食物链与食物网

1、第三章第三章 农业生态系统的能流农业生态系统的能流 3-1 热力学定律热力学定律 3-2 食物链、食物网食物链、食物网 3-3 生态系统的能流分析生态系统的能流分析 3-4 农业生态系统的能流农业生态系统的能流 3-5 农业生态系统的能流分析农业生态系统的能流分析主菜单主菜单 退出退出3-1 热力学定律热力学定律一、热力学第一定律（一、热力学第一定律（The first law of thermodynamics;能量守能量守恒定律恒定律, The law of conservation of energy ）:能量可以在不同介质中传递，也可以在不同形式间转换，但在能量可以在不同介质中传递，也

2、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。所有这些过程中能量保持恒定，既不能创生，也不会消灭。 When energy is converted from one form into another, energy is neither gained nor lost.U（系统内能变化）（系统内能变化）=Q（吸热）（吸热）-W（对外作功）（对外作功） 对于生态系统：绿色植物同化的太阳能对于生态系统：绿色植物同化的太阳能=贮存在植物体内的化学贮存在植物体内的化学潜能潜能+植物呼吸消耗的热能植物呼吸消耗的热能 主菜单主菜单退出退出主目录主目录3-1 热力学定律热

3、力学定律二、热力学第二定律二、热力学第二定律（The second law of thermodynamics） 描述能量的传递方向和转化效率(transfer efficiencies)Energy transformation results in a reduction of the free energy of the system.1.能量的转换不可能达到百分之百有效。能量的转换不可能达到百分之百有效。2.自由能的提高不可能是一个自发过程。自由能的提高不可能是一个自发过程。3-1 热力学定律热力学定律三、 熵(entropy)1.熵(entropy):系统热量除以温度后得到的商。S=

4、Q/T熵是系统无序性的量度。2.热力学第二定律（1）在一个内能不变的封闭系统中，任何自发过程均朝着熵值增加的方向进行。（2）开放系统从一个平衡状态到另一个平衡状态的任何过程，均使系统与环境熵值之和增加。3-1 热力学定律热力学定律三、耗散结构理论1.耗散结构(dissipative structure)：开放系统在远离平衡态的非平衡状态下，系统可能出现的一种稳定的有序结构。(Prigogine)2.耗散结构理论：一个远离平衡态的开放系统，通过与外界进行物质与能量的不断交换，就能克服混乱状态，维持稳定状态，并且不断提高系统的有序性，使系统的熵减少。3.有机体和生态系统都是远离平衡态的开放系统，存

5、在一种连续而有效的能量转换，因而都属于耗散结构。光合与同化：引入负熵，保持有序状态呼吸与作功：排除正熵，排除无序3-2 食物链（食物链（Food chains are a simple food path involving a sequence of organisms, each of which is the food for the next.一、食物链（一、食物链（food chain）和营养级（）和营养级（trophic level）1.食物链：食物链：a series of steps in which organism transfer energy by eating and

6、 being eaten.生态系统成员间，通过食物营养关系彼此生态系统成员间，通过食物营养关系彼此联系起来的序列。联系起来的序列。2.营养级：营养级：Each step in a food chain is called a trophic level. 食物食物链上的每一个食性级。以符号链上的每一个食性级。以符号T来表示，来表示，T1表示第一营养级（表示第一营养级（发发端营养级）端营养级） ，T2表示第二营养级，表示第二营养级，T3 ， ， Tn，余此类推。，余此类推。末端营养级末端营养级The producers is normally the 1st trophic level.Each

7、 level depends on the previous level.食物链是生态系统内生物与生物之间相互联系的一种主要形式，食物链是生态系统内生物与生物之间相互联系的一种主要形式，是物质循环和能量流动的主要路径。是物质循环和能量流动的主要路径。二、食物链的种类二、食物链的种类Categories of food chain1.gazing food chain （捕食食物链、草牧食物链（捕食食物链、草牧食物链 ）：是由植物到草食动物，）：是由植物到草食动物，再到肉食动物，直接消耗活有机体或其部分的食物链。再到肉食动物，直接消耗活有机体或其部分的食物链。 水稻水稻稻飞虱稻飞虱青蛙青蛙蛇蛇老

8、鹰老鹰人人在陆地上起始于绿色植物，在水中起始于浮游植物。在陆地上起始于绿色植物，在水中起始于浮游植物。 2.detritus food chain （腐生食物链、（腐生食物链、残渣食物链残渣食物链 ）：由多种微生物构成，是）：由多种微生物构成，是以死有机体为营养源，通过腐烂、分解，将有机物还原为无机物质的食物。以死有机体为营养源，通过腐烂、分解，将有机物还原为无机物质的食物。 秸杆（畜粪）秸杆（畜粪）食用菌食用菌 垃圾垃圾蚯蚓（蜗牛）蚯蚓（蜗牛）3.parasite food chain （寄生食物链）：以寄生的方式取食活着生物有机体。（寄生食物链）：以寄生的方式取食活着生物有机体。食物链成员

9、有自大到小的趋势。食物链成员有自大到小的趋势。 大豆大豆菟丝子菟丝子 马马蛔虫蛔虫原生动物原生动物 红铃虫红铃虫金小蜂金小蜂4. mixed food chain（混合食物链）：构成食物链的各营养级中，既有活食生（混合食物链）：构成食物链的各营养级中，既有活食生物成员，也有腐食生物成员。物成员，也有腐食生物成员。 稻草稻草牛牛蚯蚓蚯蚓鸡鸡猪猪鱼鱼return主菜单主菜单退出退出主目录主目录海洋食物链3-2 食物链食物链三、生态系统中食物链的基本特点三、生态系统中食物链的基本特点1.在同一个食物链中，常包含有食性和其它生活习性极不相同的在同一个食物链中，常包含有食性和其它生活习性极不相同的多种生

10、物。多种生物。 一条食物链中包含的多种生物，可以使光合产物得到充分利一条食物链中包含的多种生物，可以使光合产物得到充分利用（分级利用光合产物），在有限的空间中养活众多生物。用（分级利用光合产物），在有限的空间中养活众多生物。2.在同一生态系统中，可能有多条食物链，它们长短不一，营养在同一生态系统中，可能有多条食物链，它们长短不一，营养级数目不等。级数目不等。如一个鱼塘生态系统中：如一个鱼塘生态系统中：藻类水草藻类水草 草鱼草鱼 绿藻绿藻 甲壳动物甲壳动物 花鲢花鲢浮游植物浮游植物 浮游动物浮游动物 虾虾 噘鱼噘鱼3.自然生态系统中，食物链营养级的数目是有限的自然生态系统中，食物链营养级的数目是

11、有限的What limits the length of a food chain?Charles Elton first pointed out that the length of a food chain is usually four or five links, why ? Energetic hypothesisDynamic stability hypothesis(动态平衡假说):-By reason of the environmental fluctuations，the longer a food chain is, the less stable it is.3-2 食

12、物链食物链4.不同生态系统中各类食物链所占比重不同。不同生态系统中各类食物链所占比重不同。(1)森林生态系统：腐生食物链比重最大，约占系统中生产者所森林生态系统：腐生食物链比重最大，约占系统中生产者所生产的有机物质的生产的有机物质的90%以上。以上。(2)草原生态系统（牧场）：腐生食物链约占草原生态系统（牧场）：腐生食物链约占70%左右。左右。(3)农田生态系统：植物生产的有机质大部分作为产品，留给腐农田生态系统：植物生产的有机质大部分作为产品，留给腐生食物链的仅占净初级生产的生食物链的仅占净初级生产的2030%。如果不通过粪肥、秸杆。如果不通过粪肥、秸杆还田等途径向系统补充有机质，则系统中腐

13、生食物链上的生物还田等途径向系统补充有机质，则系统中腐生食物链上的生物群落将会因为缺少食物能而衰退，引起土壤肥力的下降。群落将会因为缺少食物能而衰退，引起土壤肥力的下降。5在任何一生态系统，各类食物链有协同作用。在任何一生态系统，各类食物链有协同作用。3-2食物链食物链三、食物网三、食物网食物网（食物网（food web)：在生态系统中，各种食物链交错起来构：在生态系统中，各种食物链交错起来构成的网状结构。成的网状结构。Food Webs Food webs are multiple food chains that are interconnected. Food webs:More com

14、plex than food chains. Who eats whom in a community? Trophic relationships can be diagrammed in a community. What transforms food chains into food webs?A given species may weave into the web at more than one trophic level. Food webs（食物网）:the sum of the food chains in a communityGreen plantsCowsPeopl

15、eDeerField MicePlant-eatinginsectsFlies/mosquitoesDeadanimalsHawksCatsInsect-eating birdsDead plantsDeadanimalsManureDung beetlesEarthwormsinsectsFrass & castingsSoil microorganismsPlant diseasesSoil OM(humus)Moles,shrews& birds Rumen microbesSpiders &insect-eating insectsFoxesPasture Fo

16、od WebPathways of nutrient flow营养物流动途径Autotrophic organisms assimilate inorganic resources into packages of organic molecules. These become the resources for heterotrophs which then become a resource for another consumer. At each link in this food chain we can recognize three pathways to the next tr

17、ophic level: decomposition, parasitism and predation. 自养生物将无机物同化成有机物，这些有机物成为异养生物的食物；同样地，该异养生物又成为另一个消费者的食物，于是形成了一条食物链。在食物链的每一个链接，通向下一个营养级的途径有三种：分解、寄生和捕食。Trophic structure （营养结构）The transfer of food energy from its source in photosynthetic organisms through herbivores and carnivores is called the food

18、 chains and food web.食物链食物网本质上是生态系统中有机体之间一系食物网本质上是生态系统中有机体之间一系列反复的吃与被吃的相互关系。列反复的吃与被吃的相互关系。营养结构：以营养为纽带，把生物与生物、生物与环境紧密联营养结构：以营养为纽带，把生物与生物、生物与环境紧密联系起来的结构。系起来的结构。The trophic structure of a community is determined by the feeding relationships between organisms.Trophic structure describes the transfer rel

19、ationship of food among organisms, mainly including food chains and food web.The main component of a community: producers, consumers and decomposer.3-3 生态系统中的能源生态系统中的能源一、能的形态与度量能的形态与度量一、能的形态与度量能的形态与度量 1 形态： 日光能（Solar energy) 化学能(chemical energy) 动能(Kinetic energy) 热能(thermal energy) 2 度量 卡或千卡（生态学上）c

20、alory 焦耳（农业工程上，为目前国际标准单位） joule3-3 生态系统中的能源生态系统中的能源二、生态系统的能量来源1太阳能：占99%以上2辅助能(auxiliary energy )： （1）自然辅助能(natural auxiliary energy )：如地热能、潮汐能、核能等占1%（2）人工辅助能(artificial auxiliary energy)：人畜力、燃料、电力、肥料、农药等3-3 生态系统中的能源生态系统中的能源 三、三、太阳辐射能太阳辐射能 四、四、辅助能辅助能 3-3-3 太阳辐射能太阳辐射能 三、三、太阳辐射能太阳辐射能 是所有生态系统最主要能量来源是所有生

21、态系统最主要能量来源 可见光：可见光：0.40.76 50% 生理效应生理效应 红外线：红外线：0.76 43% 43% 引起热能引起热能 紫外线：紫外线：0.4 7% 7% 引起生物变性，致死引起生物变性，致死 太阳常数：太阳常数：So=1.94cal/cmSo=1.94cal/cm2 2.min.min 到达地球表面的太阳辐射能强度，因纬度、地形地貌、到达地球表面的太阳辐射能强度，因纬度、地形地貌、坡度坡向、气候因子而不同。坡度坡向、气候因子而不同。 太阳辐射能量到达地球表面的分配太阳辐射能量到达地球表面的分配示意图示意图主菜单主菜单退出退出返回返回主目录主目录主菜单主菜单退出退出返回返回

22、主目录主目录 3-3-2 辅助能辅助能四、辅助能四、辅助能辅助能：生态系统中，除了太阳能以外的其它一切补加能量。辅助能：生态系统中，除了太阳能以外的其它一切补加能量。包括自然能和人工能补给，如沿海河口潮汐的作用，风力的作用以及降雨和包括自然能和人工能补给，如沿海河口潮汐的作用，风力的作用以及降雨和蒸发的作用等。蒸发的作用等。对农业生态系统，辅助能主要构成是人们从事农业生产各项活动中投入的能对农业生态系统，辅助能主要构成是人们从事农业生产各项活动中投入的能量，当然，也继承了自然生态系统中的自然辅助能。量，当然，也继承了自然生态系统中的自然辅助能。农业的历史和现实证明，辅助能应用是农业增产的主要原

23、因。如品种(variety)、农机(agricultural machine)、化肥(fertilizer)、农药(pesticide)、农膜(film)、生长调节剂(plant growth regulator)、饲料(feed)、兽药等 。主菜单主菜单退出退出返回返回主目录主目录3-4 生态系统的能流分析生态系统的能流分析 一、能流路径一、能流路径 二、生态效率二、生态效率 三、生态金字塔三、生态金字塔 四、能量流动的特征四、能量流动的特征主菜单主菜单退出退出主目录主目录3-4-1 能流路径能流路径 一、能流路径一、能流路径 研究生态系统中能量流动的目的，在于了解一个系统的能量研究生态系统

24、中能量流动的目的，在于了解一个系统的能量输入、贮存以及作功之间的相互关系，从而减少能量损耗，输入、贮存以及作功之间的相互关系，从而减少能量损耗，提高能量利用效率。提高能量利用效率。 生态系统中能量是沿着食物链流动的：生态系统中能量是沿着食物链流动的： Tn-1Tn NUn NAn Rn NPn-1 摄入量摄入量I In n A An n NP NPn n 注注：NPNP：净生产量：净生产量 A A：同化量：同化量 NuNu：未使用量：未使用量 NANA：未同化量：未同化量主菜单主菜单退出退出返回返回主目录主目录Energy flow analysis of Cedar Bog LakeGP:

25、total primary production; H: herbivores; C: carnivores; R: respiration J/cm2.a3-4-2 生态效率生态效率 二、生态效率二、生态效率 生态效率：能量通过各营养级的转化效率。生态效率：能量通过各营养级的转化效率。 1 1营养级之间（营养级之间（T Tn-1n-1 T Tn n） （1）摄入效率摄入效率 I In n/I/In-1n-1 （2）同化效率同化效率 A An n/A/An-1n-1 （3）生产效率生产效率 NPNPn n/NP/NPn-1n-1 2营养级内部营养级内部 （1）同化效率：同化效率：A An n/

26、I/In n （2）生态生长效率：生态生长效率：NPNPn n/I/In n（生产效率）（生产效率） （3 3）组织生长效率：）组织生长效率：NPNPn n/A/An n主菜单主菜单退出退出返回返回主目录主目录3-4-3 生态金字塔生态金字塔生态金字塔生态金字塔三、生态金字塔三、生态金字塔 Ecological PyramidsEcological PyramidsWe also use pyramids to show information about energy flow gained from food chains/webs.1.1.生态金字塔生态金字塔 Ecological Py

27、ramids Ecological Pyramids ：A diagram that shows the relative amounts of energy or matter contained within each trophic level.营养级由低到高，它们的个体数或能量的分布形成一个塔形结构，就称为营养级由低到高，它们的个体数或能量的分布形成一个塔形结构，就称为生态金字塔。生态金字塔。 2.2.三种基本类型：三种基本类型： There are 3 different types of pyramids: (1)数目数目金字塔金字塔 Numbers pyramid： 生物个体数生

28、物个体数 (2)生物量生物量金字塔金字塔 Biomass pyramid：每种生物的现存生物量每种生物的现存生物量 (3)能量能量金字塔金字塔 Energy pyramid：能量能量(1) Biomass pyramid The total amount of living tissue within a given trophic level Usually expressed in terms of grams of organic matter per unit area Also represent the potential food available for each troph

29、ic level in an ecosystemDisplays the biomass at each trophic level.(2) Pyramid of NumbersBased on numbers of individual organisms at each trophic level1 owl25 voles2000grass plantsPyramid of NumbersPyramid of numbers displays the number of individuals at each level. (3) Energy pyramids Only part of

30、the energy stored in a trophic level is passed on to the next level Only 10 % of the energy in a level is transfer to organism at the next trophic level The more levels that exist between a producer and a consumer in an ecosystem the less energy that remain from the original amountIn nature, ecologi

31、cal efficiency varies from 5% to 20% energy available between successive trophic levels (95% to 80% loss). About 10% efficiency is a general rule.Annual pyramid of energy flow (in kilocalories per square meter per year) for an aquatic ecosystem in Silver Springs, FL.Note: More individuals can be sup

32、ported at lower trophic levels. Less energy is lost.return主菜单主菜单退出退出返回返回主目录主目录return主菜单主菜单退出退出返回返回主目录主目录return主菜单主菜单退出退出返回返回主目录主目录四、能量流动的特征 1 能流是单向流动 2 能流是能量不断递减的过程 3 能量流动的途径和渠道是食物链 (food chain) 和食 物 网(food web) 3-5 农业生态系统的能流农业生态系统的能流一、能源一、能源二、人工辅助能提高农业生态系统生产力的原因二、人工辅助能提高农业生态系统生产力的原因三、工业辅助能的使用所带来的一系

33、列问题三、工业辅助能的使用所带来的一系列问题4-5-1 能源能源 一、能源一、能源 生物界的能源，直接、间接地来源于太阳的辐射能。生物界的能源，直接、间接地来源于太阳的辐射能。 农业生态系统有大量的人工辅助能输入，同时有大量的能量农业生态系统有大量的人工辅助能输入，同时有大量的能量以农产品的形式输出系统外。太阳能仍是主要能量来源，但以农产品的形式输出系统外。太阳能仍是主要能量来源，但辅助能所占的比例大大提高了。辅助能所占的比例大大提高了。 自然辅助能自然辅助能 辅助能辅助能 工业能：农药、化肥、农机、电力、工业能：农药、化肥、农机、电力、 燃料、薄膜、设施燃料、薄膜、设施 人工辅助能人工辅助能

34、 生物能：人力、有机肥、种子种苗、生物能：人力、有机肥、种子种苗、 种畜、种禽、饲料、燃料种畜、种禽、饲料、燃料主菜单主菜单退出退出返回返回主目录主目录4-5-1 能源能源 直接工业辅助能：电、机械能工业辅助能 间接工业辅助能：机具、化肥3-5-2人工辅助能提高农业生态系统人工辅助能提高农业生态系统生产力的原因生产力的原因二、人工辅助能提高农业生态系统生产力的原因二、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，改善了不良的生态环境条件，解除环境中辅助能的投入，改善了不良的生态环境条件，解除环境中一些限制因子的制约，促进农作物对太阳能的吸收、利用和转一些限制因子的制约，促进农作物对太阳

35、能的吸收、利用和转化。化。2减少农业生物的非生产能量损耗。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，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。提高效率。总的来说，随着人工辅助能投入的增加，特别总的来说，随着人工辅助能投入的增加，特别是工业辅助能投入量的增加，产量明显提高。是工业辅助能投入量的增加，产量明显提高。 主菜单主菜单退出退出返回返回主目录主目录4-5-3工业辅助能的使用所带来的一工业辅助能的使用所带来的一系列的问题系列的问题三、工业辅助能的使用所带来的一系列的问题三、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

36、增加而降低，成本提高。辅助能的效益随着辅助能的增加而降低，成本提高。2能源紧张。能源紧张。3 化肥、农药对农业环境造成污染。化肥、农药对农业环境造成污染。今后应优化辅助能投入，提高辅助能的利用效率。今后应优化辅助能投入，提高辅助能的利用效率。未来的农业应该是更多地投入科学技术和信息，替未来的农业应该是更多地投入科学技术和信息，替代工业辅助能的直接投入。代工业辅助能的直接投入。 主菜单主菜单退出退出返回返回主目录主目录3-6 农业生态系统的能流分析农业生态系统的能流分析 一、一、能流符号能流符号 二、二、能流分析法能流分析法输入输出过程分析法输入输出过程分析法 三、农业生态系统的能流模型三、农业生态系统的能流模型 四、农业生态系统的能流特征和转化效率四、农业生态系统的能流特征和转化效率主菜单主菜单退出退出主目录主目录4-6-1 能流符号能流符号 一、能流符号一、能流符号主菜单主菜单退出退出返回返回主目录主目录3-6-2 能流分析法能流分析法二、二、能流分析法能流分析法1确定研究对象和系统边界。确定研究对象和系统边界。2确定系统的组成成分及相互关系，绘出能流图。确定系统的组成成分及相互关系，