生態(tài)系統(tǒng)

一生態(tài)系統(tǒng)的能流

任何生命過程無不自始至終貫穿著能量、物質(zhì)和信息的有組織、有秩序的流動。能量的輸入、傳遞、轉(zhuǎn)化、做功，是生態(tài)系統(tǒng)最重要的功能；農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的能量流動，是體現(xiàn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)持續(xù)運轉(zhuǎn)的基本過程。

一生態(tài)系統(tǒng)的能流能流遵循的規(guī)律A能流的途徑B生態(tài)系統(tǒng)能流分析方法與能流圖C1、能量的基本概念能量——

在物理學(xué)上指的是物質(zhì)具有作功的能力。能是物質(zhì)運動的量度，相應(yīng)于不同的運動形式，有不同形態(tài)的能量，如機械能、化學(xué)能、輻射能、勢能、電能、動能、核能、熱能等。能量的量度單位是焦耳（J）。焦耳與熱量單位卡可按下式換算：1焦耳=0.239卡，1卡=4.18焦耳。能流遵循的規(guī)律A2、生態(tài)系統(tǒng)中能量的主要來源生態(tài)系統(tǒng)的能量來源類型太陽能自然輔助能人工輔助能風(fēng)能潮汐能地?zé)崮芩髂芙涤昴苋肆π罅θ剂想娏C械肥（飼）料農(nóng)（獸）藥農(nóng)用薄膜在占太陽總輻射能99％的主要波長光（0.15-4μ)范圍內(nèi)，包括約50%的可見光(0.4--0.7μ)，約43%的紅外線（>0.76μ)和約7%的紫外線（<0.4μ)。植物一般只能將其中的一小部分生理輻射能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能，并貯存在有機物里，一般對太陽輻射能利用率在1--5%左右。云層吸收10%浮塵15%反射25%

24%52%臭氧層、水蒸氣等9%

24%地球表面47%反射4%散射6%散射17%散射損失9%太陽能100%3、能量流動遵循的熱力學(xué)定律（1）.熱力學(xué)第一定律——能量守恒定律

能量可以在不同介質(zhì)中傳遞，也可以在不同形式間轉(zhuǎn)換，但在所有這些過程中能量保持恒定，既不能創(chuàng)生，也不會消滅。

一個系統(tǒng)內(nèi)能的變化(U）等于系統(tǒng)吸收的能量（Q）減去系統(tǒng)對環(huán)境所作的功(W):ΔU=ΔQ-ΔW（ΔU：內(nèi)能變化；ΔQ：吸收的熱量；ΔW：對外作功）植物同化的日光能

=植物組織的化學(xué)能+植物呼吸消耗的熱能動物攝取食物能＝被動物體同化的能＋未被同化或糞便中的能＝動物體組織的化學(xué)能＋動物呼吸消耗的熱能＋排出糞便所含化學(xué)能（1）.熱力學(xué)第一定律——能量守恒定律

3、能量流動遵循的熱力學(xué)定律三、能量流動遵循的熱力學(xué)定律（2）.熱力學(xué)第二定律——能量效率和能流方向定律

自然界的所有自發(fā)過程，能量的傳替均有一定方向，而且任何的能量轉(zhuǎn)換，其效率不可能達到100%。要點：（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和食物網(wǎng)。一生態(tài)系統(tǒng)的能流能流遵循的規(guī)律A能流的途徑B生態(tài)系統(tǒng)能流分析方法與能流圖C生態(tài)系統(tǒng)的能流和物質(zhì)循環(huán)是通過食物鏈或食物網(wǎng)進行的。能流的途徑B能流的途徑B1.食物鏈:

是指生物成員間通過取食與被取食的關(guān)系所聯(lián)系起來的鏈狀結(jié)構(gòu)。食物鏈?zhǔn)巧鷳B(tài)系統(tǒng)營養(yǎng)結(jié)構(gòu)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。能流的途徑B微型浮游植物(小鞭毛藻)小型浮游動物(植食性原生動物)中型浮游動物(肉食性甲殼動物)大型浮游動物(毛顎類、磷蝦)燈籠魚、秋刀魚(食浮游動物魚類)烏賊、鮭、金槍魚(食魚動物)大型浮游植物大型浮游動物鯨以浮游生物為食鯷魚以浮游生物為食1大型浮游植物23海洋食物鏈捕食食物鏈：

又叫草牧食物鏈，從綠色植物開始，再到草食動物、肉食動物，食物鏈成員有自小到大，從弱到強的趨勢，這與捕食能力有關(guān)。植物-食草動物-食肉動物草原上：青草-野兔-狐貍-狼食物鏈的類型湖泊中：藻類-甲殼類-小魚-大魚食物鏈的類型

腐食食物鏈：

又叫碎屑食物鏈，主要是以死的動植物有機體或生物排泄物為食物，通過腐爛、分解，將有機物質(zhì)分解為無機物質(zhì)的食物鏈。一般從真菌、細菌和某些土壤動物開始。如：植物殘體

蚯蚓

雞；

植物殘體

真菌食物鏈的類型寄生食物鏈：

以寄生的方式取食活的有機體而構(gòu)成的食物鏈。如：大豆

菟絲子；牛

蚊子；馬

蛔蟲食物鏈的類型混合食物鏈：由不同食性的生物混合構(gòu)成。如：稻草

牛

蚯蚓

雞

豬

魚；

2.食物網(wǎng):

由多條食物鏈構(gòu)成的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，它反映了生態(tài)系統(tǒng)中各種生物間直接或間接的食物關(guān)系。一般認為，食物網(wǎng)越復(fù)雜，生態(tài)系統(tǒng)抵抗外力干擾的能力就越強；食物網(wǎng)越簡單，生態(tài)系統(tǒng)就越發(fā)生波動和毀滅。能流的途徑B南極海洋生態(tài)系統(tǒng)食物網(wǎng)北冰洋生態(tài)系統(tǒng)的簡單食物網(wǎng)北極地區(qū)食物網(wǎng)能流的途徑B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。

3.生態(tài)效率與生態(tài)金字塔生態(tài)效率——是指各種能流參數(shù)中的任何一個參數(shù)在營養(yǎng)級之間或營養(yǎng)級內(nèi)部的比值關(guān)系，常以百分數(shù)表示。肉豬35%、奶牛20%、蛋雞15%、肉兔13—18%、肉羊11%、肉牛5—8%。3.生態(tài)效率與生態(tài)金字塔（1）生態(tài)效率常用的幾個能量參數(shù)攝取量（I）：一個生物所攝取的能量。

同化量（A）：消化道內(nèi)被吸收的能量（動物）；細胞外產(chǎn)物的吸收（分解者）；光合作用所固定的日光能（植物）。

呼吸量（R）：在新陳代謝和各種活動中所消耗的全部能量。生產(chǎn)量（P）：生物呼吸消耗后所凈剩的同化能量值。3.生態(tài)效率與生態(tài)金字塔（1）生態(tài)效率生態(tài)效率的表示方法1941年，美國生態(tài)學(xué)家林德曼在美國明尼蘇達州的CedarBog湖研究了食物鏈結(jié)構(gòu),發(fā)現(xiàn)營養(yǎng)級之間的能量轉(zhuǎn)化效率大致為十分之一，其余十分之九由于消費者采食時的選擇性浪費,以及呼吸和排泄等而被消耗掉,這就是所謂的“十分之一定律”,也叫能量利用的百分之十定律。3.生態(tài)效率與生態(tài)金字塔（2）林德曼的十分之一定律不同生態(tài)系統(tǒng)各營養(yǎng)級間的能量效率不同。大量研究表明,十分之一定律較適合水域生態(tài)系統(tǒng)，而陸地生態(tài)系統(tǒng)消費者的能量轉(zhuǎn)化效率常比水域生態(tài)系統(tǒng)的小。一般說來，大型動物的生長效率要低于小型動物，老年動物的生長效率要低于幼年動物。肉食動物的同化效率要高于植食動物。但隨著營養(yǎng)級的增加，呼吸消耗所占的比例也要相應(yīng)增加，因而導(dǎo)致在肉食動物營養(yǎng)級的凈生產(chǎn)量相應(yīng)下降。（2）林德曼的十分之一定律生態(tài)金字塔——是指各個營養(yǎng)級之間的數(shù)量關(guān)系。這種數(shù)量關(guān)系可以用能量、生物量和個體數(shù)量來表示。3.生態(tài)效率與生態(tài)金字塔（3）生態(tài)金字塔能量金字塔——能量通過營養(yǎng)級逐級減少，把通過各營養(yǎng)級的能流量，由低到高畫成圖，就成為一個底部寬、上部窄的金字塔型。最能保持金字塔形。生物量金字塔——以各營養(yǎng)級的生物量單位（干重或濕重）所繪制的圖形。有時可倒置（如湖泊和海洋這樣的水域生態(tài)系統(tǒng)）。數(shù)量金字塔——以各營養(yǎng)級的個體數(shù)目所繪制的圖形。有時可倒置（如昆蟲和樹木）。（3）生態(tài)金字塔能量金字塔能量金字塔能量能量流失健康飲食金字塔能流的途徑B4.能流路徑生產(chǎn)者太陽輻射能輸入消費者消費者消費者分解者消費者呼吸、熱量生產(chǎn)者呼吸、熱量腐生生物分解和呼吸及熱量一個穩(wěn)定生態(tài)系統(tǒng)的能量流未利用未利用

生態(tài)系統(tǒng)能量流動的一般過程生產(chǎn)者(綠色植物)太陽能輔助能一級消費者(食草動物)三級消費者(食肉動物)二級消費者(食肉動物)環(huán)境(土壤、空氣、水等)分解者(微生物)農(nóng)產(chǎn)品等能量輸出4.能流路徑1.太陽輻射能通過光合作用進入生態(tài)系統(tǒng),成為生態(tài)系統(tǒng)能量的主要來源;2.以植物有機物質(zhì)形式貯存起來的化學(xué)潛能,沿著食物鏈和食物網(wǎng)流動,驅(qū)動生態(tài)系統(tǒng)完成物質(zhì)流動、信息傳遞等功能；3.化學(xué)潛能貯存在生態(tài)系統(tǒng)的生物組分內(nèi)，或者隨著產(chǎn)品等輸出，離開生態(tài)系統(tǒng)；4.植物、動物和微生物有機體通過呼吸作用釋放熱能，并散失;5.輔助能對以太陽輻射能為始點，以食物鏈為主線的能量流動起輔助作用。4.能流路徑能流特征:逐級減少單方向性能量流動過程中損耗的必然性:（1）由于不可食或不得食（2）消費者密度低或食物選擇限制（3）利用后未被同化（4）同化后呼吸消耗掉（5）變?yōu)樯a(chǎn)量又被減少

4.能流路徑一生態(tài)系統(tǒng)的能流能流遵循的規(guī)律A能流的途徑B生態(tài)系統(tǒng)能流分析方法與能流圖C（一）能流分析方法

生態(tài)系統(tǒng)的能流分析——就是對生態(tài)系統(tǒng)能量的輸入及其在系統(tǒng)各組分之間的傳遞轉(zhuǎn)化和散失情況進行分析,通常采用的方法有實際測定法、統(tǒng)計分析法、輸入輸出法和過程分析法,這些方法常常是結(jié)合使用的。生態(tài)系統(tǒng)能流分析方法與能流圖C（二）能流分析步驟1確定研究對象和對象的邊界2明確系統(tǒng)的組成成分及相互關(guān)系,繪出能流路徑3實測或搜集資料,確定各組分的各種實物流量或輸入輸出量4按照各種實物的折能系數(shù)(實測或參見本書附錄)，將不同質(zhì)的實物流量轉(zhuǎn)換為能流量。5按能流量繪出能流圖,并進行下述各方面的歸納分析,為生態(tài)系統(tǒng)調(diào)節(jié)和控制提供依據(jù)。（1）輸入能量結(jié)構(gòu)分析。（2）產(chǎn)出能量結(jié)構(gòu)分析。（3）輸入能流密度分析。（4）產(chǎn)出能流密度分析。（5）各種能量轉(zhuǎn)換效率計算與分析。生態(tài)系統(tǒng)能流分析方法與能流圖C一生態(tài)系統(tǒng)的能流二生態(tài)系統(tǒng)的物流三物質(zhì)循環(huán)的基本類型生態(tài)系統(tǒng)第四節(jié)物質(zhì)循環(huán)指生態(tài)系統(tǒng)的一切物質(zhì)，包括有機物、無機物、化學(xué)元素和水（作為介質(zhì)）在生物與環(huán)境不同組分之間的頻繁轉(zhuǎn)移和循環(huán)流動。

二生態(tài)系統(tǒng)的物流生命與元素A物質(zhì)循環(huán)的基本原理B物質(zhì)循環(huán)的庫與流C二生態(tài)系統(tǒng)的物流

自然界包含著許多生命活動所必需的無機和有機物質(zhì)，其中包括20多種必要元素。

碳氫氧氮磷占97%以上

鈣鎂鉀硫鈉大量營養(yǎng)元素

銅鋅硼錳鉬微量元素生命與元素A1、物質(zhì)不滅定律化學(xué)方法可以改變物質(zhì)的成分，但不能改變物質(zhì)的量，即在一般的化學(xué)變化過程中，覺察不到物質(zhì)在量上的增加或減少。也就是說，物質(zhì)的量在轉(zhuǎn)化前后是守恒的。2、質(zhì)能轉(zhuǎn)化與守恒定律相對論認為：世界上不存在沒有能量的物質(zhì)質(zhì)量，也不存在沒有質(zhì)量的物質(zhì)能量。質(zhì)量和能量作為一個統(tǒng)一體，其總量在任何過程中是保持不變的守恒量。物質(zhì)循環(huán)的基本原理B1、庫——物質(zhì)在運動過程中被暫時固定、貯存的場所稱為庫。生態(tài)系統(tǒng)中的各個組分都是物質(zhì)循環(huán)的庫，可分為植物庫、動物庫、大氣庫、土壤庫和水體庫。各庫又可分為許多亞庫。（1）貯存庫——其容積較大，物質(zhì)交換活動緩慢，一般為非生物成分的環(huán)境庫。

（2）交換庫——其容積較小，與外界物質(zhì)交換活躍，一般為生物成分。

氣體型循環(huán)沉積型循環(huán)物質(zhì)循環(huán)的庫與流C（3）源——是產(chǎn)生和釋放物質(zhì)的庫。（4）匯——是吸收和固定物質(zhì)的庫。如化石燃料燃燒是溫室氣體CO2的一個重要的源，海洋則是CO2的匯之一源匯CO2物質(zhì)循環(huán)的庫與流C2.流——物質(zhì)在庫與庫之間的轉(zhuǎn)移運行。生態(tài)系統(tǒng)中的能流、物流和信息流使生態(tài)系統(tǒng)各組分密切聯(lián)系起來，并使系統(tǒng)與外界環(huán)境聯(lián)系起來。沒有庫，環(huán)境資源不能被吸收、固定、轉(zhuǎn)化為各種產(chǎn)物；沒有流，庫與庫之間就不能聯(lián)系、溝通，則會使物質(zhì)循環(huán)短路，生命無以維持，生態(tài)系統(tǒng)必將瓦解。物質(zhì)循環(huán)的庫與流CX2X1輸入輸出庫存量庫存量f12f21土壤植物流動ZY2分室模型庫、源、匯庫存量的變化=輸入+流入-流出-輸出X1=16.2X2=13.6X3=3.2X4=1204X5=116.4y1=0.7y3=4.9y4=3.1z1=5.2z3=3.5f21=15f32=15f43=8.6f54=5.5f15=10.5枯枝落葉層根系枝和干樹葉土壤f53=5.03、周轉(zhuǎn)率與周轉(zhuǎn)期

周轉(zhuǎn)率——是指系統(tǒng)達到穩(wěn)定狀態(tài)后，某一組分（庫）中的物質(zhì)在單位時間內(nèi)所流出的量（FO）或流入的量（FI）占庫存總量（S）的分數(shù)值。

周轉(zhuǎn)率（R）=單位時間內(nèi)進入（或流出）某組分的物質(zhì)量該組分的物質(zhì)貯量（庫存量）

R=FI/S=FO/S物質(zhì)循環(huán)的庫與流C3、周轉(zhuǎn)率與周轉(zhuǎn)期周轉(zhuǎn)期——是周轉(zhuǎn)率的倒數(shù)，表示該組分的物質(zhì)全部更換平均需要的時間。

周轉(zhuǎn)期（T）=1/周轉(zhuǎn)率=1/R

物質(zhì)在運動過程中，周轉(zhuǎn)速率越高，則周轉(zhuǎn)一次所需時間越短。物質(zhì)循環(huán)的庫與流C100單位1000單位50單位5000單位16單位/d生產(chǎn)者水體沉積層消費者4單位/d20單位/d4單位/d20單位/d一個池塘生態(tài)系統(tǒng)循環(huán)模式圖水體到生產(chǎn)者的周轉(zhuǎn)率和周轉(zhuǎn)期為多少？一個池塘生態(tài)系統(tǒng)循環(huán)模式4.循環(huán)效率（EC）循環(huán)物質(zhì)（FC）占總輸入物質(zhì)（FI）的比例

EC＝FC／FI影響物質(zhì)循環(huán)速率最重要的因素循環(huán)元素的性質(zhì)生物的生長速率有機物分解的速率物質(zhì)循環(huán)的庫與流C一生態(tài)系統(tǒng)的能流二生態(tài)系統(tǒng)的物流三物質(zhì)循環(huán)的基本類型生態(tài)系統(tǒng)第四節(jié)生物地球化學(xué)循環(huán)A物質(zhì)循環(huán)的幾種基本類型B三物質(zhì)循環(huán)的基本類型地質(zhì)大循環(huán)——指物質(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)，然后生物有機體以死體、殘體或排泄物形式將物質(zhì)或元素返回環(huán)境，進入五大圈層的循環(huán)。五大自然圈層是指大