生態(tài)系統(tǒng)中的初級(jí)生產(chǎn)力

1、生態(tài)系統(tǒng)中的初級(jí)生產(chǎn)力生態(tài)系統(tǒng)中的植物所固定的太陽(yáng)能或制造的有機(jī)物質(zhì)成為初級(jí)生產(chǎn)量或第一性生產(chǎn)量 primaryproduction.動(dòng) 物 和 其 它 異 養(yǎng) 生 物 的 生 產(chǎn) 量 稱 為 次 級(jí) 生 產(chǎn) 量 或 第 二 性 生 產(chǎn) 量secondproduction.總初級(jí)生產(chǎn)量GP=凈初級(jí)生產(chǎn)量NP+呼吸消耗R凈初級(jí)生產(chǎn)量NP=總初級(jí)生產(chǎn)量GP-呼吸消耗R初級(jí)生產(chǎn)量常以每年每平方米生產(chǎn)的有機(jī)物干重g/m2.a或固定的能量值J/m2.a表不.生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)單位面積現(xiàn)存的有機(jī)物就是生物量biomass,實(shí)際上就是凈生產(chǎn)量的累計(jì)量.其單位為g/m2或J/m2.對(duì)生態(tài)系統(tǒng)中的某一營(yíng)養(yǎng)級(jí)來說,總生物

2、量在某一時(shí)期的變化為：dB/dt=NP-R-H-DH 為被較高營(yíng)養(yǎng)級(jí)動(dòng)物所取食的生物量；D 為死亡所損失的生物量.地球上不同生態(tài)系統(tǒng)的初級(jí)生產(chǎn)量和生物量受溫度和雨量的影響最大,并因氣候的不同而異見表,書 214 頁(yè).同時(shí)也隨生態(tài)系統(tǒng)的發(fā)育而變化.對(duì)于動(dòng)物種群來說,轉(zhuǎn)化為次級(jí)生產(chǎn)量肉、奶、蛋、毛皮、骨骼、血液、蹄、角、內(nèi)臟等的能量收支可用下式表示：C=A+FUC:從外界攝取的能量,A:被同化白能量,FU:以糞便、熱量等形式損失的能量.A=P+RP:次級(jí)生產(chǎn)量,R:呼吸消耗.因此,P=C-FU-R一初級(jí)生產(chǎn)的根本概念生態(tài)系統(tǒng)中的能量流動(dòng)開始于綠色植物的光合作用對(duì)太陽(yáng)能的固定.由于綠色植物固定太陽(yáng)能

3、是生態(tài)系統(tǒng)中第一次能量固定,所以植物所固定的太陽(yáng)能或所制造的有機(jī)物質(zhì)就稱為初級(jí)生產(chǎn)量或第一性生產(chǎn)量PrimaryProduction.在初級(jí)生產(chǎn)過程中,植物所固定的能量有一局部是被植物自己的呼吸消耗掉了呼吸過程和光合作用過程是兩個(gè)完全相反的過程,剩下的局部才以可見有機(jī)物質(zhì)的形式用于植物的生長(zhǎng)和生殖,這局部生產(chǎn)量稱為凈初級(jí)生產(chǎn)量netprimaryproduction,而包括呼吸消耗在內(nèi)的全部生產(chǎn)量稱為總初級(jí)生產(chǎn)量grossprimaryproduction.從總初級(jí)生產(chǎn)量GP中減去植物呼吸所消耗的能量R就是凈初級(jí)生產(chǎn)量NP,這三者之間的關(guān)系是：GP=NP+RNP=GP-R凈初級(jí)生產(chǎn)量是可提供生

4、態(tài)系統(tǒng)中其他生物主要是各種動(dòng)物和人利用的能量.生產(chǎn)量通常是用每年每平方米所生產(chǎn)的有機(jī)物質(zhì)干重g/m2a或每年每平方米所固定能量值J/m2a表示,所以初級(jí)生產(chǎn)量也可稱為初級(jí)生產(chǎn)力,它們的計(jì)算單位是完全一樣的,但在強(qiáng)調(diào)率的概念時(shí),應(yīng)當(dāng)使用生產(chǎn)力.植物組織平均每千克干重相當(dāng)于 1.8x104焦,動(dòng)物組織平均每千克干重相當(dāng)于 2.0 x104焦熱量值.凈生產(chǎn)量用于植物的生長(zhǎng)和生殖,因此隨著時(shí)間的推移,植物逐漸長(zhǎng)大,數(shù)量逐漸增多,而構(gòu)成植物體的有機(jī)物質(zhì)包括根、莖、葉、花、果實(shí)等也就越積越多.逐漸累積下來的這些凈生產(chǎn)量,一局部可能隨著季節(jié)的變化而被分解了,另一局部那么以生活有機(jī)質(zhì)的形式長(zhǎng)期積存在生態(tài)系統(tǒng)之

5、中.在某一特定時(shí)刻調(diào)查時(shí),生態(tài)系統(tǒng)單位面積內(nèi)所積存的這些生活有機(jī)質(zhì)就叫生物量biomass.可見,生物量實(shí)際上就是凈生產(chǎn)量的累積量,某一時(shí)刻的生物量就是在此時(shí)刻以前生態(tài)系統(tǒng)所累積下來的活有機(jī)質(zhì)總量.生物量的單位通常是用平均每平方米生物體的干重g/m2或平均每平方米生物體的熱值J/m2來表示.應(yīng)當(dāng)指出的是,生產(chǎn)量和生物量是兩個(gè)完全不同的概念,生產(chǎn)量含有速率的概念,是指單位時(shí)間單位面積上的有機(jī)物質(zhì)生產(chǎn)量,而生物量是指在某一特定時(shí)刻調(diào)查時(shí)單位面積上積存的有機(jī)物質(zhì).對(duì)生態(tài)系統(tǒng)中某一營(yíng)養(yǎng)級(jí)來說,總生物量不僅因生物呼吸而消耗,也由于受更高營(yíng)養(yǎng)級(jí)動(dòng)物的取食和生物的死亡而減少,所以dB/dt=NP-R-H-D

6、其中的 dB/dt 代表某一時(shí)期內(nèi)生物量的變化,H 代表被較高營(yíng)養(yǎng)級(jí)動(dòng)物所取食的生物量,D 代表因死亡而損失的生物量.一般說來,在生態(tài)系統(tǒng)演替過程中,通常 GPR,NP 為正值,這就是說,凈生產(chǎn)量中除去被動(dòng)物取食和死亡的一局部,其余那么轉(zhuǎn)化為生物量,因此生物量將隨時(shí)間推移而漸漸增加,表現(xiàn)為生物量的增長(zhǎng).當(dāng)生態(tài)系統(tǒng)的演替到達(dá)頂極狀態(tài)時(shí),生物量便不再增長(zhǎng),保持一種動(dòng)態(tài)平衡此時(shí) GP=R.值得注意的是,當(dāng)生態(tài)系統(tǒng)開展到成熟階段時(shí),雖然生物量最大,但對(duì)人的潛在收獲量卻最小即凈生產(chǎn)量最小.可見,生物量和生產(chǎn)量之間存在著一定的關(guān)系,生物量的大小對(duì)生產(chǎn)量有某種影響,當(dāng)生物量很小時(shí)如樹木稀疏的森林和魚數(shù)不多的

7、池塘,就不能充分利用可利用的資源和能量進(jìn)行生產(chǎn),生產(chǎn)量當(dāng)然不會(huì)高.以一個(gè)池塘為例,如果池塘里有適量的魚,其底棲魚餌動(dòng)物的年生產(chǎn)量幾乎可達(dá)其生物量的 17 倍之多；如果池塘里沒有魚,底棲魚餌動(dòng)物的生產(chǎn)量就會(huì)大大下降,但其生物量那么會(huì)維持在較高的水平上.可見,在有魚存在時(shí),底棲魚餌動(dòng)物的生物量雖然因魚的捕食而被壓低,但生產(chǎn)量卻增加了.了解和掌握生物量和生產(chǎn)量之間的關(guān)系,對(duì)于決定森林的砍伐期和砍伐量,經(jīng)濟(jì)動(dòng)物的狩獵時(shí)機(jī)和捕獲量,魚類的捕撈時(shí)間和魚獲量都具有重要的指導(dǎo)意義.(二)初級(jí)生產(chǎn)量的限制因素1 .陸地生態(tài)系統(tǒng)光、二氧化碳、水和營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)是初級(jí)生產(chǎn)量的根本資源,溫度是影響光合效率的主要因素,而食草

8、動(dòng)物的捕食會(huì)減少光合作用生物量.一般情況下植物有充分的可利用的光輻射,但并不是說不會(huì)成為限制因素,例如冠層下的葉子接受光輻射可能缺乏,白天中有時(shí)光輻射低于最適光合強(qiáng)度,對(duì) C4 植物可能達(dá)不到光輻射的飽和強(qiáng)度.水最易成為限制因子,各地區(qū)降水量與初級(jí)生產(chǎn)量有最密切的關(guān)系.在干旱地區(qū),植物的凈初級(jí)生產(chǎn)量幾乎與降水量有線性關(guān)系.溫度與初級(jí)生產(chǎn)量的關(guān)系比擬復(fù)雜：溫度上升,總光合速率升高,但超過最適溫度那么又轉(zhuǎn)為下降；而呼吸速率隨溫度上升而呈指數(shù)上升,其結(jié)果是凈生產(chǎn)量與溫度呈駝背狀曲線.潛蒸發(fā)蒸騰(potentialevapotranspiration,PET)指數(shù)是反映在特定輻射、溫度、濕度和風(fēng)速條件

9、下蒸發(fā)到大氣中水量的一個(gè)指標(biāo),而 PET-PPT(mm/a)(PPT 為年降水量)值那么可反映缺水程度,因而能表示溫度和降水等條件的聯(lián)合作用.遙感是測(cè)定生態(tài)系統(tǒng)初級(jí)生產(chǎn)量的一種新技術(shù),可同時(shí)測(cè)定很大的陸地區(qū)域,在近代生態(tài)學(xué)研究中得到推廣應(yīng)用.根據(jù)遙感測(cè)得近紅外和可見光光譜數(shù)據(jù)而計(jì)算出來的 NDVI 指數(shù)(標(biāo)準(zhǔn)化植被差異指數(shù))提供了植物光合作用吸收有效輻射的一個(gè)定量指標(biāo),與文獻(xiàn)報(bào)道的各種陸地生態(tài)系統(tǒng)地面凈初級(jí)生產(chǎn)量是符合的.營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)是植物生產(chǎn)力的根本資源,最重要的是 N、P、Ko 對(duì)各種生態(tài)系統(tǒng)施加氮肥都能增加初級(jí)生產(chǎn)量.2 .水域生態(tài)系統(tǒng)光是影響水體初級(jí)生產(chǎn)力的最重要的因子.萊塞爾(Rythe

10、r,1956)提出預(yù)測(cè)海洋初級(jí)生產(chǎn)力的公式：p=_xCx37k其中：P 為浮游植物的凈初級(jí)生產(chǎn)力；R 為相對(duì)光合速率；k 為光強(qiáng)隨水深度而減弱的衰變系數(shù)；C 為水中的葉綠素含量.這個(gè)公式說明,海洋浮游植物的凈初級(jí)生產(chǎn)力,取決于太陽(yáng)的日總輻射量、水中的葉綠素含量和光強(qiáng)度隨水深度而減弱的衰變系數(shù).實(shí)踐證實(shí)這個(gè)公式的應(yīng)用范圍是比擬廣的.決定淡水生態(tài)系統(tǒng)初級(jí)生產(chǎn)量的限制因素,主要是營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)、光和食草動(dòng)物的捕食.三初級(jí)生產(chǎn)的生產(chǎn)效率在熱帶一個(gè)無云的白天,或溫帶仲夏的一天,太陽(yáng)輻射的最大輸入量可達(dá)“*n?.d.扣除 55%屬于紫外和紅外輻射的能量,再減去一局部被反射的能量,真正能為光合作用所利用的就只占輻

11、射能的 40.5%,再除去非活性吸收缺乏以引起光合作用機(jī)理中電子的傳遞和不穩(wěn)定的中間產(chǎn)物,能形成糖的約為 29 父1.?！敖硎?相當(dāng)于 120gd的有機(jī)物質(zhì),這是最大光合效率的估計(jì)值,約占總輻射能的 9%.但實(shí)際測(cè)定的最大光合效率的值只有 54 目/也,接近理論值的 1/2,大多數(shù)生態(tài)系統(tǒng)的凈初級(jí)生產(chǎn)量的實(shí)測(cè)值都遠(yuǎn)遠(yuǎn)較此為低.由此可見,凈初級(jí)生產(chǎn)力不是受光合作用固有的轉(zhuǎn)化光能的水平所限制,而是受其他生態(tài)因素所限制.從 20 世紀(jì) 40 年代以來,對(duì)各生態(tài)系統(tǒng)的初級(jí)生產(chǎn)效率所作的大量研究說明,在自然條件下,總初級(jí)生產(chǎn)效率很難超過 3%,雖然人類精心治理的農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)中曾經(jīng)有過 6%-8%的記錄；

12、一般說來,在富饒肥沃的地區(qū)總初級(jí)生產(chǎn)效率可以到達(dá) 1%-2%;而在貧瘠荒涼的地區(qū)大約只有 0.1%.就全球平均來說,大概是 0.2%0.5%生態(tài)系統(tǒng)中的初級(jí)生產(chǎn).初級(jí)生產(chǎn)的根本概念.生態(tài)系統(tǒng)中的能量流動(dòng)開始于綠色植物的光合作用對(duì)太陽(yáng)能的固定.由于綠色植物固定太陽(yáng)能是生態(tài)系統(tǒng)中第一次能量固定,所以植物所固定的太陽(yáng)能或所制造的有機(jī)物質(zhì)就稱為初級(jí)生產(chǎn)量或第一性生產(chǎn)量PrimaryProduction.在初級(jí)生產(chǎn)過程中,植物所固定的能量有一局部是被植物自己的呼吸消耗掉了呼吸過程和光合作用過程是兩個(gè)完全相反的過程,剩下的局部才以可見有機(jī)物質(zhì)的形式用于植物的生長(zhǎng)和生殖,這局部生產(chǎn)量稱為凈初級(jí)生產(chǎn)量netp

13、rimaryproduction,而包括呼吸消耗在內(nèi)的全部生產(chǎn)量稱為總初級(jí)生產(chǎn)量grossprimaryproduction.從總初級(jí)生產(chǎn)量GP中減去植物呼吸所消耗的能量R就是凈初級(jí)生產(chǎn)量NP,這三者之間的關(guān)系是：GP=NP+RNP=GP-R凈初級(jí)生產(chǎn)量是可提供生態(tài)系統(tǒng)中其他生物主要是各種動(dòng)物和人利用的能量.生產(chǎn)量通常是用每年每平方米所生產(chǎn)的有機(jī)物質(zhì)干重g/m2a或每年每平方米所固定能量值J/m2a表示,所以初級(jí)生產(chǎn)量也可稱為初級(jí)生產(chǎn)力,它們的計(jì)算單位是完全一樣的,但在強(qiáng)調(diào)率的概念時(shí),應(yīng)當(dāng)使用生產(chǎn)力.植物組織平均每千克干重相當(dāng)于 1.8x104焦,動(dòng)物組織平均每千克干重相當(dāng)于 2.0 x104

14、焦熱量值.凈生產(chǎn)量用于植物的生長(zhǎng)和生殖,因此隨著時(shí)間的推移,植物逐漸長(zhǎng)大,數(shù)量逐漸增多,而構(gòu)成植物體的有機(jī)物質(zhì)包括根、莖、葉、花、果實(shí)等也就越積越多.逐漸累積下來的這些凈生產(chǎn)量,一局部可能隨著季節(jié)的變化而被分解了,另一局部那么以生活有機(jī)質(zhì)的形式長(zhǎng)期積存在生態(tài)系統(tǒng)之中.在某一特定時(shí)刻調(diào)查時(shí),生態(tài)系統(tǒng)單位面積內(nèi)所積存的這些生活有機(jī)質(zhì)就叫生物量biomass.可見,生物量實(shí)際上就是凈生產(chǎn)量的累積量,某一時(shí)刻的生物量就是在此時(shí)刻以前生態(tài)系統(tǒng)所累積下來的活有機(jī)質(zhì)總量.生物量的單位通常是用平均每平方米生物體的干重g/m2或平均每平方米生物體的熱值J/m2來表示.應(yīng)當(dāng)指出的是,生產(chǎn)量和生物量是兩個(gè)完全不同的

15、概念,生產(chǎn)量含有速率的概念,是指單位時(shí)間單位面積上的有機(jī)物質(zhì)生產(chǎn)量,而生物量是指在某一特定時(shí)刻調(diào)查時(shí)單位面積上積存的有機(jī)物質(zhì).對(duì)生態(tài)系統(tǒng)中某一營(yíng)養(yǎng)級(jí)來說,總生物量不僅因生物呼吸而消耗,也由于受更高營(yíng)養(yǎng)級(jí)動(dòng)物的取食和生物的死亡而減少,所以dB/dt=NP-R-H-D其中的 dB/dt 代表某一時(shí)期內(nèi)生物量的變化,H 代表被較高營(yíng)養(yǎng)級(jí)動(dòng)物所取食的生物量,D 代表因死亡而損失的生物量.一般說來,在生態(tài)系統(tǒng)演替過程中,通常 GPR,NP為正值,這就是說,凈生產(chǎn)量中除去被動(dòng)物取食和死亡的一局部,其余那么轉(zhuǎn)化為生物量,因此生物量將隨時(shí)間推移而漸漸增加,表現(xiàn)為生物量的增長(zhǎng).當(dāng)生態(tài)系統(tǒng)的演替到達(dá)頂極狀態(tài)時(shí),生物量便不再增長(zhǎng),保持一種動(dòng)態(tài)平衡此時(shí) GP=R.值得注意的是,當(dāng)生態(tài)系統(tǒng)開展到成熟階段時(shí),雖然生物量最大,但對(duì)人的潛在收獲量卻最小即凈生產(chǎn)量最小.可見,生物量和生產(chǎn)量之間存在著一定的關(guān)系,生物量的大小對(duì)生產(chǎn)量有某種影響,當(dāng)生物量很小時(shí)如樹木稀疏的森林和魚數(shù)不多的池塘,就不能充分利用可利用的資源和能量進(jìn)行生產(chǎn),生產(chǎn)量當(dāng)然不會(huì)高.以一個(gè)池塘為例