农业生态学国家精品课程课件(第三章)

1、第三章第三章 能量流动能量流动Chapter 3 Energy flow 2021-12-291国家级精品资源共享课2021-12-29国家级精品资源共享课2一、一、能量转移能量转移二、二、农业生态系统遵守能量流动的农业生态系统遵守能量流动的基本规律基本规律三、三、食物是农业生态系统中的能量食物是农业生态系统中的能量载体载体四、四、农业生态系统的能源、能流途农业生态系统的能源、能流途径和能效径和能效五、五、农业生态系统的能流调控农业生态系统的能流调控主要内容主要内容2021-12-29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，通过光合作用生植物利用太阳能，通过光合作用

2、生产食物能，食物能通过食物链和食物网，产食物能，食物能通过食物链和食物网，从一个营养级传递到另一个营养级。从一个营养级传递到另一个营养级。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2021-12-294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 t

3、he synthesis 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 ag

4、ain, and 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.2021-12-295国家级精品资源共享课2021-12-29国家级精品资源共

5、享课61.流流生态系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、贮存和转移的运动状态。吸收、贮存和转移的运动状态。能量的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 增加流量的方法：增加流量的方法：提高能量转化效率、提高能量转化效率、减少消耗减少消耗 增加流速的方法：增加流速的方法：缩短周转周期、提高缩短周转周期、提高周转速率周转速率（二）流、库、环的概念及应用（二）流、库、环的概念及应用2021-12-29国家级精品资源共享课72.库库能量和物质在运动过程中暂时被吸能量和物质在运动过程中暂时被吸收和贮存的单位。收和贮存的单

6、位。库要大、库效率要高。库要大、库效率要高。（1）植物库植物库：库大库大土地利用充分、植物产品土地利用充分、植物产品多；库效率高多；库效率高光合效率高光合效率高（2）动物库动物库：库大库大种群多数量大、动物产品种群多数量大、动物产品多；库效率高多；库效率高出栏率高，产肉蛋奶多出栏率高，产肉蛋奶多（3）土壤库土壤库：库大库大土壤肥力高而稳库效率土壤肥力高而稳库效率高高养分损失少，利用率高养分损失少，利用率高 2021-12-29国家级精品资源共享课83.环环各种库将流连接起来形成的各种库将流连接起来形成的整体。整体。环结构要合理环结构要合理 环流库是相互联系的。库要大、效率环流库是相互联系的。库

7、要大、效率高；环结构要合理；流要多且流畅。高；环结构要合理；流要多且流畅。2021-12-29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基本规律基本规律（二）热力学第二定律（二）热力学第二定律1.1.能量传递有一定的方向，是不可逆的。能量传递有一定的方向，是不可逆的。2.2.能量转化过程中存在着衰变现象，必然有能量转化过程中存在着衰变现象，必然有能量的耗散。能量的耗散。3.3.为了判断能量流动的方向和限度，用为了判断能量流动的方向和限度，用自由自由能能和和熵熵来描述。来描述。2021-12-29国家级精品资源共享

8、课10The first law of thermodynamics states that energy can neither be created nor destroyed. The second law of thermodynamics states 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), heterot

9、rophs must have less energy, and must therefore be rarer than the plants they feed on. The complexity of ecological interactions means that it is not possible to construct predictive mathematical models of living systems based on these laws of thermodynamics.Ecosystems and the laws of thermodynamics

10、2021-12-29国家级精品资源共享课11 普里高津耗散结构理论普里高津耗散结构理论 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，系统可能出现的一种稳定的有序结构。系统可能出现的一种稳定的有序结构。 表明：一个远离平衡态的开放系统，通过表明：一个远离平衡态的开放系统，通过与外界环境进行物质、能量的不断交换，与外界环境进行物质、能量的不断交换，就能克服混乱状态，维持稳定状态并且还就能克服混乱状态，维持稳定状态并且还有可能不断提高系统的有序性，使系统的有可能不断提高系统的有序性，使系统的商

11、减少。商减少。2021-12-29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行定量研究。的能量流进行定量研究。2.在农业生态系统能量流中，只有少部分转化在农业生态系统能量流中，只有少部分转化成有机形态的化学潜能储存起来，大部分转化成有机形态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，

12、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应用生态系统中的应用2021-12-29国家级精品资源共享课13（一）食物链（一）食物链1.1.定义：定义：生态系统中，来源于植物的食物生态系统中，来源于植物的食物能通过一系列吃与被吃的关系，把生物紧能通过一系列吃与被吃的关系，把生物紧密的联系起来，形成以食物营养为中心的密的联系起来，形成以食物营养为中心的链索关系即食物链。链索关系即食物链。典型的食物链：典型的食物链：植物植物食草动物食草动物一级食一级食肉动物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

13、系统的能量载体 Autotrophic organisms assimilate inorganic resources into packages of organic molecules. There become the resources for heterotrophs 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, pa

14、rasitism and predation. Consumers may be generalists (polyphagous), taking a wide variety of prey species or may specialize on single species or a range of closely related species (monophagous). Pathways of nutrient flow2021-12-2914国家级精品资源共享课食物链食物链2021-12-2915国家级精品资源共享课 A characteristic of an ecosys

15、tem is the number and nature of the species that occupy its various trophic levels. The relationship between constituents of one trophic level 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, carnivoro

16、us animals to their ultimate plant food. Many food chains exist in any given ecosystem and can be combined into food webs. Ecosystems vary considerably in the pattern of their energy-nutrient webs.Interactions between trophic levels2021-12-2916国家级精品资源共享课Top-down or bottom-up? It has been argued that

17、 the earth is green and vegetated because herbivore numbers are regulated by their predators (top-down control), whilst all other trophic levels are regulated by competition for resources (bottom-up control). This simple model is attractive but of doubtful value. Herbivore species are highly constra

18、ined 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. Further, at a gross level, plants are not energy-limited but space limited, so any space cleared by herbivory opens opportunities for more plants.2021-12-2917国家级

19、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( (初级消费者初级消费者) )螳螂螳螂( (二级消费者二级消费者) )黄雀黄雀( (三级消费者三级消费者) )鹰鹰( (四级消费者四级消费者) )( (顶极食肉动物顶极食肉动物) )2021-12-2918国家级精品资源共享课食物链的基本类型（四种）食物链的基本类型（四种）（1 1）捕食食物链，）捕食食物链，又称为活食或草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 农业生产中：作

20、物秸秆农业生产中：作物秸秆牛牛人人（2 2）腐生食物链，）腐生食物链，又称碎屑或残渣食物链又称碎屑或残渣食物链 农业上用秸秆、粪便生产沼气农业上用秸秆、粪便生产沼气 棉籽壳、稻草培育蘑菇棉籽壳、稻草培育蘑菇2021-12-2919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）

21、沼气（沼渣）肥田肥田2.2.营养级：营养级：生物在食物链上所处的位置，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。2021-12-2920国家级精品资源共享课2021-12-29国家级精品资源共享课21 生产者生产者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 Consumption2021-12-2922国家级精品资源共享课2021-12-

22、29国家级精品资源共享课232021-12-29国家级精品资源共享课24（1）同一食物链中常同一食物链中常含有食性和生活习性极不相含有食性和生活习性极不相同的生物。同的生物。（2）同一生态系统中同一生态系统中可能有多条食物链，各种食可能有多条食物链，各种食物链相互联系，协同发挥作用。物链相互联系，协同发挥作用。（3）自然生态系统中自然生态系统中，营养级的数目是有限的。，营养级的数目是有限的。（4）不同生态系统中不同生态系统中，各类食物链的比重不同。，各类食物链的比重不同。森林生态系统：森林生态系统：腐生食物链占生产有机物的腐生食物链占生产有机物的90%草原生态系统：草原生态系统：腐生食物链占生

23、产有机物的腐生食物链占生产有机物的70%农田生态系统：农田生态系统：腐生食物链占生产有机物的腐生食物链占生产有机物的20%30%3.3.食物链的基本特征食物链的基本特征2021-12-29国家级精品资源共享课251.1.食物网和营养结构的概念食物网和营养结构的概念食物网：食物网：生态系统中，一种生物常常以多种生生态系统中，一种生物常常以多种生物为食，同一生物又常常被多种生物取食，于物为食，同一生物又常常被多种生物取食，于是食物链交错起来，多条食物链相互连接、形是食物链交错起来，多条食物链相互连接、形成的网状结构。成的网状结构。营养结构：营养结构：以营养为纽带，把生物与环境、生以营养为纽带，把生

24、物与环境、生物与生物，紧密连接起来的结构。物与生物，紧密连接起来的结构。 （二）食物网和生态系统的营养结构（二）食物网和生态系统的营养结构Food Webs Illustrate Complex Trophic Relationships2021-12-2926国家级精品资源共享课2021-12-29国家级精品资源共享课27 生态系统抵抗外界干扰、自动修复生态系统抵抗外界干扰、自动修复的能力称为的能力称为生态系统的稳定性。生态系统的稳定性。影响稳影响稳定性的因素有很多，如生物的适应性、定性的因素有很多，如生物的适应性、外界干扰的程度、营养结构等。外界干扰的程度、营养结构等。 营养结构复杂、食物

25、网复杂的生态营养结构复杂、食物网复杂的生态系统，稳定性强系统，稳定性强2.2.营养结构与生态系统的稳定性营养结构与生态系统的稳定性2021-12-29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：辅助能的类型：自然辅助能、人工辅助能：生物自然辅助能、人工辅助能：生物辅助能（有机能）、工业辅助能（无机能）辅助能（有机能）、工业辅助能（无机能）辅助能的性质：辅助能的性质：不能转化成生物能，对生物能的不能转化成生物能，对生物能的合成、转化起辅助作用合成、

26、转化起辅助作用辅助能的作用：辅助能的作用：促进转化、减少消耗、改善环境促进转化、减少消耗、改善环境四、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2021-12-29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生态系统中能量流动是指能量由非生物环境是指能量由非生物环境经生物有机体，再到外界环境所进行的一系列传经生物有机体，再到外界环境所进行的一系列传递过程。递过程。在农业生态系统中，能量流动的一般途在农业生态系统中，能量流动的一般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

27、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）总是和生物有机体贮存、转换的能量和释放的热量相等。机体贮存、转换的能量和释放的热量相等。 以热的形式散失的能量不能再回到生态系统参与以热的形式散失的能量不能再回到生态系统参与流动和被利用流动和被利用2021-12-2930国家级精品资源共享课Ecological efficiency=10%Loss?202

28、1-12-2931国家级精品资源共享课Primaryproducers100 J1,000,000 J of sunlight10 J1,000 J10,000 JPrimaryconsumersSecondaryconsumersTertiaryconsumers2021-12-2932国家级精品资源共享课The dynamics of energy through ecosystems have important implications for the human population.2021-12-2933国家级精品资源共享课Energy flow through a commun

29、ity 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 modeling studies, which are supported by field data, the most significant

30、 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.2021-12-2934国家级精品资源共享课太阳辐射能太阳辐射能 24%52%云层吸收10 %浮尘15%反射25%臭氧层、水蒸气等9% 24%地球表面地球表面47%反射4%散射6%散射17%散射损失9%20

31、21-12-2935国家级精品资源共享课2021-12-29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、热量生产者呼吸、热量生产者呼吸、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生产者生产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2021-12-29国家级精品资源共享课372021-12-29国家级精品资源共享课38Ecosystem Energy Flow能流特征能流特征逐级减少逐级减少单方向性单方向性能流路径能流路径2021-12-2939国家级精品资源共享课Ass

32、imilatory:同化的同化的 Dissimilatory：异化的：异化的2021-12-2940国家级精品资源共享课2021-12-29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性能量流动过程中损耗的必然性（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限制）消费者密度低或食物选择限制 （3 3）利用后未被同化）利用后未被同化（4 4）同化后呼吸消耗掉）同化后呼吸消耗掉（5 5）变为生产量又被减少）变为生产量又被减少 营养级能量传递效率约平均为营养级能量传递效率约平均为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

33、字塔规律态金字塔规律2021-12-29国家级精品资源共享课422.能量传递效率（生态效率）：能量传递效率（生态效率）：通常指食通常指食物链各环节上能量的各种转化效率。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%。2021-12-29国家级精品资源共享课43新陈代谢、生长和运动是生命的基本功能新陈代谢、生长和运动是生命的基本功能 物理运动物理运动化学运动化学运动生命运动生命运动 2021-12-29国家级精品资源共享课44 生态金字塔是生态学研究中用以反映食物链生态金字塔是生态学研究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。关系的一个图解模型。类型 数量金字塔数量金字塔树木树木昆