生态系统中的能量流动

生态系统中的能量流动第1页，课件共74页，创作于2023年2月本章内容生态系统中的初级生产生态系统中的次级生产生态系统中的分解生态系统中的能量流动第2页，课件共74页，创作于2023年2月生态系统中的初级生产初级生产的基本概念地球上初级生产力的分布初级生产的生产效率初级生产量的限制因素初级生产量的测定方法第3页，课件共74页，创作于2023年2月生产的基本概念生产过程：生产者通过光合作用合成复杂的有机物质，使植物的生物量(包括个体数量和生长)增加消费者摄食植物已经制造好的有机物质(包括直接的取食植物和间接的取食食草动物和食肉动物)，通过消化、吸收在合成为自身所需的有机物质，增加动物的生产量初级生产：自养生物的生产过程，其提供的生产力为初级生产力次级生产：异养生物再生产过程，提供的生产力为次级生产力第4页，课件共74页，创作于2023年2月初级生产的基本概念初级生产量：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，也称第一性生产量淨初級生产量：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，这部分生产量成为淨初級生产量(NP)总初級生产量：初级生产过程植物固定的能量的总量GP=NP+R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：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第5页，课件共74页，创作于2023年2月初级生产第6页，课件共74页，创作于2023年2月地球上初级生产力的分布不同生态系统类型的初级生产力不同陆地比水域的初级生产力总量大陆地上初级生产力有随纬度增加逐渐降低的趋势海洋中初级生产力由河口湾向大陆架和大洋区逐渐降低生态系统的初级生产力随群落的演替而变化水体和陆地生态系统的生产力有垂直变化初级生产力随季节变化第7页，课件共74页，创作于2023年2月不同生态系统的初级生产力第8页，课件共74页，创作于2023年2月地球上初级生产力的分布不同生态系统类型的初级生产力不同陆地比水域的初级生产力总量大陆地上初级生产力有随纬度增加逐渐降低的趋势海洋中初级生产力由河口湾向大陆架和大洋区逐渐降低生态系统的初级生产力随群落的演替而变化水体和陆地生态系统的生产力有垂直变化初级生产力随季节变化第9页，课件共74页，创作于2023年2月AveragenetprimaryproductivityingramsoforganicmaterialpersquaremeterperyearofsometerrestrialandaquaticecosystemsNETPRIMARYPRODUCTIVITY第10页，课件共74页，创作于2023年2月地球上初级生产力的分布不同生态系统类型的初级生产力不同陆地比水域的初级生产力总量大陆地上初级生产力有随纬度增加逐渐降低的趋势海洋中初级生产力由河口湾向大陆架和大洋区逐渐降低生态系统的初级生产力随群落的演替而变化水体和陆地生态系统的生产力有垂直变化初级生产力随季节变化第11页，课件共74页，创作于2023年2月初级生产力随群落的演替而变化第12页，课件共74页，创作于2023年2月初级生产力的分布生产力极低的区域：1000kcal/m2.yr或者更少大部分海洋和荒漠；辽阔的海洋缺少营养物质，荒漠主要是缺水中等生产力区域：1000-10000kcal/m2.yr许多草地、沿海区域、深湖和一些农田高生产力的区域：10000-20000kcal/m2.yr或者更多大部分湿地生态系统、河口湾、泉水、珊瑚礁、热带雨林和精耕细作的农田、冲积平原上的植物群落等得到了额外的自然能量和营养物质热带森林面积占5%，生产力占28%水域、河口湾、海藻床和珊瑚礁等面积占0.4%，生产力占2.3%赤道附近区域、北、南半球中温带第13页，课件共74页，创作于2023年2月初级生产的生产效率第14页，课件共74页，创作于2023年2月最适条件下的初级生产力第15页，课件共74页，创作于2023年2月不同生态系统类型初级生产效率生产效率=被固定的光能/入射光能(1)玉米地(2)荒地(3)Mendota湖(4)CedarBog湖第16页，课件共74页，创作于2023年2月玉米地第17页，课件共74页，创作于2023年2月荒地总初级生产量与入射日光能的比值为1.2%，呼吸占总初级生产量的15.1%。第18页，课件共74页，创作于2023年2月Mendota湖总初级生产量与入射日光能的比值为0.40%，呼吸占总初级生产量的22.30%。第19页，课件共74页，创作于2023年2月CedarBog湖总初级生产量与入射日光能的比值为0.10%，呼吸占总初级生产量的21.00%。第20页，课件共74页，创作于2023年2月初级生产量的限制因素第21页，课件共74页，创作于2023年2月陆地生态系统辐射强度和日照时间：光强升高，光照时间长，提高产量光合途径：光合作用途径的不同，直接影响初级生产力的高低水：光合作用的原料，缺水显著抑制光合速率温度：温度升高，总光合速率升高营养元素二氧化碳第22页，课件共74页，创作于2023年2月辐射强度Fig.AnnualaveragesolarradiationreachingtheEarth’ssurface.第23页，课件共74页，创作于2023年2月C3、C3植物的光合速率Fig.Photosyntheticrateasafunctionoflightintensityinredoak,aC3plant,andinpigweed,aC4plant.第24页，课件共74页，创作于2023年2月降水Fig.Changeinnetproductivityalongaprecipitationgradient.第25页，课件共74页，创作于2023年2月南极干谷Fig.AnAntarcticdryvalley.第26页，课件共74页，创作于2023年2月土壤水分蒸发Fig.TherateofnetprimaryproductionasafunctionofactualevapotranspirationmeasuredinseveralgrasslandsitesintheUS.第27页，课件共74页，创作于2023年2月温度第28页，课件共74页，创作于2023年2月营养元素第29页，课件共74页，创作于2023年2月营养元素Thiskindofanalysisquantifiestherelativelimitationeffectsinawaythatallowscomparisonacrossnutrientsandhabitats.第30页，课件共74页，创作于2023年2月二氧化碳第31页，课件共74页，创作于2023年2月Fire刺激生长与繁殖第32页，课件共74页，创作于2023年2月Fire的影响第33页，课件共74页，创作于2023年2月水域生态系统光P=R*C*3.7/kP：浮游植物的净初级生产力，R：相对光合率，k：光强度随水深度而减弱的衰变系数，C：水中的叶绿素含量营养物质：N/P由于缺乏营养物质，海洋生产力偏低肥沃土壤可含0.5%的氮，富饶的海水含氮量仅为其0.1‰食草动物第34页，课件共74页，创作于2023年2月初级生产量的测定方法收获量测定法氧气测定法二氧化碳测定法放射性标记物测定法叶绿素测定法第35页，课件共74页，创作于2023年2月收获量测定法陆生定期收获植被，烘干至恒重以每年每平方米的干物质重量表示以其生物量的产出测定，但位于地下的生物量，难以测定地下的部分可以占有40%至85%的总生产量，因此不能省略第36页，课件共74页，创作于2023年2月氧气测定法通过氧气变化量测定总初级生产量1927年T.Garder,H.H.Gran用于测定海洋生态系统生产量从一定深度取自养生物的水样，分装在体积为125-300ml的白瓶(透光)、黑瓶(不透光)和对照瓶中对照瓶测定初始的溶氧量IB黑白瓶放置在取水样的深度，间隔一定时间取出，用化学滴定测定黑白瓶的的含氧量DB、LB计算呼吸量(IB-DB)，净生产量(LB-IB)，总生产量(LB-DB)第37页，课件共74页，创作于2023年2月二氧化碳测定法用塑料罩将生物的一部分套住测定进入和抽出空气中的CO2透明罩：测定净初级生产量暗罩：测定呼吸量第38页，课件共74页，创作于2023年2月放射性标记物测定法用放射性14C測定其吸收量，即光合作用固定的碳量放射性14C以碳酸盐的形式提供，放入含有自然水体浮游植物的样瓶中，沉入水中经过一定时间，滤出浮游植物，干燥后在计数器测定放射活性，然后计算：14CO2/CO2=14C6H12O6/C6H12O6确定光合作用固定的碳量需用“暗呼吸”作校正第39页，课件共74页，创作于2023年2月叶绿素测定法植物定期取样丙酮提取叶绿素分光光度计测定叶绿素浓度每单位叶绿素的光合作用是一定的，通过测定叶绿素的含量计算取样面积的初级生产量第40页，课件共74页，创作于2023年2月生态系统中的次级生产次级生产过程次级生产量的测定次级生产的生态效率第41页，课件共74页，创作于2023年2月个体内的能量过程第42页，课件共74页，创作于2023年2月次级生产量的生产过程第43页，课件共74页，创作于2023年2月未捕获(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次级生产量第44页，课件共74页，创作于2023年2月能量收支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：净次级生产量R：呼吸能量第45页，课件共74页，创作于2023年2月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：个体增重第46页，课件共74页，创作于2023年2月次级生产的生态效率消费效率：食草动物对植物净生产量的利用植物种群增长率高，世代短，更新快，被利用的百分比高草本植物维管束少，能提供较多的净初级生产量浮游动物利用的净初级生产量比例最高食肉动物对猎物的消费效率研究较少脊椎动物捕食者50～100%，无脊椎动物捕食者25%同化效率草食、碎食动物同化效率低，肉食动物高生长效率肉食动物的净生长率低于草食动物不同动物类群有不同的生长效率第47页，课件共74页，创作于2023年2月生长效率第48页，课件共74页，创作于2023年2月林德曼效率第49页，课件共74页，创作于2023年2月生态系统中的分解分解过程的性质分解者生物资源质量理化环境对分解的影响第50页，课件共74页，创作于2023年2月分解过程的性质概念：死有机物质的逐步降解过程将有机物还原为无机物，释放能量意义：建立和维持全球生态系统的动态平衡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维持大气中CO2浓度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改善土壤物理性状第51页，课件共74页，创作于2023年2月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

第52页，课件共74页，创作于2023年2月影响分解过程的因素分解者生物资源质量理化性质第53页，课件共74页，创作于2023年2月分解者生物微生物(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动物类群陆地分解者动物主要是食碎屑的无脊椎动物小型：100μm以下，不能碎裂枯枝落叶，属粘附类型中型：100μm-2mm，调节微生物种群的大小和处理和加工大型动物粪便大型和巨型：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水生系统动物的分解过程分为搜集、刮取、粉碎、取食或捕食等几个环节碎裂者：以落入河流中的树叶为食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刮食者：其口器适应在石砾表面刮取藻类和死有机物以藻类为食的食草性动物捕食动物：以其他物脊椎动物为食第54页，课件共74页，创作于2023年2月资源质量物理、化学性质影响分解速率物理性质：表面特性和机械结构化学性质：随其化学组成而不同单糖分解快，一年失重99%>半纤维>纤维素>木质素C:N第55页，课件共74页，创作于2023年2月理化环境对分解的影响水热条件温度高、湿度大的地带，有机质分解速率高低温干燥地带，分解速率低分解速度随纬度增高而降低(热带雨林—温带森林—冻原)；分解生物的相对作用无脊动物在地球上的分布随纬度的变化呈现地带性的变化规律低纬度热带地区起作用的主要是大型土壤动物，其分解作用明显高于温带和寒带高纬度寒温带和冻原地区多为中、小型动物，它们对物质分解起的作用很小第56页，课件共74页，创作于2023年2月分解速率和有机物积累与唯独第57页，课件共74页，创作于2023年2月分解指数K=I/XK：分解指数，I：死有机物年输入总量，X：系统中死有机物质现存量规律：热带雨林最高温带草地高于温带阔叶林冻原最低第58页，课件共74页，创作于2023年2月生态系统中的能量流动研究能流传递的热力学定律食物链层次上的能流分析生态系统层次上的能流分析异养生态系统的能流分析分解者和消费者在能流中的相对作用第59页，课件共74页，创作于2023年2月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中的能量转换和传递过程，都可以根据热力学第一定律进行定量计算，并列出平衡式和编制能量平衡表第60页，课件共74页，创作于2023年2月EnergyFlowintheEnvironmentDuringphotosynthesis,plantscapturetheenergyofsunlightandstoreitinATP,sugar,andotherhigh-energycarbohydratessynthesizedfromcarbondioxideandwater.Oxygenisreleasedasabyproduct.第61页，课件共74页，创作于2023年2月HeatHeatProducerPrimary

ConsumerSecondary

ConsumerDetritus

FeedersHeatChemicalenergyEnergyTransferandLoss第62页，课件共74页，创作于2023年2月热力学定律热力学第二定律

(熵定律)在能量传递和转化过程中，除了一部分传递和作功外，总有一部分以热的形式消散，使系统的熵增加熵是系统无序性的指标，是系统热量与温度之比若用熵概念表示热力学第二定律内能不变的封闭系统中，其熵值只朝一个方向变化，常增不减开放系统的一切过程使系统与环境熵值之和增加生态系统是一个开放系统，它不断地与环境进行着各种形式能量的交换。通过光合同化，引入负熵；通过呼吸，把正熵值转出系统第63页，课件共74页，创作于2023年2月热力学的两个定律熱力学的两个定律：第一定律：A=B+C第二定律：C<A第64页，课件共74页，创作于2023年2月生态系统中的能源太阳辐射能是生态系统中的能量的最主要来源太阳辐射中的红外线的主要作用是产生热效应，形成生物的热环境紫外线具有消毒灭菌和促进维生素D生成的生物学效应可见光为植物光合作用提供能源辅助能辅助能不能直接转换为生物化学潜能，但可以促进辐射能的转化对生态系统中光合产物的形成、物质循环、生物的生存和繁殖起着极大的辅助作用辅助能分为自然辅助能(如如潮汐作用、风力作用、降水和蒸发作用)和人工辅助能(如施肥、灌溉等)。第65页，课件共74页，创作于2023年2月生态系统中能量流动的主要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生态系统是开放的系统，某些物质还可通过系统的边界输入、输出系统。如动物迁移，水流的携带，人为的补充等第66页，课件共74页，创作于2023年2月能量是单向性和逐级减少生态系统能量的流动是单一方向的能量以光能的状态进入生态系统后，就不能再以光的形式存在，而是以热的形式不断地逸散于环境中

从太阳辐射能到被生产者固定，再经植食动物，到肉食动物，再到大型肉食动物，能量是逐级递减的过程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第67页，课件共74页，创作于2023年2月食物链层次上的能流分析第68页，课件共74页，创作于2023年2月PG=208.10PN=88.33A=33.68P=14.78A=3.83P=0.67A=0.21P=0.06A=50.60P=4.60IIIⅢⅣ分119.7718.903.160.1346.0025.0,输出4.86输入总/净生产呼吸效率0.4260.4400.1760.2860.091营养级总PNC=20.14R总＝187.96单位：kcal•m-2•yr-1生态系统层次上的能流分析

银泉生态系统能流示意第69页，课件共74页，创作于2023年2月未吸收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-199.9%总初级生产GP=464.70.1%食草动物H=62.8食肉动物