城市生态系统能量流动

1、 东北林业大学森林资源与环境学院 2022年5月9日第二章 生态系统的能量流动一一 关于能量的基本概念关于能量的基本概念二二 生物能量的来源生物能量的来源三三 生态系统的营养结构生态系统的营养结构四四 生态系统中能量动态和储存生态系统中能量动态和储存五五 生态系统按能量来源的分类生态系统按能量来源的分类六六 森林经营对生态系统中能量的影响森林经营对生态系统中能量的影响七七 小结小结 东北林业大学森林资源与环境学院 2022年5月9日引 言为什么要研究生态系统的能量流动？为什么要研究生态系统的能量流动？ 能量是生态系统的驱动力 林业、农业、渔业、牧业等工作者对森林、 农田、渔场、草原等的经营管理

2、，应掌握能量的输入和输出途径及其限制因素，以达到高产目的，设法调整生态系统的能量分配关系，使能量流向对人类最有益的部分。 东北林业大学森林资源与环境学院 2022年5月9日一一 关于能量的概念关于能量的概念1 能量能量做功的能力。做功的能力。2 能量值的表示：能量值的表示：卡或千卡卡或千卡。3 与生物体有关的几种能量形式：与生物体有关的几种能量形式： 辐射能、机械能、化学能、热能辐射能、机械能、化学能、热能4 .生态系统能量流遵循热力学定律生态系统能量流遵循热力学定律 东北林业大学森林资源与环境学院 2022年5月9日热力学第一定律热力学第一定律 又称为能量守恒与转化原理又称为能量守恒与转化原

3、理. （ Energy Conservation Law ） 能量可从一种形式转换成另一种形式，但能量即不能能量可从一种形式转换成另一种形式，但能量即不能增加也不会减少。增加也不会减少。 如太阳辐射能，通过绿色植物的光合作用转变为存在如太阳辐射能，通过绿色植物的光合作用转变为存在于有机物质化学键中的化学潜能；动物通过消耗自身于有机物质化学键中的化学潜能；动物通过消耗自身体内贮存的化学潜能变成爬、跳、飞、游的机械能体内贮存的化学潜能变成爬、跳、飞、游的机械能 东北林业大学森林资源与环境学院 2022年5月9日热力学第二定律热力学第二定律(熵律熵律entropy law)表达有关能量传递方向和转换

4、效率的规律。表达有关能量传递方向和转换效率的规律。 自然界中任何形式的能最终归宿是热能，且自然界中任何形式的能最终归宿是热能，且不可逆。不可逆。任何一种能量的转换，总有一些能量损失掉，任何一种能量的转换，总有一些能量损失掉，一种形式的能绝不会全部转换成另一种形式一种形式的能绝不会全部转换成另一种形式的能。的能。 东北林业大学森林资源与环境学院 2022年5月9日热力学的两个定律第一定律：A = B + C 第二定律：C ASUNA: 日光，100单位释放的能量B: 热，98单位释放的能量形式C:糖，2单位浓缩的能量形式橡树叶，能量转换系统 东北林业大学森林资源与环境学院 2022年5月9日太阳

5、辐射能有机物质的合成过程，有机物质的合成过程，即生产者（绿色植物）即生产者（绿色植物）吸收太阳能量形成初吸收太阳能量形成初级生产量。级生产量。热 能化学能热 能机械能活有机物质被各级消活有机物质被各级消费者（动物）消费的费者（动物）消费的过程。过程。死有机物质（动植物死有机物质（动植物残体和排泄物）被腐残体和排泄物）被腐生物分解的过程。生物分解的过程。生态系统中能量的流动能量流动特点：1 “越流越细”，能量在流动过程中逐渐耗散。2 单向流动，不可逆。 东北林业大学森林资源与环境学院 2022年5月9日二二 生物能量的来源生物能量的来源我们能利用的能量来自：我们能利用的能量来自：太阳辐射、核能、

6、太阳辐射、核能、地热地热太阳辐射能是生态系统中的能量的最主要来太阳辐射能是生态系统中的能量的最主要来源。源。 东北林业大学森林资源与环境学院 2022年5月9日太阳辐射红外线红外线太阳辐射太阳辐射无线电波无线电波X光光可见光可见光紫外光紫外光射线射线波长波长频率频率/秒秒10410101010.110-610201015太阳辐射位于电磁辐射谱的中间范围 东北林业大学森林资源与环境学院 2022年5月9日按能量来源将生物分为：按能量来源将生物分为： 草食动物（草食动物（herbivores）肉食动物肉食动物 (carnivores)杂食动物杂食动物(omnivores)腐生物腐生物(saprot

7、rophs)异养生物异养生物自养生物自养生物光能自养型光能自养型(photoautotrophs)化能自养型化能自养型(chemoautotrophs) 东北林业大学森林资源与环境学院 2022年5月9日三三 生态系统的营养结构生态系统的营养结构（一）（一）能量转换的途径，或称能量流动的渠道能量转换的途径，或称能量流动的渠道食物链食物链(food chains)指生物界食物关系中，甲吃乙、乙吃丙、丙吃丁的现象。生物之间这种能量转换连续依赖的次序称为食物链。 东北林业大学森林资源与环境学院 2022年5月9日食物链类型：食物链类型： 草牧食物链（捕食食物链）草牧食物链（捕食食物链）: 是以绿色植

8、物为基础，是以绿色植物为基础，从草食动物开始的食物链，草原和水体生态系统是以从草食动物开始的食物链，草原和水体生态系统是以草牧食物链为主的生态系统。草牧食物链为主的生态系统。 腐生食物链（碎食食物链）腐生食物链（碎食食物链）: 指以死有机物质为基础，指以死有机物质为基础，从腐生物开始的食物链。森林是以腐生食物链为优势从腐生物开始的食物链。森林是以腐生食物链为优势的生态系统。在森林中，有的生态系统。在森林中，有90%的净生产是被腐生生的净生产是被腐生生物所分解消耗的。物所分解消耗的。 寄生性食物链寄生性食物链:由宿主和寄生物构成。它以大型动物由宿主和寄生物构成。它以大型动物为食物链的起点，继之以

9、小型动物、微型动物、细菌为食物链的起点，继之以小型动物、微型动物、细菌和病毒。后者与前者是寄生性关系。和病毒。后者与前者是寄生性关系。陆地与海洋食物链的例子陆地与海洋食物链的例子 东北林业大学森林资源与环境学院 2022年5月9日 东北林业大学森林资源与环境学院 2022年5月9日 在同一个食物链中，在同一个食物链中，常包含有食性和其它生活习性极常包含有食性和其它生活习性极不相同的多种生物不相同的多种生物。 在同一个生态系统中，可能有多条食物链，它们的在同一个生态系统中，可能有多条食物链，它们的长长短不同，营养级数目不等短不同，营养级数目不等。由于在一系列取食与被取。由于在一系列取食与被取食的

10、过程中，每一次转化都将有大量化学能变为热能食的过程中，每一次转化都将有大量化学能变为热能消散。因此，自然生态系统中营养级的数目是有限的。消散。因此，自然生态系统中营养级的数目是有限的。 在不同的生态系统中，在不同的生态系统中，各类食物链的比重不同各类食物链的比重不同. 在任一生态系统中，在任一生态系统中，各类食物链总是协同起作用各类食物链总是协同起作用。 东北林业大学森林资源与环境学院 2022年5月9日（二）食物网（二）食物网(food webs)生物之间的捕食和被食的关系不是简单的一生物之间的捕食和被食的关系不是简单的一条链，而是错综复杂的相互依赖的网状结构，条链，而是错综复杂的相互依赖的

11、网状结构，即食物网。即食物网。食物网不仅维持着生态系统的相对平衡，并食物网不仅维持着生态系统的相对平衡，并推动着生物的进化，成为自然界发展演变的推动着生物的进化，成为自然界发展演变的动力。动力。这种以营养为纽带，把生物与环境、生物与这种以营养为纽带，把生物与环境、生物与生物紧密联系起来的结构，称为生态系统的生物紧密联系起来的结构，称为生态系统的营养结构。营养结构。 东北林业大学森林资源与环境学院 2022年5月9日食物网食物网 东北林业大学森林资源与环境学院 2022年5月9日（三）生态金字塔（三）生态金字塔(ecological pyramid)数量金字塔数量金字塔(pyramid of n

12、umbers)生物量金字塔生物量金字塔(pyramid of biomass)能量金字塔能量金字塔(energy pyramid)p1C2C3C4Cp1C2C3C4Cp1C2Cp1C2C3C3C数量能量落叶林草地落叶林及草地数量和能量金字塔落叶林及草地数量和能量金字塔 东北林业大学森林资源与环境学院 2022年5月9日单位：公斤单位：公斤生物量金字塔生物量金字塔1000100101浮游动物浮游动物鱼鱼浮游植物浮游植物 东北林业大学森林资源与环境学院 2022年5月9日能量金字塔能量金字塔 东北林业大学森林资源与环境学院 2022年5月9日四 生态系统的能量动态和储存（一）基本名词解释（一）基本

13、名词解释 生产量生产量(production)：一定时期内有机物质增加的总一定时期内有机物质增加的总重量。重量。 总生产量总生产量(gross production)：某一时期合成的有机物质总量. 净生产量净生产量(net production)：总生产量减去呼吸损失的部分. 初级生产量初级生产量(primary production)：绿色植物的生产量. 次级生产量次级生产量(seconddary production)：消费者的生产量. 东北林业大学森林资源与环境学院 2022年5月9日 生物量生物量(biomass)：任一时间某一地方某一种：任一时间某一地方某一种群、营养级或某一生态系统

14、有机物质的总重群、营养级或某一生态系统有机物质的总重量。量。(kg/ha、g/m2、kj/m2) 现存量现存量(standing crop)：单位面积上当时所测：单位面积上当时所测得的生物体的总重量。得的生物体的总重量。 生产力生产力(productivity)：指单位时间单位面积：指单位时间单位面积的生产量，即生产的速率。的生产量，即生产的速率。 东北林业大学森林资源与环境学院 2022年5月9日（二）初级生产者（绿色植物）营养级（二）初级生产者（绿色植物）营养级1 能量输入能量输入 光合作用光合作用光合效能：太阳能量进入生态系统的效能。光合效能：太阳能量进入生态系统的效能。光合效能光合效能

15、 100 测定值：测定值：15进入系统的太阳能量生产量 东北林业大学森林资源与环境学院 2022年5月9日2 能量消耗能量消耗（1）呼吸的消耗）呼吸的消耗植物群落呼吸损失掉的能量变化幅度在植物群落呼吸损失掉的能量变化幅度在1590以上。以上。损失量从极地到热带逐次提高。原因：温度损失量从极地到热带逐次提高。原因：温度增高，尤其是夜晚温度高。从而影响植物产增高，尤其是夜晚温度高。从而影响植物产量。量。 东北林业大学森林资源与环境学院 2022年5月9日（2）草食动物的消耗草食动物的消耗因生态系统类型不同而有很大变化。因生态系统类型不同而有很大变化。草地损失量约草地损失量约2860%之间。之间。森

16、林为森林为1.5%2.5%。水体生态系统浮游植物群落水体生态系统浮游植物群落6099。思考：如何看待森林中的昆虫？思考：如何看待森林中的昆虫？（3）凋落物的消耗）凋落物的消耗 东北林业大学森林资源与环境学院 2022年5月9日3 净生产力和生物量净生产力和生物量 奥德姆根据初级生产力将生态系统划分为奥德姆根据初级生产力将生态系统划分为4级：级： 最低：荒漠和深海。最低：荒漠和深海。 较低：山地森林、热带稀树草原、某些临时较低：山地森林、热带稀树草原、某些临时 农耕地、半干旱草原、深湖和大陆架。农耕地、半干旱草原、深湖和大陆架。 较高：热带雨林，长久性农耕地和浅湖。较高：热带雨林，长久性农耕地和

17、浅湖。 最高：少数特殊的生态系统（农业高产田、最高：少数特殊的生态系统（农业高产田、 河漫滩、三角洲、珊瑚礁、红树林）。河漫滩、三角洲、珊瑚礁、红树林）。 东北林业大学森林资源与环境学院 2022年5月9日 东北林业大学森林资源与环境学院 2022年5月9日能否提高生态系统的生产力？能否提高生态系统的生产力？ 地球上的森林具有很大的生长潜力。地球上的森林具有很大的生长潜力。1.生态系统生产力受到很多环境因子的限制，如光照、生态系统生产力受到很多环境因子的限制，如光照、水分、温度、养分供应、生长期等。水分、温度、养分供应、生长期等。2.生态系统结构对生产力的提高也很重要。生态系统结构对生产力的提

18、高也很重要。 如何提高生态系统的生产力？如何提高生态系统的生产力？ 给生态系统增加能量，从而提高光能利用效率。 天然条件下：温度的升高，雨量的增多。 人工条件下：营造高光合效能的速生树种，树种的合理混交，整地，灌溉，排水，施肥，森林抚育，病虫害防治等。 东北林业大学森林资源与环境学院 2022年5月9日4 生物量在植物体内的分配生物量在植物体内的分配经营者的愿望经营者的愿望 林业工作者林业工作者：净生产量更多地分布于：净生产量更多地分布于树干树干；农民农民：要求农作物结出更多的：要求农作物结出更多的种子种子或其他可食或其他可食的的块茎和根茎块茎和根茎； 主要影响因素：品种，环境，经营措施主要影

19、响因素：品种，环境，经营措施 思考：如何让树干多长点儿？思考：如何让树干多长点儿？ 东北林业大学森林资源与环境学院 2022年5月9日5 能量流周转期能量流周转期转换时间（年）转换时间（年）=(凋落物）转换时间（年）凋落物）转换时间（年）=能量流周转期的意义能量流周转期的意义:）净生产力（）生物量（yrmgmg/22）凋落速率（）凋落物积累（yrmgmg/22 东北林业大学森林资源与环境学院 2022年5月9日（三）初级消费者（草食动物）营养级（三）初级消费者（草食动物）营养级陆地生态系统中植物净生产量转换成食草动陆地生态系统中植物净生产量转换成食草动物净生产量的效率很低，多数均少于物净生产量

20、的效率很低，多数均少于1。（四）二级消费者（肉食动物）营养级（四）二级消费者（肉食动物）营养级（五）腐生营养食物链（五）腐生营养食物链在许多生态系统中占据能量流的大部分。在许多生态系统中占据能量流的大部分。影响凋落物分解的因子：水分，温度，影响凋落物分解的因子：水分，温度，pH值，值，氧气，土壤动物数量，凋落物理化性质，细氧气，土壤动物数量，凋落物理化性质，细菌和真菌的相对量。菌和真菌的相对量。 东北林业大学森林资源与环境学院 2022年5月9日五、生态系统按能量来源的分类五、生态系统按能量来源的分类 纯太阳能生态系统纯太阳能生态系统 主要或完全依赖太阳辐射的自然生态系统。主要或完全依赖太阳辐射的自然生态系统。 生产力低，面积大。对于水循环、调节气候、净化空气等全球生态的生产力低，面积大。对于水循环、调节气候、净化空气等全球生态的平衡有重要作用。平衡有重要作用。 有自然补助能的太阳供能生态系统有自然补助能的太阳供能生态系统 有自然提供的其他能源，用以补助太阳辐射有自然提供的其他能源，用以补助