第三章能量流動

1、農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的能量流動農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的能量流動第三章3.13.1能量流動的途徑能量流動的途徑3.23.2能量流動與轉(zhuǎn)換的基本定律能量流動與轉(zhuǎn)換的基本定律3.33.3農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的能量生產(chǎn)農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的能量生產(chǎn)3.1能量流動的途徑能量流動的途徑3.1.1 農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)能量的來源農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)能量的來源1.生態(tài)系統(tǒng)能量的基本形態(tài)生態(tài)系統(tǒng)能量的基本形態(tài)能能是物理學(xué)中的一個概念，指的是物體具有作是物理學(xué)中的一個概念，指的是物體具有作功的能力。能有兩種存在形式，功的能力。能有兩種存在形式，即潛能和動能即潛能和動能。 潛能潛能是存在于有機體中的化學(xué)結(jié)合能，是一種是存在于有機體中的化學(xué)結(jié)合能，是一種靜態(tài)的能量，

2、具有作功的能力。在農(nóng)業(yè)生態(tài)系靜態(tài)的能量，具有作功的能力。在農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)中，潛能是通過食物鏈的關(guān)系在生產(chǎn)者、消統(tǒng)中，潛能是通過食物鏈的關(guān)系在生產(chǎn)者、消費者、分解者等有機體之間進行流動和傳遞的。費者、分解者等有機體之間進行流動和傳遞的。動能動能是物體本身具有的能量，包括熱能和輻射是物體本身具有的能量，包括熱能和輻射能，可在物體之間傳遞，并可轉(zhuǎn)化為潛能。能，可在物體之間傳遞，并可轉(zhuǎn)化為潛能。在生態(tài)系統(tǒng)中，能主要指的是系統(tǒng)在生態(tài)系統(tǒng)中，能主要指的是系統(tǒng)內(nèi)以有機物質(zhì)形式存在的化學(xué)能，內(nèi)以有機物質(zhì)形式存在的化學(xué)能，生態(tài)系統(tǒng)的能量流動與轉(zhuǎn)化也主要生態(tài)系統(tǒng)的能量流動與轉(zhuǎn)化也主要指這些有機物質(zhì)的能量在生物體之指

3、這些有機物質(zhì)的能量在生物體之間的傳遞和轉(zhuǎn)化情況。間的傳遞和轉(zhuǎn)化情況。生態(tài)系統(tǒng)中生態(tài)系統(tǒng)中能量的主要形式有日光能、化學(xué)能、能量的主要形式有日光能、化學(xué)能、熱能和動能等幾種。熱能和動能等幾種。2.生態(tài)系統(tǒng)的能量來源生態(tài)系統(tǒng)的能量來源 1.太陽光能太陽光能2.輔助能輔助能 除太陽能以外，對生態(tài)系統(tǒng)所補充的除太陽能以外，對生態(tài)系統(tǒng)所補充的一切形式的能量，統(tǒng)稱輔助能。絕大多一切形式的能量，統(tǒng)稱輔助能。絕大多數(shù)輔助能雖然不能直接轉(zhuǎn)換為生物的化數(shù)輔助能雖然不能直接轉(zhuǎn)換為生物的化學(xué)能，但可以促進太陽能的轉(zhuǎn)化，對光學(xué)能，但可以促進太陽能的轉(zhuǎn)化，對光合產(chǎn)物的形成、物質(zhì)循環(huán)和生物的生長合產(chǎn)物的形成、物質(zhì)循環(huán)和生物的

4、生長發(fā)育起著重要的輔助作用。發(fā)育起著重要的輔助作用。農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的輔助能農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的輔助能輔助能的類型：輔助能的類型：自然輔助能（自然輔助能（自然輔助能主要自然輔助能主要是指風(fēng)力、降水、蒸發(fā)作用以及沿海和河是指風(fēng)力、降水、蒸發(fā)作用以及沿海和河口灣的潮汐作用等口灣的潮汐作用等 ）、人工輔助能（生物輔）、人工輔助能（生物輔助能（有機能）、工業(yè)輔助能（無機能）助能（有機能）、工業(yè)輔助能（無機能） 根據(jù)來源和性質(zhì)不同，還可將人工輔助能根據(jù)來源和性質(zhì)不同，還可將人工輔助能分為生物輔助能和工業(yè)輔助能兩大類。生分為生物輔助能和工業(yè)輔助能兩大類。生物輔助能也稱為有機能，是來源于生物有物輔助能也稱為有機能，是

5、來源于生物有機體的能量，如人畜勞動力的作功、種苗機體的能量，如人畜勞動力的作功、種苗和有機肥料中所包含的化學(xué)能。工業(yè)輔助和有機肥料中所包含的化學(xué)能。工業(yè)輔助能也稱為無機能、商業(yè)能或化石能，能也稱為無機能、商業(yè)能或化石能， 3.1.2.農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)能量流動的渠道農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)能量流動的渠道1.食物鏈食物鏈定義定義生態(tài)系統(tǒng)中，來源于植物的食物能通過一系列吃生態(tài)系統(tǒng)中，來源于植物的食物能通過一系列吃與被吃的關(guān)系，把生物緊密的聯(lián)系起來，形成以食與被吃的關(guān)系，把生物緊密的聯(lián)系起來，形成以食物營養(yǎng)為中心的鏈索關(guān)系即食物鏈。物營養(yǎng)為中心的鏈索關(guān)系即食物鏈。食物鏈的基本食物鏈的基本類型（四種）類型（四種） （1

6、）捕食食物鏈，捕食食物鏈，又稱為活食或草食食物鏈。又稱為活食或草食食物鏈。 （2）腐生食物鏈，腐生食物鏈，又稱碎屑或又稱碎屑或 殘渣食物鏈。殘渣食物鏈。 （3）寄生食物鏈。寄生食物鏈。 （4）混合食物鏈。混合食物鏈。營養(yǎng)級：營養(yǎng)級：生物在食物鏈上所處的位置，即食物鏈上每生物在食物鏈上所處的位置，即食物鏈上每一個環(huán)節(jié)稱為營養(yǎng)級。一個環(huán)節(jié)稱為營養(yǎng)級。 食物鏈食物鏈 l定義：定義：生態(tài)系統(tǒng)中，來源于植物的食物生態(tài)系統(tǒng)中，來源于植物的食物能通過一系列吃與被吃的關(guān)系，把生物緊能通過一系列吃與被吃的關(guān)系，把生物緊密的聯(lián)系起來，形成以食物營養(yǎng)為中心的密的聯(lián)系起來，形成以食物營養(yǎng)為中心的鏈索關(guān)系即食物鏈。鏈索

7、關(guān)系即食物鏈。 l典型的食物鏈：典型的食物鏈：植物植物食草動物食草動物一級一級食肉動物食肉動物二級食肉動物二級食肉動物頂級食肉動物頂級食肉動物（1）捕食食物鏈，捕食食物鏈，又稱為活食或草食食物又稱為活食或草食食物鏈鏈 海洋中：浮游植物海洋中：浮游植物 浮游動物浮游動物蝦蝦魚魚 非洲草原上：草非洲草原上：草羚羊羚羊獅獅 農(nóng)田中：水稻農(nóng)田中：水稻蝗蟲蝗蟲青蛙青蛙 農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中：作物秸稈農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中：作物秸稈牛牛人人 （2 2）腐生食物鏈，腐生食物鏈，又稱碎屑或又稱碎屑或 殘渣食物殘渣食物鏈鏈 農(nóng)業(yè)上用秸稈、糞便生產(chǎn)農(nóng)業(yè)上用秸稈、糞便生產(chǎn)沼氣沼氣 棉籽殼、稻草培育蘑菇棉籽殼、稻草培育蘑菇食物鏈的基本類型

8、（四種）食物鏈的基本類型（四種）（3）寄生食物鏈寄生食物鏈 l植物型：大豆植物型：大豆菟絲子菟絲子動物型：哺乳動物動物型：哺乳動物跳蚤跳蚤原生動物原生動物細菌細菌病毒；病毒；馬馬蛔蟲蛔蟲（4）混合食物鏈混合食物鏈 稻草稻草牛（牛糞）牛（牛糞）蚯蚓蚯蚓雞（雞糞）雞（雞糞）豬豬 （豬糞）（豬糞）魚；稻魚；稻螟螟赤眼蜂；赤眼蜂； 菜（溫棚）菜（溫棚）雞（雞糞）雞（雞糞）沼氣（沼渣）沼氣（沼渣）肥田肥田2.營養(yǎng)級：營養(yǎng)級：生物在食物鏈上所處的位置，生物在食物鏈上所處的位置， 即食物鏈上每一個環(huán)節(jié)稱為營養(yǎng)級。即食物鏈上每一個環(huán)節(jié)稱為營養(yǎng)級。海洋生態(tài)系統(tǒng)的食物鏈 生產(chǎn)者生產(chǎn)者420108噸年噸年食草動物食

9、草動物64108噸年噸年第第1級食肉動物級食肉動物10108噸年噸年第第2級食肉動物級食肉動物1.5108噸年噸年 第第3級食肉動物級食肉動物0.22108噸年噸年捕食寄 生黃蜂產(chǎn)卵于蛾幼蟲體內(nèi)，將幼蟲致死黃蜂產(chǎn)卵于蛾幼蟲體內(nèi)，將幼蟲致死圖為黃蜂蛹覆在蟲體上，以幼蟲內(nèi)部組織為生圖為黃蜂蛹覆在蟲體上，以幼蟲內(nèi)部組織為生3.食物網(wǎng)和生態(tài)系統(tǒng)的營養(yǎng)結(jié)構(gòu)食物網(wǎng)和生態(tài)系統(tǒng)的營養(yǎng)結(jié)構(gòu)食物網(wǎng)：食物網(wǎng)：生態(tài)系統(tǒng)中，一種生物常常以多種生物生態(tài)系統(tǒng)中，一種生物常常以多種生物為食，同一生物又常常被多種生物取食，為食，同一生物又常常被多種生物取食，于是食物鏈交錯起于是食物鏈交錯起 來，多條食物鏈相互來，多條食物鏈相互

10、連接、形成的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。連接、形成的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。營養(yǎng)結(jié)構(gòu)：營養(yǎng)結(jié)構(gòu)：以營養(yǎng)為紐帶，把生物與環(huán)境、生物與以營養(yǎng)為紐帶，把生物與環(huán)境、生物與生物，緊密連接起來的結(jié)構(gòu)。生物，緊密連接起來的結(jié)構(gòu)。 北極地區(qū)食物網(wǎng)3.23.2能量流動與轉(zhuǎn)換的基本定律能量流動與轉(zhuǎn)換的基本定律3.2.13.2.1熱力學(xué)第一定律熱力學(xué)第一定律 又稱能量守恒和轉(zhuǎn)化原理，即能又稱能量守恒和轉(zhuǎn)化原理，即能量既不能創(chuàng)造又不能消滅，能量的形量既不能創(chuàng)造又不能消滅，能量的形式是可以轉(zhuǎn)化的。式是可以轉(zhuǎn)化的。各種形式的能量之各種形式的能量之間嚴格的按一定比例由一種形式轉(zhuǎn)變間嚴格的按一定比例由一種形式轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N形式，如熱能和動能的轉(zhuǎn)化為另一種形

11、式，如熱能和動能的轉(zhuǎn)化關(guān)系為：關(guān)系為： 1 1卡卡=4.184=4.184焦耳焦耳 一個系統(tǒng)內(nèi)能的變化一個系統(tǒng)內(nèi)能的變化(U）等）等于系統(tǒng)吸收的能量（于系統(tǒng)吸收的能量（Q）減去）減去系統(tǒng)對環(huán)境所作的功系統(tǒng)對環(huán)境所作的功(W)， U=QW 根據(jù)此公式，對生態(tài)系統(tǒng)的根據(jù)此公式，對生態(tài)系統(tǒng)的能量可以進行定量研究。能量可以進行定量研究。3.2.2熱力學(xué)第二定律熱力學(xué)第二定律 揭示能量揭示能量傳遞方向傳遞方向和和轉(zhuǎn)化效率轉(zhuǎn)化效率的的規(guī)律，它認為：規(guī)律，它認為： 1.能量傳遞有一定的方向，是不可能量傳遞有一定的方向，是不可逆的。逆的。 2.能量轉(zhuǎn)化過程中存在著衰變現(xiàn)象，能量轉(zhuǎn)化過程中存在著衰變現(xiàn)象，必然有

12、能量必然有能量 的耗散。的耗散。 3.為了判斷能量流動的方向和限度，為了判斷能量流動的方向和限度，用用自由能自由能和和熵熵兩個概念來描述。兩個概念來描述。自由能：自由能：系統(tǒng)總能中用來作功系統(tǒng)總能中用來作功的能量。的能量。 熵熵系統(tǒng)總能中不能用來作功的系統(tǒng)總能中不能用來作功的能量，是系統(tǒng)無序性的量度。能量，是系統(tǒng)無序性的量度。 在封閉的系統(tǒng)中，自發(fā)過在封閉的系統(tǒng)中，自發(fā)過程總是向自由能減少、熵值增程總是向自由能減少、熵值增加的方向進行。加的方向進行。 普里高津耗散結(jié)構(gòu)理論普里高津耗散結(jié)構(gòu)理論 l指開放系統(tǒng)在遠離平衡態(tài)的非平衡態(tài)下，系統(tǒng)可能出現(xiàn)的一種穩(wěn)定的有序結(jié)構(gòu)。 l表明：一個遠離平衡態(tài)的開放

13、系統(tǒng)，通過與外界環(huán)境進行物質(zhì)、能量的不斷交換，就能克服混亂狀態(tài)，維持穩(wěn)定狀態(tài)并且還有可能不斷提高系統(tǒng)的有序性，使系統(tǒng)的商減少。熱力學(xué)定律在農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)中的應(yīng)用熱力學(xué)定律在農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)中的應(yīng)用（補）（補） 1.根據(jù)熱力學(xué)第一定律，可以對農(nóng)根據(jù)熱力學(xué)第一定律，可以對農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的能量流進行定量研究業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的能量流進行定量研究 。 2.在農(nóng)生態(tài)系統(tǒng)能量流中，只有少在農(nóng)生態(tài)系統(tǒng)能量流中，只有少部分轉(zhuǎn)化成有機形態(tài)的化學(xué)潛能儲存部分轉(zhuǎn)化成有機形態(tài)的化學(xué)潛能儲存起來，大部分轉(zhuǎn)化成熱能而耗散。人起來，大部分轉(zhuǎn)化成熱能而耗散。人們應(yīng)該盡量減少能量的無謂消耗，提們應(yīng)該盡量減少能量的無謂消耗，提高能量的轉(zhuǎn)化效率。

14、高能量的轉(zhuǎn)化效率。3. 能量流的流動方向是不可逆能量流的流動方向是不可逆的，能量只能稱為轉(zhuǎn)化或轉(zhuǎn)移，的，能量只能稱為轉(zhuǎn)化或轉(zhuǎn)移，而不能是循環(huán)。而不能是循環(huán)。4.為了維持農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)為了維持農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定，應(yīng)不斷的向系統(tǒng)輸入能量，定，應(yīng)不斷的向系統(tǒng)輸入能量，減少熵。減少熵。生產(chǎn)者生產(chǎn)者太陽輻射能輸入太陽輻射能輸入消費者消費者消費者消費者消費者消費者分解者分解者消費者呼吸、熱量消費者呼吸、熱量生產(chǎn)者呼吸、熱量生產(chǎn)者呼吸、熱量腐生生物分解和呼吸及腐生生物分解和呼吸及熱量熱量一個穩(wěn)定生態(tài)系統(tǒng)的能量流一個穩(wěn)定生態(tài)系統(tǒng)的能量流未利用未利用未利用未利用生態(tài)系統(tǒng)的能流能流特征 逐級減少逐級減少 單方向

15、性單方向性能流路徑3.2.4生態(tài)金字塔生態(tài)金字塔 1.能量流動過程中損耗的必然性。能量流動過程中損耗的必然性。（1）由于不可食或不得食）由于不可食或不得食（2）消費者密度低或食物選擇限制）消費者密度低或食物選擇限制 （3）利用后未被同化）利用后未被同化（4）同）同 化后呼吸消耗掉化后呼吸消耗掉（5）變?yōu)樯a(chǎn)量又被減少。）變?yōu)樯a(chǎn)量又被減少。營養(yǎng)級能量傳遞效率約平均為營養(yǎng)級能量傳遞效率約平均為10%。 3. 3.生態(tài)金字塔規(guī)律類型 數(shù) 量 金 字 塔數(shù) 量 金 字 塔生物量金字塔生物量金字塔能 量 金 字 塔能 量 金 字 塔能量金字塔能能量量能量能量流失流失3.2.5生態(tài)效率定律生態(tài)效率定律食

16、物鏈中后一營養(yǎng)級生物對前一食物鏈中后一營養(yǎng)級生物對前一營養(yǎng)級生物能量利用的百分比叫營養(yǎng)級生物能量利用的百分比叫能量能量傳遞效率或生態(tài)效率傳遞效率或生態(tài)效率。肉豬。肉豬35%、奶牛、奶牛 20%、蛋雞、蛋雞15%、肉、肉兔兔1318%、肉羊、肉羊11%、肉牛、肉牛58%。3.3農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的能量生產(chǎn)農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的能量生產(chǎn)3.3.1初級生產(chǎn)初級生產(chǎn)1.初級生產(chǎn)的能量轉(zhuǎn)化初級生產(chǎn)的能量轉(zhuǎn)化 初級生產(chǎn)也稱第一性生產(chǎn)，主要是初級生產(chǎn)也稱第一性生產(chǎn)，主要是指綠色植物進行光合作用積累能量的過指綠色植物進行光合作用積累能量的過程。綠色植物和一些化能合成細菌稱為程。綠色植物和一些化能合成細菌稱為初級生產(chǎn)者。其化

17、學(xué)反應(yīng)過程可以表示初級生產(chǎn)者。其化學(xué)反應(yīng)過程可以表示為：為： 6 CO212 H2O太陽能太陽能 C6H12O66 H2O6O22.農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的初級生產(chǎn)力農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的初級生產(chǎn)力 初級生產(chǎn)力，即初級生產(chǎn)效率，是指在初級生產(chǎn)力，即初級生產(chǎn)效率，是指在單位時間內(nèi)（年、小時等）、單位面積上單位時間內(nèi)（年、小時等）、單位面積上（hm2、m2）初級生產(chǎn)者生產(chǎn)的干物質(zhì)或積）初級生產(chǎn)者生產(chǎn)的干物質(zhì)或積累的能量，其單位可表示為：累的能量，其單位可表示為：g/m2a或或kj/ m2a或或t/ hm2a。初級生產(chǎn)力又可以分為總。初級生產(chǎn)力又可以分為總初級生產(chǎn)力和凈初級生產(chǎn)力，總初級生產(chǎn)力初級生產(chǎn)力和凈初級生產(chǎn)力

18、，總初級生產(chǎn)力是指包括呼吸消耗在內(nèi)的光合作用總速率；是指包括呼吸消耗在內(nèi)的光合作用總速率；凈初級生產(chǎn)率是指單位面積和時間內(nèi)總初級凈初級生產(chǎn)率是指單位面積和時間內(nèi)總初級生產(chǎn)力減去植物呼吸消耗所剩下的量，即綠生產(chǎn)力減去植物呼吸消耗所剩下的量，即綠色植物實際積累下來的能量或干物質(zhì)量。初色植物實際積累下來的能量或干物質(zhì)量。初級生產(chǎn)力是表示生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力的一個重要級生產(chǎn)力是表示生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力的一個重要指標，它是衡量地球人口（及動物）承載能指標，它是衡量地球人口（及動物）承載能力的一個重要依據(jù)力的一個重要依據(jù) 3.人工輔助能對初級生產(chǎn)能量人工輔助能對初級生產(chǎn)能量轉(zhuǎn)化的效應(yīng)轉(zhuǎn)化的效應(yīng) (1)人工輔助能的投入水平?jīng)Q定農(nóng)業(yè)生人工輔助能的投入水平?jīng)Q定農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的發(fā)展水平產(chǎn)的發(fā)展水平 （2）增加人工輔助能的投入有利于促進農(nóng)田養(yǎng)分平衡 （3）增加