農(nóng)業(yè)生態(tài)學課件 3農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)能流

2013級農(nóng)學專業(yè)選修課農(nóng)業(yè)生態(tài)學展茗

華中農(nóng)業(yè)大學植物科學技術學院E-mail:zhanming@Agroecology一、能量流動的基本原理二、能量流動過程三、能流模型及能流分析四、能流與生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力第三章農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的功能—能流力學定義能量是：物體做功能力的量度。物體對外界作了功，物體的能量要減少；反過來，若外界對物體作了功，物體的能量就要增加。如某些動物搬運食物，則動物對外界作了功，體內(nèi)的化學能減少。生態(tài)系統(tǒng)中各組分的存在、變化及其發(fā)展，都與能量息息相關，遵循一定的能量變化規(guī)律。1.能量的概念一、能量流動的基本原理光能動物發(fā)光動物登高勢能熱能動物呼吸熱能植物呼吸動能動物運動動物放電電能聲能動物發(fā)聲生態(tài)系統(tǒng)中的能量形式及轉(zhuǎn)換2.能量的形式及轉(zhuǎn)化有機物化學能取食太陽輻射能有機物化學能光合作用有機物化學能動物取食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3.生態(tài)系統(tǒng)的能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)輔助能除太陽輻射能以外，其它進入系統(tǒng)的任何形式的能量。太陽能輔助能自然輔助能人工輔助能生物輔助能工業(yè)輔助能在自然過程中產(chǎn)生的除太陽輻射能以外的其它形式的能量，如沿海和河口灣的潮汐作用、風能、水勢能、降水及蒸發(fā)作用等。太陽能輔助能自然輔助能人工輔助能生物輔助能工業(yè)輔助能人們在生產(chǎn)活動中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、貯藏、運輸、加工等。

太陽能輔助能自然輔助能人工輔助能生物輔助能工業(yè)輔助能來自生物有機體或社有機物的能量。如人力、畜力的做功，有機肥、種子、種苗的化學潛能。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、電等形式直接投入的和化肥、農(nóng)藥、農(nóng)膜、機械等等形式間接投入的能量。種子生態(tài)系統(tǒng)的能源能量既不能消失，也不能憑空產(chǎn)生，它只能以嚴格的當量比例，由一種形式轉(zhuǎn)化為另一種形式。如果用△E表示系統(tǒng)內(nèi)能的變化，△Q表示系統(tǒng)吸熱或放熱，△W表示系統(tǒng)對外做功，則：△E=△Q+△W即：一個系統(tǒng)的任何狀態(tài)變化，都伴隨著吸熱、放熱和做功，而系統(tǒng)的總量并不增加或減少，它是守恒的。4.熱力學第一定律一片森林接受固定的太陽能是△Q

；被動物、微生物消耗，人類砍伐的是△W

；剩下的有機物能是△E。則：△E=△Q+△W。若消耗△W>固定△Q,△E為負，森林衰退若消耗△W=固定△Q,△E為零，森林穩(wěn)定若消耗△W<固定△Q,△E為正，森林發(fā)展熱力學第一定律（例一）一個動物攝食固定的有機物能是△Q

；動物活動、消耗的是△W

；剩下的有機物能是△E。則：△E=△Q+△W。若消耗△W>固定△Q,△E為負，動物變瘦若消耗△W=固定△Q,△E為零，動物不長若消耗△W<固定△Q,△E為正，動物生長熱力學第一定律（例二）自發(fā)過程不可逆；一種形式的能量不可能100%轉(zhuǎn)變成另一種形式的能量；永動機不可能造成；自發(fā)過程是能量損耗的過程；能量在轉(zhuǎn)換、流動過程中存在衰變、逸散現(xiàn)象，總有一部分能量要從濃縮的有效形態(tài)變?yōu)橄♂尩牟荒芾玫男螒B(tài)；有機物變無機物是自發(fā)過程，其間伴隨著能量的逸散。其逆過程是通過太陽能做功完成的。5.熱力學第二定律植物葉片吸收的太陽能（A）植物葉片固定的太陽能（B）轉(zhuǎn)化過程中產(chǎn)生的熱能（C）熱力學第一定律:A=B+C熱力學第二定律:B<A反射反射（一）能量流動途徑---食物鏈與食物網(wǎng)

（二）能量流動過程

（二）生態(tài)效率

（三）能量流動的特征

二、能量流動過程（一）食物鏈與食物網(wǎng)食物鏈-----生態(tài)系統(tǒng)中生物成員通過一系列吃與被吃的食物營養(yǎng)關系將彼此聯(lián)系起來的鏈條叫食物鏈。食物鏈是生態(tài)系統(tǒng)營養(yǎng)結構的基本單元，是物質(zhì)循環(huán)、能量流動、信息傳遞的主要通道。營養(yǎng)級-----食物鏈上的每一個食性環(huán)節(jié)。一般而言，營養(yǎng)級的數(shù)目不超過5個。從綠色植物開始，從小到大，從弱到強，弱肉強食，存在明顯的捕食關系和血淋淋的斗爭，所以又叫捕食食物鏈。捕食中以活有機體為食，所以也叫活食食物鏈。水稻-稻飛虱-青蛙-蛇-鷹(1)草牧食物鏈食物鏈成員與死的有機體為食，通過腐爛分解，由腐生成員構成的食物鏈動物尸體-蠅-真菌-細菌(2)腐食食物鏈由寄生成員通過寄生關系聯(lián)系起來的鏈條牛-蛔蟲-原生動物(3)寄生食物鏈由腐生\寄生\捕食等多種成員聯(lián)系起來的鏈條糞稻草魚牛食用菌蚯蚓雞豬糞糞渣(4)混合食物鏈CGCao食物網(wǎng)食物網(wǎng)---由多條食物鏈構成的網(wǎng)狀結構，它反映了生態(tài)系統(tǒng)中各種生物間直接或間接地食物關系。一般認為，食物網(wǎng)越復雜，生態(tài)系統(tǒng)抵抗外力干擾的能力就越強；。

功分泌脫落排糞排泄幼仔產(chǎn)量總生產(chǎn)凈生產(chǎn)生長呼吸作用腐食動物植食動物光能或食物吸收或取食輻射或蒸發(fā)1.個體水平的能流過程（一）能量流動途徑短耳野兔（Ochotonaprinceps）的個體能流2.食物鏈能流生產(chǎn)量P被觸動物質(zhì)MR=C+NU消耗量C=A+FU未碰食物同化量A未食用物質(zhì)NU糞尿量FU可利用食物現(xiàn)存量改變ΔB離體量E

生態(tài)系統(tǒng)中，能量在食物鏈上流動，上一營養(yǎng)級大約只能固定下一營養(yǎng)級能量的10%，這種規(guī)律稱之為十分之一定律。十分之一定律3.生態(tài)系統(tǒng)能流生態(tài)系統(tǒng)水平的能量流動和食物鏈水平的能量流動有何區(qū)別？生態(tài)系統(tǒng)的結構和能量高效利用有何關系？I吃進的

不可利用的未收的吃剩的糞便呼吸R生長繁殖NP固定的A同化的食源收獲的n-1營養(yǎng)級n營養(yǎng)級可利用的1.能量的損失（二）生態(tài)效率1）營養(yǎng)級之間的能量轉(zhuǎn)化效率：

(1)

攝食效率：In/In-1(2)

同化效率：An/An-1(3)

生產(chǎn)效率：NPn/NPn-1(4)

利用效率In/NPn-1或An/NPn-12）營養(yǎng)級之內(nèi)的能量轉(zhuǎn)化效率：

(1)

組織生長效率：NPn/An

(2)

生態(tài)生長效率NPn/In(3)

同化效率：An/In(4)

維持價：NPn/Rn

2.生態(tài)效率3.生態(tài)學金字塔（Ecologicalpyramid）

(1)數(shù)目金字塔(2)生物量金字塔(3)能量金字塔（三）能量流動的特征1．能流是單向流動2．能流是能量不斷遞減的過程3.能量流動的途徑和渠道是食物鏈(foodchain)和食物網(wǎng)(foodweb）

三、能流與農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力

（一）

初級生產(chǎn)的能量轉(zhuǎn)化

（二）次級生產(chǎn)的能量轉(zhuǎn)化

（一）

初級生產(chǎn)的能量轉(zhuǎn)化

1.初級生產(chǎn)

初級生產(chǎn)：是指自養(yǎng)生物利用無機環(huán)境中的能量進行同化作用，在生態(tài)系統(tǒng)中首次把環(huán)境的能量轉(zhuǎn)化成有機體化學能，并貯存起來的過程。

凈初級生產(chǎn)量（NP）=總初級生產(chǎn)量（GP）-呼吸量（R)光能利用率---指植物光合作用所累積的有機物質(zhì)所含能量占照射在單位地面上的日光能量的比率。陸地各生態(tài)系統(tǒng)的生產(chǎn)力大約在0～3500g/m2·a，可以劃分為四個級別：(1)2000～3000g/m2·a。溫濕地帶，尤其是多雨地區(qū)的森林、沼澤地、河流岸邊的生態(tài)系統(tǒng)，還有農(nóng)業(yè)集約栽培的水稻田和甘蔗田。(2)1000～2000g/m2·a。森林和部分草地及溫帶生產(chǎn)力較高的農(nóng)耕地。(3)250～1000g/m2·a。干燥的疏林灌叢或矮林及大部分草地和農(nóng)作物。(4)0～250g/m2·a。分布在極端干燥和低溫地區(qū)，大面積的荒漠及兩極地區(qū)的凍原及高山帶。不同生態(tài)系統(tǒng)的初級生產(chǎn)力2.初級生產(chǎn)力的測定環(huán)境資源光資源熱資源降水資源土壤資源光合生產(chǎn)潛力光溫生產(chǎn)潛力氣候生產(chǎn)潛力自然生產(chǎn)潛力理論產(chǎn)量上限實際產(chǎn)量上限可調(diào)因子制約產(chǎn)量3.初級生產(chǎn)力的估算及潛力分析其潛力產(chǎn)量模型為：Y=Pf·f(t)·f(w)·f(s)Pf，f(t)，f(w)，f(s)分別代表光照、溫度、水分、土壤對生產(chǎn)潛力影響的函數(shù)。按潛力產(chǎn)量形成過程可以將模型分解：光合生產(chǎn)潛力產(chǎn)量：Yf=Pf光溫生產(chǎn)潛力產(chǎn)量：Yt=Pf·f(t)氣候生產(chǎn)潛力產(chǎn)量：Yw=Pf·f(t)·f(w)自然生產(chǎn)潛力產(chǎn)量：Ys=Pf·f(t)·f(w)·f(s)資源利用滿足程度：熱量滿足系數(shù)：Kt=Yt/Yf水分滿足系數(shù)：Kw=Yw/Yt肥力滿足系數(shù)：Ks=Ys/Yw資源滿足系數(shù)：Ko=Kt·Kw·Ks水熱滿足系數(shù)：Ktw=Kt·Kw1800kg1200kg600kg400kg光、溫、光溫1800kg1400kg600kg400kg玉米的產(chǎn)量差估算方法（1）回歸分析3000y=______________________

t為年平均溫度

1+e1.315+0.12ty=3000(1-e-0.0064p)p為年降水量y=3000[(1-e-0.0064E)E為年蒸發(fā)量y=-157+5.17SS為年光合作用天數(shù)y=378.51-6.82t+24.49D-119.13p……..（2）遙感估算（3）模型與系統(tǒng)分析CGCaoGeneral:

Weatherfile

Simulationmode

Startmodeanddate

Hybrid/maturitysettings

Plantpopulation

Water:

Optimal

or

Rainfed/Irrigated

Soil:

TextureBulkdensity

Initialmoisture

Numericaloutput

Graphsofgrowthdynamics

Barcharts

Graphsofweatherdata

Yes

Yes

Yes

No

Yes

No

No

No

Yes

No

Read&checkinputs,parameters

Initiatedailygrowthsimulation

Fromemergence?

Estimatedateofemergence

MaturitybyGDD?

EstimatetotalGDDfromdateofmaturity

GDDtosilking?

In-season?

Combinecurrentweatherdatawithhistoricalrecords

Optimalwater?

Estimate:rootdistribution

soilmoisturecropwaterstress

ComputeGDDaccumulation,phenologyleafareaexpansion/senescence,lightcapture,grossassimilation,growthandmaintenancerespiration,netdrymatterproductionandallocationtoorgans.Writeresultstooutputfiles.

EstimateGDDtosilkingfromdateofsilkingortotalGDD

End(cropmaturesordiesoffrostdamage)

GraphsofsoilmoistureInputsOutputsSimulationprocessofHybrid-Maizemodel4.作物生產(chǎn)力估算的重要意義提供作物的理論產(chǎn)量，定量表達在一定的氣候、土壤和農(nóng)業(yè)技術水平下作物可能達到的生產(chǎn)能力，預示農(nóng)業(yè)的發(fā)展前景；為國家或地區(qū)制定農(nóng)業(yè)發(fā)展規(guī)劃，確定投資方向及有關農(nóng)業(yè)政策的依據(jù)；是估算土地人口承載能力的基礎；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制，對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。6.初級生產(chǎn)力的改善方向（二）

次級生產(chǎn)的能量轉(zhuǎn)化

1.初級生產(chǎn)次級生產(chǎn)：初級生產(chǎn)以外的的生物生產(chǎn)，即消費者利用初級生產(chǎn)的產(chǎn)品進行新陳代謝，經(jīng)過同化作用形成異養(yǎng)生物自身的物質(zhì)，稱為次級生產(chǎn)或稱第二性生產(chǎn)。次級生產(chǎn)者:大農(nóng)業(yè)中的畜牧水產(chǎn)業(yè)和蟲、菌