农业生态系统能量流

1、第三章 农业生态系统的能量流教学目的 掌握生态系统中能量流路径、功能等有关概念，掌握提高农业生态系统能量转化效率的途径和方法。 教学重点能源的类型及其功能地位。生态系统能量流动的主要路径，能量在生态系统中传递的损耗途径，生态系统能量转化效率、生态金字塔等的基本概念，食物链加环原理及应用。生态系统中初级生产、次级生产的概念及关系。提高生态系统初、次级生产力的基本途径。人工辅助能在生态系统中的作用。 教学难点生态学效率、农业生态系统营养结构的优化设计、能流模型的设计。 教学方法课堂教学，以能流路径为主线，分析生态系统的功能行为。教学内容 第三章 农业生态系统的能量流1 热力学定律2 食物链、食物网

2、3 生态系统的能流分析4 农业生态系统的能流5 农业生态系统的能流分析1 热力学定律及应用一、热力学第一定律（能量守恒定律） U（系统内能变化）=Q（吸热）-W（对外作功）能量可以在不同介质中传递，也可以在不同形式间转换，但在所有这些过程中能量保持恒定，既不能创生，也不会消灭。应用：制定生态系统能量收支平衡表二、热力学第二定律1.能量的转换不可能达到百分之百有效。2.自由能的提高不可能是一个自发过程。应用：提高能量的转化效率三、 熵(entropy)1.熵(entropy):系统热量除以温度后得到的商。S=Q/T熵是系统无序性的量度。2.热力学第二定律（1）在一个内能不变的封闭系统中，任何自发

3、过程均朝着熵值增加的方向进行。（2）开放系统从一个平衡状态到另一个平衡状态的任何过程，均使系统与环境熵值之和增加。四、耗散结构理论1.耗散结构(dissipative structure)：开放系统在远离平衡态的非平衡状态下，系统可能出现的一种稳定的有序结构。(Prigogine)2.耗散结构理论：一个远离平衡态的开放系统，通过与外界进行物质与能量的不断交换，就能克服混乱状态，维持稳定状态，并且不断提高系统的有序性，使系统的熵减少。3.有机体和生态系统都是远离平衡态的开放系统，存在一种连续而有效的能量转换，因而都属于耗散结构。光合与同化：引入负熵，保持有序状态呼吸与作功：排除正熵，排除无序2

4、食物链一、食物链（food chain）和营养级（trophic level）：1.食物链（food chain）：生态系统成员间，通过食物营养关系彼此联系起来的序列。2.营养级（trophic level）：食物链上的每一个食性级。以符号T来表示，T1表示第一营养级，T2表示第二营养级，T3Tn余此类推。一般为45级。食物链是生态系统内生物与生物之间相互联系的一种主要形式，是物质循环和能量流动的主要路径。二、食物链的种类按性质不同分为四类：（1）捕食食物链（又称草牧食物链 gazing food chain）：是由植物到草食动物，再到肉食动物，直接消耗活有机体或其部分的食物链。在陆地上起始于

5、绿色植物，在水中起始于浮游植物。如：水稻稻飞虱青蛙蛇老鹰人（2）腐生食物链（又称残渣食物链 detritus food chain）：由多种微生物构成，是以死有机体为营养源，通过腐烂、分解，将有机物还原为无机物质的食物。如：秸杆（畜粪）食用菌 垃圾蚯蚓（蜗牛）（3）寄生食物链（parasite food chain）：以寄生的方式取食活着生物有机体。食物链成员有自大到小的趋势。如：大豆菟丝子 马蛔虫原生动物 红铃虫金小蜂（4）混合食物链：构成食物链的各营养级中，既有活食生物成员，也有腐食生物成员。如：稻草牛蚯蚓鸡猪鱼 return三、生态系统中食物链的基本特点1.在同一个食物链中，常包含有食性

6、和其它生活习性极不相同的多种生物。 一条食物链中包含的多种生物，可以使光合产物得到充分利用（分级利用光合产物），在有限的空间中养活众多生物。2.在同一生态系统中，可能有多条食物链，它们长短不一，营养级数目不等。如一个鱼塘生态系统中：藻类水草草鱼 绿藻甲壳动物花鲢浮游植物浮游动物虾噘鱼自然生态系统中，食物链营养级的数目是有限的3.不同生态系统中各类食物链所占比重不同。(1)森林生态系统：腐生食物链比重最大，约占系统中生产者所生产的有机物质的90%以上。(2)草原生态系统（牧场）：腐生食物链约占70%左右。(3)农田生态系统：植物生产的有机质大部分作为产品，留给腐生食物链的仅占净初级生产的2030

7、%。如果不通过粪肥、秸杆还田等途径向系统补充有机质，则系统中腐生食物链上的生物群落将会因为缺少食物能而衰退，引起土壤肥力的下降。4在任何一生态系统，各类食物链有协同作用。三、食物网食物网（food web)：在生态系统中，各种食物链交错起来构成的网状结构。食物网本质上是生态系统中有机体之间一系列反复的吃与被吃的相互关系。营养结构：以营养为纽带，把生物与生物、生物与环境紧密联系起来的结构。四、农业生态系统食物链加环（一）食物链加环的作用 在原有食物链中通过加入新的链环，延长或完善食物链组合，改变农业生态系统的结构，具有很好的效益。其作用表现在：提高农业生态系统的稳定性。提高农副产品的利用率提高

8、能量的利用率和转化率（二）、食物链加环的类型 -生产环 在食物链中加入能够把非经济产品转化为人们直接利用的经济产品的环节，称为生产环。 如：牛、羊等可把秸杆、糠麸、菜叶、杂草等转化为肉、皮、奶、蛋等，蜜蜂可将花粉转化为蜂蜜、蜂王浆等。减耗环 这类环节的引入可减少生产消耗。 如：引入天敌，可减轻病害危害，吉林省人工放养寄生蜂，防治林场的松毛虫。增益环 这类环节虽不提供人类直接消费的产品，但可扩大生产环节的增产效果。如：利用粪渣等有机废弃物养殖蚯蚓和蝇蛆，可作为禽畜的蛋白饲料，可提高家禽的生长量和家禽的产蛋率。复合环 兼具两种以上的功能环节。 如：稻田养鱼、鸭，即有减耗的作用（鱼鸭以水稻害虫为食，

9、减轻虫害危害，鱼、鸭粪肥又可肥田），又可生产鱼、蛋产品。五、 食物链的解列食物链的解列： 实质就是利用农业生态系统进行污水处理。使现代工业产生的有毒有害物质在食物链上富集到一定程度时与人类的食物链中断联系。处理污染土壤 可种植非食用的木材、麻类、花卉等使污染物离开食物链。污水处理 如：水生植物凤眼莲（又名水葫芦）、浮萍等对各种污染物以及水体富养化的N、P等具有较强的吸收净化能力。 食物链原理应用举例作物秸杆的处理一般有两种途径： 一种是直接焚烧，这部分养分流出农业生态系统，不仅造成农业生态系统的土壤养分状况的不断的下降，而且还会造成环境污染。 另一种是用于饲养牲畜，粪肥还田，相比这种途径就会合

10、理的多，在农业生产实践中利用的也比较广泛。秸杆多级利用技术 结构如图 3 生态系统中的能源一、太阳辐射能二、辅助能 一、 太阳辐射能是所有生态系统最主要能量来源可见光：0.40.76 50% 生理效应红外线：0.76 43% 引起热能紫外线：0.4 7% 引起生物变性，致死太阳常数：So=1.94cal/cm2.min到达地球表面的太阳辐射能强度，因纬度、地形地貌、坡度坡向、气候因子而不同。太阳辐射能量到达地球表面的分配示意图 二、 辅助能辅助能：生态系统中，除了太阳能以外的其它一切补加能量。包括自然能：如沿海河口潮汐的作用，风力的作用以及降雨和蒸发的作用等。人工辅助能：对农业生态系统，辅助能

11、主要构成是人们从事农业生产各项活动中投入的能量，当然，也继承了自然生态系统中的自然辅助能。4 生态系统的能流分析一、能流路径二、生态效率三、生态金字塔一、能流路径研究生态系统中能量流动，在于了解一个系统的能量输入、贮存以及作功之间的相互关系，从而减少能量损耗，提高能量利用效率。生态系统中能量是沿着食物链流动的： Tn-1Tn NUn NAn RnNPn-1 摄入量In An NPn注：NP：净生产量 A：同化量 Nu：未同化量 NA：未同化量二、 生态效率生态效率：能量通过各营养级的转化效率。1营养级之间（Tn-1Tn）（1）摄入效率 In/In-1（2）同化效率 An/An-1（3）生产效率

12、 NPn/NPn-12营养级内部（1）同化效率：An/In（2）生态生长效率：NPn/In（生产效率）（3）组织生长效率：NPn/An三、生态金字塔1.生态金字塔：营养级由低到高，它们的个体数或能量的分布形成一个塔形结构，就称为生态金字塔。2.三种基本类型：（1）生物个体数数目金字塔（2）每种生物的现存生物量生物量金字塔（3）能量能量金字塔returnreturnreturn5 农业生态系统的能流一、能源二、人工辅助能提高农业生态系统生产力的原因三、工业辅助能的使用所带来的一系列的问题四、农业生态系统的能量转化一、 能源生物界的能源，直接、间接地来源于太阳的辐射能。农业生态系统有大量的人工辅助

13、能输入，同时有大量的能量以农产品的形式输出系统外。太阳能仍是主要能量来源，但辅助能所占的比例大大提高了。 自然辅助能辅助能 工业能：农药、化肥、农机、电力、 燃料、薄膜、设施 人工辅助能 生物能：劳动、畜力、有机肥、燃料 食物能：种子、种苗、饲料、 种畜、种禽二、人工辅助能提高农业生态系统生产力的原因1辅助能的投入，促进农作物对太阳能的吸收、利用和转化。2减少农业生物的非生产能量损耗。3使农业生产中的一些自然生物过程可以用人工过程取代，提高效率。三、工业辅助能的使用所带来的一系列的问题1辅助能的效益随着辅助能的增加而降低（报酬递减律）。2能源紧张。3 化肥农药对农业环境造成污染。四、农业生态系

14、统的生产力-农业生态系统的能量转化（一）、农业生态系统生产力的概念（二）、初级生产力（三）、次级生产力（一）农业生态系统的生产力概念1.农业生态系统的生产力： 是指农业生态系统中物质循环和能量转化的效率，是系统中最基本功的数量特征。它的大小体现了系统功能的好坏。 指在单位时间（通常是一年）、空间（通常指面积）所产生的物质、能量或价值的多少。用系统的总生物量和经济产量、农业总产值、纯收入表示。 包括：系统生物的自然生产力和经济生产力2. 自然生产力与经济生产力农业生物的自然生产力：指农业生物自身的同化效率和积累能力。农业生物在一定时间空间内的能量、物质的积累量，形成总的生物学产量。是农业生态系统

15、生产力的基础。农业生物经济生产力指各种农业外生物提供经济产量的能力。首先表现为经济产品量的高低；表现为经济产品量的价值量的大小；最终表现为纯收入的多少。即通常所说的生产效率。3. 生产力与生产效率区别两个概念：生产效率：单位时间和空间内，投入农业生态系统的物质能量和价值的转化效率。 即：生产效率（产投比）产出量投入量如：劳动生产率、价值转化率、物质利用率等。系统生产力：农业生态系统在单位时间（通常为一年），空间（通常指面积）所产出的物质、能量或价值的多少。 可以看出，生产力的概念包含生产效率的含义。但通常所讲到的系统生产力主要指前两点所述的含义，指总的生物量、经济产品量或总产值。（二）、初级生

16、产力1、概 念2、地球生物圈主要生态系统的初级生产力3、农业生态系统的初级生产力4、提高农业生态系统初级生产力的途径1、 概 念总初级生产力：（gross productivity）植物单时间、面积内利用光能合成有机物质的量。净初级生产力：（net productivity） 植物总初级生产力中减去植物呼吸消耗量所剩下的数量。总初级生产量：（gross production Pg） 一定时期内植物合成有机物质的总量 ，无速率的概念。净初级生产量：（net production Pn） 总初级生产量中减去呼吸消耗量的剩余量。即一段时间内，以植物组织形式表现出来的干物质量。现存量：（stand c

17、rop） 某一特定时刻，单位面积地段内有机体的数量。与生物量（Biomass）是同义语。 R 呼吸 枯死、采食 总生产量Pg 净生产量 Pn 现存量B 2、 地球生物圈主要生态系统初级生产力 据H.Whittaker（1975）计算，地球的初级生产量为：（单位：109吨）总初级生产量：172109 吨 森林： 82 109 吨 海洋： 55 109 吨 温带草原： 5.4 109 吨热带稀树草原： 10.5 109 吨 其余： 7.74 109 吨（包括湖泊、荒原和沙漠等） 由于人类的干预，地球的初级生产力是呈现不断下降的趋势。地球上不同的生态系统生产力有着极显著的差异，主要受光照、温度、水分

18、和养分等生态因子的制约。越接近赤道、潮湿陆地区域，其初级生产力越高。从寒带到温带、从温带到亚热带，初级生产力会成倍增加。最高产生态系统（2000g/m2.a）集中在水陆交接地带附近，所占面积很小。 地球上各生态系统的净初级生产力约在03500 g/m2.a范围内，可分为4个等级：2000 3500 g/m2.a 高生产力地区，包括 热带雨林、 沼泽湿地 ，河流岸边的湿地生态系统，也包括农业集约栽培的甘蔗等高产田。1000 2000 g/m2.a 包括世界大部分的森林、湖泊，沼泽地，部分生产力高的农耕地。250 1000 g/m2.a 包括干燥的疏林灌木、大部分的草地、大部分的农耕地。0 250

19、 g/m2.a 包括海洋、荒漠、冰川、两极冻原等，生产力水平极低。退出主菜单主目录返回退出主菜单主目录返回退出主菜单主目录返回退出主菜单主目录返回3、 农业生态系统的初级生产力 农业生态系统主要包括农田、草原和林地生产，其初级生产量低于森林，接近草原，在250-1000g/m2.a之间。（1）、我国与世界农用地初级生产力的比较（见表1）森林比世界平均低10%左右，且我国森林覆盖率低，约占国土面积的13.8%，仅是世界森林覆盖率的一半；草原面积约占国土面积的40%，但生产力水平很低，仅为世界平均水平的七分之一；农田单位面积产量高出世界平均水平10%左右。 （ 见表2 ）中国与世界农用土地初级生产

20、力的比较 中国与世界主要作物单产比较表 3、 农业生态系统的初级生产力（2）、不同作物初级生产力的比较 不同种类的作物光合能力是有很大差异的，根据植物的生化途径不同分为C3、C4以及CAM景天科类植物：C3植物 光饱和点低，光呼吸明显，光消耗大；例如：水稻、小麦等；C4植物 光饱和点高，光呼吸消耗小，例如：玉米、高粱、甘蔗等；CAM植物 主要是景天科类的植物，植株肉质多浆，储水组织发达，耐旱性强，常见的主要有兰花、仙人掌、百合，菠萝等。3、 农业生态系统的初级生产力 作物的生产力常用作物的平均生长率（crop grow rate）表示。平均生长率（CGR）：植物全生育期内平均每天单位面积的净

21、生产量，单位是 g/m2.d。日本的本田吉男（1976年）利用平均作物生长率（CGR）比较各种植物的初级生产力，得到以下结果：多年生牧草最高，新叙利亚草和紫狼尾草达2628 g/m2.d甘蔗、高梁、玉米等C4植物为19 23 g/m2.dC3植物： 水稻、甜菜：1216 g/m2.d ，甘薯、大豆、大麦：8 g/m2.d3、 农业生态系统的初级生产力世界与我国所报道的一些高产田块的CGR和光能利用率如下： 作物 CGR(g/m2/天) 光能利用率 （%）玉米、高梁 2730 1.92.3春小麦、水稻 1420 1.4冬小麦 10 1.1甘薯 12 14 0.941.713、 农业生态系统的初级

22、生产力（3）、同种作物不同品种的生产力比较 黄土高原沟壑区小麦品种演替及产量水平： 品种 种植年限 平均产量（kg/hm2）五枝麦 19631966 1506 钱交麦 19651970 3111 702 19731985 3583.57211-4 19781991 3840.5长武131 19841995 4425 3、 农业生态系统的初级生产力可以看出：各种作物的光能的利用率还很低。全国耕地的平均光能利用率为 0.4%，一般作物的平均生长率（CGR）为68 g/m2.d，略高于世界平均水平；高产田块的光能利用率在 2%左右；光能利用率的理论值为 6.05%； 因此，我国农作物的增产潜力是相当

23、大的。据王宏广等采用联合国粮农组织提出的作物生产潜力估算方法的估算结果：我国粮食的土地生产潜力为9000亿公斤，而目前我国的粮食总产为5000亿公斤左右。 因而采取各种措施，提高农业生态系统的初级生产力还有很大潜力。4、提高农业生态系统初级生产力的途径（1）选用高光效作物类型或品种，是最简捷有效的途径。（2）根据环境条件合理配置各种农业植物，增加绿色植物覆盖面积。 宜林则林，宜农则农，宜草则草，消灭裸地，绿化荒山、荒地，以期最大限度的利用环境资源，将其转化为现实生产力， 并维护资源的永续利用，实现初级生产力长久、稳定提高。从前，不注重因地适宜，盲目的围湖造田，只能造成环境退化。退出主菜单主目录

24、返回4、提高农业生态系统初级生产力的途径（3）改进耕作制度，提高复种指数，合理密植，实行间作套种， 提高栽培管理技术。（4）适当增加投入，保护和改善生态环境，消除或减缓限制因 子的制约。人类对自然资源的不合理利用土地等资源，已造成严重的土壤侵蚀，生产力水平下降等问题。能量和物质投入不足是目前全世界包括我国在内的大多数地区生产力不高的最直接的原因。因此，应创造条件，增加投入，同时也应注意合理的投入，提高转化效率。（三）、 次级生产力1、概 念2、次级生产在农业生产系统中的意义3、提高次级生产力的途径1、概 念次级生产：指初级生产的部分产品经异养者的采食、同化，合成肉、奶蛋等动物性食品的过程。 异

25、养者包括消费者和还原者。次级生产力：单位时间内，各种异养者直接或间接消费绿色植物，制造或形成产品的数量。 由于是利用生产出的有机物质转化为自身的组织的，这同时已用去了部分能量用于呼吸消耗，故次级生产力无总、净之分。2、次级生产力在农业生产系统中的意义 农业生态系统的次级生产包括家畜、家禽、养鱼、养虫、蜂、蚯蚓、食用菌等生产，在农业生产中起着重要作用：（1）转化各种人类不能利用的农副产品，提高利用价值。净初级生产量主产品：30%左右，人类可直接利用 副产品：4070%，秸杆，根茬，糠麸等。 直接燃烧不仅浪费，而且造成环境污染。 若通过动物或微生物转化利用，也可为人类提供各种优质的食品，提供大量粪

26、肥，归还农田。2、次级生产力在农业生产系统中的意义（2）生产动物性蛋白质食品，改善人们膳食结构，提高人民的生活水平。（3）促进物质循环，增强生态系统的功能 动物粪便返田，有利于微生物分解转化为植物可再利用的营养元素，促进了物质循环，增强了生态系统功能。（4）种养结合，农牧互促，有利于农业资源的合理利用和农业的可持续发展。（5）增加就业门路，增加农民收入。3、提高次级生产力的途径（1）调整种植业结构，建立粮、经、饲三元结构，开发草山草坡，增加饲料饲草来源。人口增加，经济发展，动物食品需求增加，粮食问题严重；粮食问题关键是饲料粮的问题；确定粮、经、饲比例为59：20：21的合理的三元结构；开发草山草坡，拓宽饲料、饲草来源。3、提高次级生产力的途径（2）调整次级