生態(tài)系統(tǒng)中的能量流動課件

1、生態(tài)系統(tǒng)中的能量流動Page 1第十章第十章 生態(tài)系統(tǒng)的能量流與信息流生態(tài)系統(tǒng)的能量流與信息流n第一節(jié) 生態(tài)系統(tǒng)的初級生產n第二節(jié) 生態(tài)系統(tǒng)的次級生產n第三節(jié) 生態(tài)系統(tǒng)中的分解n第四節(jié) 生態(tài)系統(tǒng)中的能量流動n第五節(jié) 生態(tài)系統(tǒng)中的信息流生態(tài)系統(tǒng)中的能量流動Page 2一、初級生產的基本概念一、初級生產的基本概念 初級生產量或第一性生產量（初級生產量或第一性生產量（primary productionprimary production） 植物所固定的太陽能或所制造的有機物質植物所固定的太陽能或所制造的有機物質. . 凈初級生產量（凈初級生產量（net primary productionnet

2、primary production）: :在初級生產過在初級生產過程中，植物固定的能量有一部分被植物自己呼吸消耗掉，剩程中，植物固定的能量有一部分被植物自己呼吸消耗掉，剩下的用于植物生長和生殖，這部分生產量稱為凈初級生產量。下的用于植物生長和生殖，這部分生產量稱為凈初級生產量。 總初級生產量（總初級生產量（gross primary productiongross primary production） GP = NP + R NP = GP R 生產量生產量:指單位時間單位面積上的有機物質生產量。指單位時間單位面積上的有機物質生產量。 生物量：指在某一定時刻調查時單位面積上積存的有機物生物

3、量：指在某一定時刻調查時單位面積上積存的有機物 質，單位是克質，單位是克( (干重干重)/m)/m2 2或或J/mJ/m2 2。 第一節(jié)第一節(jié) 生態(tài)系統(tǒng)中的初級生產生態(tài)系統(tǒng)中的初級生產生態(tài)系統(tǒng)中的能量流動Page 3T生態(tài)系統(tǒng)中的能量流動Page 4二、初級生產力的分布二、初級生產力的分布生態(tài)系統(tǒng)中的能量流動Page 5 海洋凈初級生產力的季節(jié)變動是中等程度的，而陸地生產海洋凈初級生產力的季節(jié)變動是中等程度的，而陸地生產力的季節(jié)波動則明顯的大，夏季比冬季平均高力的季節(jié)波動則明顯的大，夏季比冬季平均高60%60%。 生態(tài)系統(tǒng)中的能量流動Page 6生態(tài)系統(tǒng)的初級生產量，還隨群落的演替而變化。生態(tài)

4、系統(tǒng)的初級生產量，還隨群落的演替而變化。 早期由于植物生物量很低，初級生產量不高。早期由于植物生物量很低，初級生產量不高。 一般森林在葉面積指數(shù)達到一般森林在葉面積指數(shù)達到4 4時，凈初級生產量最高時，凈初級生產量最高 但當生態(tài)系統(tǒng)發(fā)育成熟或演替達到頂極時，雖然生物量接但當生態(tài)系統(tǒng)發(fā)育成熟或演替達到頂極時，雖然生物量接 近最大，系統(tǒng)由于保持在一動態(tài)平衡中，凈生產量反而最小。近最大，系統(tǒng)由于保持在一動態(tài)平衡中，凈生產量反而最小。 水體和陸地生態(tài)系統(tǒng)的生產量都有垂直變化。 如森林，一般喬木層最高，灌木層次之，草被層更低。如森林，一般喬木層最高，灌木層次之，草被層更低。 水體也有類似的規(guī)律，不過水面

5、由于陽光直射，生產量水體也有類似的規(guī)律，不過水面由于陽光直射，生產量不是最高，最高的是深數(shù)不是最高，最高的是深數(shù)m m左右，并隨水的清晰度而變化。左右，并隨水的清晰度而變化。 生態(tài)系統(tǒng)中的能量流動Page 7二、初級生產的生產效率二、初級生產的生產效率生態(tài)系統(tǒng)中的能量流動Page 8（1）陸地生態(tài)系統(tǒng)陸地生態(tài)系統(tǒng) 光、光、COCO2 2、水和營養(yǎng)物質是初級生產量的基本資源，溫度是影響、水和營養(yǎng)物質是初級生產量的基本資源，溫度是影響光合效率的主要因素，而食草動物的捕食減少光合作用生物量。光合效率的主要因素，而食草動物的捕食減少光合作用生物量。 三、初級生產量的限制因素三、初級生產量的限制因素 生

6、態(tài)系統(tǒng)中的能量流動Page 9富養(yǎng)化富養(yǎng)化N,P造成湖泊富養(yǎng)化的主要營養(yǎng)物質。藍綠藻大量繁殖 淡水生態(tài)系統(tǒng)（2）水域生態(tài)系統(tǒng)）水域生態(tài)系統(tǒng) 藍綠藻無錫太湖區(qū)藍綠藻無錫太湖區(qū) 生態(tài)系統(tǒng)中的能量流動Page 10 海洋生態(tài)系統(tǒng)海洋生態(tài)系統(tǒng)光：是限制海洋初級生產量的一個重要因子。光：是限制海洋初級生產量的一個重要因子。1 1米深處，米深處，50%50%的光被吸收；的光被吸收；2020米深處，僅有米深處，僅有5-10%5-10%的光。的光。3.7RPCk浮游植物的凈生產力的計算公式：其中：其中：P P為浮游植物的凈初級生產力的表示；為浮游植物的凈初級生產力的表示；R R為相對光合作用為相對光合作用率；

7、率；k為每米深光的衰變系數(shù)；為每米深光的衰變系數(shù)；C C為每立方米海水所含葉綠素的為每立方米海水所含葉綠素的克數(shù)。克數(shù)。營養(yǎng)物質：營養(yǎng)物質：N、P為主要限制因子，但卻分布在深水層中。肥沃的土壤可含肥沃的土壤可含5%的有機質和的有機質和0.5%的的N，可生長，可生長50kg/m2（干重）；（干重）；富饒的海水只有富饒的海水只有0.00005%的的N，只能維持不足，只能維持不足5g /m2 （干重）的浮游植物的（干重）的浮游植物的生存。生存。生態(tài)系統(tǒng)中的能量流動Page 11（1）收獲量測定法：收獲量測定法：收獲植物地上部分烘干至恒重，獲得單位時間內的凈初級生產量。 （2）氧氣測定法氧氣測定法(

8、(黑白瓶法黑白瓶法) )：總光合量凈光合量呼吸量（3）CO2測定法：測定法：用特定空間內的二氧化碳含量的變化，作為進入植物體有機質中的量，進而估算有機質的量。 （5）放射性標記物測定法：放射性標記物測定法：把具有14C的碳酸鹽(14CO32-)放入含有天然水體浮游植物的樣瓶中，沉入水中，經過一定時間的培養(yǎng)，濾出浮游植物，干燥后，測定放射性活性，確定光合作用固定的碳量。由于浮游植物在黑暗中也能吸收14C，因此，還要用“暗吸收”加以校正。（4）葉綠素測定法：葉綠素測定法：葉綠素與光合作用強度有密切的定量關系，通過測定體中的葉綠素可以估計初級生產力。四、初級生產量的測定方法四、初級生產量的測定方法生

9、態(tài)系統(tǒng)中的能量流動Page 12次級生產量的一般生產過程可以概括于下面的圖解中：次級生產量的一般生產過程可以概括于下面的圖解中： 次級生產量的生產過程次級生產量的生產過程對一個動物種群來說，其能量收支情況可以用下列公式表示： C = A + F U其中其中C代表動物從外界攝食的能量，代表動物從外界攝食的能量，A代表被同化能量，代表被同化能量，F(xiàn)U代表糞、尿能量。代表糞、尿能量。A項又可分解如下：項又可分解如下： A = P + R其中P代表凈生產量，R代表呼吸能量。綜合上述兩式可以得到： P = C F U R 第二節(jié)第二節(jié) 生態(tài)系統(tǒng)中的次級生產生態(tài)系統(tǒng)中的次級生產生態(tài)系統(tǒng)中的能量流動Page

10、 13 一、一、分解過程的性質分解過程的性質 無機的元素從有機物質中釋放出來，稱為礦化。無機的元素從有機物質中釋放出來，稱為礦化。 分解作用是一個很復雜的過程，它包括分解作用是一個很復雜的過程，它包括碎裂、異化和淋溶碎裂、異化和淋溶三三個過程的綜合。個過程的綜合。由于物理的和生物的作用，把尸體分解為顆粒狀的碎屑稱為由于物理的和生物的作用，把尸體分解為顆粒狀的碎屑稱為碎裂；碎裂；有機物質在酶的作用下分解，從聚合體變成單體，例如由纖有機物質在酶的作用下分解，從聚合體變成單體，例如由纖維素變成葡萄糖，進而成為礦物成分，稱為異化；維素變成葡萄糖，進而成為礦物成分，稱為異化；淋溶則是可溶性物質被水所淋洗

11、出，是一種純物理過程。淋溶則是可溶性物質被水所淋洗出，是一種純物理過程。在尸體分解中，這三個過程是交叉進行、相互影響的。在尸體分解中，這三個過程是交叉進行、相互影響的。 第三節(jié)第三節(jié) 生態(tài)系統(tǒng)中的分解生態(tài)系統(tǒng)中的分解生態(tài)系統(tǒng)中的能量流動Page 14分解過程是由一系列階段所組成的，從開始分解后，物理的和生物的復雜性一般隨時間進展而增加，分解者生物多樣性也相應增加。 分解者中有些具特異性，只分解某一類物質，另一些無特異性，對整個分解過程起作用。隨分解過程的進展，分解速率逐漸降低，待分解的有機物質的多樣性也降低，直到最后只有礦物的元素存在。最不易分解的是腐殖質，它主要來源于木質。 生態(tài)系統(tǒng)中的能量

12、流動Page 15二、二、分解者生物：細菌、真菌、動物分解者生物：細菌、真菌、動物 三、三、資源質量與分解作用的關系資源質量與分解作用的關系 待分解資源在分解者生待分解資源在分解者生物的作用下進行分解，物的作用下進行分解，因此資源的物理和化學因此資源的物理和化學性質影響著分解的速度。性質影響著分解的速度。資源的物理性質包括表資源的物理性質包括表面性和機械結構；面性和機械結構；資源的化學性質則隨其資源的化學性質則隨其化學組成而不同。化學組成而不同。 生態(tài)系統(tǒng)中的能量流動Page 16營養(yǎng)物質的濃度影響分解過程。營養(yǎng)物質的濃度影響分解過程。 如，分解者生物身體組織中含如，分解者生物身體組織中含N

13、N量高，其量高，其CNCN約為約為101101，即微生物生物量每增加即微生物生物量每增加11g11g就需要有就需要有1gN1gN的供應量。的供應量。但大多數(shù)待分解的植物組織其含但大多數(shù)待分解的植物組織其含N N量比此值低得多，量比此值低得多，CNCN為為4040 801801。因此，因此，N N的供應量就經常成為限制因素，分解速率在很大的供應量就經常成為限制因素，分解速率在很大程度上取決于程度上取決于N N的供應。的供應。而待分解資源的而待分解資源的CNCN比，?？勺鳛樯锝到庑阅艿臏y度指比，?？勺鳛樯锝到庑阅艿臏y度指標。最適標。最適CNCN比大約是比大約是2525 301301。 生態(tài)系統(tǒng)

14、中的能量流動Page 17四、理化環(huán)境對分解的影響四、理化環(huán)境對分解的影響一般說來，溫度高、濕度大的地帶，其土壤中的分解速率高，一般說來，溫度高、濕度大的地帶，其土壤中的分解速率高，而低溫和干燥的地帶，其分解速率低，因而土壤中易積累有機而低溫和干燥的地帶，其分解速率低，因而土壤中易積累有機物質。物質。 在同一氣候帶內局部地方也有區(qū)別，它可能決定于該地的土在同一氣候帶內局部地方也有區(qū)別，它可能決定于該地的土壤類型和待分解資源的特點。壤類型和待分解資源的特點。例如受水浸泡的沼澤土壤，由于水泡和缺氧，抑制微生物活動，例如受水浸泡的沼澤土壤，由于水泡和缺氧，抑制微生物活動，分解速率極低，有機物質積累量

15、很大，這是沼澤土可供開發(fā)有分解速率極低，有機物質積累量很大，這是沼澤土可供開發(fā)有機肥料和生物能源的原因。機肥料和生物能源的原因。生態(tài)系統(tǒng)中的能量流動Page 18生態(tài)系統(tǒng)中的能量流動Page 19第四節(jié)第四節(jié) 生態(tài)系統(tǒng)的能量流動生態(tài)系統(tǒng)的能量流動一、研究能量傳遞規(guī)律的熱力學定律一、研究能量傳遞規(guī)律的熱力學定律生態(tài)系統(tǒng)是一個熱力學系統(tǒng)，生態(tài)系統(tǒng)中能量的傳遞、轉換遵循熱力學的兩條定律：第一定律：能量守恒定律，能量可由一種形式轉化為其他形式的能量，能量既不能消滅，又不能憑空創(chuàng)造。第二定律：熵律，任何形式的能（除了熱）轉化到另一種形式能的自發(fā)轉換中，不可能100被利用，總有一些能量作為熱的形式被耗散出

16、去。生態(tài)系統(tǒng)中的能量流動Page 20 對生態(tài)系統(tǒng)中的能量流動進行研究可以在食物鏈和生態(tài)系食物鏈和生態(tài)系統(tǒng)層次上進行統(tǒng)層次上進行，所獲資料可以互相補充，有助于了解生態(tài)系統(tǒng)的功能。 在食物鏈層次上進行能流分析是把每一個物種作為能量從生產者到頂位消費者移動中的一個環(huán)節(jié)，當能量沿著一個食物鏈在幾個物種間流動時，測定食物鏈每一環(huán)節(jié)上的能量值，就測定食物鏈每一環(huán)節(jié)上的能量值，就可提供可提供 生態(tài)系統(tǒng)內一系列特點上能流的詳細和準確資料。生態(tài)系統(tǒng)內一系列特點上能流的詳細和準確資料。二、食物鏈層次的能流分析二、食物鏈層次的能流分析生態(tài)系統(tǒng)中的能量流動Page 21生態(tài)系統(tǒng)中的能量流動Page 22二、生態(tài)系統(tǒng)

17、層次的能流分析二、生態(tài)系統(tǒng)層次的能流分析n依據(jù)物種的主要食性，將每個物種都歸屬于一個特定的營養(yǎng)級，然后精確地測定每一個營養(yǎng)級能量的輸入值和輸出值。生態(tài)系統(tǒng)中的能量流動Page 23生態(tài)系統(tǒng)層次上能流研究的步驟生態(tài)系統(tǒng)層次上能流研究的步驟n確定組成生態(tài)系統(tǒng)生物組成部分的有機體成份；n 確定消費者的食性，確定消費者的分類地位；n 確定有機體的營養(yǎng)級歸屬，進而確定：n各營養(yǎng)級的生物量，n各營養(yǎng)級能量或食物的攝入率，n同化率，n呼吸率，n由于捕食、寄生等因素而引起的能量損失率；n 結合各個營養(yǎng)級的信息，獲得營養(yǎng)金字塔或能流圖。生態(tài)系統(tǒng)中的能量流動Page 24 能量單位：cal cm-2 a 1 。

18、呼吸29.3+未利用78.2+分解3.5總初級生產量111.0，能量守恒總初級生產量總初級生產量111.0植食動物植食動物15.0肉食動物肉食動物3.0分解分解3.0分解分解0.5分解分解微量微量呼吸呼吸23.0呼吸呼吸4.5呼吸呼吸1.8未利用未利用70.0太陽能太陽能118872未利用未利用7.0未利用未利用1.2未吸收未吸收的能的能118761美國明尼達州塞達波格湖的能流分析美國明尼達州塞達波格湖的能流分析波格湖生態(tài)系統(tǒng)營養(yǎng)動態(tài)簡圖波格湖生態(tài)系統(tǒng)營養(yǎng)動態(tài)簡圖生態(tài)系統(tǒng)中的能量流動Page 25波格湖生態(tài)系統(tǒng)能量金字塔波格湖生態(tài)系統(tǒng)能量金字塔cal cm-2 a 1 cal cm-2 a 1 cal cm-2 a 1 生態(tài)系統(tǒng)中的能量流動Page 26森林生態(tài)系統(tǒng)的能流森林生態(tài)系統(tǒng)的能流生態(tài)系統(tǒng)中的能量流動Page 27生態(tài)系統(tǒng)的能流模型生態(tài)系統(tǒng)的能流模型生態(tài)系統(tǒng)中的能量流動Page 28第五節(jié)第五節(jié) 生態(tài)系統(tǒng)中的信息流生態(tài)系統(tǒng)中的信息流n一、信息n信息，源于通訊工程科學，通常