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第六章农业生态系统的能量流 第一节能量流动的基本规律第二节初级生产的能量转化第三节次级生产的能量转化第四节生态系统中的辅助能第五节生态系统的能量关系 1 第一节能量流动的基本规律 2 二 能量流动的基本过程 能源 流动中转换 流出 1 能量来源 太阳能和辅助能 2 能量流动的基本途径 3 1 能量来源 太阳辐射能 一般而言 它是农业生态系统的主要能量来源 其作用视波长 99 为0 15 4u 不同而异 其中 红外线 0 76u占43 主要产生热效应 形成农业生态系统的自然热环境 紫外线 0 4u占7 实达1 主要产生消毒灭菌的生物学效应 可见光 0 4 0 76u占50 由七色光组成 除绿光外 都是光合作用的有效辐射 是农业生态系统最根本的能源 4 1 能量来源 辅助能 辅助能即是指除太阳能外 对农业生态系统所补加的一切其它形式能量的总称 其占系统总输入能量的比例依农业生产水平而定 如我国目前约为30 60 其作用主要有三 其一是维持部分农业生物的生命 其二是改善农业生物的生活环境 其三是改变各种生物间的比例关系 根据来源可将其分为自然辅助能人工辅助能 5 自然辅助能 自然辅助能即是指自然存在的辅助能 如风能 潮汐能 水势能等 6 人工辅助能 人工辅助能即是指为了达到特定目的而人为向农业生态系统补充的能量总称 根据性质不同 它可进一步分为生物辅助能和工业辅助能两类 其中 生物辅助能即是指来源于生物有机体或有机物的能量 有机能 如人力 种苗种畜 及有机肥中的生物化学潜能 工业辅助能即是指以石油 煤 天然气和电等形式投入直接能量和以化肥农药 农机农膜及其它农用工业品形式投入的间接能的总称 7 能源及类型 8 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 9 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 2 能源紧张 3 化肥农药对农业环境造成污染 10 能量流动路径即是指农业生态系统中能量流动的渠道 总体来讲 农业生态系统能量流动的主渠道是食物链和食物网 具体有三条基本流径 其一是太阳能路径 其二是有机能路径 其三是无机能路径 2 能量流动的基本途径 11 其一是太阳能路径 热离散或微生物 其二是有机能路径 热离散或微生物 其三是无机能路径 无机能 做功 热离散 有机能 新生种养生物体 产品输出 呼吸 太阳能 植物 动物 产品输出 呼吸 呼吸 能量流动的基本途径 12 三 能量流动的基本定律 1 热力学第一定律 能量守恒 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 13 2个例子 14 2 热力学第二定律 能量效率和能流方向定律 自然界的所有自发过程 能量的代替均有一定的方向 而且任何的能量转换 其效率不可能达到100 要点 能量传递有一定的方向 是不可逆的 能量转化过程中存在着衰变现象 必然有能量的耗散 为了判断能量流动的方向和限度 用自由能和熵两个概念来描述 15 自由能 系统总能中用来作功的能量 熵系统总能中不能用来作功的能量 是系统无序性的量度 在封闭的系统中 自发过程总是向自由能减少 熵值增加的方向进行 16 17 热力学两个定律 18 四 热力学定律在农业生态系统中的应用 1 根据热力学第一定律 可以对农业生态系统的能量流进行定量研究 2 在农生态系统能量流中 只有少部分转化成有机形态的化学潜能储存起来 大部分转化成热能而耗散 人们应该尽量减少能量的无谓消耗 提高能量的转化效率 3 能量流的流动方向是不可逆的 能量只能称为转化或转移 而不能是循环 4 为了维持农业生态系统的稳定 应不断的向系统输入能量 减少熵 19 第二节初级生产的能量转化 初级生产 第一性生产是指自养生物利用无机环境中的能量进行同化作用 在生态系统中首次把环境的能量转化成有机体化学能 并贮存起来的过程 20 初级生产力 初级生产积累能量和物质的速率 也叫第一性生产力 以每年每平方米合成的干物质克数火积累的能量千卡数表示 g m2 a或kal m2 a 一 初级生产中的能量平衡关系 21 22 二 初级生产的能量效率与生产力比较 1 不同种类的植物光合能力差异很大 2 C3 C4 CAM植物光合能力差异很大 3 同种植物的不同生态型品种产量差异很大 4 同种植物的不同群体结构能量利用率差异较大 5 地球上生态系统初级生产量分布不均 23 三 地球主要生态系统的生产力 一 24 1 陆地比水域的初级生产量大 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 yr 有 海洋荒漠之称 25 Averagenetprimaryproductivityingramsoforganicmaterialpersquaremeterperyearofsometerrestrialandaquaticecosystems NETPRIMARYPRODUCTIVITY 26 27 2 陆地上初级生产量有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 28 29 3 海洋中初级生产量由河口湾向大陆架和大洋区逐渐降低 河口湾由于有大陆河流的辅助输入 它们的净初级生产力平均为1500g m2 yr 产量较高 但是 所占的面积不大 到大洋区净生产量平均为125g m2 yr 30 4 水体和陆地生态系统的生产量垂直变化 如森林不同层次生产量的排序为 乔木层 灌木层 草被层 31 5 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 32 6 全球初级生产量可划分为四个等级 33 34 35 36 三 初级生产力的测定方法 37 四 作物生产潜力的估算方法 38 39 40 41 42 43 44 第三节次级生产的能量转化 次级生产 secondaryproduction 指异养生物的生产 也就是生态系统消费者 分解者利用初级生产量进行的同化 生长发育 繁殖后代的过程 异养生物称次级生产者 大农业中的畜牧水产业和虫 菌业生产都属次级生产 45 一 次级生产的能量平衡 46 未捕获 876 1g 猎物种群生产量 886 4g 被捕获 10 3g 被吃下 7 93g I 未吃下 2 37g 未同化 0 63g 同化 7 3g A 净次级生产 2 7g P 呼吸 4 6g R 47 个体的能量划分P NI I NI A R1 R2 R3 F U G 1 同化量和呼吸量估计生产量 P A R A C FU 2 P Pg Pr 净生产量为种群中个体的生长和出生之和 Pr 生殖后代的生产量Pg 个体增重 48 Allocationofenergywithinonelinkofafoodchain 49 三 次级生产的能量转化效率 1 畜禽转化饲料的效率16 29 同化 33 呼吸消耗 31 49 粪便排出 2 水域生态系统中各种生物对不同饲料的转化效率 50 51 52 四 次级生产力的制约和改善方向 次级生产力改善方向 1 调整种植业结构 建立粮 经 饲三元生产体系 增加饲料来源 开发草山草坡 发展氨化秸秆养畜 53 54 第四节生态系统中的辅助能 55 一 生态系统的辅助能 56 57 二 人工辅助能的作用 58 三 不同类型生态系统的辅助能特征与能量效率 59 不同农业发展时期的辅助能特征与能量效率 原始农业阶段 人类劳动有机农业阶段 人类劳动 畜力 有机肥等生物能 农业机械 畜牧养殖业简单利用系统内的农副产品 现代农业阶段 化肥 农药 灌溉 农机具 农业工程 畜牧利用工厂饲料 饲料添加剂 良种繁育 环境调节控制等 经济社会发展和环境差异大的生态系统的辅助能特征与能量效率 一般 随着辅助能的投入的增加 能量的产出水平和农业产量也相应增加 但辅助能的产投效率不一定增加 甚至出现报酬递减现象 投能结构 能量投入中辅助能在总输入能量所占的比例 无机能和有技能所占的比例 化肥 农药各项投能所占的比例等等 辅助能的质量及其投入管理水平的高低有关 60 第五节生态系统的能量关系 61 生态系统能量流动的一般过程 62 63 29 7 25 8 64 二 生态金字塔 65 66 67 68 69 三 生态效率 70 71 1 消费效率 食草动物对植物净生产量的利用 1 植物种群增长率高 世代短 更新快 被利用的百分比高 2 草本植物维管束少