第十章生态系统中的能流和信息流

1、第十章 生态系统中的能量流动与信息流本章要点 生态系统能流的基本概念与能流原理；初级生产和次级生产；生态效率。第一节 生态系统能量流动的基本规律一、生态系统的基本驱动力能量 能量是指物体做功的能力。 能量有多种形式，按运动方式分： 动能：指正在做功的能量，如风能、水能等。 潜能：指尚未做功，但有做功的潜在能力，如生物能、化学能。 一切生命活动都需要能量推动，或者说：生命过程是能量聚散的过程。 能量是地球上生物生存和生态系统发展的根本驱动力，而来自太阳的辐射能是基本能量来源，没有太阳能就没有地球上丰富多彩的生命和生态系统。二、生态系统能量流动的基本规律1. 生态系统的能流过程 生态系统的能流主要

2、是动能和潜能和传递与转换。 生态系统的动能： 是生物与其环境之间以传导和对流形式互相传递和转化的一种能量，包括热、辐射的相互传递。 生态系统的潜能： 是绿色植物（生产者）通过光合作用贮藏在光合产物化学键之内，处于静态的能量。这部分能量是固定态的能，难以流动。 只有通过其他生物（如消费者、分解者）的取食、利用，在生物之间传递和转化，才能实现流动（逐级传递）。 这种生物与环境之间、生物与生物之间能量的传递和转化过程，就是生态系统的能流过程。2.生态系统能流渠道（途径） 一是生物与环境的直接交换；二是主要沿着食物链进行的。 能量沿着食物链的一个个环节或营养级，向下传递，而实现流动。3.生态系统能流服

3、从（遵守）热力学定律 热力学第一定律： 即能量守恒定律：在任何过程 ，能量既不能创造，也不能消灭，只能由一种形式变为另一形式。 如生态系统中：当solar geergy进入生态系统后，一部分太阳能未利用变成热能等；另一部分太阳能被生物固定为化学潜力能，并且部分存在有机体中，部分用于代谢运动，逸散到环境中。 所以，进入ecosystem能量，形式发生了变化，但能量并不能消灭、消失。 热力学第二定律： 即能量递减规律：在一个封闭系统内能量的传递和转化过程中，除了一部分可以继续传递和作为做功的能量（自由能）外，总有一部分能不能传递和做功，而以热的形式消散，使系统向着无序性或熵增的方向发展。 或用自由

4、能概念表述： 物体（系统）自由能的提高不可能是自发过程； 任何产生自由能贮备的能量转换都不能百分之百转换，或能量不能百分之百地传递、做功。 同样，生态系统的能量不能百分之百的转化为化学潜能。 化学潜能也不能百分之百地向下一个食物链传递（营养级）。由于能量消耗的不可降性，决定了能流的单向性。但是，生态系统之所以维持，相当有序的低熵状态，是因为： 生物体和生态系统都是开放系统（open systems），不断与环境进行着能量（包括物质）交换，特别是通过光合作用，引入负熵值；通过呼吸作用，把正熵值转出环境，所以，地球上生命、生态系统形成繁茂的景象、有序的景象、进化的景象。 显然：破坏地球生态系统，特

5、别是生产者的“引负熵”机制使地球“正熵植”上升，地球与人类的未来是可怕的，可能变成“死害的世界”，走向“末日”。 比利时著名学者prigogine（普里定律）：提出耗散理论。 把这种通过与环境交换物质能量形成的有序系统结构称之为“耗散结构。”第二节 生态系统的生产力-初级生产 生态系统能流由生产者开始；生产的物质和能量决定能流。一、概念1.第一性生产的定义 第一性生产又叫初级生产（primary production），是指生态系统中绿色植物（生产者）通过光合作用将太阳能固定、转变 为化学潜能的能量积累过程。2.第一性生产力（初级生产力） 生态系统的生产力：生态系统中有机物质（能量）累积的速率

6、； 生态系统的初级生产力（primary production）：生态系统中生产者累积有机物质的速率； 总初级生产力GPP（Groos primary production）：秣系统中单位面积、单位时间内光合作用总速率或总固化量。 净初级生产力NPP（Net primary production）：总初级生产中扣除呼吸消耗后的有机物质积累速率。 所以，NPP=GPP-R（呼吸消耗量） 当NPP=0时，生物量稳定不变，积累=所吸消耗；所以系统保持稳定（外形不一定）； 当NPP0时，生物量发生积累，所以生产系统处于上升（增长）；当NPP0时，即积累消耗，所以生产系统处于下降（已成熟或衰退）。 例如

7、,陆地上，热带雨林是生产量最高的，平均2200 g(m2.a),由热带雨林向温带常绿林、落叶林、北方针叶林、稀树草原、温带草原、寒漠和荒漠依次减少。沼泽和某些作物栽培地是属于高生产量的.二 初级生产量的限制因素（一）陆地生态系统 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。（二）水域生态系统光是影响水体初级生产力的最重要的因子.预测海洋初级生产力的公式:三、初级生产量的测定方法（1） 收获量测定法 收获量测定法：收获植物地上部分烘干至恒重，获得单位时间内的净初级生产量。（2） 氧气测定法 氧气测定法：总光合量净光合量呼吸量（3

8、） CO2测定法 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。（4） 放射性标记物测定法 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。由于浮游植物在黑暗中也能吸收14C，因此，还要用“暗吸收”加以校正。（5） 叶绿素测定法 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。第三节 生态系统的生产力-次级生产一、次级生产过程1.次级生产的定义 生态系统中的异养生物（

9、次级生产者）利用生产者者（自养生物）生产的有机物质为食物来源形成有机物的过程，称为次级生产（secondary production）。2.次级生产力 secondary productivity 次级生产中能量积累的速率，称为次级生产力。 表示式： P = CFUR P净次级生产量 C动物从外界摄食的能量 FU粪、尿能量 R呼吸能量二、次级生产量测定方法1. P =A-R A同化量 A=C（摄食量）-FU（ 类量） 即P = C-FU-R（基本同前式）即测同化、呼吸量的方法2.按种群个体生长和出生的资料来计算动物的净生产量P= Pg Pr-.Pg生殖后代的生产量,gPr个体增重，g三、次级生

10、产的生态效率研究表明： 1） 植物种群增长率高、世代短、更新快，其被利用的百分比就较高； 2）草本植物的支持组织比木本植物的少，能提供更多的净初级生产量为食草动物所利用； 3）小型的浮游植物酌消费者(浮游动物)密度很大利用净初级生产量比例最高。第四节 生态系统中的分解本节作为学生自学内容，不做详细讲解。主要内容：1、分解过程的性质；2、分解者；3、分解过程的限制因子。纲要：分解实际上是一个很复杂的过程，是碎裂、异化和淋溶三个过程的综合。 由于物理的和生物的作用，把尸体分解为颗粒状的碎屑称为碎裂。 有机物质在酶的作用下分解，从聚合体变成单体，例如由纤维素变成葡萄糖，进而成为矿物成分，称为异化。

11、淋溶则是可溶性物质被水所淋洗出，是一种纯物理过程。在尸体分解中、这三个过程是交叉进行、相互影响的。第五节 生态系统中的能量流动本节作为学生自学内容，不做详细讲解。 纲要：能量是一切生命活动的基础。生态系统中生命系统与环境系统在相互作用中，始终伴随着能量的流动与转化。生态系统中的能流具有单向性。太阳辐射能经光合作用进入生态系统后，以化学能的形式流转，流转过程中以热的形式不断逸散到环境中去。根据热力学第二定律，作为自发反应，它只能向自由能减少，熵增加的方向进行，而不能逆转。能量的质量在能流过程中不断提高。能量在生态系统中流动的过程中，除了一部分能量以热能的形式散失外，另一部分通过食物链，转化为数量

12、较少，但是具有更高质量的能量，如从植物纤维能，转化为动物蛋白、脂肪含能。太阳辐射能输入生态系统后的能量流动过程中，能量的质量是逐步提高和浓集的。第六节 生态系统中的信息流动一、生态系统信息的基本特征（一）信息与信息量 信息：源于通信工程学，通常是指包含在情报、信号、消息、指令、数据、图像等传播形式中新的知识内容。能量和信息是物质的两个主要属性。信息的传输不仅要求信源和信宿间要有信道沟通，还要求源和宿之间存在信息量的差值，称为信息势差。信息势差越大，信道中的信息流也越大。（二）生态系统信息的基本特征 1. 生态系统的信息多样性 信息既可来自生物类群,也有非生物信息,包括物理的、化学的和生物的不同

13、性质的信息. 2 信息通讯的复杂性 生物以不同方式进行信息通讯.有的以形体显示其引诱或趋避作用,有的在内部生理生化方面蕴含着抑制毒杀信号,有的从行为方面进行交流和联系等等. 3 信息类型多，贮存量大 生命物质信息非生命物质信息 宏观微观（三）生态系统中的信息类型1 物理信息及其传递 （1）光信息太阳是光信息的主要初级信源,它通过折射贮存再释放等过程,构成大量初级信源. （2）声信息 声信息对于动物比对植物具有更大的重要性. （3）电信息 自然界中有许多放电现象,生物中存在较多的是生物放电现象. （4）磁信息 生物生活在太阳和地球的磁场内,都受到磁力的影响. 生物对磁有不同的感受能力,即生物的第六感觉.2 化学信息 （1）植物与动物间的化学信息 采取的方式： 通过形态、生理生化、生态对策等方面采取各种手段保卫自己。 皮刺、细毛、次生代谢物等。 花的颜色吸引昆虫（2）动物之间的化学信息 动物通过外分泌腺体向体外分泌某些信息素,携带特定信息,通过气流或水流的运载,被种内的其他个体嗅到或接触到,接受者能立即产生某些行为反应,或活化特殊的受体,产