1、第10章，生態(tài)系統(tǒng)中的能量流，生態(tài)系統(tǒng)過程：1能量流，2物質(zhì)循環(huán)，3信息傳遞，第1節(jié)，能量流定律，能量的基本概念，指的是物質(zhì)在物理學(xué)中做功的能力。能量形式：機(jī)械能、化學(xué)能、輻射能、勢能、電能、動(dòng)能、核能、熱能。能量以焦耳(j)計(jì)量。焦耳和卡路里之間的轉(zhuǎn)換：1J=0.239Cal卡路里或1Cal=4.18J卡路里，這是生態(tài)系統(tǒng)的主要能量來源。能量是生態(tài)系統(tǒng)的動(dòng)力基礎(chǔ)，生命活動(dòng)過程中存在能量流動(dòng)和轉(zhuǎn)化。太陽能是生態(tài)系統(tǒng)中最重要的能源。太陽能總輻射能量的99%的波長為0.154um，包括約50%的可見光(0.40.7um)、約43%的紅外光(0.76um)和約7%的紫外光(0.4um)。紅外線產(chǎn)生熱

2、效應(yīng)，有助于形成生物生長的熱環(huán)境。紫外線具有很強(qiáng)的組織穿透能力和破壞能力，可以增加植物組織中蛋白質(zhì)和纖維素的含量，殺死微生物?？梢姽馐蔷G色植物光合作用的生理輻射，其中紅光和橙光是植物葉綠素最容易吸收的部分，是光合作用的主要能量來源。一般來說，植物只能將一小部分生理輻射轉(zhuǎn)化為化學(xué)能，并將其儲(chǔ)存在有機(jī)物中。一般來說，太陽能的利用率約為1%5%(理論值)，但實(shí)際上是0.5%3.0%。生態(tài)系統(tǒng)包含其他形式的自然能源，如風(fēng)能、潮汐能、地?zé)崮?、水流能、降雨能等。這些能量在生態(tài)系統(tǒng)食物鏈的能量轉(zhuǎn)換和傳遞中起著輔助作用。在生態(tài)系統(tǒng)中，人類的人工輔助能源、動(dòng)物動(dòng)力、燃料、電力、機(jī)械和肥料、農(nóng)藥、農(nóng)用薄膜等生態(tài)系

3、統(tǒng)都被投入到生態(tài)系統(tǒng)中。能量的流動(dòng)遵循熱力學(xué)的基本定律，在生態(tài)系統(tǒng)中，能量的流動(dòng)和轉(zhuǎn)化也遵循動(dòng)力科學(xué)的基本定律。1.熱力學(xué)第一定律，能量守恒定律，其中，U是系統(tǒng)內(nèi)能的變化；q是系統(tǒng)吸收的熱量；w是系統(tǒng)對外界所做的工作。2.熱力學(xué)第二定律能量效率和能量流向定律。在自然界所有的自發(fā)過程中，能量傳遞都有一定的方向，任何能量轉(zhuǎn)換的效率都不能達(dá)到100%。秩序是指事物的正常狀態(tài)。根據(jù)熱力學(xué)第二定律，世界上所有有序的結(jié)構(gòu)、模式和排列都會(huì)自然地走向無序。為了維持有序狀態(tài)，系統(tǒng)必須獲得更多的工作潛力，從而消除無序并重建秩序。熵的概念是一個(gè)熱力學(xué)函數(shù)，是對系統(tǒng)或事物無序度的度量，它被定義為“在從絕對零度沒有分子

4、運(yùn)動(dòng)的最大有序狀態(tài)變化到某一含熱狀態(tài)的過程中，每度的熱(變化)(溫度變化)。S=(H-F)/T=Q/T H是總能量的增加，F(xiàn)是自由能的增加，T是絕對溫度。熵可以用來表達(dá)熱力學(xué)第二定律(熵增加原理):一個(gè)封閉系統(tǒng)的熵總是在它停止之前增加到最大。也就是說，所有自發(fā)的過程總是朝著熵增加的方向進(jìn)行，系統(tǒng)從有序走向無序。熵增加，這是一個(gè)沒有額外能量的自發(fā)過程；在熵減少的相反方向，它必須由外部能量驅(qū)動(dòng)，并且外部能量的效率必須小于100%?；钪膫€(gè)體和生態(tài)系統(tǒng)都需要不斷地?cái)z取能量來維持它們的有序狀態(tài)，并將熱能散發(fā)到環(huán)境中(紊亂)。系統(tǒng)中的熵、能量(負(fù)熵)、熱能向環(huán)境的耗散(無序)、普里高金的耗散結(jié)構(gòu)理論許多

5、現(xiàn)象表明，開放系統(tǒng)不斷地從無序走向有序，從低序走向高階，而有機(jī)體從低級(jí)向高級(jí)的進(jìn)化就是一個(gè)例子。所謂耗散結(jié)構(gòu)是指一種穩(wěn)定的有序結(jié)構(gòu)，它可能出現(xiàn)在遠(yuǎn)離平衡態(tài)的非平衡態(tài)的開放系統(tǒng)中。普里戈金的耗散結(jié)構(gòu)理論表明，遠(yuǎn)離平衡的開放系統(tǒng)可以通過與外界環(huán)境交換物質(zhì)和能量來克服混沌狀態(tài)，保持穩(wěn)定狀態(tài)，也可以不斷提高系統(tǒng)的有序性，降低系統(tǒng)的熵。遠(yuǎn)平衡態(tài)、平衡態(tài)、初級(jí)生產(chǎn)中的能量流動(dòng)，通過綠色植物光合作用固定太陽能生產(chǎn)有機(jī)物的過程是生態(tài)系統(tǒng)中最重要的初級(jí)生產(chǎn)和能量流動(dòng)的基礎(chǔ)。1.初級(jí)生產(chǎn)的能量效率與不同生產(chǎn)力和不同生態(tài)系統(tǒng)類型的植物有很大不同，即初級(jí)生產(chǎn)力具有時(shí)空分異特征。根據(jù)光合作用的不同生長途徑，植物可分為凈

6、光合速率不同的C3和C4植物：C4植物：玉米4.66.3克/平方米小時(shí)，甘蔗4.24.9克/平方米小時(shí)，莧菜5.5克/平方米小時(shí)，高粱5.8克/平方米小時(shí)，單位：克/平方米小時(shí)C3植物：煙草1不同植物群落的生物量(t/hm2)和初級(jí)生產(chǎn)力(t/hm2年)也有很大差異：草地：10(生物量)，灌木：31(生物量)，9.7(初級(jí)生產(chǎn)力)，30年生常綠闊葉林地球初級(jí)生產(chǎn)力為172，109噸有機(jī)物，包括9.1109噸農(nóng)田、5.4109噸溫帶草原、10.5109噸熱帶草原、84.2109噸森林、55，109噸海洋和其他湖泊、河流、沼澤、荒地、山地和沙漠。 地球和海洋初級(jí)生產(chǎn)力的分布；用氮元素控制波羅的海初

7、級(jí)生產(chǎn)力：培養(yǎng)瓶營養(yǎng)富集實(shí)驗(yàn)表明硝酸鹽濃度限制了其初級(jí)生產(chǎn)力。然而，由于人類對生物圈的干預(yù)和利用，植被破壞和生態(tài)系統(tǒng)退化導(dǎo)致地球初級(jí)生產(chǎn)力和初級(jí)生物量逐年下降。全球森林面積高達(dá)7.6109hm2，19世紀(jì)減少到5.5109hm2，20世紀(jì)80年代中期減少到4.1109hm2，目前仍以每年1.6107hm2的速度消失，其中相當(dāng)一部分是高生物量。根據(jù)聯(lián)合國(1999)的數(shù)據(jù)，地球上70%的干旱土地面臨荒漠化的威脅，約占地球陸地面積的1/4，影響多達(dá)10億人其中沙漠化土地正以每年57，000 hm2的速度迅速擴(kuò)大，鹽漠土地面積也在逐年擴(kuò)大，導(dǎo)致地球初級(jí)生產(chǎn)力持續(xù)下降。 地球生態(tài)系統(tǒng)的凈初級(jí)生產(chǎn)力約為

8、03500克/(平方米年)，可分為四個(gè)等級(jí)：20003000克/(平方米年)。大部分高產(chǎn)地區(qū)屬于溫暖的濕地帶，特別是多雨地區(qū)的森林、沼澤、河流和沿河濕地生態(tài)系統(tǒng)，條件優(yōu)越的連續(xù)森林，以及農(nóng)業(yè)集約化種植的甘蔗等高產(chǎn)農(nóng)田。雖然這些生態(tài)系統(tǒng)外觀不同，但它們有良好的水條件、適宜的溫度和充足的土壤養(yǎng)分供應(yīng)。10002000g/(m2。年份)。它是在適宜氣候條件下陸地和淡水生態(tài)系統(tǒng)凈初級(jí)生產(chǎn)力的標(biāo)準(zhǔn)值，也是世界上最穩(wěn)定的森林的平均值，包括一些湖泊、沼澤和濕地，以及草原和溫帶地區(qū)一些生產(chǎn)力較高的農(nóng)田。2501000g/(m2。年份)。包括干燥稀疏的森林灌木或矮林和大部分草地，還包括許多作物的耕地凈初級(jí)生產(chǎn)力

9、。0250/(平方米。年份)。包括極端干旱和低溫地區(qū)和深海地區(qū)，即大沙漠、極地苔原以及高山帶和海洋的凈初級(jí)生產(chǎn)力。中國生態(tài)系統(tǒng)總初級(jí)生產(chǎn)力：5411103J/年，其中：農(nóng)田1944103J/年草地343103J/年林地3129103J/年，其中農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)總初級(jí)生產(chǎn)力：糧食作物：78%經(jīng)濟(jì)作物(包括蔬菜):17%青飼料和綠肥作物：中國森林生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力比世界平均水平低10%左右。森林覆蓋率：1980年代：12.7%；1996年：13.9%是世界平均森林覆蓋率的52%；中國人均林地面積為0.12hm2，人均蓄積量為10.43 m3，分別是世界平均水平的11%和12%。2.初級(jí)生產(chǎn)力的測量和潛力估

10、計(jì)初級(jí)生產(chǎn)力的測量方法有很多，主要分為直接測量和間接測量。直接測量是測量初級(jí)生產(chǎn)者的生物量。間接測量是測量初級(jí)生產(chǎn)者的代謝活動(dòng)，如O2或CO2濃度的變化，然后計(jì)算初級(jí)生產(chǎn)力。利用光合作用測量儀和遙感(衛(wèi)星)技術(shù)間接測量是一種先進(jìn)的方法。直接收獲法：定期或一次性收獲所有植物，包括地上和地下部分以及落葉和花(果實(shí))，然后稱重。黑白瓶法：這種方法常用于測定水中浮游植物的初級(jí)生產(chǎn)力?！鞍咨孔印蹦苓M(jìn)行光合作用和呼吸，而“黑色瓶子”是不透明的，沒有光合作用，只有呼吸。通過計(jì)算光合作用和呼吸作用引起的CO2含量變化，可以計(jì)算出浮游植物的生產(chǎn)力。葉綠素測定初級(jí)生產(chǎn)力是根據(jù)葉綠素含量或葉綠體中與光合作用強(qiáng)度有

11、關(guān)的生物活性物質(zhì)的含量來估算的。同位素標(biāo)記法：同位素用于測量植物對CO2的吸收和同化能力。作物生產(chǎn)潛力的估計(jì)：光能生產(chǎn)量Y1=f(Q)光溫生產(chǎn)量Y2=f(Q)f(T)氣候生產(chǎn)量Y3=f(Q)f(T)f(W)土地生產(chǎn)量Y4=f(Q)f(T)f(w)f(S)，iii因地制宜，增加綠色植被覆蓋，充分利用太陽輻射能量，增加系統(tǒng)的生物量通量或能量通量，增強(qiáng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。適當(dāng)增加投資，保護(hù)和改善生態(tài)環(huán)境，消除或減緩限制因素的制約。改善植物的品質(zhì)特性，培育高光效、抗逆性強(qiáng)的優(yōu)良品種。加強(qiáng)生態(tài)系統(tǒng)中的物質(zhì)循環(huán)，減少養(yǎng)分和水分的限制。完善耕作制度，提高復(fù)種指數(shù)，合理密植，實(shí)行間作，提高栽培管理技術(shù)。在第三部分，

12、二次生產(chǎn)中的能量流動(dòng)和一次生產(chǎn)的能量平衡：P=NI I=NI A (R1 R2 R3)F U G其中P是凈一次生產(chǎn)總量；NH是最后一個(gè)二級(jí)生產(chǎn)者的可食用部分；我是可食用的部分；a是二級(jí)生產(chǎn)者儲(chǔ)存的能量；R1是身體熱量消耗，即動(dòng)物進(jìn)食后幾個(gè)小時(shí)內(nèi)在體內(nèi)產(chǎn)生的熱量損失；R2是維持能量，這是基礎(chǔ)代謝的能量損失。R3是運(yùn)動(dòng)的能量損失；f、u和g分別是固體、液體和氣體放電中包含的能量。二次生產(chǎn)在生態(tài)系統(tǒng)中的地位和作用二次生產(chǎn)以一次生產(chǎn)為基礎(chǔ)，合理的二次生產(chǎn)促進(jìn)一次生產(chǎn)，但不合理的二次生產(chǎn)也會(huì)影響一次生產(chǎn)，如過度放牧?xí)?dǎo)致草地退化；密集分布在一些郊區(qū)的集約化農(nóng)場也可能帶來一系列的環(huán)境問題，如嚴(yán)重的有機(jī)污染。二次生產(chǎn)的主要功能是轉(zhuǎn)化農(nóng)副產(chǎn)品，提高其利用價(jià)值。生產(chǎn)動(dòng)物蛋白，改善食物結(jié)構(gòu)，提高人民生活水平。促進(jìn)物質(zhì)循環(huán)，增強(qiáng)生態(tài)系統(tǒng)功能。種養(yǎng)結(jié)合，農(nóng)牧互促，有利于資源的合理利用和生態(tài)系統(tǒng)的可持續(xù)性。三次生產(chǎn)的能量轉(zhuǎn)換效率二次生產(chǎn)的能量效率因生產(chǎn)者的類型和生態(tài)類型而異。例如，水產(chǎn)養(yǎng)殖中飼料與肉類生產(chǎn)的比例，豬約為4.3: 1，牛羊約為6: 1，家禽約為3: 1，水產(chǎn)養(yǎng)殖約為1.5: 1。消費(fèi)者對初級(jí)生產(chǎn)力的影響和調(diào)節(jié)。營養(yǎng)鏈假說：初級(jí)生產(chǎn)力沿著食物鏈從高到低受到影響。營養(yǎng)鏈假說預(yù)測，調(diào)控魚類營養(yǎng)將影響植食性魚類、小型植食性動(dòng)植物的數(shù)量變化。池塘生產(chǎn)力調(diào)控試驗(yàn)及其響應(yīng)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果支持營養(yǎng)鏈假說。