生態(tài)學(xué)6能量流動(dòng)

6生態(tài)系統(tǒng)中的能量流動(dòng)6.1能量流動(dòng)的基本原理6.2能量流動(dòng)的渠道6.3能量流動(dòng)過程6.4能流模型6.5能流與生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力

6.1能量流動(dòng)的基本原理6.1.1能量的概念、形式及轉(zhuǎn)化6.1.2生態(tài)系統(tǒng)的能源6.1.3熱力學(xué)第一定律6.1.4熱力學(xué)第二定律6.1.5序、熵與耗散結(jié)構(gòu)6.1.1能量的概念、形式及轉(zhuǎn)化1)能量的概念

力學(xué)定義能量是：物體做功能力的量度。物體對(duì)外界作了功，物體的能量要減少；反過來，若外界對(duì)物體作了功，物體的能量就要增加。如某些動(dòng)物搬運(yùn)食物，則動(dòng)物對(duì)外界作了功，體內(nèi)的化學(xué)能減少。 生態(tài)系統(tǒng)中各組分的存在、變化及其發(fā)展，都與能量息息相關(guān)，遵循一定的能量變化規(guī)律。2)能量的形式（1）輻射能：來自光源的光量子以波狀運(yùn)動(dòng)形式傳播的能量。（2）化學(xué)能：化合物中具有的能量。（3）機(jī)械能：運(yùn)動(dòng)著的物質(zhì)所含有的能量。（4）電能：電子延導(dǎo)體流動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的能量。（5）熱能：同溫度相聯(lián)系的一個(gè)狀態(tài)函數(shù)。3)能量的形式及轉(zhuǎn)化

6.1.2生態(tài)系統(tǒng)的能源1）太陽能

太陽能輔助能自然輔助功能人工輔助功能生物輔助功能工業(yè)輔助功能2）輔助能

太陽能輔助能自然輔助功能人工輔助功能生物輔助功能工業(yè)輔助功能除太陽輻射能以外，其他進(jìn)入系統(tǒng)的任何形式的能量。3）自然輔助能

在自然過程中產(chǎn)生的除太陽輻射能以外的其它形式的能量，如沿海和河口灣的潮汐作用、風(fēng)能、水勢(shì)能、降水及蒸發(fā)作用等。太陽能輔助能自然輔助功能人工輔助功能生物輔助功能工業(yè)輔助功能4）人工輔助能

太陽能輔助能自然輔助功能人工輔助功能生物輔助功能工業(yè)輔助功能

人們?cè)谏a(chǎn)活動(dòng)中投入的各種形式的能量。主要是為了改善生產(chǎn)條件、加快產(chǎn)品流通、提高生產(chǎn)力，如農(nóng)田耕作、灌溉、施肥、防治病蟲害、農(nóng)業(yè)生物的育種以及產(chǎn)品的收獲、貯存、運(yùn)輸、加工等。5）生物輔助能

太陽能輔助能自然輔助功能人工輔助功能生物輔助功能工業(yè)輔助功能

來自生物體或攝取有機(jī)體的能量。如人力、畜力的做功，有機(jī)肥、種子、種苗的化學(xué)潛能。6）工業(yè)輔助能

太陽能輔助能自然輔助功能人工輔助功能生物輔助功能工業(yè)輔助功能

來自工業(yè)生產(chǎn)中的各種形式的能量。包括石油、煤、天然氣、電等形式直接投入的和化肥、農(nóng)藥、農(nóng)膜、機(jī)械等等形式簡(jiǎn)介投入的能量。生態(tài)系統(tǒng)的能源6.1.3熱力學(xué)第一定律

能量既不消失，也不能憑空產(chǎn)生，它只能以嚴(yán)格的當(dāng)量比例，有一種形式轉(zhuǎn)化為另一種形式。 如果用△E表示系統(tǒng)內(nèi)能的變化，用△Q表示系統(tǒng)吸熱或放熱，用△W表示系統(tǒng)對(duì)外做功，則：

△E=△Q+△W

即：一個(gè)系統(tǒng)的任何狀態(tài)變化，都伴隨著吸熱、放熱和做功，而系統(tǒng)的總量并不增加或減少，它是守恒的。

熱力學(xué)第一定律（例一）

一片森林接受固定的太陽能是△Q；被動(dòng)物、微生物消耗，人類砍伐的是△W；剩下的有機(jī)物能是△E。則：△E=△Q+△W。 若消耗△W>固定△Q，△E為負(fù)，森林衰退 若消耗△W=固定△Q，△E為零，森林穩(wěn)定 若消耗△W<固定△Q，△E為正，森林發(fā)展熱力學(xué)第一定律（例二）

一片動(dòng)物攝取固定的有機(jī)物能是△Q；動(dòng)物活動(dòng)、消耗的是△W；剩下的有機(jī)物能是△E。則：△E=△Q+△W。 若消耗△W>固定△Q，△E為負(fù)，動(dòng)物變瘦 若消耗△W=固定△Q，△E為零，動(dòng)物不長(zhǎng) 若消耗△W<固定△Q，△E為正，動(dòng)物生長(zhǎng)6.1.4熱力學(xué)第二定律自發(fā)過程不可逆；一種形式的能量不可能100%轉(zhuǎn)變成另一種形式的能量；永動(dòng)機(jī)不可能造成；自發(fā)過程是能量損耗的過程；能量在轉(zhuǎn)換、流動(dòng)過程中存在衰變、逸散現(xiàn)象，總有一部分能量要從濃縮的有效形態(tài)變?yōu)橄♂尩牟荒芾玫男螒B(tài)；有機(jī)物便無機(jī)物是自發(fā)過程，其間伴隨著能量的逸散。其逆過程是通過太陽能做功完成的。熵與焓

在一切過程中，系統(tǒng)潛在做功的能，可分解為兩部分：即有用能和熱能，前者可繼續(xù)做功，叫自由能，通常占一小部分；后者無法再利用，而以低溫形式散發(fā)于外圍空間，往往占一大部分。

△G=△H-T△S

式中：G為自由能，即可對(duì)系統(tǒng)做功的有用能；H指系統(tǒng)熱焓，即系統(tǒng)含有的潛能；S代表系統(tǒng)的熵；T是過程進(jìn)行時(shí)的絕對(duì)溫度。6.1.5序、熵與耗散結(jié)構(gòu)

世界上一切有序的結(jié)構(gòu)、格局、安排都會(huì)自然地趨向于無序。要維持有序狀態(tài)，只有是系統(tǒng)獲得更多的潛能以做功，清除不斷的無序，重新建造有序。 熱力學(xué)第二定律可表述為熵定律：“一切自發(fā)過程總是沿著熵增加的方向進(jìn)行”。 所謂耗散結(jié)構(gòu)，是指在遠(yuǎn)離平衡狀態(tài)下，系統(tǒng)可能出現(xiàn)的一種穩(wěn)定的有序結(jié)構(gòu)。通過與外界環(huán)境所進(jìn)行的物質(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)。6.2能量流動(dòng)的渠道6.2.1食物鏈(foodchain)6.2.2營(yíng)養(yǎng)級(jí)(trophiclevel)6.2.3食物網(wǎng)(foodweb)6.2.1食物鏈

生態(tài)系統(tǒng)中生物成員通過一系列吃與被吃的食物營(yíng)養(yǎng)關(guān)系將彼此聯(lián)系起來的鏈條叫食物鏈。 例子：

1.大魚吃小魚，小魚吃蝦米，蝦米吃稀泥。

2.螳螂捕蟬黃雀在后。1)定義

2)食物鏈類型（1）捕食食物鏈（Grazingfoodchair）（2）腐食食物鏈（Saprophyticfoodchair）（3）寄生食物鏈（Parasiticfoodchair）（4）混合食物鏈（Mixedfoodchair）（1）捕食食物鏈

從綠色植物開始，從小到大，從弱到強(qiáng)，弱肉強(qiáng)食，存在明顯的捕食關(guān)系好血淋淋的斗爭(zhēng)，所以又叫草牧食物鏈。 捕食中以活有機(jī)體為食，所以也叫活食食物鏈。 水稻—稻飛虱—青蛙—蛇—鷹老鷹黃雀螳螂禪楊樹

四級(jí)消費(fèi)者

三級(jí)消費(fèi)者

二級(jí)消費(fèi)者

一級(jí)消費(fèi)者肉食動(dòng)物草食動(dòng)物綠色植物捕食食物鏈

（2）腐食食物鏈

動(dòng)物尸體-蠅-真菌-細(xì)菌

食物鏈成員與死的有機(jī)體為食，通過腐爛分解，由腐生成員構(gòu)成的食物鏈。腐食食物鏈（3）寄生食物鏈（4）混合食物鏈

由腐生\寄生\捕食等多種成員聯(lián)系起來的鏈條牛食用菌蚯蚓豬雞糞渣糞糞（4）特殊食物鏈捕食動(dòng)物的植物食物鏈特點(diǎn)在同一條食物鏈中，常有多種生物組成。在同一個(gè)生態(tài)系統(tǒng)中，常有多條食物鏈。在不同生態(tài)系統(tǒng)中，各類食物鏈占有不通比例。在任一生態(tài)系統(tǒng)中，各類食物鏈綜述協(xié)同作用的。6.2.2營(yíng)養(yǎng)級(jí)定義：食物鏈上的每個(gè)食性環(huán)節(jié)叫營(yíng)養(yǎng)級(jí)。 綠色植物：第一營(yíng)養(yǎng)級(jí) 草食動(dòng)物：第二營(yíng)養(yǎng)級(jí) 肉食動(dòng)物：第三營(yíng)養(yǎng)級(jí)

·······

有沒有更高的營(yíng)養(yǎng)級(jí)？五四三二一TrophiclevelQuaternaryconsumersTertiaryconsumersSecondaryconsumersPrimaryconsumersProducersAterrestrialFoodchainAnaquaticFoodchainCarnivoresHerbivores（Zooplankton）Phytoplankton6.2.3食物網(wǎng)定義：多條食物鏈交錯(cuò)形成的網(wǎng)絡(luò)叫食物網(wǎng)。食物鏈?zhǔn)澄锞W(wǎng)的意義食物鏈環(huán)節(jié)受損，食物網(wǎng)關(guān)鍵環(huán)節(jié)破壞會(huì)造成生態(tài)平衡失調(diào)。食物鏈越多、食物網(wǎng)越復(fù)雜，生態(tài)系統(tǒng)越穩(wěn)定。各類食物鏈總是協(xié)同作用的。生態(tài)系統(tǒng)中生物的食性復(fù)雜，一種生物是多種生物的食物；一種生物以多種生物為食。食物鏈、食物網(wǎng)構(gòu)成生態(tài)系統(tǒng)的營(yíng)養(yǎng)結(jié)構(gòu)。食物鏈、食物網(wǎng)與生態(tài)平衡海藻—甲殼蟲—鳀魚—海鳥（鳥糞磷肥）落葉林—食葉—土壤微生物寄主植物—蚜蟲—固氮細(xì)菌棉花—棉鈴蟲（生物疏導(dǎo)） 低肥力田地：63粒卵/100株 中肥力田地：127粒卵/100株 高肥力田地：366粒卵/100株農(nóng)作物—害蟲—天敵魚—水獺（生物檢疫）

食物鏈越多、食物網(wǎng)越復(fù)雜，生態(tài)系統(tǒng)越穩(wěn)定。鷹鼠兔三葉草6.3能量流動(dòng)過程6.3.1能量流動(dòng)途徑6.3.2生態(tài)效益6.3.3生態(tài)學(xué)金字塔6.3.1能量流動(dòng)途徑1）個(gè)體水平的能流過程光能或食物吸收或取物總生產(chǎn)凈生產(chǎn)生產(chǎn)幼仔功呼吸作用分泌脫落排糞排泄產(chǎn)量腐食動(dòng)物植食動(dòng)物輻射或蒸發(fā)短耳野兔（Ochotonaprinceps）的個(gè)體能流

2）食物鏈能流

HeatHeatHeatSolarenergyLightChemicalenergyMechanicalenergy被觸動(dòng)物質(zhì)MR=C+NU消耗量C=A+FU未碰食物未食用物質(zhì)NU糞尿量FU離體量E可利用食物同化量A生產(chǎn)量P現(xiàn)存量改變△B3)生態(tài)系統(tǒng)能流

生態(tài)系統(tǒng)的能流

4）能流途徑植物動(dòng)物動(dòng)物動(dòng)物微生物熱能熱能6.3.2生態(tài)效益1）能量的損失

不可利用的未收的吃剩的糞便呼吸R食源可利用的收獲的I吃進(jìn)的A同化的NP固定的n營(yíng)養(yǎng)級(jí)n-1營(yíng)養(yǎng)級(jí)生長(zhǎng)繁殖2）生態(tài)效率

（1）營(yíng)養(yǎng)級(jí)之間的能量轉(zhuǎn)化效率 ①攝食效率：In/In-1 ②同化效率：An/An-1 ③生產(chǎn)效率：NPn/NPn-1 ④利用效率：In/NPn-1或An//NPn-1（2）營(yíng)養(yǎng)級(jí)之內(nèi)的能量轉(zhuǎn)化效率： ①組織生長(zhǎng)效率：NPn/An ②生態(tài)生長(zhǎng)效率：NPn/In ③同化效率：An/In ④維持價(jià)：NPn/Rn3）十分之一定率

EnergyflowsonewayNutrientcycleEcosystem

生態(tài)系統(tǒng)中，能量在食物鏈上流動(dòng)，上一營(yíng)養(yǎng)級(jí)大約只能固定下一營(yíng)養(yǎng)劑能量的10%，這種規(guī)律稱之為十分之一定律。6.3.3生態(tài)學(xué)金字塔（Ecologicalpyramid）4713.44.5頭1020.649.821078096.8240男孩牛苜蓿“苜?！！泻ⅰ鄙鷳B(tài)金字塔

數(shù)量錐體生物量錐體(kg

)能量錐體(104j

)（1）數(shù)目金字塔（2）生物量金字塔（3）能量金字塔6.4能流模型及能流分析1）能流符號(hào)$能源能量?jī)?chǔ)存庫(kù)能耗消費(fèi)者工作門交換器生產(chǎn)者能流路線2）能流圖解魚塘能流模型

6.5能流與生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力6.5.1生物生產(chǎn)及生產(chǎn)力的有關(guān)概念6.5.2初級(jí)生產(chǎn)6.5.3次級(jí)生產(chǎn)6.5.1生物生產(chǎn)及生產(chǎn)力的有關(guān)概念1）生物生產(chǎn)

生物有機(jī)體在能量代謝過程中，將能量、物質(zhì)重新組合，形成新的生物產(chǎn)品（碳水化合物、脂肪和蛋白質(zhì)等）的過程，稱為生態(tài)系統(tǒng)生物生產(chǎn)。2）初級(jí)生產(chǎn)與次級(jí)生產(chǎn)

綠色植物的生產(chǎn)過程稱為初級(jí)生產(chǎn)或稱第一行生產(chǎn)。初級(jí)生產(chǎn)以外的生物生產(chǎn)，即消費(fèi)者利用初級(jí)生產(chǎn)的產(chǎn)品進(jìn)行新陳代謝，經(jīng)過同化作用形成異樣生物自身的物質(zhì)，稱為次級(jí)生產(chǎn)或第二性生產(chǎn)。6.5.2初級(jí)生產(chǎn)1）初級(jí)生產(chǎn)的級(jí)別

陸地各生態(tài)系統(tǒng)的生產(chǎn)力大約在0~3500g/m2*a，可以劃分為四個(gè)級(jí)別：

（1）2000~3000g/m2*a。溫室地帶，尤其是多雨地區(qū)的森林、沼澤地、河流岸邊的生態(tài)系統(tǒng)，還有農(nóng)業(yè)集約栽培的水稻田和甘蔗田。 （2）1000~2000g/m2*a。森林和部分草地及溫帶生產(chǎn)力較高的農(nóng)耕地。 （3）250~1000g/m2*a。干燥的疏林灌叢或矮林及大部分草地和農(nóng)作物。 （4）0~250g/m2*a。分布在極端干燥和低溫地區(qū)，大面積的荒漠及兩極地區(qū)的凍原及高山帶。2）初級(jí)生產(chǎn)力的測(cè)定

（1）收割法（2）CO2同化法（3）黑白瓶法（4）同位素法（5）葉綠素測(cè)定法（6）pH值測(cè)定法3）初級(jí)生產(chǎn)力的估算及分析

（1）回歸分析

t為年平均溫度

y=3000(1-e-0.0064p)p為年降水量

y=3000(1-e-0.0064p)E為年蒸發(fā)量

y=-157+5.17SS為年光合作用天數(shù)

y=378.51-6.82t+24.49D-119.13p……（2）遙感估算（3）系統(tǒng)分析4）初