第十二章 生态系统中的能量流动

第十二章

生态系统中的能量流动学习提纲第一节生态系统中的能量流动第二节生态系统中的初级生产第三节生态系统中的次级生产第四节生态系统中的分解第五节异养生态系统的能流分析第六节生态系统能流模型第一节生态系统中的能量流动1.生态系统中的能源

①太阳辐射能是生态系统中的能量的最主要来源

②辅助能红外线产生热效应，形成生物的热环境

可见光为植物光合作用提供能源生态系统中的能量流动2.能量传递①生态系统中能量传递的路径能量以日光形式进入生态系统，以植物物质形式贮存起来的能量，沿着食物链和食物网流动通过生态系统，以动物、植物物质中的化学潜能形式贮存在系统中，或作为产品输出，离开生态系统，或经消费者和分解者生物有机体呼吸释放的热能自系统中丢失

能量传递②生态系统中能量传递的特点A.生态系统能量传递遵循热力学定律热力学第一定律(能量守恒定律):能量既不能创生，也不会消灭，只能按严格的当量比例由一种形式转变为另一种形式

生态系统能量传递遵循热力学定律热力学第二定律物体自由能的提高不可能是一个自发的过程任何产生自由能贮备的能量转换都不可能达到百分之百有效能量传递B.生态系统中能量传递是单向性的C.能量在生态系内流动在过程中能量逐级递减①各营养级消费者不可能百分之百地利用前一营养级的生物量②各营养级的同化作用也不是百分之百的，总有一部分不被同化③生物在维持生命过程中进行新陈代谢，总要消耗一部分能量单向流动，逐级递减传递效率：10%——20%能量传递D.能量在流动中，质量在提高E.能量流动通过食物链形成生态金字塔生态系统的能量流动全过程太阳能生产者一级肉食者二级肉食者还原者热热热热植食动物热储存生态系统中的能量流动3.生态效率①生态效率生态效率是指能量的利用效率，即能量沿食物链传递的过程中，后一营养级的能量与前一营养级能量之比生态效率（n级）=通过（n级）营养级的能量/(n-１级)营养级的能量生态效率②生态效率的计算方法A.同化效率B.生产效率生态效率C.消费效率D.十分之一定律能量沿食物链流动时,能流越来越小,通常后一营养级所获得的能量大约为前一营养级的10％,在能流过程中大约损失90％的能量.生态系统中的能量流动4.生态金字塔①营养级营养级是指处于食物链某一环节上的所有生物种的总和②生态金字塔指各个营养级之间某种数量关系，这种数量关系可采用生物量单位、能量单位或个体数量单位，采用这些单位构成的生态金字塔分别称为生物量金字塔、能量金字塔和数量金字塔太阳能第二节生态系统中的初级生产1.初级生产的基本概念初级生产：自养生物的生产过程，其提供的生产力为初级生产力

初级生产量(primaryproduction)：绿色植物通过光合作用合成有机物质的数量称为初级生产量，也称第一性生产量初级生产的基本概念净初级生产量(netprimaryproduction)：初级生产过程植物固定的能量一部分被植物自己的呼吸消耗掉，剩下的可用于植物的生长和生殖，这部分生产量成为净初級生产量(NP)

总初级生产量(grossprimaryproduction)：初级生产过程植物固定的能量的总量GP=NP+R初级生产的基本概念初级生产力：植物群落在一定空间一定时间内所生产的有机物质积累的数量

生物量(biomass)：是指某一时刻单位面积上积存的有机物质的量。以鲜重或干重表示现存量：是指绿色植物初级生产量被植食动物取食及枯枝落叶掉落后所剩下的存活部分SC=GP-R-H-D

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初级生产生态系统中的初级生产2.初级生产过程的基本化学反应①光合作用②化学合成作用化能自养生物：海底沉积物次表层或少数缺氧的海区生活的某些化学合成细菌化学合成作用：它是化能自养生物能够将简单的无机化合物（CH４、H２S等）氧化获得能量并还原CO２，制造有机物的过程。生态系统中的初级生产3.初级生产的生产效率22

生态系统中的初级生产生产效率=被固定的光能/入射光能

生态系统中的初级生产4.初级生产的限制因素24

初级生产的限制因素水对于陆地生态系统的初级生产量常常是一个重要的限制因素在海洋生态系统中，光是限制海洋初级生产量的一个重要因子，光对于初级生产量有着重要影响二氧化碳主要是水域生态系统初级生产量的重要限制因素，当其他因素最适时也可能成为陆地生态系统初级生产量的限制因素26

Fig.AnnualaveragesolarradiationreachingtheEarth’ssurface.辐射强度生态系统中的初级生产5.初级生产量的测定方法①收获量测定法②氧气测定法③CO２测定法在陆地生态系统中,植物在光合作用中所吸收的二氧化碳和呼吸过程中所释放的二氧化碳可在已知面积或体积的透光容器内用红外气体分析仪测定二氧化碳进入和离开这个密封容器的数量。假定容器内气体中所含二氧化碳的减少都是被植物用来合成有机物质那么所减少的二氧化碳量就能代表光合作用量和光合作用率生态系统中的初级生产⑦遥感和地理信息系统技术的应用利用卫星或航空遥感叶绿素资料与初级生产力的关系数学模型或利用已建立的水团温度与初级生产力的关系数学模型等来实现大空间尺度⑥水分蒸发蒸腾法④放射性标记物测定法叶绿素测定法主要是依据植物的叶绿素含量与光合作用量和光合作用率之间的密切相关关系。⑤叶绿素测定法第三节生态系统中的次级生产1.次级生产过程29

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未捕获(876.1g)猎物种群生产量(886.4g)被捕获(10.3g)被吃下(7.93g)I未吃下(2.37g)未同化(0.63g)同化(7.3g)A净次级生产(2.7g)P呼吸(4.6g)R次级生产量生态系统中的次级生产能量收支C=A+FUC：动物从外界摄食的能量A：被同化能量FU：排泄物

A=P+RP：次级生产量R：呼吸能量生态系统中的次级生产2.次级生产量的测定用同化量和呼吸量估计生产量(用摄食量扣除粪尿量估计同化量)：P=A-R=(C-FU)-RC：动物从外界摄食的能量，A：被同化能量，FU：排泄物，R：呼吸量

用个体的生长和繁殖后代的生物量表示净生产量:P=Pg+PrPr：生殖后代的生产量，Pg：个体增重生态系统中的次级生产3.次级生产的生态效率①同化效率同化效率：指植物吸收的日光能中被光合作用所固定的比例,或被动物摄食的能量中被同化了的能量的比例生产效率：指形成新生物量的生产能量占同化能量的百分比②生产效率生态系统中的次级生产第四节生态系统中的分解1.分解过程的性质死有机物质的逐步降解过程

将有机物还原为无机物，释放能量分解作用是一个很复杂的过程，它包括碎裂、混合、物理结构改变、摄食、排出和酶作用等过程生态系统中的分解意义①建立和维持全球生态系统的动态平衡②通过死亡物质的分解，使营养物质再循环，给生产者提供营养物质③稳定和提高土壤有机质的含量，为碎屑食物链以后各级生物生产食物④维持大气中CO2浓度⑤改善土壤物理性状生态系统中的分解分解作用的三个过程

碎化：把尸体分解为颗粒状的碎屑

异化：有机物在酶的作用下，进行生物化学的分解从聚合体变成单体(如纤维素降解为葡萄糖)

进而成为矿物成分(如葡萄糖降为CO2和H2O)淋溶：可溶性物质被水淋洗出，完全是物理过程

生态系统中的分解影响分解过程的因素

分解者生物种类资源质量理化环境生态系统中的分解2.分解者生物种类①细菌和真菌主要利用可溶性物质，氨基酸和糖类的分解产物作为的食物而被吸收

生态系统中的分解②动物类群陆生系统动物主要是食碎屑的无脊椎动物

微型动物区系:一般体宽在100μm以下,主要分解枯枝落叶中型动物区系：一般体宽100m～2mm,主要对大型动物区系粪便进行处理大型和巨型：2mm-20mm-,碎裂植物残叶和翻动土壤,对分解和土壤结构有明显影响生态系统中的分解水生系统①碎裂者：以落入河流中的树叶为食

②颗粒状有机物质搜集者：一类从沉积物中搜集；另一类从水体中滤食有机颗粒③刮食者：其口器适应在石砾表面刮取藻类和死有机物④以藻类为食的食草性动物⑤捕食动物：以其他物脊椎动物为食生态系统中的分解3.资源质量与分解作用的关系资源的物理、化学性质影响分解速率。资源的物理性质包括表面特性和机械结构，资源的化学性质则随其化学组成而不同有机物质的C∶N比与分解速率之间有一明显的相关单糖分解快，一年失重99%>半纤维>纤维素>木质素生态系统中的分解生态系统中的分解4.理化环境对分解作用的影响温度高、湿度大的地带，其土壤中的分解速率高低温和干燥的地带，其分解速率低，因而土壤中易于积累有机物质分解速度随纬度增高而降低(热带雨林—温带森林—冻原)47

未吸收497228.6R=96.3R=18.8R=7.5未利用293.1未利用29.3未利用5.0单位：J•cm-2•a-1

99.9%总初级生产GP=464.70.1%食草动物H=62.8食肉动物C=12.6分解12.5分解2.1分解入射日光能497693.313.5%20.1%GedarBog湖能流模型第五节异养生态系统的能流分析不依靠或基本上不依靠太阳能的输入而主要依靠其他生态系统所生产的有机物质输入来维持自身生存的生态系统异养生态系统

异养生态系统的能流分析其他生态系统的有机物输入根泉是一个小的浅水泉，直径2米，水深10～20厘米，JohnTeal曾研究过这个小生态系统的能量流动。经过计算，他发现：在平均每年每平方米3060大卡（1.28×107焦）的能量总输入中，靠光合作用固定的只有710大卡（2.97×106焦），其余的2350大卡（9.83×106焦）都是从陆地输入的植物残屑（即各种陆生植物残体）。在总计3060大卡（1.28×107焦）／米2·年的能量输入中，以残屑为食的植食动物大约要吃掉2300大卡（9.62×106焦）／米2·年（占能量总输入量的75％），其余的则沉积在根泉泉底。第六节生态系统能流模型Odum于1959曾把生态系统的能量流动概括为一个普适的模型普适的能流模型是以10个隔室表示各个营养级和贮存库，并用粗细不等的能流通道把这些隔室年能流的路线连接起来，能流通道的粗细代表能流量的多少，而箭头表示能量流动的方向研究热点注重于生产力的提高紧紧围绕着气候、环境和资源等于人类生存密切相关的问题，注重多学科结合与高新技术结合，从生态学科特点出发，研究各种经济动物、植物、与环境条件的相互作用，种群增长的和变动的规律，群落中种群间相互作用以及生态系统内各物种、种群的合理配置等，从生态学的不同水平上进行研究，以提高生物生产力研究热点开发新能源和节约能源加强太阳能的利用、生物质能、核能、风能、海洋能和地