第十二章 生態(tài)系統(tǒng)中的能量流動(dòng)

第十二章

生態(tài)系統(tǒng)中的能量流動(dòng)學(xué)習(xí)提綱第一節(jié)生態(tài)系統(tǒng)中的能量流動(dòng)第二節(jié)生態(tài)系統(tǒng)中的初級(jí)生產(chǎn)第三節(jié)生態(tài)系統(tǒng)中的次級(jí)生產(chǎn)第四節(jié)生態(tài)系統(tǒng)中的分解第五節(jié)異養(yǎng)生態(tài)系統(tǒng)的能流分析第六節(jié)生態(tài)系統(tǒng)能流模型第一節(jié)生態(tài)系統(tǒng)中的能量流動(dòng)1.生態(tài)系統(tǒng)中的能源

①太陽(yáng)輻射能是生態(tài)系統(tǒng)中的能量的最主要來(lái)源

②輔助能紅外線產(chǎn)生熱效應(yīng)，形成生物的熱環(huán)境

可見(jiàn)光為植物光合作用提供能源生態(tài)系統(tǒng)中的能量流動(dòng)2.能量傳遞①生態(tài)系統(tǒng)中能量傳遞的路徑能量以日光形式進(jìn)入生態(tài)系統(tǒng)，以植物物質(zhì)形式貯存起來(lái)的能量，沿著食物鏈和食物網(wǎng)流動(dòng)通過(guò)生態(tài)系統(tǒng)，以動(dòng)物、植物物質(zhì)中的化學(xué)潛能形式貯存在系統(tǒng)中，或作為產(chǎn)品輸出，離開(kāi)生態(tài)系統(tǒng)，或經(jīng)消費(fèi)者和分解者生物有機(jī)體呼吸釋放的熱能自系統(tǒng)中丟失

能量傳遞②生態(tài)系統(tǒng)中能量傳遞的特點(diǎn)A.生態(tài)系統(tǒng)能量傳遞遵循熱力學(xué)定律熱力學(xué)第一定律(能量守恒定律):能量既不能創(chuàng)生，也不會(huì)消滅，只能按嚴(yán)格的當(dāng)量比例由一種形式轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N形式

生態(tài)系統(tǒng)能量傳遞遵循熱力學(xué)定律熱力學(xué)第二定律物體自由能的提高不可能是一個(gè)自發(fā)的過(guò)程任何產(chǎn)生自由能貯備的能量轉(zhuǎn)換都不可能達(dá)到百分之百有效能量傳遞B.生態(tài)系統(tǒng)中能量傳遞是單向性的C.能量在生態(tài)系內(nèi)流動(dòng)在過(guò)程中能量逐級(jí)遞減①各營(yíng)養(yǎng)級(jí)消費(fèi)者不可能百分之百地利用前一營(yíng)養(yǎng)級(jí)的生物量②各營(yíng)養(yǎng)級(jí)的同化作用也不是百分之百的，總有一部分不被同化③生物在維持生命過(guò)程中進(jìn)行新陳代謝，總要消耗一部分能量單向流動(dòng)，逐級(jí)遞減傳遞效率：10%——20%能量傳遞D.能量在流動(dòng)中，質(zhì)量在提高E.能量流動(dòng)通過(guò)食物鏈形成生態(tài)金字塔生態(tài)系統(tǒng)的能量流動(dòng)全過(guò)程太陽(yáng)能生產(chǎn)者一級(jí)肉食者二級(jí)肉食者還原者熱熱熱熱植食動(dòng)物熱儲(chǔ)存生態(tài)系統(tǒng)中的能量流動(dòng)3.生態(tài)效率①生態(tài)效率生態(tài)效率是指能量的利用效率，即能量沿食物鏈傳遞的過(guò)程中，后一營(yíng)養(yǎng)級(jí)的能量與前一營(yíng)養(yǎng)級(jí)能量之比生態(tài)效率（n級(jí)）=通過(guò)（n級(jí)）營(yíng)養(yǎng)級(jí)的能量/(n-１級(jí))營(yíng)養(yǎng)級(jí)的能量生態(tài)效率②生態(tài)效率的計(jì)算方法A.同化效率B.生產(chǎn)效率生態(tài)效率C.消費(fèi)效率D.十分之一定律能量沿食物鏈流動(dòng)時(shí),能流越來(lái)越小,通常后一營(yíng)養(yǎng)級(jí)所獲得的能量大約為前一營(yíng)養(yǎng)級(jí)的10％,在能流過(guò)程中大約損失90％的能量.生態(tài)系統(tǒng)中的能量流動(dòng)4.生態(tài)金字塔①營(yíng)養(yǎng)級(jí)營(yíng)養(yǎng)級(jí)是指處于食物鏈某一環(huán)節(jié)上的所有生物種的總和②生態(tài)金字塔指各個(gè)營(yíng)養(yǎng)級(jí)之間某種數(shù)量關(guān)系，這種數(shù)量關(guān)系可采用生物量單位、能量單位或個(gè)體數(shù)量單位，采用這些單位構(gòu)成的生態(tài)金字塔分別稱(chēng)為生物量金字塔、能量金字塔和數(shù)量金字塔太陽(yáng)能第二節(jié)生態(tài)系統(tǒng)中的初級(jí)生產(chǎn)1.初級(jí)生產(chǎn)的基本概念初級(jí)生產(chǎn)：自養(yǎng)生物的生產(chǎn)過(guò)程，其提供的生產(chǎn)力為初級(jí)生產(chǎn)力

初級(jí)生產(chǎn)量(primaryproduction)：綠色植物通過(guò)光合作用合成有機(jī)物質(zhì)的數(shù)量稱(chēng)為初級(jí)生產(chǎn)量，也稱(chēng)第一性生產(chǎn)量初級(jí)生產(chǎn)的基本概念凈初級(jí)生產(chǎn)量(netprimaryproduction)：初級(jí)生產(chǎn)過(guò)程植物固定的能量一部分被植物自己的呼吸消耗掉，剩下的可用于植物的生長(zhǎng)和生殖，這部分生產(chǎn)量成為凈初級(jí)生產(chǎn)量(NP)

總初級(jí)生產(chǎn)量(grossprimaryproduction)：初級(jí)生產(chǎn)過(guò)程植物固定的能量的總量GP=NP+R初級(jí)生產(chǎn)的基本概念初級(jí)生產(chǎn)力：植物群落在一定空間一定時(shí)間內(nèi)所生產(chǎn)的有機(jī)物質(zhì)積累的數(shù)量

生物量(biomass)：是指某一時(shí)刻單位面積上積存的有機(jī)物質(zhì)的量。以鮮重或干重表示現(xiàn)存量：是指綠色植物初級(jí)生產(chǎn)量被植食動(dòng)物取食及枯枝落葉掉落后所剩下的存活部分SC=GP-R-H-D

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初級(jí)生產(chǎn)生態(tài)系統(tǒng)中的初級(jí)生產(chǎn)2.初級(jí)生產(chǎn)過(guò)程的基本化學(xué)反應(yīng)①光合作用②化學(xué)合成作用化能自養(yǎng)生物：海底沉積物次表層或少數(shù)缺氧的海區(qū)生活的某些化學(xué)合成細(xì)菌化學(xué)合成作用：它是化能自養(yǎng)生物能夠?qū)⒑?jiǎn)單的無(wú)機(jī)化合物（CH４、H２S等）氧化獲得能量并還原CO２，制造有機(jī)物的過(guò)程。生態(tài)系統(tǒng)中的初級(jí)生產(chǎn)3.初級(jí)生產(chǎn)的生產(chǎn)效率22

生態(tài)系統(tǒng)中的初級(jí)生產(chǎn)生產(chǎn)效率=被固定的光能/入射光能

生態(tài)系統(tǒng)中的初級(jí)生產(chǎn)4.初級(jí)生產(chǎn)的限制因素24

初級(jí)生產(chǎn)的限制因素水對(duì)于陸地生態(tài)系統(tǒng)的初級(jí)生產(chǎn)量常常是一個(gè)重要的限制因素在海洋生態(tài)系統(tǒng)中，光是限制海洋初級(jí)生產(chǎn)量的一個(gè)重要因子，光對(duì)于初級(jí)生產(chǎn)量有著重要影響二氧化碳主要是水域生態(tài)系統(tǒng)初級(jí)生產(chǎn)量的重要限制因素，當(dāng)其他因素最適時(shí)也可能成為陸地生態(tài)系統(tǒng)初級(jí)生產(chǎn)量的限制因素26

Fig.AnnualaveragesolarradiationreachingtheEarth’ssurface.輻射強(qiáng)度生態(tài)系統(tǒng)中的初級(jí)生產(chǎn)5.初級(jí)生產(chǎn)量的測(cè)定方法①收獲量測(cè)定法②氧氣測(cè)定法③CO２測(cè)定法在陸地生態(tài)系統(tǒng)中,植物在光合作用中所吸收的二氧化碳和呼吸過(guò)程中所釋放的二氧化碳可在已知面積或體積的透光容器內(nèi)用紅外氣體分析儀測(cè)定二氧化碳進(jìn)入和離開(kāi)這個(gè)密封容器的數(shù)量。假定容器內(nèi)氣體中所含二氧化碳的減少都是被植物用來(lái)合成有機(jī)物質(zhì)那么所減少的二氧化碳量就能代表光合作用量和光合作用率生態(tài)系統(tǒng)中的初級(jí)生產(chǎn)⑦遙感和地理信息系統(tǒng)技術(shù)的應(yīng)用利用衛(wèi)星或航空遙感葉綠素資料與初級(jí)生產(chǎn)力的關(guān)系數(shù)學(xué)模型或利用已建立的水團(tuán)溫度與初級(jí)生產(chǎn)力的關(guān)系數(shù)學(xué)模型等來(lái)實(shí)現(xiàn)大空間尺度⑥水分蒸發(fā)蒸騰法④放射性標(biāo)記物測(cè)定法葉綠素測(cè)定法主要是依據(jù)植物的葉綠素含量與光合作用量和光合作用率之間的密切相關(guān)關(guān)系。⑤葉綠素測(cè)定法第三節(jié)生態(tài)系統(tǒng)中的次級(jí)生產(chǎn)1.次級(jí)生產(chǎn)過(guò)程29

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未捕獲(876.1g)獵物種群生產(chǎn)量(886.4g)被捕獲(10.3g)被吃下(7.93g)I未吃下(2.37g)未同化(0.63g)同化(7.3g)A凈次級(jí)生產(chǎn)(2.7g)P呼吸(4.6g)R次級(jí)生產(chǎn)量生態(tài)系統(tǒng)中的次級(jí)生產(chǎn)能量收支C=A+FUC：動(dòng)物從外界攝食的能量A：被同化能量FU：排泄物

A=P+RP：次級(jí)生產(chǎn)量R：呼吸能量生態(tài)系統(tǒng)中的次級(jí)生產(chǎn)2.次級(jí)生產(chǎn)量的測(cè)定用同化量和呼吸量估計(jì)生產(chǎn)量(用攝食量扣除糞尿量估計(jì)同化量)：P=A-R=(C-FU)-RC：動(dòng)物從外界攝食的能量，A：被同化能量，F(xiàn)U：排泄物，R：呼吸量

用個(gè)體的生長(zhǎng)和繁殖后代的生物量表示凈生產(chǎn)量:P=Pg+PrPr：生殖后代的生產(chǎn)量，Pg：個(gè)體增重生態(tài)系統(tǒng)中的次級(jí)生產(chǎn)3.次級(jí)生產(chǎn)的生態(tài)效率①同化效率同化效率：指植物吸收的日光能中被光合作用所固定的比例,或被動(dòng)物攝食的能量中被同化了的能量的比例生產(chǎn)效率：指形成新生物量的生產(chǎn)能量占同化能量的百分比②生產(chǎn)效率生態(tài)系統(tǒng)中的次級(jí)生產(chǎn)第四節(jié)生態(tài)系統(tǒng)中的分解1.分解過(guò)程的性質(zhì)死有機(jī)物質(zhì)的逐步降解過(guò)程

將有機(jī)物還原為無(wú)機(jī)物，釋放能量分解作用是一個(gè)很復(fù)雜的過(guò)程，它包括碎裂、混合、物理結(jié)構(gòu)改變、攝食、排出和酶作用等過(guò)程生態(tài)系統(tǒng)中的分解意義①建立和維持全球生態(tài)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)平衡②通過(guò)死亡物質(zhì)的分解，使?fàn)I養(yǎng)物質(zhì)再循環(huán)，給生產(chǎn)者提供營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)③穩(wěn)定和提高土壤有機(jī)質(zhì)的含量，為碎屑食物鏈以后各級(jí)生物生產(chǎn)食物④維持大氣中CO2濃度⑤改善土壤物理性狀生態(tài)系統(tǒng)中的分解分解作用的三個(gè)過(guò)程

碎化：把尸體分解為顆粒狀的碎屑

異化：有機(jī)物在酶的作用下，進(jìn)行生物化學(xué)的分解從聚合體變成單體(如纖維素降解為葡萄糖)

進(jìn)而成為礦物成分(如葡萄糖降為CO2和H2O)淋溶：可溶性物質(zhì)被水淋洗出，完全是物理過(guò)程

生態(tài)系統(tǒng)中的分解影響分解過(guò)程的因素

分解者生物種類(lèi)資源質(zhì)量理化環(huán)境生態(tài)系統(tǒng)中的分解2.分解者生物種類(lèi)①細(xì)菌和真菌主要利用可溶性物質(zhì)，氨基酸和糖類(lèi)的分解產(chǎn)物作為的食物而被吸收

生態(tài)系統(tǒng)中的分解②動(dòng)物類(lèi)群陸生系統(tǒng)動(dòng)物主要是食碎屑的無(wú)脊椎動(dòng)物

微型動(dòng)物區(qū)系:一般體寬在100μm以下,主要分解枯枝落葉中型動(dòng)物區(qū)系：一般體寬100m～2mm,主要對(duì)大型動(dòng)物區(qū)系糞便進(jìn)行處理大型和巨型：2mm-20mm-,碎裂植物殘葉和翻動(dòng)土壤,對(duì)分解和土壤結(jié)構(gòu)有明顯影響生態(tài)系統(tǒng)中的分解水生系統(tǒng)①碎裂者：以落入河流中的樹(shù)葉為食

②顆粒狀有機(jī)物質(zhì)搜集者：一類(lèi)從沉積物中搜集；另一類(lèi)從水體中濾食有機(jī)顆粒③刮食者：其口器適應(yīng)在石礫表面刮取藻類(lèi)和死有機(jī)物④以藻類(lèi)為食的食草性動(dòng)物⑤捕食動(dòng)物：以其他物脊椎動(dòng)物為食生態(tài)系統(tǒng)中的分解3.資源質(zhì)量與分解作用的關(guān)系資源的物理、化學(xué)性質(zhì)影響分解速率。資源的物理性質(zhì)包括表面特性和機(jī)械結(jié)構(gòu)，資源的化學(xué)性質(zhì)則隨其化學(xué)組成而不同有機(jī)物質(zhì)的C∶N比與分解速率之間有一明顯的相關(guān)單糖分解快，一年失重99%>半纖維>纖維素>木質(zhì)素生態(tài)系統(tǒng)中的分解生態(tài)系統(tǒng)中的分解4.理化環(huán)境對(duì)分解作用的影響溫度高、濕度大的地帶，其土壤中的分解速率高低溫和干燥的地帶，其分解速率低，因而土壤中易于積累有機(jī)物質(zhì)分解速度隨緯度增高而降低(熱帶雨林—溫帶森林—凍原)47

未吸收497228.6R=96.3R=18.8R=7.5未利用293.1未利用29.3未利用5.0單位：J?cm-2?a-1

99.9%總初級(jí)生產(chǎn)GP=464.70.1%食草動(dòng)物H=62.8食肉動(dòng)物C=12.6分解12.5分解2.1分解入射日光能497693.313.5%20.1%GedarBog湖能流模型第五節(jié)異養(yǎng)生態(tài)系統(tǒng)的能流分析不依靠或基本上不依靠太陽(yáng)能的輸入而主要依靠其他生態(tài)系統(tǒng)所生產(chǎn)的有機(jī)物質(zhì)輸入來(lái)維持自身生存的生態(tài)系統(tǒng)異養(yǎng)生態(tài)系統(tǒng)

異養(yǎng)生態(tài)系統(tǒng)的能流分析其他生態(tài)系統(tǒng)的有機(jī)物輸入根泉是一個(gè)小的淺水泉，直徑2米，水深10～20厘米，JohnTeal曾研究過(guò)這個(gè)小生態(tài)系統(tǒng)的能量流動(dòng)。經(jīng)過(guò)計(jì)算，他發(fā)現(xiàn)：在平均每年每平方米3060大卡（1.28×107焦）的能量總輸入中，靠光合作用固定的只有710大卡（2.97×106焦），其余的2350大卡（9.83×106焦）都是從陸地輸入的植物殘屑（即各種陸生植物殘?bào)w）。在總計(jì)3060大卡（1.28×107焦）／米2·年的能量輸入中，以殘屑為食的植食動(dòng)物大約要吃掉2300大卡（9.62×106焦）／米2·年（占能量總輸入量的75％），其余的則沉積在根泉泉底。第六節(jié)生態(tài)系統(tǒng)能流模型Odum于1959曾把生態(tài)系統(tǒng)的能量流動(dòng)概括為一個(gè)普適的模型普適的能流模型是以10個(gè)隔室表示各個(gè)營(yíng)養(yǎng)級(jí)和貯存庫(kù)，并用粗細(xì)不等的能流通道把這些隔室年能流的路線連接起來(lái)，能流通道的粗細(xì)代表能流量的多少，而箭頭表示能量流動(dòng)的方向研究熱點(diǎn)注重于生產(chǎn)力的提高緊緊圍繞著氣候、環(huán)境和資源等于人類(lèi)生存密切相關(guān)的問(wèn)題，注重多學(xué)科結(jié)合與高新技術(shù)結(jié)合，從生態(tài)學(xué)科特點(diǎn)出發(fā)，研究各種經(jīng)濟(jì)動(dòng)物、植物、與環(huán)境條件的相互作用，種群增長(zhǎng)的和變動(dòng)的規(guī)律，群落中種群間相互作用以及生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)各物種、種群的合理配置等，從生態(tài)學(xué)的不同水平上進(jìn)行研究，以提高生物生產(chǎn)力研究熱點(diǎn)開(kāi)發(fā)新能源和節(jié)約能源加強(qiáng)太陽(yáng)能的利用、生物質(zhì)能、核能、風(fēng)能、海洋能和地