《农业生态学》第四章-能量流动课件

生态系统的功能能量流动第四章本章纲要第一节能量流动遵循的规律一、能量转移及其有关概念（一）能的概念一、能量转移及其有关概念（一）能的概念化学能：以有机物质形式存在。二、生态系统中能量的主要来源太阳辐射光谱分布图紫外线（<），具较强的组织穿透能力和破坏能力；提高植物组织中的蛋白质和纤维素含量，杀死微生物；可见光():红外线（>），产生热效应，有助于形成生物生长的热量环境生态系统中能量来源类型太阳能自然辅助能人工辅助能风能水流能地热能潮汐能降雨能人力畜力燃料电力机械饲（肥）料农（兽）药农用薄膜除绿光外，其他光都能被植物吸收；红橙光是植物叶绿素最易吸收部分；红橙光是光合作用主要能源能量转移植物利用太阳能，通过光合作用生产食物能，食物能通过食物链和食物网，从一个营养级传递到另一个营养级。太阳能绿色植物食草动物食肉动物三、农业生态系统遵守能量流动的基本规律三、农业生态系统遵守能量流动的基本规律（一）热力学第一定律又称能量守恒和转化原理，即能量既不能创造又不能消灭，能量的形式是可以转化的。各种形式的能量之间严格的按一定比例由一种形式转变为另一种形式，如热能和动能的转化关系为：卡焦耳一个系统内能的变化(）等于系统吸收的能量（）减去系统对环境所作的功()，–

三、农业生态系统遵守能量流动的基本规律（二）热力学第二定律生态系统的能流能流特征单向流动；逐级递减。能量流动的方向和量度三、农业生态系统遵守能量流动的基本规律

（三）耗散结构理论普里高津耗散结构理论三、农业生态系统遵守能量流动的基本规律

(四)热力学定律在农业生态系统中的应用第一节能量流动遵循的规律小结第二节初级生产的能量转化基本概念初级生产：是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量转化成有机体化学能，并贮存起来的过程。奠定生态系统能量流动的基础。自养生物（初级生产者）：包括绿色植物和化能合成细菌初级生产力一、初级生产中的能量平衡二.不同种类植物的光合能力差异较大三、初级生产力的分布初级生产力是制约因子？生物圈初级生产力的多少是决定地球对人口及动物承载能力的重要依据。光照、温度、水分、养分等因子中，水分>热量>养分初级生产力分布根据净初级生产力，生态系统划分为个等级：.农业生态系统的初级生产力（）农田人均占有量（世界平均水平）中国耕地林地草地总体质量不高，中低产土壤仍占耕地面积的，可供开垦的后备土壤资源十分有限，土壤资源短缺的压力将愈来愈大。我国年总耕地面积亿亩，居世界第四,

人均耕地亩,不足世界人均数的一半按农业人口算，人均耕地面积是世界平均值（亩）的，印度的，俄罗斯的，美国的

改革开放二十多年来，我国农业实施高效集约化生产，取得了巨大成就－年连续年粮食总产量下滑，严重威胁我国粮食的数量安全，已亮出红牌！由于中央的高度重视，近年粮食产量有所回升，但面对亿人口，粮食安全始终是首要问题。年粮食人均占有量仅为公斤，比粮食安全系数公斤还低公斤，引起国家领导人的重视（）草原生产力低占国土，％草原在退化。主要原因：牧场超载和毁草开荒。中国美国草原面积亿公顷亿公顷各国产肉量总产中国草原单产为世界平均％。我国每年花大量的粮食去转化成猪肉。（）森林森林覆盖率：年，中国完成造林亿亩，义务植树亿株。人工林保存面积达亿亩，居世界首位。全球年均减少森林约亿亩，而中国年均增加森林多万亩，人工林已占到世界人工林面积近，增长最快。贾治邦说，力争到年全国森林覆盖率达到！世界各国森林覆盖率：日本,韩国,挪威左右,瑞典,巴西,加拿大,德国,美国.法国,印度。全球森林主要集中在南美、俄罗斯、中非和东南亚。这个地区占有全世界的森林。全世界平均的森林覆盖率为％，北美洲为％，南美洲和欧洲均为％左右，亚洲为％，太平洋地区为％，非洲仅％。.初级生产力测定的方法主要分为直接测定和间接测定.初级生产力的测定方法.初级生产力的估算模型.初级生产力的估算模型环境资源分析阶段建模阶段计量阶段控制阶段环境因素光照热量水分养分()()()()()()()()()()难控因子、地区间差异小光能生产潜力光温生产潜力气候生产潜力土地生产潜力图作物生产力定量分析过程与模型限制因素分析.初级生产力的限制因素光能利用效率定义：指植物光合作用所累积的有机物质所含能量占照射在单位面积上的日光能量的比率。落到地面100%反射10-15%透射5%吸收80-85.5%光合利用0.5-3.5%蒸腾损失76.5-84.5%四、提高农业初级生产力的途径四、提高农业初级生产力的途径、选育高光效抗逆性强的优良品种绿色革命：短杆、杂交稻、超级稻由袁隆平院士主持中国超级稻计划始于年，确定超级稻育种的一、二、三期目标。第一期育种目标到年亩产达到公斤；第二期育种目标到年亩产达到公斤；第三期育种目标到年亩产达到公斤。:水干物质；:干物质未来干物质耗水由降到、选育高光效抗逆性强的优良品种按２％光能利用率计，一季稻亩产可达。三结合技术：优良的株型；强大的亚种间杂种优势；高光效的Ｃ基因袁隆平“百亩片”试验田亩产首次突破公斤（年月摄）、保护农业环境，治理生态退化，改善农业生产的资源环境条件，建立可持续农业生产体系。农业产量只有气候生产潜力；化肥利用率和灌溉水利用率约；病虫害造成谷物、棉花、果蔬减产、、。光合作用研究与作物化改造赵明作物栽培与生理系中国农业科学院作物科学研究所主题：现代作物生理学进展和粮食丰产机理第十三次中国作物生理学术研讨会（扬州）一、光能利用的多层过程控制作物的产量的本质是光合作用，增产的根本途径是提高作物光能利用效率。目前大田作物光能利用效率不足，与理论计算值（作物，作物）相差甚远。其主要原因过程中的损失高。提高的多过程控制（一）减少光能损失就是提高产量光能截获、光能转化、碳同化的三大过程机制，探索高产突破的途径，一直是光合生理的重点。（）高光效利用（；，–）（）光合理想型（,:–）（）光能损耗的控制（:；:）（）光合机能衰退（....–；,–）（二）高产突破之路在于光合作用提高以矮杆基因利用为特色的第一次绿色革命主要提高收获指数，理想株型和杂种优势的利用进一步提高了光能的截获与分布，未来进一步提高产量要从光能利用的主要过程的高效调节机制进行技术突破，将引发新的绿色革命。二、高光效生理研究与应用(实例）以高产突破为目标，以提高光能利用效率为核心，以探明光能截获、光能转化、碳代谢高效调节机制为主线，以关键理论与技术创新为特色，构建作物高光效理论与技术工程。（一）高效光能利用框架本次重点作物产量形成的关键过程结构分配功能结实理论研究技术探讨产量生理网络结构（产量性能生理）本次重点水稻高光效种质创新与选育水稻高光效材料近缘种间杂交（）：转基因技术羧化、光合多部位多技术改造（二）高光合速率关键环节改良光能转化气孔调节、高光效野生资源的利用种差异性：大（光合速率、叶面积、比叶面积）高光合种：.、

()F1plantNo:F1FemaleparentsMaleparentsµmol/m2sµmol/m2sµmol/m2s1—20485-322.2±1.38ab26.9±2.48b26.0±2.00c2—20552-1021.7±2.13a19.1±1.19a29.8±1.55d3—20537-1220.2±2.52a21.1±1.19a25.5±1.56bc4—20342-320.6±1.80a20.0±2.47ab14.7±1.35a5—20515-1227.8±4.51b19.1±1.91a23.8±2.71b6—20472-632.5±1.78d20.2±2.47ab23.6±1.54b7—20557-1033.5±2.09d19.1±1.19a26.8±1.53c8—20495-129.6±0.91c26.3±1.30b27.17±1.35c1.71.42.0

代杂种光合速率高SelectedSHPindividualplantinF2wideseparatedpopulationF1withheterosisvigorinphotosynthesisParentsF1F2F3F4..杂交后代群体光合呈正态分布，相当一些材料的光合速率超过后代高光效植株筛选()()()代最高光合株在光氧化条件下超氧化歧化酶（），过氧化物酶（），过氧化氢酶（）个酶在个高光效后代中的表现不同；筛选出高光效杂交后代材料无论是活性还是原初光能转化效率都显著高于双亲。高光效杂交后代的抗光氧化能力显著高于亲本远缘杂交提高了NPT水稻的量子产量、表观羧化效率、饱和光合速率，降低了CO2补偿点、克隆了多个基因首次将稗草、谷子、甘蔗和的基因克隆与载体构建及转化植株，在水稻和蕃茄表现增产与抗旱能力显著提高（中国农大园艺系）。（三）转基因与抗旱性

()().■□、证明了转基因的光合速率的多样化，干旱条件的提高的频率较高

、正常条件、干旱条件、高温条件、明确了转基因提高干旱与高温条件下的光合速率，提高的程度随着光强增加而增加在干旱胁迫下，强光时转玉米基因水稻株系有较高的光合能力。：;：;：光响应特征、明确了转基因的光合特性优势随着干旱程度加剧而更加明显轻中重干旱胁迫下转基因水稻不仅将吸收的光能较多地转化为化学能，提高转能效率；而且也能将过剩的光能以热的形式耗散掉，以保护光合机构。光能转化效率增加，光保护性增强正常灌水条件下，转基因株系与对照的叶片和没有明显的差异，但随着干旱程度的增加，转基因株系明显高于对照，而明显低于对照。强光下叶片内玉米黄质产生水平可反映其通过叶黄素循环的能量耗散能力大小。干旱胁迫下，两个转基因株系玉米黄质含量明显高于对照。明显高于对照，而明显低于对照。超氧化物酶（）和过氧化物酶（）活性均诱导升高、积累较少旱：轻、中、重干旱胁迫下，与对照相比转基因水稻·产生速率较低，积累较少，表明转基因水稻株系具有较少的活性氧和膜脂过氧化物的产生和积累。随着干旱程度增加抗旱性指标差异增大、证明了转基因在旱作条件下中后期高光合特征明显。正常水分条件下，转基因株系和对照光合速率没有差异。而干旱胁迫下，转基因株系各个时期的光合速率均高于对照，其中开花期和灌浆期达到显著水平（和）。转基因中后期旱作条件下的光合优势与气孔阻抗变化相关干旱胁迫下，转基因株系高于对照，但差异不显著。转基因中后期旱作条件下的光合优势与无关，与有关干旱胁迫下，转基因株系各个时期的均高于对照，且开花期和灌浆期差异显著，但正常灌水条件下差异不明显。、证明了旱田条件下转基因不同株系光合特征不同（）旱条件光合与气孔差异显著干旱胁迫下，个转基因株系及均高于对照，其中和达到显著水平。干旱条件途径相关酶活性株间差异性明显干旱胁迫下，转基因水稻株系循环相关酶活性均有所增加，而对照却有所下降。干旱胁迫下，转基因株系活性高于对照，说明途径依然起着重要作用，而转基因株系比值均高于对照，和达到显著水平。说明干旱胁迫下，循环酶起着比循环酶更为重要的作用，从而使转基因水稻株系具有较强的光合优势。比值差异明显水田和旱地栽培条件下的产量特征（年）旱地水田株高（）±±±±主茎穗粒数±±±±分蘖数±±±±单株产量()±±±±千粒重（）、转基因提高旱作条件下的产量通过野生高光效的资源利用和转基因是作物光合改良的有效途径，光合作用与抗旱性在光合不同过程与关键代谢上存在着协调机制，通过栽培技术创新与生物及育种可以实现高光效与抗逆性的同步提高。第二节初级生产的能量转化小结第三节次级生产的能量转化基本概念次级生产:是指异养生物的生产,也就是生态系统消费者、分解者利用初级生产量进行的同化、生长发育、繁殖后代的过程。次级生产者（异养生物）：大农业中的畜牧水产业和虫、菌业生产都属次级生产。一、次级生产的能量平衡()()初级生产总量未食用部分食用部分同化量体增热消耗；维持能；运动消耗能固体排泄物；液体排泄物气体排泄物二、次级生产在生态系统中的地位和作用农业次级生产规模水平差异三、次级生产能量转化效率养殖业的饲料与产肉比率四、初级生产与次级生产的关系五、次级生产的改善途径五、次级生产的改善途径.调整种植业结构，建立粮经饲三元结构。粮食问题的实质就是饲料粮的短缺问题。坚持“以粮换肉”和“以草换肉”两条路走路。

.培育、改良、推广