“生態(tài)系統(tǒng)能量流動”相關(guān)原理的分析

1、“生態(tài)系統(tǒng)能量流動”相關(guān)原理的分析 能量流動、物質(zhì)循環(huán)、信息傳遞是生態(tài)系統(tǒng)的三大功能，它們共同維持著生態(tài)系統(tǒng)的正常運轉(zhuǎn)。其中單向且不循環(huán)的能量流動是整個生態(tài)系統(tǒng)正常運轉(zhuǎn)的動力。了解能量流動的相關(guān)原理，對于當(dāng)前糧食危機及全球性環(huán)境問題的解決和有關(guān)生態(tài)學(xué)問題的分析都具有重要的指導(dǎo)意義。 1地球上幾乎所有的生態(tài)系統(tǒng)所需要的能量都來自太陽 這是因為極少數(shù)特殊的生態(tài)系統(tǒng)可以通過化能自養(yǎng)型微生物的化能合成作用，利用無機物氧化過程中放出的化學(xué)能。例如，1960年前蘇聯(lián)的深海潛艇進入到最深的太平洋馬里亞納海溝，科學(xué)家在10916m深處發(fā)現(xiàn)了完全獨立于陸地上光合作用之外的生態(tài)系統(tǒng)：細(xì)菌取代植物成為深海生物鏈里最

2、低的一環(huán)，它們從海底溫泉水流中富含的礦物質(zhì)里獲取能量進行化能合成而生長繁殖，成為深海生物生存的基礎(chǔ)。除此以外，地球上幾乎所有的生態(tài)系統(tǒng)都依靠太陽能而存在。因此說，太陽能是地球上“幾乎所有”生態(tài)系統(tǒng)所需要能量的根本來源。 另外，太陽能是來自地球之外的能源，因而“任何生態(tài)系統(tǒng)都需要不斷得到來自系統(tǒng)外的能量補充”，尤其是許多人工生態(tài)系統(tǒng)(如大棚)更需要人工補光。 2生態(tài)系統(tǒng)的能量流動幾乎都是從綠色植物光合作用固定太陽能開始的 生物界中能夠利用太陽能的主要是形形色色的綠色植物。通過它們的光合作用，可以把其他生物不能利用的太陽能轉(zhuǎn)化為可以利用的化學(xué)能，儲存在其制造的有機物中，使得太陽能得以從無機環(huán)境進入

3、生物群落，供生產(chǎn)者自身及消費者、分解者利用。這些化學(xué)能在生物群落中通過捕食，沿食物鏈(網(wǎng))從生產(chǎn)者開始，以有機物(能量載體)中化學(xué)能的形式流動。而食物鏈主要是生物之間通過捕食關(guān)系而形成的捕食鏈，能量只能由被捕食者流向捕食者，而不能逆向流動，即食物鏈中生物之間的營養(yǎng)關(guān)系決定了“能量流動是單向”的。所以說“能量流動的源頭或起點是綠色植物光合作用固定太陽能”，而且“生態(tài)系統(tǒng)中全部生產(chǎn)者固定的太陽能總量是流經(jīng)整個生態(tài)系統(tǒng)的總能量”。 能量流動的變化情況是：太陽光能一生物體中的化學(xué)能一熱能，即熱能是能量流動的最終歸宿。 3能量在流動過程中是逐級遞減的，傳遞效率為1020 由于流動到一個營養(yǎng)級的能量，都會

4、因生物的呼吸作用消耗掉相當(dāng)大的一部分，這些被消耗的能量都不能被生物再次利用，并且每個營養(yǎng)級的生物總有一部分個體沒有被下一個營養(yǎng)級利用(最終在死亡后被。分解者分解)，因而能量在流動中是逐級減少的。一般情況下，輸入到某一營養(yǎng)級的能量中，只有1020的能量能夠流到下一營養(yǎng)級(此即林德曼的“十分之一定律”)。 需要說明的是： (1)此傳遞效率是生態(tài)系統(tǒng)中(食物網(wǎng))某一營養(yǎng)級的全部生物個體同化的能量與其上一營養(yǎng)級的全部生物個體同化的能量的比值，若某種生物為雜食性的，需將其不同來源的能量分別歸入到不同的營養(yǎng)級中去計算。因此如果只計算生態(tài)系統(tǒng)中某一條食物鏈的相鄰營養(yǎng)級間的能量傳遞效率時，有時會偏離這一范圍。

5、 (2)林德曼定律是在對水生生態(tài)系統(tǒng)和實驗室的培養(yǎng)箱的研究中得到的。大量研究證明，這一定律十分適用于水域生態(tài)系統(tǒng)，對陸地生態(tài)系統(tǒng)不完全適用，在其他不同的生態(tài)系統(tǒng)中，能量的傳遞效率可高達30，低的可能只有1或更低。 (3)食物鏈一般不超過4-5個營養(yǎng)級。這是由于能量沿食物鏈傳遞中逐級遞減，在傳到第4-5營養(yǎng)級時，該營養(yǎng)級能夠傳至下一營養(yǎng)級的能量，難以維持下一個營養(yǎng)級生物的生存。 4能量流動的分析方法 4.1定量不定時分析 流入某一營養(yǎng)級的一定量的能量在足夠長的時間內(nèi)的去路可有三條：自身呼吸消耗；流入下一營養(yǎng)級；被分解者分解利用。但這一定量的能量不管如何傳遞，最終都以熱能形式從生物群落中散失，只有

6、靠生產(chǎn)者源源不斷地固定太陽能，才能保證生態(tài)系統(tǒng)能量流動持續(xù)正常的進行。 4.2定量定時分析 流入某一營養(yǎng)級的一定量的能量在一定時間內(nèi)的去路可有4條：自身呼吸消耗；流入下一營養(yǎng)級；被分解者分解利用；未被自身呼吸消耗，也未被下一營養(yǎng)級和分解者利用，即“未利用”部分。如果是以年為單位研究，其中部分的能量將保留到下一年。 消費者糞便中的能量是指存在于其食物殘渣的有機物(相當(dāng)于此消費者的上一營養(yǎng)級生物的殘體)中的能量，最終被分解者利用，這部分能量未被消費者同化，因此在分析此消費者的能量變化時不應(yīng)考慮，而應(yīng)歸入被捕食者流向分解者的能量變化中。 5能量流動的模型生態(tài)金字塔 把生態(tài)系統(tǒng)中各個營養(yǎng)級有機體的個體

7、數(shù)量、生物量或能量，按營養(yǎng)級順序排列并繪制成圖，其形似金字塔，故稱生態(tài)金字塔或生態(tài)錐體。生態(tài)金字塔可分為能量金字塔、生物量金字塔和數(shù)量金字塔三類。生態(tài)金字塔可表示生態(tài)系統(tǒng)的營養(yǎng)結(jié)構(gòu)和能量流動過程及特點，其原理是美國生態(tài)學(xué)家林德曼提出的“十分之一定律”。此模型中每一營養(yǎng)級的體積的大小代表所同化的能量的多少，而相鄰兩營養(yǎng)級體積的比值則代表了能量傳遞的效率。 一般說來，能量金字塔最能保持金字塔形，而生物量金字塔有時有倒置的情況。例如，海洋生態(tài)系統(tǒng)中，生產(chǎn)者(浮游植物)的個體很小，生活史很短，根據(jù)某一時刻調(diào)查的生物量，常低于浮游動物的生物量。這樣，按上法繪制的生物量金字塔就倒置過來。當(dāng)然，這并不是說流

8、過的能量在生產(chǎn)者的環(huán)節(jié)要比消費者的環(huán)節(jié)低，而是由于浮游植物個體小代謝快，生命短，某一時刻的能量反而要比浮游動物少，但一年中的總能量還是比浮游動物多。數(shù)量金字塔倒置的情況就更多一些，如果消費者個體小而生產(chǎn)者個體大，如昆蟲和樹木，昆蟲的個體數(shù)量就多于樹木。同樣，對于寄生者來說，寄生者的數(shù)量也往往多于宿主，同樣會使金字塔的這些環(huán)節(jié)倒置過來。 6研究能量流動的意義 6.1廢物資源化，提高能量利用率 研究生態(tài)系統(tǒng)能量流動，可以幫助人們科學(xué)規(guī)劃、設(shè)計人工生態(tài)系統(tǒng)，使能量得到最有效的利用。例如人們根據(jù)生態(tài)系統(tǒng)中能量多級利用和物質(zhì)循環(huán)再生的原理合理設(shè)計食物鏈，使生產(chǎn)一種產(chǎn)品時的有機廢棄物成為生產(chǎn)另一種產(chǎn)品的投

9、入，使廢物資源化，以提高能量轉(zhuǎn)化效率，減少環(huán)境污染。許多地方的“生態(tài)農(nóng)業(yè)”、“?；~塘”，就是通過合理設(shè)計食物鏈，將原來隨植物遺體、動植物的殘落物和排泄物被浪費的能量轉(zhuǎn)化為人類可利用的能量，從而提高了能量利用率。 6.2促進能量的定向流動，實現(xiàn)資源的利用效益 研究生態(tài)系統(tǒng)的能量流動，可以幫助人們合理地調(diào)整生態(tài)系統(tǒng)的能量流動關(guān)系，使能量持續(xù)高效地流向?qū)θ祟愖钣幸娴牟糠?。這一意義有兩層含義： 一是根據(jù)當(dāng)?shù)丨h(huán)境條件因地制宜，通過發(fā)展相關(guān)產(chǎn)業(yè)獲得最大收益，如在干旱地區(qū)，可培育優(yōu)質(zhì)牧草資源，發(fā)展畜牧業(yè)； 二是依據(jù)能量傳遞規(guī)律，有效地利用資源，如根據(jù)牧草的實際生產(chǎn)量，合理確定載畜量，既避免資源浪費又避免資源的破壞，最終使能量更多流向?qū)θ祟愖钣幸娴牟糠帧?6.3當(dāng)前糧食問題的解決 能量流動規(guī)律提醒人們：人類處于食物鏈的頂級，食物鏈越長，能量在流動中消耗的就越多，人得到的就越少