工業(yè)設計生態(tài)學課件 物質(zhì)與能量的流動 工業(yè)代謝分析

物質(zhì)與能量的流動工業(yè)代謝及其分析方法第三章物質(zhì)與能量的流動——工業(yè)代謝分析內(nèi)容要點：(1)生態(tài)系統(tǒng)中物質(zhì)與能量的流動分析方法；(2)工業(yè)代謝分析的概念、模型及其應用；第三章物質(zhì)與能量的流動——工業(yè)代謝分析討論：

如何用工業(yè)代謝分析的方法來提高工業(yè)系統(tǒng)中物質(zhì)與能量的利用率．減少物質(zhì)與能量流動過程中葉環(huán)境的影響?第三章物質(zhì)與能量的流動——工業(yè)代謝分析一自然生態(tài)系統(tǒng)中物質(zhì)與能量的流動

工業(yè)系統(tǒng)中的原料與能量流動對物質(zhì)的全球循環(huán)有很大的影響，對自然生系統(tǒng)產(chǎn)生一定的擾動，工業(yè)生態(tài)學研究的目的是在保持經(jīng)濟高速增長的同時讓物質(zhì)與能量的流動納入自然生態(tài)系統(tǒng)全球大循環(huán)中，不會導致生態(tài)破壞。因此，有必要首先對自然生態(tài)系統(tǒng)中物質(zhì)與能量的流動進行分析與研究。第一節(jié)物質(zhì)與能量的流動

自然生態(tài)系統(tǒng)中的物質(zhì)流動有以下幾種形式。(1)生物地球化學循環(huán)：在自然生態(tài)系統(tǒng)中物質(zhì)的流動，采用生物學模型——生物地球化學循環(huán)。各種化學元素在不同層次、不同大小的生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)乃至生物圈里．沿著特定的途徑從環(huán)境到生物體，又從生物體再回歸到環(huán)境．不斷地進行著流動和循環(huán)的過程。1自然生態(tài)系統(tǒng)中的物質(zhì)流動一自然生態(tài)系統(tǒng)中物質(zhì)與能量的流動第一節(jié)物質(zhì)與能量的流動

自然生態(tài)系統(tǒng)中的物質(zhì)流動有以下幾種形式。(2)地質(zhì)大循環(huán)：物質(zhì)或元素經(jīng)生物體的吸收作用，從環(huán)境進入生物有機體內(nèi)，然后生物體以死體、殘體或排泄物形式將物質(zhì)或元素返回環(huán)境，進入五大自然圖(氣圈、水田、巖石圈、土壤圈、生物因)的循環(huán)的過程，這是一種閉合式循環(huán)。1自然生態(tài)系統(tǒng)中的物質(zhì)流動一自然生態(tài)系統(tǒng)中物質(zhì)與能量的流動第一節(jié)物質(zhì)與能量的流動

自然生態(tài)系統(tǒng)中的物質(zhì)流動有以下幾種形式。(3)生物小循環(huán)：環(huán)境中元素經(jīng)生物吸收，在生態(tài)系統(tǒng)中被相繼利用，然后經(jīng)過分解者的作用再為生產(chǎn)者吸收、利用，這是種開放式循環(huán)。1自然生態(tài)系統(tǒng)中的物質(zhì)流動一自然生態(tài)系統(tǒng)中物質(zhì)與能量的流動第一節(jié)物質(zhì)與能量的流動自然生態(tài)系統(tǒng)中的物質(zhì)流動涉及以下兩個根本概念。物質(zhì)循環(huán)的流：物質(zhì)在庫與庫之間的轉(zhuǎn)移運動狀態(tài)稱為流。循環(huán)效率：生態(tài)系統(tǒng)中某一組分的貯存物質(zhì)，一局部或全部流出該組分，但未離開系統(tǒng)，并最終返回該組分時，系統(tǒng)內(nèi)發(fā)生了物質(zhì)循環(huán)。循環(huán)物質(zhì)()占總輸入物質(zhì)()的比例，稱為物質(zhì)的循環(huán)效率()，用公式表示。1自然生態(tài)系統(tǒng)中的物質(zhì)流動一自然生態(tài)系統(tǒng)中物質(zhì)與能量的流動第一節(jié)物質(zhì)與能量的流動碳是生命骨架元素。環(huán)境中的二氧化碳()通過光合作用被固定在有機物質(zhì)中，然后通過食物鏈的傳遞．在生態(tài)系統(tǒng)小進行循環(huán)，見圖3—1。2幾種重要物質(zhì)的循環(huán)流動一自然生態(tài)系統(tǒng)中物質(zhì)與能量的流動第一節(jié)物質(zhì)與能量的流動A碳循環(huán)碳循環(huán)途徑有以下三種：(1)在光合作用和呼吸作用間的細胞水平上的循環(huán)；(2)大氣和植物體之間的個體水平上的循環(huán)；(3)大氣一植物一動物一微生物之間的食物鏈水平上的循環(huán)(均屬于生物小循環(huán))。2幾種重要物質(zhì)的循環(huán)流動一自然生態(tài)系統(tǒng)中物質(zhì)與能量的流動第一節(jié)物質(zhì)與能量的流動A碳循環(huán)2幾種重要物質(zhì)的循環(huán)流動一自然生態(tài)系統(tǒng)中物質(zhì)與能量的流動第一節(jié)物質(zhì)與能量的流動A碳循環(huán)2幾種重要物質(zhì)的循環(huán)流動一自然生態(tài)系統(tǒng)中物質(zhì)與能量的流動第一節(jié)物質(zhì)與能量的流動

在溫室效應當中，二氧化碳起到了舉足輕重的作用。化石燃料在燃燒過程中釋放出大量的二氧化碳，增加了大氣中二氧化碳的濃度，使溫室效應加劇。二氧化碳濃度的升高還是由于人類缺乏生態(tài)環(huán)境知識，為追求短期利益，人量地砍伐森抓，毀林造田造成的。A碳循環(huán)2幾種重要物質(zhì)的循環(huán)流動一自然生態(tài)系統(tǒng)中物質(zhì)與能量的流動第一節(jié)物質(zhì)與能量的流動森林是人類的好朋友，有“空氣凈化器〞、“大自然的總調(diào)度室〞之稱，它通過呼吸作用把二氧化碳以有機碳的形式儲藏起來。當森林被破壞以后，原來以有機形式儲藏起來的二氧化碳便被氧化，從而釋放到大氣當中，使大氣中二氧化碳的濃度大大增加。A碳循環(huán)氮是生命代謝元素。大氣中氮的含量為79％．總且約。但它是一種很不活潑的氣體、不能為大多數(shù)生物直接利用。只有通過固氮菌的生物固氮、閃電等的大氣固氮，火山爆發(fā)時的巖漿固氮以及工業(yè)固氮等途徑，轉(zhuǎn)為硝酸鹽或氨的形態(tài)，才能為生物吸收利用。2幾種重要物質(zhì)的循環(huán)流動一自然生態(tài)系統(tǒng)中物質(zhì)與能量的流動第一節(jié)物質(zhì)與能量的流動B氮循環(huán)

在生態(tài)系統(tǒng)中，植物從土壤中吸收硝酸鹽，氨基酸彼此聯(lián)結(jié)構(gòu)成蛋白質(zhì)分子，再與其他化合物一起建造了植物有機體．于是氮元素進人生態(tài)系統(tǒng)的生產(chǎn)者有機體，進一步為動物取食．轉(zhuǎn)變?yōu)楹膭游锏鞍踪|(zhì)，動植物排泄物或殘體等含氮的有機物經(jīng)微生物分解為、和返回環(huán)境．可破植物再次利用，進入新的循環(huán)。見困3—22幾種重要物質(zhì)的循環(huán)流動一自然生態(tài)系統(tǒng)中物質(zhì)與能量的流動第一節(jié)物質(zhì)與能量的流動B氮循環(huán)2幾種重要物質(zhì)的循環(huán)流動一自然生態(tài)系統(tǒng)中物質(zhì)與能量的流動第一節(jié)物質(zhì)與能量的流動B氮循環(huán)

氮在生態(tài)系統(tǒng)的循環(huán)過程中，常因有機物的燃燒而揮發(fā)損失；或因土壤遇氣個良，硝態(tài)氦經(jīng)反硝化作用變?yōu)橛坞x氮而揮發(fā)損失；或因灌溉、水蝕．風蝕、雨水淋洗而流失等，損失的氮或進人大氣，或進入水體．變?yōu)槎鄶?shù)值物不能直接利用的氮素、因此。必須通過亡述各種因短途徑來補充，從而保持生態(tài)系統(tǒng)中氮案的循環(huán)平衡。2幾種重要物質(zhì)的循環(huán)流動一自然生態(tài)系統(tǒng)中物質(zhì)與能量的流動第一節(jié)物質(zhì)與能量的流動B氮循環(huán)水是生命根底元素。水既是一切生命有機體的重要組成成分．又是生物體內(nèi)各種生命過程的介質(zhì)．還是生物體內(nèi)許多生物化學反響的一底物。水是生物圈中最豐富的物質(zhì)，水可以以固、液、氣三態(tài)存在。環(huán)一境水分對生物的生命活動也有著重要的生態(tài)作用．見表3—1和圖3—32幾種重要物質(zhì)的循環(huán)流動一自然生態(tài)系統(tǒng)中物質(zhì)與能量的流動第一節(jié)物質(zhì)與能量的流動C水循環(huán)2幾種重要物質(zhì)的循環(huán)流動一自然生態(tài)系統(tǒng)中物質(zhì)與能量的流動第一節(jié)物質(zhì)與能量的流動C水循環(huán)

地球的海洋、冰川、湖泊、河流、土壤和大氣中含有大量的水。海洋咸水約占總水量的97％，陸地、大氣和海洋中的水，形成了一個水循環(huán)系統(tǒng)。水在生物圈的循環(huán)、可以看作是從水域開始，再回到水域而終止。2幾種重要物質(zhì)的循環(huán)流動一自然生態(tài)系統(tǒng)中物質(zhì)與能量的流動第一節(jié)物質(zhì)與能量的流動C水循環(huán)生物圈中水的循環(huán)平衡是靠世界范圍的蒸發(fā)與降水來調(diào)節(jié)的。由于地球外表的差異和距太陽遠近的不同，水的分布不僅存在著地域上的差異．還存在著季節(jié)上的差異。一個區(qū)域的水分平衡受降水量、徑流量、蒸發(fā)量和植被截留量以及自然蓄水量的影響。降水量、蒸發(fā)量的大小又受地形、太陽輻射和大氣環(huán)流的影響。地而的蒸發(fā)和植物的蒸騰與農(nóng)作制度有關。2幾種重要物質(zhì)的循環(huán)流動一自然生態(tài)系統(tǒng)中物質(zhì)與能量的流動第一節(jié)物質(zhì)與能量的流動C水循環(huán)磷是生命信息元素，屬典型的沉積循環(huán)(如圖3—4所示)。磷以不活潑的地殼作為主要貯存庫。巖石經(jīng)土壤風化釋放的磷酸鹽和農(nóng)田中施用的磷肥，被植物吸收進入植物體內(nèi)，含磷有機構(gòu)沿兩條循環(huán)文路循環(huán)：一是沿食物鏈傳遞，并以糞便、殘體歸還土壤；另一是以枯枝落葉、秸稈歸還土壤。2幾種重要物質(zhì)的循環(huán)流動一自然生態(tài)系統(tǒng)中物質(zhì)與能量的流動第一節(jié)物質(zhì)與能量的流動D磷循環(huán)特種含磷有機化舍物經(jīng)土壤微生物的分解，轉(zhuǎn)變?yōu)榭扇苄缘牧姿猁}，可再次供給植物吸收利用，這是磷的生物小循環(huán)。在這一循環(huán)過程中，一局部磷脫離生物小循環(huán)進入地質(zhì)大循環(huán)。其支路也有兩條：一是動植物遺體在陸地外表的磷礦化；另一條是磷受水的沖蝕進入江河，流人海洋。2幾種重要物質(zhì)的循環(huán)流動一自然生態(tài)系統(tǒng)中物質(zhì)與能量的流動第一節(jié)物質(zhì)與能量的流動D磷循環(huán)2幾種重要物質(zhì)的循環(huán)流動一自然生態(tài)系統(tǒng)中物質(zhì)與能量的流動第一節(jié)物質(zhì)與能量的流動D磷循環(huán)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上大量施用磷肥不僅使有限的磷資源面臨枯竭的威脅，而且磷礦石、磷肥中含有重金屬和放射性物質(zhì)，長期大量施用，會污染土壤；磷元素隨水土流失進人水域或水體的富營養(yǎng)化，殃及魚類等水生生物。磷含量的增加會導致紅色浮游生物爆發(fā)性繁殖而引發(fā)的近海海水出現(xiàn)的“赤潮“及城市水系中出現(xiàn)的水生植物“瘋長〞的“浮華〞現(xiàn)象。2幾種重要物質(zhì)的循環(huán)流動一自然生態(tài)系統(tǒng)中物質(zhì)與能量的流動第一節(jié)物質(zhì)與能量的流動D磷循環(huán)生活中使用的含磷洗衣粉以磷酸鹽作為主要助劑，這種助劑同時也是藻類的助長劑，水中磷含量升高，水質(zhì)趨向富營養(yǎng)化，會導致各種藻類、水草大量滋生，導致水體缺氧使魚類死亡。因含磷過多，使我國湖泊及城市水系幾乎都處于富營養(yǎng)化狀態(tài)，水質(zhì)惡化嚴重，許多地方的水根本不能飲用。2幾種重要物質(zhì)的循環(huán)流動一自然生態(tài)系統(tǒng)中物質(zhì)與能量的流動第一節(jié)物質(zhì)與能量的流動D磷循環(huán)

硫是原生質(zhì)休的重要紹分，它的主要蓄庫是巖石圈。硫循環(huán)包括長期的沉積階段(有機或無機沉積物中)和短期的氣體階段，如圖3—5所示。2幾種重要物質(zhì)的循環(huán)流動一自然生態(tài)系統(tǒng)中物質(zhì)與能量的流動第一節(jié)物質(zhì)與能量的流動E硫循環(huán)2幾種重要物質(zhì)的循環(huán)流動一自然生態(tài)系統(tǒng)中物質(zhì)與能量的流動第一節(jié)物質(zhì)與能量的流動E硫循環(huán)2幾種重要物質(zhì)的循環(huán)流動一自然生態(tài)系統(tǒng)中物質(zhì)與能量的流動第一節(jié)物質(zhì)與能量的流動E硫循環(huán)

巖石庫中的硫酸放主要通過生物的分解和自然分化作用進人生態(tài)系統(tǒng)：(1)生物的分解：硫化物在化能合成細茵的作用下變?yōu)榱蛩崤琛?2)自然分化作用：無機硫在細菌作用下成為硫化物，然后又轉(zhuǎn)為硫酸鹽。2幾種重要物質(zhì)的循環(huán)流動一自然生態(tài)系統(tǒng)中物質(zhì)與能量的流動第一節(jié)物質(zhì)與能量的流動E硫循環(huán)(3)火山爆發(fā)；硫轉(zhuǎn)化為硫化氫，硫化氫釋放到大氣中。(4)化石燃料燃燒：硫氧化為二氧化硫．二氧化硫釋放到大氣中。2幾種重要物質(zhì)的循環(huán)流動一自然生態(tài)系統(tǒng)中物質(zhì)與能量的流動第一節(jié)物質(zhì)與能量的流動E硫循環(huán)人類對硫循環(huán)的影響很大．通過燃燒化石燃料．人類每年向大氣中輸入的二氧化硫()已達，其中70％來源于燃燒煤，二氧化硫在大氣中遇到水蒸氣反響形成硫酸，硫酸對于環(huán)境有許多負面影響，對人類及動物的呼吸道產(chǎn)生刺激作用，2幾種重要物質(zhì)的循環(huán)流動一自然生態(tài)系統(tǒng)中物質(zhì)與能量的流動第一節(jié)物質(zhì)與能量的流動E硫循環(huán)如果是細霧狀的微小顆粒．還能進入肺，刺激敏感組織。假設二氧化硫濃度過高，就會成為災害性的空氣污染．例如倫敦1952年，紐約和東京1960年的二氧化硫災害，造成支氣管性哮喘大增．死亡率上升。空氣中的污染物的種類很多．現(xiàn)在往往將硫的濃度作為空氣污染嚴重程度指標．空氣中硫含量與人的健康關系最為密切。2幾種重要物質(zhì)的循環(huán)流動一自然生態(tài)系統(tǒng)中物質(zhì)與能量的流動第一節(jié)物質(zhì)與能量的流動F有毒物質(zhì)的循環(huán)

某種物質(zhì)進入生態(tài)系統(tǒng)后在一定時間內(nèi)直接或間接地有害于人或生物時，就稱為有毒物質(zhì)或污染物。有毒物質(zhì)種類繁多，包括有機的，如酚類和有機氯農(nóng)藥等；無機的，如重金同、氟化物和氰化物等。2幾種重要物質(zhì)的循環(huán)流動一自然生態(tài)系統(tǒng)中物質(zhì)與能量的流動第一節(jié)物質(zhì)與能量的流動F有毒物質(zhì)的循環(huán)它們進人生態(tài)系統(tǒng)的途徑也是多種多樣的，有些被人們直接拋棄到環(huán)境中，有的通過冶煉、加工制造、化學品的貯存與運輸以及日常生活、農(nóng)事操作等過程而進人生態(tài)系統(tǒng)、如圖3-6所示。2幾種重要物質(zhì)的循環(huán)流動一自然生態(tài)系統(tǒng)中物質(zhì)與能量的流動第一節(jié)物質(zhì)與能量的流動F有毒物質(zhì)的循環(huán)2幾種重要物質(zhì)的循環(huán)流動一自然生態(tài)系統(tǒng)中物質(zhì)與能量的流動第一節(jié)物質(zhì)與能量的流動G放射性元素的循環(huán)天然放射性元素在自然界是很普遍的。由于地層中放射性物質(zhì)含量不同，不同地區(qū)地層輻射的r外照射劑量率可能有較大的變化。放射性元索可在多種介質(zhì)中循環(huán)，并能被生物富集。不管裂變還是不裂變，通過核試驗或核作用物放射性元素都進入大氣層。2幾種重要物質(zhì)的循環(huán)流動一自然生態(tài)系統(tǒng)中物質(zhì)與能量的流動第一節(jié)物質(zhì)與能量的流動G放射性元素的循環(huán)然后，通過溶水、塵埃和其他物質(zhì)以原于狀態(tài)回到地球上。人和生物既可直接受到環(huán)境放射源危害，也可因食物鏈帶來的放射性污染而間接受害。放射性物質(zhì)由食物鏈進人人體，隨血液遍布全身，有的放射性物質(zhì)在體內(nèi)可存留14年之久。3生態(tài)系統(tǒng)中的能量流動一自然生態(tài)系統(tǒng)中物質(zhì)與能量的流動第一節(jié)物質(zhì)與能量的流動

生態(tài)系統(tǒng)中生物與環(huán)境之間、生物與生物之間的能量傳遞和轉(zhuǎn)化過程即生態(tài)系統(tǒng)的能量流動過程，簡稱能量流。它發(fā)源于太陽，從生產(chǎn)者把太陽能固定在體內(nèi)后開始，一個生態(tài)系統(tǒng)的全部生產(chǎn)者所固定下來的太陽能，就是流經(jīng)這個生態(tài)系統(tǒng)的總能量。3生態(tài)系統(tǒng)中的能量流動一自然生態(tài)系統(tǒng)中物質(zhì)與能量的流動第一節(jié)物質(zhì)與能量的流動進入生態(tài)系統(tǒng)中的能量．通過生物成分之間的食物關系，從一個營養(yǎng)級到下一個營養(yǎng)級不斷地逐級向前流動。最后．由分解者把復雜的動植物殘體分解為簡單的化合物．并在分解過程中釋放能量、最終將能量歸還于環(huán)境之中。3生態(tài)系統(tǒng)中的能量流動一自然生態(tài)系統(tǒng)中物質(zhì)與能量的流動第一節(jié)物質(zhì)與能量的流動生態(tài)系統(tǒng)中能量的流動是沿著生產(chǎn)者和消費者的順序，即按營養(yǎng)級逐級減少的。生態(tài)系統(tǒng)中的能量流動是一個能量不斷消耗的過程，這是生態(tài)系統(tǒng)中能流酌特點之一。在能流過程中，大局部能量用于維持生命活動而被消耗，只有一小局部用于合成新的組織或作為勢能貯藏起來。生態(tài)系統(tǒng)中能量流動的另一個顯著特點是能量流動的單方向性。3生態(tài)系統(tǒng)中的能量流動一自然生態(tài)系統(tǒng)中物質(zhì)與能量的流動第一節(jié)物質(zhì)與能量的流動當太陽的光能進人生態(tài)系統(tǒng)后，一局部以熱能的形式逸散到環(huán)境中，它不會再返回太陽，而被綠色植物固定的太陽光也因轉(zhuǎn)變?yōu)榛瘜W能也不會再返回太陽。動物從植物獲得能量同樣不再回到植物，動植物呼吸時放出的能量散發(fā)到外界環(huán)境中也不能重新利用。因此，生態(tài)系統(tǒng)的能量流動是單方向的，是不可逆的。3生態(tài)系統(tǒng)中的能量流動一自然生態(tài)系統(tǒng)中物質(zhì)與能量的流動第一節(jié)物質(zhì)與能量的流動生態(tài)系統(tǒng)技能源采分類。根據(jù)能量的來源、水午和數(shù)量，生態(tài)系統(tǒng)可被分為四種主要類型見表3—2。A生態(tài)系統(tǒng)的分類3生態(tài)系統(tǒng)中的能量流動一自然生態(tài)系統(tǒng)中物質(zhì)與能量的流動第一節(jié)物質(zhì)與能量的流動A生態(tài)系統(tǒng)的分類3生態(tài)系統(tǒng)中的能量流動一自然生態(tài)系統(tǒng)中物質(zhì)與能量的流動第一節(jié)物質(zhì)與能量的流動B生態(tài)系統(tǒng)的能量結(jié)構(gòu)a食物鏈食物鏈是能量轉(zhuǎn)換的途徑，或能量流動的渠道。生產(chǎn)者所固定的能量和物質(zhì)，通過一系列取食和被食的關系在生態(tài)系統(tǒng)中傳遞。食物鏈類型包括以下幾種：3生態(tài)系統(tǒng)中的能量流動一自然生態(tài)系統(tǒng)中物質(zhì)與能量的流動第一節(jié)物質(zhì)與能量的流動B生態(tài)系統(tǒng)的能量結(jié)構(gòu)a食物鏈

(1)捕食食物鏈，指一種活的生物取食另一種活的生物所構(gòu)成的食物鏈。捕食食物鏈都以生產(chǎn)者為食物鏈的起點，如植物一植食性動物一肉食性動物。這種食物鏈既存在于水域，也存在于陸地環(huán)境。如在草原上，青草一野兔一狐貍一狼；在湖泊中，藻類一甲完類一小魚一大魚。3生態(tài)系統(tǒng)中的能量流動一自然生態(tài)系統(tǒng)中物質(zhì)與能量的流動第一節(jié)物質(zhì)與能量的流動B生態(tài)系統(tǒng)的能量結(jié)構(gòu)a食物鏈(2)碎食食物鏈，指以碎食(植物的枯枝落葉等)為食物鏈的起點的食物鏈。碎食被別的生物所利用，分解成碎屑，然后再為多種動物所食構(gòu)成。其構(gòu)成方式：碎食物一碎食物消費者一小型肉食性動物一大型肉食性動物。在森林中，有90％的凈生產(chǎn)是以食物碎食方式被消耗的。3生態(tài)系統(tǒng)中的能量流動一自然生態(tài)系統(tǒng)中物質(zhì)與能量的流動第一節(jié)物質(zhì)與能量的流動B生態(tài)系統(tǒng)的能量結(jié)構(gòu)a食物鏈(3)寄生性食物鏈，由宿主和寄生物構(gòu)成。它以大型動物為食物鏈的起點．繼之以小型動物、微型動物、細菌和病毒。后者與前者是寄生性關系，如哺乳動物或鳥類一跳蚤一原生動物一細菌一病毒。3生態(tài)系統(tǒng)中的能量流動一自然生態(tài)系統(tǒng)中物質(zhì)與能量的流動第一節(jié)物質(zhì)與能量的流動B生態(tài)系統(tǒng)的能量結(jié)構(gòu)a食物鏈

(4)腐生食物鏈，以動、植物的遺體為食物鏈的起點，腐爛的動、植物遺體被土壤或水體中的微生物分解利用．后者與前者是腐生性關系。3生態(tài)系統(tǒng)中的能量流動一自然生態(tài)系統(tǒng)中物質(zhì)與能量的流動第一節(jié)物質(zhì)與能量的流動B生態(tài)系統(tǒng)的能量結(jié)構(gòu)a食物鏈生態(tài)系統(tǒng)中的食物鏈不是固定不變的，它不僅在進化歷史上有改變．在短時間內(nèi)也有改變。動物在個體發(fā)育的不同階段里，食物的改變(如蛙)就會引起食物鏈的改變。3生態(tài)系統(tǒng)中的能量流動一自然生態(tài)系統(tǒng)中物質(zhì)與能量的流動第一節(jié)物質(zhì)與能量的流動B生態(tài)系統(tǒng)的能量結(jié)構(gòu)a食物鏈動物食性的季節(jié)特點，雜食性動物，或在不同年份中，由于自然界食物條件改變而引起主要食物組成交化等，都能使食物網(wǎng)的結(jié)構(gòu)有所變化。因此，食物鏈往往具有暫時的性質(zhì)，只有在生物群落組成中成為核心的、數(shù)量上占優(yōu)勢的種類，食物聯(lián)系才是比較穩(wěn)定的。3生態(tài)系統(tǒng)中的能量流動一自然生態(tài)系統(tǒng)中物質(zhì)與能量的流動第一節(jié)物質(zhì)與能量的流動B生態(tài)系統(tǒng)的能量結(jié)構(gòu)b食物網(wǎng)生物之間的捕食和被食的關系不是簡單的一條鏈，而是錯綜復雜的相互依賴的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，即合物網(wǎng)。食物問不僅維持著生態(tài)系統(tǒng)的相對平衡，并推動著生物的進化，成為自然界開展演變的動力。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)的營養(yǎng)結(jié)構(gòu)。3生態(tài)系統(tǒng)中的能量流動一自然生態(tài)系統(tǒng)中物質(zhì)與能量的流動第一節(jié)物質(zhì)與能量的流動B生態(tài)系統(tǒng)的能量結(jié)構(gòu)b食物網(wǎng)一般地說，具有復雜食物網(wǎng)的生態(tài)系統(tǒng)．一種生物的消失不致引起整個生態(tài)系統(tǒng)的失調(diào)，但食物網(wǎng)簡單的系統(tǒng)，尤其是在生態(tài)系統(tǒng)功能上起關鍵作用的種，一旦消失或受嚴重破壞，就可能引起這個系統(tǒng)的劇烈波動。3生態(tài)系統(tǒng)中的能量流動一自然生態(tài)系統(tǒng)中物質(zhì)與能量的流動第一節(jié)物質(zhì)與能量的流動B生態(tài)系統(tǒng)的能量結(jié)構(gòu)c生態(tài)金字塔生態(tài)金字塔是指由于能量每經(jīng)過個營養(yǎng)級時被凈同化的局部要大大少于一營養(yǎng)級，當營養(yǎng)級由低到高，其生物個體數(shù)目、生物量和所含能量就呈塔形分布：生態(tài)金字塔可分未數(shù)量金字塔、生物量金字塔和能量金字塔。生物量金字塔和數(shù)量金字塔有時會出現(xiàn)倒置的培形。3生態(tài)系統(tǒng)中的能量流動一自然生態(tài)系統(tǒng)中物質(zhì)與能量的流動第一節(jié)物質(zhì)與能量的流動B生態(tài)系統(tǒng)的能量結(jié)構(gòu)c生態(tài)金字塔由于個體大小懸殊，一棵桑樹可供上萬只蠶取食，數(shù)量金字塔就會倒置。在海洋生態(tài)系統(tǒng)中．由于生產(chǎn)者(浮游植物)的個體小，壽命短，又會不斷地被浮游動物吃掉，所以某一時刻調(diào)查到的浮游動物和生物量可能高于浮游植物的生物量。但如用能量表示，還是呈正金字塔。3生態(tài)系統(tǒng)中的能量流動一自然生態(tài)系統(tǒng)中物質(zhì)與能量的流動第一節(jié)物質(zhì)與能量的流動C生態(tài)系統(tǒng)的能量流推動生物圈和各級生態(tài)系統(tǒng)物質(zhì)循環(huán)的動力，是能量在食物鏈中的傳遞，即能量流。與物質(zhì)的循環(huán)運動不同的是，能量流是單向的，它從植物吸收太陽能開始，通過食物鏈逐級傳遞，直至食物鏈的最后一環(huán)。在每一環(huán)的能量轉(zhuǎn)移過程中都有一局部能量被有機體用來推動自身的生命活動(新陳代謝)，隨后變?yōu)闊崮芎纳⒃谖锢憝h(huán)境中。3生態(tài)系統(tǒng)中的能量流動一自然生態(tài)系統(tǒng)中物質(zhì)與能量的流動第一節(jié)物質(zhì)與能量的流動C生態(tài)系統(tǒng)的能量流為了反映一個生態(tài)系統(tǒng)利用太陽能的情況，我們使用生態(tài)系統(tǒng)總產(chǎn)量這一概念。一個生態(tài)系統(tǒng)的總產(chǎn)量是指該系統(tǒng)內(nèi)食物鏈各個環(huán)節(jié)在一年時間里合成的有機物質(zhì)的總量。它可以用能量、生物量表示。生態(tài)系統(tǒng)中的生產(chǎn)者在一年里合成的有機物質(zhì)的星稱為該生態(tài)系統(tǒng)的初級總產(chǎn)量。3生態(tài)系統(tǒng)中的能量流動一自然生態(tài)系統(tǒng)中物質(zhì)與能量的流動第一節(jié)物質(zhì)與能量的流動C生態(tài)系統(tǒng)的能量流從能量流動過程看，流經(jīng)生態(tài)系統(tǒng)的總能量，就是綠色植物所固定的全部太陽能?？梢姡a(chǎn)者是消費者和分解者獲得能量的源泉，是生態(tài)系統(tǒng)存在和開展的根底；能量沿著食物鏈利食物網(wǎng)的各個營養(yǎng)級傳遞，在傳遞過程中，因生產(chǎn)者和各級消費者都因呼吸消耗了相當大的一局部能且，并且各營養(yǎng)級總有一局部生物未被下一個營養(yǎng)級所利用，所以．能量在傳遞中必然是逐級遞減的。二工業(yè)生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)物質(zhì)與能量的流動第一節(jié)物質(zhì)與能量的流動

在工業(yè)生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)，大量的原料與能源被使用，通過不同的企業(yè)，生產(chǎn)五花八門的產(chǎn)品，物質(zhì)在不同的工業(yè)部門快進快出，經(jīng)濟子系統(tǒng)內(nèi)原料與能量的流動相當快速。二工業(yè)生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)物質(zhì)與能量的流動第一節(jié)物質(zhì)與能量的流動傳統(tǒng)工業(yè)系統(tǒng)各企業(yè)和部門之間物質(zhì)供給多為線性開放系統(tǒng)，“食物鏈〞多呈線性狀態(tài)，各企業(yè)或工業(yè)部門之間的相互作用和聯(lián)系很小，由原材料制成的產(chǎn)品，一般不參與再循環(huán)，物質(zhì)循環(huán)再利用效率低下。這些特點必然對自然生態(tài)系統(tǒng)的生物地球化學循環(huán)產(chǎn)生重要的影響，從而產(chǎn)生對全球生態(tài)系統(tǒng)的擾動。二工業(yè)生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)物質(zhì)與能量的流動第一節(jié)物質(zhì)與能量的流動

原料與能源流動分析的主要觀點是：人類的經(jīng)濟系統(tǒng)僅僅是自然生態(tài)系統(tǒng)的一個子系統(tǒng)(見圖3—7)。它的物質(zhì)和能量的流動與生態(tài)系統(tǒng)的原料與能量流動相類似，是一個將原料能源轉(zhuǎn)化為產(chǎn)品和廢物的流動過程，有研究者稱之為工業(yè)代謝(industrialmetabolism)，這一過程對自然環(huán)境必然產(chǎn)生影響，影響的強度取決于原料、能量使用的強度。二工業(yè)生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)物質(zhì)與能量的流動第一節(jié)物質(zhì)與能量的流動

原料與能源流動分析就是研究在全球和區(qū)域范圍內(nèi)工業(yè)系統(tǒng)中產(chǎn)品在生產(chǎn)過程中原料與能量流動量化的理論與方法以及流動對經(jīng)濟和自然少態(tài)系統(tǒng)的影響，研究減少這些影響的理論、方法與技術(shù)。二工業(yè)生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)物質(zhì)與能量的流動第一節(jié)物質(zhì)與能量的流動二工業(yè)生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)物質(zhì)與能量的流動第一節(jié)物質(zhì)與能量的流動

人類只是全球生態(tài)系統(tǒng)中的一員，人類構(gòu)筑的工業(yè)系統(tǒng)只是全球生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)的一個子系統(tǒng)。在分析工業(yè)系統(tǒng)內(nèi)物質(zhì)與能量流動這一問題時，應該把在這一系統(tǒng)內(nèi)原料與能量的流動納入全球生態(tài)系統(tǒng)的原料與能量流動來考慮。三原料與能量流動分析的根本方法第一節(jié)物質(zhì)與能量的流動

許多環(huán)境問題與經(jīng)濟系統(tǒng)的物質(zhì)、原料和產(chǎn)品的流動有著直接的關系，原料與能量流動分析是了解原料提取、使用和其最終不管作為廢物還是作為再度使用的資源的系統(tǒng)方法．這些方法試圖超越描述性的分析而進行較為嚴格的量化，以便找出在經(jīng)濟系統(tǒng)原料與能量流動和環(huán)境問題之間的量化關系，從而為解決這些問題提供依據(jù)：因此，這些方法已經(jīng)成為環(huán)境管理的重要工具。三原料與能量流動分析的根本方法第一節(jié)物質(zhì)與能量的流動目前，研究所采用的方法也比較多，這些不同的方法可以幫助我們了解原料在整個生命周期中經(jīng)濟和環(huán)境的關系。1質(zhì)量平衡法〔Massbalance〕三原料與能量流動分析的根本方法第一節(jié)物質(zhì)與能量的流動質(zhì)量平衡法是原料流動研究的方法之一，這種方法表達某種特殊要素在不同時間與地點的流動，包括向環(huán)境的散失(如圖3—8所示)，通過估計在原料流動系統(tǒng)的每一階段的輸入和輸出。質(zhì)量平衡研究能夠提出與原料相連的全部途徑的分析觀點。1質(zhì)量平衡法〔Massbalance〕三原料與能量流動分析的根本方法第一節(jié)物質(zhì)與能量的流動20世紀90年代，美國礦產(chǎn)局采用質(zhì)量平衡方法完成了包括砷、鎬、鉛、汞、鎢、鋅等金屬或礦物研究，這些研究預先尋找每一種產(chǎn)品原料流動的途徑，鑒別減小廢物的時機，以便更有效地利用資源，并且評價和量化在產(chǎn)品的使用、再循環(huán)和散失方面的數(shù)據(jù)。1質(zhì)量平衡法〔Massbalance〕三原料與能量流動分析的根本方法第一節(jié)物質(zhì)與能量的流動2輸入—輸出分析法〔Input—outputAnalysis〕三原料與能量流動分析的根本方法第一節(jié)物質(zhì)與能量的流動輸入—輸出分析的思想由法國經(jīng)濟學院Quesnay在18世紀首先提出。20世紀30年代，為研究美國的經(jīng)濟，Leontief應用該方法首先開展了經(jīng)驗性的I／o表。此后，輸入—輸出分析為標準的經(jīng)濟工具，它描述了部門間按照貨幣或商品量的相互交付，它通常被用于分析國家水平的結(jié)構(gòu)圖和經(jīng)濟部門之間的相互交付關系，并鑒別經(jīng)濟和商品在經(jīng)濟系統(tǒng)內(nèi)的主要流動。從20世紀60年代未以來，輸入—輸出分析方法經(jīng)許多研究者開展，已用于分析經(jīng)濟與環(huán)境問題。2輸入—輸出分析法〔Input—outputAnalysis〕三原料與能量流動分析的根本方法第一節(jié)物質(zhì)與能量的流動

1998年，Lenzen采用輸入—輸出分析方法分析了在澳大利亞最終消費中的初級能源和溫室氣體。在70年代和最近，I／O方法和數(shù)據(jù)已經(jīng)被用于評估產(chǎn)品和使用的環(huán)境影響。3生命周期分析與評價法三原料與能量流動分析的根本方法第一節(jié)物質(zhì)與能量的流動生命周期分析與評價是一種對產(chǎn)品、工藝成活動所產(chǎn)生的環(huán)境問題的評他，從原料采集，到產(chǎn)品生產(chǎn)、運輸、銷售、使用、回用、維護和最終處置整個生命周期階段有關環(huán)境負荷的過程。它首先辨識和量化產(chǎn)品整個生命周期中原料與能量的消耗以及環(huán)境釋放。然后評價這些消耗和釋放對環(huán)境的影響，最后辨識和評價減少這些影響的時機。4工業(yè)代謝分析法〔IndustrialMetabolismAnalysis〕三原料與能量流動分析的根本方法第一節(jié)物質(zhì)與能量的流動工業(yè)代謝是把原料和能源以及勞動在種(或多或少)穩(wěn)態(tài)條件下轉(zhuǎn)化為最終產(chǎn)品和廢物的所食物理過程完整的集合。工業(yè)代謝認為經(jīng)濟系統(tǒng)是一些公司(企業(yè))的集合，它們通過管理制度、工人、消費者以及貨幣和普通的政策控制而結(jié)合在一起。4工業(yè)代謝分析法〔IndustrialMetabolismAnalysis〕三原料與能量流動分析的根本方法第一節(jié)物質(zhì)與能量的流動一個企業(yè)(不是個體)通常被認為是經(jīng)濟分析的一個標準單元，一個從事加工制造的企業(yè)就是把原材料(包括燃料或電能)轉(zhuǎn)變成產(chǎn)品和廢物的單位。因此，整個經(jīng)濟系統(tǒng)的運行，就涉及在自然生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)物質(zhì)和能量的大流動。工業(yè)代謝的研究旨在揭示經(jīng)濟活動純物質(zhì)的數(shù)量與質(zhì)量規(guī)模，展示構(gòu)成工業(yè)活動全部物質(zhì)的與能量的流動與儲存及其對環(huán)境的影響。本章主要介紹工業(yè)代謝分析方法、生命周期影響評價方法將在第5章紹。一工業(yè)代謝〔IndustrialMetabolism〕第二節(jié)工業(yè)代謝及其分析方法

工業(yè)代謝是20世紀80年代中期由Ayres和Simonis等提出的。它通過研究物質(zhì)、元素和能量代謝關系，分析經(jīng)濟運行中物流、能流和環(huán)境影響，有助于把握工業(yè)系統(tǒng)的整體運行機制，識別其中存在的主要問題和優(yōu)先解決的目標；有助于人們采取有效措施控制和預防環(huán)境污染。一工業(yè)代謝〔IndustrialMetabolism〕第二節(jié)工業(yè)代謝及其分析方法要針對不同的研究范圍(工業(yè)系統(tǒng)、區(qū)域、流域或整個國家)以及不同的研究對象(如污染物、污染元素、資源、產(chǎn)品等)研究工業(yè)代謝的根本原理、分析力法，以及研究如通過有效的技術(shù)途徑和政策途徑來減少環(huán)境影響。一工業(yè)代謝〔IndustrialMetabolism〕第二節(jié)工業(yè)代謝及其分析方法

工業(yè)代謝是把原料和能源以及勞動在一種(或多或少)穩(wěn)態(tài)條件下轉(zhuǎn)化為最終產(chǎn)品和廢物的所有物理過程完整的集合，如圖3—9所示。工業(yè)代謝分析旨在揭示經(jīng)濟活動純物質(zhì)的數(shù)量與質(zhì)量規(guī)模，展示構(gòu)成工業(yè)活動全部物質(zhì)與能量的流動與儲存及其對環(huán)境的影響。一工業(yè)代謝〔IndustrialMetabolism〕第二節(jié)工業(yè)代謝及其分析方法一工業(yè)代謝〔IndustrialMetabolism〕第二節(jié)工業(yè)代謝及其分析方法工業(yè)代謝分析方法(industrialmetabolism，IM)是建立生態(tài)工業(yè)的一種行之有效的分析方法，它是基于模擬生物和自然界新陳代謝功能的一種系統(tǒng)分析方法。與自然生態(tài)系統(tǒng)相似，生態(tài)工業(yè)系統(tǒng)同樣應包括4個根本組分，即生產(chǎn)者、消費者、分解者和外部環(huán)境。1工業(yè)代謝分析〔AnalysisofIndustrialMetabolism〕一工業(yè)代謝〔IndustrialMetabolism〕第二節(jié)工業(yè)代謝及其分析方法工業(yè)代謝分析通過分橋系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，進行功能模擬和輸入輸出信息流分析來研究生態(tài)工業(yè)系統(tǒng)的代謝機理。工業(yè)代謝分析法與以往系統(tǒng)分析方法的不同之處在于它以環(huán)境為最終的考察目標，追蹤資源在從提煉到經(jīng)過工業(yè)生產(chǎn)和消費體系后變成廢物的整個過程中物質(zhì)和能量的流向，給出系統(tǒng)造成污染的總體評價，并力求找出造成污染的重要原因。1工業(yè)代謝分析〔AnalysisofIndustrialMetabolism〕一工業(yè)代謝〔IndustrialMetabolism〕第二節(jié)工業(yè)代謝及其分析方法工業(yè)代謝方法可以適用于不同層次的分析要求，既可以是全球性、國家性或是地區(qū)性的工業(yè)生產(chǎn)分析．也可以是對呆一個具體行業(yè)、公司或是特定場所的調(diào)查分析。通過這種分析．可以為公眾或是企業(yè)的決策者提供一幅詳細的物流圖，并從中可以看出某一地區(qū)或企業(yè)所有的可持續(xù)開展的潛力。1工業(yè)代謝分析〔AnalysisofIndustrialMetabolism〕一工業(yè)代謝〔IndustrialMetabolism〕第二節(jié)工業(yè)代謝及其分析方法

工業(yè)代謝分析研究方法的根據(jù)是質(zhì)量守恒定理。一定數(shù)量的物質(zhì)因人類活動而消失在生物圈之中，但其質(zhì)量卻是守恒的。確實，與正統(tǒng)的經(jīng)濟學家的觀念相反，物質(zhì)沒有或者不再有價格，但并不從地球上消失！1工業(yè)代謝分析〔AnalysisofIndustrialMetabolism〕一工業(yè)代謝〔IndustrialMetabolism〕第二節(jié)工業(yè)代謝及其分析方法相反，工業(yè)代謝研究方法旨在揭示經(jīng)濟活動純物質(zhì)的數(shù)量與質(zhì)量規(guī)模，展示構(gòu)成工業(yè)活動全部物質(zhì)(不僅僅是能量的)流動與儲存。因此，工業(yè)代謝研究的方法論就在于建立物質(zhì)結(jié)算表，估算物質(zhì)流動與儲存的數(shù)量，描繪其行進的路線和復雜的動力學機制，同時也指出它們的物理的和化學的狀態(tài)。1工業(yè)代謝分析〔AnalysisofIndustrialMetabolism〕一工業(yè)代謝〔IndustrialMetabolism〕第二節(jié)工業(yè)代謝及其分析方法工業(yè)代謝研究可以有以下多種研究形式：(1)可以在有限的區(qū)域內(nèi)追蹤某些污染物?；诜椒S的原因，但也出于緊迫性的原因，江河流域特別適合于這類研究。江河流域地區(qū)往往工業(yè)集中，人口密度也高。在萊苗河、多瑙河之后，恒河、湄公河和其他特別是中國南方地區(qū)的大江大河，應盡快進行工業(yè)代謝分析研究。2工業(yè)代謝研究形式〔FormofIndustrialMetabolism〕一工業(yè)代謝〔IndustrialMetabolism〕第二節(jié)工業(yè)代謝及其分析方法(2)可以分析研究一組物質(zhì)，特別是某些重金屬。由于其潛在的毒性，重金屬應列入首選研究對象。不過，分析環(huán)境中的重金屬也相比照較容易。有些合成的有機物，如多氯聯(lián)苯(PCB)或二噁英，其毒性與重金屬相當，甚至有過之。但在實踐中，極難事先在上業(yè)體系的加工過程中而后在環(huán)境巾進行不間斷的跟蹤研究。2工業(yè)代謝研究形式〔FormofIndustrialMetabolism〕一工業(yè)代謝〔IndustrialMetabolism〕第二節(jié)工業(yè)代謝及其分析方法(3)工業(yè)代謝研究也可以僅限于某種物質(zhì)成分，以確定其不同形態(tài)的特性及其與自然生物地球化學循環(huán)的相互影響，比方硫、碳等的工業(yè)代謝分析。(4)工業(yè)代謝也可以研究不同的與這樣那樣的產(chǎn)品相聯(lián)系的物質(zhì)與能量流．比方橙汁或電子芯片。2工業(yè)代謝研究形式〔FormofIndustrialMetabolism〕一工業(yè)代謝〔IndustrialMetabolism〕第二節(jié)工業(yè)代謝及其分析方法如何表征工業(yè)系統(tǒng)的原料與能量流動，是工業(yè)代謝研究的一個重要問題，工業(yè)代謝的理論人為，一個體系能否維持持續(xù)穩(wěn)定狀態(tài)，可采用—些指標來表征和度量，廠面介紹兩個指標。3工業(yè)代謝的度量〔MeasureofIndustrialMetabolism〕一工業(yè)代謝〔IndustrialMetabolism〕第二節(jié)工業(yè)代謝及其分析方法A再據(jù)環(huán)或再利用率(ReuseandRecycleRatio)在工業(yè)系統(tǒng)中，物質(zhì)處于運行狀態(tài)，在運行過程和最終階段物質(zhì)以廢棄物的形態(tài)返回自然環(huán)境。廢棄物最終有兩個歸宿：(1)再循環(huán)或再利用；(2)耗散損失。3工業(yè)代謝的度量〔MeasureofIndustrialMetabolism〕一工業(yè)代謝〔IndustrialMetabolism〕第二節(jié)工業(yè)代謝及其分析方法3工業(yè)代謝的度量〔MeasureofIndustrialMetabolism〕再循環(huán)的物質(zhì)越多．耗散到環(huán)境中的就越少。工業(yè)代謝理論認為，可持續(xù)性的一個好的度量是有無消耗性的使用資源，有別于資源的有用性。物質(zhì)的再循環(huán)或再利用率是判別工業(yè)體系是否是一個持續(xù)穩(wěn)定體系的度量，可用式(3—1)表示：一工業(yè)代謝〔IndustrialMetabolism〕第二節(jié)工業(yè)代謝及其分析方法3工業(yè)代謝的度量〔MeasureofIndustrialMetabolism〕以前大局部經(jīng)濟學家著重強調(diào)原料的可用性。但是，現(xiàn)在大家都已認識到這樣的數(shù)據(jù)掩蓋了礦藏的真正價值。對于個能持續(xù)穩(wěn)定的狀態(tài)來說，正如上面所討論的，重要的是在循環(huán)和再利用牢而不是資源的有用性。一工業(yè)代謝〔IndustrialMetabolism〕第二節(jié)工業(yè)代謝及其分析方法B原來生產(chǎn)力(materialsproductivity)原料生產(chǎn)力是用來量度工業(yè)代謝效率的，即每單位原料輸入的經(jīng)濟輸出。它可量度——個經(jīng)濟整體，也可以量度一個部門，同樣也可對營養(yǎng)元素進行星度，如碳、氟、硫、氨、磷等。3工業(yè)代謝的度量〔MeasureofIndustrialMetabolism〕二物質(zhì)與能力流動〔MaterialandEnergyFlows〕第二節(jié)工業(yè)代謝及其分析方法工業(yè)代謝首先關注工業(yè)系統(tǒng)中的原料流動與全球物質(zhì)循環(huán)的關系，尤其關注與生命關系密切的碳、氮、磷、硫等生命營養(yǎng)元素的生物地球化學循環(huán)。在自然生態(tài)系統(tǒng)中，物質(zhì)的流動采用生物學模型——生物地球化學循環(huán)，如圖3—10所示。1物質(zhì)與能力流動模型二物質(zhì)與能力流動〔MaterialandEnergyFlows〕第二節(jié)工業(yè)代謝及其分析方法在全球生物地化循環(huán)中，陸地植物利用空氣中二氧化碳作為光合作用的碳源，而水生植物使用溶解的碳酸化合物(水圈的碳)。呼吸作用把固定在光合產(chǎn)物中的碳，再釋放到氣困和水圈的碳因?qū)又小Ｔ谌虻h(huán)中，氣相是占優(yōu)勢的，其中，氮的固定和微生物的脫氮作用特別重要。磷主要儲存在土壤水、河流、湖泊、巖石和海洋沉淀物中，而硫儲存在大氣和巖石的組分中。對在工業(yè)系統(tǒng)中物質(zhì)的流動，采用物質(zhì)流動的工業(yè)模型——工業(yè)原料的循環(huán)，如圖3—11。1物質(zhì)與能力流動模型二物質(zhì)與能力流動〔MaterialandEnergyFlows〕第二節(jié)工業(yè)代謝及其分析方法1物質(zhì)與能力流動模型二物質(zhì)與能力流動〔MaterialandEnergyFlows〕第二節(jié)工業(yè)代謝及其分析方法1物質(zhì)與能力流動模型通過比較分析可知，在自然生態(tài)系統(tǒng)中，碳、氮屈、硫等生命營養(yǎng)元素的自然循環(huán)是封閉的。在這樣的循環(huán)中，生物學過程起著主要的作用。而在工業(yè)系統(tǒng)中．一般的營養(yǎng)物質(zhì)不能參與再循環(huán)，是一開放循環(huán)系統(tǒng)。二物質(zhì)與能力流動〔MaterialandEnergyFlows〕第二節(jié)工業(yè)代謝及其分析方法1物質(zhì)與能力流動模型二物質(zhì)與能力流動〔MaterialandEnergyFlows〕第二節(jié)工業(yè)代謝及其分析方法2物流分析理論A四倍因子理論四倍因子理論是德國VonWeizsaecker教授在20世紀90年代初提出來的。其計算的依據(jù)是：按1995年的數(shù)據(jù)，占全世界總?cè)藬?shù)20％的富人(指興旺國家的入門)，每年消耗全世界82.7％的能源和資源，而其他80％的人每年消耗的能源和資源占全世界總消耗的17.3％。二物質(zhì)與能力流動〔MaterialandEnergyFlows〕第二節(jié)工業(yè)代謝及其分析方法2物流分析理論為了能夠保持興旺國家的已有的高質(zhì)量生活方式，同時又消除貧富差異，必須采取技術(shù)措施，將現(xiàn)有的資源和能源效率提高四倍。Weizsaecker教授提出四倍因子理論的初衷是消除社會的貧富懸殊現(xiàn)象，實現(xiàn)各國間健康、和平的開展。二物質(zhì)與能力流動〔MaterialandEnergyFlows〕第二節(jié)工業(yè)代謝及其分析方法2物流分析理論在?四倍因子：半份消耗倍數(shù)產(chǎn)出?一書中，他進一步說明四倍因子理論的科學含義：在經(jīng)濟活動和生產(chǎn)過程中，通過采取各種技術(shù)措施，將能源消耗、資源消耗降低一半，同時將生產(chǎn)效率提高1倍。這樣，在同樣能源消耗和資源消耗的水平上，得到了四倍的產(chǎn)出，用公式可以表示為：二物質(zhì)與能力流動〔MaterialandEnergyFlows〕第二節(jié)工業(yè)代謝及其分析方法2物流分析理論在?四倍因子：半份消耗倍數(shù)產(chǎn)出?一書中，他進一步說明四倍因子理論的科學含義：在經(jīng)濟活動和生產(chǎn)過程中，通過采取各種技術(shù)措施，將能源消耗、資源消耗降低一半，同時將生產(chǎn)效率提高1倍。這樣，在同樣能源消耗和資源消耗的水平上，得到了四倍的產(chǎn)出，用公式可以表示為：式中，R表爾資源效率；P表示產(chǎn)品產(chǎn)出量；I表示原材料、能源投入量；二物質(zhì)與能力流動〔MaterialandEnergyFlows〕第二節(jié)工業(yè)代謝及其分析方法2物流分析理論B十倍因子理論十倍因子理論最早是由德國的Schmidt-Bleek教授在1994年提出的。其核心是：必須繼續(xù)減小全球的材料流量，在一代人之內(nèi)將資源效率提高十倍，才能使興旺國家保持現(xiàn)有的生活質(zhì)量，逐步縮小國與國之間的貧困差距，而且可以讓子孫后代能夠在這個星球繼續(xù)生存。二物質(zhì)與能力流動〔MaterialandEnergyFlows〕第二節(jié)工業(yè)代謝及其分析方法2物流分析理論十倍因子理論與環(huán)境保護直接相關，其表示式為；式中，I表示環(huán)境影響；P表示人口；GDP表示國內(nèi)生產(chǎn)總值。

二物質(zhì)與能力流動〔MaterialandEnergyFlows〕第二節(jié)工業(yè)代謝及其分析方法2物流分析理論式(3—3)將環(huán)境影響、人口和一個國家的國內(nèi)生產(chǎn)總值關聯(lián)起來，計算依據(jù)是：據(jù)估計，到2050年，地球上的人口將在現(xiàn)在的根底上增加10倍，即P＝2；同時，世界各國的國內(nèi)生產(chǎn)總值將增長3—6倍，即平均值為5，那么二者乘積等于10，這種增長將導致人類活動對環(huán)境的影響增長10倍。為了保持現(xiàn)有的生態(tài)環(huán)境水平，必須通過提高資源效率來平衡和補償對環(huán)境的破壞，根據(jù)上面的計算結(jié)果，只有將資源效率和能源效率提高10倍．才可能真正實現(xiàn)社會、經(jīng)濟的可持續(xù)開展。二物質(zhì)與能力流動〔MaterialandEnergyFlows〕第二節(jié)工業(yè)代謝及其分析方法2物流分析理論C極值理論極值理論是針對投入和產(chǎn)出的效率問題而提出的，目的是對一定量的材料投入，求得最大的有效產(chǎn)品產(chǎn)出率和最小的廢物排放率。計算方法如下；三工業(yè)代謝研究的應用第二節(jié)工業(yè)代謝及其分析方法工業(yè)生態(tài)學在應用與實踐中，主要有3個層次；單個企業(yè)的清潔生產(chǎn)(綠色制造)；企業(yè)間共生形成的工業(yè)生態(tài)園區(qū)；消費后的資源再生回收，由此形成“自然資源一產(chǎn)品一再生資源〞的整個社會循環(huán)，完成物質(zhì)閉環(huán)流動。三工業(yè)代謝研究的應用第二節(jié)工業(yè)代謝及其分析方法A我國鋼鐵工業(yè)代謝現(xiàn)狀分析工業(yè)化進程的加快，國民經(jīng)濟的穩(wěn)步快速增長，為鋼鐵工業(yè)提供了良好的機遇及外部條件，但同時不容無視，伴隨而來的原燃料、電力、運輸及生態(tài)環(huán)境等問題越來越突出。1鋼鐵工業(yè)代謝分析三工業(yè)代謝研究的應用第二節(jié)工業(yè)代謝及其分析方法與興旺國家相比，小國發(fā)開工業(yè)化時間晚、起點低，又面臨趕超興旺國家的繁重任務，往住以資本高投入支持經(jīng)濟高速增長，以資源高消費、環(huán)境高代價換取經(jīng)濟繁榮，重視近利，失之遠謀；重視經(jīng)濟，無視生態(tài)，短期性經(jīng)濟行為為中國生態(tài)環(huán)境帶來長期性、積累性后果。1鋼鐵工業(yè)代謝分析三工業(yè)代謝研究的應用第二節(jié)工業(yè)代謝及其分析方法我國鋼鐵工業(yè)開展存在的主要問題有以下幾點。(1)焦炭特別是主焦煤和肥煤資源缺乏。焦煤儲量400億t，其中主焦煤84億t，肥煤51億t，資源有限。全世界年焦炭產(chǎn)量3.4億t，我國1/3，在世界上占舉足輕重的位置，出口機遇和與國外企業(yè)爭奪焦炭的挑戰(zhàn)并存：1鋼鐵工業(yè)代謝分析三工業(yè)代謝研究的應用第二節(jié)工業(yè)代謝及其分析方法(2)廢鋼資源缺乏。國內(nèi)廢鋼供給量2300萬t，主要來源自產(chǎn)、加工廢鋼和城市廢鋼，不能滿足3億多t鋼的需求，進口量增加。(3)水資源短缺形勢嚴峻?？傆盟考s占全國工業(yè)用水的2.1％，噸鋼平均排水量10.79m3?？偱潘考s占全國工業(yè)廢水量4.3％?？傮w廢水重復利用率，噸鋼耗水指標與興旺國家相比仍有較大差距：(4)主要輔料中錳礦、鉻礦(5)電力供給緊張。(6)嚴格的環(huán)境要求等。1鋼鐵工業(yè)代謝分析三工業(yè)代謝研究的應用第二節(jié)工業(yè)代謝及其分析方法B鋼鐵工業(yè)生產(chǎn)綜合代謝模式向生態(tài)化的轉(zhuǎn)變鋼鐵工業(yè)要開展，必須走可持續(xù)開展的道路，逐步實現(xiàn)鋼鐵工業(yè)的生態(tài)化轉(zhuǎn)向。鋼鐵工業(yè)的生態(tài)化就是根據(jù)鋼鐵工業(yè)物質(zhì)能量流的輸入確出特點，運用生態(tài)學原理，通過生產(chǎn)體系或環(huán)節(jié)之間的系統(tǒng)耦合，仿照自然界生態(tài)過程中的物質(zhì)循環(huán)方式來規(guī)劃生產(chǎn)過程系統(tǒng)，1鋼鐵工業(yè)代謝分析三工業(yè)代謝研究的應用第二節(jié)工業(yè)代謝及其分析方法通過資源和能源的總體優(yōu)化配置，使物質(zhì)和能量得到多級利用和高效產(chǎn)出、從而使鋼鐵工業(yè)向可持續(xù)開展的工業(yè)模式轉(zhuǎn)變，建設以鋼鐵工業(yè)為主要環(huán)節(jié)的，具有高效經(jīng)濟過程及和諧生態(tài)功能的網(wǎng)絡型工業(yè)，到達整體社會資源、能源使用效率最大化，污染物徘放量最小化，同時獲得最好的投資效益、經(jīng)濟效益、社會效益和環(huán)境效益。1鋼鐵工業(yè)代謝分析三工業(yè)代謝研究的應用第二節(jié)工業(yè)代謝及其分析方法從工業(yè)生態(tài)學的觀點來看，可把鋼鐵工業(yè)系統(tǒng)看做是一個由社會、經(jīng)濟、環(huán)境三個子系統(tǒng)復合而成的復合生態(tài)系統(tǒng)。其特點如下：人工的開放式的復合生態(tài)系統(tǒng)；有經(jīng)濟的投入；能源資源耗量大、物質(zhì)循環(huán)、轉(zhuǎn)化快；兼社會、自然屬性兩方面的特征；需要制度的保障。1鋼鐵工業(yè)代謝分析三工業(yè)代謝研究的應用第二節(jié)工業(yè)代謝及其分析方法同其他復合生態(tài)系統(tǒng)一樣，鋼鐵工業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的開展經(jīng)歷了一級生態(tài)系統(tǒng)(末端治理的思想：以謀求最大利潤為目的，無視資源消耗、對污染物先徘后治)，二級生態(tài)系統(tǒng)(過程控制思想：土要關注產(chǎn)品生產(chǎn)過程的污染物處理，而沒考慮產(chǎn)品使用品后回收處理等其他環(huán)節(jié))，并逐漸向三級生態(tài)系統(tǒng)(產(chǎn)品系統(tǒng)管理：包括原材料開采、產(chǎn)品制造、產(chǎn)品使用和產(chǎn)品用后處理等全過程管理)開展。實現(xiàn)鋼鐵上業(yè)生態(tài)化轉(zhuǎn)向的措施有以下幾點：1鋼鐵工業(yè)代謝分析三工業(yè)代謝研究的應用第二節(jié)工業(yè)代謝及其分析方法第一，采用“加環(huán)〞技術(shù)，重新利用“廢物〞資源．形成物質(zhì)閉路循環(huán)。有步驟地回收利用生產(chǎn)和消費過程中產(chǎn)生的廢棄物或副產(chǎn)品是工業(yè)生態(tài)學得以產(chǎn)生和開展的最直接的動因，是鋼鐵工業(yè)實現(xiàn)生態(tài)化轉(zhuǎn)向的核心措施。1鋼鐵工業(yè)代謝分析三工業(yè)代謝研究的應用第二節(jié)工業(yè)代謝及其分析方法生態(tài)工業(yè)要求把一些企業(yè)產(chǎn)生的副產(chǎn)品作為另一些企業(yè)的生產(chǎn)原料或資源加以重新利用，而不是把它作為“廢物。廢棄掉。這種回收利用過程是循環(huán)經(jīng)濟工業(yè)生憨鏈接技術(shù)的表達。具體措施如下：1鋼鐵工業(yè)代謝分析三工業(yè)代謝研究的應用第二節(jié)工業(yè)代謝及其分析方法(1)執(zhí)行ISO14000標準，推行清潔生產(chǎn)工藝。嚴格遵循“源頭削減，過程控制．末端消滅，實現(xiàn)污染資源化治理〞的清潔生產(chǎn)方針，在生產(chǎn)的全過程和各個環(huán)節(jié)開發(fā)應用一批關鍵的清潔生產(chǎn)工藝技術(shù)，比方：開發(fā)應用新一代爐料結(jié)構(gòu)、高品位礦首應用、微波烘干和焙燒、高爐煤氣干法除塵、轉(zhuǎn)爐煤氣干法除塵、生產(chǎn)少用水或不用水新工藝等一系列新丁藝，進一步實現(xiàn)節(jié)能降耗減輕環(huán)境污染，進而提高全工序的清潔生產(chǎn)水平，全面提升鋼鐵生產(chǎn)的清潔皮。1鋼鐵工業(yè)代謝分析三工業(yè)代謝研究的應用第二節(jié)工業(yè)代謝及其分析方法(2)煤氣回收利用產(chǎn)業(yè)鏈。焦爐、高爐、轉(zhuǎn)爐再生產(chǎn)過程中都產(chǎn)生大量的廢氣，其中包括可利用物質(zhì)，如一氧化碳、甲烷等可燃性物質(zhì)?？赏ㄟ^二次燃燒、并網(wǎng)發(fā)電等技術(shù)充分回收利用。1鋼鐵工業(yè)代謝分析三工業(yè)代謝研究的應用第二節(jié)工業(yè)代謝及其分析方法1)轉(zhuǎn)爐煤氣回收量和熱值技術(shù)開發(fā)；通過煉鋼強化操作和吸附濃縮等措施，提高煤氣中二氧化碳含量，改善煤氣回收質(zhì)量，提高煤氣回收能力，實現(xiàn)多爐、同時、連續(xù)回收利用?？蓛?nèi)部位用，也可用于并網(wǎng)發(fā)電。1鋼鐵工業(yè)代謝分析三工業(yè)代謝研究的應用第二節(jié)工業(yè)代謝及其分析方法2)高爐煤氣回收利用。高爐煤氣采用于法除塵可顯著提局煤氣質(zhì)量，擴大高爐煤氣應用范圍、提高發(fā)電量，具有節(jié)能、節(jié)水、環(huán)保和降低生產(chǎn)本錢等顯著的多重效益?？芍苯佑糜谌紵獰嵫a償，還可用于發(fā)電。配合TRT發(fā)電，噸鐵發(fā)電量可達50kw·h，降低工序能耗18kgee／t。3)焦爐煤氣的回收利用。焦爐煤氣熱值很高，可直接用于加熱爐等回收利用，也可用于并網(wǎng)發(fā)電。1鋼鐵工業(yè)代謝分析三工業(yè)代謝研究的應用第二節(jié)工業(yè)代謝及其分析方法(3)廢渣回收利用產(chǎn)業(yè)鏈。充分開發(fā)高爐渣、轉(zhuǎn)爐渣的潛在使用性能和價值，由目前的低附加值簡單利用轉(zhuǎn)變?yōu)楦吒郊又瞪道?。通過開發(fā)、應用現(xiàn)代粉體加工技術(shù)和新型建材生產(chǎn)技術(shù)，生產(chǎn)微晶玻璃、礦渣微粉、礦棉及礦棉制品等高價值清潔產(chǎn)品，實現(xiàn)礦渲的零排放和高水平的資源綜合利用。1鋼鐵工業(yè)代謝分析三工業(yè)代謝研究的應用第二節(jié)工業(yè)代謝及其分析方法(4)鋼鐵廠用耐火材料閉路循環(huán)利用。高溫窯爐產(chǎn)生的大量度棄耐火材料，如鎂碳磚、剛玉磚扁鋁磚、熟十磚及滑板、座磚、塞棒、水口、鋼包澆注料等，回收破砷后可重新循環(huán)利用，以降低生產(chǎn)本錢。1鋼鐵工業(yè)代謝分析三工業(yè)代謝研究的應用第二節(jié)工業(yè)代謝及其分析方法(5)工業(yè)用水的閉路循環(huán)。按照“減量化、資源化、生態(tài)化〞的節(jié)水新理念，實現(xiàn)工業(yè)用水的減量化排放。開發(fā)和實施高爐及轉(zhuǎn)爐煤氣干法除塵、干熄焦、轉(zhuǎn)鼓渣?；ā⒌退譄Y(jié)等技術(shù)實現(xiàn)源頭治理。生產(chǎn)過程中采用節(jié)約用水和水資源循環(huán)再利用技術(shù)，“源頭削減、過程控制、末端治理〞相結(jié)合的方法．實現(xiàn)工業(yè)用水減量化排放。1鋼鐵工業(yè)代謝分析三工業(yè)代謝研究的應用第二節(jié)工業(yè)代謝及其分析方法(6)余熱回用。包括對沖渣熱水進行閃蒸產(chǎn)生低壓蒸汽進行發(fā)電；電廠蒸汽回收利用(服裝廠或發(fā)電)；爐渣余熱回收利用等。1鋼鐵工業(yè)代謝分析三工業(yè)代謝研究的應用第二節(jié)工業(yè)代謝及其分析方法第二，開展企業(yè)間的橫向共生關系，形成共生、共榮的工業(yè)園區(qū)。以鋼鐵企業(yè)為龍頭企業(yè)，以生態(tài)鏈接的形式使各相關企業(yè)形成共生共榮的工業(yè)園區(qū)。原燃料供給以煤炭加工供給、焦化、保溫及耐材廠、建材、鐵合金、礦業(yè)、電廠等為主線；1鋼鐵工業(yè)代謝分析三工業(yè)代謝研究的應用第二節(jié)工業(yè)代謝及其分析方法副產(chǎn)品的再加工利用可包括以鋼演、鐵渣、粉煤灰加工為主的水泥廠，高附加值玻璃廠，優(yōu)質(zhì)礦棉生產(chǎn)廠，利用廢氣及余熱余壓的發(fā)電廠，回收煉焦副產(chǎn)品(苯、酚、焦油、瀝青)的化工廠，水處理廠、垃圾處理廠等；相應的社會效勞性企業(yè)，如信息、餐飲、社會保障等企事業(yè)單位。建立鋼鐵綠色產(chǎn)業(yè)鏈和局效產(chǎn)業(yè)體系，實現(xiàn)經(jīng)濟、社會與生態(tài)環(huán)境的協(xié)調(diào)開展。1鋼鐵工業(yè)代謝分析三工業(yè)代謝研究的應用第二節(jié)工業(yè)代謝及其分析方法第三，建立與社會的協(xié)調(diào)開展關系：(1)向社會提供多品種、高質(zhì)量產(chǎn)品物排放最小。(2)消納社會廢棄物．主要是廢鋼展塑料和橡膠。通過問收利用，可消納社會廢棄物．實現(xiàn)節(jié)能、增效，減少環(huán)境污染。1鋼鐵工業(yè)代謝分析三工業(yè)代謝研究的應用第二節(jié)工業(yè)代謝及其分析方法一般廢鋼回收后經(jīng)過簡單的切割、打包加工處理后即可用于煉鋼再生利用；對于剩余有害元素(鉛、錫、砷、銻、鈕等)富集的廢鋼要經(jīng)過冷凍、硫化床法、自動破碎識別及稀釋法、鋼液脫除等方法處理前方可利用。廢塑料破碎加工后可直接替代煤向高爐內(nèi)噴吹進行熱補償；經(jīng)過須處理破碎、去除雜質(zhì)和壓縮成型后與煤混合人焦爐．可產(chǎn)生20％的焦炭、40％的焦油和輕油、40％的富氫煤氣。1鋼鐵工業(yè)代謝分析三工業(yè)代謝研究的應用第二節(jié)工業(yè)代謝及其分析方法第四．污染物的“零排放〞。生態(tài)工業(yè)的最高目標就是使所有物質(zhì)都能循環(huán)利用，而向環(huán)境中排放的污染物極小，甚至為“零排放〞。從環(huán)境友好的角度，這是生態(tài)工業(yè)推祟的、理想化的模式。但是，從生態(tài)工程學的觀點來分析，“零排放〞并不總是最正確選擇，有時盡僅不能到達經(jīng)濟效益的最大化，也不能到達生態(tài)效益的最大化。