生态系统的能量流动与信息流

关于生态系统的能量流动与信息流主要内容第一节生态系统中的能量与能量环境第二节生态系统的生产力—初级生产第三节生态系统的生产力—次级生产第四节生态系统的分解第五节生态系统中的能量流动第六节生态系统中的信息流动第2页,共72页，2024年2月25日，星期天重点内容生态系统的生产力—初级生产生态系统的生产力—次级生产生态系统的分解生态系统食物链中能量的流动第3页,共72页，2024年2月25日，星期天第一节、生态系统中的能量与能量环境生态系统的基本驱动力—能量生态系统能量流动的基本规律热力学第一定律热力学第二定律第4页,共72页，2024年2月25日，星期天一、生态系统的基本驱动力—能量能量：是指物体或者系统做功的能力。能量有多种形式，按运动方式分：动能：指正在做功的能量，如风能、水能等。潜能：指尚未做功，但有做功的潜在能力，如生物能、化学能。第5页,共72页，2024年2月25日，星期天一切生命活动都需要能量推动，或者说：生命过程是能量聚、散的过程。能量是地球上生物生存和生态系统发展的根本驱动力地球上基本能量来源？太阳的辐射能没有太阳能就没有地球上丰富多彩的生命和生态系统。第6页,共72页，2024年2月25日，星期天二、生态系统能量流动的基本规律生态系统的能流过程生态系统的能流主要是动能和潜能的传递与转换。生态系统的动能（生物与环境之间）是指生物与环境之间以传导和对流形式互相传递和转化的一种能量，包括热、辐射的相互传递。第7页,共72页，2024年2月25日，星期天生态系统的潜能（生物与生物之间）是绿色植物（生产者）通过光合作用贮藏在光合产物化学键之内，处于静态的能量。这部分能量是固定态的能，难以流动。只有通过其他生物（如消费者、分解者）的取食、利用，在生物之间传递和转化，才能实现流动（逐级传递）。我们将生物与环境之间、生物与生物之间能量的传递和转化过程称作生态系统的能流过程。第8页,共72页，2024年2月25日，星期天生态系统能流渠道（途径）生物与环境的直接交换食物链传递能量沿着食物链的一个个环节或营养级，向下传递，而实现流动。第9页,共72页，2024年2月25日，星期天生态系统能流服从（遵守）热力学定律热力学第一定律：即能量守恒定律在自然界发生的所有现象中，能量既不能消失，也不能凭空产生，只能由一种形式变为另一形式。热力学第二定律：即能量递减规律在封闭系统中，一切过程都伴随着能量的改变，在能量传递和转化过程中，除了一部分可以继续传递和作功的能量（自由能）外，总有一部分不能继续传递和做功，而以热的形式消散，这部分能量使系统的熵和无序性增加。是一个参数，用来形容一个系统的混乱程度，熵值越大，表明能量分布越均匀第10页,共72页，2024年2月25日，星期天12.5+62.8+293+96.3=464.6第11页,共72页，2024年2月25日，星期天生产者通过光合作用将简单的无机物合成复杂的有机物质，使得植物生物量增加，是一种生产过程消费者通过摄取植物的制造的有机物质，经过消化分解后，最后合成自身所需营养物质，从而使得动物生物量增加，所以也可称为生产过程初级生产或第一性生产次级生产或第二性生产第12页,共72页，2024年2月25日，星期天第二节、生态系统的生产力-初级生产自养生物（主要：植物）的生产过程称为初级生产，其提供的生产力为初级生产力。自养生物（主要：植物）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。第13页,共72页，2024年2月25日，星期天一、初级生产的基本概念（总）初级生产量（第一性生产量）GP在初级生产过程中，植物所固定的太阳能或所制造的有机物质—同化量A。一部分被植物自身呼吸所消耗：R剩下用于自身的生长繁殖：NP，净初级生产量。可供其它生物利用第14页,共72页，2024年2月25日，星期天总初级生产量(GP)、呼吸所耗能量(R)和净初级生产量(NP)三者之间的关系是：第15页,共72页，2024年2月25日，星期天区别生产量与生物量生产量：单位面积、单位时间内的有机物质生产量[J/（m2·a）]生物量：是指某一时刻调查时单位面积上积存的有机物质—干重[J/m2]或[g/m2]。群落演替过程中生产量与生物量的变化趋势如何？第16页,共72页，2024年2月25日，星期天演替初期,生物量较低,因此固定太阳能形成有机物质的速率低(即总初级生产量低)。随着演替的进行,生物量不断积累,系统的初级生产量也不断提高。对于净初级生产量而言，并不一定随着生物量增高而增高，为什么？第17页,共72页，2024年2月25日，星期天初级生产力的分布海洋与陆地比较陆地〉海洋海洋河口湾〉大陆架〉大洋区陆地热带雨林第一；湿地第二第18页,共72页，2024年2月25日，星期天初级生产力的分布全球陆地年净初级生产总量为115×109t干物质，海洋的为55×109t干物质。海洋约占地球表面的2／3，但净初级生产量只占1／3。在海洋中，由河口湾向大陆架到大洋区，单位面积净初级生产量和生物量有明显降低的趋势。在陆地上，热带雨林生产量是很高的，年平均2200g／m2；湿地(沼泽和盐沼)生产量年平均可达到2000g／m2；疏林及灌丛年平均为700g／m2。(表10-1)。第19页,共72页，2024年2月25日，星期天1.17×1078.2×1062.6×1063.5×1065.6×1064.554g/(m2·d)二、初级生产的生产效率最大光合效率第20页,共72页，2024年2月25日，星期天20世纪40年代以来，对各生态系统的初级生产效率所作的大量研究表明，在自然条件下，总初级生产效率很难超过3％。一般说来，在富饶肥沃的地区总初级生产效率可以达到1％~2％；而在贫瘠荒凉的地区大约只有0.1％。就全球平均来说，总初级生产效率大概是0.2％~0.5％。第21页,共72页，2024年2月25日，星期天三、初级生产量的限制因素陆地生态系统NPR取食光①CO2②③H2O④营养⑤光合作用生物量GPO2＋温度⑥⑦第22页,共72页，2024年2月25日，星期天光合作用率光强度BACPsp补偿点饱和点光照影响第23页,共72页，2024年2月25日，星期天温度影响

在一定温度范围内，生物生长的速率与温度成正比，但是温度超过生物体内酶活性的最高温度后，将会使得生物生长受阻甚至死亡。第24页,共72页，2024年2月25日，星期天水对动植物生长发育的影响植物水分对植物生长有最低、最适和最高量的三基点。低于最低点，植物萎蔫、生长停止，高于最高点，根系缺氧、窒息、烂根。动物水分不足时，引起动物的滞育和休眠；许多动物的周期性繁殖与降水季节密切相关。水影响第25页,共72页，2024年2月25日，星期天近年研究还发现一普遍规律：地面净初级生产量与植物光合作用中氮的最高积聚量呈密切的正相关。N、P、K施肥都能增加初级生产量。土壤影响第26页,共72页，2024年2月25日，星期天 缺磷：植株深绿，常呈红色或紫色，干燥时暗绿。茎短而细，基部叶片变黄，开花推迟，种子小不饱满。

缺氮：植株浅绿、基部老叶变黄，干燥时呈褐色。茎短而细，分枝或分蘖少。若果树缺氮则表现为果小、果少、果皮硬等现象。

缺钾：老叶沿叶缘首先黄化，严重时叶缘呈灼烧状。第27页,共72页，2024年2月25日，星期天水域生态系统海洋浮游植物的净初级生产力取决于太阳的日总辐射量、水中的叶绿素含量和光强度随水深而减弱的衰变系数。第28页,共72页，2024年2月25日，星期天四、初级生产量的测定方法收获量测定法用于陆地生态系统。定期收割植被，干燥到恒重，然后以每年每平方米的干物质重量表示。取样测定干物质的热当量，并将生物量换算为J／(m2·a)。为了使结果更精确，可在整个生长季中多次取样，并测定各个物种所占的比重。第29页,共72页，2024年2月25日，星期天氧气测定法总初级生产量＝净初级生产量＋呼吸量也叫黑白瓶法适合于水生生态系统第30页,共72页，2024年2月25日，星期天黑瓶（呼吸作用）D1对照瓶（原始浓度）D0

白瓶(净初级生产作用)D2放置于水样深度处一定时间后，测各瓶的含氧量变化，求初级生产量。第31页,共72页，2024年2月25日，星期天二氧化碳测定法原理方法基本与氧气测定法一样夜晚：初始：X1及时：X2CO2浓度白天：初始：X3及时：X4第32页,共72页，2024年2月25日，星期天生产者通过光合作用将简单的无机物合成复杂的有机物质，使得植物生物量增加，是一种生产过程消费者通过摄取植物的制造的有机物质，经过消化分解后，最后合成自身所需营养物质，从而使得动物生物量增加，所以也可称为生产过程初级生产或第一性生产次级生产或第二性生产第33页,共72页，2024年2月25日，星期天第三节、生态系统的生产力—次级生产次级生产过程是异养生物的再生产过程。对于次级生产来说，净初级生产量其所需能量的惟一来源。初级生产的能量来源主要是？如果初级生产量全部被动物利用，可否全部转化为次级生产量？第34页,共72页，2024年2月25日，星期天次级生产量：在被动物同化的能量中，有一部分用于动物的呼吸代谢和生命的维持，这一部分能最终将以热的形式消散掉，剩下的那部分才能用于动物的生长和繁殖，这就是次级生产量。用于动物生长繁殖的能量如：肉、蛋、奶、毛皮、骨骼、血液以及各个器官均属于次级生产量范畴。第35页,共72页，2024年2月25日，星期天一、次级生产一般过程图10-2次级生产过程普适模型包括植食动物和食肉动物。对植食动物来说，食物种群是指植物(净初级生产量)，对食肉动物来说，食物种群是指动物(净次级生产量)。第36页,共72页，2024年2月25日，星期天对一个动物种群来说，其能量收支情况可以用下列公式表示：C=A+FU

式中：C——动物从外界摄食的能量；

A——被同化能量；

FU——粪、尿能量。其中：A项又可分解如下：A=P+R

式中：P——净次级生产量；

R——呼吸能量。综合上述两式可以得到：P=C-FU-R第37页,共72页，2024年2月25日，星期天二、次级生产量的测定1、按已知同化量A和呼吸量R，估计生产量P：

P=C-Fu-R，Fu-尿粪量2、根据个体生长或增重的部分Pg和新生个体重Pr，估计P：

P＝Pg＋Pr3、根据生物量净变化△B和死亡损失E，估计P：

P＝△B＋E第38页,共72页，2024年2月25日，星期天P＝Pg＋Pr=20+30-10-10+10+10+10+10=70

P＝△B＋E=30+10+10+20=70第39页,共72页，2024年2月25日，星期天三、次级生产的生态效率表10-4几种生态系统中食草动物利用植物净生产量的比例第40页,共72页，2024年2月25日，星期天由表10-4可知：植物种群增长率高、世代短、更新快，其被利用的比例就较高；草本植物的支持组织比木本植物的少，能提供更多净初级生产量为食草动物利用小型的浮游植物的消费者(浮游动物)密度很大，利用净初级生产量比例最高。第41页,共72页，2024年2月25日，星期天同化效率？同化效率食肉动物>食草动物净生长效率食草动物>食肉动物食草动物与食肉动物的同化效率、净生长效率比较净生长效率？生长效率与呼吸作用有很好的负相关性第42页,共72页，2024年2月25日，星期天生产效率随动物类群而异。一般说来，无脊椎动物有较高的生产效率，约30％~40％（最高）外温性脊椎动物居中，约10％（居中）内温性脊椎动物很低，仅1％~2％，它们为维持恒定体温消耗很多同化能量（最低）不同动物类群的净生长效率比较第43页,共72页，2024年2月25日，星期天表10-5各类群动物的生长效率第44页,共72页，2024年2月25日，星期天

假设你像小说中的鲁滨逊一样，流落到一个不毛的荒岛上，那里除了有能饮用的水之外，几乎没有任何食物，你随身携带的食物只有5千克玉米和一只母鸡。你认为哪种生存策略能让你维持更长的时间来等待救援？（）

A.先吃鸡，然后吃玉米。

B.先吃玉米，同时用一部分玉米喂鸡，吃鸡产下的蛋，最后吃鸡。鸡人玉米玉米人鸡A第45页,共72页，2024年2月25日，星期天第四节、生态系统的分解

把动植物残体中的复杂有机物分解为生产者能重新利用的简单的化合物，并释放出能量的过程。微生物、土壤原生动物、小型无脊椎动物一、分解过程是不是所有的微生物都是分解者？是不是所有的土壤动物都是分解者？第46页,共72页，2024年2月25日，星期天分解过程碎裂：由于物理和生物的作用，把尸体分解成为颗粒状的碎屑。异化：有机物质在酶的作用下分解，从聚合体变成单体。淋溶：可溶性物质被水淋洗出。交叉进行、彼此影响第47页,共72页，2024年2月25日，星期天分解过程的意义：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二氧化碳的浓度稳定和提高土壤有机质含量，为碎屑食物链以后各级生物生产食物改善土壤物理性状，改造地球表面惰性物质第48页,共72页，2024年2月25日，星期天澳大利亚引进异地金龟处理牛粪

澳洲大陆与其他陆地隔离，生物区系独特，当地繁殖的最大兽类是有袋类的大袋鼠。 移民于1788年运去了第一批5头奶牛和2头公牛，到19世纪未超过4500万头。 每天约有4.5亿堆又大又湿的牛粪。而当地的金龟子主要取食干硬的袋鼠粪，而对软而湿的牛粪不感兴趣。 由于当地缺乏分解牛粪的生物，牛粪在草原上风干硬化，几年内都难以分解，日积月积，牛粪数量惊人。牛粪覆盖并破坏大面积草原，形成草原上的一块块秃斑。每年被毁的牧场竟达3600万亩。

据实验两头金龟子一前一后，能将100克牛粪在30~40小时内，滚成球，埋入土层里，以备子代食用。由于牛粪中的蝇卵需96小时后才能孵化为幼虫，牛粪埋入地下，蝇类无法孵化。因此，金龟子消除了牛粪，又破坏了蝇类滋生的条件。为此，60年代，澳大利亚引入了羚羊粪蜣(Onthophagusgazella)和神农蜣螂(Catharsiusmolossus)等异地金龟，对分解牛粪发挥了明显的作用。第49页,共72页，2024年2月25日，星期天影响分解过程的因素分解者的生物种类待分解资源的质量分解时的理化性质第50页,共72页，2024年2月25日，星期天二、分解者细菌和真菌第51页,共72页，2024年2月25日，星期天动物（陆地生态系统）小型土壤动物体宽<100μm，原生动物、线虫、轮虫。中型土壤动物体宽100μm~2mm，弹尾目昆虫、螨、蚯蚓、双翅目幼虫、小型甲虫。大型土壤动物（巨型）大型体宽2~20mm，巨型体宽>20mm，千足虫、蜗牛、较大的蚯蚓等。第52页,共72页，2024年2月25日，星期天动物（水域生态系统）碎裂者：石蝇幼虫，以落入河流的树叶为食物。颗粒状有机物质搜集者摇蚊幼虫和颤蚓，从沉积物中搜集食物；纹石娥幼虫，从水体中滤食有机颗粒。刮食者：蝙蜉蝣幼虫。以藻类为食的食草性动物。捕食动物：蚂蝗、蜻蜓幼虫。第53页,共72页，2024年2月25日，星期天三、待分解资源的质量待分解资源的物理性质表面特性、机械结构待分解资源的化学性质化学组成单糖>半纤维素>纤维素>木质素>蜡>酚第54页,共72页，2024年2月25日，星期天温度高、湿度大有利于分解过程。四、分解时的理化环境青藏高原的高寒草甸生态系统：1、微生物分解者种群高峰出现在6月中旬~9月，10月后就迅速减少；2、反映分解速率的CO2释放量或土壤呼吸率，5月中旬最低，高峰期为7月中旬~8月中旬；8月份之后就迅速减少。第55页,共72页，2024年2月25日，星期天第五节、生态系统中的能量流动生态系统食物链的能量流动生态系统中的能量流动异养生态系统的能流分析生态系统的能流模型第56页,共72页，2024年2月25日，星期天热力学第一定律：即能量守恒定律在自然界发生的所有现象中，能量既不能消失，也不能凭空产生，只能由一种形式变为另一形式。热力学第二定律：即能量递减规律在封闭系统中，一切过程都伴随着能量的改变，在能量传递和转化过程中，除了一部分可以继续传递和作功的能量（自由能）外，总有一部分不能继续传递和做功，而以热的形式消散，这部分能量使系统的熵和无序性增加。第57页,共72页，2024年2月25日，星期天能量在生态系统中的流动，一部分以热能的形式散失外，另外一部分会沿着食物链传递，数量上逐渐的减少，质量逐渐提高。第58页,共72页，2024年2月25日，星期天问：假设植物提供的净初级生产量为X[J/（m2*a）]田鼠用于生长、生殖的能量是多少？鼬用于生长、生殖的能量是多少？一、生态系统食物链的能量流动第59页,共72页，2024年2月25日，星期天在能量传递过程中，未被利用的能量占绝大多数，级别越高，呼吸作用越来越强（21%、30%、60%）二、生态系统中的能量流动第60页,共72页，2024年2月25日，星期天三、异养生态系统自养生物：能够通过自身将无机物合成有机物，分为光能合成（各种绿色植物或藻类）和化能合成（如硝酸杆菌，亚硝酸杆菌）异样生物：不能通过自身将无机物合成有机物，只能通过摄取有机物维持新陈代谢。自养生态系统：直接依靠太阳能的输入维持其功能的生态系统。异样生态系统：主要依靠其他生态系统所产生的有机物输入维持自身的生存。

第61页,共72页，2024年2月25日，星期天结论自养型生态系统与异养型生态系统的根本区别是什么？系统中是否存在生产者异样生态系统一般很小

第62页,共72页，2024年2月25日，星期天第六节、生态系统中的信息流动生态系统信息的基本特征信息与信息量生态系统信息的基本特征生态系统中的信息类型第63页,共72页，2024年2月25日，星期天1、信息与信息量信息：源于通信工程学，通常是指包含在情报、信号、消息、指令、数据、图像等传播形式中新的知识内容。能量和信息是物质的两个主要属性。信息的传输不仅要求信源和信宿间要有信道沟通，还要求源和宿之间存在信息量的差值，称为信息势差。信息势差越大，信道中的信息流也越大。第64页,共72页，2024年2月25日，星期天2、生态系统信息的基本特征生态系统的信息多样性信息既可来自生物类群,也有非生物信息,包括物理的、化学的和生物的不同性质的信息.信