第十二章 生態(tài)系統(tǒng)中的能量流動

第十二章

生態(tài)系統(tǒng)中的能量流動學習提綱第一節(jié)生態(tài)系統(tǒng)中的能量流動第二節(jié)生態(tài)系統(tǒng)中的初級生產(chǎn)第三節(jié)生態(tài)系統(tǒng)中的次級生產(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1.生態(tài)系統(tǒng)中的能源

①太陽輻射能是生態(tài)系統(tǒng)中的能量的最主要來源

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

可見光為植物光合作用提供能源生態(tài)系統(tǒng)中的能量流動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入生態(tài)系統(tǒng)，以植物物質(zhì)形式貯存起來的能量，沿著食物鏈和食物網(wǎng)流動通過生態(tài)系統(tǒng)，以動物、植物物質(zhì)中的化學潛能形式貯存在系統(tǒng)中，或作為產(chǎn)品輸出，離開生態(tài)系統(tǒng)，或經(jīng)消費者和分解者生物有機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A.生態(tài)系統(tǒng)能量傳遞遵循熱力學定律熱力學第一定律(能量守恒定律):能量既不能創(chuàng)生，也不會消滅，只能按嚴格的當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定律熱力學第二定律物體自由能的提高不可能是一個自發(fā)的過程任何產(chǎn)生自由能貯備的能量轉(zhuǎn)換都不可能達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)流動在過程中能量逐級遞減①各營養(yǎng)級消費者不可能百分之百地利用前一營養(yǎng)級的生物量②各營養(yǎng)級的同化作用也不是百分之百的，總有一部分不被同化③生物在維持生命過程中進行新陳代謝，總要消耗一部分能量單向流動，逐級遞減傳遞效率：10%——20%能量傳遞D.能量在流動中，質(zhì)量在提高E.能量流動通過食物鏈形成生態(tài)金字塔生態(tài)系統(tǒng)的能量流動全過程太陽能生產(chǎn)者一級肉食者二級肉食者還原者熱熱熱熱植食動物熱儲存生態(tài)系統(tǒng)中的能量流動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程中，后一營養(yǎng)級的能量與前一營養(yǎng)級能量之比生態(tài)效率（n級）=通過（n級）營養(yǎng)級的能量/(n-１級)營養(yǎng)級的能量生態(tài)效率②生態(tài)效率的計算方法A.同化效率B.生產(chǎn)效率生態(tài)效率C.消費效率D.十分之一定律能量沿食物鏈流動時,能流越來越小,通常后一營養(yǎng)級所獲得的能量大約為前一營養(yǎng)級的10％,在能流過程中大約損失90％的能量.生態(tài)系統(tǒng)中的能量流動4.生態(tài)金字塔①營養(yǎng)級營養(yǎng)級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)金字塔指各個營養(yǎng)級之間某種數(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)金字塔分別稱為生物量金字塔、能量金字塔和數(shù)量金字塔太陽能第二節(jié)生態(tài)系統(tǒng)中的初級生產(chǎn)1.初級生產(chǎn)的基本概念初級生產(chǎn)：自養(yǎng)生物的生產(chǎn)過程，其提供的生產(chǎn)力為初級生產(chǎn)力

初級生產(chǎn)量(primaryproduction)：綠色植物通過光合作用合成有機物質(zhì)的數(shù)量稱為初級生產(chǎn)量，也稱第一性生產(chǎn)量初級生產(chǎn)的基本概念凈初級生產(chǎn)量(netprimaryproduction)：初級生產(chǎn)過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和生殖，這部分生產(chǎn)量成為凈初級生產(chǎn)量(NP)

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

生物量(biomass)：是指某一時刻單位面積上積存的有機物質(zhì)的量。以鮮重或干重表示現(xiàn)存量：是指綠色植物初級生產(chǎn)量被植食動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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初級生產(chǎn)生態(tài)系統(tǒng)中的初級生產(chǎn)2.初級生產(chǎn)過程的基本化學反應(yīng)①光合作用②化學合成作用化能自養(yǎng)生物：海底沉積物次表層或少數(shù)缺氧的海區(qū)生活的某些化學合成細菌化學合成作用：它是化能自養(yǎng)生物能夠?qū)⒑唵蔚臒o機化合物（CH４、H２S等）氧化獲得能量并還原CO２，制造有機物的過程。生態(tài)系統(tǒng)中的初級生產(chǎn)3.初級生產(chǎn)的生產(chǎn)效率22

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

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

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

Fig.AnnualaveragesolarradiationreachingtheEarth’ssurface.輻射強度生態(tài)系統(tǒng)中的初級生產(chǎn)5.初級生產(chǎn)量的測定方法①收獲量測定法②氧氣測定法③CO２測定法在陸地生態(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定二氧化碳進入和離開這個密封容器的數(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合成有機物質(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生產(chǎn)力的關(guān)系數(shù)學模型或利用已建立的水團溫度與初級生產(chǎn)力的關(guān)系數(shù)學模型等來實現(xiàn)大空間尺度⑥水分蒸發(fā)蒸騰法④放射性標記物測定法葉綠素測定法主要是依據(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葉綠素測定法第三節(jié)生態(tài)系統(tǒng)中的次級生產(chǎn)1.次級生產(chǎn)過程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凈次級生產(chǎn)(2.7g)P呼吸(4.6g)R次級生產(chǎn)量生態(tài)系統(tǒng)中的次級生產(chǎn)能量收支C=A+FUC：動物從外界攝食的能量A：被同化能量FU：排泄物

A=P+RP：次級生產(chǎn)量R：呼吸能量生態(tài)系統(tǒng)中的次級生產(chǎn)2.次級生產(chǎn)量的測定用同化量和呼吸量估計生產(chǎn)量(用攝食量扣除糞尿量估計同化量)：P=A-R=(C-FU)-RC：動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

用個體的生長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：個體增重生態(tài)系統(tǒng)中的次級生產(chǎn)3.次級生產(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)中的次級生產(chǎn)第四節(jié)生態(tài)系統(tǒng)中的分解1.分解過程的性質(zhì)死有機物質(zhì)的逐步降解過程

將有機物還原為無機物，釋放能量分解作用是一個很復(fù)雜的過程，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)的動態(tài)平衡②通過死亡物質(zhì)的分解，使營養(yǎng)物質(zhì)再循環(huán)，給生產(chǎn)者提供營養(yǎng)物質(zhì)③穩(wěn)定和提高土壤有機質(zhì)的含量，為碎屑食物鏈以后各級生物生產(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過程

碎化：把尸體分解為顆粒狀的碎屑

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

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

生態(tài)系統(tǒng)中的分解影響分解過程的因素

分解者生物種類資源質(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①細菌和真菌主要利用可溶性物質(zhì)，氨基酸和糖類的分解產(chǎn)物作為的食物而被吸收

生態(tài)系統(tǒng)中的分解②動物類群陸生系統(tǒng)動物主要是食碎屑的無脊椎動物

微型動物區(qū)系:一般體寬在100μm以下,主要分解枯枝落葉中型動物區(qū)系：一般體寬100m～2mm,主要對大型動物區(qū)系糞便進行處理大型和巨型：2mm-20mm-,碎裂植物殘葉和翻動土壤,對分解和土壤結(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：以落入河流中的樹葉為食

②顆粒狀有機物質(zhì)搜集者：一類從沉積物中搜集；另一類從水體中濾食有機顆粒③刮食者：其口器適應(yīng)在石礫表面刮取藻類和死有機物④以藻類為食的食草性動物⑤捕食動物：以其他物脊椎動物為食生態(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)包括表面特性和機械結(jié)構(gòu)，資源的化學性質(zhì)則隨其化學組成而不同有機物質(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%總初級生產(chǎn)GP=464.70.1%食草動物H=62.8食肉動物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能的輸入而主要依靠其他生態(tài)系統(tǒng)所生產(chǎn)的有機物質(zhì)輸入來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)的有機物輸入根泉是一個小的淺水泉，直徑2米，水深10～20厘米，JohnTeal曾研究過這個小生態(tài)系統(tǒng)的能量流動。經(jīng)過計算，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（即各種陸生植物殘體）。在總計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)的能量流動概括為一個普適的模型普適的能流模型是以10個隔室表示各個營養(yǎng)級和貯存庫，并用粗細不等的能流通道把這些隔室年能流的路線連接起來，能流通道的粗細代表能流量的多少，而箭頭表示能量流動的方向研究熱點注重于生產(chǎn)力的提高緊緊圍繞著氣候、環(huán)境和資源等于人類生存密切相關(guān)的問題，注重多學科結(jié)合與高新技術(shù)結(jié)合，從生態(tài)學科特點出發(fā)，研究各種經(jīng)濟動物、植物、與環(huán)境條件的相互作用，種群增長的和變動的規(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)學的不同水平上進行研究，以提高生物生產(chǎn)力研究熱點開發(fā)新能源和節(jié)約能源加強太陽能的利用、生物質(zhì)能、核能、風能、海洋能和地