农业生态系统的能流-PPT.ppt

1第三章第三章第三章第三章 农业生态系统的能流农业生态系统的能流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2 3-1 3-1 热力学定律热力学定律热力学定律热力学定律一、热力学第一定律（能量守恒定律）U（系统内能变化）=Q（吸热）-W（对外作功）能量可以在不同介质中传递，也可以在不同形式间转换，但在所有这些过程中能量保持恒定，既不能创生，也不会消灭。二、热力学第二定律1.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。33-1 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=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。43-1 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53-2 食物链食物链一、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（food chain）：生态系统成员间，通过食物）：生态系统成员间，通过食物营养关系彼此联系起来的序列。营养关系彼此联系起来的序列。2.营养级（营养级（trophic level）：食物链上的每一个食性级。）：食物链上的每一个食性级。以符号以符号T来表示，来表示，T1表示第一营养级，表示第一营养级，T2表示第二营养表示第二营养级，级，T3Tn余此类推。余此类推。食食物物链链是是生生态态系系统统内内生生物物与与生生物物之之间间相相互互联联系系的的一一种种主要形式，是物质循环和能量流动的主要路径。主要形式，是物质循环和能量流动的主要路径。63-2 食物链食物链二、食物链的种类二、食物链的种类 按性质不同分为四类：按性质不同分为四类：（1）捕食食物链（又称草牧食物链）捕食食物链（又称草牧食物链 gazing food chain）：是）：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。在陆地上起始于绿色植物，在水中起始于浮部分的食物链。在陆地上起始于绿色植物，在水中起始于浮游植物。游植物。如：水稻如：水稻稻飞虱稻飞虱青蛙青蛙蛇蛇老鹰老鹰人人（2）腐生食物链（又称残渣食物链）腐生食物链（又称残渣食物链 detritus food chain）：）：由多种微生物构成，是以死有机体为营养源，通过腐烂、分由多种微生物构成，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。解，将有机物还原为无机物质的食物。如：秸杆（畜粪）如：秸杆（畜粪）食用菌食用菌 垃圾垃圾蚯蚓（蜗牛）蚯蚓（蜗牛）next7 3-2 3-2 食物链食物链食物链食物链（3）寄生食物链（）寄生食物链（parasite food chain）：以寄生的方式取）：以寄生的方式取食活着生物有机体。食物链成员有自大到小的趋势。食活着生物有机体。食物链成员有自大到小的趋势。如：大豆如：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）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。如：稻草如：稻草牛牛蚯蚓蚯蚓鸡鸡猪猪鱼鱼 8大家有疑问的，可以询问和交流大家有疑问的，可以询问和交流可以互相讨论下，但要小声点可以互相讨论下，但要小声点可以互相讨论下，但要小声点可以互相讨论下，但要小声点9return10 3-2 3-2 食物链食物链食物链食物链三、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物。的多种生物。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。利用（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。如一个鱼塘生态系统中：养级数目不等。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有限的113-2 食物链食物链3.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所生产的有机物质的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腐生食物链的仅占净初级生产的2030%。如果不通过粪肥、。如果不通过粪肥、秸杆还田等途径向系统补充有机质，则系统中腐生食物链上秸杆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。降。4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。12 3-23-2食物链食物链食物链食物链三、食物网三、食物网食食物物网网（food web)：在在生生态态系系统统中中，各各种种食食物物链链交交错错起来构成的网状结构。起来构成的网状结构。食食物物网网本本质质上上是是生生态态系系统统中中有有机机体体之之间间一一系系列列反反复复的的吃与被吃的相互关系。吃与被吃的相互关系。营营养养结结构构：以以营营养养为为纽纽带带，把把生生物物与与生生物物、生生物物与与环环境紧密联系起来的结构。境紧密联系起来的结构。1314 3-3 生态系统中的能源生态系统中的能源一、太阳辐射能一、太阳辐射能二、辅助能二、辅助能15 3-3-1 太阳辐射能太阳辐射能一、一、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到到达达地地球球表表面面的的太太阳阳辐辐射射能能强强度度，因因纬纬度度、地地形形地地貌貌、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示意图太阳辐射能量到达地球表面的分配示意图1617 3-3-2 辅助能辅助能二、辅助能二、辅助能辅助能：生态系统中，除了太阳能以外的其它一切补辅助能：生态系统中，除了太阳能以外的其它一切补加能量。加能量。包括自然能和人工能补给，如沿海河口潮汐的作用，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。风力的作用以及降雨和蒸发的作用等。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。系统中的自然辅助能。183-4 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19 3-4-1 3-4-1 能流路径能流路径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，在于了解一个系统的能量输入、研究生态系统中能量流动，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，提高能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。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 RnNPn-1 摄入量摄入量In An NPnIn An NPn注：注：NPNP：净生产量：净生产量 A A：同化量：同化量 NuNu：未同化量：未同化量 NANA：未同化量：未同化量203-4-2 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-1TTn 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-12营养级内部营养级内部（1）同化效率：同化效率：A An n/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 n213-4-3 生态金字塔生态金字塔三、生态金字塔三、生态金字塔1.1.生生态态金金字字塔塔：营营养养级级由由低低到到高高，它它们们的的个个体体数数或或能能量量的的分布形成一个塔形结构，就称为生态金字塔。分布形成一个塔形结构，就称为生态金字塔。2.2.三种基本类型：三种基本类型：（1 1）生物个体数）生物个体数数目金字塔数目金字塔（2 2）每种生物的现存生物量）每种生物的现存生物量生物量金字塔生物量金字塔（3 3）能量）能量能量金字塔能量金字塔22return23return24return253-5 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二、人工辅助能提高农业生态系统生产力的原因力的原因三、工业辅助能的使用所带来的一系列三、工业辅助能的使用所带来的一系列的问题的问题264-5-1 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。农农业业生生态态系系统统有有大大量量的的人人工工辅辅助助能能输输入入，同同时时有有大大量量的的能能量量以以农农产产品品的的形形式式输输出出系系统统外外。太太阳阳能能仍仍是是主主要要能能量量来来源源，但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 生物能：劳动、畜力、有机肥、燃料生物能：劳动、畜力、有机肥、燃料 食物能：种子、种苗、饲料、食物能：种子、种苗、饲料、种畜、种禽种畜、种禽273-5-2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，促进农作物对太阳能的吸收、利用辅助能的投入，促进农作物对太阳能的吸收、利用和转化。和转化。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。取代，提高效率。284-5-3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增加而降低。辅助能的效益随着辅助能的增加而降低。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。293-6 农业生态系统的能流分析农业生态系统的能流分析一、能流符号一、能流符号二、能流分析法二、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304-6-1 能流符号能流符号一、能流符号一、能流符号313-6-2 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，绘出能流图。3搜集资料，确定各种实物的流量与输入输出量。搜集资料，确定各种实物的流量与输入输出量。直接从有关统计资料中得到。直接从有关统计资料中得到。到实地进行调查获取资料。到实地进行调查获取资料。间接估算，利用他人的成果。间接估算，利用他人的成果。4将各种实物流量折算成能量，标在能流图上。将各种实物流量折算成能量，标在能流图上。323-6-2 能流分析法能流分析法5结果分析。结果分析。（1）输入能量的结构分析。）输入能量的结构分析。（2）产出能量的结构分析。）产出能量的结构分析。（3）能量输入密度。）能量输入密度。（4）能量产出密度。）能量产出密度。（5）各种能量的转换效率。）各种能量的转换效率。人工辅助能效率人工辅助能效率=总产出能量总产出能量/人工辅助能投入量人工辅助能投入量 工业辅助能效率工业辅助能效率=总产出能总产出能/工业辅助能投入量工业辅助能投入量 各种生态效率各种生态效率333-6-3 农业生态系统的能流模型农业生态系统的能流模型三、农业生态系统的能流模型农业生态系统的能流模型 进入农业生态系统的能流，是沿着以农田、草地、林果、水域为发端的几条主要食物链运行的。由于畜禽（鱼）、加工业及作为消费者的人的存在，在这些食物链的下游形成了交错复杂的网状结构。34353-6-3 农业生态系统的能流模型农业生态系统的能流模型（一）农田亚系统：农业生态系统主体、辅助能投入重点 输出的能流：人、畜禽、城市、还田（二）畜禽亚系统：（三）林果亚系统：个体大，生育期长，强自我维持能力和光能转化，生态效益（保持水土、改善气候、稳定良好的生态环境、为病虫害的天敌活动提供保护），提供多样化食品、生产资料和生活资料，改善农村景观（四）加工业亚系统：36