第三章能量流动

1、农业生态系统的能量流动农业生态系统的能量流动第三章3.13.1能量流动的途径能量流动的途径3.23.2能量流动与转换的基本定律能量流动与转换的基本定律3.33.3农业生态系统的能量生产农业生态系统的能量生产3.1能量流动的途径能量流动的途径3.1.1 农业生态系统能量的来源农业生态系统能量的来源1.生态系统能量的基本形态生态系统能量的基本形态能能是物理学中的一个概念，指的是物体具有作是物理学中的一个概念，指的是物体具有作功的能力。能有两种存在形式，功的能力。能有两种存在形式，即潜能和动能即潜能和动能。 潜能潜能是存在于有机体中的化学结合能，是一种是存在于有机体中的化学结合能，是一种静态的能量，

2、具有作功的能力。在农业生态系静态的能量，具有作功的能力。在农业生态系统中，潜能是通过食物链的关系在生产者、消统中，潜能是通过食物链的关系在生产者、消费者、分解者等有机体之间进行流动和传递的。费者、分解者等有机体之间进行流动和传递的。动能动能是物体本身具有的能量，包括热能和辐射是物体本身具有的能量，包括热能和辐射能，可在物体之间传递，并可转化为潜能。能，可在物体之间传递，并可转化为潜能。在生态系统中，能主要指的是系统在生态系统中，能主要指的是系统内以有机物质形式存在的化学能，内以有机物质形式存在的化学能，生态系统的能量流动与转化也主要生态系统的能量流动与转化也主要指这些有机物质的能量在生物体之指

3、这些有机物质的能量在生物体之间的传递和转化情况。间的传递和转化情况。生态系统中生态系统中能量的主要形式有日光能、化学能、能量的主要形式有日光能、化学能、热能和动能等几种。热能和动能等几种。2.生态系统的能量来源生态系统的能量来源 1.太阳光能太阳光能2.辅助能辅助能 除太阳能以外，对生态系统所补充的除太阳能以外，对生态系统所补充的一切形式的能量，统称辅助能。绝大多一切形式的能量，统称辅助能。绝大多数辅助能虽然不能直接转换为生物的化数辅助能虽然不能直接转换为生物的化学能，但可以促进太阳能的转化，对光学能，但可以促进太阳能的转化，对光合产物的形成、物质循环和生物的生长合产物的形成、物质循环和生物的

4、生长发育起着重要的辅助作用。发育起着重要的辅助作用。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（自然辅助能（自然辅助能主要自然辅助能主要是指风力、降水、蒸发作用以及沿海和河是指风力、降水、蒸发作用以及沿海和河口湾的潮汐作用等口湾的潮汐作用等 ）、人工辅助能（生物辅）、人工辅助能（生物辅助能（有机能）、工业辅助能（无机能）助能（有机能）、工业辅助能（无机能） 根据来源和性质不同，还可将人工辅助能根据来源和性质不同，还可将人工辅助能分为生物辅助能和工业辅助能两大类。生分为生物辅助能和工业辅助能两大类。生物辅助能也称为有机能，是来源于生物有物辅助能也称为有机能，是

5、来源于生物有机体的能量，如人畜劳动力的作功、种苗机体的能量，如人畜劳动力的作功、种苗和有机肥料中所包含的化学能。工业辅助和有机肥料中所包含的化学能。工业辅助能也称为无机能、商业能或化石能，能也称为无机能、商业能或化石能， 3.1.2.农业生态系统能量流动的渠道农业生态系统能量流动的渠道1.食物链食物链定义定义生态系统中，来源于植物的食物能通过一系列吃生态系统中，来源于植物的食物能通过一系列吃与被吃的关系，把生物紧密的联系起来，形成以食与被吃的关系，把生物紧密的联系起来，形成以食物营养为中心的链索关系即食物链。物营养为中心的链索关系即食物链。食物链的基本食物链的基本类型（四种）类型（四种） （1

6、）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。 （2）腐生食物链，腐生食物链，又称碎屑或又称碎屑或 残渣食物链。残渣食物链。 （3）寄生食物链。寄生食物链。 （4）混合食物链。混合食物链。营养级：营养级：生物在食物链上所处的位置，即食物链上每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。一个环节称为营养级。 食物链食物链 l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

7、关系即食物链。 l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一级食肉动物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（1）捕食食物链，捕食食物链，又称为活食或草食食物又称为活食或草食食物链链 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 非洲草原上：草非洲草原上：草羚羊羚羊狮狮 农田中：水稻农田中：水稻蝗虫蝗虫青蛙青蛙 农业生产中：作物秸秆农业生产中：作物秸秆牛牛人人 （2 2）腐生食物链，腐生食物链，又称碎屑或又称碎屑或 残渣食物残渣食物链链 农业上用秸秆、粪便生产农业上用秸秆、粪便生产沼气沼气 棉籽壳、稻草培育蘑菇棉籽壳、稻草培育蘑菇食物链的基本类型

8、（四种）食物链的基本类型（四种）（3）寄生食物链寄生食物链 l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；病毒；马马蛔虫蛔虫（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 （猪粪）（猪粪）鱼；稻鱼；稻螟螟赤眼蜂；赤眼蜂； 菜（温棚）菜（温棚）鸡（鸡粪）鸡（鸡粪）沼气（沼渣）沼气（沼渣）肥田肥田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。海洋生态系统的食物链 生产者生产者420108吨年吨年食草动物食

9、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吨年吨年捕食寄 生黄蜂产卵于蛾幼虫体内，将幼虫致死黄蜂产卵于蛾幼虫体内，将幼虫致死图为黄蜂蛹覆在虫体上，以幼虫内部组织为生图为黄蜂蛹覆在虫体上，以幼虫内部组织为生3.食物网和生态系统的营养结构食物网和生态系统的营养结构食物网：食物网：生态系统中，一种生物常常以多种生物生态系统中，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，为食，同一生物又常常被多种生物取食，于是食物链交错起于是食物链交错起 来，多条食物链相互来，多条食物链相互

10、连接、形成的网状结构。连接、形成的网状结构。营养结构：营养结构：以营养为纽带，把生物与环境、生物与以营养为纽带，把生物与环境、生物与生物，紧密连接起来的结构。生物，紧密连接起来的结构。 北极地区食物网3.23.2能量流动与转换的基本定律能量流动与转换的基本定律3.2.13.2.1热力学第一定律热力学第一定律 又称能量守恒和转化原理，即能又称能量守恒和转化原理，即能量既不能创造又不能消灭，能量的形量既不能创造又不能消灭，能量的形式是可以转化的。式是可以转化的。各种形式的能量之各种形式的能量之间严格的按一定比例由一种形式转变间严格的按一定比例由一种形式转变为另一种形式，如热能和动能的转化为另一种形

11、式，如热能和动能的转化关系为：关系为： 1 1卡卡=4.184=4.184焦耳焦耳 一个系统内能的变化一个系统内能的变化(U）等）等于系统吸收的能量（于系统吸收的能量（Q）减去）减去系统对环境所作的功系统对环境所作的功(W)， U=QW 根据此公式，对生态系统的根据此公式，对生态系统的能量可以进行定量研究。能量可以进行定量研究。3.2.2热力学第二定律热力学第二定律 揭示能量揭示能量传递方向传递方向和和转化效率转化效率的的规律，它认为：规律，它认为： 1.能量传递有一定的方向，是不可能量传递有一定的方向，是不可逆的。逆的。 2.能量转化过程中存在着衰变现象，能量转化过程中存在着衰变现象，必然有

12、能量必然有能量 的耗散。的耗散。 3.为了判断能量流动的方向和限度，为了判断能量流动的方向和限度，用用自由能自由能和和熵熵两个概念来描述。两个概念来描述。自由能：自由能：系统总能中用来作功系统总能中用来作功的能量。的能量。 熵熵系统总能中不能用来作功的系统总能中不能用来作功的能量，是系统无序性的量度。能量，是系统无序性的量度。 在封闭的系统中，自发过在封闭的系统中，自发过程总是向自由能减少、熵值增程总是向自由能减少、熵值增加的方向进行。加的方向进行。 普里高津耗散结构理论普里高津耗散结构理论 l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。 l表明：一个远离平衡态的开放

13、系统，通过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有可能不断提高系统的有序性，使系统的商减少。热力学定律在农业生态系统中的应用热力学定律在农业生态系统中的应用（补）（补） 1.根据热力学第一定律，可以对农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业生态系统的能量流进行定量研究 。 2.在农生态系统能量流中，只有少在农生态系统能量流中，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。人起来，大部分转化成热能而耗散。人们应该尽量减少能量的无谓消耗，提们应该尽量减少能量的无谓消耗，提高能量的转化效率。

14、高能量的转化效率。3. 能量流的流动方向是不可逆能量流的流动方向是不可逆的，能量只能称为转化或转移，的，能量只能称为转化或转移，而不能是循环。而不能是循环。4.为了维持农业生态系统的稳为了维持农业生态系统的稳定，应不断的向系统输入能量，定，应不断的向系统输入能量，减少熵。减少熵。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一个稳定生态系统的能量流一个稳定生态系统的能量流未利用未利用未利用未利用生态系统的能流能流特征 逐级减少逐级减少 单方向

15、性单方向性能流路径3.2.4生态金字塔生态金字塔 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）由于不可食或不得食）由于不可食或不得食（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）利用后未被同化）利用后未被同化（4）同）同 化后呼吸消耗掉化后呼吸消耗掉（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%。 3. 3.生态金字塔规律类型 数 量 金 字 塔数 量 金 字 塔生物量金字塔生物量金字塔能 量 金 字 塔能 量 金 字 塔能量金字塔能能量量能量能量流失流失3.2.5生态效率定律生态效率定律食

16、物链中后一营养级生物对前一食物链中后一营养级生物对前一营养级生物能量利用的百分比叫营养级生物能量利用的百分比叫能量能量传递效率或生态效率传递效率或生态效率。肉猪。肉猪35%、奶牛、奶牛 20%、蛋鸡、蛋鸡15%、肉、肉兔兔1318%、肉羊、肉羊11%、肉牛、肉牛58%。3.3农业生态系统的能量生产农业生态系统的能量生产3.3.1初级生产初级生产1.初级生产的能量转化初级生产的能量转化 初级生产也称第一性生产，主要是初级生产也称第一性生产，主要是指绿色植物进行光合作用积累能量的过指绿色植物进行光合作用积累能量的过程。绿色植物和一些化能合成细菌称为程。绿色植物和一些化能合成细菌称为初级生产者。其化

17、学反应过程可以表示初级生产者。其化学反应过程可以表示为：为： 6 CO212 H2O太阳能太阳能 C6H12O66 H2O6O22.农业生态系统的初级生产力农业生态系统的初级生产力 初级生产力，即初级生产效率，是指在初级生产力，即初级生产效率，是指在单位时间内（年、小时等）、单位面积上单位时间内（年、小时等）、单位面积上（hm2、m2）初级生产者生产的干物质或积）初级生产者生产的干物质或积累的能量，其单位可表示为：累的能量，其单位可表示为：g/m2a或或kj/ m2a或或t/ hm2a。初级生产力又可以分为总。初级生产力又可以分为总初级生产力和净初级生产力，总初级生产力初级生产力和净初级生产力

18、，总初级生产力是指包括呼吸消耗在内的光合作用总速率；是指包括呼吸消耗在内的光合作用总速率；净初级生产率是指单位面积和时间内总初级净初级生产率是指单位面积和时间内总初级生产力减去植物呼吸消耗所剩下的量，即绿生产力减去植物呼吸消耗所剩下的量，即绿色植物实际积累下来的能量或干物质量。初色植物实际积累下来的能量或干物质量。初级生产力是表示生态系统生产力的一个重要级生产力是表示生态系统生产力的一个重要指标，它是衡量地球人口（及动物）承载能指标，它是衡量地球人口（及动物）承载能力的一个重要依据力的一个重要依据 3.人工辅助能对初级生产能量人工辅助能对初级生产能量转化的效应转化的效应 (1)人工辅助能的投入水平决定农业生人工辅助能的投入水平决定农业生产的发展水平产的发展水平 （2）增加人工辅助能的投入有利于促进农田养分平衡 （3）增加