4第四章 农业生态系统的能量流动.ppt

生态系统的功能 能量流动 物质循环 价值转化 信息传递 能量流动和物质循环是生态系统的基本功能 是地球上生命赖以生存和发展的基础 第四章农业生态系统的功能 能量流动 一 能量流动的基本原理 1 能量的基本概念 力学定义能量是 物体做功能力的量度 物体对外界作了功 物体的能量要减少 反过来 若外界对物体作了功 物体的能量就要增加 如某些动物搬运食物 则动物对外界作了功 体内的化学能减少 生态系统中各组分的存在 变化及其发展 都与能量息息相关 遵循一定的能量变化规律 1 辐射能 以辐射的形式发射 传播或接受的能量 2 化学能 化合物中具有的能量 3 机械能 运动着的物质所含有的能量 4 电能 电子沿导体流动时产生的能量 5 热能 同温度相联系的一个状态函数 生态系统中的能量形式及转换 太阳辐射能 太阳能 辅助能 自然辅助能 人工辅助能 生物辅助能 工业辅助能 农业生态系统能量来源 2 农业生态系统能量的来源与分类 太阳能 辅助能 自然辅助能 人工辅助能 生物辅助能 工业辅助能 除太阳辐射能以外 其它进入系统的任何形式的能量 农业生态系统能量来源 太阳能 辅助能 自然辅助能 人工辅助能 生物辅助能 工业辅助能 在自然过程中产生的除太阳辐射能以外的其它形式的能量 如沿海和河口湾的潮汐作用 风能 水势能 降水及蒸发作用等 农业生态系统能量来源 太阳能 辅助能 自然辅助能 人工辅助能 生物辅助能 工业辅助能 人们在生产活动中地投入的各种形式的能量 主要是为了改善生产条件 加快产品流通 提高生产力 如农田耕作 灌溉 施肥 防治病虫害 农业生物的育种以及产品的收获 贮藏 运输 加工等 农业生态系统能量来源 太阳能 辅助能 自然辅助能 人工辅助能 生物辅助能 工业辅助能 来自生物有机体或有机物的能量 如人力 畜力的做功 有机肥 种子 种苗的化学潜能 农业生态系统能量来源 太阳能 辅助能 自然辅助能 人工辅助能 生物辅助能 工业辅助能 来自工业生产中的各种形式的能量 包括石油 煤 天然气 电等形式直接投入的和化肥 农药 农膜 机械等等形式间接投入的能量 农业生态系统能量来源 种子 能量分类的作用和意义 生物辅助能一般是农业系统内部能量的再利用 表示归还率 是有限的 封闭形式的投入 工业辅助能表示对该系统能量的补充 开放形式的投入 资源量 形式 成本 环境影响不同 生物辅助能 工业辅助能 称人工辅助能的组成 投能结构 产出生物能 投入人工辅助能 称人工辅助能的能效单位面积单位时间内人工辅助能投入量 称为人工辅助能投入水平人工辅助能的组成 能效和投入水平是农业生态系统现代化 集约化程度的重要指标 也直接影响着农业生态系统的功能 不同地区的经济社会发展水平和资源环境条件存在差异 因而农业生态系统的人工辅助能投入水平和投入结构不同 一般来说随着辅助能的投入增加 能量产出水平和农业产量增加 但过多会出现报酬递减现象 在农业发展过程中 无机能投入量及所占比例有逐步增加的趋势 生态系统能力转换利用效率和能量产出的高低 还与辅助能的质量及其投入管理水平的高低有关 还有农业生物种类和品种有关 我国不同地区能量产投比 目前我国多数地区有机能与无机能比例为1 35至8 83之间 投能结构 有机能 无机能 与产投比 能量转化效率 之间呈二次函数关系 产投比 有机能 无机能 3 066 78 Y 0 5324 0 5767X 0 059X 投能结构与产投比关系示意 高辅助能投入 石油农业 的困境过渡依赖化石燃料不低碳食品安全问题不安全大气污染不环保水质恶化不环保土壤退化不生态生物多样性减少不生态服务功能削弱不生态 江苏省化肥施用量及化肥施用强度 2007年江苏省化肥施用量与施用强度区域差异 再生能源的开发利用 自然界存无限的能源资源 太阳能水能风能地热能海洋能核能氢能 生物质能 主要是植物或其被动物转化的排泄物等生物有机质储存的能量 生物质能是重要的可再生能源 且洁净环保 可以减少化石能源消耗带来的温室效应 目前发展中的生物质能开发利用技术主要有 1 通过热化学转换技术将固体物质转换成可燃性气体 焦油等 2 通过生物化学转换技术将生物质转换成沼气 酒精等 3 通过压块细密成型技术将生物质压缩成高密度固体燃料等 我国生物质能资源原料多样量大 包括能源植物 作物秸秆 人畜粪便等 农作物秸秆是数量最大的农业废弃物 每公顷耕地年产量可达9 10吨 地球上光合作用产生的生物质约1500亿吨 年 可作为人类食物或动物饲料占其中1 4 每年产生的废物 包括收获和加工过程中的 约135亿吨 我国主要作物秸秆资源量 能量既不能消失 也不能凭空产生 它只能以严格的当量比例 由一种形式转化为另一种形式 如果用 E表示系统内能的变化 Q表示系统吸热或放热 W表示系统对外做功 则 E Q W即 一个系统的任何状态变化 都伴随着吸热 放热和做功 而系统的总量并不增加或减少 它是守恒的 3 能量流动的基本热力学定律 1 热力学第一定律 一片森林接受固定的太阳能是 Q 被动物 微生物消耗 人类砍伐的是 W 剩下的有机物能是 E 则 E Q W 若消耗 W 固定 Q E为负 森林衰退若消耗 W 固定 Q E为零 森林稳定若消耗 W 固定 Q E为正 森林发展 热力学第一定律 例一 一个动物摄食固定的有机物能是 Q 动物活动 消耗的是 W 剩下的有机物能是 E 则 E Q W 若消耗 W 固定 Q E为负 动物变瘦若消耗 W 固定 Q E为零 动物不长若消耗 W 固定 Q E为正 动物生长 热力学第一定律 例二 自发过程 不可逆 一种形式的能量不可能100 转变成另一种形式的能量 永动机不可能造成 自发过程是能量损耗的过程 能量在转换 流动过程中存在衰变 逸散现象 总有一部分能量要从浓缩的有效形态变为稀释的不能利用的形态 有机物变无机物是自发过程 其间伴随着能量的逸散 其逆过程是通过太阳能做功完成的 2 热力学第二定律 在一切过程中 系统潜在做功的能 可分解为两部分 即有用能和热能 前者可继续做功 叫自由能 通常占一小部分 后者无法再利用 而以低温热能形式散发于外围空间 往往占一大部分 G H T S式中 G为自由能 即可对系统做功的有用能 H指系统热焓 即系统含有的潜能 S代表系统的熵 T是过程进行时的绝对温度 热力学第二定律 植物叶片吸收的太阳能 A 植物叶片固定的太阳能 B 转化过程中产生的热能 C 热力学第一定律 A B C热力学第二定律 B A 反射 反射 能 焓 熵 能 焓 熵 世界上一切有序的结构 格局 安排都会自然地趋向于无序 要维持有序状态 只有使系统获得更多的潜能以做功 清除不断产生的无序 重新建造有序 热力学第二定律可表述为熵定律 一切自发过程总是沿着熵增加的方向进行 所谓耗散结构 是指在远离平衡状态下的开放系统 系统可能出现的一种稳定的有序结构 通过与外界环境所进行的物质 能量的不断交换 就能克服混乱状态 维持稳定状态 自然生态系统具有自组织功能 具有耗散结构 序 熵和耗散结构 二 能流途径 生态系统的能量流动和物质循环通过食物链和食物网进行的 生态系统中生物成员通过一系列吃与被吃的食物营养关系将彼此联系起来的链条叫食物链 例子 1 大鱼吃小鱼 小鱼吃虾米 虾米吃稀泥 2 螳螂捕蝉黄雀在后 1 食物链与食物网 食物链类型 捕食食物链腐食食物链寄生食物链混合食物链 从绿色植物开始 到草食动物 再到肉食动物的一条以活的有机体为营养源的食物链 草牧食物链 牧食食物链 捕食中以活有机体为食 所以也叫活食食物链 水稻 稻飞虱 青蛙 蛇 鹰 捕食食物链 杨树 蝉 螳螂 黄雀 老鹰 捕食食物链 以死的有机体或生物排泄物为营养源 将有机质分解为无机物的食物链 动物尸体 蝇 真菌 细菌 原生动物 腐食食物链 由寄生成员通过寄生关系联系起来的链条 牛 蛔虫 原生动物 寄生食物链 鸟类 跳蚤 细菌 病毒 由腐生 寄生 捕食等多种成员联系起来的链条 稻草 鱼 牛 食用菌 蚯蚓 鸡 猪 粪 粪 粪 渣 混合食物链 定义 食物链上的每个食性环节叫营养级 绿色植物 第一营养级草食动物 第二营养级肉食动物 第三营养级 有没有更高的营养级 营养级 一 二 三 四 五 定义 多条食物链交错形成的网络叫食物网 食物网 I吃进的 不可利用的未收的吃剩的粪便呼吸R 生长 繁殖 NP固定的 A同化的 食源 收获的 n 1营养级 n营养级 可利用的 2 能量的损失及能效 生态效率 食物链各营养级上能量的转化效率 生态系统中 能量在食物链上流动 上一营养级大约只能固定下一营养级能量的10 这种规律称之为十分之一定律 十分之一定律 含义 当生态系统的营养级由低到高排列时 其个体数目 生物量及能量一般呈现出下大上小的塔形分布意义 对提高生态系统的能量转化效率 调控食物链上的营养结构 实现可持续发展 具有重要意义 生态金字塔 生态金字塔 生态金字塔 数量金字塔 有时倒置生物量金字塔 有时倒置能量金字塔 能量金字塔最能保持金字塔形 3 能流路径 1 太阳辐射能通过光合作用进入生态系统 成为生态系统能量主要来源 2 植物有机质形式的化学潜能 通过食物链和食物网在生态系统中流动 3 化学潜能储存在生态系统生物组分内 或者随着产品等输出离开系统 4 生物通过呼吸作用释放热能 离开生态系统 5 辅助能起辅助作用 农业生态系统是一个自然再生产与经济再生产交织在一起的整体系统 系统组分包括各种农业生物及其生活环境 物质流 能量流 信息流和价值流是农业生态系统内部各组分之间联系的纽带和基本功能 三 能量流动与农业生产 1 能流 以日光能进入生态系统 一半可为光合作用所吸收 1 5 可转变为生物化学能农产品输出 离开系统 必须以人工辅助能的形式向系统补充能量太阳能 初级生产 可采食量 采食 同化 生产量 可采食量 固定量1 5 CtAtPt 产品 不可采食量未采食排泄呼吸量不可采食量1 61 101 21 31 2 农业生态系统的生产力 生产力是农业生态系统最基本的数量特征 农业生态系统的生产力分为 初级生产 植物 光合 次级生产 动物 转换 系统生产力 最终产品 生物维持量 前者是生态系统的部门生产力 后者是整体生产力 生产力有两种表示方法 反映生产速率的 单位面积单位时间生产率 年亩产 季度亩产 公顷年生物量产量反映生产效率的 产投比 光能利用率 能量转换率 料肉比 粮肥比 通常以生物产量 经济产量 蛋白质产量 化学潜能产量 转化率等作为生产力评价指标 2 初级生产力 1 生物圈净初级生产固定太阳光能的多少 产量 和光能利用率的高低 光能利用率 总初级生产量 grossproduction 一定时期内形成的有机物量 净初级生产量 netproduction 总初级生产量减去呼吸消耗后的剩余量 现存量 standingcrop 某一特定时刻观察到的单位面积地段内有机物的数量 可表示为生物个体数 生物体重量 生物体内包含的能量 生物量 biomass 与现存量相同 现存量 枯死 被采食 净生产量 呼吸损失量 总生产量初级生产力是生态系统的基础 人口承载量的基础 光能利用率 反映初级生产能量转换效率的重要指标指单位时间单位面积上植物通过光合作用形成的干物质中所积累的能量与同期投射到该面积上的太阳辐射能 或光合有效辐射能 的比值地球生物圈的光能利用率 占总辐射量 平均为0 11 陆地平均水平为0 25 海洋为0 05 农田一般不到1 高产集约化栽培可达2 左右 潜在的可达5 6 左右 主要农作物光能利用率比较 2 我国初级生产力 我国高产农田记录的光能利用率在1 1 2 32 但在一般栽培条件下 小于1 农田46400亿大卡草原8200亿大卡森林74700亿大卡2320大卡 亩146大卡 亩3500大卡 亩总计129300亿大卡1847大卡 亩农田生物量中四分之一人口直接消费三分之一次级生产消费其他用于工业 燃料粮棉油主要作物的平均单产 超过世界平均水平 森林单产比世界平均水平低12 草原低85 3 初级生产力较低的原因及提高方法 漏光损失苗期50 60 穗前15 20 最密5 收获 农耗期反射损失平展叶片5 20 光饱和限制碳3与碳4 强光下麦稻36 玉米12 呼吸消耗15 25 最多50 以上环境条件及生理状况限制水分 温度 养分 光合速率下降 光合面积减少 光合时期缩短 提高初级生产力方法 间套复种 育种 高光效 长生育期 良好株型 改良生产环境和条件 灌溉 施肥 病虫防治 温室 地膜 生产技术 机械 激素 整形 充分利用非耕地 山 坡 草 水 路 3 次级生产力 1 次级生产在农业生态系统中的作用转化农副产品 提高利用价值初级产品直接利用干物质仅30 左右 营养物质30 70 扩大资源利用范围 增量 生产动物蛋白食品 改善人员食物组成动物产品人均60公斤 实际30公斤 奶7公斤 消费不足 动物蛋白优于植物蛋白 牛奶蛋氨酸含量3倍于玉米大米 提高生产效果 增质 促进物质循环 增强生态系统机能粮 猪 肥 粮提高农产品的经济价值 增加经济效益亩产牧草10000公斤 亩产鹅300公斤 效益1500元亩产小麦300公斤 效益200元 2 次级生产效率与我国次级生产力 次级生产的能量平衡为 初级生产未采食采食P NI I P为初级生产总量 NI为未被次级生产者采食部分 I为被采食部分 采食贮存体增热维持能固态液态气态排泄I A R1 R2 F U G 次级生产的能量转化效率为被采食部分中 被转化为动物产品的贮存能A所占的百分数 一般家畜31 49 被排泄 贮存16 29 呼吸33 主要畜禽饲料转化率 我国主要次级生产为猪肉70 主要次级生产在农区95 我国肉鸡消耗饲料3公斤 鸡蛋消耗饲料5公斤 猪肉消耗饲料3 5 4公斤 发达国家肉鸡2公斤 鸡蛋2 7公斤猪3公斤 我国动物生产转化效率尚有一定潜力 百亩畜产品产量 国家肉奶污毛中国34346澳大利亚73160207美国70216422新西兰11145838282 3 提高次级生产力的途径 发展草食动物充分利用富含纤维素的有机物质肠道发达 长度为其体长的20