第8章 生态系统的能量流动、信息传递

1、第三节第三节 生态系统的能量流动生态系统的能量流动 1 生态系统的一般特征的一般特征 生态系统中的物质循生态系统中的物质循 环环 一、能量流动的特点一、能量流动的特点 能量流动的特点：能量流动的特点：单向流动单向流动和和逐级递减逐级递减 生态金字塔生态金字塔(ecological pyramid)(ecological pyramid)：表示表示 生态系统中能量流、生物量和生物个体数生态系统中能量流、生物量和生物个体数 量在各营养级分布比例的图形。量在各营养级分布比例的图形。 生态金字塔生态金字塔(ecological pyramid)(ecological pyramid)类型：类型： 能量

2、金字塔能量金字塔 生物量金字塔生物量金字塔 数量金字塔数量金字塔 能量能量金字金字塔塔（energy pyramid） 将单位时间内各个营养级所得到的能量数值，按营养级将单位时间内各个营养级所得到的能量数值，按营养级 由低到高绘制成的金字塔图形。由低到高绘制成的金字塔图形。 食物链中食物链中 营养级一营养级一 般不会超般不会超 过过5个个 生物量金字塔生物量金字塔 以每个营养级以每个营养级现存生物的有机物质量现存生物的有机物质量为依据绘制的为依据绘制的 金字塔。一般来说与能量金字塔基本吻合，因为营金字塔。一般来说与能量金字塔基本吻合，因为营 养级所获得的能量与其有机物质的同化量呈正相关。养级所

3、获得的能量与其有机物质的同化量呈正相关。 对陆地、浅水生态系统中比较典型，因为生产者是对陆地、浅水生态系统中比较典型，因为生产者是 大型的，所以塔基比较大，金字塔比较规则大型的，所以塔基比较大，金字塔比较规则 生物量金字塔生物量金字塔 湖泊和开旷海洋，第一性生产者主要为微型藻类，生湖泊和开旷海洋，第一性生产者主要为微型藻类，生 活周期短，繁殖迅速，大量被植食动物取食利用，在活周期短，繁殖迅速，大量被植食动物取食利用，在 任何时间它的现存量很低，导致这些生态系统的生物任何时间它的现存量很低，导致这些生态系统的生物 量金字塔呈倒金字塔形量金字塔呈倒金字塔形 数量金字塔数量金字塔 是以每个营养级的的

4、生物个体数量为依据绘是以每个营养级的的生物个体数量为依据绘 制的金字塔。制的金字塔。 数量金字塔数量金字塔 有时植食动物比有时植食动物比 生产者数目多。生产者数目多。 如昆虫和树木如昆虫和树木 个体大小差别很个体大小差别很 大，只用个体数大，只用个体数 目多少来说明问目多少来说明问 题有局限性。题有局限性。 不同类型金字塔的比较不同类型金字塔的比较 能量金字塔表达营养结构最全面，确切表能量金字塔表达营养结构最全面，确切表 示食物通过食物链的效率，永远是正塔型示食物通过食物链的效率，永远是正塔型 数量金字塔过分突出数量金字塔过分突出小生物体小生物体的重要性的重要性 生物量金字塔过分突出生物量金字

5、塔过分突出大生物体大生物体的重要性的重要性 二、二、 能量流动与热力学定律能量流动与热力学定律 热力学第一定律热力学第一定律( (能量守能量守恒恒定律定律):):能量既不能能量既不能 创生，也不会消灭，只能按严格的当量比例由创生，也不会消灭，只能按严格的当量比例由 一种形式转变为另一种形式一种形式转变为另一种形式 生态系统中的能量转换和传递过程，都可以根生态系统中的能量转换和传递过程，都可以根 据热力学第一定律进行定量计算，并列出平衡据热力学第一定律进行定量计算，并列出平衡 式和编制能量平衡表式和编制能量平衡表 Energy Transfer and LossEnergy Transfer a

6、nd Loss 热力学第二定律热力学第二定律 ( (熵定律熵定律) ) 在能量传递和转化过程中，除了一部分传递和作功在能量传递和转化过程中，除了一部分传递和作功 外，总有一部分以热的形式消散，使系统的熵增加外，总有一部分以热的形式消散，使系统的熵增加 熵是系统无序性的指标，是熵是系统无序性的指标，是系统热量与温度之比系统热量与温度之比 若用熵概念表示热力学第二定律若用熵概念表示热力学第二定律 内能不变的封闭系统中，其熵值只朝一个方向变内能不变的封闭系统中，其熵值只朝一个方向变 化，常增不减化，常增不减 开放系统的一切过程使系统与环境熵值之和增加开放系统的一切过程使系统与环境熵值之和增加 生态系

7、统是一个开放系统，它不断地与环境进行能量生态系统是一个开放系统，它不断地与环境进行能量 交换。通过光合同化，引入负熵；通过呼吸，把正熵交换。通过光合同化，引入负熵；通过呼吸，把正熵 值转出系统。值转出系统。 生态系统中的能源生态系统中的能源 太阳辐射能太阳辐射能是生态系统中的能量的最主要来源是生态系统中的能量的最主要来源 红外线红外线产生热效应，形成生物的热环境产生热效应，形成生物的热环境 紫外线紫外线可以消毒灭菌和促进维生素可以消毒灭菌和促进维生素D D的生成的生成 可见光可见光为植物光合作用提供能源为植物光合作用提供能源 辅助能辅助能 辅助能分为辅助能分为自然辅助能自然辅助能( (如如潮汐

8、作用、风力作用、如如潮汐作用、风力作用、 降水和蒸发作用降水和蒸发作用) )和和人工辅助能人工辅助能( (如施肥、灌溉等如施肥、灌溉等) ) 辅助只可以促进辐射能的转化辅助只可以促进辐射能的转化 对生态系统中光合产物的形成、物质循环、生物的对生态系统中光合产物的形成、物质循环、生物的 生存和繁殖起着极大的辅助作用生存和繁殖起着极大的辅助作用 生态系统中能量流动的主要路径生态系统中能量流动的主要路径 能量以能量以日光形式日光形式进入生态系统，以植物物质形式贮存进入生态系统，以植物物质形式贮存 起来的能量，沿着起来的能量，沿着食物链和食物网食物链和食物网流动通过生态系统，流动通过生态系统， 以动物

9、、植物物质中的以动物、植物物质中的化学潜能化学潜能形式贮存在系统中，形式贮存在系统中， 或作为产品输出，离开生态系统，或经消费者和分解或作为产品输出，离开生态系统，或经消费者和分解 者生物有机体呼吸释放的热能自系统中丢失者生物有机体呼吸释放的热能自系统中丢失 生态系统是生态系统是开放开放的系统，某些物质还可通过系统的边的系统，某些物质还可通过系统的边 界输入、输出系统。如动物迁移，水流的携带，人为界输入、输出系统。如动物迁移，水流的携带，人为 的补充等的补充等 能量是单向性和逐级减少能量是单向性和逐级减少 生态系统能量的流动是生态系统能量的流动是单一方向的单一方向的 能量以光能的状态进入生态系

10、统后，就只能以热能量以光能的状态进入生态系统后，就只能以热 的形式不断地逸散于环境中的形式不断地逸散于环境中 从太阳辐射能到被生产者固定，再经植食动物，到肉从太阳辐射能到被生产者固定，再经植食动物，到肉 食动物，能量是食动物，能量是逐级递减逐级递减的过程的过程 各营养级消费者不能百分之百地利用前一营养级各营养级消费者不能百分之百地利用前一营养级 的生物量的生物量 各营养级的同化作用也不是百分之百的各营养级的同化作用也不是百分之百的 生物的新陈代谢要消耗一部分能量生物的新陈代谢要消耗一部分能量 图框宽窄示流经该通道能量图框宽窄示流经该通道能量 值的相对大小值的相对大小(kcal(kcalhmhm

11、- - 2 2 a a-1 -1) 一个弃耕地群落中通过食物链的能量流动示意一个弃耕地群落中通过食物链的能量流动示意 自养生态系统自养生态系统 靠绿色植物固定太阳能的生态系统靠绿色植物固定太阳能的生态系统 异养生态系统异养生态系统 主要依靠其他生态系统所生产的有机物输主要依靠其他生态系统所生产的有机物输 入来维持的生态系统入来维持的生态系统 四、四、 营养级营养级 营养级：营养级：处于食物链某一环节上所有生物种的总处于食物链某一环节上所有生物种的总 和。和。 生态系统中的能量在不同的营养级之间是单向流动生态系统中的能量在不同的营养级之间是单向流动 并且逐渐减少的，减少的原因：并且逐渐减少的，减

12、少的原因： 1 1）各营养级消费者不可能百分之百地利用前一营养）各营养级消费者不可能百分之百地利用前一营养 级生物量，总有一部分会自然死亡和被分解者利用级生物量，总有一部分会自然死亡和被分解者利用 2 2）各营养级同化率不是百分之百，一部分通过排泄）各营养级同化率不是百分之百，一部分通过排泄 物排出物排出 3 3）维持自身生命活动需要热量）维持自身生命活动需要热量 五、五、 生态效率生态效率 生态效率：生态效率：各种能流参数中的任何一个参数在营养各种能流参数中的任何一个参数在营养 级之间或营养级内部的比值。级之间或营养级内部的比值。 能量参数：能量参数： 摄取量（摄取量（I I）：表示各生物所

13、摄取的能量：表示各生物所摄取的能量 同化量同化量(A)(A)：动物消化道内被吸收的能量，即消动物消化道内被吸收的能量，即消 费者吸收所采食的食物能；植物光合作用所固费者吸收所采食的食物能；植物光合作用所固 定的日光能定的日光能 呼吸量呼吸量(R)(R)：生物在呼吸等新陈代谢和各种活动生物在呼吸等新陈代谢和各种活动 所消耗的全部能量所消耗的全部能量 生产量生产量(P)(P)：生物呼吸消耗后所净剩的同化能量生物呼吸消耗后所净剩的同化能量 值。值。P= A- RP= A- R 营养级位之内的生态效率营养级位之内的生态效率 1.1.同化效率同化效率 2.2.生产效率生产效率 同化效率（同化效率（ass

14、imilation efficiencyassimilation efficiency） 被植物吸收的被植物吸收的日光能中被光合作用所固定的能量日光能中被光合作用所固定的能量比例，比例， 或被动物或被动物摄食的能量中被同化了的能量摄食的能量中被同化了的能量比例：比例： 同化效率同化效率 = = 被植物固定的能量被植物固定的能量/ /植物吸收的日光能植物吸收的日光能 = = 动物消化吸收的能量动物消化吸收的能量/ /动物摄食的能量动物摄食的能量 Ae = AAe = An n / I / In n 肉食动物的同化效率高于植食动物肉食动物的同化效率高于植食动物 生产效率生产效率 指形成新生物量的生

15、产能量占同化能量的百分比。指形成新生物量的生产能量占同化能量的百分比。 生产效率生产效率 = = n n营养级的净生产量营养级的净生产量/ /n n营养级的同化能营养级的同化能 量量 生长效率生长效率 = = n n营养级的净生产量营养级的净生产量/ /n n营养级的摄入能营养级的摄入能 量量 营养级越高，生长效率越低营养级越高，生长效率越低 植物的生长效率植物的生长效率 动物动物 植物将光合能量大约植物将光合能量大约40%40%呼吸，呼吸，60%60%生长生长 肉食动物同化能量大约肉食动物同化能量大约65%65%用于呼吸，用于呼吸，35%35%用于生用于生 长长 哺乳动物呼吸消耗的能量最多，

16、大约占同化量的哺乳动物呼吸消耗的能量最多，大约占同化量的97-97- 99%99%，只有，只有1%-3%1%-3%用于净生产量用于净生产量 营养级位之间的生态效率营养级位之间的生态效率 消费效率：消费效率：消费效率量度一个营养级对前消费效率量度一个营养级对前 一营养级的相对取食压力。一营养级的相对取食压力。 消费效率消费效率= n+1= n+1营养级的消费能量营养级的消费能量/n/n营养级营养级 的净生产量的净生产量 一般在一般在20-35%20-35%范围内，每一营养级净生产范围内，每一营养级净生产 的的65%-75%65%-75%进入碎屑食物链进入碎屑食物链 林德曼效率林德曼效率 林得曼效

17、率（十分之一定律）林得曼效率（十分之一定律）：能量沿营养：能量沿营养 级的移动时，逐级变小，后一营养级只能是级的移动时，逐级变小，后一营养级只能是 前一营养级能量的十分之一左右。前一营养级能量的十分之一左右。 n+1 n+1营养级所获得的能量占营养级所获得的能量占n n营养级所获得营养级所获得 的能量之比：的能量之比： Le=ILe=In+1 n+1/I /In n 林德曼效率林德曼效率 第四节第四节 生态系统的信息传递生态系统的信息传递 信息传递是生态系统的功能之一，在传递信息传递是生态系统的功能之一，在传递 过程中伴随着一定物质和能量的消耗。信过程中伴随着一定物质和能量的消耗。信 息传递不

18、像息传递不像物质流是循环物质流是循环的，也不像的，也不像能流能流 那样是单向那样是单向的，而往往是的，而往往是双向双向的。的。 一、生态系统中信息的类型一、生态系统中信息的类型 物理信息物理信息 化学信息化学信息 行为信息行为信息 营养信息营养信息 海豚的回声定位海豚的回声定位 鸟迁徙行为中对方向的判断鸟迁徙行为中对方向的判断 （磁场）（磁场） 鸽子喙部发现感应磁场器官鸽子喙部发现感应磁场器官 识途靠识途靠地磁地磁导航导航 萤火虫则以萤火虫则以 闪光闪光来告诉来告诉 同伴自己的同伴自己的 位置、现在位置、现在 是否有交配是否有交配 的要求等。的要求等。 生态系统中生态系统中, ,通过物理过程传

19、递的信息通过物理过程传递的信息, ,称为称为 。 温度、湿度温度、湿度 夏夜中雌雄萤火虫的相互夏夜中雌雄萤火虫的相互 识别识别 9:42 化学信息化学信息 通过生命活动产生的化学物质通过生命活动产生的化学物质 传递信息传递信息 例：植物的例：植物的； 动物的动物的 昆虫、鱼类、哺乳类的昆虫、鱼类、哺乳类的 昆虫、鱼类以及哺乳类等生物体中都存在能传昆虫、鱼类以及哺乳类等生物体中都存在能传 递信息的化学物质递信息的化学物质信息素（信息素（pheromonepheromone）。）。 信息素 这是最安全的求偶密码，多见于昆虫，雄蛾的 触角可以“嗅”到十公里外雌蛾发出气味（性外激素）。 猫、狗肛门腺分

20、泌物使猫、狗肛门腺分泌物使粪便尿液粪便尿液等具有特殊气味，作为领地等具有特殊气味，作为领地 记号。记号。 水葫芦根部的水葫芦根部的分泌分泌 物物可以明显地抑制可以明显地抑制 藻类的生长。藻类的生长。 水葫芦水葫芦 孔雀开屏孔雀开屏 行为信息行为信息 动物动物的的特殊行为特殊行为，对，对同种同种或或 异种异种传递某种信息传递某种信息 营养信息营养信息 营养状况和环境中食物的改变会营养状况和环境中食物的改变会 引起生物生理、生化、行为上的引起生物生理、生化、行为上的 变化，这些变化所产生的信息成变化，这些变化所产生的信息成 为营养信息。为营养信息。 如：田鼠多的地方会吸引饥饿的猫头鹰如：田鼠多的地

21、方会吸引饥饿的猫头鹰 1.1.生态系统信息量与日俱增生态系统信息量与日俱增 2.2.生态系统信息的多样性生态系统信息的多样性 3.3.信息通讯方式的复杂性信息通讯方式的复杂性 4.4.生物物种的信息储量大生物物种的信息储量大 5.5.大量信息有待开发大量信息有待开发 二、生态系统中信息的特点二、生态系统中信息的特点 三者是相互联系，不可分割，共同完成生态三者是相互联系，不可分割，共同完成生态 系统的功能。系统的功能。物质循环物质循环是生态系统功能的最是生态系统功能的最 根本实现方式。根本实现方式。信息流信息流使生态系统产生了自使生态系统产生了自 动调节机制。动调节机制。 三、生态系统中信息与物

22、质、能三、生态系统中信息与物质、能 量的关系量的关系 第五节第五节 生态系统结构和功能的关系生态系统结构和功能的关系 一、相互依存一、相互依存 结构决定功能，功能反映结构结构决定功能，功能反映结构 二、相互影响二、相互影响 结构的变化会影响功能的变化结构的变化会影响功能的变化 功能具有相对独立性，可以反作用于结构功能具有相对独立性，可以反作用于结构 三、结构和功能的关系多样化三、结构和功能的关系多样化 结构不同，功能不同结构不同，功能不同 结构不同，功能相同结构不同，功能相同 结构相同，功能不同结构相同，功能不同 第六节第六节 生态系统的调控及平衡生态系统的调控及平衡 一、一、 自我调控自我调

23、控 反馈调节：反馈调节：当生态系统某一成分发生变化，它必当生态系统某一成分发生变化，它必 然引起其他成分出现一系列相应变化，这些变化然引起其他成分出现一系列相应变化，这些变化 又反过来影响最初发生变化的那种成分又反过来影响最初发生变化的那种成分 负反馈：负反馈：系统中某一成分的变化所引起的其他一系统中某一成分的变化所引起的其他一 系列变化，结果是抑制和减弱最初发生变化的那系列变化，结果是抑制和减弱最初发生变化的那 种成分的变化，使生态系统达到或保持平衡或稳种成分的变化，使生态系统达到或保持平衡或稳 态。态。如草原上食草动物因迁入而增加，植物因过如草原上食草动物因迁入而增加，植物因过 度啃食而减

24、少，反过来抑制动物数量增加。度啃食而减少，反过来抑制动物数量增加。 正反馈：正反馈：系统中某一成分的变化所引起的系统中某一成分的变化所引起的 其他一系列变化，反过来加速最初发生变其他一系列变化，反过来加速最初发生变 化的成分所发生的变化，使生态系统远离化的成分所发生的变化，使生态系统远离 平衡状态或稳态。平衡状态或稳态。如湖泊污染，导致鱼的如湖泊污染，导致鱼的 数量因死亡而减少，由于鱼体腐烂，加重数量因死亡而减少，由于鱼体腐烂，加重 湖泊污染并引起更多鱼类的死亡湖泊污染并引起更多鱼类的死亡 生态系统中的反馈（正反馈（左）和负反馈（右）正反馈（左）和负反馈（右） 狼狼 狼狼 兔兔 兔兔 植物植物

25、 植物植物 狼狼 饿饿 死死 狼狼 吃吃 饱饱 吃了吃了 较多较多 兔子兔子 吃了吃了 较少较少 兔子兔子 兔兔 吃吃 饱饱 兔兔 饿饿 死死 吃了吃了 较少较少 的草的草 吃了吃了 大量大量 的草的草 污染污染 鱼死亡鱼死亡 污染污染 鱼死亡鱼死亡 鱼死亡鱼死亡 污染污染 二、二、 生态平衡与失衡生态平衡与失衡 生态平衡：生态平衡：是指一定时间内生态系统中的生物和是指一定时间内生态系统中的生物和 环境之间、生物各个种群之间，通过能量流动、环境之间、生物各个种群之间，通过能量流动、 物质循环和信息传递，使他们之间达到高度适应、物质循环和信息传递，使他们之间达到高度适应、 协调和统一的状态。协调和统一的状态。 生态阈值：生态阈值：生态系统所能承受压力的极限生态系统所能承受压力的极限 生态危机：生态危机：由于人类盲目活动而导致局部