生态学6能量流动

6生态系统中的能量流动6.1能量流动的基本原理6.2能量流动的渠道6.3能量流动过程6.4能流模型6.5能流与生态系统生产力

6.1能量流动的基本原理6.1.1能量的概念、形式及转化6.1.2生态系统的能源6.1.3热力学第一定律6.1.4热力学第二定律6.1.5序、熵与耗散结构6.1.1能量的概念、形式及转化1)能量的概念

力学定义能量是：物体做功能力的量度。物体对外界作了功，物体的能量要减少；反过来，若外界对物体作了功，物体的能量就要增加。如某些动物搬运食物，则动物对外界作了功，体内的化学能减少。 生态系统中各组分的存在、变化及其发展，都与能量息息相关，遵循一定的能量变化规律。2)能量的形式（1）辐射能：来自光源的光量子以波状运动形式传播的能量。（2）化学能：化合物中具有的能量。（3）机械能：运动着的物质所含有的能量。（4）电能：电子延导体流动时产生的能量。（5）热能：同温度相联系的一个状态函数。3)能量的形式及转化

6.1.2生态系统的能源1）太阳能

太阳能辅助能自然辅助功能人工辅助功能生物辅助功能工业辅助功能2）辅助能

太阳能辅助能自然辅助功能人工辅助功能生物辅助功能工业辅助功能除太阳辐射能以外，其他进入系统的任何形式的能量。3）自然辅助能

在自然过程中产生的除太阳辐射能以外的其它形式的能量，如沿海和河口湾的潮汐作用、风能、水势能、降水及蒸发作用等。太阳能辅助能自然辅助功能人工辅助功能生物辅助功能工业辅助功能4）人工辅助能

太阳能辅助能自然辅助功能人工辅助功能生物辅助功能工业辅助功能

人们在生产活动中投入的各种形式的能量。主要是为了改善生产条件、加快产品流通、提高生产力，如农田耕作、灌溉、施肥、防治病虫害、农业生物的育种以及产品的收获、贮存、运输、加工等。5）生物辅助能

太阳能辅助能自然辅助功能人工辅助功能生物辅助功能工业辅助功能

来自生物体或摄取有机体的能量。如人力、畜力的做功，有机肥、种子、种苗的化学潜能。6）工业辅助能

太阳能辅助能自然辅助功能人工辅助功能生物辅助功能工业辅助功能

来自工业生产中的各种形式的能量。包括石油、煤、天然气、电等形式直接投入的和化肥、农药、农膜、机械等等形式简介投入的能量。生态系统的能源6.1.3热力学第一定律

能量既不消失，也不能凭空产生，它只能以严格的当量比例，有一种形式转化为另一种形式。 如果用△E表示系统内能的变化，用△Q表示系统吸热或放热，用△W表示系统对外做功，则：

△E=△Q+△W

即：一个系统的任何状态变化，都伴随着吸热、放热和做功，而系统的总量并不增加或减少，它是守恒的。

热力学第一定律（例一）

一片森林接受固定的太阳能是△Q；被动物、微生物消耗，人类砍伐的是△W；剩下的有机物能是△E。则：△E=△Q+△W。 若消耗△W>固定△Q，△E为负，森林衰退 若消耗△W=固定△Q，△E为零，森林稳定 若消耗△W<固定△Q，△E为正，森林发展热力学第一定律（例二）

一片动物摄取固定的有机物能是△Q；动物活动、消耗的是△W；剩下的有机物能是△E。则：△E=△Q+△W。 若消耗△W>固定△Q，△E为负，动物变瘦 若消耗△W=固定△Q，△E为零，动物不长 若消耗△W<固定△Q，△E为正，动物生长6.1.4热力学第二定律自发过程不可逆；一种形式的能量不可能100%转变成另一种形式的能量；永动机不可能造成；自发过程是能量损耗的过程；能量在转换、流动过程中存在衰变、逸散现象，总有一部分能量要从浓缩的有效形态变为稀释的不能利用的形态；有机物便无机物是自发过程，其间伴随着能量的逸散。其逆过程是通过太阳能做功完成的。熵与焓

在一切过程中，系统潜在做功的能，可分解为两部分：即有用能和热能，前者可继续做功，叫自由能，通常占一小部分；后者无法再利用，而以低温形式散发于外围空间，往往占一大部分。

△G=△H-T△S

式中：G为自由能，即可对系统做功的有用能；H指系统热焓，即系统含有的潜能；S代表系统的熵；T是过程进行时的绝对温度。6.1.5序、熵与耗散结构

世界上一切有序的结构、格局、安排都会自然地趋向于无序。要维持有序状态，只有是系统获得更多的潜能以做功，清除不断的无序，重新建造有序。 热力学第二定律可表述为熵定律：“一切自发过程总是沿着熵增加的方向进行”。 所谓耗散结构，是指在远离平衡状态下，系统可能出现的一种稳定的有序结构。通过与外界环境所进行的物质、能量的不断交换，就能克服混乱状态，维持稳定状态。6.2能量流动的渠道6.2.1食物链(foodchain)6.2.2营养级(trophiclevel)6.2.3食物网(foodweb)6.2.1食物链

生态系统中生物成员通过一系列吃与被吃的食物营养关系将彼此联系起来的链条叫食物链。 例子：

1.大鱼吃小鱼，小鱼吃虾米，虾米吃稀泥。

2.螳螂捕蝉黄雀在后。1)定义

2)食物链类型（1）捕食食物链（Grazingfoodchair）（2）腐食食物链（Saprophyticfoodchair）（3）寄生食物链（Parasiticfoodchair）（4）混合食物链（Mixedfoodchair）（1）捕食食物链

从绿色植物开始，从小到大，从弱到强，弱肉强食，存在明显的捕食关系好血淋淋的斗争，所以又叫草牧食物链。 捕食中以活有机体为食，所以也叫活食食物链。 水稻—稻飞虱—青蛙—蛇—鹰老鹰黄雀螳螂禅杨树

四级消费者

三级消费者

二级消费者

一级消费者肉食动物草食动物绿色植物捕食食物链

（2）腐食食物链

动物尸体-蝇-真菌-细菌

食物链成员与死的有机体为食，通过腐烂分解，由腐生成员构成的食物链。腐食食物链（3）寄生食物链（4）混合食物链

由腐生\寄生\捕食等多种成员联系起来的链条牛食用菌蚯蚓猪鸡粪渣粪粪（4）特殊食物链捕食动物的植物食物链特点在同一条食物链中，常有多种生物组成。在同一个生态系统中，常有多条食物链。在不同生态系统中，各类食物链占有不通比例。在任一生态系统中，各类食物链综述协同作用的。6.2.2营养级定义：食物链上的每个食性环节叫营养级。 绿色植物：第一营养级 草食动物：第二营养级 肉食动物：第三营养级

·······

有没有更高的营养级？五四三二一TrophiclevelQuaternaryconsumersTertiaryconsumersSecondaryconsumersPrimaryconsumersProducersAterrestrialFoodchainAnaquaticFoodchainCarnivoresHerbivores（Zooplankton）Phytoplankton6.2.3食物网定义：多条食物链交错形成的网络叫食物网。食物链食物网的意义食物链环节受损，食物网关键环节破坏会造成生态平衡失调。食物链越多、食物网越复杂，生态系统越稳定。各类食物链总是协同作用的。生态系统中生物的食性复杂，一种生物是多种生物的食物；一种生物以多种生物为食。食物链、食物网构成生态系统的营养结构。食物链、食物网与生态平衡海藻—甲壳虫—鳀鱼—海鸟（鸟粪磷肥）落叶林—食叶—土壤微生物寄主植物—蚜虫—固氮细菌棉花—棉铃虫（生物疏导） 低肥力田地：63粒卵/100株 中肥力田地：127粒卵/100株 高肥力田地：366粒卵/100株农作物—害虫—天敌鱼—水獭（生物检疫）

食物链越多、食物网越复杂，生态系统越稳定。鹰鼠兔三叶草6.3能量流动过程6.3.1能量流动途径6.3.2生态效益6.3.3生态学金字塔6.3.1能量流动途径1）个体水平的能流过程光能或食物吸收或取物总生产净生产生产幼仔功呼吸作用分泌脱落排粪排泄产量腐食动物植食动物辐射或蒸发短耳野兔（Ochotonaprinceps）的个体能流

2）食物链能流

HeatHeatHeatSolarenergyLightChemicalenergyMechanicalenergy被触动物质MR=C+NU消耗量C=A+FU未碰食物未食用物质NU粪尿量FU离体量E可利用食物同化量A生产量P现存量改变△B3)生态系统能流

生态系统的能流

4）能流途径植物动物动物动物微生物热能热能6.3.2生态效益1）能量的损失

不可利用的未收的吃剩的粪便呼吸R食源可利用的收获的I吃进的A同化的NP固定的n营养级n-1营养级生长繁殖2）生态效率

（1）营养级之间的能量转化效率 ①摄食效率：In/In-1 ②同化效率：An/An-1 ③生产效率：NPn/NPn-1 ④利用效率：In/NPn-1或An//NPn-1（2）营养级之内的能量转化效率： ①组织生长效率：NPn/An ②生态生长效率：NPn/In ③同化效率：An/In ④维持价：NPn/Rn3）十分之一定率

EnergyflowsonewayNutrientcycleEcosystem

生态系统中，能量在食物链上流动，上一营养级大约只能固定下一营养剂能量的10%，这种规律称之为十分之一定律。6.3.3生态学金字塔（Ecologicalpyramid）4713.44.5头1020.649.821078096.8240男孩牛苜蓿“苜蓿→牛→男孩”生态金字塔

数量锥体生物量锥体(kg

)能量锥体(104j

)（1）数目金字塔（2）生物量金字塔（3）能量金字塔6.4能流模型及能流分析1）能流符号$能源能量储存库能耗消费者工作门交换器生产者能流路线2）能流图解鱼塘能流模型

6.5能流与生态系统生产力6.5.1生物生产及生产力的有关概念6.5.2初级生产6.5.3次级生产6.5.1生物生产及生产力的有关概念1）生物生产

生物有机体在能量代谢过程中，将能量、物质重新组合，形成新的生物产品（碳水化合物、脂肪和蛋白质等）的过程，称为生态系统生物生产。2）初级生产与次级生产

绿色植物的生产过程称为初级生产或称第一行生产。初级生产以外的生物生产，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样生物自身的物质，称为次级生产或第二性生产。6.5.2初级生产1）初级生产的级别

陆地各生态系统的生产力大约在0~3500g/m2*a，可以划分为四个级别：

（1）2000~3000g/m2*a。温室地带，尤其是多雨地区的森林、沼泽地、河流岸边的生态系统，还有农业集约栽培的水稻田和甘蔗田。 （2）1000~2000g/m2*a。森林和部分草地及温带生产力较高的农耕地。 （3）250~1000g/m2*a。干燥的疏林灌丛或矮林及大部分草地和农作物。 （4）0~250g/m2*a。分布在极端干燥和低温地区，大面积的荒漠及两极地区的冻原及高山带。2）初级生产力的测定

（1）收割法（2）CO2同化法（3）黑白瓶法（4）同位素法（5）叶绿素测定法（6）pH值测定法3）初级生产力的估算及分析

（1）回归分析

t为年平均温度

y=3000(1-e-0.0064p)p为年降水量

y=3000(1-e-0.0064p)E为年蒸发量

y=-157+5.17SS为年光合作用天数

y=378.51-6.82t+24.49D-119.13p……（2）遥感估算（3）系统分析4）初