第四章农业生态系统的能量流动

1、 第四章第四章 农业生态系统的能量流动农业生态系统的能量流动 主要内容：主要内容： 能量流动的基本规律能量流动的基本规律 初级生产的能量转化初级生产的能量转化 次级生产的能量转化次级生产的能量转化 生态系统中的辅助能生态系统中的辅助能 生态系统的能量关系生态系统的能量关系能量是物质能量是物质运动的动力运动的动力，在有机体的生命过，在有机体的生命过程无不自始至终贯穿着程无不自始至终贯穿着能量能量、物质物质和和信息信息的有的有组织、有秩序的组织、有秩序的流动流动。能量流动：能量流动：生态系统中的能量输入、传递、生态系统中的能量输入、传递、散失的过程称为能量的流动。散失的过程称为能量的流动。第一节第

2、一节 能量流动的基本规律能量流动的基本规律一、能量的概念与度量一、能量的概念与度量 1、能量的基本概念：、能量的基本概念：能量：能量：在物理学上指的是物质具有做功的能力。在物理学上指的是物质具有做功的能力。能是物质运动的量度。能是物质运动的量度。 能量作为一种做功的动力，根据是否做功，可能量作为一种做功的动力，根据是否做功，可划分为划分为动能动能与与潜能潜能。潜能潜能：静态能量，是尚未做功，但具有潜在的做静态能量，是尚未做功，但具有潜在的做功能力的能量。功能力的能量。 如储存在动植物体内部的各种化学能、埋藏于地如储存在动植物体内部的各种化学能、埋藏于地下的各种化石能、静止水体中的潜在水能等。下

3、的各种化石能、静止水体中的潜在水能等。 动能动能：是正在做功的能量。：是正在做功的能量。 如正在流动的气流、水流所产生的风能与水能等如正在流动的气流、水流所产生的风能与水能等2、能量的度量、能量的度量 能量的度量单位是能量的度量单位是焦耳（焦耳（J ）焦耳与非法定的热量单位卡可按下式换算：焦耳与非法定的热量单位卡可按下式换算： 1 J=0.239 cal 1cal=4.18 J国际单位制（公制）中热量单位与能量单位国际单位制（公制）中热量单位与能量单位相同，都是焦耳相同，都是焦耳(J)。二、生态系统的能量来源二、生态系统的能量来源 1、太阳能、太阳能太阳能是生态系统中能量的最主要来源，生态太阳

4、能是生态系统中能量的最主要来源，生态系统的能量系统的能量90%以上来自太阳能。以上来自太阳能。 2、辅助能、辅助能指除太阳能外，对农业生态系统所补加的一切指除太阳能外，对农业生态系统所补加的一切其它形式能量的总称。其它形式能量的总称。辅助能又包括辅助能又包括自然辅助能自然辅助能和和人工辅助能人工辅助能。 太阳辐射能太阳辐射能广义的太阳能，是指太阳光球向宇宙广义的太阳能，是指太阳光球向宇宙空间发出的一切辐射能量。通常所指空间发出的一切辐射能量。通常所指的的太阳能是指穿过地球大气层到达地太阳能是指穿过地球大气层到达地表的太阳辐射能。表的太阳辐射能。 太阳总辐射能太阳总辐射能99%99%的主要波长光

5、在的主要波长光在0.150.154m4m范围内范围内。 可见光可见光（0.40.40.76m0.76m占占50%50%）由七色光组成，由七色光组成，除绿光除绿光外，外，都是光合作用的有都是光合作用的有效辐射效辐射，是农业生态系，是农业生态系统最根本的能源。统最根本的能源。 红外线红外线（0.76m0.76m占占43%)43%)主要产生主要产生热效应热效应，形成，形成农业生态系统农业生态系统的自然热环境。的自然热环境。 紫外线紫外线（0.4m0.4m占占7%7%）主要）主要产生产生消毒灭消毒灭菌菌的生物学的生物学效应。效应。 自然辅助能自然辅助能 在在自然过程中产生自然过程中产生的除太阳辐射能以

6、外的其它的除太阳辐射能以外的其它形式的能量。这些能量对生态系统的食物链能形式的能量。这些能量对生态系统的食物链能量转化与传递起辅助作用，称为生态系统的自量转化与传递起辅助作用，称为生态系统的自然辅助能。然辅助能。（占（占1% ）。）。 如地热能、潮汐能、风能、水能等如地热能、潮汐能、风能、水能等 人工辅助能人工辅助能 人工辅助能是指人类为了达到特定目的而人工辅助能是指人类为了达到特定目的而人为人为向农业生态系统补充的能量向农业生态系统补充的能量，辅助生态系统以辅助生态系统以太阳能为起点的食物链能量转化太阳能为起点的食物链能量转化 。如投入人力、畜力、燃料、电力、肥料、饲如投入人力、畜力、燃料、

7、电力、肥料、饲料、农药、兽药、农膜等料、农药、兽药、农膜等三、能量流动的基本定律三、能量流动的基本定律 1、热力学第一定律：能量守恒定律、热力学第一定律：能量守恒定律进入农业生态系统的太阳能和辅助能，不会自行消进入农业生态系统的太阳能和辅助能，不会自行消灭，而是以严格的当量比例，由一种形式转换成另灭，而是以严格的当量比例，由一种形式转换成另一种形式。一种形式。如在作物光合作用过程中，每固定如在作物光合作用过程中，每固定1 1mol的的COCO2 2 ，大约需要吸收大约需要吸收 209.3209.310104 4J J的日光能，而光合产的日光能，而光合产物中只有物中只有46.946.910104

8、 4J J的能量以化学潜能的形式被的能量以化学潜能的形式被固定下来固定下来 ，其余的，其余的162.4162.410104 4J J的能量则以热量的能量则以热量的形式消耗在固定的形式消耗在固定1mol1mol的的 COCO2 2时所做的功中。在时所做的功中。在这个过程中，日光能分别被转化为化学这个过程中，日光能分别被转化为化学潜能与热潜能与热能形式，但总量仍是能形式，但总量仍是209.3209.310104 4J J。 2、热力学第二定律：能量衰变定律、热力学第二定律：能量衰变定律自然界的所有自发过程都是能量从自然界的所有自发过程都是能量从集中型集中型转变为转变为分分散型散型的衰变过程，而且是

9、的衰变过程，而且是不可逆不可逆的过程。即进入农的过程。即进入农业生态系统的能量在不同营养级之间转换时，上一业生态系统的能量在不同营养级之间转换时，上一营养级的能量只能营养级的能量只能部分地部分地被下一营养级生物有效利被下一营养级生物有效利用。用。3、普里高津的耗散结构理论、普里高津的耗散结构理论一个远离平衡态的开放系统，通过与外界环一个远离平衡态的开放系统，通过与外界环境所进行的物质、能量的不断交换，就能克境所进行的物质、能量的不断交换，就能克服无序状态，维持稳定状态。服无序状态，维持稳定状态。 生态系统为一生态系统为一个具有耗散结构的开放系统，个具有耗散结构的开放系统，服从热力学第二定律。服

10、从热力学第二定律。四四、能量流动的特征能量流动的特征 1、能流是单向流动、能流是单向流动 2、能流是能量不断递减的过程、能流是能量不断递减的过程3、能量流动的途径和渠道是食物链、能量流动的途径和渠道是食物链 和食物网和食物网 第二节第二节 初级生产的能量转化初级生产的能量转化 一、初级生产中的能量平衡关系一、初级生产中的能量平衡关系1、初级生产、初级生产 初级生产：初级生产：指自养生物利用无机环境中的能量指自养生物利用无机环境中的能量进行同化作用，在生态系统中首次把环境的能进行同化作用，在生态系统中首次把环境的能量转化成有机体化学能，并贮存起来的过程。量转化成有机体化学能，并贮存起来的过程。

11、其化学反应过程可以表示为：其化学反应过程可以表示为：6CO6CO2 2+12H+12H2 2O+O+太阳辐射能太阳辐射能C C6 6H H1212O O6 6+6H+6H2 2O+OO+O2 2 植物每生产植物每生产1mol1mol有机物（有机物（C C6 6H H1212O O6 6），就能），就能以化学能的形式固定以化学能的形式固定2821kJ2821kJ的太阳能。的太阳能。绿色植物光合作用绿色植物光合作用固固定太阳能生产有机物定太阳能生产有机物的过程，是的过程，是最主要的最主要的初级生产初级生产，是生态系，是生态系统能量流动的基础。统能量流动的基础。 初级生产者包括初级生产者包括绿色植物

12、绿色植物和和化能合成细菌化能合成细菌等。等。 光能自养型（硫化细菌光能自养型（硫化细菌）2、初级生产力、初级生产力 初级生产力：初级生产力：指在指在单位时间内单位时间内（年、小时、分（年、小时、分等）、等）、单位面积上单位面积上（hm2、m2）初级生产积累的初级生产积累的能量能量或者干物质的量称为初级生产力（量）。或者干物质的量称为初级生产力（量）。 在初级生产中，有一部分还要消耗于植物的呼在初级生产中，有一部分还要消耗于植物的呼吸作用，剩下来的才是用于消费者转化传递的能吸作用，剩下来的才是用于消费者转化传递的能量。量。净初级生产量净初级生产量 = 总初级生产量总初级生产量 - 呼吸量呼吸量不

13、同植物种类、不同品种、不同生态环境以及不不同植物种类、不同品种、不同生态环境以及不同的生态系统，初级生产力不同。如在不同植物同的生态系统，初级生产力不同。如在不同植物种类当中，种类当中，C C3 3植物光饱和点低，光呼吸明显，光植物光饱和点低，光呼吸明显，光呼吸约消耗了一半的光合产物，因而，初级生产呼吸约消耗了一半的光合产物，因而，初级生产力低。力低。C C4 4植物的光饱和点高，光呼吸消耗只占光植物的光饱和点高，光呼吸消耗只占光合产物的合产物的2%2%5%5%，因而初级生产力较高。，因而初级生产力较高。几种类型的几种类型的C3C3作物和作物和C4C4作物的净光合生产力作物的净光合生产力 g/

14、(m2h)g/(m2h) 植物类型植物类型 C C3 3作物作物 C C4 4作物作物小麦小麦 水稻水稻 烟草烟草 菠菜菠菜玉米玉米 高粱高粱 甘蔗甘蔗 苋苋 净光合生净光合生 产力产力1.73.1 1.23.0 1.62.1 1.64.66.3 5.8 4.24.9 5.5 不同生态系统类型初级生产力差异很大，这主不同生态系统类型初级生产力差异很大，这主要是受要是受光照、温度、水分、养分光照、温度、水分、养分等生态因子和生等生态因子和生态系统利用这些因子的能力制约，态系统利用这些因子的能力制约，特别是受水分特别是受水分的限制的限制。 我国的农田生态系统总初级生产力中，粮食作我国的农田生态系统

15、总初级生产力中，粮食作物约占物约占78%， 经济作物约占经济作物约占7%，其他青饲料，其他青饲料 、绿肥约占绿肥约占5% 。其中。其中26.4% 用于人的直接消费用于人的直接消费 ，30.2%用于次级生产，用于次级生产，43.4% 用于工业原料和燃用于工业原料和燃料等。料等。 在农田生态系统中，我国主要粮食作物如稻谷、在农田生态系统中，我国主要粮食作物如稻谷、小麦等的单位面积生产力已接近或超过世界平均小麦等的单位面积生产力已接近或超过世界平均水平，但与一些发达因家相比，还有一定的差距。水平，但与一些发达因家相比，还有一定的差距。二、初级生产力的潜力估算与分析二、初级生产力的潜力估算与分析 1、

16、作物生产力估算的重要意义、作物生产力估算的重要意义 提供作物的提供作物的理论产量理论产量， 定量表达在一定的气定量表达在一定的气候、土壤和农业技术水平下作物可能达到的生产候、土壤和农业技术水平下作物可能达到的生产能力，能力，预示农业的发展前景。预示农业的发展前景。为国家或地区制定农业发展规划，确定投资方为国家或地区制定农业发展规划，确定投资方向及有关农业政策向及有关农业政策提供依据提供依据。是是估算土地人口承载能力估算土地人口承载能力的基础。的基础。是揭示作物生育规律、产量形成与环境条件相是揭示作物生育规律、产量形成与环境条件相互作用的机制，以及互作用的机制，以及定量分析定量分析资源利用程度、

17、生资源利用程度、生产潜力、产量限制因素等的产潜力、产量限制因素等的有效手段有效手段。 2、初级生产力的测定方法、初级生产力的测定方法 主要分为主要分为直接测定直接测定和和间接测定间接测定直接测定直接测定 是测定初级生产者的生物量是测定初级生产者的生物量间接测定间接测定 是通过测定初级生产者的代谢活动的是通过测定初级生产者的代谢活动的情况，如测定情况，如测定O2 或或CO2的浓度变化等再对初级的浓度变化等再对初级生产力进行推（估）算。生产力进行推（估）算。 使用光合作用测定仪测定和利用遥感（卫星）使用光合作用测定仪测定和利用遥感（卫星）技术间接测定则是比较先进的方法。技术间接测定则是比较先进的方

18、法。 光合作用测定仪光合作用测定仪三、提高农业初级生产力的途径三、提高农业初级生产力的途径1 1、增加绿色植被覆盖，充分利用太阳辐射能。、增加绿色植被覆盖，充分利用太阳辐射能。2 2、适当增加投入，保护和改善生态环境。、适当增加投入，保护和改善生态环境。3 3、改善植物品质特点。、改善植物品质特点。4 4、加强生态系统内部物质循环。、加强生态系统内部物质循环。5 5、改进耕作制度、改进耕作制度, ,提高复种指数。提高复种指数。6 6、调控作物群体结构。、调控作物群体结构。 第三节第三节 次级生产的能量转化次级生产的能量转化次级生产次级生产: 指异养生物的生产指异养生物的生产,也就是生态系统消也

19、就是生态系统消费者、分解者利用初级生产量进行的同化、生长费者、分解者利用初级生产量进行的同化、生长发育、繁殖后代的过程。发育、繁殖后代的过程。动物的肉、蛋、奶、毛皮、骨骼等都是次级生动物的肉、蛋、奶、毛皮、骨骼等都是次级生产的产物。产的产物。 大农业中的畜牧水产业和虫、菌业生产都属次大农业中的畜牧水产业和虫、菌业生产都属次级生产。级生产。 次级生产者次级生产者: 初级生产者以外的异养生物初级生产者以外的异养生物(包括消包括消费者和分解者费者和分解者) 称为次级生产者。称为次级生产者。一、次级生产的能量平衡一、次级生产的能量平衡 次级生产采食的能量中，只有一部分被消化利用，次级生产采食的能量中，

20、只有一部分被消化利用，很大一部分在能量流动过程中被排出体外。很大一部分在能量流动过程中被排出体外。 动物的次级生产能量流动有如下平衡关系。动物的次级生产能量流动有如下平衡关系。 P=NI+I I = A+(R1+R2)+(F+U+G) P P：净初级生产总量：净初级生产总量 NINI：未被次级生产者食用部分所含能量：未被次级生产者食用部分所含能量 I I：被次级生产者采食部分所含能量：被次级生产者采食部分所含能量A A：次级生产者贮存的能量：次级生产者贮存的能量 R R1 1：体增热消耗：体增热消耗 R R2 2：维持能，是用于基础代谢的能量损耗：维持能，是用于基础代谢的能量损耗 F F：固体

21、排泄物所含的能量：固体排泄物所含的能量 U U：液体：液体排泄物排泄物所含的能量所含的能量 G G：气体：气体排泄物排泄物所含的能量所含的能量 二、次级生产的能量转化效率二、次级生产的能量转化效率1、营养级之间能量利用效率（或消费效率）、营养级之间能量利用效率（或消费效率） 首先是首先是初级生产量被食草动物吃掉的比率初级生产量被食草动物吃掉的比率。在自然生态系统中，惠特克（在自然生态系统中，惠特克（1975）经研究得）经研究得出以下出以下消费效率消费效率的结论的结论 ： 热带雨林热带雨林7%，温带，温带落叶林落叶林5%，草地，草地10%，耕地，耕地1%，湖泊，湖泊20% ，海洋海洋40%。以后

22、各营养级大约可摄取前一营养。以后各营养级大约可摄取前一营养级净生产量的级净生产量的20%25%，其余的，其余的75%80%则则进入了腐食食物链。进入了腐食食物链。 2、营养级之间的生长效率、营养级之间的生长效率 指指动物摄取的食物动物摄取的食物中有多少中有多少转化转化为为自身的净生自身的净生产量产量。 在自然生态系统中，哺乳动物和鸟类等在自然生态系统中，哺乳动物和鸟类等恒温动恒温动物物的生长效率较低，一般为的生长效率较低，一般为1%3%, 而鱼类、而鱼类、昆虫、蜗牛、蚯蚓等昆虫、蜗牛、蚯蚓等变温动物变温动物的生长效率可达的生长效率可达百分之十几到几十百分之十几到几十。其主要原因是恒温动物用。其

23、主要原因是恒温动物用于自我维持的耗能太高。于自我维持的耗能太高。在农业生态系统中，在农业生态系统中，人工饲养人工饲养的家畜、家禽能的家畜、家禽能量的利用率明显高于自然生态系统。量的利用率明显高于自然生态系统。一般来讲，家畜家禽可将饲料中的一般来讲，家畜家禽可将饲料中的16%16%29%29%的的能量转化为体质能能量转化为体质能( ( 即体内有机物的化学潜能即体内有机物的化学潜能) )，33%33%的能量用于呼吸消耗，的能量用于呼吸消耗，31%31%49%49%的能量随粪的能量随粪 便排出。便排出。我国养殖业饲料与产肉比率大约为猪肉我国养殖业饲料与产肉比率大约为猪肉4.34.3：1,1,牛羊肉牛

24、羊肉6 6：1 1，禽肉，禽肉3 3：1 1，水产养殖，水产养殖1.51.5：1 1。由此。由此可根据不同畜禽及水生动物的能量转化效率选择可根据不同畜禽及水生动物的能量转化效率选择适宜的养殖对象以提高次级生产力。适宜的养殖对象以提高次级生产力。不同动物能量及蛋白质转化率（不同动物能量及蛋白质转化率（%）动物种类动物种类 肉鸡肉鸡奶牛奶牛肉牛肉牛 猪猪 兔兔 鱼鱼能量能量 7.217.2 2.9 4.6 6.814.5蛋白质蛋白质52.437.0 9.412.716.716.3三、次级生产在农业生态系统中的地位三、次级生产在农业生态系统中的地位和作用和作用 1.转化农副产品，提高利用价值转化农副

25、产品，提高利用价值如发展畜牧养殖和菌业，可以转化不能直接利用如发展畜牧养殖和菌业，可以转化不能直接利用的农副产品，既可以减少农业生态系统的养分流的农副产品，既可以减少农业生态系统的养分流失，同时又可以把许多没有直接利用价值的和直失，同时又可以把许多没有直接利用价值的和直接利用价值低的农副产品转化为价值高的产品。接利用价值低的农副产品转化为价值高的产品。2.生产动物蛋白质，改善食物构成。生产动物蛋白质，改善食物构成。1980年，我国人均综合畜产品量仅为美国、法国年，我国人均综合畜产品量仅为美国、法国的的1/15，日本的，日本的1/7，经过多年的努力，我国养殖，经过多年的努力，我国养殖业有了很大发

26、展，人均畜产品量得到了提高。有业有了很大发展，人均畜产品量得到了提高。有些品种甚至超过了世界平均水平。些品种甚至超过了世界平均水平。3.促进物质循环，增强生态系统功能。促进物质循环，增强生态系统功能。在次级生产中，经过动物消化道在次级生产中，经过动物消化道“过腹还田过腹还田”的的有机物肥效高，有利于作物高产稳产。据有机物肥效高，有利于作物高产稳产。据1994年年统计，我国仅养猪一项统计，我国仅养猪一项, 每年就能提供粪肥每年就能提供粪肥11亿亿t，相当于硫酸铵相当于硫酸铵2237万万t，过磷酸钙，过磷酸钙1525万万t和硫酸和硫酸钾钾990万万t，有机肥回田可促进物质循环，增强农，有机肥回田可

27、促进物质循环，增强农业生态系统功能。业生态系统功能。4.提高农副产品的经济价值提高农副产品的经济价值如利用秸杆氨化养牛，栽培食用菌，利用杂草或荒如利用秸杆氨化养牛，栽培食用菌，利用杂草或荒坡种草养牛、羊等可提高经济价值。根据联合国粮坡种草养牛、羊等可提高经济价值。根据联合国粮农组织的资料，在日本，同样面积的牧草经奶牛转农组织的资料，在日本，同样面积的牧草经奶牛转化后的经济价值比稻米的经济价值高化后的经济价值比稻米的经济价值高1.4倍。倍。 不同国家肉类产品人均占有量（不同国家肉类产品人均占有量（kg） （2008年）年） 国家国家 牛肉牛肉 羊肉羊肉 猪肉猪肉 禽肉禽肉 鸡蛋鸡蛋 牛奶牛奶世界

28、平均世界平均 9.8 2.0 15.4 13.7 9.1 86.4中国中国 4.6 2.9 35.6 11.9 17.2 27.0印度印度 2.4 0.7 0.4 2.2 2.4 38.7美国美国 40.2 0.3 34.4 66.2 17.6 283.4法国法国 23.8 1.8 32.7 25.9 14.2 395.1澳大利亚澳大利亚 107.6 33.4 18.0 40.2 7.6 431.6四、初级生产与次级生产的关系四、初级生产与次级生产的关系 1.次级生产依赖初级生产。次级生产依赖初级生产。2.合理的次级生产促进初级生产。合理的次级生产促进初级生产。3.不合理的次级生产会影响初级生

29、产，不合理的次级生产会影响初级生产，如过度放牧破坏初级生产，使草原退化。如过度放牧破坏初级生产，使草原退化。 五、次级生产的改善途径五、次级生产的改善途径 1.调整种植业结构，建立粮调整种植业结构，建立粮 - 经经 - 饲三元结构。饲三元结构。 粮食作物粮食作物 经济作物经济作物 饲料作物饲料作物 （%）1978年年 80.4 9.6 10.01997年年 73.3 14.2 12.5调整方向调整方向 59 20 212.培育、改良、推广优良畜禽渔品种培育、改良、推广优良畜禽渔品种加强加强高转高转化率化率优质优质抗病品种抗病品种的选育的选育,因因地制宜选地制宜选择适宜养择适宜养殖品种。殖品种。

30、 3.将分散经营适度集约化养殖将分散经营适度集约化养殖 4.大力开发饲料，进行科学喂养大力开发饲料，进行科学喂养 5.改善次级生产构成：发展草食动物、水产业，改善次级生产构成：发展草食动物、水产业，发展腐生食物链，充分利用农副产品废弃物。发展腐生食物链，充分利用农副产品废弃物。第四节第四节 生态系统中的辅助能生态系统中的辅助能一、生态系统的辅助能一、生态系统的辅助能 辅助能：辅助能：除太阳辐射能以外的其它进入系统的除太阳辐射能以外的其它进入系统的任何形式的能量。任何形式的能量。辅助能辅助能自然辅助能自然辅助能人工辅助能人工辅助能 生物辅助能生物辅助能 工业辅助能工业辅助能 指指来自生物有机体的

31、能来自生物有机体的能量量，如生物质燃料、劳，如生物质燃料、劳力、畜力、有机肥、饲力、畜力、有机肥、饲料、种子、种畜等。料、种子、种畜等。 直接工业辅助能直接工业辅助能 间接工业辅助能间接工业辅助能 指石油、煤、天然气、指石油、煤、天然气、电等形式直接投入农电等形式直接投入农业生态系统的能量。业生态系统的能量。 指以化肥、农药、兽药、机具、指以化肥、农药、兽药、机具、农用塑料膜、生长调节剂和农农用塑料膜、生长调节剂和农用设施等产品形式投入的辅助用设施等产品形式投入的辅助能。能。 风能风能潮汐潮汐畜力畜力煤煤如使用化肥、农膜、农药、配合饲如使用化肥、农膜、农药、配合饲料、生长调节剂等创造有利于生物

32、料、生长调节剂等创造有利于生物生长的内部和外部环境。生长的内部和外部环境。 如我国粮食产量由如我国粮食产量由1978年的年的30476.5万万t提高到了提高到了2008年的年的52870.9万万t，肉类产品的总量由，肉类产品的总量由1978年的年的856.3万万t提高到了提高到了2008年的年的7457万万t。2008年，全国人均粮食占年，全国人均粮食占有量有量404公斤，人均肉类（不包括水产品）公斤，人均肉类（不包括水产品）55.1公斤，公斤，超过了同期世界平均水平。超过了同期世界平均水平。二、人工辅助能的作用二、人工辅助能的作用1、 改善生态环境，促进农作物对日光能的吸改善生态环境，促进农

33、作物对日光能的吸收、利用和转化收、利用和转化。 2、提高产量与品质、提高产量与品质3、提高生态系统能量转化的效率、减少能量、提高生态系统能量转化的效率、减少能量损耗，提高系统生产力。损耗，提高系统生产力。5、促进资源的高效和可持续利用。、促进资源的高效和可持续利用。如使用如使用优良品优良品种种4、提高劳动生产率。、提高劳动生产率。如使用如使用农机具农机具等等如使用如使用现代化现代化生物技生物技术和信术和信息技术息技术等等三、不同类型生态系统辅助能的特点和转化效率三、不同类型生态系统辅助能的特点和转化效率 农业生态系统：农业生态系统：辅助能的输入为辅助能的输入为自然辅助能自然辅助能和和人工辅助能

34、人工辅助能，能量输入输出，能量输入输出加大。加大。生产的农副产品生产的农副产品提供提供给人们给人们的的食物能食物能及及其他使用价值其他使用价值的的能能量高。量高。初级生产者转化固定的能量初级生产者转化固定的能量大部分随农副产品一起被移出大部分随农副产品一起被移出系统外系统外，需要大量的人工辅助，需要大量的人工辅助能的投入以弥补能量和物质能的投入以弥补能量和物质（养分）的亏空，才可能维持（养分）的亏空，才可能维持系统的持续生产。系统的持续生产。能量转化率能量转化率高高。 自然生态系统：自然生态系统：辅助能的输入主要是辅助能的输入主要是自然辅助能自然辅助能。生产的生物物质生产的生物物质不能不能直接

35、满足直接满足人们对食物能人们对食物能及其他农产品的及其他农产品的需要需要。初级生产者转化固定初级生产者转化固定的能量中的能量中只有只有5%10%为草食者利用为草食者利用，进入草，进入草牧食物链，牧食物链，90%以上产以上产就地留下，以化学潜能就地留下，以化学潜能储存在生物体内或有机储存在生物体内或有机残屑中。残屑中。能量转化率能量转化率低。低。2.不同历史发展时期农业生态系统的比较不同历史发展时期农业生态系统的比较原始农业：辅助能投入少，生产力低下。原始农业：辅助能投入少，生产力低下。 传统农业：辅助能投入多，生产力相对高。传统农业：辅助能投入多，生产力相对高。 现代农业：辅助能投入更多，生产

36、力大大提高现代农业：辅助能投入更多，生产力大大提高 、次级生产的途径大大改善。次级生产的途径大大改善。四、人工辅助能的投入产出效率四、人工辅助能的投入产出效率能量产投比（输出能量产投比（输出/输入）输入）是衡量能量效率的是衡量能量效率的主要指标。主要指标。 它的含义是投入一个单位能量所它的含义是投入一个单位能量所能产出的单位能量数。能产出的单位能量数。 一般来说，随着辅助能投入的增加，能量一般来说，随着辅助能投入的增加，能量的产出水平和农业产量也相应增加，的产出水平和农业产量也相应增加， 但辅助但辅助能的产投效率不一定增加能的产投效率不一定增加 ，甚至出现，甚至出现报酬递报酬递减减的现象。的现

37、象。辅助能的产出水平和转化效率不仅与能量辅助能的产出水平和转化效率不仅与能量投入水平有关，还与能量的投入结构有关。投入水平有关，还与能量的投入结构有关。投能结构投能结构：是指能量投入中是指能量投入中辅助能在总输入辅助能在总输入能量中的比例能量中的比例；有机能和无机能的比例有机能和无机能的比例等。等。在农业发展过程中，无机能投入量及所占比例在农业发展过程中，无机能投入量及所占比例不断增加是一个总的趋势。不断增加是一个总的趋势。我国农业能量的总投入，在我国农业能量的总投入，在20世纪世纪50年代年代，以，以劳力、畜力和有机肥等形式投入的劳力、畜力和有机肥等形式投入的有机能占主导有机能占主导地位，无

38、机能投入不足地位，无机能投入不足2%， 20世纪世纪80年代，无年代，无机能投入提高到机能投入提高到10%以上以上，而且增长最快的是，而且增长最快的是化化肥和农药的投入，肥和农药的投入，其投入量其投入量已占到工业辅助能的已占到工业辅助能的80%以上以上，这是，这是传统农业向现代农业过渡的明显传统农业向现代农业过渡的明显标志。标志。无机能投入较低无机能投入较低的阶段，的阶段，增加无机能增加无机能投入，农业投入，农业产出和能量投入效率产出和能量投入效率都明显都明显增加增加，但在，但在无机能投入无机能投入较高较高阶段，继续阶段，继续增加无机能投入增加无机能投入，其，其能量效率有降能量效率有降低的趋势

39、低的趋势。例如，我国的例如，我国的粮食总产量粮食总产量从从1965年的年的19453万万t 提提高到了高到了1998年的年的51229.7万万t，增长了，增长了1.63倍倍。但。但工业工业辅助能的总耗能辅助能的总耗能由由1965年的年的1314.61011kJ增长到了增长到了1998年的年的21460.01011kJ，增长了增长了15.32倍倍。由此反。由此反映了农业生产中能量效率随无机能投入增加而下降映了农业生产中能量效率随无机能投入增加而下降的趋势，即的趋势，即报酬递减的趋势报酬递减的趋势。但此期我国总体上增。但此期我国总体上增加无机能的投入，产出的能量和农业产量仍属升阶加无机能的投入，产

40、出的能量和农业产量仍属升阶段，只不过中增加速度有所减慢，并未出现负值。段，只不过中增加速度有所减慢，并未出现负值。第五节第五节 生态系统的能量关系生态系统的能量关系一、生态系统的能流路径一、生态系统的能流路径 生态系统的能流路径示意图生态系统的能流路径示意图1.太阳辐射能通过光合作用进入生态系统，成为生太阳辐射能通过光合作用进入生态系统，成为生态系统能量的主要来源。态系统能量的主要来源。2.以植物有机物质形式贮存起来的化学潜能以植物有机物质形式贮存起来的化学潜能,沿着食沿着食物链和食物网流动物链和食物网流动,驱动生态系统完成物质循环、信驱动生态系统完成物质循环、信息传递等功能。息传递等功能。3

41、.化学潜能贮存在生态系统的生物组分内，或者随化学潜能贮存在生态系统的生物组分内，或者随着产品等输出，离开生态系统。着产品等输出，离开生态系统。4.植物、动物和微生物有机体通过呼吸作用释放热植物、动物和微生物有机体通过呼吸作用释放热能，并散失。能，并散失。5.辅助能对以太阳辐射能为始点，以食物链为主线辅助能对以太阳辐射能为始点，以食物链为主线的能量流动起辅助作用。的能量流动起辅助作用。二、生态效率和生态金字塔二、生态效率和生态金字塔 1. 生态效率生态效率生态效率：生态效率：食物链各环节上的能量转化效率。食物链各环节上的能量转化效率。 营养级之内的生态效率有：营养级之内的生态效率有：组织增大率组

42、织增大率：生产量与同化量之比。：生产量与同化量之比。同化效率同化效率：消费者同化量与摄食量之比。：消费者同化量与摄食量之比。生态增长率生态增长率：生产量与摄食量之比。：生产量与摄食量之比。 营养级之间的生态效率有：营养级之间的生态效率有：摄食效率：摄食效率：上一营养级摄食量与该营养级摄食量之比。上一营养级摄食量与该营养级摄食量之比。同化效率：同化效率：上一营养级同化量与该营养级同化量之比。上一营养级同化量与该营养级同化量之比。生产效率生产效率: 上一营养级生产量与该营养级生产量之比。上一营养级生产量与该营养级生产量之比。利用效率：利用效率：上一营养级同化量与该营养级生产量之比。上一营养级同化量

43、与该营养级生产量之比。研究营养级之内研究营养级之内的生态效率，有的生态效率，有助于了解该类生助于了解该类生物的生态位及其物的生态位及其生物学特性。生物学特性。研究营养级之间研究营养级之间的生态效率，可的生态效率，可以了解食物链上以了解食物链上的能量关系。的能量关系。 2. 生态金字塔生态金字塔 生态金字塔：生态金字塔：指由于能量每经过一个营养级时被指由于能量每经过一个营养级时被净净同化同化的部分都要大大的部分都要大大少于前一个营养级少于前一个营养级，当营养级，当营养级由低到高，其个体数目、生物量或所含能量就呈现由低到高，其个体数目、生物量或所含能量就呈现下大上小的塔形分布，称为生态金字塔。下大

44、上小的塔形分布，称为生态金字塔。生态金字塔类型：生态金字塔类型：(1)数量金字塔数量金字塔: 用生物的个体数目表示。单位：个用生物的个体数目表示。单位：个(2)生物量金字塔生物量金字塔: 用生物量表示。单位：克用生物量表示。单位：克/平方米平方米(3)能量金字塔能量金字塔: 用生物的能量表示。用生物的能量表示。单位单位:卡卡/平方米平方米年年在这三类生态金字塔中，在这三类生态金字塔中，能较好地反映营养级之间比能较好地反映营养级之间比例关系的是能量金字塔例关系的是能量金字塔。前两者在描述一些非常规形。前两者在描述一些非常规形式食物链中个别营养级的比例关系时，就会出现生态式食物链中个别营养级的比例

45、关系时，就会出现生态金字塔的倒置现象或畸形现象。金字塔的倒置现象或畸形现象。如用如用数量金字塔数量金字塔表示表示“树木树木昆虫昆虫鸟类鸟类”食物链的食物链的营养关系时，一棵树上就可能有成千上万个昆虫营养关系时，一棵树上就可能有成千上万个昆虫以树以树为为生生，又可能有数只鸟以这些昆虫为生。这样，又可能有数只鸟以这些昆虫为生。这样如用数如用数 量表示就是一个两头小中间大的畸形金字塔。量表示就是一个两头小中间大的畸形金字塔。用用生物量金字塔生物量金字塔表示海洋中表示海洋中“浮游植物浮游植物浮游动物浮游动物底栖动物底栖动物”的食物链营养关系时，由于浮游植的食物链营养关系时，由于浮游植物的个物的个体小，

46、它们以快速的代谢和较高的周转率达到体小，它们以快速的代谢和较高的周转率达到较大的较大的输出输出, 但生物现存量却较少但生物现存量却较少,从而出现倒置的金从而出现倒置的金字塔。字塔。研究生态金字塔的意义：研究生态金字塔的意义：研究生态金字塔，对提高能量转化效率，调控食研究生态金字塔，对提高能量转化效率，调控食物链上的营养结构，实现人口、经济、资源环境物链上的营养结构，实现人口、经济、资源环境的可持续发展，具有重要意义。的可持续发展，具有重要意义。例如：从能量转化的规律可以看到，人口数量严格例如：从能量转化的规律可以看到，人口数量严格受食物供应的限制。在人多地少的国家如中国，若受食物供应的限制。在

47、人多地少的国家如中国，若要不依赖进口粮食等食物，要想改善我们的膳食构要不依赖进口粮食等食物，要想改善我们的膳食构成，增加肉食应从以下几方面努力。成，增加肉食应从以下几方面努力。（1）提高作物光能利用率，增加初级生产。）提高作物光能利用率，增加初级生产。（2）充分利用秸秆氨化等饲料资源）充分利用秸秆氨化等饲料资源,发展草业等非发展草业等非耕地饲料，扩大可利用的初级生产。耕地饲料，扩大可利用的初级生产。（3）提高饲料转化率。）提高饲料转化率。（4）增加对农畜副产品的利用如养蚯蚓、蜗牛等。）增加对农畜副产品的利用如养蚯蚓、蜗牛等。（5）开发水产资源和草山草坡等）开发水产资源和草山草坡等, 扩大次级生

48、产来扩大次级生产来源。源。3 林德曼效率林德曼效率 十分之一定律十分之一定律林德曼效率：指某一营养级所固定的能量与前一林德曼效率：指某一营养级所固定的能量与前一营养级所持有的能量之比，又称能量转化效率。营养级所持有的能量之比，又称能量转化效率。林德曼的十分之一定律：林德曼的十分之一定律：在自然条件下，每年从任在自然条件下，每年从任何一个营养级上能收获到的生产量，按能量计只不何一个营养级上能收获到的生产量，按能量计只不过是它前一个营养级生产量的十分之一左右。过是它前一个营养级生产量的十分之一左右。 以后的大量的研究表明，以后的大量的研究表明，“十分之一十分之一”定律定律较适较适合水域生态系统合水域生态系统，而陆地生态系统消费者的能量转而陆地生态系统消费者的能量转化效率常比水域生态系统的小。化效率常比水域生态系统的小。同一营养级内野生动物对食物的转化率大大低于同一营养级内野生动物对食物的转