第六章 生态系统的能量流动.ppt

第六章生态系统的能量流动和物质循环,第一节生态系统的能量流动,第二节生态系统的物质循环,第三节生态系统的信息传递,第一节生态系统的能量流动,一、生态系统能量流动的基本原理二、生态效率三、生态系统中的初级生产,一、生态系统能量流动的基本原理,（一）生态系统中的能量流动（energyflowofecosystem）是指能量通过食物网络在系统内的传递和耗散过程，即能量在生态系统中的行为，它始于生产者的初级生产，终止于还原者功能的完成，在整个过程中包含着能量形态的转变、能量的转移、利用和耗散。生态系统中的能量也有动能和势能之分:动能:生物与环境之间以传递和对流的形成相互传递与转化的能量是动能，包括热能和光能;势能:也称潜能，是蕴藏在有机分子键上的能量，代表作功的能力和可能性。通过食物链在生物之间传递和转化的能量是势能，故生态系统中的能量流动也可以看成是动能和势能在系统内的传递与转化过程。,1、生态系统中的能量流动严格遵循热力学定律热力学第一定律：自然界的能量可以由一种形式转化为另一种形式，转化过程中，严格按当量比例进行，能量即不能消灭，也不能凭空生成。热力学第二定律：生态系统的能量从一种形式转化成另一种形式时，总有一部分能量为不能利用的热能而耗散。,（二）能量流动的基本原理,2、生态系统中的能量流动是单向流能量进入生态系统后，就不能再以光的形式存在，而是以热的形式不断逸散于环境中。能量只是一次性流经生态系统，是单向、不可逆的。,生态系统中的能量流动模式,太阳能,生产者,食草动物,二级食肉动物,还原者,热,热,热,热,热,食肉动物,3、能量在生态系统中的流动过程，就是能量不断递减的过程,（1）各营养级消费者不能100%地利用前一营养级的生物量；（2）各营养级的同化作用也不是100%；（3）生物在维持生命过程中进行新城代谢要消耗一部分能量；,4、能量在流动中，质量逐渐提高,5、能量流动速率不同与生态系统类型和生物类型有关,生态系统中能量单位：Joule（焦耳）或cal（卡）1Joule=0.239cal,二生态效率,在生态系统的生产过程中，能量在转递或转变过程中总有一部分被耗散。总初级生产量只有一部分被消费者利用，次级生产过程中也有一部分能量经呼吸作用而以热能形式散失到环境中。研究表明，食草动物的摄食量中仅有1020%转变为次级生产量，食肉动物食用食草动物，其能量利用率也只有1020%。这样从太阳能转化开始的生态系统的能量流动必然随着传递层次的增多，耗散到环境中的能量越来越多，势能形式的能量相应减少，直到完全以废热形式散失到环境中为止。这就是生态系统能量流动的基本模式。,（一）常用的几个能量参数（1）I摄取量：植物-光合作用所吸收的光能；动物-吃进的食物能；（2）A同化量：植物-光合作用所固定的光能，以总初级生产量表示；动物-吃进食物所吸收的食物能；（3）R呼吸量：生物的呼吸和各种新陈代谢中消耗的能量；（4）P生产量：指生物呼吸消耗后所净剩的同化能量值。对动物而言：P=A-R,（1）同化效率（AE)：是衡量生态系统中有机体或营养阶层利用能量和食物的效率。AE=An/In其中：An为植物固定能量，或消费者同化的食物；In为植物吸收的光能或消费者吃进的食物，n为营养级。（2）生长效率（GE）：指同一营养阶层的净生产量与同化量的比值。GE=NPPn/An其中：NPPn为n营养阶层的净生产量，An为n营养阶层的同化量。,（二）营养级位之内的生态效率,（1）消费效率（CE)：是指n营养阶层摄食的能量与N-1营养阶层的净生产能量（NPP）的比值。CE=In/NPPn-1动物的消费效率一般在20%-25%（2）生态效率：由Lindeman林德曼最早提出，又称为林德曼效率：指n营养阶层取食、吸收量与n+1营养阶层取食、吸收量的比值。相当于同化效率、生长效率和消费效率的乘积。Lindeman效率=(In+1/In)=(An/In)(NPPn/An)(In+1/NPPn),（三）营养级位之间的生态效率,林德曼效率,由美国林德曼（R.L.Lindeman1942）提出，据大量的室外和室内实验（Lindeman测定了湖泊生态系统的能量转化效率），各营养层次间能量转化率平均为10%，这就是林德曼效率，或称十分之一定律。事实上4.525%。说明营养级不能无限增加，通常只有4个营养级左右。,三生态系统中的初级生产,（一）初级生产的基本概念,初级生产是指绿色植物的生产，即植物通过光合作用吸收和固定光能，把无机物转化成有机物的生产过程。6CO2+12H2OC6H12O6+6O2+6H2O总初级生产量（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。植物呼吸作用消耗的能量（R）净初级生产量（NPP）：总初级生产量减去呼吸作用消耗的能量。GPP=NPP+R照在植物叶面的太阳能作100%，光合作用利用的仅有0.5%-3.5%。,1、测定方法：（1）根据不同生态系统实测数据估算（2）根据与气候相关联的生常理模型来估算2、全球净初级生产量为170109t/a，其中：陆地净初级生产量为115109t/a海洋净初级生产量为55109t/a（详见p94）,三、初级生产的生产效率（见下图）,（二）全球初级生产量,第二节生态系统的物质循环,在生态系统中生物的生存和繁衍，除需能量外，还少不了物质，没有物质就构不成生命，也就没有生态系统。物质还是能量的载体。没有物质、能量就会消失。因此生态系统中能量流动和物质循环密切相关，共同维护着生态系的生长发育和进化演替。,（一）物质循环的概念,生态系统中的物质主要指维持生命活动所必须的各种营养元素。这些物质也是通过食物网进行传递和转化的，但它们不是简单的，它们可以被循环利用。定义：生态系统中各种有机物质经过分解者分解成可被生产者利用的形式归还环境中重复利用，周而复始地循环，这个过程叫物质循环。,1、物质循环可在三个层次上进行,（1）.生物个体：生物个体吸取营养物质建适自身，经过代谢活动又把物质排出体外，经过分解者的作用归还于环境。（2）.生态系统层次：在初级生产者代谢基础上，通过各级消费者和分解者把营养物质归还环境之中，又称营养物质小循环。（3）.生物圈层次：物质在整个生物圈各圈层之间的循环，称为生物地球化学循环。,2、物质循环的几个基本概念,（1）库：是指某一物质在生物或非生物环境暂时滞留（被固定或储藏）的数量。如：植物库、动物库、大气库、土壤库和水库等等。根据库的容量和元素在库中的滞留时间又分为：储存库（时间长、非生物）和交换库（时间短、生物）（2）流通率：指在生态系统中单位、时间面积（或体积）内物质流动的量。（kg/(m2*t)（3）周转率：指某物质出入一个库的流通率与库量之比。周转率=流通量/库中该物质的量（4）周转时间：为周转率的倒数,（二）生态系统中营养物质的循环,生物必须的营养元素约有3040种其中C、H、O、N、P、S对生命起着特别重要的作用，绝大部分有机物是由它们组成的。K、Na、Ca、Mg、Cl、Fe六种元素也很重要微量元素：Mn、I、F、Mo、Co等。生态系统中的物质循环是在四个要素之间（环境、生产者、消费者、分解者）进行的。此外，生态系统还可以从降雨、大气流通和生物的迁入等不同的途径使营养物质得到补充和更新。,生态系统中营养物质的循环主要有下列几种途径:,1.物质由动物排泄返回环境：任何动物都有一部分物质超过排泄返回环境，浮游动物的排泄量较大。2.物质中微生物分解碎屑过程和返回环境：在草原、温带森林等。3.通过在植物系中共生的真菌，直接从植物殖体（枯枝落叶）中吸收营养物质而重新返回到植物体。在热带，尤其是热带雨林生态系统中存在这种途径。4.风化和侵蚀过程中伴同水循环携带着沉积元素，由非生物库进入生物库。5.动、植物尸体或粪便不经任何微生物分解作用也能释放营养物质。如水中浮游生物的自溶。6.人类利用化石燃料生产化肥，用海水制造淡水以及对金属的利用。,（三）生物地球化学循环,是营养物质在生态系统之间输入和输出，以及它们在大气圈、水圈和土壤圈之间的交换。主要有气相（气体型循环）、液相（水循环）和固相循环（沉积型循环）三种形式。,1.水循环（液相循环）：水是自然界的推动者是生态系统中物质和元素得以运动的介质和动力,淡水的绝大部分以冰川（90%）形式存在，其水量相当于全球河流年径流量的900倍，人类能利用的淡水只有淡水总量的0.5%。全球55%的耕地分布在干旱地区。,全球的水资源危机,2.气相循环:以这种形式循环的主要营养物质有C、O、N等。(1)碳(CO2)循环:生物圈中的碳循环有三条途径：始于绿色植物并经陆生生物与大气之间的交换；海洋生物与大气之间交换；人类对化石燃料的利用。,CO2的产生:石化燃料(泥炭、天然气、石油）；生物的呼吸和腐败生物。,CO2的利用：空气中的CO2和溶于水中的CO2被植物光合作用利用。,氮的属性：以氮气（N2）存在大气中，不能被植物直接利用，必须转化成亚硝酸或盐硝酸盐，与H结合成NH3才能被生物利用，此过程称固氮作用。固氮作用的三条途径：高能固氮：通过闪电、宇宙线、陨星和火山活动等，其结果是形成的氨或硝酸盐随降雨到地球表面；生物固氮：占地球年固氮量的90%；工业固氮：人们利用气体和液体燃料为原料生产合成氨，氨经一系列氧化可生产多种多样的化肥。,(2)氮循环:,反硝化细菌,肉食动物,植食动物,植物蛋白质合成,硝酸盐NO-3,海洋,损失到河流中,亚硝酸盐细菌,亚硝酸盐NO-3,氨NH3,氨化作用(生物)火山活动矿物燃烧,固氮菌、蓝藻、闪电,大气氮N2,死体及排泄物,硝酸盐细菌,生态系统中的氮循环,生态系统中的氮循环,氮循环中的四种基本生物化学过程,固氮作用：固氮生物（或高能）将大气中的氮固定并还原成氨的过程：氨化作用：由氨化细菌等将蛋白质、氨基酸、尿素等含氮化合物转变成氨和氨化物的过程：硝化作用：由亚硝酸盐细菌将氨化物和氨转化成亚硝酸盐和硝酸盐的过程：反硝化作用：又称脱氨作用，指反硝化细菌将硝酸盐还原为N2、N2O或NO，回到大气的过程。,硝酸盐NO-3,大气氮的N2,微生物固氮作用,氨（NH3）,有机氮的（NH2）,微生物氨化作用,亚硝酸盐(NH-2),氨(NH3),亚硝酸盐细菌,硝酸盐（NH-3）,硝酸盐细菌,与N循环有关的环境问题,目前每年的工业固氮已超过自然固氮，使氮循环的平衡被破坏，带来的环境影响：1.影响臭氧层的形成；2.氮氧化物（NOx）也是一种温室气体，加剧全球的温室效应；3.使水体出现富营养化，淡水形成水华，海洋形成赤潮。,3.沉积型循环(固相循环),(1)磷的循环磷是核酸、细胞膜和骨骼的主要组成，是作物的三大肥源之一，对植物生产力提高有决定意义。磷没有任何气体形式或蒸汽形式的化合物，因此是比较典型的沉积型循环物质，这种类型的循环物质实际上都有两种存在相：岩石相和溶盐相。,这类物质的循环都是起自岩石的风化，终于水中的沉积。岩石风化后，溶解在水中的盐便随着水流经土壤进入溪、河、湖、海并沉积在海底，其中一些长期留在海里，另一些可形成新的地壳，风化后又再次进入循环圈。动植物从溶盐中或其他生物中获得这些物质，死后又通过分解和腐败过程而使这些物质重新回到水中和土壤中。,(2)硫循环硫（S）是蛋白质和氨基酸的基本成分，是植物生长不可缺少的元素。地壳中含量只有0.052%，自然界硫存在的形式有三种：元素硫、亚硫酸盐和硫酸盐。硫的循环兼有气相和固相循环的双重特征。硫循环对环境的影响：SO2造成的空气污染；造成酸雨污染,火山,H2SSO2,降雨SO4,农药的迁移和转化：DDT汞循环：自学,（四）有毒有害物质的循环,（五）生态系统中能流和物流比较,第三节生态系统中的信息传递,在生态系统中各生命成分（生物）之内存在着信息传递，称为信息流，informationflow。信息概念：生态系统的信息指系统中的物质和能量在时空上分布的不均匀性，而导致了系统中的信息流动过程。,（一）生物信息及信息流的基本概念,信息的度量单位信息量信息所能排除的不确定性大小。即：概率小（可能性小）的消息出现时，则它所含的信息量大；反之，概率大（可能性大）的消息出现时，它所含的信息量小。,（1）传扩性：通过传输可沟通发送者与接受者双方间的联系；（2）永续性：信息作为一种资源，取之不尽、用之不竭；（3）时效性：具有一定的时效；（4）分享性：可通过双方交换，互相补充；（5）转化性：信息可转化成生产力，同时在采集、生产中可压缩、加工；（6）层次性：有不同层次的信息概念。,1、生态系统信息特征：,（1）物理信息:以物理过程为传递形式的信息，如光、声音、颜色、电和磁信息。如猩猩靠声音互相联络，当它看到树上有果子时，便大声呼啸，告知同伴前来分享；当它遇到敌害时，会发生号叫，请同伴前来助战。雄孔雀开屏的色彩鲜艳，往往是吸引雌性的信号，同时也是对其他雄性的一种警告。,2、生态系统中信息的类型,光信息光量：对植物，光量的差异是重要的信息。如：光合作用时随光照强度增加，传递了可进行光合作用的信息，植物叶片的气孔张度逐渐增加。光质：美洲响尾蛇，通过红外线接受器接受猎物的信息光照时间：对温带树木而言，秋季日照逐渐变短的信息，引起植物的落叶。,颊窝,颊窝是一个红外感受器，对周围温度变化极为敏感，能感受0.001的温度变化。这类蛇能在夜间准确判断周围恒温动物的位置。,蛇的红外探测,声信息：其物理学本质是一种振动。陆地的蝙蝠和水中的鲸鱼，都是声纳定位系统。植物的舞草，能在音乐中跳舞。,（2）化学信息生物代谢产生的一些物质，特别是各种腺体分泌的各种激素是传递信息的化学物质。蚂蚁的“化学语言”为激素。蚂蚁在觅食时，把激素散分在来回的路上，同伴根据激素的气味就知道去哪里觅食。一同前往的蚂蚁都散发激素，使来往的路成了“气味长廊”，成群的蚂蚁就沿着长廊而忙碌地搬运着食物。蚂蚁还能根据气味辨别谁是同族谁是异族。,（3）行为信息：通过植物的异常表现和动物的异常行动传递的信