Chapter 12 生态系统中的能流-new

1、1基础生态学基础生态学 QQ:1622865111；讲：主讲：张健华博士张健华博士2Chapter 12 生态系统中的能量流动生态系统中的能量流动 1 1 基本概念基本概念 2 2 生态系统的生物生产生态系统的生物生产 3 3 生态系统中的分解生态系统中的分解 4 4 生态系统的能量流动生态系统的能量流动3太阳能太阳能初级生产者初级生产者消费者消费者分解者分解者能流循环能流循环途径途径!4兔的排泄物、吃兔的排泄物、吃剩的兔肉和死去剩的兔肉和死去的兔使能量散失的兔使能量散失太太阳阳能能生生态态系系统统內的能量流內的能量流示例示例借借光合作用光合作用转转化化为为草的草的化

2、化学学能能被兔子被兔子 吃掉吃掉被狐狸被狐狸 摄摄食食吃剩的草和吃剩的草和死去的草使死去的草使能量散失能量散失通通过过呼吸作呼吸作用散失用散失转为转为兔兔体体內化內化学学能能通通过热过热和呼和呼吸作用散失吸作用散失5 Question time: 生态系统能量流动中的能量表现形式有哪几类生态系统能量流动中的能量表现形式有哪几类?太阳能太阳能(光能光能)热热 能能食物食物(化学能化学能)主要能量形式主要能量形式 答答:61 基本概念基本概念 一、生物生产一、生物生产 生物生产的基本概念生物生产的基本概念 在生态系统中，生物有机在生态系统中，生物有机体在能量代谢过程中，将体在能量代谢过程中，将能量

3、、物质重新组合，形能量、物质重新组合，形成新的产品的过程，称生成新的产品的过程，称生态系统的态系统的生物生产。生物生产。7 羊圈饲养在草场吃草进行的羊圈饲养在草场吃草进行的次级生产示意图次级生产示意图8 生物生产的层次生物生产的层次 生物生产可以在不同的层次上进行，常见的层次有生物生产可以在不同的层次上进行，常见的层次有以下几种：以下几种：生物生产的常见层次生物生产的常见层次9 生物生产的类型生物生产的类型10 初级生产的概念初级生产的概念 生态系统中绿色植物通过光合作用，吸收和固定太生态系统中绿色植物通过光合作用，吸收和固定太阳能，将无机物合成、转化成复杂的有机物过程称阳能，将无机物合成、转

4、化成复杂的有机物过程称为为初级生产初级生产(primary production)。11 初级生产的特点：初级生产的特点： 是生态系统能量贮存的是生态系统能量贮存的基础阶段。基础阶段。 生产者是自养性植物或其它自养性生物。生产者是自养性植物或其它自养性生物。12初级生产力初级生产力初级生产量初级生产量初级生产涉及初级生产涉及的基本概念的基本概念13 次级生产的概念次级生产的概念 初级生产以外的生态系统生产，即消费者利用初级初级生产以外的生态系统生产，即消费者利用初级生产的产品进行新陈代谢，经过同化作用形成异养生产的产品进行新陈代谢，经过同化作用形成异养生物自身的物质，称为生物自身的物质，称为次

5、级生产或第二性生产次级生产或第二性生产(secondary production)。14 次级生产的特点：次级生产的特点： 为依赖自养性生物进行的生物生产。为依赖自养性生物进行的生物生产。 表现为动物与其它异养生物表现为动物与其它异养生物( (分解者分解者) )生长、繁殖和生长、繁殖和营养物质的储存。营养物质的储存。15 捕食性消费者捕食性消费者Vertebrate scavengers示意图示意图16次级生产力次级生产力次级生产量次级生产量次级生产涉及次级生产涉及的基本概念的基本概念17 二、生物量和生产量二、生物量和生产量 生物量生物量(biomass) 指某一特定观察时刻，某一空间范围内

6、，现有有机指某一特定观察时刻，某一空间范围内，现有有机体的量。体的量。 特点：特点： 用单位面积或体积的个体数量、重量或含能量来表用单位面积或体积的个体数量、重量或含能量来表示。以示。以B表示。表示。 是一种现存量是一种现存量(standing crop)。18 生产量生产量(production) 指在某一个时间阶段内，某个种群或生态系统所指在某一个时间阶段内，某个种群或生态系统所新新生产出生产出的有机体的数量、重量或能量。的有机体的数量、重量或能量。 特点：特点： 它是时间上积累的概念，即含有速率的概念。它是时间上积累的概念，即含有速率的概念。 与种群的繁殖力有关。与种群的繁殖力有关。19

7、2000年年2010年年 生物量和生产量的区别生物量和生产量的区别示意图示意图2000年的生年的生物量物量新产出的总新产出的总和量和量=生产量生产量20类类 别别时时 间间 特特 征征生物数量特征生物数量特征生物量生物量到到(在在)某一特定时间点某一特定时间点现存生产量现存生产量生产量生产量某一时间段某一时间段累积的生物量累积的生物量 生物量生物量(biomass)与生产量与生产量(production)的区别的区别 生物量和生产量是不同的概念生物量和生产量是不同的概念(选讲选讲)。212 生态系统的生物生产生态系统的生物生产 一、初级生产一、初级生产 (The primary product

8、ion)总初级生产总初级生产净初级生产净初级生产初级生产基本组成初级生产基本组成22 总初级生产总初级生产 (Gross primary production, GP) 定义定义 植物在单位面积、单位时间内，通过光合作用固植物在单位面积、单位时间内，通过光合作用固定太阳能的量称为定太阳能的量称为总初级生产总初级生产(量量) 。23 总初级生产量表达式总初级生产量表达式 GP NP + R 为总初级为总初级生产量生产量为呼吸作为呼吸作用消耗掉用消耗掉的量的量为净初级为净初级生产量生产量24 净初级生产净初级生产 (Net primary production, NP) 定义定义 指植物可供生态系

9、统中其他生物利用的能量，表现指植物可供生态系统中其他生物利用的能量，表现为植物的生长和生殖。为植物的生长和生殖。25太阳能太阳能:1,254,000kcal/m2/year其中其中45%形成净生产量形成净生产量其中其中11% 进入食物链进入食物链其中其中55% 用于呼吸用于呼吸其中其中34% 直接被分解者分解直接被分解者分解 净初级生产解析图净初级生产解析图0.8% 被光合作被光合作用转化为化学能用转化为化学能!26 净初级生产量表达式净初级生产量表达式 可用总初级生产可用总初级生产(量量) 减去呼吸作用消耗掉的部分减去呼吸作用消耗掉的部分(R), 余下的有机物质即为净初级生产量。余下的有机物

10、质即为净初级生产量。NP GP R 表达式为：表达式为：为净初级为净初级生产量生产量为总初级为总初级生产量生产量为呼吸作用消为呼吸作用消耗掉的能量耗掉的能量!27 可用植物体可用植物体茎叶根茎叶根的重量的重量果实果实重量重量花花重量来重量来表示表示 ？28 影响初级生产的因素影响初级生产的因素主要影响因素主要影响因素太阳光太阳光二氧化碳二氧化碳营养物质营养物质(物质因素物质因素) 氧气氧气温度温度(环境调节因素环境调节因素)食草作用食草作用水水 (水域生态系统不适用水域生态系统不适用)29 光合作用光合作用 生物量生物量 影响初级生产的主要因素示意图影响初级生产的主要因素示意图NPRCO2光光

11、H2O营养营养食草作用食草作用O2温度温度污染物污染物GP30产量收割法产量收割法氧气测定法氧气测定法二氧化碳测定法二氧化碳测定法pH测定法测定法叶绿素测定法叶绿素测定法放射性标记测定法放射性标记测定法 初级生产量的测定方法初级生产量的测定方法 主要的初级生产量的测定方法有以下几类。主要的初级生产量的测定方法有以下几类。主要测定方法主要测定方法31 产量收割法产量收割法 收获植物地上部分烘干至恒重，获得单位时间内的收获植物地上部分烘干至恒重，获得单位时间内的净初级生产量。净初级生产量。32 氧气测定法氧气测定法 多用于水生生态系统，即黑白瓶法。多用于水生生态系统，即黑白瓶法。放置于水样深度处，

12、一定放置于水样深度处，一定时间后，测黑白瓶含氧量时间后，测黑白瓶含氧量变化，求初级生产量。变化，求初级生产量。计算公式：计算公式：总光合量总光合量净光合量呼吸量净光合量呼吸量33 二氧化碳测定法二氧化碳测定法 测量某一空间内、一定时间内的测量某一空间内、一定时间内的CO2含量的变化，含量的变化，从而估计植物体利用从而估计植物体利用CO2进行光合作用的生产量，进行光合作用的生产量，进而估算产生的有机质量。进而估算产生的有机质量。34 水体中的水体中的 pH 值随着光合作用中吸收二氧化碳和呼值随着光合作用中吸收二氧化碳和呼吸过程中释放二氧化碳而发生变化，根据吸过程中释放二氧化碳而发生变化，根据 p

13、H 值变值变化估算初级生产量。化估算初级生产量。 pH测定法测定法35 叶绿素测定法叶绿素测定法 植物体植物体叶绿素含量与光合作用强度叶绿素含量与光合作用强度有密切的定量关有密切的定量关系，通过测定植物体中的叶绿素可以估计初级生产系，通过测定植物体中的叶绿素可以估计初级生产力。力。光光反射的光反射的光透过的光透过的光吸收的光吸收的光36 放射性标记测定法放射性标记测定法 把具有把具有 14C 的的碳酸盐碳酸盐 (14CO32-) 放入含有天然水体浮放入含有天然水体浮游植物的样瓶中，沉入水中游植物的样瓶中，沉入水中, 经过一定时间的培养，经过一定时间的培养，滤出浮游植物，干燥后，滤出浮游植物，干

14、燥后， 测定放射性活性，确定光测定放射性活性，确定光合作用固定的碳量。合作用固定的碳量。由于浮游植物在黑暗中也能由于浮游植物在黑暗中也能吸收吸收 14C， 因此，还要用因此，还要用“暗吸收暗吸收”加以校正。加以校正。37 二、次级生产二、次级生产 (The second production)次级生产的过程：次级生产的过程：很复杂很复杂次级生产的生态效率：次级生产的生态效率：低低次级生产的次级生产的基本问题基本问题38毛虫取食的植物毛虫取食的植物能量值能量值200 J用于呼吸代谢用于呼吸代谢能量值能量值67 J用于生长的用于生长的能量值能量值33 J排出的粪便排出的粪便能量值能量值100 J

15、次级生产示例次级生产示例39次级生产过程模型次级生产过程模型食物食物资源资源动物未采到的动物未采到的动物未吃进的动物未吃进的未同化的未同化的呼吸代谢呼吸代谢动物采到的动物采到的动物吃进的动物吃进的净次级生产量净次级生产量被同化的被同化的被更高营养级取食被更高营养级取食 次级生产的过程次级生产的过程未被取食未被取食40 草原牧民用牛粪贴成牛粪墙草原牧民用牛粪贴成牛粪墙示意图示意图次级生产过程中食次级生产过程中食物不能完全利用物不能完全利用!41 牛粪含大量的未被消化牛粪含大量的未被消化的植物纤维。的植物纤维。是草原牧是草原牧民们最好的燃料，含有民们最好的燃料，含有较高的能量值。较高的能量值。42

16、 次级生产量的测定方法次级生产量的测定方法 主要的次级生产量的测定方法有以下几类。主要的次级生产量的测定方法有以下几类。测定方法测定方法按同化量和呼吸量估计生产量按同化量和呼吸量估计生产量按个体增重和新生个体体重估计生产量按个体增重和新生个体体重估计生产量按生物量净变化和死亡损失估计生产量按生物量净变化和死亡损失估计生产量43 附：附：干物质能量值的测定方法干物质能量值的测定方法 一般用氧弹仪测定有机物质的能量值，以卡值为单一般用氧弹仪测定有机物质的能量值，以卡值为单位。位。44 在氧弹仪中，一定量的在氧弹仪中，一定量的干物质的量干物质的量在一个纯氧在一个纯氧容器中燃料，然后记录容器中燃料，然

17、后记录容器容器周围水溶液温度的周围水溶液温度的升高。升高。温度计温度计搅拌器搅拌器点火丝点火丝纯氧室纯氧室样品杯样品杯根据水温的升高计算根据水温的升高计算出干物质燃烧后产生出干物质燃烧后产生的相应热卡值，或以的相应热卡值，或以千卡为单位。千卡为单位。 45 按同化量和呼吸量估计生产量按同化量和呼吸量估计生产量 一个动物种群的能量收支情况可用下式表示：一个动物种群的能量收支情况可用下式表示：C = A + Fu 为动物从外界摄为动物从外界摄取的取的食物食物能量值能量值!为食物为食物被动物被动物同化同化的能量的能量值值!为取食后未能利用为取食后未能利用排出的排出的尿粪尿粪能量值能量值!46被被摄摄

18、食食的植物的植物能量值为能量值为食物被动物同化食物被动物同化的能量值为的能量值为 食物未被消化排食物未被消化排出的粪便能量值出的粪便能量值为为 以尿形式排泄的以尿形式排泄的能量值为能量值为 动物种群能量收支动物种群能量收支示意图示意图47 被动物同化的能量主要用于两部分：被动物同化的能量主要用于两部分：A = P + R食物消化后被同食物消化后被同化的化的能量值能量值!同化的能量用于同化的能量用于生长的部分生长的部分!同化的能量用于同化的能量用于呼吸消耗部分呼吸消耗部分!48 故动物净生产量可用下式表示：故动物净生产量可用下式表示： P = C Fu R动物净生产量动物净生产量!被被摄摄食食的

19、植物的植物能量值为能量值为为取食后未能利用为取食后未能利用排出的排出的尿粪能量值尿粪能量值!同化的能量用于同化的能量用于呼吸消耗部分呼吸消耗部分!49 思考：思考：P等同于动物体重的增量吗？等同于动物体重的增量吗？R值怎样理解值怎样理解?食物被动物同化食物被动物同化的能量值为的能量值为 一部分用于身体一部分用于身体生长增重为生长增重为P基础基础呼吸呼吸代谢代谢耗耗能能为为Rb运动呼吸代谢耗能为运动呼吸代谢耗能为Rl50 按个体生长增重和新生个体体重估计生产量按个体生长增重和新生个体体重估计生产量 根据个体生长或增重的部分根据个体生长或增重的部分Pg和新生个体体重和新生个体体重Pr，估计净生产量

20、估计净生产量P：P Pg Pr动物净生产量动物净生产量!个体生长增重个体生长增重的部分的部分新生个体的重量新生个体的重量!51 按个体生长增重和新生个体体重估计生产量按个体生长增重和新生个体体重估计生产量个体生个体生长增重长增重新生个新生个体体重体体重52 按生物量净变化和死亡损失估计生产量按生物量净变化和死亡损失估计生产量 根据生物量净变化根据生物量净变化B和死亡损失和死亡损失E，估计净生产量估计净生产量P：P B E动物净生产量动物净生产量!为一段时间内的为一段时间内的生物量的净增长生物量的净增长为一段时间内为一段时间内的死亡数量的死亡数量!53 次级生产的生态效率次级生产的生态效率 是指

21、动物对能量的利用效率。用上下两个营养级的是指动物对能量的利用效率。用上下两个营养级的各种各种能量值能量值之比来计算。之比来计算。n+1营养级所获得的能量值营养级所获得的能量值n营养级所获得的能量值营养级所获得的能量值生态效率生态效率54 生态效率生态效率衡量指标：衡量指标：有以下几类：有以下几类：主要的生态效率主要的生态效率55 林德曼效率林德曼效率 为著名的百分之十定律，指某一营养级获得的能量为著名的百分之十定律，指某一营养级获得的能量约只有前一营养级能量的约只有前一营养级能量的10%，约损失，约损失90%能量。能量。太阳能太阳能1,000,000卡卡初级生产稻谷获能初级生产稻谷获能100,

22、000卡卡初级生产植株获能初级生产植株获能100,000卡卡次级生产人类获能次级生产人类获能10,000卡卡次级生产奶牛获能次级生产奶牛获能10,000卡卡次级生产人类获能次级生产人类获能1,000卡卡562 生态系统中的分解生态系统中的分解 定义：定义： 是指是指死有机物死有机物被物理和生物的作用逐步被物理和生物的作用逐步降解降解释放能释放能量与物质的过程。量与物质的过程。57物质分解过程物质分解过程 物质分解过程物质分解过程通过物理和生物的机械作用将动植通过物理和生物的机械作用将动植物遗体分解为颗粒和碎屑物遗体分解为颗粒和碎屑! 腐生生物在酶的作用下，将腐生生物在酶的作用下，将有机物碎屑转

23、变成为腐殖酸有机物碎屑转变成为腐殖酸和其他可溶性有机物，再进和其他可溶性有机物，再进一步缓慢分解变成生产者可一步缓慢分解变成生产者可以重新利用的无机物以重新利用的无机物!通过雨水将可溶性物质淋洗出通过雨水将可溶性物质淋洗出来，进入土壤来，进入土壤! 58 物质分解的意义物质分解的意义营养物质再循环营养物质再循环改善土壤物理性状改善土壤物理性状改造地球表面惰性物质改造地球表面惰性物质理论意义理论意义实际意义实际意义粪便处理粪便处理污水处理污水处理分解的意义分解的意义59 物质分解实际意义示例物质分解实际意义示例1：污水处理污水处理 微生物剂进行污水处理示意图微生物剂进行污水处理示意图60 物质分

24、解实际意义示例物质分解实际意义示例2：粪便处理粪便处理 澳大利亚引进异地金龟处理牛粪澳大利亚引进异地金龟处理牛粪示意图示意图61 前提前提 澳洲移民于澳洲移民于 1788 年运去了第一批年运去了第一批 5头奶牛和头奶牛和 2头公头公牛，到牛，到19世纪末已超过世纪末已超过4500万头。如以每头牛一昼万头。如以每头牛一昼夜排便夜排便10次计算，次计算， 每天就有每天就有 4.5亿堆又大又湿的牛亿堆又大又湿的牛粪。粪。62 生物资源问题生物资源问题 澳洲当地的金龟子主要取食干硬的袋鼠粪，而对软澳洲当地的金龟子主要取食干硬的袋鼠粪，而对软而湿的牛粪不感兴趣。而湿的牛粪不感兴趣。63 草场问题草场问题

25、 由于当地缺乏分解牛粪的生物，牛粪在草原上风干由于当地缺乏分解牛粪的生物，牛粪在草原上风干硬化很难以分解，极大地破坏了草原，每年被毁的硬化很难以分解，极大地破坏了草原，每年被毁的牧场达牧场达3600万亩。万亩。飞来牛粪横祸！飞来牛粪横祸！64 解决方法解决方法 两头金龟子一前一后，能将两头金龟子一前一后，能将100g牛粪在牛粪在3040小时小时内滚成球，埋入土层里，以备子代食用。内滚成球，埋入土层里，以备子代食用。 由于牛粪中的蝇卵需由于牛粪中的蝇卵需96小时后才能孵化为幼虫，牛小时后才能孵化为幼虫，牛粪埋入地下，蝇类无法孵化。因此，金龟子消除了粪埋入地下，蝇类无法孵化。因此，金龟子消除了牛粪

26、，又破坏了蝇类滋生的条件。牛粪，又破坏了蝇类滋生的条件。65 结果：结果： 60年代澳大利亚引入了羚羊粪蜣年代澳大利亚引入了羚羊粪蜣 (Onthophagus gazella) 和和神农蜣螂神农蜣螂(Catharsius molossus) 等异地金龟，等异地金龟， 对分解牛粪对分解牛粪发挥了明显的作用。发挥了明显的作用。66 真菌分解者示意图真菌分解者示意图67 分解者螨类分解者螨类Mites示意图示意图68 各类分解者各类分解者示意图示意图693 生态系统的能量流动生态系统的能量流动 生态系统的能量流动涉及到以下问题生态系统的能量流动涉及到以下问题:能量流动规律能量流动规律能量流动分析能量

27、流动分析能量流动能量流动70 一、生态系统能量流动规律一、生态系统能量流动规律 生态系统是一个热力学系统，生态系统中能量的生态系统是一个热力学系统，生态系统中能量的传传递、转换遵循热力学递、转换遵循热力学的两条定律：的两条定律：能流定律能流定律能量可由一种形式转化为其他能量可由一种形式转化为其他形式的能量，在能量的转化过形式的能量，在能量的转化过程中，能量既不能消灭，又不程中，能量既不能消灭，又不能凭空创造。能凭空创造。任何形式的能任何形式的能(除了热除了热)转化到转化到另一种形式能的自发转换中，另一种形式能的自发转换中，总有一些能量作为热的形式被总有一些能量作为热的形式被耗散出去，这样系统中的熵和耗散出去，这样系统中的熵和无序性就增加了。无序性就增加了。71 生态系统中能流特点生态系统中能流特点(规律规律)主要特点主要特点(规律规律)72 二、能流分析二、能流分析 生态系统能量流动途径生态系统能量流动途径 能量流动以食物链为主线，将绿色植物与消费者之能量流动以