生態(tài)系統(tǒng)中的能量流動(dòng).p.ppt

1、1,第十二章 生態(tài)系統(tǒng)中的能量流動(dòng),12.1 生態(tài)系統(tǒng)中的初級(jí)生產(chǎn) 12.2 生態(tài)系統(tǒng)中的次級(jí)生產(chǎn) 12.3 生態(tài)系統(tǒng)中的分解 12.4 生態(tài)系統(tǒng)中的能量流動(dòng),2,1.生態(tài)系統(tǒng)中的初級(jí)生產(chǎn),1.1 初級(jí)生產(chǎn)的基本概念 1.2 地球上初級(jí)生產(chǎn)力的分布 1.3 初級(jí)生產(chǎn)的生產(chǎn)效率 1.4 初級(jí)生產(chǎn)量的限制因素 1.5 初級(jí)生產(chǎn)量的測(cè)定方法,3,4,12.1.1 初級(jí)生產(chǎn)的基本概念,生產(chǎn)過程： 生產(chǎn)者通過光合作用合成復(fù)雜的有機(jī)物質(zhì)，使植物的生物量(包括個(gè)體數(shù)量和生長(zhǎng))增加 消費(fèi)者攝食植物已經(jīng)制造好的有機(jī)物質(zhì)(包括直接的取食植物和間接的取食食草動(dòng)物和食肉動(dòng)物)，通過消化、吸收在合成為自身所需的有機(jī)物質(zhì)

2、，增加動(dòng)物的生產(chǎn)量 初級(jí)生產(chǎn)：自養(yǎng)生物的生產(chǎn)過程，其提供的生產(chǎn)力為初級(jí)生產(chǎn)力 次級(jí)生產(chǎn)：異養(yǎng)生物再生產(chǎn)過程，提供的生產(chǎn)力為次級(jí)生產(chǎn)力,5,初級(jí)生產(chǎn)的基本概念,初級(jí)生產(chǎn)量(primary production)：綠色植物通過光合作用合成有機(jī)物質(zhì)的數(shù)量稱為初級(jí)生產(chǎn)量，也稱第一性生產(chǎn)量 凈初級(jí)生產(chǎn)量(net primary production)：初級(jí)生產(chǎn)過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長(zhǎng)和生殖，這部分生產(chǎn)量成為淨(jìng)初級(jí)生產(chǎn)量(NP) 總初級(jí)生產(chǎn)量(gross primary production)：初級(jí)生產(chǎn)過程植物固定的能量的總量 GP=NP+R,6,初級(jí)生產(chǎn)力：

3、植物群落在一定空間一定時(shí)間內(nèi)所生產(chǎn)的有機(jī)物質(zhì)積累的數(shù)量 生物量 (biomass)：是指某一時(shí)刻單位面積上積存的有機(jī)物質(zhì)的量。以鮮重或干重表示 現(xiàn)存量：是指綠色植物初級(jí)生產(chǎn)量被植食動(dòng)物取食及枯枝落葉掉落后所剩下的存活部分 SC=GP-R-H-D,7,初級(jí)生產(chǎn),8,9,1.2 地球上初級(jí)生產(chǎn)力的分布,不同生態(tài)系統(tǒng)類型的初級(jí)生產(chǎn)力不同 陸地比水域的初級(jí)生產(chǎn)力總量大 陸地上初級(jí)生產(chǎn)力有隨緯度增加逐漸降低的趨勢(shì) 海洋中初級(jí)生產(chǎn)力由河口灣向大陸架和大洋區(qū)逐漸降低 生態(tài)系統(tǒng)的初級(jí)生產(chǎn)力隨群落的演替而變化 水體和陸地生態(tài)系統(tǒng)的生產(chǎn)力有垂直變化 初級(jí)生產(chǎn)力隨季節(jié)變化,10,11,不同生態(tài)系統(tǒng)的初級(jí)生產(chǎn)力,12

4、,Average net primary productivity in grams of organic material per square meter per year of some terrestrial and aquatic ecosystems,NET PRIMARY PRODUCTIVITY,13,初級(jí)生產(chǎn)力隨群落的演替而變化,14,初級(jí)生產(chǎn)力的分布,生產(chǎn)力極低的區(qū)域：1000kcal/m2.a或者更少，如大部分海洋和荒漠。 中等生產(chǎn)力區(qū)域：1000-10000kcal/m2.a，如草地、沿海區(qū)域、深湖和一些農(nóng)田。 高生產(chǎn)力的區(qū)域：10000-20000kcal/m2.a或

5、者更多，如大部分濕地生態(tài)系統(tǒng)、河口灣、泉水、珊瑚礁、熱帶雨林和精耕細(xì)作的農(nóng)田、沖積平原上的植物群落等。,15,1.3 初級(jí)生產(chǎn)的生產(chǎn)效率,16,最適條件下的初級(jí)生產(chǎn)力,17,不同生態(tài)系統(tǒng)類型初級(jí)生產(chǎn)效率,生產(chǎn)效率=被固定的光能/入射光能 玉米地 荒地 Mendota湖 Cedar Bog湖,18,陸 地,玉米地,19,荒地,20,湖泊,Cedar Bog 湖,Mendota 湖,21,1.4 初級(jí)生產(chǎn)量的限制因素,22,陸地生態(tài)系統(tǒng),輻射強(qiáng)度和日照時(shí)間：光強(qiáng)升高，光照時(shí)間長(zhǎng)，提高產(chǎn)量 光合途徑：光合作用途徑的不同，直接影響初級(jí)生產(chǎn)力的高低 水：光合作用的原料，缺水顯著抑制光合速率 溫度：溫度升

6、高，總光合速率升高 營(yíng)養(yǎng)元素 二氧化碳,23,輻射強(qiáng)度,Fig. Annual average solar radiation reaching the Earths surface.,24,C3、C3植物的光合速率,Fig. Photosynthetic rate as a function of light intensity in red oak, a C3 plant, and in pigweed, a C4 plant.,25,26,降水,Fig. Change in net productivity along a precipitation gradient.,27,南極干谷,

7、Fig. An Antarctic dry valley.,28,土壤水分蒸發(fā),Fig. The rate of net primary production as a function of actual evapotranspiration measured in several grassland sites in the US.,29,溫度,30,31,營(yíng)養(yǎng)元素,32,33,34,35,二氧化碳,36,Fire 刺激生長(zhǎng)與繁殖,37,Fire的影響,38,39,40,水域生態(tài)系統(tǒng),光 P=R*C*3.7/k P：浮游植物的凈初級(jí)生產(chǎn)力，R：相對(duì)光合率，k：光強(qiáng)度隨水深度而減弱的衰變系數(shù)

8、，C：水中的葉綠素含量 營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)：N/P 食草動(dòng)物,41,1.5 初級(jí)生產(chǎn)量的測(cè)定方法,收獲量測(cè)定法 氧氣測(cè)定法 二氧化碳測(cè)定法 放射性標(biāo)記物測(cè)定法 葉綠素測(cè)定法,42,收獲量測(cè)定法,陸生定期收獲植被，烘干至恒重 以每年每平方米的干物質(zhì)重量表示 以其生物量的產(chǎn)出測(cè)定，但位于地下的生物量，難以測(cè)定 地下的部分可以占有40%至85%的總生產(chǎn)量，因此不能省略,43,氧氣測(cè)定法,通過氧氣變化量測(cè)定總初級(jí)生產(chǎn)量 1927年T.Garder, H.H.Gran用于測(cè)定海洋生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)量 從一定深度取自養(yǎng)生物的水樣，分裝在體積為125-300ml的白瓶(透光)、黑瓶(不透光)和對(duì)照瓶中 對(duì)照瓶測(cè)定初始的溶氧

9、量IB 黑白瓶放置在取水樣的深度，間隔一定時(shí)間取出，用化學(xué)滴定測(cè)定黑白瓶的的含氧量DB、LB 計(jì)算呼吸量(IB-DB)，凈生產(chǎn)量(LB-IB)，總生產(chǎn)量(LB-DB),44,二氧化碳測(cè)定法,用塑料罩將生物的一部分套住 測(cè)定進(jìn)入和抽出空氣中的CO2 透明罩：測(cè)定凈初級(jí)生產(chǎn)量 暗罩：測(cè)定呼吸量,45,放射性標(biāo)記物測(cè)定法,用放射性14C測(cè)定其吸收量，即光合作用固定的碳量 放射性14C以碳酸鹽的形式提供，放入含有自然水體浮游植物的樣瓶中，沉入水中經(jīng)過一定時(shí)間，濾出浮游植物，干燥后在計(jì)數(shù)器測(cè)定放射活性，然后計(jì)算： 14CO2/CO2=14C6H12O6/C6H12O6 確定光合作用固定的碳量 需用“暗呼

10、吸”作校正,46,葉綠素測(cè)定法,植物定期取樣 丙酮提取葉綠素 分光光度計(jì)測(cè)定葉綠素濃度 每單位葉綠素的光合作用是一定的，通過測(cè)定葉綠素的含量計(jì)算取樣面積的初級(jí)生產(chǎn)量,47,2.生態(tài)系統(tǒng)中的次級(jí)生產(chǎn),2.1 次級(jí)生產(chǎn)過程 2.2 次級(jí)生產(chǎn)量的測(cè)定 2.3 次級(jí)生產(chǎn)的生態(tài)效率,48,個(gè)體內(nèi)的能量過程,49,2.1 次級(jí)生產(chǎn)量的生產(chǎn)過程,50,次級(jí)生產(chǎn)量,51,能量收支,C=A+FU C：動(dòng)物從外界攝食的能量 A：被同化能量 FU：排泄物 A=P+R P：凈次級(jí)生產(chǎn)量 R：呼吸能量,52,2.2 次級(jí)生產(chǎn)量的測(cè)定,用同化量和呼吸量估計(jì)生產(chǎn)量(用攝食量扣除糞尿量估計(jì)同化量)： P=A-R=(C-FU)

11、-R C：動(dòng)物從外界攝食的能量，A：被同化能量， FU：排泄物，R：呼吸量 用個(gè)體的生長(zhǎng)和繁殖后代的生物量表示凈生產(chǎn)量: P=Pg+Pr Pr：生殖后代的生產(chǎn)量， Pg：個(gè)體增重,53,2.3 次級(jí)生產(chǎn)的生態(tài)效率,消費(fèi)效率 同化效率 生長(zhǎng)效率,54,次級(jí)生產(chǎn)的生態(tài)效率,消費(fèi)效率： 食草動(dòng)物對(duì)植物凈生產(chǎn)量的利用 植物種群增長(zhǎng)率高，世代短，更新快，被利用的百分比高 草本植物維管束少，能提供較多的凈初級(jí)生產(chǎn)量 浮游動(dòng)物利用的凈初級(jí)生產(chǎn)量比例最高 食肉動(dòng)物對(duì)獵物的消費(fèi)效率研究較少 脊椎動(dòng)物捕食者50100%，無(wú)脊椎動(dòng)物捕食者25%,55,次級(jí)生產(chǎn)的生態(tài)效率,同化效率 草食、碎食動(dòng)物同化效率低，肉食動(dòng)物

12、高 生長(zhǎng)效率 肉食動(dòng)物的凈生長(zhǎng)率低于草食動(dòng)物 不同動(dòng)物類群有不同的生長(zhǎng)效率,56,生長(zhǎng)效率,57,林德曼效率,58,3 生態(tài)系統(tǒng)中的分解,3.1 分解過程的性質(zhì) 3.2 分解者生物 3.3 資源質(zhì)量 3.4 理化環(huán)境對(duì)分解的影響,59,3.1 分解過程的性質(zhì),概念： 死有機(jī)物質(zhì)的逐步降解過程 將有機(jī)物還原為無(wú)機(jī)物，釋放能量 意義： 建立和維持全球生態(tài)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)平衡 通過死亡物質(zhì)的分解，使?fàn)I養(yǎng)物質(zhì)再循環(huán)，給生產(chǎn)者提供營(yíng)養(yǎng)物質(zhì) 維持大氣中CO2濃度 穩(wěn)定和提高土壤有機(jī)質(zhì)的含量，為碎屑食物鏈以后各級(jí)生物生產(chǎn)食物 改善土壤物理性狀,60,分解作用的三個(gè)過程,碎化：把尸體分解為顆粒狀的碎屑 異化：有機(jī)物

13、在酶的作用下，進(jìn)行生物化學(xué)的分解 從聚合體變成單體(如纖維素降解為葡萄糖) 進(jìn)而成為礦物成分(如葡萄糖降為CO2和H2O) 淋溶：可溶性物質(zhì)被水淋洗出，完全是物理過程,61,影響分解過程的因素,分解者生物 資源質(zhì)量 理化性質(zhì),62,3.2 分解者生物,微生物(細(xì)菌和真菌) 動(dòng)物類群 陸地分解者 水生系統(tǒng),63,分解者生物,微生物(細(xì)菌和真菌) 主要利用可溶性物質(zhì)，氨基酸和糖類的分解產(chǎn)物作為的食物而被吸收,64,分解者生物,動(dòng)物類群 陸地分解者 動(dòng)物主要是食碎屑的無(wú)脊椎動(dòng)物 小型：100m以下，不能碎裂枯枝落葉，屬粘附類型 中型：100m-2mm，調(diào)節(jié)微生物種群的大小和處理和加工大型動(dòng)物糞便 大

14、型和巨型：2mm-20mm-, 碎裂植物殘葉和翻動(dòng)土壤,對(duì)分解和土壤結(jié)構(gòu)有明顯影響,65,分解者生物,動(dòng)物類群 水生系統(tǒng) 動(dòng)物的分解過程分為搜集、刮取、粉碎、取食或捕食等幾個(gè)環(huán)節(jié) 碎裂者：以落入河流中的樹葉為食 顆粒狀有機(jī)物質(zhì)搜集者：一類從沉積物中搜集；另一類從水體中濾食有機(jī)顆粒 刮食者：其口器適應(yīng)在石礫表面刮取藻類和死有機(jī)物 以藻類為食的食草性動(dòng)物 捕食動(dòng)物：以其他物脊椎動(dòng)物為食,66,3.3 資源質(zhì)量,物理、化學(xué)性質(zhì)影響分解速率 物理性質(zhì)：表面特性和機(jī)械結(jié)構(gòu) 化學(xué)性質(zhì)：隨其化學(xué)組成而不同 單糖分解快，一年失重99%半纖維纖維素木質(zhì)素 C:N,67,3.4 理化環(huán)境對(duì)分解的影響,水熱條件 溫

15、度高、濕度大的地帶，有機(jī)質(zhì)分解速率高 低溫干燥地帶，分解速率低 分解速度隨緯度增高而降低(熱帶雨林溫帶森林凍原)；,68,分解生物的相對(duì)作用 無(wú)脊動(dòng)物在地球上的分布隨緯度的變化呈現(xiàn)地帶性的變化規(guī)律 低緯度熱帶地區(qū)起作用的主要是大型土壤動(dòng)物，其分解作用明顯高于溫帶和寒帶 高緯度寒溫帶和凍原地區(qū)多為中、小型動(dòng)物，它們對(duì)物質(zhì)分解起的作用很小,69,分解速率和有機(jī)物積累與唯獨(dú),70,分解指數(shù),K=I/X K：分解指數(shù)，I：死有機(jī)物年輸入總量，X：系統(tǒng)中死有機(jī)物質(zhì)現(xiàn)存量 規(guī)律： 熱帶雨林最高 溫帶草地高于溫帶闊葉林 凍原最低,71,4 生態(tài)系統(tǒng)中的能量流動(dòng),4.1 研究能流傳遞的熱力學(xué)定律 4.2 食物

16、鏈層次上的能流分析 4.3 生態(tài)系統(tǒng)層次上的能流分析 4.4 異養(yǎng)生態(tài)系統(tǒng)的能流分析 4.5 分解者和消費(fèi)者在能流中的相對(duì)作用,72,4.1 熱力學(xué)定律,熱力學(xué)第一定律(能量守恒定律):能量既不能創(chuàng)生，也不會(huì)消滅，只能按嚴(yán)格的當(dāng)量比例由一種形式轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N形式 生態(tài)系統(tǒng)中的能量轉(zhuǎn)換和傳遞過程，都可以根據(jù)熱力學(xué)第一定律進(jìn)行定量計(jì)算，并列出平衡式和編制能量平衡表,73,Energy Flow in the Environment,During photosynthesis, plants capture the energy of sunlight and store it in ATP, sug

17、ar, and other high-energy carbohydrates synthesized from carbon dioxide and water. Oxygen is released as a byproduct.,74,75,Heat,Heat,Producer,PrimaryConsumer,SecondaryConsumer,DetritusFeeders,Heat,Chemical energy,Energy Transfer and Loss,76,熱力學(xué)定律,熱力學(xué)第二定律 (熵定律) 在能量傳遞和轉(zhuǎn)化過程中，除了一部分傳遞和作功外，總有一部分以熱的形式消散，使

18、系統(tǒng)的熵增加 熵是系統(tǒng)無(wú)序性的指標(biāo)，是系統(tǒng)熱量與溫度之比 若用熵概念表示熱力學(xué)第二定律 內(nèi)能不變的封閉系統(tǒng)中，其熵值只朝一個(gè)方向變化，常增不減 開放系統(tǒng)的一切過程使系統(tǒng)與環(huán)境熵值之和增加 生態(tài)系統(tǒng)是一個(gè)開放系統(tǒng)，它不斷地與環(huán)境進(jìn)行能量交換。通過光合同化，引入負(fù)熵；通過呼吸，把正熵值轉(zhuǎn)出系統(tǒng)。,77,熱力學(xué)的兩個(gè)定律,熱力學(xué)的兩個(gè)定律： 第一定律：A = B + C 第二定律：C A,78,生態(tài)系統(tǒng)中的能源,太陽(yáng)輻射能是生態(tài)系統(tǒng)中的能量的最主要來(lái)源 紅外線產(chǎn)生熱效應(yīng)，形成生物的熱環(huán)境 紫外線可以消毒滅菌和促進(jìn)維生素D的生成 可見光為植物光合作用提供能源 輔助能 輔助能分為自然輔助能(如如潮汐作用

19、、風(fēng)力作用、降水和蒸發(fā)作用)和人工輔助能(如施肥、灌溉等) 輔助只可以促進(jìn)輻射能的轉(zhuǎn)化 對(duì)生態(tài)系統(tǒng)中光合產(chǎn)物的形成、物質(zhì)循環(huán)、生物的生存和繁殖起著極大的輔助作用,79,生態(tài)系統(tǒng)中能量流動(dòng)的主要路徑,能量以日光形式進(jìn)入生態(tài)系統(tǒng)，以植物物質(zhì)形式貯存起來(lái)的能量，沿著食物鏈和食物網(wǎng)流動(dòng)通過生態(tài)系統(tǒng)，以動(dòng)物、植物物質(zhì)中的化學(xué)潛能形式貯存在系統(tǒng)中，或作為產(chǎn)品輸出，離開生態(tài)系統(tǒng)，或經(jīng)消費(fèi)者和分解者生物有機(jī)體呼吸釋放的熱能自系統(tǒng)中丟失 生態(tài)系統(tǒng)是開放的系統(tǒng)，某些物質(zhì)還可通過系統(tǒng)的邊界輸入、輸出系統(tǒng)。如動(dòng)物遷移，水流的攜帶，人為的補(bǔ)充等,80,能量是單向性和逐級(jí)減少,生態(tài)系統(tǒng)能量的流動(dòng)是單一方向的 能量以光能的

20、狀態(tài)進(jìn)入生態(tài)系統(tǒng)后，就只能以熱的形式不斷地逸散于環(huán)境中 從太陽(yáng)輻射能到被生產(chǎn)者固定，再經(jīng)植食動(dòng)物，到肉食動(dòng)物，能量是逐級(jí)遞減的過程 各營(yíng)養(yǎng)級(jí)消費(fèi)者不能百分之百地利用前一營(yíng)養(yǎng)級(jí)的生物量 各營(yíng)養(yǎng)級(jí)的同化作用也不是百分之百的 生物的新陳代謝要消耗一部分能量,81,食物鏈層次上的能流分析,82,PG=208.10,PN=88.33,A=33.68,P=14.78,A=3.83,P=0.67,A=0.21,P=0.06,A=50.60,P=4.60,I,II,分,119.77,18.90,3.16,0.13,46.00,25.0,輸出,4.86 輸入,總/凈生產(chǎn),呼吸,效率,0.426,0.440,0.176,0.286,0.091,營(yíng)養(yǎng)級(jí),總,PNC=20.14,R總187.96,單位： kcalm-2yr-1,生態(tài)系統(tǒng)層次上的能流分析銀泉生態(tài)系統(tǒng)能流示意,83,未