农业生态学国家精品课程(第三章)ppt课件

1、第三章第三章 能量流动能量流动Chapter 3 Energy flow 2021-10-41国家级精品资源共享课2021-10-4国家级精品资源共享课2一、能量转移一、能量转移二、农业生态系统遵守能量流动的二、农业生态系统遵守能量流动的根本规律根本规律三、食物是农业生态系统中的能量三、食物是农业生态系统中的能量载体载体四、农业生态系统的能源、能流途四、农业生态系统的能源、能流途径和能效径和能效五、农业生态系统的能流调控五、农业生态系统的能流调控主要内容主要内容2021-10-4国家级精品资源共享课3一能量转移一能量转移 植物利用太阳能，经过光协作用植物利用太阳能，经过光协作用消费食物能，食物

2、能经过食物链和食消费食物能，食物能经过食物链和食物网，从一个营养级传送到另一个营物网，从一个营养级传送到另一个营养级。养级。太阳能太阳能 绿色植物绿色植物 食草动物食草动物 食肉动物食肉动物一、能量转移一、能量转移食草动物食草动物食肉动物食肉动物2021-10-44国家级精品资源共享课The relationship between matter and energy Once energy is transformed into heat, it can no longer be used by living organisms to do work or to fuel the synth

3、esis of biomass, the heat is lost to the atmosphere and can never be recycled. Life on Earth is possible because a fresh supply of solar energy is made available every day. In contrast, nutrients such as carbon can be reused. Chemical nutrients, the building blocks if biomass, can be used again, and

4、 recycling is a critical feature. Unlike the energy in solar radiation, nutrients are not in unalterable supply. If plants, and their consumers were not eventually decomposed, the supply of nutrients would become exhausted and life on Earth would cease.2021-10-45国家级精品资源共享课2021-10-4国家级精品资源共享课61.流流生态系

5、统中能量和物质不断地被生态系统中能量和物质不断地被吸收、储存和转移的运动形状。能量的吸收、储存和转移的运动形状。能量的转移转移能量流。物质的转化能量流。物质的转化物质流。物质流。流量要多，流速要快流量要多，流速要快 添加流量的方法：提高能量转化效添加流量的方法：提高能量转化效率、减少耗费率、减少耗费 添加流速的方法：缩短周转周期、添加流速的方法：缩短周转周期、提高周转速率提高周转速率二流、库、环的概念及运用二流、库、环的概念及运用2021-10-4国家级精品资源共享课9一热力学第一定律一热力学第一定律 二、农业生态系统遵守能量流动的二、农业生态系统遵守能量流动的根本规律根本规律二热力学第二定律

6、二热力学第二定律1.1.能量传送有一定的方向，是不可逆的。能量传送有一定的方向，是不可逆的。2.2.能量转化过程中存在着衰变景象，必然有能量转化过程中存在着衰变景象，必然有能量的耗散。能量的耗散。3.3.为了判别能量流动的方向和限制，用自在为了判别能量流动的方向和限制，用自在能和熵来描画。能和熵来描画。2021-10-4国家级精品资源共享课10The first law of thermodynamics states that energy can neither be created nor destroyed. The second law of thermodynamics state

7、s that every transformation results in a reduction of the free energy of the system. Because energy transformation cannot be 100% efficient (from the second law), heterotrophs must have less energy, and must therefore be rarer than the plants they feed on. The complexity of ecological interactions m

8、eans that it is not possible to construct predictive mathematical models of living systems based on these laws of thermodynamics.Ecosystems and the laws of thermodynamics2021-10-4国家级精品资源共享课11 普里高津耗散构造实际普里高津耗散构造实际 Prigogines dissipation structure theory 指开放系统在远离平衡态的非平衡态下，指开放系统在远离平衡态的非平衡态下，系统能够出现的一种稳定

9、的有序构造。系统能够出现的一种稳定的有序构造。 阐明：一个远离平衡态的开放系统，经过阐明：一个远离平衡态的开放系统，经过与外界环境进展物质、能量的不断交换，与外界环境进展物质、能量的不断交换，就能抑制混乱形状，维持稳定形状并且还就能抑制混乱形状，维持稳定形状并且还有能够不断提高系统的有序性，使系统的有能够不断提高系统的有序性，使系统的商减少。商减少。2021-10-4国家级精品资源共享课121.根据热力学第一定律，可以对农业生态系统根据热力学第一定律，可以对农业生态系统的能量流进展定量研讨。的能量流进展定量研讨。2.在农业生态系统能量流中，只需少部分转化在农业生态系统能量流中，只需少部分转化成

10、有机形状的化学潜能储存起来，大部分转化成有机形状的化学潜能储存起来，大部分转化成热能而耗散。成热能而耗散。3.能量流的流动方向是不可逆的，能量只能称能量流的流动方向是不可逆的，能量只能称为转化或转移，而不能是循环。为转化或转移，而不能是循环。4.为了维持农业生态系统的稳定，应不断的向为了维持农业生态系统的稳定，应不断的向系统输入能量，减少熵。系统输入能量，减少熵。(四四)热力学定律在农业热力学定律在农业生态系统中的运用生态系统中的运用2021-10-4国家级精品资源共享课13一食物链一食物链1.1.定义：生态系统中，来源于植物定义：生态系统中，来源于植物的食物能经过一系列吃与被吃的的食物能经过

11、一系列吃与被吃的关系，把生物严密的联络起来，关系，把生物严密的联络起来，构成以食物营养为中心的链索关构成以食物营养为中心的链索关系即食物链。系即食物链。典型的食物链：植物典型的食物链：植物食草动物食草动物一级食肉动物一级食肉动物二级食肉动物二级食肉动物顶级食肉动物顶级食肉动物三、食物是农业生态系统的能量载体三、食物是农业生态系统的能量载体 Autotrophic organisms assimilate inorganic resources into packages of organic molecules. There become the resources for heterotro

12、phs which then become a resource for another consumer. At each link in this food chain we can recognize three pathways to the next trophic level: decomposition, parasitism and predation. Consumers may be generalists (polyphagous), taking a wide variety of prey species or may specialize on single spe

13、cies or a range of closely related species (monophagous). Pathways of nutrient flow2021-10-414国家级精品资源共享课食物链食物链2021-10-415国家级精品资源共享课 A characteristic of an ecosystem is the number and nature of the species that occupy its various trophic levels. The relationship between constituents of one trophic le

14、vel and constituents of adjacent trophic levels may be described by a food chain. This is a chain of eating and being eaten that connects, for example, carnivorous animals to their ultimate plant food. Many food chains exist in any given ecosystem and can be combined into food webs. Ecosystems vary

15、considerably in the pattern of their energy-nutrient webs.Interactions between trophic levels2021-10-416国家级精品资源共享课Top-down or bottom-up? It has been argued that the earth is green and vegetated because herbivore numbers are regulated by their predators (top-down control), whilst all other trophic le

16、vels are regulated by competition for resources (bottom-up control). This simple model is attractive but of doubtful value. Herbivore species are highly constrained in the range of plant tissue they can eat, due to plant defences, and hence may be limited by competition even if the world is green. F

17、urther, at a gross level, plants are not energy-limited but space limited, so any space cleared by herbivory opens opportunities for more plants.2021-10-417国家级精品资源共享课螳螂捕蝉，螳螂捕蝉，黄雀在后！黄雀在后！哈！哈！哈！哈！植物汁液植物汁液蝉蝉( (初级消费初级消费者者) )螳螂螳螂( (二级消费二级消费者者) )黄雀黄雀( (三级消费三级消费者者) )鹰鹰( (四级消费者四级消费者) )( (顶极食肉动顶极食肉动物物) )2021

18、-10-418国家级精品资源共享课食物链的根本类型四种食物链的根本类型四种1 1捕食食物链，又称为活食或草食食物链捕食食物链，又称为活食或草食食物链 海洋中：浮游植物海洋中：浮游植物浮游动物浮游动物虾虾鱼鱼 草原上：草草原上：草羚羊羚羊老虎老虎 农田中：水稻农田中：水稻蝗虫蝗虫青蛙青蛙 农业消费中：作物秸秆农业消费中：作物秸秆牛牛人人2 2腐生食物链，又称碎屑或残渣食物链腐生食物链，又称碎屑或残渣食物链 农业上用秸秆、粪便消费沼气农业上用秸秆、粪便消费沼气 棉籽壳、稻草培育蘑菇棉籽壳、稻草培育蘑菇2021-10-419国家级精品资源共享课3 3寄生食物链寄生食物链植物型：大豆植物型：大豆菟丝子

19、菟丝子动物型：哺乳动物动物型：哺乳动物跳蚤跳蚤原生动物原生动物细菌细菌病毒；马病毒；马蛔虫蛔虫4 4混合食物链混合食物链 稻草稻草牛牛粪牛牛粪蚯蚓蚯蚓鸡鸡粪鸡鸡粪猪猪粪猪猪粪鱼；稻鱼；稻螟螟赤眼蜂；菜温棚赤眼蜂；菜温棚鸡鸡粪鸡鸡粪沼气沼渣沼气沼渣肥田肥田2.2.营养级：生物在食物链上所处的位置，营养级：生物在食物链上所处的位置，即食物链上每一个环节称为营养级。即食物链上每一个环节称为营养级。2021-10-420国家级精品资源共享课2021-10-4国家级精品资源共享课21 消费者消费者420108吨年吨年食草动物食草动物64108吨年吨年第第1级食肉动物级食肉动物10108吨年吨年第第2级食

20、肉动物级食肉动物1.5108吨年吨年 第第3级食肉动物级食肉动物0.22108吨年吨年The Trophic Pyramid:A Model of Consumption2021-10-422国家级精品资源共享课2021-10-4国家级精品资源共享课232021-10-4国家级精品资源共享课241同一食物链中常含有食性和生活习性极不一同一食物链中常含有食性和生活习性极不一样的生物。样的生物。2同终身态系统中能够有多条食物链，各种食同终身态系统中能够有多条食物链，各种食物链相互联络，协同发扬作用。物链相互联络，协同发扬作用。3自然生态系统中，营养级的数目是有限的。自然生态系统中，营养级的数目是有

21、限的。4不同生态系统中，各类食物链的比重不同。不同生态系统中，各类食物链的比重不同。森林生态系统：腐生食物链占消费有机物的森林生态系统：腐生食物链占消费有机物的90%草原生态系统：腐生食物链占消费有机物的草原生态系统：腐生食物链占消费有机物的70%农田生态系统：腐生食物链占消费有机物的农田生态系统：腐生食物链占消费有机物的20%30%3.3.食物链的根本特征食物链的根本特征2021-10-4国家级精品资源共享课251.1.食物网和营养构造的概念食物网和营养构造的概念食物网：生态系统中，一种生物经常以食物网：生态系统中，一种生物经常以多种生物为食，同终身物又经常被多种多种生物为食，同终身物又经常

22、被多种生物取食，于是食物链交错起来，多条生物取食，于是食物链交错起来，多条食物链相互衔接、构成的网状构造。食物链相互衔接、构成的网状构造。营养构造：以营养为纽带，把生物与环营养构造：以营养为纽带，把生物与环境、生物与生物，严密衔接起来的构造。境、生物与生物，严密衔接起来的构造。 二食物网和生态系统的营养构造二食物网和生态系统的营养构造Food Webs Illustrate Complex Trophic Relationships2021-10-426国家级精品资源共享课2021-10-4国家级精品资源共享课27 生态系统抵抗外界干扰、自动生态系统抵抗外界干扰、自动修复的才干称为生态系统的稳

23、定性。修复的才干称为生态系统的稳定性。影响稳定性的要素有很多，如生物影响稳定性的要素有很多，如生物的顺应性、外界干扰的程度、营养的顺应性、外界干扰的程度、营养构造等。构造等。 营养构造复杂、食物网复杂的营养构造复杂、食物网复杂的生态系统，稳定性强生态系统，稳定性强2.2.营养构造与生态系统的稳定性营养构造与生态系统的稳定性2021-10-4国家级精品资源共享课28一农业生态系统的能源一农业生态系统的能源1.1.太阳能是生态系统的主要能源太阳能是生态系统的主要能源2.2.农业生态系统的辅助能农业生态系统的辅助能辅助能的类型：自然辅助能、人工辅助能：辅助能的类型：自然辅助能、人工辅助能：生物辅助能

24、有机能、工业辅助能无生物辅助能有机能、工业辅助能无机能机能辅助能的性质：不能转化成生物能，对生辅助能的性质：不能转化成生物能，对生物能的合成、转化起辅助作用物能的合成、转化起辅助作用辅助能的作用：促进转化、减少耗费、改辅助能的作用：促进转化、减少耗费、改善环境善环境四、农业生态系统的能源、四、农业生态系统的能源、能流途径和能效能流途径和能效2021-10-4国家级精品资源共享课29二农业生态系统的能流途径二农业生态系统的能流途径 生态系统中能量流动是指能量由非生物环境生态系统中能量流动是指能量由非生物环境经生物有机体，再到外界环境所进展的一系列传经生物有机体，再到外界环境所进展的一系列传送过程

25、。在农业生态系统中，能量流动的普通途送过程。在农业生态系统中，能量流动的普通途径包括以下几个方面：径包括以下几个方面：1.1.太阳辐射的能量进入生态系统太阳辐射的能量进入生态系统2.2.以植物有机体储存的能量，沿食物链流动转化以植物有机体储存的能量，沿食物链流动转化3.3.生态系统中能量的外界输入及输出生态系统中能量的外界输入及输出n生态系统中的能量流动生态系统中的能量流动 输入生态系统中的能量太阳能总是和生物有输入生态系统中的能量太阳能总是和生物有机体储存、转换的能量和释放的热量相等。机体储存、转换的能量和释放的热量相等。 以热的方式散失的能量不能再回到生态系统参与以热的方式散失的能量不能再

26、回到生态系统参与流动和被利用流动和被利用2021-10-430国家级精品资源共享课Ecological efficiency=10%Loss?2021-10-431国家级精品资源共享课Primaryproducers100 J1,000,000 J of sunlight10 J1,000 J10,000 JPrimaryconsumersSecondaryconsumersTertiaryconsumers2021-10-432国家级精品资源共享课The dynamics of energy through ecosystems have important implications for

27、 the human population.2021-10-433国家级精品资源共享课Energy flow through a community Given that specified values can be obtained for net primary production and CE, AE and PE, it is possible to predict, using models, the pathway of energy flow at different trophic levels for different communities. From such mo

28、deling studies, which are supported by field data, the most significant finding is the overwhelming importance of the decomposer system. Overall, in a steady state community, losses through animal respiration balance NPP so that standing crop biomass remains the same.2021-10-434国家级精品资源共享课太阳辐射能太阳辐射能

29、24%52%云层吸收10 %浮尘15%反射25%臭氧层、水蒸气等9% 24%地球外表地球外表47%反射4%散射6%散射17%散射损失9%2021-10-435国家级精品资源共享课2021-10-4国家级精品资源共享课36一个稳定生态系统的能量流一个稳定生态系统的能量流分解者分解者消费者呼吸、热量消费者呼吸、热量消费者呼吸、热量消费者呼吸、热量腐生生物分解和呼吸及腐生生物分解和呼吸及热量热量消费者消费者太阳辐射能输入太阳辐射能输入消费者消费者消费者消费者消费者消费者未利用未利用未利用未利用2021-10-4国家级精品资源共享课372021-10-4国家级精品资源共享课38Ecosystem En

30、ergy Flow能流特征能流特征逐级减少逐级减少一方向性一方向性能流途径能流途径2021-10-439国家级精品资源共享课Assimilatory:同化的同化的 Dissimilatory：异化的：异化的2021-10-440国家级精品资源共享课2021-10-4国家级精品资源共享课41 1. 1.能量流动过程中损耗的必然能量流动过程中损耗的必然性性1 1由于不可食或不得食由于不可食或不得食2 2消费者密度低或食物选择消费者密度低或食物选择限制限制 3 3利用后未被同化利用后未被同化4 4同化后呼吸耗费掉同化后呼吸耗费掉5 5变为消费量又被减少变为消费量又被减少 营养级能量传送效率约平均为营

31、养级能量传送效率约平均为10%10%。三农业生态系统的能效和生三农业生态系统的能效和生态金字塔规律态金字塔规律2021-10-4国家级精品资源共享课422.能量传送效率生态效率：通常指能量传送效率生态效率：通常指食物链各环节上能量的各种转化效率。食物链各环节上能量的各种转化效率。肉猪肉猪35%、奶牛、奶牛 20%、蛋鸡、蛋鸡15%、肉兔、肉兔1318%、肉羊、肉羊11%、肉牛、肉牛58%。2021-10-4国家级精品资源共享课43新陈代谢、生长和运动是生命的根本功能新陈代谢、生长和运动是生命的根本功能 物理运动物理运动化学运动化学运动生命运动生命运动 2021-10-4国家级精品资源共享课44 生态金字塔是生态学研讨中用以反映食物链各营养级之间生物个体数量、生物量和能量比例关系的一个图解模型。类型 数量金字塔树木昆虫鸟类畸形金字塔生物量金字