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1、农业生态系统能量流动,第六章,生态系统中的能量输入、传递和散失的过程称为能量流动。 能量流动是逐级递减，单向流动的，只有10-20%的能量能够流入下一个营养级，营养级越多，在能量流动中消耗的能量就越多，所以大多数的食物链只有3到4个营养级 ，一般不超过5级。,第一节 能量流动的基本规律,一、能量的基本概念、形态与度量 1. 能量（energy），在物理学上指的是物质具有作功的能力。能是物质运动的量度。 一般把能分为两种存在形式：潜能和动能。潜能是静态能量，它是存在于物体内部的化学能量，具有作功的潜在能力，生态系统中有机物质的化学结合能是潜能的一种。动能则与物体本身的质量、运动速度和相对位置有关
2、，动能是物理学上所主要讨论的能量形式。 2形态：日光能、化学能、动能和热能 3度量：卡或千卡（生态学上）、焦耳（农业工程上，为目前国际标准单位）,二、生态系统的能量来源 1. 太阳能：占 90% 以上 （山东德州太阳能，给世界的榜样。山东德州是世界上最大的太阳能热水器制造基地，每年向社会提供的太阳能热水器产品超过300万平方米，相当于节约54万吨标煤、减排134.6万吨二氧化碳。） 2. 自然辅助能：如 地热能、核能、潮汐能等占 1% 3. 人工辅助能：人畜力、燃料、电力、肥料、农药等。,三、流、库、环的概念及其应用 1.流生态系统中能量和物质不断地被吸收、贮存和转移的运动状态。能量的转移能量
3、流。物质的转化物质流。流量要多，流速要快 增加流量的方法：提能量转化效率、减少消耗 增加流速的方法：缩短周转周期、提高周转速率,2.库能量和物质在运动过程中暂时被吸收和贮存的场所。库要大、库效率要高。 （1）植物库：库大-土地利用充分、植物产品多;库效率高-光合效率高 （2）动物库：库大-种群多数量大、动物产品多; 库效率高-出栏率高，产肉蛋奶多,（3）土壤库：库大-土壤肥力高而稳 库效率高-养分损失少，利用率高 3.环各种库将流连接起来形成的整 体。环结构要合理 环流库是相互联系的。库要大、效率高；环结构要合理；流要多且流畅。,四、 能量流动的基定律 （一）热力学第一定律 又称能量守恒和转化
4、原理，即能量既不能创造又不能消灭，能量的形式是可以转化的。各种形式的能量之间严格的按一定比例由一种形式转变为另一种形式。,（二）热力学第二定律 由于总有一部分能量散发为不能再利用的热能，能量从一种形态转变为另一种形态的效率，总不可能是百分之百。,（三）耗散结构理论,普里高津耗散结构理论(Prigogines dissipation structure theory) 指开放系统在远离平衡态的非平衡态下，系统可能出现的一种稳定的有序结构。 表明：一个远离平衡态的开放系统，通过与外界环境进行物质、能量的不断交换，就能克服混乱状态，维持稳定状态并且还有可能不断提高系统的有序性，使系统的熵减少。,耗散
5、结构论（Dissipativity Structure Theory） 耗散结构论的创始人是比利时物理学家普利高津教授，他是布鲁塞尔学派的首领。1969年他在国际“理论物理与生物学会议”上，发表结构、耗散和生命一文，提出了这一理论，受到各国学者的重视。普利高律由于这一重大贡献，荣获1977年诺贝尔化学奖。 耗散结构论是近十几年来发展起来的一门研究非平衡态开放系统的结构和特征的新兴学科。目前这一理论已被应用于自然和社会研究的许多方面，并且取得了,一系列重要成果。耗散一词，原意是指开放系统与外界进行的物质、能量、信息的交换运动。耗散结构论探讨系统从无序转变为有序的条件、相干行为和机制，探讨耗散结构
6、的形成和生长的动力学，研究怎样通过“涨落”的作用使系统有序化以及研究在什么情况下可以有效地运用耗散结构的概念和范畴。,耗散结构在客观世界中是普遍存在的。物理学中的激光就是耗散结构的典型，当外界输入的激发能量较低时，原子象在一般光源中那样独立无规律的发射光子，每个光子的频率和相位不同，整个系统处于无序状态；而当外界输入的激发能量达到某一临界值时，就会突然发出单色性的方向性很强的激光光束，使整个系统成为有序状态。生物和社会系统都是耗散结构，要吸收养料排出废物，不断进行新陈代谢才能生存；一个城市需要输入食品、燃料、日用品或各种原料，要输出产品和排掉废弃物，才能存在下去，保持稳定的高度组织化的有序结构
7、。因此耗散结构论的理论和方法对于自然现象和人类社会、生态系统等等都能适用。,农业生态经济系统是典型的具有耗散结构的开放系统，其特征表现为，它不但有农业生态系统的物质和能量的输入和输出，还有很多作为商品的农副产品的输出和农药，农业生产工具的输入。农业生态经济系统的物质和能量的输入和输出状况，即系统的开放状况，是通过人类有目的的经济活动实现的，这就是说，农业生态经济系统的开放状况，在很大程度上取决于人类经济活动对农业生态经济系统的影响程度。,股市是一个耗散结构：在股市中做买卖本质上就是一种博弈，而且博弈的本质对象只有一个，那就是资金流向。不管是国家政策的变化、公司基本面的变化、主力资金的变化、还是
8、股民估值观念的变化等等，最终落实到市场上就是涨和跌，就是资金流入和流出。股市是是政府、企业、主力、散户和海外热钱间的游戏。股市是涨是跌，取决于这五方力量的方向及大小。,(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),（一）食物链 1.定义：生态系统中，来源于植物的食物能通过一系列吃与被吃的关系，把生物紧密的联系起来，形成以食物营养为中心的链索关系即食物链。 2.典型的食物链：植物食草动物一级食肉动物二级食肉动物顶级食肉动物,四、食物是农业生态系统的能量载体,食物链的基本类型（四种）
9、（1）捕食食物链，又称为活食或草食食物链 海洋中：浮游植物 浮游动物虾鱼 草原上：草羚羊老虎 农田中：水稻蝗虫青蛙 农业生产中：作物秸秆牛人 （2）腐生食物链，又称碎屑或 残渣食物链 农业上用秸秆、粪便生产沼气 棉籽壳、稻草培育蘑菇,（3）寄生食物链 植物型：大豆菟丝子 动物型：哺乳动物跳蚤原生动物细菌病毒； 马蛔虫 （4）混合食物链 稻草牛（牛粪）蚯蚓鸡（鸡粪）猪 （猪粪）鱼；稻螟赤眼蜂； 菜（温棚）鸡（鸡粪）沼气（沼渣）肥田,3.食物链加环的作用 （1）提高农业生态系统的稳定性 （2）提高农副产品的利用率 一般农作物只有20%-30%的主产品可供人类直接食用，而70%-80%则为农副产品。
10、如果在其中加入新的食物链环节，这一部分副产品可供其它动物或菌类利用，并制造出更多的次级产品，为人类提供更多的食物，从而提高了农副产品的利用率和经济效益。小麦秸秆、棉籽皮养蘑菇。,（3）提高能量的利用率和转化率 生态系统中，食物链上下一个营养级只能部分地利用上一个营养级所贮存的有机质和能量，而总有一部分未被利用，适当增加新的生物组分则可提高物质和能量的利用率。如农业生产中的一级产品苜蓿，如果直接当肥料施入农田，只能利用其物质，而能量则被白白浪费。如用苜蓿饲养肉牛，能量转换率可达8%，如用作猪饲料，转换率高达20%。,4.食物链加环类型 （1）生产环：将非经济产品转化为经济产品。如用秸秆、秕糠等饲
11、养牛、猪等，生产出供人类食用的肉、奶等；在蜜源植物开花之际进行人工放蜂，生产出价值高的经济产品如蜂蜜、蜂乳等，同时由于蜜蜂的授粉作用，可以使农作物和果树提高授粉率，增加产量。 （2）增益环：这种食物链的环节，本身转化产品并不能直接为人类需求，而是加大了生产环的效益。如利用猪、鸡粪养殖蚯蚓、蝇蛆，蚯蚓和蝇蛆对人类并无直接利用价值，但它们是鸡、猪等的优质蛋白饲料，提高禽畜的生长量和产蛋率，降低饲料成本，提高效益。,（3）减耗环：捕食性天敌的引入，减少生产消耗， 增加系统生产力。 （4）复合环：具有两种以上的功能。稻田养鱼、鸭 具有减耗、生产的功能 （5）加工环：通过加工增值，有传统加工，多次加工等
12、。木材 - 家具；玉米 - 淀粉、玉米油。,食物链加环原则：填补空白生态位，增加产品产出；废物资源化；减少能量丧失；产品多样化；提高生态效益。 食物链加环应注意的问题：加环并非越长越好；讲究综合效益。,5食物链解列： 食物链解列，即在有毒物质在食物链上富集达到一定程度时，使其与到达人类的食物链中断联系。 （1）处理污染土壤：在受污染的土壤上种植非食用的用材林、薪碳林或花卉等，使污染物离开食物链。,（2）污水处理：生物净化，如凤眼莲、浮萍、水 花生、芦苇、宽叶香蒲、水葱、香根草等，可以对多种污染物质、氮、磷等具有较强的吸收净化能力。污染指标： BOD（生物需氧量）、COD (化学需氧量)、氮、磷
13、、重金属等。,6食物链结构举例 （1）以养殖业为主：鸡粪喂猪，猪粪养蝇 蛆，蝇蛆作饲料喂鸡，剩余猪、鸡粪回到农田 循环利用。 （2）畜禽-沼气食物链结构：以沼气为纽带：如畜-沼-果模式（广西 恭城县和广东梅县等）；北方四位一体庭院能源生态模式：厕所- -猪舍-沼气-温室,（3）秸秆多级利用：秸秆 - 培养食用菌 - 菌渣作畜禽饲料 - 养鸡 - 鸡粪下沼气 - 沼气渣培养食用菌 - - 废料施于农田 （4）以污水自净为中心：辽宁大洼县西安生 态养殖场，三段净化四次利用。猪舍 - 水葫芦（吸 N ） - 细绿萍 ( 吸 P 、 K)- 鱼塘 - 稻 田,营养级：生物在食物链上所处的位置， 即食物
14、链上每一个环节称为营养级。,海洋生态系统的食物链,生产者 420108吨年,食草动物 64108吨年,第1级食肉动物 10108吨年,第2级食肉动物 1.5108吨年,第3级食肉动物 0.22108吨年,捕食,寄生,黄蜂产卵于蛾幼虫体内，将幼虫致死 图为黄蜂蛹覆在虫体上，以幼虫内部组织为生,（二）食物网和生态系统的营养结构 1.食物网和营养结构的概念 食物网：生态系统中，一种生物常常以多种生物为食，同一生物又常常被多种生物取食，于是食物链交错起 来，多条食物链相互连接、形成的网状结构。 营养结构：以营养为纽带，把生物与环境、生物与生物，紧密连接起来的结构。,北极地区食物网,2.营养结构与生态系
15、统的稳定性 生态系统抵抗外界干扰、自动修复的能力称为生态系统的稳定性。影响稳定性的因素有很多，如生物的适应性、外界干扰的程度营养结构等。 营养结构复杂、食物网复杂的生态系统，稳定性强。,（三）农业生态系统的能效和生态金字塔规律 1.能量流动过程中损耗的必然性。 （1）由于不可食或不得食 （2）消费者密度低或食物选择限制 （3）利用后未被同化 （4）同 化后呼吸消耗掉 （5）变为生产量又被减少。 营养级能量传递效率约平均为10%。,2.林德曼效率与生态效率 林德曼效率：美国生态学家林德曼20世纪30年代对美国明尼苏达州的Cedar bog湖研究了食物链结构，发现营养级之间的能量转化效率大致为十分
16、之一，其余十分之九由于消费者采食时的选择性浪费，以及呼吸和排泄而被消耗掉，这个发现被人们称为“林德曼效率”或“十分之一定律”，也叫能量利用的百分之十定律。,以后的大量研究表明， “十分之一定律”较适合水域生态系统，而陆地生态系统消费者的能量转化效率比水域生态系统的小。（同一营养级内，野生动物对食物的转化率大大低于人工饲养动物）,林德曼效率只是揭示了营养级之间的能量转化效率，此后的研究表明能量转化效率不仅反映在营养级之间，还反映在营养级内部，因为发生在营养级之内的大量能量耗损，也是影响能量转化效率的重要方面。能量转化效率在生态学上又被称为生态效率，是指能量通过各营养级时的转化效率，即食物链不同位置上能量流的比例关系,一个生态系统的营养级越多，消耗的能量就越多，人类可利用的能量就越少 。 第一,营
