一營養(yǎng)級的同化量為At，生產(chǎn)量為Pt，攝食量為It，則營養(yǎng)級內(nèi)的生態(tài)效率主要有：生態(tài)生長效率：生產(chǎn)量與攝食量之比，即Pt/It。凈生態(tài)學(xué)效率：生產(chǎn)量與同化量之比，即Pt/At。同化效率：消費者同化量與攝食量之比，即At/It。若某一營養(yǎng)級的同化量為At，生產(chǎn)量為P攝食效率

本營養(yǎng)級攝食量與上一營養(yǎng)級攝食量之比，即It/It-1。同化效率

本營養(yǎng)級同化量與上一營養(yǎng)級同化量之比，即At/At-1。生產(chǎn)效率

本營養(yǎng)級生產(chǎn)量與上一營養(yǎng)級生產(chǎn)量之比，即Pt/Pt-1。利用效率

本營養(yǎng)級同化量與上一營養(yǎng)級生產(chǎn)量之比，即At/Pt-1。

生態(tài)效率是由生物因素和非生物的環(huán)境因素共同決定營養(yǎng)級之間的生態(tài)效率主要有：攝食效率

本營養(yǎng)級攝食量與上一營養(yǎng)級攝食量之比，即It/I1.

人工輔助能投入對農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力的影響

四、農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)人工輔助能的投入與轉(zhuǎn)化效率

農(nóng)業(yè)的發(fā)展過程實質(zhì)上就是人類調(diào)控農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)能力不斷增強的過程。除草劑肥料農(nóng)藥機械燃油人工輔助能1.人工輔助能投入對農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力的影響四、農(nóng)業(yè)生態(tài)表7-3

人類歷史上幾個主要農(nóng)業(yè)發(fā)展階段的能量產(chǎn)投比較表7-3人類歷史上幾個主要農(nóng)業(yè)發(fā)展階段的能量產(chǎn)投比較表7-3世界各地輔助能投入與谷物產(chǎn)出量

從世界各地的比較看，輔助能的投入水平與農(nóng)業(yè)產(chǎn)量水平也是密切相關(guān)的（表7-3）。資料來源：FAO，1972表7-3世界各地輔助能投入與谷物產(chǎn)出量從

人工輔助能的投入水平，特別是工業(yè)輔助能投入水平是反映農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)現(xiàn)代化、集約化程度的一個標(biāo)志。輔助能水平人工輔助能的投入水平，特別是工業(yè)輔助能投入水平是

輔助能投入效率，通常用系統(tǒng)總產(chǎn)出能量與人工輔助能總投入量之比，即產(chǎn)投比表示。也可以是無機能投入效率，即總產(chǎn)出能量與無機能總投入量之比。

一般情況下，隨輔助能投入水平的增加，能量的產(chǎn)出水平及農(nóng)業(yè)產(chǎn)量是相應(yīng)增加的，但輔助能的能量效率不一定增加。

2.

農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)輔助能的利用效率輔助能投入效率，通常用系統(tǒng)總產(chǎn)出能量與人工輔助能

輔助能的轉(zhuǎn)化效率不僅與能量投入水平密切相關(guān)，而且還與能量的投入結(jié)構(gòu)有很大關(guān)系。輔助能投入結(jié)構(gòu)就是指系統(tǒng)總輔助能投入中各種類型輔助能投入量所占的比值，也可以是總工業(yè)輔助能投入中各種形式的工業(yè)輔助能投入量所占比值。

輔助能的轉(zhuǎn)化效率不僅與能量投入水平密切相關(guān)，而且

我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)的能量投入，在20世紀(jì)的50年代有機能占絕大比例，無機能投入占總投能的比例不足2%，到80年代無機能投入已占到10%以上，而且增長最快的是化肥和農(nóng)機的投能量，已分別占到工業(yè)輔助能投入的80%和4%以上，這是傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)向現(xiàn)代農(nóng)業(yè)過度的明顯標(biāo)志。輔助能投入結(jié)構(gòu)也反映了農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)對資源的利用方式。如果生物能輸入所占比重大，說明系統(tǒng)的自給能力較強，一些傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)即屬于此類。反之，如果系統(tǒng)輸入的輔助能大部分是工業(yè)能源，則說明系統(tǒng)的自給能力較差。在農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)中，對于那些消耗工業(yè)能過多的生產(chǎn)環(huán)節(jié)，應(yīng)在改善系統(tǒng)管理、節(jié)約能源和資源方面予以特別關(guān)注。

我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)的能量投入，在20世紀(jì)的50年代有機

五、農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)人工輔助能的合理投入與

能流方向的調(diào)控

人工輔助能的合理投入由于輔助能投入存在報酬遞減現(xiàn)象，在投入較高階段，大量輔助能的投入并未使農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)量獲得相應(yīng)提高，生產(chǎn)成本卻大大增加。同時，濫用輔助能還會對農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)帶來負效應(yīng)，造成能源枯竭、水體富營養(yǎng)化、水土流失、環(huán)境污染、地力下降、病蟲抗藥性增強、生物多樣性減少、溫室效應(yīng)加劇、生態(tài)安全受威脅等一系列環(huán)境問題。因此，人工輔助能的投入需要科學(xué)合理進行。五、農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)人工輔助能的合理投入與途徑：

保護和利用農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的自然調(diào)節(jié)機制與過程，發(fā)展良性循環(huán)生態(tài)農(nóng)業(yè)，在此基礎(chǔ)上，適時適量合理輸入輔助能，在投入水平較高地區(qū)，控制輔助能增長量，尤其是工業(yè)能投入。依靠現(xiàn)代科技技術(shù)，優(yōu)化人工輔助能投入結(jié)構(gòu)，充分利用生物輔助能，提高工業(yè)輔助能管理水平，以較少的輔助能投入，獲得較高的經(jīng)濟產(chǎn)品能產(chǎn)出，提高投能效率和效益。在提高農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)量和品質(zhì)的同時，減少環(huán)境污染和資源的過度消耗，使農(nóng)業(yè)經(jīng)濟增長方式從犧牲環(huán)境質(zhì)量，片面追求產(chǎn)值、數(shù)量和速度的粗放型轉(zhuǎn)向保護和高效節(jié)約利用環(huán)境資源的可持續(xù)發(fā)展型。途徑：2.

農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)能流方向的調(diào)控

擴源農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)類型不同，能量流動渠道不同，目標(biāo)也不完全相同，但是無論什么樣的系統(tǒng)，初級生產(chǎn)所固定的太陽輻射能都是系統(tǒng)能量物質(zhì)流動的前提，既是人們口糧的來源，也是養(yǎng)殖業(yè)飼料與工業(yè)原料的來源。通過擴大綠色植被面積，發(fā)展立體種植，提高復(fù)種指數(shù)，喬、灌、草結(jié)合綠化荒山、荒坡等措施增加光合面積和延長光合時間，提高光能利用率，獲得和轉(zhuǎn)化更多的太陽輻射能，為擴大農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)能流規(guī)模奠定基礎(chǔ)。2.農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)能流方向的強庫一方面，通過選育和配置高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)抗逆的生物種類和品種，建立合理的農(nóng)林牧漁群落結(jié)構(gòu)，來提高初級生產(chǎn)者和次級生產(chǎn)者的能量固定能力。另一方面，加強輔助能投入，改善系統(tǒng)的生態(tài)限制因子，為生產(chǎn)者創(chuàng)造與維持適宜生長發(fā)育的溫、光、水、肥、土等生態(tài)環(huán)境，減少能量耗損，提高能量轉(zhuǎn)化效率。強庫截流礦物能源的日趨枯竭和環(huán)境污染的不斷加劇，促使世界各國致力于開發(fā)和利用可再生能源，以減少對化石能源的過度依賴。農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)的農(nóng)作物秸稈、農(nóng)產(chǎn)品加工業(yè)副產(chǎn)品、畜禽糞便、雜草枯葉和能源作物等來源豐富、數(shù)量巨大的生物質(zhì)能，可利用來開發(fā)沼氣、燃料乙醇、生物柴油、秸稈氣化、秸稈固體成型燃料等能量品位較高的新型能源，提高生物質(zhì)能利用效率，優(yōu)化輔助能投入結(jié)構(gòu)。截流減耗在節(jié)肥方面，開發(fā)長效緩釋肥、作物專用肥、微生物肥、高效有機復(fù)合肥、推廣配方施肥、精確施肥等技術(shù)，提高肥料利用效率，并結(jié)合間套作、輪作、秸稈還田等傳統(tǒng)技術(shù)培肥地力。在節(jié)水方面，選用、選育高效水分利用型作物與品種，采用少免耕、覆蓋栽培、雨水集蓄、保墑劑等蓄水保墑技術(shù)，推廣微灌、滴灌、噴灌等節(jié)水灌溉技術(shù)。此外，還有實施病蟲草害綜合防治技術(shù)，減少化學(xué)農(nóng)藥的使用；實行保護性耕作技術(shù)減少勞動力投入和農(nóng)機燃料消耗；穩(wěn)定耕地數(shù)量，防治水土流失、土壤沙漠化、鹽堿化、酸化等土地質(zhì)量退化，節(jié)約和保護耕地資源等方面。減耗一、農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的能流分析二、農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的能值分析第三節(jié)農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)能流分析方法

一、農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的能流分析第三節(jié)農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)能流分析方法一、農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的能流分析

在進行農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)能流分析時，既要考慮生態(tài)系統(tǒng)的生物質(zhì)能流，又要考慮人類社會經(jīng)濟活動的能流，即人工輔助能流，后者還往往成為分析的側(cè)重點。通過這種能流分析，明確農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的輔助能輸入特征、利用效率，以及系統(tǒng)在能量利用方面存在的問題，從而為優(yōu)化和調(diào)整系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與功能，提高系統(tǒng)的生產(chǎn)力提供對策。

1.

能流分析的目的一、農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的能流分析在進行農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)能流分（1）確定研究系統(tǒng)的邊界

根據(jù)研究目的和要求，確定研究對象的邊界及其組分。研究對象可以是生產(chǎn)類型單一的農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)，如一塊農(nóng)田、一片果園、一個魚塘等，也可以是由農(nóng)、林、牧、漁、加工各業(yè)組成的復(fù)合農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)，如一家農(nóng)戶、一個村莊、一個鄉(xiāng)（鎮(zhèn)）、一個市（縣）、一個國家等。2.能流分析的步驟與方法（1）確定研究系統(tǒng)的邊界2.能流分析的步驟與方法（2）確定系統(tǒng)主要成分間的關(guān)系，繪制能量流動圖

明確系統(tǒng)有哪些成分（亞系統(tǒng)）組成，它們之間存在怎樣的能流關(guān)系。對于組分結(jié)構(gòu)與能流關(guān)系較復(fù)雜的系統(tǒng)，可繪制能流圖，以輔助理解。通常采用H.T.Odum（1972）所設(shè)計的能流圖示符號繪圖。（3）確定各組分之間的實物輸入與輸出流量詳細調(diào)查或測量輸入系統(tǒng)各組分的生產(chǎn)資料和勞動力，如化肥、農(nóng)藥、種苗、種畜、人力等實物的實際數(shù)量，以及各組分產(chǎn)出的糧食、蔬菜、豬肉、雞蛋等所有實物數(shù)量。（2）確定系統(tǒng)主要成分間的關(guān)系，繪制能量流動圖（4）將各種實物流量換算為能流量

按照各種實物的折能標(biāo)準(zhǔn)或換算系數(shù)，將各組分輸入與輸出的不同計量單位的各項實物量換算為單位統(tǒng)一的能量。對一些難以查到的生物質(zhì)熱值，亦可以用氫彈式熱量計直接測定。（5）計算各項能量分析指標(biāo)

根據(jù)研究目的計算有關(guān)能量分析指標(biāo)，常見的有：輔助能投入總量、輔助能投入結(jié)構(gòu)、產(chǎn)出生物質(zhì)能結(jié)構(gòu)、光能利用率、生態(tài)效率、產(chǎn)投比等，并可評價系統(tǒng)的開放程度、自我維持能力等。（4）將各種實物流量換算為能流量（6）綜合評價系統(tǒng)的能流特征及效益將所研究系統(tǒng)不同發(fā)展時期、不同管理條件下的能流狀況進行比較，并將生態(tài)效益與經(jīng)濟效益相結(jié)合進行綜合評價，找出系統(tǒng)在能量利用方面存在的問題，進而提出優(yōu)化調(diào)控的對策與途徑。由于研究目的與研究尺度的不同，農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的能流分析在方法與內(nèi)容上存在一定差異。對于以國家或較大行政區(qū)域范圍為研究對象的分析，多采用整個系統(tǒng)或亞系統(tǒng)水平上的輸入-輸出分析法。而對農(nóng)田、農(nóng)戶等小尺度研究對象的分析，多采用過程分析法。（6）綜合評價系統(tǒng)的能流特征及效益

農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的生物組分主要包括生產(chǎn)者(作物和雜草)、消費者（害蟲和天敵）、分解者（土壤微生物、蚯蚓及土壤節(jié)肢動物）。3.能流分析的應(yīng)用實例（1）農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)尺度

農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的生物組分主要包括生產(chǎn)者(作物和雜草

根據(jù)研究目的需要，可以僅研究系統(tǒng)某一生物組分的生態(tài)效率與輔助能流特征，如作物群落、害蟲群落或土壤微生物群落等，而不涉及其他組分。也可以分析涉及全部生物組分的整個系統(tǒng)的能流規(guī)模和效率。根據(jù)研究目的需要，可以僅研究系統(tǒng)某一生物組分的生戈峰等（2002）對不同類型的華北棉田生態(tài)系統(tǒng)能流變化進行研究。以涉及播種期、種植方式、免耕技術(shù)的不同類型棉田生態(tài)系統(tǒng)為研究對象，選擇作物、害蟲和捕食性天敵3個群落為主要研究組分，測定3個組分的有關(guān)能流參數(shù)值，并調(diào)查輔助能投入實物量，折算能量后再計算有關(guān)能量分析指標(biāo)（表7-4、表7-5），進而綜合評價系統(tǒng)能流特征。戈峰等（2002）對不同類型的華北棉田生態(tài)系統(tǒng)能流變化進行研表7-4

華北棉區(qū)不同類型棉田害蟲和捕食性天敵能流參數(shù)值(kJ/(m2·a))注：P為害蟲群落，PE為捕食性天敵群落。表7-5

華北棉區(qū)不同類型棉田初級生產(chǎn)者能量輸入輸出參數(shù)值(×103kJ/(m2·a))引自戈峰等，2002

引自戈峰等，2002表7-4華北棉區(qū)不同類型棉田害蟲和捕食性天敵能流參數(shù)值(k由表7-4與表7-5可知，與春播棉田相比，遲春播棉田因播種期推后，害蟲的取食為害作用增加，天敵的捕食作用減少，棉田經(jīng)濟生產(chǎn)力及光能的利用效率下降，棉田能量投產(chǎn)比也明顯下降。實行麥套夏棉種植，與春播棉田相比，棉花播期推遲，棉田內(nèi)增加一季小麥生產(chǎn)，害蟲為害作用和天敵捕食作用均增加，棉田初級生產(chǎn)力和光能利用率大幅提高，盡管輔助能投入量也大大增加，但最終的投產(chǎn)能比、經(jīng)濟效益還是明顯高于春播棉田，說明間套作棉田在能量利用和分配上比單作棉田要高。由表7-4與表7-5可知，與春播棉田相比，遲春播棉田因播種期另外，陳銘達等（2005）研究了三峽庫區(qū)稻蟹復(fù)合農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)能量特征。表7-6

稻田生態(tài)系統(tǒng)中能量的投入與產(chǎn)出(×105kJ/hm2)注：折算能值（kJ/hm2）:無機氮肥2.3，磷肥1.36，鉀肥0.366；農(nóng)藥2.53；動力0.96；勞力0.136；種子3.14；有機肥0.419.另外，陳銘達等（2005）研究了三峽庫區(qū)稻蟹復(fù)合農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)可以看出，稻蟹田系統(tǒng)形成的總生物量與產(chǎn)出能均遠遠高于未養(yǎng)河蟹的純作稻田，而輔助能總投入量卻可明顯減少，因此，產(chǎn)投比顯著提高。純作稻田系統(tǒng)中的雜草、浮游植物、浮游動物、底棲動物、昆蟲以及光合細菌等，利用了系統(tǒng)內(nèi)的水、肥、氣、熱、光等資源的能量，但卻隨著稻田水的交換和人為除草而被排出田外，使其占有的能量與營養(yǎng)物質(zhì)流失于系統(tǒng)之外，不能轉(zhuǎn)化為有經(jīng)濟價值的生物質(zhì)能。而在稻蟹田系統(tǒng)中這些能量與營養(yǎng)物質(zhì)通過河蟹的吸收與轉(zhuǎn)化，成為具有經(jīng)濟價值的水產(chǎn)品?？梢钥闯觯拘诽锵到y(tǒng)形成的總生物量與產(chǎn)出能均遠遠高于未養(yǎng)河蟹

（2）縣域農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)尺度縣域農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)是由農(nóng)、林、牧、漁、加工各業(yè)組成的復(fù)合農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與功能較復(fù)雜。聞大中（1989）對遼寧省西部喀左縣農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)能流進行分析研究。

（2）縣域農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)尺度①依據(jù)系統(tǒng)各組分之間的能流關(guān)系及其與外部的關(guān)系，繪制系統(tǒng)能流分析圖（圖7-6）。圖7-6

喀左縣農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)能流圖（1981-1983年）①依據(jù)系統(tǒng)各組分之間的能流關(guān)系及其與外部的關(guān)系，繪制系②通過收集有關(guān)統(tǒng)計資料和實際調(diào)查估算，確定各組分的各種輸入與輸出的實際流量，以及組分之間的各種流量。然后按照有關(guān)的能量折算標(biāo)準(zhǔn)，將實際流量轉(zhuǎn)換成能流量（表7-7）。最后計算相關(guān)能流分析指標(biāo)，對系統(tǒng)的能流特征、功能效益等進行綜合評價。②通過收集有關(guān)統(tǒng)計資料和實際調(diào)查估算，確定各組分表7-7

遼寧省喀左縣農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的能流（1981-1983年平均值）

分析表明，該系統(tǒng)自然條件惡劣，經(jīng)濟發(fā)展水平落后，人口增長迅速，系統(tǒng)環(huán)境壓力較大，是全國為數(shù)不多的脆弱農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)之一。引自聞大中，1989表7-7遼寧省喀左縣農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的能流（1981-198

H.T.Odum定義能值為一種流動或貯存的能量中所包含的另一種類別能量的數(shù)量。能值實質(zhì)就是包含能量。

能值分析是以能值為基準(zhǔn)，把生態(tài)系統(tǒng)中不同種類、不同等級的能量轉(zhuǎn)換成同一標(biāo)準(zhǔn)的能值來衡量和分析，評價其在系統(tǒng)中的真實價值與貢獻，并綜合分析系統(tǒng)中各種生態(tài)流(能物流、貨幣流、人口流和信息流)。二、農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的能值分析1.能值分析的基本概念與原理H.T.Odum定義能值為一種流動或貯存的能（1）資料收集（2）編制能值投入分析表（3）編制能值產(chǎn)出分析表（4）繪制系統(tǒng)能值綜合結(jié)構(gòu)圖（5）構(gòu)建能值分析指標(biāo)體系能值投入結(jié)構(gòu)、凈能值產(chǎn)出率、環(huán)境負載率、能值/貨幣比率等（6）系統(tǒng)的發(fā)展評價和策略分析

2.能值分析的基本步驟（1）資料收集2.能值分析的基本步驟

3.能值分析應(yīng)用實例

以王閏平等（2008）對山西省農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的能值分析為例介紹能值分析方法的應(yīng)用。能值投入結(jié)構(gòu)分析能值產(chǎn)出結(jié)構(gòu)分析凈能值產(chǎn)出率環(huán)境負載率3.能值分析應(yīng)用實例以王閏平等（2008）對山西4.能值理論的意義能值概念與能值分析方法，在理論和計算方法上都是生態(tài)系統(tǒng)能量研究的一個重大飛躍，具有重大的科學(xué)意義。能值理論的重要貢獻在于把能量的數(shù)量與質(zhì)量區(qū)別開來。4.能值理論的意義能值概念與能值分析方法，在理論和計算方法以能值為量綱，通過對各種生態(tài)流進行統(tǒng)一的單位轉(zhuǎn)換評價，可以將生態(tài)系統(tǒng)的各種功能包括能量流、物質(zhì)流、信息流、資金流（價值流）建立起聯(lián)系，把自然生態(tài)系統(tǒng)與人類經(jīng)濟系統(tǒng)統(tǒng)一起來進行定量分析，為生態(tài)系統(tǒng)的理論研究和管理實踐提供了一種有效的定量方法。

以能值為量綱，通過對各種生態(tài)流進行統(tǒng)一的單位轉(zhuǎn)換評價，可以將思考題1.農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的能量來源有哪些？2.簡述農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)能量轉(zhuǎn)化的基本規(guī)律。3.農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的途徑與自然生態(tài)系統(tǒng)有何差異？4.初級生產(chǎn)與次級生產(chǎn)如何進行能量轉(zhuǎn)化？5.簡述農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)能流的調(diào)控途徑。6.能值與太陽能值的含義是什么？如何理解能值理論？7.比較能流分析方法與能值分析方法的異同。思考題1.農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的能量來源有哪些？第七章

農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)能量轉(zhuǎn)化

能量流動與轉(zhuǎn)化的基本原理農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)能量流動的途徑與轉(zhuǎn)化效率農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)能流分析方法第七章農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)能量轉(zhuǎn)化能量流動與轉(zhuǎn)化的基本原理第一節(jié)生態(tài)系統(tǒng)的物質(zhì)循環(huán)概述

一、能量流動與轉(zhuǎn)化基本原理二、能量流動與轉(zhuǎn)化定律第一節(jié)生態(tài)系統(tǒng)的物質(zhì)循環(huán)概述一、能量流動與轉(zhuǎn)化基本原理一、生態(tài)系統(tǒng)的能量來源

物理學(xué)中的能量(energy)是衡量物質(zhì)存在和運動變化的量度，是物理學(xué)中一個重要的基本概念。經(jīng)典力學(xué)對能量的定義是指物體做功能力的量度。物體對外界做了功，物體的能量要減少；反過來，若外界對物體做了功，物體的能量就要增加。若物體的位置、速度、溫度等狀態(tài)改變了，能量也隨之改變。能量的量度單位：焦耳（J）；卡路里（cal）一、生態(tài)系統(tǒng)的能量來源物理學(xué)中的能量(en一、生態(tài)系統(tǒng)的能量來源

能量(energy)是一種做功的能力，是生態(tài)系統(tǒng)的動力基礎(chǔ)。能量是系統(tǒng)狀態(tài)的函數(shù)，生態(tài)系統(tǒng)中能量主要有兩種存在狀態(tài)，即動能(dynamicenergy)和潛能(potentialenergy)。

動能是正在做功的能量，如正在輻射的太陽能，水流所產(chǎn)生的水能等。

潛能是尚未做功，但具有潛在的做功能力的能量。1.能量的基本概念一、生態(tài)系統(tǒng)的能量來源能量(energy)

在生態(tài)系統(tǒng)中，能量有3種表現(xiàn)形式：太陽能、生物化學(xué)能和熱能。進入生態(tài)系統(tǒng)的能量，根據(jù)其來源途徑不同，可分為太陽輻射能和輔助能兩大類型。除太陽輻射能以外，其他進入系統(tǒng)的任何形式的能量，都稱為輔助能。2.生態(tài)系統(tǒng)的能量來源

在生態(tài)系統(tǒng)中，能量有3種表現(xiàn)形式：太陽能、生

太陽輻射能是生態(tài)系統(tǒng)最重要的能量來源。生態(tài)系統(tǒng)除接受并轉(zhuǎn)化太陽輻射能外，還要接受風(fēng)能、水能、潮汐能、降雨能、地?zé)崮艿绕渌问降淖匀荒芰浚暂o助太陽能為起點的食物鏈能量轉(zhuǎn)化過程，稱為生態(tài)系統(tǒng)的自然輔助能（naturalauxiliaryenergy）。2.生態(tài)系統(tǒng)的能量來源

太陽輻射能是生態(tài)系統(tǒng)最重要的能量來源。2.

農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)還需要投入大量的人工輔助能量（artificialauxiliaryenergy），以提高食物鏈能量轉(zhuǎn)化效率和系統(tǒng)的生產(chǎn)力，滿足人類的需要。人工輔助能，是指人們在從事生產(chǎn)活動過程中有意識地投入的各種形式的能量，主要是為了改善生產(chǎn)條件、加快產(chǎn)品流通、提高生產(chǎn)力，如農(nóng)田耕作、灌溉、施肥、防治病蟲害、農(nóng)業(yè)生物的育種以及產(chǎn)品的收獲、儲藏、運輸、加工等。2.生態(tài)系統(tǒng)的能量來源

農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)還需要投入大量的人工輔助

人工輔助能，按性質(zhì)可分為生物輔助能（biologicalenergy）和工業(yè)輔助能（industrialenergy）。

生物輔助能：即來自生物有機體的能量，如人、畜力、種苗和有機肥料中的化學(xué)潛能；

工業(yè)輔助能：指來自工業(yè)生產(chǎn)中的各種形式的能量，包括石油、煤、天然氣、電等形式投入的直接工業(yè)輔助能和以化肥、農(nóng)藥、農(nóng)業(yè)機械、家用塑料等形式投入的間接工業(yè)輔助能2.生態(tài)系統(tǒng)的能量來源

2.生態(tài)系統(tǒng)的能量來源圖7-2

農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)能源及類型圖7-2農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)能源及類型二、能量流動與轉(zhuǎn)化定律

1.熱力學(xué)第一定律

二、能量流動與轉(zhuǎn)化定律1.熱力學(xué)第一定律熱力學(xué)(thermodynamics)是從能量轉(zhuǎn)化的觀點研究物質(zhì)的熱性質(zhì)，闡明能量從一種形式轉(zhuǎn)換為另一種形式時應(yīng)遵循的客觀規(guī)律。熱力學(xué)具有普遍性，自然界的所有系統(tǒng)都具有熱力學(xué)的基本特點。在生態(tài)系統(tǒng)中，能量的流動和轉(zhuǎn)化同樣服從基本的熱力學(xué)定律。此外，在農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)中，人們利用動植物的生物學(xué)特性，實現(xiàn)太陽輻射能的固定、轉(zhuǎn)化，生成人們可以利用的動植物產(chǎn)品，在這個過程中，能量不斷地消耗與輸出，能量逐級減少，可以看出農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)中的能量流動與轉(zhuǎn)化也是遵循熵定律的。二、能量流動與轉(zhuǎn)化定律

熱力學(xué)(thermodynamics)是從能量轉(zhuǎn)化的觀點研究

熱力學(xué)第一定律指出：能量可以在不同的介質(zhì)中被傳遞，在不同的形式間被轉(zhuǎn)化，但能量既不能被消滅，也不能被創(chuàng)造。即能量在轉(zhuǎn)化過程中是守恒的，它只能以嚴格的當(dāng)量比例由一種形式轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N形式。因此該定律又稱為能量守恒定律。二、能量流動與轉(zhuǎn)化定律

1.熱力學(xué)第一定律

熱力學(xué)第一定律指出：能量可以在不同的

對于熱功轉(zhuǎn)化過程，可以用下式表示：Q=△U+W

式中，Q為系統(tǒng)吸收的熱量，△U為系統(tǒng)的內(nèi)能變化，W為系統(tǒng)對外所做的功。

生態(tài)系統(tǒng)中能量的傳遞和轉(zhuǎn)化也嚴格遵循

熱力學(xué)第一定律對于熱功轉(zhuǎn)化過程，可以用下式表示：生態(tài)系統(tǒng)中能

熱力學(xué)第二定律是表達有關(guān)能量傳遞方向和轉(zhuǎn)換效率的規(guī)律?；緝?nèi)容：自然界的所有自發(fā)過程，能量的傳遞均有一定方向，且在能量的傳遞和轉(zhuǎn)化過程中，除一部分可以繼續(xù)傳遞和做功外，總有一部分不能繼續(xù)傳遞和做功而以熱的形式消散，所以任何能量的轉(zhuǎn)換效率都不可能達到100％。2.熱力學(xué)第二定律熱力學(xué)第二定律是表達有關(guān)能量傳遞方向

由熱力學(xué)第二定律可知，生態(tài)系統(tǒng)的能量從一種形式轉(zhuǎn)化為另—種形式時，總是有一部分能量轉(zhuǎn)化為不能利用的熱能而耗散。由熱力學(xué)第二定律可知，生態(tài)系統(tǒng)的能量從一種形式轉(zhuǎn)化為另—農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)中的能量轉(zhuǎn)化農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)中的能量轉(zhuǎn)化

熵（entropy）是熱力學(xué)中的重要狀態(tài)函數(shù)，是對事物或系統(tǒng)無序性的量度。任何物體在溫度為絕對零度時處于無分子運動的最大有序狀態(tài)，這時物體的熵等于零。

熵增加就是系統(tǒng)的無序性增加。3.熵與耗散結(jié)構(gòu)

熵（entropy）是熱力學(xué)中的重要狀

普利高津的耗散結(jié)構(gòu)（dissipativestructure）理論指出，一個遠離平衡態(tài)的開放系統(tǒng)，通過與外界環(huán)境不斷的物質(zhì)和能量交換，就可能使系統(tǒng)的熵減少和有序性提高，維持一種穩(wěn)定的平衡狀態(tài)。這種不斷與外界交換物質(zhì)和能量、維持系統(tǒng)穩(wěn)定性的狀態(tài)就是耗散結(jié)構(gòu)。

生態(tài)系統(tǒng)本身就是一個開放的能量耗散系統(tǒng)普利高津的耗散結(jié)構(gòu)（dissipative生態(tài)金字塔：由于能量沿著食物鏈從一個營養(yǎng)級向另一個營養(yǎng)級流動過程中，能量損失極大，一般僅能維持4-5個營養(yǎng)級的存在，不足以維持更多。當(dāng)營養(yǎng)級由低到高排列時，其能量一般呈現(xiàn)出基部寬、頂部窄的金字塔形。

三、生態(tài)系統(tǒng)能量流動的特點

生態(tài)金字塔生態(tài)金字塔：由于能量沿著食物鏈從一個營養(yǎng)級向另一個營養(yǎng)級流動1．單向流動與逐級遞減。能量只是一次性流經(jīng)生態(tài)系統(tǒng)，只能從第一營養(yǎng)級流向第二營養(yǎng)級，再依次流向后面各個營養(yǎng)級，既不能逆向流動，也不能循環(huán)流動。且從太陽輻射能到被生產(chǎn)者固定，再經(jīng)草食動物到肉食動物再到大型肉食動物，能量是逐步遞減的。2．必須不斷地補充系統(tǒng)外能源。能量單向流動并逐級遞減，輸入生態(tài)系統(tǒng)的太陽輻射能，通過光合作用被植物固定后，再也不能以光能形式返回。生態(tài)系統(tǒng)要維持正常的功能，就必須有永恒不斷的太陽能輸入，一旦中斷，生態(tài)系統(tǒng)就會喪失其功能。三、生態(tài)系統(tǒng)能量流動的特點

1．單向流動與逐級遞減。三、生態(tài)系統(tǒng)能量流動的特點3．通過食物鏈形成生態(tài)金字塔。4．能量數(shù)量的遞減伴隨著質(zhì)量的提高。隨著能量從低等級的太陽能、風(fēng)能、雨能等轉(zhuǎn)化為較高質(zhì)量、密集的綠色植物的潛能，再傳遞、轉(zhuǎn)化為更高質(zhì)量、更為密集的各級消費者的能量，能量的數(shù)量逐漸減少，能量的質(zhì)量卻逐步提高和濃集。

三、生態(tài)系統(tǒng)能量流動的特點

3．通過食物鏈形成生態(tài)金字塔。三、生態(tài)系統(tǒng)能量流動的特點第二節(jié)農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)能量流動的途徑

與轉(zhuǎn)化效率一、農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)能量流動的途徑二、農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的能量轉(zhuǎn)化三、農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的能量轉(zhuǎn)化效率四、農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)人工輔助能的投入與轉(zhuǎn)化效率五、農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)人工輔助能的合理投入與能流

方向的調(diào)控第二節(jié)農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)能量流動的途徑

與轉(zhuǎn)化效率一、農(nóng)業(yè)生態(tài)一、農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)能量流動的途徑

1.生態(tài)系統(tǒng)的能量流動途徑基本路徑：

1.

有機物質(zhì)內(nèi)的化學(xué)能，沿著牧食食物鏈，通過取食關(guān)系被下一營養(yǎng)級生物攝入體內(nèi)，被轉(zhuǎn)化為不同類型的生物質(zhì)化學(xué)能。

2.

在能量轉(zhuǎn)化過程中，每一營養(yǎng)級均有一部分生物質(zhì)能以遺體、殘體及排泄物等形式直接進入腐生食物鏈，被分解或者降解。

3.

通過呼吸作用以熱的形式釋放到環(huán)境中。一、農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)能量流動的途徑1.生態(tài)系統(tǒng)的能量流動途徑

除上述3條基本路徑外，每一營養(yǎng)級還有相當(dāng)數(shù)量的生物質(zhì)能未被利用來做功，而是直接以有機化合物形式沉積在系統(tǒng)中。如森林生態(tài)系統(tǒng)中就有大量的凈初級生產(chǎn)量以有機殘屑形式逐年

堆積在森林底層。除上述3條基本路徑外，每一營養(yǎng)級還有相當(dāng)數(shù)量的生GP.總初級生產(chǎn)量；R.呼吸量；H.草食動物；C.肉食動物圖7-3CedarBog湖生態(tài)系統(tǒng)能量流動的定量分析（J/(cm2·a）（引自Lindeman，1942）C12.6GP464.7H62.8分解微分解2.1分解12.5未利用5.0R7.5未利用29.3未利用293.1R18.8R96.3未吸收

497228.6R7.5入射日光能497693.3GP.總初級生產(chǎn)量；R.呼吸量；H.草食動物；C.肉2.

農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的能量流動途徑

圖7-4

農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)能量流動路徑示意圖2.農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的能量流動途徑圖7-4農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)能

生態(tài)系統(tǒng)中綠色植物通過光合作用對太陽輻射能進行轉(zhuǎn)化和固定，這是生態(tài)系統(tǒng)中的第一次能量固定，所以稱為初級生產(chǎn)（primaryproduction）。二、農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的能量轉(zhuǎn)化

1.初級生產(chǎn)的能量轉(zhuǎn)化

生態(tài)系統(tǒng)中綠色植物通過光合作用對太陽輻射能

根據(jù)熱力學(xué)第一定律，生態(tài)系統(tǒng)初級生產(chǎn)過程中的能量平衡關(guān)系可表示為：

Q+q=α(Q+q)+S+H+IE+B+GP

H為顯熱；IE為蒸發(fā)潛能；B為用于系統(tǒng)溫度變化的熱量；Q為太陽直射輻射量；q為太陽散射輻射量；α為輻射反射率；S為下墊面長波輻射和大氣長波輻射之和；GP為植物通過光合作用所固定的太陽能，即總初級生產(chǎn)力或總初級生產(chǎn)量（grossprimaryproduction，GP），常用單位：J/m2·a或g/m2·a。根據(jù)熱力學(xué)第一定律，生態(tài)系統(tǒng)初級生產(chǎn)

在生產(chǎn)者所固定的能量（即總初級生產(chǎn)量）中有一部分要被生產(chǎn)者自身的呼吸代謝所消耗，剩下的能量才是可用于生產(chǎn)者生長和生殖的能量，即為凈初級生產(chǎn)量（netprimaryproduction，NP），因此有：GP=NP+R

式中：GP

為總初級生產(chǎn)量，NP為凈初級生產(chǎn)量，R為呼吸所消耗的能量。

在生產(chǎn)者所固定的能量（即總初級生產(chǎn)

不同類型生態(tài)系統(tǒng)的初級生產(chǎn)量主要受熱量、水分、養(yǎng)分、光照等生態(tài)因子和生態(tài)系統(tǒng)利用這些因子的能力制約。地球上各生態(tài)系統(tǒng)的凈初級生產(chǎn)力大約變化在0~3500g/m2·a范圍內(nèi)。生產(chǎn)力較高的生態(tài)系統(tǒng)是沼澤、濕地、河口灣等。在陸地生態(tài)系統(tǒng)中熱帶雨林的生產(chǎn)力最高，全世界耕地的凈初級生產(chǎn)力平均約為650g/m2·a。

不同類型生態(tài)系統(tǒng)的初級生產(chǎn)量主要受熱量、水分、養(yǎng)分、

次級生產(chǎn)（secondaryproduction）是指異養(yǎng)生物的生產(chǎn)，也就是生態(tài)系統(tǒng)中消費者、分解者利用初級生產(chǎn)量進行的同化、生長發(fā)育及繁育后代的過程。

2.次級生產(chǎn)的能量轉(zhuǎn)化次級生產(chǎn)（secondaryproductio圖7-5

生態(tài)系統(tǒng)次級生產(chǎn)能流的一般模式可利用食物未攝入量攝入量同化量排泄量生產(chǎn)量呼吸量圖7-5生態(tài)系統(tǒng)次級生產(chǎn)能流的一般模式可利用食物未攝入

每一個營養(yǎng)級的能量轉(zhuǎn)化都遵循熱力學(xué)定律，其能量轉(zhuǎn)換平衡關(guān)系均可用下式表示：NP=NI+II=R+FU+P

式中，NP為凈初級生產(chǎn)量（或上一營養(yǎng)級凈生產(chǎn)量）；NI為未被下一營養(yǎng)級消費者食用的部分；I為被其食用的部分，簡稱為攝入量（ingestion）；FU為各種形態(tài)的排泄量；R為呼吸代謝消耗量，簡稱為呼吸量（respiratory）；P為下一營養(yǎng)級消費者貯存的能量，簡稱為生產(chǎn)量（production）。每一個營養(yǎng)級的能量轉(zhuǎn)化都遵循熱力學(xué)定律，其能量轉(zhuǎn)

生產(chǎn)量與呼吸量之和構(gòu)成同化量A（assimilation），即：A=P+R

次級生產(chǎn)的能量轉(zhuǎn)化效率隨著生產(chǎn)者的種類和生態(tài)型不同而不同，還與其所處的生態(tài)環(huán)境有關(guān)。人工飼養(yǎng)的家畜、家禽能量轉(zhuǎn)化率要明顯高于野生動物。生產(chǎn)量與呼吸量之和構(gòu)成同化量A（ass

1.

初級生產(chǎn)能量轉(zhuǎn)化效率

農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)初級生產(chǎn)的能量轉(zhuǎn)化效率一般用光能利用率（solarenergyuseefficiency）表示，即一定時間內(nèi)投射到綠色植物表層的太陽輻射能（或光合有效輻射能）被植物轉(zhuǎn)化為有機物質(zhì)中的化學(xué)能的比率，也稱為太陽能轉(zhuǎn)化率。三、農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的能量轉(zhuǎn)化效率

1.初級生產(chǎn)能量轉(zhuǎn)化效率三、農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的能量轉(zhuǎn)化效

其表達式為：

式中，E為作物的光能利用率；DM為一定時間內(nèi)單位面積形成的干物質(zhì)量(kg)，時間一般是一年，有時也可以是一個特定的生長季；H為作物器官的產(chǎn)熱率，即單位干物質(zhì)燃燒產(chǎn)生的熱量(kcal/kg或kJ/kg)；∑Q為同期投射到單位面積上的總輻射量或光合有效輻射量(kcal或kJ)。其表達式為：

光能利用率是系統(tǒng)農(nóng)業(yè)自然資源條件、社會經(jīng)濟條件及管理水平、作物類型和品種共同作用的綜合結(jié)果。在應(yīng)用優(yōu)良品種的基礎(chǔ)上，合理密植與間套作，優(yōu)化作物群體結(jié)構(gòu)，改善土壤肥力與水利灌溉條件，減少水分養(yǎng)分制約，截獲和轉(zhuǎn)化更多的太陽輻射能，穩(wěn)定和持續(xù)地提高農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的光能利用率及生產(chǎn)力。

光能利用率是系統(tǒng)農(nóng)業(yè)自然資源條件、社會經(jīng)濟條件及表7-1

湖南長沙地區(qū)不同熟制的光能利用率（1988）資料來源：鄒超亞，1988表7-1湖南長沙地區(qū)不同熟制的光能利用率（1988）資

生態(tài)系統(tǒng)次級生產(chǎn)的能量轉(zhuǎn)化效率(energytransferefficiency)，在生態(tài)學(xué)上又被稱為生態(tài)效率(ecologicalefficiency)。生態(tài)效率種類很多，分別表示不同的含義，從不同角度反映食物鏈上的能量關(guān)系，大致可以分為營養(yǎng)級內(nèi)和營養(yǎng)級間兩大類。

2.

次級生產(chǎn)能量轉(zhuǎn)化效率

生態(tài)系統(tǒng)次級生產(chǎn)的能量轉(zhuǎn)化效率(e

若某一營養(yǎng)級的同化量為At，生產(chǎn)量為Pt，攝食量為It，則營養(yǎng)級內(nèi)的生態(tài)效率主要有：生態(tài)生長效率：生產(chǎn)量與攝食量之比，即Pt/It。凈生態(tài)學(xué)效率：生產(chǎn)量與同化量之比，即Pt/At。同化效率：消費者同化量與攝食量之比，即At/It。若某一營養(yǎng)級的同化量為At，生產(chǎn)量為P攝食效率

本營養(yǎng)級攝食量與上一營養(yǎng)級攝食量之比，即It/It-1。同化效率

本營養(yǎng)級同化量與上一營養(yǎng)級同化量之比，即At/At-1。生產(chǎn)效率

本營養(yǎng)級生產(chǎn)量與上一營養(yǎng)級生產(chǎn)量之比，即Pt/Pt-1。利用效率

本營養(yǎng)級同化量與上一營養(yǎng)級生產(chǎn)量之比，即At/Pt-1。

生態(tài)效率是由生物因素和非生物的環(huán)境因素共同決定營養(yǎng)級之間的生態(tài)效率主要有：攝食效率

本營養(yǎng)級攝食量與上一營養(yǎng)級攝食量之比，即It/I1.

人工輔助能投入對農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力的影響

四、農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)人工輔助能的投入與轉(zhuǎn)化效率

農(nóng)業(yè)的發(fā)展過程實質(zhì)上就是人類調(diào)控農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)能力不斷增強的過程。除草劑肥料農(nóng)藥機械燃油人工輔助能1.人工輔助能投入對農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力的影響四、農(nóng)業(yè)生態(tài)表7-3

人類歷史上幾個主要農(nóng)業(yè)發(fā)展階段的能量產(chǎn)投比較資料來源:沈亨理等.農(nóng)業(yè)生態(tài)學(xué).中國農(nóng)業(yè)出版社,1996表7-3人類歷史上幾個主要農(nóng)業(yè)發(fā)展階段的能量產(chǎn)投比較資料表7-3世界各地輔助能投入與谷物產(chǎn)出量

從世界各地的比較看，輔助能的投入水平與農(nóng)業(yè)產(chǎn)量水平也是密切相關(guān)的（表7-3）。資料來源：FAO，1972表7-3世界各地輔助能投入與谷物產(chǎn)出量從

人工輔助能的投入水平，特別是工業(yè)輔助能投入水平是反映農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)現(xiàn)代化、集約化程度的一個標(biāo)志。輔助能水平人工輔助能的投入水平，特別是工業(yè)輔助能投入水平是

輔助能投入效率，通常用系統(tǒng)總產(chǎn)出能量與人工輔助能總投入量之比，即產(chǎn)投比表示。也可以是無機能投入效率，即總產(chǎn)出能量與無機能總投入量之比。

一般情況下，隨輔助能投入水平的增加，能量的產(chǎn)出水平及農(nóng)業(yè)產(chǎn)量是相應(yīng)增加的，但輔助能的能量效率不一定增加。

2.

農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)輔助能的利用效率輔助能投入效率，通常用系統(tǒng)總產(chǎn)出能量與人工輔助能

輔助能的轉(zhuǎn)化效率不僅與能量投入水平密切相關(guān)，而且還與能量的投入結(jié)構(gòu)有很大關(guān)系。輔助能投入結(jié)構(gòu)就是指系統(tǒng)總輔助能投入中各種類型輔助能投入量所占的比值，也可以是總工業(yè)輔助能投入中各種形式的工業(yè)輔助能投入量所占比值。

輔助能投入結(jié)構(gòu)也反映了農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)對資源的利用方式。輔助能的轉(zhuǎn)化效率不僅與能量投入水平密切相關(guān)，而且

保護和利用農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的自然調(diào)節(jié)機制與過程，發(fā)展良性循環(huán)生態(tài)農(nóng)業(yè)，在此基礎(chǔ)上，適時適量合理輸入輔助能，在投入水平較高地區(qū)，控制輔助能增長量，尤其是工業(yè)能投入。五、農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)人工輔助能的合理投入與

能流方向的調(diào)控

1.

人工輔助能的合理投入

保護和利用農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的自然調(diào)節(jié)機制與2.

農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)能流方向的調(diào)控

擴源強庫截流減耗2.農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)能流方向的調(diào)控一、農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的能流分析二、農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的能值分析第三節(jié)農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)能流分析方法

一、農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的能流分析第三節(jié)農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)能流分析方法一、農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的能流分析

在進行農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)能流分析時，既要考慮生態(tài)系統(tǒng)的生物質(zhì)能流，又要考慮人類社會經(jīng)濟活動的能流，即人工輔助能流，后者還往往成為分析的側(cè)重點。通過這種能流分析，明確農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的輔助能輸入特征、利用效率，以及系統(tǒng)在能量利用方面存在的問題，從而為優(yōu)化和調(diào)整系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與功能，提高系統(tǒng)的生產(chǎn)力提供對策。

1.

能流分析的目的一、農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的能流分析在進行農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)能流分（1）確定研究系統(tǒng)的邊界（2）確定系統(tǒng)主要成分間的關(guān)系，繪制能量流動圖（3）確定各組分之間的實物輸入與輸出流量（4）將各種實物流量換算為能流量（5）計算各項能量分析指標(biāo)（6）綜合評價系統(tǒng)的能流特征及效益2.能流分析的步驟與方法（1）確定研究系統(tǒng)的邊界2.能流分析的步驟與方法

農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的生物組分主要包括生產(chǎn)者(作物和雜草)、消費者（害蟲和天敵）、分解者（土壤微生物、蚯蚓及土壤節(jié)肢動物）。3.能流分析的應(yīng)用實例（1）農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)尺度

農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的生物組分主要包括生產(chǎn)者(作物和雜草

根據(jù)研究目的需要，可以僅研究系統(tǒng)某一生物組分的生態(tài)效率與輔助能流特征，如作物群落、害蟲群落或土壤微生物群落等，而不涉及其他組分。也可以分析涉及全部生物組分的整個系統(tǒng)的能流規(guī)模和效率。根據(jù)研究目的需要，可以僅研究系統(tǒng)某一生物組分的生戈峰等（2002）對不同類型的華北棉田生態(tài)系統(tǒng)能流變化進行研究。以涉及播種期、種植方式、免耕技術(shù)的不同類型棉田生態(tài)系統(tǒng)為研究對象，選擇作物、害蟲和捕食性天敵3個群落為主要研究組分，測定3個組分的有關(guān)能流參數(shù)值，并調(diào)查輔助能投入實物量，折算能量后再計算有關(guān)能量分析指標(biāo)（表7-4、表7-5），進而綜合評價系統(tǒng)能流特征。戈峰等（2002）對不同類型的華北棉田生態(tài)系統(tǒng)能流變化進行研表7-4

華北棉區(qū)不同類型棉田害蟲和捕食性天敵能流參數(shù)值(kJ/(m2·a))注：P為害蟲群落，PE為捕食性天敵群落。表7-5

華北棉區(qū)不同類型棉田初級生產(chǎn)者能量輸入輸出參數(shù)值(×103kJ/(m2·a))引自戈峰等，2002

引自戈峰等，2002表7-4華北棉區(qū)不同類型棉田害蟲和捕食性天敵能流參數(shù)值(k另外，陳銘達等（2005）研究了三峽庫區(qū)稻蟹復(fù)合農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)能量特征。表7-6

稻田生態(tài)系統(tǒng)中能量的投入與產(chǎn)出(×105kJ/hm2)注：折算能值（kJ/hm2）:無機氮肥2.3，磷肥1.36，鉀肥0.366；農(nóng)藥2.53；動力0.96；勞力0.136；種子3.14；有機肥0.419.另外，陳銘達等（2005）研究了三峽庫區(qū)稻蟹復(fù)合農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)

（2）縣域農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)尺度縣域農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)是由農(nóng)、林、牧、漁、加工各業(yè)組成的復(fù)合農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與功能較復(fù)雜。聞大中（1989）對遼寧省西部喀左縣農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)能流進行分析研究。

（2）縣域農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)尺度①依據(jù)系統(tǒng)各組分之間的能流關(guān)系及其與外部的關(guān)系，繪制系統(tǒng)能流分析圖（圖7-6）。圖7-6

喀左縣農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)能流圖（1981-1983年）①依據(jù)系統(tǒng)各組分之間的能流關(guān)系及其與外部的關(guān)系，繪制系②通過收集有關(guān)統(tǒng)計資料和實際調(diào)查估算，確定各組分的各種輸入與輸出的實際流量，以及組分之間的各種流量。然后按照有關(guān)的能量折算標(biāo)準(zhǔn)，將實際流量轉(zhuǎn)換成能流量（表7-7）。最后計算相關(guān)能流分析指標(biāo)，對系統(tǒng)的能流特征、功能效益等進行綜合評價。②通過收集有關(guān)統(tǒng)計資料和實際調(diào)查估算，確定各組分表7-7

遼寧省喀左縣農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的能流（1981-1983年平均值）

分析表明，該系統(tǒng)自然條件惡劣，經(jīng)濟發(fā)展水平落后，人口增長迅速，系統(tǒng)環(huán)境壓力較大，是全國為數(shù)不多的脆弱農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)之一。引自聞大中，1989表7-7遼寧省喀左縣農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的能流（1981-198

H.T.Odum定義能值為一種流動或貯存的能量中所包含的另一種類別能量的數(shù)量。能值實質(zhì)就是包含能量。

能值分析是以能值為基準(zhǔn)，把生態(tài)系統(tǒng)中不同種類、不同等級的能量轉(zhuǎn)換成同一標(biāo)準(zhǔn)的能值來衡量和分析，評價其在系統(tǒng)中的真實價值與貢獻，并綜合分析系統(tǒng)中各種生態(tài)流(能物流、貨幣流、人口流和信息流)。二、農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的能值分析1.能值分析的基本概念與原理H.T.Odum定義能值為一種流動或貯存的能（1）資料收集（2）編制能值投入分析表（3）編制能值產(chǎn)出分析表（4）繪制系統(tǒng)能值綜合結(jié)構(gòu)圖（5）構(gòu)建能值分析指標(biāo)體系能值投入結(jié)構(gòu)、凈能值產(chǎn)出率、環(huán)境負載率、能值/貨幣比率等（6）系統(tǒng)的發(fā)展評價和策略分析

2.能值分析的基本步驟（1）資料收集2.能值分析的基本步驟

3.能值分析應(yīng)用實例

以王閏平等（2008）對山西省農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的能值分析為例介紹能值分析方法的應(yīng)用。能值投入結(jié)構(gòu)分析能值產(chǎn)出結(jié)構(gòu)分析凈能值產(chǎn)出率環(huán)境負載率3.能值分析應(yīng)用實例以王閏平等（2008）對山西4.能值理論的意義能值概念與能值分析方法，在理論和計算方法上都是生態(tài)系統(tǒng)能量研究的一個重大飛躍，具有重大的科學(xué)意義。能值理論的重要貢獻在于把能量的數(shù)量與質(zhì)量區(qū)別開來。4.能值理論的意義能值概念與能值分析方法，在理論和計算方法以能值為量綱，通過對各種生態(tài)流進行統(tǒng)一的單位轉(zhuǎn)換評價，可以將生態(tài)系統(tǒng)的各種功能包括能量流、物質(zhì)流、信息流、資金流（價值流）建立起聯(lián)系，把自然生態(tài)系統(tǒng)與人類經(jīng)濟系統(tǒng)統(tǒng)一起來進行定量分析，為生態(tài)系統(tǒng)的理論研究和管理實踐提供了一種有效的定量方法。

以能值為量綱，通過對各種生態(tài)流進行統(tǒng)一的單位轉(zhuǎn)換評價，可以將思考題1.農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的能量來源有哪些？2.簡述農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)能量轉(zhuǎn)化的基本規(guī)律。3.農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的途徑與自然生態(tài)系統(tǒng)有何差異？4.初級生產(chǎn)與次級生產(chǎn)如何進行能量轉(zhuǎn)化？5.簡述農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)能流的調(diào)控途徑。6.能值與太陽能值的含義是什么？如何理解能值理論？7.比較能流分析方法與能值分析方法的異同。思考題1.農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的能量來源有哪些？農(nóng)業(yè)生態(tài)學(xué)Agroecology農(nóng)業(yè)生態(tài)學(xué)Agroecology第七章

農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)能量轉(zhuǎn)化

能量流動與轉(zhuǎn)化的基本原理農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)能量流動的途徑與轉(zhuǎn)化效率農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)能流分析方法第七章農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)能量轉(zhuǎn)化能量流動與轉(zhuǎn)化的基本原理第一節(jié)能量流動與轉(zhuǎn)化的基本原理一、能量流動與轉(zhuǎn)化基本原理二、能量流動與轉(zhuǎn)化定律第一節(jié)能量流動與轉(zhuǎn)化的基本原理一、能量流動與轉(zhuǎn)化基本原理一、生態(tài)系統(tǒng)的能量來源

能量(energy)是一種做功的能力，是生態(tài)系統(tǒng)的動力基礎(chǔ)。生態(tài)系統(tǒng)中能量主要有兩種存在狀態(tài)，即動能(dynamicenergy)和潛能(potentialenergy)。

動能是正在做功的能量，如正在輻射的太陽能，水流所產(chǎn)生的水能等。

潛能是尚未做功，但具有潛在的做功能力的能量。1.能量的基本概念一、生態(tài)系統(tǒng)的能量來源能量(energy)

太陽輻射能是生態(tài)系統(tǒng)最重要的能量來源。生態(tài)系統(tǒng)除接受并轉(zhuǎn)化太陽輻射能外，還要接受風(fēng)能、水能、潮汐能、降雨能、地?zé)崮艿绕渌问降淖匀荒芰?，以輔助太陽能為起點的食物鏈能量轉(zhuǎn)化過程，稱為生態(tài)系統(tǒng)的自然輔助能（naturalauxiliaryenergy）。2.生態(tài)系統(tǒng)的能量來源

太陽輻射能是生態(tài)系統(tǒng)最重要的能量來源。2.

農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)還需要投入大量的人工輔助能量（artificialauxiliaryenergy），以提高食物鏈能量轉(zhuǎn)化效率和系統(tǒng)的生產(chǎn)力，滿足人類的需要。人工輔助能，按性質(zhì)可分為生物能（biologicalenergy）和工業(yè)能（industrialenergy）。農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)還需要投入大量的人工輔助能

量

來源太陽能輔助能自然輔助能人工輔助能生物輔助能工業(yè)輔助能直接工業(yè)

輔助能間接工業(yè)

輔助能圖7-1農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)能量來源能

量

來太陽能輔助能自然輔助能人工輔助能生物輔助能工業(yè)輔助圖7-2

農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)能源及類型圖7-2農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)能源及類型

熱力學(xué)第一定律指出：能量可以在不同的介質(zhì)中被傳遞，在不同的形式間被轉(zhuǎn)化，但能量既不能被消滅，也不能被創(chuàng)造。即能量在轉(zhuǎn)化過程中是守恒的，它只能以嚴格的當(dāng)量比例由一種形式轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N形式。因此該定律又稱為能量守恒定律。二、能量流動與轉(zhuǎn)化定律

1.熱力學(xué)第一定律

熱力學(xué)第一定律指出：能量可以在不同的

對于熱功轉(zhuǎn)化過程，可以用下式表示：Q=△U+W

式中，Q為系統(tǒng)吸收的熱量，△U為系統(tǒng)的內(nèi)能變化，W為系統(tǒng)對外所做的功。

生態(tài)系統(tǒng)中能量的傳遞和轉(zhuǎn)化也嚴格遵循

熱力學(xué)第一定律對于熱功轉(zhuǎn)化過程，可以用下式表示：生態(tài)系統(tǒng)中能

熱力學(xué)第二定律是表達有關(guān)能量傳遞方向和轉(zhuǎn)換效率的規(guī)律。基本內(nèi)容：自然界的所有自發(fā)過程，能量的傳遞均有一定方向，且在能量的傳遞和轉(zhuǎn)化過程中，除一部分可以繼續(xù)傳遞和做功外，總有一部分不能繼續(xù)傳遞和做功而以熱的形式消散，所以任何能量的轉(zhuǎn)換效率都不可能達到100％。2.熱力學(xué)第二定律熱力學(xué)第二定律是表達有關(guān)能量傳遞方向

由熱力學(xué)第二定律可知，生態(tài)系統(tǒng)的能量從一種形式轉(zhuǎn)化為另—種形式時，總是有一部分能量轉(zhuǎn)化為不能利用的熱能而耗散。由熱力學(xué)第二定律可知，生態(tài)系統(tǒng)的能量從一種形式轉(zhuǎn)化為另—

熵（entropy）是熱力學(xué)中的重要狀態(tài)函數(shù)，是對事物或系統(tǒng)無序性的量度。任何物體在溫度為絕對零度時處于無分子運動的最大有序狀態(tài)，這時物體的熵等于零。

熵增加就是系統(tǒng)的無序性增加。封閉系統(tǒng)的熵總是不斷增加，達到最大為止。而與此相反，熵減少方向就必須有外力的推動。3.熵與耗散結(jié)構(gòu)

熵（entropy）是熱力學(xué)中的重要狀態(tài)

耗散結(jié)構(gòu)理論

普利高津的耗散結(jié)構(gòu)（dissipativestructure）理論指出，一個遠離平衡態(tài)的開放系統(tǒng)，通過與外界環(huán)境不斷的物質(zhì)和能量交換，就可能使系統(tǒng)的熵減少和有序性提高，維持一種穩(wěn)定的平衡狀態(tài)。這種不斷與外界交換物質(zhì)和能量