第5.2章 生态系统生态学-能量流动

第五章生态系统生态学第一节生态系统及其动态平衡第二节生态系统的能量流动第三节生态系统的物质循环第四节生态系统的信息传递第五节生态系统的服务和管理5.2生态系统的能量流动生态系统能量流动概述生态系统的物质生产和分解生态系统能流过程和分析能量流动(energyflow)是生态系统功能的 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 现形式之一，生态系统的能量流动既能反映系统的物理过程，又能体现生物学特性1.生态系统能量流动概述生态系统中能量太阳辐射辅助能自然辅助能人工辅助能最主要来源生态系统中能量传递遵循热力学第一和第二定律能量守恒定律EnergyConservationLaw熵增定律EntropyIncreaseLaw没有某种动力的消耗或其他变化，不可能使热从低温转移到高温生态系统中能量传递是单向性和逐级减少的营养级(trophiclevel)：处于食物链某一环节上的所有生物种的总和。营养级的位置越高，归属于这个营养级的生物种类和数量就越少。生态金字塔(ecologicalpyramid)：营养级之间的量比关系能量金字塔(pyramidofenergy)：把通过各营养级的能流量由低到高用图型表示，成为金字塔形。生物量金字塔(pyramidofbiomass)：以生物量来表示数量金字塔(pyramidofnumber)：个体数目生态金字塔生态金字塔生态金字塔能量金字塔总是保持金字塔形数量金字塔的倒置寄生性食物链中，寄生者的数量往往多于宿主；个体小的消费者的数量往往多于个体大的生产者，如昆虫与树木。数量金字塔生物量金字塔藻类植食动物生物量金字塔的倒置海洋生态系统中的浮游植物与其上一级的浮游和底栖动物在某一时刻的金字塔是倒置的；但以年为单位时仍为正置；生态效率Ecologicalefficiency生态效率(ecologicalefficiency):是指各种能流参数中的任何一个参数在营养级之间或营养级内部的比值关系。能量参数：摄取量(ingestion,I)：一个生物所摄取的能量。植物：I代表被光合作用所吸收的日光能；动物：I代表动物吃进的食物能。同化量(assimilation,A)：消费者吸收所采食的食物能动物：消化道内吸收的能量；植物：光合作用所固定的日光能；微生物：细胞外产物的吸收呼吸量(respiration,R)：生物经呼吸等新陈代谢活动所消耗的全部能量生产量(production,P)：生物经呼吸等消耗后净剩的同化能量动物：P=A-R；植物：净初级生产量生态效率同化效率(assimilationefficiency,Ae):衡量生态系统中有机体或营养级利用能量和食物的效率。生长效率(growthefficiency,Ge):同一个营养级的净生产量(Pn)与同化量(An)或摄食量的比值。 同化效率=被植物固定的能量/植物吸收的日光能=被动物消化吸收的能量/动物摄食的能量即Ae=An/In；生态效率消费或利用效率(consumptionefficiency,Ce):一个营养级对前一个营养级的相对摄取量。林德曼效率(Lindemanefficiency,Le，十分之一定律):指n与n＋1营养级摄取的食物量能量之比。它相当于同化效率、生长效率和利用效率的乘积。消费效率=n+1营养级的消费能量/n营养级的净生产量 即Ce=In+1/Pn；林德曼效率=n+1营养级所获得的能量/n营养级获得能量即：Le=In＋1／In＝An/In·Pn／An·In＋1／Pn=Ce*Ae*Pe2.生态系统的物质生产和分解物质生产：是生态系统重要功能之一。生态系统不断运转，生物有机体在能量代谢过程中，将能量、物质重新组合，形成新的产品（糖、脂肪和蛋白质等）的过程，称生态系统的物质生产。生产者通过光合作用合成复杂的有机物质，使植物的生物量（包括个体数量和生长）增加；消费者摄食植物已经制造好的有机物质（包括直接的取食植物和间接的取食食草动物和食肉动物），通过消化、吸收再合成自身所需的有机物质，增加动物的生产量。物质生产初级生产(primaryproduction)：生态系统中绿色植物通过光合作用，吸收和固定太阳能，从无机物合成、转化成的复杂的有机物质。由于这种生产过程是生态系统能量贮存的基础阶段，因此，这种生产过程也称为第一性生产。绿色植物通过光合作用合成有机物质的数量称为初级生产量，也称第一性生产量。次级生产(secondaryproduction)，初级生产以外的生态系统生产，即消费者利用初级生产的产品进行新陈代谢，经过同化作用形成异养生物自身的物质。也称为第二性生产。生物量和生产量生物量(biomass):某一特定观察时刻，某一空间范围内，现有有机体的量，它可以用单位面积或体积的个体数量、重量（狭义的生物量）或含能量来表示，因此它是一种现存量(standingcrop)。现存的数量以N表示，现在的生物量以B表示。现存生物量通常用平均每平方米生物体的干重(g·m-2)或平均每平方米生物体的热值来表示(J·m-2)。生产量(production):是在一定时间阶段中，某个种群或生态系统所新生产出的有机体的数量、重量或能量。它是时间上积累的概念，即含有速率的概念。生物量和生产量是不同的概念，前者到某一特定时刻为止，生态系统所积累下来的生产量，而后者是某一段时间内生态系统中积存的生物量。生产量和现存量关系示意图现存量P＝△B＋E生产量P减少量E总初级生产与净初级生产初级生产过程可用下列方程式概述：光能6CO2＋6H2OC6H12O6＋6O2总初级生产(grossprimaryproduction,GPP)：植物在单位面积、单位时间内，通过光合作用固定太阳能的量称为总初级生产(量)，常用的单位：J·m-2·a-1或gDW·m-2·a-1；净初级生产(netprimaryproduction,NPP)：植物总初级生产（量）减去呼吸作用消耗掉的（R），余下的用于植物的生长与繁殖，这部分生产量即为净初级生产（量）。二者之间的关系可表示如下：GPP＝NPP+R；NPP＝GPP－R叶绿素净初级生产量的分配全球初级生产量的四个等级陆地各生态系统的净初级生产力大约在0－3500g·m-2·a-1范围内，可以划分为4个级别：1000—2000g·m-2·a-1陆地适宜气候条件下净初级生产力的 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 值250～1000g·m-2·a-1干燥的疏林灌丛或矮林以及大部分草地，还包括栽培农作物的陆地。0～250g·m-2·a-1最低值，常分布在极端干燥和低温的地区（大面积的荒漠及两极地区的冻原及高山带）。2000～3000g·m-2·a-1高标准的生产力，属于温湿地带，尤其是多雨地区的森林、沼泽地、河流岸边的生态系统，以及在优异条件下处于演替过程中的森林全球初级生产量概况及分布特点陆地比水域的初级生产量大。陆地上初级生产量有随纬度增加逐渐降低的趋势海洋中初级生产量由河口湾向大陆架和大洋区逐渐降低。陆地生态系统约占地球表面1/3，而初级生产量约占全球的2/3。主要原因是占海洋面积最大的大洋区缺乏营养物质，其生产力很低，平均仅125g/(m2.a)，有“海洋荒漠之称”。影响初级生产的因素NPPRCO2光H2O营养取食O2＋温度陆地生态系统中，初级生产量是由光、二氧化碳、水、营养物质(物质因素)、氧和温度(环境调节因素)六个因素决定的。污染物⑥①②③④⑤光合作用生物量GPP陆地上初级生产量随纬度增加逐渐降低的趋势陆地生态系统类型中，以热带雨林生产力为最高，平均为2200g/m2.yr。由热带雨林向常绿林、落叶林、北方针叶林、稀树草原、温带草原、寒漠依次减少。初级生产量从热带至亚热带、经温带到寒带逐渐降低。一般认为，太阳辐射、温度和降水是导致初级生产量随纬度增大而降低的原因。热带森林仅覆盖地球5%的面积，但生产量几乎占全球总生产量的28%。海洋中初级生产量由河口湾向大陆架和大洋区逐渐降低海洋面积约占地球面积的2/3，但其净初级生产量只占全球净初级生产量地1/3。海洋中珊瑚礁和海藻床是高生产量的；河口湾由于有河流的辅助能量输入、上涌流区域也能从海底带来额外营养物质，它们的净生产量较高，平均为1500g/m2.yr，但是，所占的面积不大。水域、河口湾、海藻床和珊瑚礁等面积虽仅占0.4%，但其生产量达全球的2.3%。到大洋区净生产量相当低，平均为125g/m2.yr，被称为海洋荒漠。在海洋中，又河口湾向大陆架到大洋区，单位面积净初级生产量和生物量有明显降低的趋势。水体和陆地生态系统的生产量都有垂直变化水体和陆地生态系统的生产量都有垂直变化，例如森林，一般乔木层最高，灌木层次之，草被层更低，而地下部分反映了同样情况。水体也有类似的规律，不过水面由于阳光直射，生产量不是最高，最高的是深数米左右，并随水的清晰度而变化。生态系统的初级生产量随群落的演替而变化早期植物生物量很低，初级生产量不高；随演替进行，生物量逐渐增加，生产量也提高；森林一般在叶面积指数为4时，净初级生产量最高；系统到达顶极时，生物量接近最大，但净生产量反而降低。产量收割法：收获植物地上部分测定干重。氧气测定法：总光合量＝净光合量＋呼吸量二氧化碳测定法：用特定空间内的二氧化碳含量的变化，作为进入植物体有机质中的量，进而估算有机质的量。叶绿素测定法：叶绿素与光合作用强度有密切的定量关系，通过测定体中的叶绿素可以估计初级生产力。放射性标记测定法：把具有14C的碳酸盐(14CO32-)放入含有天然水体浮游植物的样瓶中，沉入水中，经过一定时间的培养，滤出浮游植物，干燥后，测定放射性活性，确定光合作用固定的碳量。初级生产量的测定方法氧气测定法--黑白瓶法黑瓶（呼吸作用）白瓶(净光合作用)对照瓶（消除误差）放置于水样深度处一定时间后，测各瓶的含氧量变化，求初级生产量次级生产过程模型食物资源未采食拒食未食粪便(Fu)呼吸(R)分解被采食可利用食用(C)同化(A)动物产品产生能量(P)潜在能量保持能量损失能量ⅠⅡⅢⅣⅤⅥC=A+FuA=P+RC=P+Fu+RP=C-Fu-R次级生产的基本特点按已知同化量A和呼吸量R，估计生产量PP=C-Fu-R，Fu-尿粪量根据个体生长或增重的部分Pg和新生个体重Pr，估计PP＝Pg＋Pr根据生物量净变化△B和死亡损失E，估计PP＝△B＋E次级生产量的测定方法生态系统中的分解分解过程碎裂异化淋溶分解者生物种类细菌和真菌动物类群影响分解速率的因素分解者生物类群资源质量理化环境3.生态系统能流过程和分析生态系统中能流的途径生态系统能流研究的原理生态系统能流研究的步骤异养生态系统能流分析能流分析模型能流分析的实例牧食食物链和腐食食物链是生态系统能流的主要渠道。能量流动以食物链作为主线，将绿色植物与消费者之间进行能量代谢的过程有机地联系起来。牧食食物链的每一个环节上都有一定的新陈代谢产物进入到腐屑食物链中，从而把两类主要的食物链联系起来。能量在各营养级之间的数量关系可用生态金字塔表示。生态系统中能量流动的途径初生态系统能流研究的原理依据物种的主要食性，将每个物种都归属于一个特定的营养级，然后精确地测定每一个营养级能量的输入值和输出值。生态系统能流研究的步骤⑴确定组成生态系统生物组成部分的有机体成份；⑵确定消费者的食性，确定消费者的分类地位；⑶确定有机体的营养级归属，进而确定：①各营养级的生物量，②各营养级能量或食物的摄入率，③同化率，④呼吸率，⑤由于捕食、寄生等因素而引起的能量损失率；⑷结合各个营养级的信息，获得营养金字塔或能流图。异养生态系统的能流分析异养生态系统不依靠或基本上不依靠太阳能的输入而主要依靠其它生态系统所生产的有机物输入来维持自身生存的系统。异养生态系统能流的特点草食动物主要以残屑为食银泉生态系统中，草食动物吃掉的植物残屑占总能量输入的75%；锥泉生态系统中，不存在吃活植物的动物；以植物残屑为食的动物又成为肉食动物的食物，成为能流链条中的一个环节。生态系统能流模型普适模型：美国生态学家E.P.Odum于1959年提出方框表示营养级和贮存库；箭头表示能流方向；能流通道的粗细表示能流量的多少；大方框表示生态系统的边界。普适模型的解读两个能量输入通道：日光能通道粗者大体为自养生态系统，反之大体为异养生态系统；三个能量输出通道：未固定的日光能，生物的呼吸，有机物质的流失普适模型的研究结果能量从一个营养级到另一营养级，转化率在5-30%之间；植物到植食性动物的转化率约10%，从植食性动物到肉食性动物之间约为15%GedarBog能流模型未吸收497228.6R=96.3R=18.8R=7.5未利用293.1未利用29.3未利用5.0单位：J•cm-2•a-199.9%总初级生产GPP=464.70.1%食草动物H=62.8食肉动物C=12.6分解12.5分解2.1分解入射日光能497693.313.5%20.1%实例：调查稻田生态系统中的能量流动情况组成成分：（1）非生物的物质和能量；（2）生产者：水稻、杂草、浮游植物等；（3）消费者：田螺、泥鳅、黄鳝、鱼、青蛙、浮游动物、昆虫、鸟类等；（4）分解者：多种微生物。1.生产者主体是水稻，其他生产者有杂草、浮游植物等。农民主要通过喷洒除草剂，或人工除草的方式抑制杂草的生长。3.次级消费者有：泥鳅、黄鳝、肉食性鱼、青蛙等。一般而言，这些消费者对水稻生长利大于害。农民通过禁捕，或适量放养等措施，实现生态农业的目标。2.初级消费者有：田螺、浮游动物、植食性昆虫、植食性鱼、鸟类等。一般而言，植食性昆虫和鸟类等往往对水稻生长构成危害，田螺、植食性鱼数量较多时也会对水稻生长构成危害。农民采取喷洒农药、竖稻草人等措施防止或减少这些动物的危害。7.通过稻田养鱼等措施，实现立体化生态农业；通过建造沼气池，实现能量的多级利用。5.农民对秸秆的传统处理方式有焚烧或填埋等；现代农业提出了综合利用思想，例如，秸秆可作为多种工业原材料，还可以用来生产沼气，以充分利用其中的能量。6.主要通过合理密植的方法提高作物的光能利用效率。课堂讨论题：试用能量生态学原理，从环境保护的角度，论述秸杆的充分利用。原理：能量沿生态系统的食物链或食物网定向逐级流动并被各级营养级上的生命有机体逐级利用。生态 工程 路基工程安全技术交底工程项目施工成本控制工程量增项单年度零星工程技术标正投影法基本原理 设计：能量多层分级利用作物家畜食用菌蚯蚓籽实秸杆饲料糖化一级利用产品输出粪便二级利用接种菌床杂屑三级利用产品输出接种排泄物肥料光能产品输出秸杆秸杆饲料5.2思考题名词解释：同化效率生态效率林德曼效率生态金字塔、生物量金字塔、数量金字塔和能量金字塔问答题在常见的三种金字塔中，生物量金字塔和数量金字塔在某些生态系统中可以呈现倒金字塔形，但能量金字塔却无论如何不会呈倒金字塔形。试解释其中的原因。试比较三类生态金字塔的优缺点。