農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的能量流

1、第四章 農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的能量流第四章農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的能量流Chapter 4 Energy flow in the agroecosystem任何生命過(guò)程無(wú)不自始至終貫穿著能量、物質(zhì)和信息的有組織、舉做功,是生態(tài)系統(tǒng)最重要的功能；農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的能量流動(dòng),是表達(dá)農(nóng)業(yè)ttonlVL « iNfeWii tvw*第一節(jié)能量流動(dòng)的根本規(guī)律? 一、能量的根本概念,形態(tài)與度量能量(energy ),在物理學(xué)上指的是物質(zhì)具有 作功的水平.能是物質(zhì)運(yùn)動(dòng)的量度.一般把能分為兩種存在形式：潛能和動(dòng)能.潛能是靜態(tài)能量,它是存在于物體內(nèi)部的化學(xué)能 量,具有作功的潛在水平,生態(tài)系統(tǒng)中有機(jī)物質(zhì) 的化學(xué)結(jié)合能是潛能的

2、一種.動(dòng)能那么與物體本身的質(zhì)量、運(yùn)動(dòng)速度和相對(duì)位置 有關(guān),動(dòng)能是物理學(xué)上所主要討論的能量形式.1 .形態(tài)：日光能(Solar energy) 化學(xué)能 (chemical energy)動(dòng)能(Kinetic energy)熱 能(thermal energy)2 .度量卡或千卡(生態(tài)學(xué)上)calory 焦耳(農(nóng) 業(yè)工程上,為目前國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)單位)joule?二、生態(tài)系統(tǒng)的能量來(lái)源KP日特時(shí)凈量地球董愛(ài)的山蚌冷量日汽Th 砧堪論深黑而修激 出&a桿材丸啷野衣陛崎肥烈足球亂出 嘎就鼻餐史逐度上升Solar radiationEnergy in ® Enargy outRcFlccicd

3、 by stmohere (34%)UV rad atiQ<iRadiated byatTio&phcrem hunt償網(wǎng)Lowflr1 StratoAphereV4ibie(皿柞闡丫畤.一.lGreerrhdjsc用田 fropc»pnefle erreclAi»ort»d by oraneAbsdrbtadl by thtHeal radia：ea the earth1 .太陽(yáng)能：占99%以上2 .自然輔助能(natural a uxiliary energy )如 地?zé)崮?、潮汐能、核能等?%3 .人工輔助能(artificial auxili

4、aryenergy):人畜力、燃料、電力、肥料、農(nóng)藥 等農(nóng)業(yè)生態(tài)景觀與農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的水平結(jié)構(gòu)?三、能量流動(dòng)的基定律一熱力學(xué)第一定律認(rèn)為：一個(gè)系統(tǒng)的任何狀 態(tài)的變化,都伴隨著吸熱、放熱和做功,而系統(tǒng) 的總能量并不增加或減少,它是守恒的.即 E=A Q-+A W AE表示系統(tǒng)內(nèi)能的變化,表示系統(tǒng)吸熱或放熱,AW表示自身做功或系統(tǒng) 對(duì)外做功.實(shí)際上,能量的當(dāng)量轉(zhuǎn)換關(guān)系不限于熱、 功和內(nèi) 能之間,各種形式的能量都有當(dāng)量轉(zhuǎn)換關(guān)系.在 生態(tài)系統(tǒng)中,太陽(yáng)的輻射能,大局部通過(guò)地面、 水面、生物外表等反射、散射和蒸發(fā)蒸騰耗能而 離開(kāi)生態(tài)系統(tǒng)；只有小局部通過(guò)綠色植物的光合 作用轉(zhuǎn)化為有機(jī)物質(zhì)中的化學(xué)潛能.二熱力學(xué)

5、第二定律認(rèn)為：由于總有一局部能 量散發(fā)為不能再利用的熱能,能量從一種形態(tài)轉(zhuǎn) 變?yōu)榱硪环N形態(tài)的效率,總不可能是百分之百.自由能是系統(tǒng)中可用于做功的那一局部能量. 自 由能做功后即衰變?yōu)椴荒芾玫臒o(wú)用能, 通常是 分散的熱能.由熱力學(xué)第二定律可知,世界上一切有序的結(jié) 構(gòu)、格局、安排都會(huì)自然地趨向于無(wú)序.要使系 統(tǒng)維持有序狀態(tài),只有使系統(tǒng)獲得更多的潛能以 做功.普里高津的耗散結(jié)構(gòu)理論一個(gè)遠(yuǎn)離平衡態(tài)的開(kāi)放系統(tǒng),通過(guò)與外界環(huán)境所 進(jìn)行的物質(zhì)、能量的不斷交換,就能克服無(wú)序狀 態(tài),維持穩(wěn)定狀態(tài).生態(tài)系統(tǒng)為一個(gè)具有耗散 結(jié)構(gòu)的開(kāi)放系統(tǒng),服從熱力學(xué)第二定律.?四、能 量流 動(dòng)的 特征1 .能流是 單向流動(dòng)2 .

6、能流是 能量不斷 遞減的 過(guò)程3 .能量流動(dòng)的途徑 和渠道是 食物鏈(food chain)和食物網(wǎng)(food web)第二節(jié)初級(jí)生產(chǎn)的能量轉(zhuǎn)化? 一、初級(jí)生產(chǎn)中的能量平衡關(guān)系(一)初級(jí)生產(chǎn)：是指自養(yǎng)生物利用無(wú)機(jī)環(huán)境中 的能量進(jìn)行同化作用,在生態(tài)系統(tǒng)中首次把環(huán)境 的能量轉(zhuǎn)化成有機(jī)體化學(xué)能,并貯存起來(lái)的過(guò) 程.其中綠色植物光合作用固定太陽(yáng)能生產(chǎn)有機(jī)物 的過(guò)程,是最主要的初級(jí)生產(chǎn),是生態(tài)系統(tǒng)能量 流動(dòng)的根底.初級(jí)生產(chǎn)者包括綠色植物和化能合成細(xì)菌等二凈初級(jí)生產(chǎn)量=總 初級(jí)生產(chǎn)量-呼吸量光合作用光能自養(yǎng)型硫化?二、初級(jí)生產(chǎn)力的潛力估算與分析一作物生產(chǎn)力估算的重要意義在于：1 .提供作物的理論產(chǎn)量,定量

7、表達(dá)在一定的氣候、土壤和農(nóng)業(yè)技術(shù)水平下作物可能到達(dá)的生產(chǎn)能 力,預(yù)示農(nóng)業(yè)的開(kāi)展前景；2 .為國(guó)家或地區(qū)制定農(nóng)業(yè)開(kāi)展規(guī)劃,確定投資方向及有關(guān)農(nóng)業(yè)政策的依據(jù)；3 .是估算土地人口承載水平的根底；4 .是揭示作物生育規(guī)律、產(chǎn)量形成與環(huán)境條件相互作用的機(jī)制,對(duì)定量分析資源利用程度、生產(chǎn) 潛力、產(chǎn)量限制因素等的有效的手段.二初級(jí)生產(chǎn)力測(cè)定的方法：主要分為直接測(cè)定和間接測(cè)定直接測(cè)定是測(cè)定初級(jí)生產(chǎn)者的生物量間接測(cè)定是通過(guò)測(cè)定初級(jí)生產(chǎn)者的代謝活動(dòng)的 情況,如測(cè)定O2或CO的濃度變化等再對(duì)初級(jí)生 產(chǎn)力進(jìn)行推估算.使用光合作用測(cè)定儀測(cè)定和利用遙感 衛(wèi)星技 術(shù)間接測(cè)定那么是比擬先進(jìn)的方法.?三、提升農(nóng)業(yè)初級(jí)生產(chǎn)力的

8、途徑1、因地制宜,增加綠色植被覆蓋,充分利用太 陽(yáng)輻射能,增加系統(tǒng)的生物量通量或能通量, 增 強(qiáng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性.2、適當(dāng)增加投入,保護(hù)和改善生態(tài)環(huán)境,消除 或減緩限制因子的制約.3、改善植物品質(zhì)特點(diǎn),選育高光效的抗逆性強(qiáng) 的優(yōu)良品種.4、增強(qiáng)生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)部物質(zhì)循環(huán),減少養(yǎng)份水分 制約.5、改進(jìn)耕作制度,提升復(fù)種指數(shù),合理密植,實(shí)行 間套種,提升栽培治理技術(shù).6、調(diào)控作物群體結(jié)構(gòu),盡早形成并盡量維持最 佳的群體結(jié)構(gòu).第三節(jié)次級(jí)生產(chǎn)的能量轉(zhuǎn)化次級(jí)生產(chǎn)：是指 異養(yǎng)生物的生 產(chǎn),也就是生態(tài) 系統(tǒng)消費(fèi)者、分 解者利用初級(jí) 生產(chǎn)量進(jìn)行的 同化、生長(zhǎng)發(fā) 育、繁殖后代的 過(guò)程.次級(jí)生產(chǎn)者：大 農(nóng)業(yè)中的畜牧 水產(chǎn)業(yè)

9、和蟲、菌 業(yè)生產(chǎn)都屬次級(jí)生產(chǎn)? 一、次級(jí)生產(chǎn)的能量平衡P=NI+| |=A+(R1+R2)+(F+U+G)P初級(jí)生產(chǎn)總量Ni未食用局部I食用局部A 貯存量R1體增熱R2維持能F固體排泄物U 液體排泄物G氣體排泄物?二、次級(jí)生產(chǎn)在農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)中的地位和作 用1 .轉(zhuǎn)化農(nóng)副產(chǎn)品,提升利用價(jià)值2 .生產(chǎn)動(dòng)物蛋白質(zhì),改善食物構(gòu)成.3 .促進(jìn)物質(zhì)循環(huán),增強(qiáng)生態(tài)系統(tǒng)功能.4 .提升經(jīng)濟(jì)價(jià)值.?三、我國(guó)農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的次級(jí)生產(chǎn)1 .生產(chǎn)結(jié)構(gòu)上：我國(guó)應(yīng)由以豬為主的單一結(jié)構(gòu)向禽、蛋、豬、水產(chǎn)多元結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變.加快開(kāi)展家禽2 .次級(jí)生產(chǎn)精料轉(zhuǎn)化效率低主要原因是飼料資源高度分散和蛋白質(zhì)飼 料短缺.我國(guó)應(yīng)大力提升飼料轉(zhuǎn)化率

10、,開(kāi)展高蛋 白質(zhì)飼料.?四、初級(jí)生產(chǎn)與次級(jí)生產(chǎn)的關(guān)系1 .次級(jí)生產(chǎn)依賴初級(jí)生產(chǎn).2 .合理的次級(jí)生產(chǎn)促進(jìn)初級(jí)生產(chǎn).3 .過(guò)度放牧破壞初級(jí)生產(chǎn),使草原退化.?五、次級(jí)生產(chǎn)的改善途徑1 .調(diào)整種植業(yè)結(jié)構(gòu),建立糧-經(jīng)-飼三元結(jié)構(gòu)2 .培育、改進(jìn)、推廣優(yōu)良畜禽漁品種3 .將分散經(jīng)營(yíng)適度集約化養(yǎng)殖4 .大力開(kāi)發(fā)飼料,進(jìn)行科學(xué)喂養(yǎng)5 .改善次級(jí)生產(chǎn)構(gòu)成：開(kāi)展草食動(dòng)物、水產(chǎn) 業(yè), 開(kāi)展腐生食物鏈,利用分解能等.第四節(jié)生態(tài)系統(tǒng)中的輔助能、生態(tài)系統(tǒng)的輔助能自始藕助能；風(fēng)雨、流水 潮汐、地?zé)醸 人工輔助能(artificial auxiliaiy energy)?生物輔助能.勞力、畜力、有機(jī)肥、種子種苗等?直接工

11、皿輔助能C如堞石油、天然氣等) I叫輔助能.J瞄工業(yè)輔助能【加RB農(nóng)藥、薄膜等)畜力?二、人工輔助能對(duì)農(nóng)業(yè)增產(chǎn)的意義1 .輔助能輸入的作用是改善不良的生態(tài)環(huán)境條 件,解除環(huán)境中一些限制因子的制約, 促進(jìn)農(nóng)作 物對(duì)日光能的吸收、利用和轉(zhuǎn)化.2 .總的來(lái)說(shuō),隨著人工輔助能投入的增加,特別 是工業(yè)輔助能投入量的增加,產(chǎn)量明顯提升.3 .工業(yè)輔助能投入的增加也帶來(lái)了能源短缺、環(huán) 境污染和本錢提升等問(wèn)題.今后應(yīng)優(yōu)化輔助能投 入,提升輔助能的利用效率.未來(lái)農(nóng)業(yè)更多的是應(yīng)該更多地投入科學(xué)技術(shù)和信息,替代工業(yè)輔助 能的直接投入.?三、農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的能流特征和轉(zhuǎn)化效率1 .自然生態(tài)系統(tǒng)與農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的比擬自然生

12、態(tài)系統(tǒng)：主要是自然輔助能.農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)：自然輔助能和人工輔助能能量的大量輸入輸出.2 .不同類型農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的比擬不同歷史開(kāi)展 時(shí)期：原始農(nóng)業(yè)(primitive agriculture) :輔助能 投入少,生產(chǎn)力低傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)(traditional agriculture) :輔助 能投入多,生產(chǎn)力相對(duì)高現(xiàn)代農(nóng)業(yè)(modern agriculture) :輔助能投入更多,生產(chǎn)力大大提升、次級(jí)生產(chǎn)的改善 第五節(jié) 生態(tài)系統(tǒng)的能量關(guān)系? 一、生態(tài)系統(tǒng)的能流路徑1 .太陽(yáng)輻射能通過(guò)光合作用進(jìn)入生態(tài)系統(tǒng),成為 生態(tài)系統(tǒng)能量的主要來(lái)源.2 .以植物有機(jī)物質(zhì)形式貯存起來(lái)的化學(xué)潛能,沿 著食物鏈和食物網(wǎng)流動(dòng),

13、驅(qū)動(dòng)生態(tài)系統(tǒng)完成物質(zhì) 流動(dòng)、信息傳遞等功能.3 .化學(xué)潛能貯存在生態(tài)系統(tǒng)的生物組分內(nèi),或者 隨著產(chǎn)品等輸出,離開(kāi)生態(tài)系統(tǒng).4 .植物、動(dòng)物和微生物有機(jī)體通過(guò)呼吸作用釋放 熱能,并散失.5 .輔助能對(duì)以太陽(yáng)輻射能為始點(diǎn),以食物鏈為主 線的能量流動(dòng)起輔助作用.:、生態(tài)效率和生態(tài)金字塔仃中配賢mq1 .生態(tài)效率： 即食物鏈各環(huán) 節(jié)上的能量轉(zhuǎn) 化效率2 .生態(tài)金字塔 是指由于能量 每經(jīng)過(guò)一個(gè)營(yíng) 養(yǎng)級(jí)時(shí)被凈同 化的局部都要 大大少于前一 個(gè)營(yíng)養(yǎng)級(jí),當(dāng)營(yíng) 養(yǎng)級(jí)由低到高, 其個(gè)體數(shù)目、生 物量或所含能 量就呈現(xiàn)類似 埃及金字塔的 塔形分布.3 .林德曼的十 分之一定律：在 自然條件下,每 年從任何一個(gè) 營(yíng)養(yǎng)級(jí)上能收 獲到的生產(chǎn)量, 按能量計(jì)只不 過(guò)是它前一個(gè) 營(yíng)養(yǎng)級(jí)生產(chǎn)量 的十分之一左?三、能與人類社會(huì)的開(kāi)展1 .能量是生態(tài)系統(tǒng)一切過(guò)程的驅(qū)動(dòng)力, 能量的開(kāi)