農業(yè)生態(tài)學國家課程課件(第三章)

第三章

能量流動Chapter3Energyflow

2023/11/121國家級精品資源共享課2023/11/12國家級精品資源共享課2一、能量轉移二、農業(yè)生態(tài)系統(tǒng)遵守能量流動的根本規(guī)律三、食物是農業(yè)生態(tài)系統(tǒng)中的能量載體四、農業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的能源、能流途徑和能效五、農業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的能流調控主要內容2023/11/12國家級精品資源共享課3〔一〕能量轉移植物利用太陽能，通過光合作用生產食物能，食物能通過食物鏈和食物網，從一個營養(yǎng)級傳遞到另一個營養(yǎng)級。太陽能綠色植物食草動物

食肉動物一、能量轉移食草動物食肉動物2023/11/124國家級精品資源共享課TherelationshipbetweenmatterandenergyOnceenergyistransformedintoheat,itcannolongerbeusedbylivingorganismstodoworkortofuelthesynthesisofbiomass,theheatislosttotheatmosphereandcanneverberecycled.LifeonEarthispossiblebecauseafreshsupplyofsolarenergyismadeavailableeveryday.Incontrast,nutrientssuchascarboncanbereused.Chemicalnutrients,thebuildingblocksifbiomass,canbeusedagain,andrecyclingisacriticalfeature.Unliketheenergyinsolarradiation,nutrientsarenotinunalterablesupply.Ifplants,andtheirconsumerswerenoteventuallydecomposed,thesupplyofnutrientswouldbecomeexhaustedandlifeonEarthwouldcease.2023/11/125國家級精品資源共享課2023/11/12國家級精品資源共享課61.流—生態(tài)系統(tǒng)中能量和物質不斷地被吸收、貯存和轉移的運動狀態(tài)。能量的轉移—能量流。物質的轉化—物質流。流量要多，流速要快

增加流量的方法：提高能量轉化效率、減少消耗

增加流速的方法：縮短周轉周期、提高周轉速率〔二〕流、庫、環(huán)的概念及應用2023/11/12國家級精品資源共享課9〔一〕熱力學第一定律二、農業(yè)生態(tài)系統(tǒng)遵守能量流動的根本規(guī)律〔二〕熱力學第二定律1.能量傳遞有一定的方向，是不可逆的。2.能量轉化過程中存在著衰變現(xiàn)象，必然有能量的耗散。3.為了判斷能量流動的方向和限度，用自由能和熵來描述。2023/11/12國家級精品資源共享課10Thefirstlawofthermodynamicsstatesthatenergycanneitherbecreatednordestroyed.Thesecondlawofthermodynamicsstatesthateverytransformationresultsinareductionofthefreeenergyofthesystem.Becauseenergytransformationcannotbe100%efficient(fromthesecondlaw),heterotrophsmusthavelessenergy,andmustthereforeberarerthantheplantstheyfeedon.Thecomplexityofecologicalinteractionsmeansthatitisnotpossibletoconstructpredictivemathematicalmodelsoflivingsystemsbasedontheselawsofthermodynamics.Ecosystemsandthelawsofthermodynamics2023/11/12國家級精品資源共享課11〔三〕耗散結構理論€普里高津耗散結構理論Prigogine’sdissipationstructuretheory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)定的有序結構。€說明：一個遠離平衡態(tài)的開放系統(tǒng)，通過與外界環(huán)境進行物質、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。2023/11/12國家級精品資源共享課121.根據熱力學第一定律，可以對農業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的能量流進行定量研究。2.在農業(yè)生態(tài)系統(tǒng)能量流中，只有少局部轉化成有機形態(tài)的化學潛能儲存起來，大局部轉化成熱能而耗散。3.能量流的流動方向是不可逆的，能量只能稱為轉化或轉移，而不能是循環(huán)。4.為了維持農業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定，應不斷的向系統(tǒng)輸入能量，減少熵。(四)熱力學定律在農業(yè)生態(tài)系統(tǒng)中的應用2023/11/12國家級精品資源共享課13〔一〕食物鏈1.定義：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)為中心的鏈索關系即食物鏈。典型的食物鏈：植物→食草動物→一級食肉動物→二級食肉動物→頂級食肉動物三、食物是農業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的能量載體Autotrophicorganismsassimilateinorganicresourcesintopackagesoforganicmolecules.Therebecometheresourcesforheterotrophswhichthenbecomearesourceforanotherconsumer.Ateachlinkinthisfoodchainwecanrecognizethreepathwaystothenexttrophiclevel:decomposition,parasitismandpredation.Consumersmaybegeneralists(polyphagous),takingawidevarietyofpreyspeciesormayspecializeonsinglespeciesorarangeofcloselyrelatedspecies(monophagous).Pathwaysofnutrientflow2023/11/1214國家級精品資源共享課食物鏈2023/11/1215國家級精品資源共享課Acharacteristicofanecosystemisthenumberandnatureofthespeciesthatoccupyitsvarioustrophiclevels.Therelationshipbetweenconstituentsofonetrophiclevelandconstituentsofadjacenttrophiclevelsmaybedescribedbyafoodchain.Thisisachainofeatingandbeingeatenthatconnects,forexample,carnivorousanimalstotheirultimateplantfood.Manyfoodchainsexistinanygivenecosystemandcanbecombinedintofoodwebs.Ecosystemsvaryconsiderablyinthepatternoftheirenergy-nutrientwebs.Interactionsbetweentrophiclevels2023/11/1216國家級精品資源共享課Top-downorbottom-up?Ithasbeenarguedthattheearthisgreenandvegetatedbecauseherbivorenumbersareregulatedbytheirpredators(top-downcontrol),whilstallothertrophiclevelsareregulatedbycompetitionforresources(bottom-upcontrol).Thissimplemodelisattractivebutofdoubtfulvalue.Herbivorespeciesarehighlyconstrainedintherangeofplanttissuetheycaneat,duetoplantdefences,andhencemaybelimitedbycompetitioneveniftheworldisgreen.Further,atagrosslevel,plantsarenotenergy-limitedbutspacelimited,soanyspaceclearedbyherbivoryopensopportunitiesformoreplants.2023/11/1217國家級精品資源共享課一個食物鏈的例子“螳螂捕蟬，黃雀在后〞螳螂捕蟬，黃雀在后！哈！哈！植物汁液蟬(初級消費者)螳螂(二級消費者)黃雀(三級消費者)鷹(四級消費者)(頂極食肉動物)2023/11/1218國家級精品資源共享課食物鏈的根本類型〔四種〕〔1〕捕食食物鏈，又稱為活食或草食食物鏈海洋中：浮游植物→浮游動物→蝦→魚草原上：草→羚羊→老虎農田中：水稻→蝗蟲→青蛙農業(yè)生產中：作物秸稈→牛→人〔2〕腐生食物鏈，又稱碎屑或殘渣食物鏈農業(yè)上用秸稈、糞便生產沼氣棉籽殼、稻草培育蘑菇2023/11/1219國家級精品資源共享課〔3〕寄生食物鏈植物型：大豆→菟絲子

動物型：哺乳動物→跳蚤→原生動物→細菌→病毒；馬→蛔蟲

〔4〕混合食物鏈

稻草→?！才＜S〕→蚯蚓→雞〔雞糞〕→豬〔豬糞〕→魚；稻→螟→赤眼蜂；菜〔溫棚〕→雞〔雞糞〕→沼氣〔沼渣〕→肥田2.營養(yǎng)級：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。2023/11/1220國家級精品資源共享課2023/11/12國家級精品資源共享課21海洋生態(tài)系統(tǒng)的食物鏈

生產者420×108噸／年食草動物64×108噸／年第1級食肉動物10×108噸／年第2級食肉動物1.5×108噸／年

第3級食肉動物0.22×108噸／年TheTrophicPyramid:

AModelofConsumption2023/11/1222國家級精品資源共享課2023/11/12國家級精品資源共享課23海洋與陸地生態(tài)系統(tǒng)的食物鏈2023/11/12國家級精品資源共享課24〔1〕同一食物鏈中常含有食性和生活習性極不相同的生物?！?〕同一生態(tài)系統(tǒng)中可能有多條食物鏈，各種食物鏈相互聯(lián)系，協(xié)同發(fā)揮作用?！?〕自然生態(tài)系統(tǒng)中，營養(yǎng)級的數目是有限的?！?〕不同生態(tài)系統(tǒng)中，各類食物鏈的比重不同。森林生態(tài)系統(tǒng)：腐生食物鏈占生產有機物的90%草原生態(tài)系統(tǒng)：腐生食物鏈占生產有機物的70%農田生態(tài)系統(tǒng)：腐生食物鏈占生產有機物的20%~30%3.食物鏈的根本特征2023/11/12國家級精品資源共享課251.食物網和營養(yǎng)結構的概念食物網：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，于是食物鏈交錯起來，多條食物鏈相互連接、形成的網狀結構。營養(yǎng)結構：以營養(yǎng)為紐帶，把生物與環(huán)境、生物與生物，緊密連接起來的結構。〔二〕食物網和生態(tài)系統(tǒng)的營養(yǎng)結構FoodWebsIllustrateComplexTrophicRelationships2023/11/1226國家級精品資源共享課2023/11/12國家級精品資源共享課27

生態(tài)系統(tǒng)抵抗外界干擾、自動修復的能力稱為生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。影響穩(wěn)定性的因素有很多，如生物的適應性、外界干擾的程度、營養(yǎng)結構等。

營養(yǎng)結構復雜、食物網復雜的生態(tài)系統(tǒng)，穩(wěn)定性強2.營養(yǎng)結構與生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性2023/11/12國家級精品資源共享課28〔一〕農業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的能源1.太陽能是生態(tài)系統(tǒng)的主要能源2.農業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的輔助能輔助能的類型：自然輔助能、人工輔助能：生物輔助能〔有機能〕、工業(yè)輔助能〔無機能〕輔助能的性質：不能轉化成生物能，對生物能的合成、轉化起輔助作用輔助能的作用：促進轉化、減少消耗、改善環(huán)境四、農業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的能源、能流途徑和能效2023/11/12國家級精品資源共享課29〔二〕農業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的能流途徑

生態(tài)系統(tǒng)中能量流動是指能量由非生物環(huán)境經生物有機體，再到外界環(huán)境所進行的一系列傳遞過程。在農業(yè)生態(tài)系統(tǒng)中，能量流動的一般途徑包括以下幾個方面：1.太陽輻射的能量進入生態(tài)系統(tǒng)2.以植物有機體儲存的能量，沿食物鏈流動轉化3.生態(tài)系統(tǒng)中能量的外界輸入及輸出生態(tài)系統(tǒng)中的能量流動輸入生態(tài)系統(tǒng)中的能量〔太陽能〕總是和生物有機體貯存、轉換的能量和釋放的熱量相等。以熱的形式散失的能量不能再回到生態(tài)系統(tǒng)參與流動和被利用2023/11/1230國家級精品資源共享課Connections:FoodChainsandEnergyFlowinEcosystemsEcologicalefficiency=10%Loss?2023/11/1231國家級精品資源共享課Primaryproducers100J1,000,000Jofsunlight10J1,000J10,000JPrimaryconsumersSecondaryconsumersTertiaryconsumers2023/11/1232國家級精品資源共享課Thedynamicsofenergythroughecosystemshaveimportantimplicationsforthehumanpopulation.2023/11/1233國家級精品資源共享課EnergyflowthroughacommunityGiventhatspecifiedvaluescanbeobtainedfornetprimaryproductionandCE,AEandPE,itispossibletopredict,usingmodels,thepathwayofenergyflowatdifferenttrophiclevelsfordifferentcommunities.Fromsuchmodelingstudies,whicharesupportedbyfielddata,themostsignificantfindingistheoverwhelmingimportanceofthedecomposersystem.Overall,inasteadystatecommunity,lossesthroughanimalrespirationbalanceNPPsothatstandingcropbiomassremainsthesame.2023/11/1234國家級精品資源共享課太陽輻射能

24%52%云層吸收10%浮塵15%反射25%臭氧層、水蒸氣等9%

24%地球外表47%反射4%散射6%散射17%散射損失9%2023/11/1235國家級精品資源共享課2023/11/12國家級精品資源共享課36一個穩(wěn)定生態(tài)系統(tǒng)的能量流分解者消費者呼吸、熱量生產者呼吸、熱量腐生生物分解和呼吸及熱量生產者太陽輻射能輸入消費者消費者消費者未利用未利用2023/11/12國家級精品資源共享課372023/11/12國家級精品資源共享課38EcosystemEnergyFlow生態(tài)系統(tǒng)的能流能流特征逐級減少單方向性能流路徑2023/11/1239國家級精品資源共享課Assimilatory:同化的Dissimilatory：異化的2023/11/1240國家級精品資源共享課2023/11/12國家級精品資源共享課411.能量流動過程中損耗的必然性〔1〕由于不可食或不得食〔2〕消費者密度低或食物選擇限制〔3〕利用后未被同化〔4〕同化后呼吸消耗掉〔5〕變?yōu)樯a量又被減少營養(yǎng)級能量傳遞效率約平均為10%?！踩侈r業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的能效和生態(tài)金字塔規(guī)律2023/11/12國家級精品資源共享課422.能量傳遞效率〔生態(tài)效率〕：通常指食物鏈各環(huán)節(jié)上能量的各種轉化效率。肉豬35%、奶牛20%、蛋雞15%、肉兔13~18%、肉羊11%、肉牛5~8%。2023/11/12國家級精品資源共享課43新陳代謝、生長和運動是生命的根本功能物理運動—化學運動—生命運動2023/11/12國家級精品資源共享課443.生態(tài)金字塔規(guī)律生態(tài)金字塔是生態(tài)學研究中用以反映食物鏈各營養(yǎng)級之間生物個體數量、生物量和能量比例關系的一個圖解模型。類型數量金字塔樹木→昆蟲→鳥類〔畸形金字塔〕生物量金字塔浮游植物→浮游動物→底棲動物〔倒置金字塔〕能量金字塔能量金字塔能量能量流失2023/11/1245國家級精品資源共享課2023/11/12國家級精品資源共享課46Biomassandproductivitygenerallydecreasewithtroph