生態(tài)系統(tǒng)中的能量流動(dòng)課件

1、生態(tài)系統(tǒng)中的能量流動(dòng)Page 1第十章第十章 生態(tài)系統(tǒng)的能量流與信息流生態(tài)系統(tǒng)的能量流與信息流n第一節(jié) 生態(tài)系統(tǒng)的初級(jí)生產(chǎn)n第二節(jié) 生態(tài)系統(tǒng)的次級(jí)生產(chǎn)n第三節(jié) 生態(tài)系統(tǒng)中的分解n第四節(jié) 生態(tài)系統(tǒng)中的能量流動(dòng)n第五節(jié) 生態(tài)系統(tǒng)中的信息流生態(tài)系統(tǒng)中的能量流動(dòng)Page 2一、初級(jí)生產(chǎn)的基本概念一、初級(jí)生產(chǎn)的基本概念 初級(jí)生產(chǎn)量或第一性生產(chǎn)量（初級(jí)生產(chǎn)量或第一性生產(chǎn)量（primary productionprimary production） 植物所固定的太陽(yáng)能或所制造的有機(jī)物質(zhì)植物所固定的太陽(yáng)能或所制造的有機(jī)物質(zhì). . 凈初級(jí)生產(chǎn)量（凈初級(jí)生產(chǎn)量（net primary productionnet

2、primary production）: :在初級(jí)生產(chǎn)過在初級(jí)生產(chǎn)過程中，植物固定的能量有一部分被植物自己呼吸消耗掉，剩程中，植物固定的能量有一部分被植物自己呼吸消耗掉，剩下的用于植物生長(zhǎng)和生殖，這部分生產(chǎn)量稱為凈初級(jí)生產(chǎn)量。下的用于植物生長(zhǎng)和生殖，這部分生產(chǎn)量稱為凈初級(jí)生產(chǎn)量。 總初級(jí)生產(chǎn)量（總初級(jí)生產(chǎn)量（gross primary productiongross primary production） GP = NP + R NP = GP R 生產(chǎn)量生產(chǎn)量:指單位時(shí)間單位面積上的有機(jī)物質(zhì)生產(chǎn)量。指單位時(shí)間單位面積上的有機(jī)物質(zhì)生產(chǎn)量。 生物量：指在某一定時(shí)刻調(diào)查時(shí)單位面積上積存的有機(jī)物生物

3、量：指在某一定時(shí)刻調(diào)查時(shí)單位面積上積存的有機(jī)物 質(zhì)，單位是克質(zhì)，單位是克( (干重干重)/m)/m2 2或或J/mJ/m2 2。 第一節(jié)第一節(jié) 生態(tài)系統(tǒng)中的初級(jí)生產(chǎn)生態(tài)系統(tǒng)中的初級(jí)生產(chǎn)生態(tài)系統(tǒng)中的能量流動(dòng)Page 3T生態(tài)系統(tǒng)中的能量流動(dòng)Page 4二、初級(jí)生產(chǎn)力的分布二、初級(jí)生產(chǎn)力的分布生態(tài)系統(tǒng)中的能量流動(dòng)Page 5 海洋凈初級(jí)生產(chǎn)力的季節(jié)變動(dòng)是中等程度的，而陸地生產(chǎn)海洋凈初級(jí)生產(chǎn)力的季節(jié)變動(dòng)是中等程度的，而陸地生產(chǎn)力的季節(jié)波動(dòng)則明顯的大，夏季比冬季平均高力的季節(jié)波動(dòng)則明顯的大，夏季比冬季平均高60%60%。 生態(tài)系統(tǒng)中的能量流動(dòng)Page 6生態(tài)系統(tǒng)的初級(jí)生產(chǎn)量，還隨群落的演替而變化。生態(tài)

4、系統(tǒng)的初級(jí)生產(chǎn)量，還隨群落的演替而變化。 早期由于植物生物量很低，初級(jí)生產(chǎn)量不高。早期由于植物生物量很低，初級(jí)生產(chǎn)量不高。 一般森林在葉面積指數(shù)達(dá)到一般森林在葉面積指數(shù)達(dá)到4 4時(shí)，凈初級(jí)生產(chǎn)量最高時(shí)，凈初級(jí)生產(chǎn)量最高 但當(dāng)生態(tài)系統(tǒng)發(fā)育成熟或演替達(dá)到頂極時(shí)，雖然生物量接但當(dāng)生態(tài)系統(tǒng)發(fā)育成熟或演替達(dá)到頂極時(shí)，雖然生物量接 近最大，系統(tǒng)由于保持在一動(dòng)態(tài)平衡中，凈生產(chǎn)量反而最小。近最大，系統(tǒng)由于保持在一動(dòng)態(tài)平衡中，凈生產(chǎn)量反而最小。 水體和陸地生態(tài)系統(tǒng)的生產(chǎn)量都有垂直變化。 如森林，一般喬木層最高，灌木層次之，草被層更低。如森林，一般喬木層最高，灌木層次之，草被層更低。 水體也有類似的規(guī)律，不過水面

5、由于陽(yáng)光直射，生產(chǎn)量水體也有類似的規(guī)律，不過水面由于陽(yáng)光直射，生產(chǎn)量不是最高，最高的是深數(shù)不是最高，最高的是深數(shù)m m左右，并隨水的清晰度而變化。左右，并隨水的清晰度而變化。 生態(tài)系統(tǒng)中的能量流動(dòng)Page 7二、初級(jí)生產(chǎn)的生產(chǎn)效率二、初級(jí)生產(chǎn)的生產(chǎn)效率生態(tài)系統(tǒng)中的能量流動(dòng)Page 8（1）陸地生態(tài)系統(tǒng)陸地生態(tài)系統(tǒng) 光、光、COCO2 2、水和營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)是初級(jí)生產(chǎn)量的基本資源，溫度是影響、水和營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)是初級(jí)生產(chǎn)量的基本資源，溫度是影響光合效率的主要因素，而食草動(dòng)物的捕食減少光合作用生物量。光合效率的主要因素，而食草動(dòng)物的捕食減少光合作用生物量。 三、初級(jí)生產(chǎn)量的限制因素三、初級(jí)生產(chǎn)量的限制因素 生

6、態(tài)系統(tǒng)中的能量流動(dòng)Page 9富養(yǎng)化富養(yǎng)化N,P造成湖泊富養(yǎng)化的主要營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)。藍(lán)綠藻大量繁殖 淡水生態(tài)系統(tǒng)（2）水域生態(tài)系統(tǒng)）水域生態(tài)系統(tǒng) 藍(lán)綠藻無(wú)錫太湖區(qū)藍(lán)綠藻無(wú)錫太湖區(qū) 生態(tài)系統(tǒng)中的能量流動(dòng)Page 10 海洋生態(tài)系統(tǒng)海洋生態(tài)系統(tǒng)光：是限制海洋初級(jí)生產(chǎn)量的一個(gè)重要因子。光：是限制海洋初級(jí)生產(chǎn)量的一個(gè)重要因子。1 1米深處，米深處，50%50%的光被吸收；的光被吸收；2020米深處，僅有米深處，僅有5-10%5-10%的光。的光。3.7RPCk浮游植物的凈生產(chǎn)力的計(jì)算公式：其中：其中：P P為浮游植物的凈初級(jí)生產(chǎn)力的表示；為浮游植物的凈初級(jí)生產(chǎn)力的表示；R R為相對(duì)光合作用為相對(duì)光合作用率；

7、率；k為每米深光的衰變系數(shù)；為每米深光的衰變系數(shù)；C C為每立方米海水所含葉綠素的為每立方米海水所含葉綠素的克數(shù)。克數(shù)。營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)：營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)：N、P為主要限制因子，但卻分布在深水層中。肥沃的土壤可含肥沃的土壤可含5%的有機(jī)質(zhì)和的有機(jī)質(zhì)和0.5%的的N，可生長(zhǎng)，可生長(zhǎng)50kg/m2（干重）；（干重）；富饒的海水只有富饒的海水只有0.00005%的的N，只能維持不足，只能維持不足5g /m2 （干重）的浮游植物的（干重）的浮游植物的生存。生存。生態(tài)系統(tǒng)中的能量流動(dòng)Page 11（1）收獲量測(cè)定法：收獲量測(cè)定法：收獲植物地上部分烘干至恒重，獲得單位時(shí)間內(nèi)的凈初級(jí)生產(chǎn)量。 （2）氧氣測(cè)定法氧氣測(cè)定法(

8、(黑白瓶法黑白瓶法) )：總光合量?jī)艄夂狭亢粑浚?）CO2測(cè)定法：測(cè)定法：用特定空間內(nèi)的二氧化碳含量的變化，作為進(jìn)入植物體有機(jī)質(zhì)中的量，進(jìn)而估算有機(jī)質(zhì)的量。 （5）放射性標(biāo)記物測(cè)定法：放射性標(biāo)記物測(cè)定法：把具有14C的碳酸鹽(14CO32-)放入含有天然水體浮游植物的樣瓶中，沉入水中，經(jīng)過一定時(shí)間的培養(yǎng)，濾出浮游植物，干燥后，測(cè)定放射性活性，確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，還要用“暗吸收”加以校正。（4）葉綠素測(cè)定法：葉綠素測(cè)定法：葉綠素與光合作用強(qiáng)度有密切的定量關(guān)系，通過測(cè)定體中的葉綠素可以估計(jì)初級(jí)生產(chǎn)力。四、初級(jí)生產(chǎn)量的測(cè)定方法四、初級(jí)生產(chǎn)量的測(cè)定方法生

9、態(tài)系統(tǒng)中的能量流動(dòng)Page 12次級(jí)生產(chǎn)量的一般生產(chǎn)過程可以概括于下面的圖解中：次級(jí)生產(chǎn)量的一般生產(chǎn)過程可以概括于下面的圖解中： 次級(jí)生產(chǎn)量的生產(chǎn)過程次級(jí)生產(chǎn)量的生產(chǎn)過程對(duì)一個(gè)動(dòng)物種群來說，其能量收支情況可以用下列公式表示： C = A + F U其中其中C代表動(dòng)物從外界攝食的能量，代表動(dòng)物從外界攝食的能量，A代表被同化能量，代表被同化能量，F(xiàn)U代表糞、尿能量。代表糞、尿能量。A項(xiàng)又可分解如下：項(xiàng)又可分解如下： A = P + R其中P代表凈生產(chǎn)量，R代表呼吸能量。綜合上述兩式可以得到： P = C F U R 第二節(jié)第二節(jié) 生態(tài)系統(tǒng)中的次級(jí)生產(chǎn)生態(tài)系統(tǒng)中的次級(jí)生產(chǎn)生態(tài)系統(tǒng)中的能量流動(dòng)Page

10、 13 一、一、分解過程的性質(zhì)分解過程的性質(zhì) 無(wú)機(jī)的元素從有機(jī)物質(zhì)中釋放出來，稱為礦化。無(wú)機(jī)的元素從有機(jī)物質(zhì)中釋放出來，稱為礦化。 分解作用是一個(gè)很復(fù)雜的過程，它包括分解作用是一個(gè)很復(fù)雜的過程，它包括碎裂、異化和淋溶碎裂、異化和淋溶三三個(gè)過程的綜合。個(gè)過程的綜合。由于物理的和生物的作用，把尸體分解為顆粒狀的碎屑稱為由于物理的和生物的作用，把尸體分解為顆粒狀的碎屑稱為碎裂；碎裂；有機(jī)物質(zhì)在酶的作用下分解，從聚合體變成單體，例如由纖有機(jī)物質(zhì)在酶的作用下分解，從聚合體變成單體，例如由纖維素變成葡萄糖，進(jìn)而成為礦物成分，稱為異化；維素變成葡萄糖，進(jìn)而成為礦物成分，稱為異化；淋溶則是可溶性物質(zhì)被水所淋洗

11、出，是一種純物理過程。淋溶則是可溶性物質(zhì)被水所淋洗出，是一種純物理過程。在尸體分解中，這三個(gè)過程是交叉進(jìn)行、相互影響的。在尸體分解中，這三個(gè)過程是交叉進(jìn)行、相互影響的。 第三節(jié)第三節(jié) 生態(tài)系統(tǒng)中的分解生態(tài)系統(tǒng)中的分解生態(tài)系統(tǒng)中的能量流動(dòng)Page 14分解過程是由一系列階段所組成的，從開始分解后，物理的和生物的復(fù)雜性一般隨時(shí)間進(jìn)展而增加，分解者生物多樣性也相應(yīng)增加。 分解者中有些具特異性，只分解某一類物質(zhì)，另一些無(wú)特異性，對(duì)整個(gè)分解過程起作用。隨分解過程的進(jìn)展，分解速率逐漸降低，待分解的有機(jī)物質(zhì)的多樣性也降低，直到最后只有礦物的元素存在。最不易分解的是腐殖質(zhì)，它主要來源于木質(zhì)。 生態(tài)系統(tǒng)中的能量

12、流動(dòng)Page 15二、二、分解者生物：細(xì)菌、真菌、動(dòng)物分解者生物：細(xì)菌、真菌、動(dòng)物 三、三、資源質(zhì)量與分解作用的關(guān)系資源質(zhì)量與分解作用的關(guān)系 待分解資源在分解者生待分解資源在分解者生物的作用下進(jìn)行分解，物的作用下進(jìn)行分解，因此資源的物理和化學(xué)因此資源的物理和化學(xué)性質(zhì)影響著分解的速度。性質(zhì)影響著分解的速度。資源的物理性質(zhì)包括表資源的物理性質(zhì)包括表面性和機(jī)械結(jié)構(gòu)；面性和機(jī)械結(jié)構(gòu)；資源的化學(xué)性質(zhì)則隨其資源的化學(xué)性質(zhì)則隨其化學(xué)組成而不同。化學(xué)組成而不同。 生態(tài)系統(tǒng)中的能量流動(dòng)Page 16營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的濃度影響分解過程。營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的濃度影響分解過程。 如，分解者生物身體組織中含如，分解者生物身體組織中含N

13、N量高，其量高，其CNCN約為約為101101，即微生物生物量每增加即微生物生物量每增加11g11g就需要有就需要有1gN1gN的供應(yīng)量。的供應(yīng)量。但大多數(shù)待分解的植物組織其含但大多數(shù)待分解的植物組織其含N N量比此值低得多，量比此值低得多，CNCN為為4040 801801。因此，因此，N N的供應(yīng)量就經(jīng)常成為限制因素，分解速率在很大的供應(yīng)量就經(jīng)常成為限制因素，分解速率在很大程度上取決于程度上取決于N N的供應(yīng)。的供應(yīng)。而待分解資源的而待分解資源的CNCN比，?？勺鳛樯锝到庑阅艿臏y(cè)度指比，?？勺鳛樯锝到庑阅艿臏y(cè)度指標(biāo)。最適標(biāo)。最適CNCN比大約是比大約是2525 301301。 生態(tài)系統(tǒng)

14、中的能量流動(dòng)Page 17四、理化環(huán)境對(duì)分解的影響四、理化環(huán)境對(duì)分解的影響一般說來，溫度高、濕度大的地帶，其土壤中的分解速率高，一般說來，溫度高、濕度大的地帶，其土壤中的分解速率高，而低溫和干燥的地帶，其分解速率低，因而土壤中易積累有機(jī)而低溫和干燥的地帶，其分解速率低，因而土壤中易積累有機(jī)物質(zhì)。物質(zhì)。 在同一氣候帶內(nèi)局部地方也有區(qū)別，它可能決定于該地的土在同一氣候帶內(nèi)局部地方也有區(qū)別，它可能決定于該地的土壤類型和待分解資源的特點(diǎn)。壤類型和待分解資源的特點(diǎn)。例如受水浸泡的沼澤土壤，由于水泡和缺氧，抑制微生物活動(dòng)，例如受水浸泡的沼澤土壤，由于水泡和缺氧，抑制微生物活動(dòng)，分解速率極低，有機(jī)物質(zhì)積累量

15、很大，這是沼澤土可供開發(fā)有分解速率極低，有機(jī)物質(zhì)積累量很大，這是沼澤土可供開發(fā)有機(jī)肥料和生物能源的原因。機(jī)肥料和生物能源的原因。生態(tài)系統(tǒng)中的能量流動(dòng)Page 18生態(tài)系統(tǒng)中的能量流動(dòng)Page 19第四節(jié)第四節(jié) 生態(tài)系統(tǒng)的能量流動(dòng)生態(tài)系統(tǒng)的能量流動(dòng)一、研究能量傳遞規(guī)律的熱力學(xué)定律一、研究能量傳遞規(guī)律的熱力學(xué)定律生態(tài)系統(tǒng)是一個(gè)熱力學(xué)系統(tǒng)，生態(tài)系統(tǒng)中能量的傳遞、轉(zhuǎn)換遵循熱力學(xué)的兩條定律：第一定律：能量守恒定律，能量可由一種形式轉(zhuǎn)化為其他形式的能量，能量既不能消滅，又不能憑空創(chuàng)造。第二定律：熵律，任何形式的能（除了熱）轉(zhuǎn)化到另一種形式能的自發(fā)轉(zhuǎn)換中，不可能100被利用，總有一些能量作為熱的形式被耗散出

16、去。生態(tài)系統(tǒng)中的能量流動(dòng)Page 20 對(duì)生態(tài)系統(tǒng)中的能量流動(dòng)進(jìn)行研究可以在食物鏈和生態(tài)系食物鏈和生態(tài)系統(tǒng)層次上進(jìn)行統(tǒng)層次上進(jìn)行，所獲資料可以互相補(bǔ)充，有助于了解生態(tài)系統(tǒng)的功能。 在食物鏈層次上進(jìn)行能流分析是把每一個(gè)物種作為能量從生產(chǎn)者到頂位消費(fèi)者移動(dòng)中的一個(gè)環(huán)節(jié)，當(dāng)能量沿著一個(gè)食物鏈在幾個(gè)物種間流動(dòng)時(shí)，測(cè)定食物鏈每一環(huán)節(jié)上的能量值，就測(cè)定食物鏈每一環(huán)節(jié)上的能量值，就可提供可提供 生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)一系列特點(diǎn)上能流的詳細(xì)和準(zhǔn)確資料。生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)一系列特點(diǎn)上能流的詳細(xì)和準(zhǔn)確資料。二、食物鏈層次的能流分析二、食物鏈層次的能流分析生態(tài)系統(tǒng)中的能量流動(dòng)Page 21生態(tài)系統(tǒng)中的能量流動(dòng)Page 22二、生態(tài)系統(tǒng)

17、層次的能流分析二、生態(tài)系統(tǒng)層次的能流分析n依據(jù)物種的主要食性，將每個(gè)物種都?xì)w屬于一個(gè)特定的營(yíng)養(yǎng)級(jí)，然后精確地測(cè)定每一個(gè)營(yíng)養(yǎng)級(jí)能量的輸入值和輸出值。生態(tài)系統(tǒng)中的能量流動(dòng)Page 23生態(tài)系統(tǒng)層次上能流研究的步驟生態(tài)系統(tǒng)層次上能流研究的步驟n確定組成生態(tài)系統(tǒng)生物組成部分的有機(jī)體成份；n 確定消費(fèi)者的食性，確定消費(fèi)者的分類地位；n 確定有機(jī)體的營(yíng)養(yǎng)級(jí)歸屬，進(jìn)而確定：n各營(yíng)養(yǎng)級(jí)的生物量，n各營(yíng)養(yǎng)級(jí)能量或食物的攝入率，n同化率，n呼吸率，n由于捕食、寄生等因素而引起的能量損失率；n 結(jié)合各個(gè)營(yíng)養(yǎng)級(jí)的信息，獲得營(yíng)養(yǎng)金字塔或能流圖。生態(tài)系統(tǒng)中的能量流動(dòng)Page 24 能量單位：cal cm-2 a 1 。

18、呼吸29.3+未利用78.2+分解3.5總初級(jí)生產(chǎn)量111.0，能量守恒總初級(jí)生產(chǎn)量總初級(jí)生產(chǎn)量111.0植食動(dòng)物植食動(dòng)物15.0肉食動(dòng)物肉食動(dòng)物3.0分解分解3.0分解分解0.5分解分解微量微量呼吸呼吸23.0呼吸呼吸4.5呼吸呼吸1.8未利用未利用70.0太陽(yáng)能太陽(yáng)能118872未利用未利用7.0未利用未利用1.2未吸收未吸收的能的能118761美國(guó)明尼達(dá)州塞達(dá)波格湖的能流分析美國(guó)明尼達(dá)州塞達(dá)波格湖的能流分析波格湖生態(tài)系統(tǒng)營(yíng)養(yǎng)動(dòng)態(tài)簡(jiǎn)圖波格湖生態(tài)系統(tǒng)營(yíng)養(yǎng)動(dòng)態(tài)簡(jiǎn)圖生態(tài)系統(tǒng)中的能量流動(dòng)Page 25波格湖生態(tài)系統(tǒng)能量金字塔波格湖生態(tài)系統(tǒng)能量金字塔cal cm-2 a 1 cal cm-2 a 1 cal cm-2 a 1 生態(tài)系統(tǒng)中的能量流動(dòng)Page 26森林生態(tài)系統(tǒng)的能流森林生態(tài)系統(tǒng)的能流生態(tài)系統(tǒng)中的能量流動(dòng)Page 27生態(tài)系統(tǒng)的能流模型生態(tài)系統(tǒng)的能流模型生態(tài)系統(tǒng)中的能量流動(dòng)Page 28第五節(jié)第五節(jié) 生態(tài)系統(tǒng)中的信息流生態(tài)系統(tǒng)中的信息流n一、信息n信息，源于通訊工程科學(xué)，通常