第三章农业生态系统能量流

第三章农业生态系统的能量流[教学目的]掌握生态系统中能量流路径、功能等有关概念，掌握提高农业生态系统能量转化效率的途径和方法。[教学重点]能源的类型及其功能地位。生态系统能量流动的主要路径，能量在生态系统中传递的损耗途径，生态系统能量转化效率、生态金字塔等的基本概念，食物链加环原理及应用。生态系统中初级生产、次级生产的概念及关系。提高生态系统初、次级生产力的基本途径。人工辅助能在生态系统中的作用。[教学难点]生态学效率、农业生态系统营养结构的优化设计、能流模型的设计。[教学方法]课堂教学，以能流路径为主线，分析生态系统的功能行为。[教学内容]第三章农业生态系统的能量流§1热力学定律§2食物链、食物网§3生态系统的能流分析§4农业生态系统的能流§5农业生态系统的能流分析§1热力学定律及应用一、热力学第一定律（能量守恒定律）△U（系统内能变化）=Q（吸热）-W（对外作功）能量可以在不同介质中传递，也可以在不同形式间转换，但在所有这些过程中能量保持恒定，既不能创生，也不会消灭。应用：制定生态系统能量收支平衡表二、热力学第二定律1.能量的转换不可能达到百分之百有效。2.自由能的提高不可能是一个自发过程。应用：提高能量的转化效率三、熵(entropy)1.熵(entropy):系统热量除以温度后得到的商。△S=△Q/T熵是系统无序性的量度。2.热力学第二定律（1）在一个内能不变的封闭系统中，任何自发过程均朝着熵值增加的方向进行。（2）开放系统从一个平衡状态到另一个平衡状态的任何过程，均使系统与环境熵值之和增加。四、耗散结构理论1.耗散结构(dissipativestructure)：开放系统在远离平衡态的非平衡状态下，系统可能出现的一种稳定的有序结构。(Prigogine)2.耗散结构理论：一个远离平衡态的开放系统，通过与外界进行物质与能量的不断交换，就能克服混乱状态，维持稳定状态，并且不断提高系统的有序性，使系统的熵减少。3.有机体和生态系统都是远离平衡态的开放系统，存在一种连续而有效的能量转换，因而都属于耗散结构。光合与同化：引入负熵，保持有序状态呼吸与作功：排除正熵，排除无序§2食物链一、食物链（foodchain）和营养级（trophiclevel）：1.食物链（foodchain）：生态系统成员间，通过食物营养关系彼此联系起来的序列。2.营养级（trophiclevel）：食物链上的每一个食性级。以符号T来表示，T1表示第一营养级，T2表示第二营养级，T3……Tn余此类推。一般为4~5级。食物链是生态系统内生物与生物之间相互联系的一种主要形式，是物质循环和能量流动的主要路径。二、食物链的种类按性质不同分为四类：（1）捕食食物链（又称草牧食物链gazingfoodchain）：是由植物到草食动物，再到肉食动物，直接消耗活有机体或其部分的食物链。在陆地上起始于绿色植物，在水中起始于浮游植物。如：水稻——稻飞虱——青蛙——蛇——老鹰——人（2）腐生食物链（又称残渣食物链detritusfoodchain）：由多种微生物构成，是以死有机体为营养源，通过腐烂、分解，将有机物还原为无机物质的食物。如：秸杆（畜粪）——食用菌垃圾——蚯蚓（蜗牛）（3）寄生食物链（parasitefoodchain）：以寄生的方式取食活着生物有机体。食物链成员有自大到小的趋势。如：大豆——菟丝子马——蛔虫——原生动物红铃虫——金小蜂（4）混合食物链：构成食物链的各营养级中，既有活食生物成员，也有腐食生物成员。如：稻草——牛——蚯蚓——鸡——猪——鱼return三、生态系统中食物链的基本特点1.在同一个食物链中，常包含有食性和其它生活习性极不相同的多种生物。一条食物链中包含的多种生物，可以使光合产物得到充分利用（分级利用光合产物），在有限的空间中养活众多生物。2.在同一生态系统中，可能有多条食物链，它们长短不一，营养级数目不等。如一个鱼塘生态系统中：藻类水草——草鱼绿藻——甲壳动物——花鲢浮游植物——浮游动物——虾——噘鱼自然生态系统中，食物链营养级的数目是有限的3.不同生态系统中各类食物链所占比重不同。(1)森林生态系统：腐生食物链比重最大，约占系统中生产者所生产的有机物质的90%以上。(2)草原生态系统（牧场）：腐生食物链约占70%左右。(3)农田生态系统：植物生产的有机质大部分作为产品，留给腐生食物链的仅占净初级生产的20~30%。如果不通过粪肥、秸杆还田等途径向系统补充有机质，则系统中腐生食物链上的生物群落将会因为缺少食物能而衰退，引起土壤肥力的下降。4．在任何一生态系统，各类食物链有协同作用。三、食物网食物网（foodweb)：在生态系统中，各种食物链交错起来构成的网状结构。食物网本质上是生态系统中有机体之间一系列反复的吃与被吃的相互关系。营养结构：以营养为纽带，把生物与生物、生物与环境紧密联系起来的结构。四、农业生态系统食物链加环（一）食物链加环的作用在原有食物链中通过加入新的链环，延长或完善食物链组合，改变农业生态系统的结构，具有很好的效益。其作用表现在：–提高农业生态系统的稳定性。–提高农副产品的利用率–提高能量的利用率和转化率（二）、食物链加环的类型--生产环在食物链中加入能够把非经济产品转化为人们直接利用的经济产品的环节，称为生产环。如：牛、羊等可把秸杆、糠麸、菜叶、杂草等转化为肉、皮、奶、蛋等，蜜蜂可将花粉转化为蜂蜜、蜂王浆等。–减耗环这类环节的引入可减少生产消耗。如：引入天敌，可减轻病害危害，吉林省人工放养寄生蜂，防治林场的松毛虫。–增益环这类环节虽不提供人类直接消费的产品，但可扩大生产环节的增产效果。如：利用粪渣等有机废弃物养殖蚯蚓和蝇蛆，可作为禽畜的蛋白饲料，可提高家禽的生长量和家禽的产蛋率。–复合环兼具两种以上的功能环节。如：稻田养鱼、鸭，即有减耗的作用（鱼鸭以水稻害虫为食，减轻虫害危害，鱼、鸭粪肥又可肥田），又可生产鱼、蛋产品。五、食物链的解列食物链的解列：实质就是利用农业生态系统进行污水处理。使现代工业产生的有毒有害物质在食物链上富集到一定程度时与人类的食物链中断联系。处理污染土壤可种植非食用的木材、麻类、花卉等使污染物离开食物链。污水处理如：水生植物凤眼莲（又名水葫芦）、浮萍等对各种污染物以及水体富养化的N、P等具有较强的吸收净化能力。食物链原理应用举例作物秸杆的处理一般有两种途径：一种是直接焚烧，这部分养分流出农业生态系统，不仅造成农业生态系统的土壤养分状况的不断的下降，而且还会造成环境污染。另一种是用于饲养牲畜，粪肥还田，相比这种途径就会合理的多，在农业生产实践中利用的也比较广泛。秸杆多级利用技术结构如图§3生态系统中的能源一、太阳辐射能二、辅助能一、太阳辐射能是所有生态系统最主要能量来源可见光：0.4~0.76μ50%生理效应红外线：＞0.76μ43%引起热能紫外线：＜0.4μ7%引起生物变性，致死太阳常数：So=1.94cal/cm2.min到达地球表面的太阳辐射能强度，因纬度、地形地貌、坡度坡向、气候因子而不同。太阳辐射能量到达地球表面的分配示意图二、辅助能辅助能：生态系统中，除了太阳能以外的其它一切补加能量。包括自然能：如沿海河口潮汐的作用，风力的作用以及降雨和蒸发的作用等。人工辅助能：对农业生态系统，辅助能主要构成是人们从事农业生产各项活动中投入的能量，当然，也继承了自然生态系统中的自然辅助能。§4生态系统的能流分析一、能流路径二、生态效率三、生态金字塔一、能流路径研究生态系统中能量流动，在于了解一个系统的能量输入、贮存以及作功之间的相互关系，从而减少能量损耗，提高能量利用效率。生态系统中能量是沿着食物链流动的：→Tn-1→Tn→NUnNAnRnNPn-1摄入量InAnNPn注：NP：净生产量A：同化量Nu：未同化量NA：未同化量二、生态效率生态效率：能量通过各营养级的转化效率。1．营养级之间（Tn-1——Tn）（1）摄入效率In/In-1（2）同化效率An/An-1（3）生产效率NPn/NPn-12．营养级内部（1）同化效率：An/In（2）生态生长效率：NPn/In（生产效率）（3）组织生长效率：NPn/An三、生态金字塔1.生态金字塔：营养级由低到高，它们的个体数或能量的分布形成一个塔形结构，就称为生态金字塔。2.三种基本类型：（1）生物个体数——数目金字塔（2）每种生物的现存生物量——生物量金字塔（3）能量——能量金字塔returnreturnreturn§5农业生态系统的能流一、能源二、人工辅助能提高农业生态系统生产力的原因三、工业辅助能的使用所带来的一系列的问题四、农业生态系统的能量转化一、能源生物界的能源，直接、间接地来源于太阳的辐射能。农业生态系统有大量的人工辅助能输入，同时有大量的能量以农产品的形式输出系统外。太阳能仍是主要能量来源，但辅助能所占的比例大大提高了。自然辅助能辅助能工业能：农药、化肥、农机、电力、燃料、薄膜、设施人工辅助能生物能：劳动、畜力、有机肥、燃料食物能：种子、种苗、饲料、种畜、种禽二、人工辅助能提高农业生态系统生产力的原因1．辅助能的投入，促进农作物对太阳能的吸收、利用和转化。2．减少农业生物的非生产能量损耗。3．使农业生产中的一些自然生物过程可以用人工过程取代，提高效率。三、工业辅助能的使用所带来的一系列的问题1．辅助能的效益随着辅助能的增加而降低（报酬递减律）。2．能源紧张。3．化肥农药对农业环境造成污染。四、农业生态系统的生产力--农业生态系统的能量转化（一）、农业生态系统生产力的概念（二）、初级生产力（三）、次级生产力（一）农业生态系统的生产力概念1.农业生态系统的生产力：是指农业生态系统中物质循环和能量转化的效率，是系统中最基本功的数量特征。它的大小体现了系统功能的好坏。指在单位时间（通常是一年）、空间（通常指面积）所产生的物质、能量或价值的多少。用系统的总生物量和经济产量、农业总产值、纯收入表示。包括：系统生物的自然生产力和经济生产力2.自然生产力与经济生产力农业生物的自然生产力：–指农业生物自身的同化效率和积累能力。农业生物在一定时间空间内的能量、物质的积累量，形成总的生物学产量。是农业生态系统生产力的基础。农业生物经济生产力指各种农业外生物提供经济产量的能力。–首先表现为经济产品量的高低；–表现为经济产品量的价值量的大小；–最终表现为纯收入的多少。即通常所说的生产效率。3.生产力与生产效率区别两个概念：–生产效率：单位时间和空间内，投入农业生态系统的物质能量和价值的转化效率。即：生产效率（产投比）＝产出量／投入量如：劳动生产率、价值转化率、物质利用率等。–系统生产力：农业生态系统在单位时间（通常为一年），空间（通常指面积）所产出的物质、能量或价值的多少。可以看出，生产力的概念包含生产效率的含义。但通常所讲到的系统生产力主要指前两点所述的含义，指总的生物量、经济产品量或总产值。（二）、初级生产力1、概念2、地球生物圈主要生态系统的初级生产力3、农业生态系统的初级生产力4、提高农业生态系统初级生产力的途径1、概念总初级生产力：（grossproductivity）植物单时间、面积内利用光能合成有机物质的量。净初级生产力：（netproductivity）植物总初级生产力中减去植物呼吸消耗量所剩下的数量。总初级生产量：（grossproductionPg）一定时期内植物合成有机物质的总量，无速率的概念。净初级生产量：（netproductionPn）总初级生产量中减去呼吸消耗量的剩余量。即一段时间内，以植物组织形式表现出来的干物质量。现存量：（standcrop）某一特定时刻，单位面积地段内有机体的数量。与生物量（Biomass）是同义语。R呼吸枯死、采食总生产量Pg净生产量Pn现存量B2、