普通生态学,12 生态系统中的能量流动,本章内容,生态系统中的初级生产 生态系统中的次级生产 生态系统中的分解 生态系统中的能量流动,生态系统中的初级生产,初级生产的基本概念 地球上初级生产力的分布 初级生产的生产效率 初级生产量的限制因素 初级生产量的测定方法,生产的基本概念,生产过程： 生产者通过光合作用合成复杂的有机物质，使植物的生物量(包括个体数量和生长)增加 消费者摄食植物已经制造好的有机物质(包括直接的取食植物和间接的取食食草动物和食肉动物)，通过消化、吸收在合成为自身所需的有机物质，增加动物的生产量 初级生产：自养生物的生产过程，提供的生产力为初级生产力 次级生产：异养生物再生产过程，提供的生产力为次级生产力,初级生产的基本概念,绿色植物通过光合作用合成有机物质的数量称为初级生产量(第一性生产量) 初级生产过程植物固定的能量一部分被植物自己的呼吸消耗掉，剩下的可用于植物的生长和生殖，这部分生产量称为净初級生产量(NP) 初级生产过程植物固定的能量的总量 称为总初级生产量(GP=NP+R) 群落在一定空间一定时间内所生产的有机物质积累的数量初级生产力 某一时刻单位面积上积存的有机物质的量称为生物量(鲜重或干重) 绿色植物初级生产量被植食动物取食及枯枝落叶掉落后所剩下的存活部分 称为现存量(SC=GP-R-H-D),初级生产,地球上初级生产力的分布,不同生态系统类型的初级生产力不同 陆地比水域的初级生产力总量大 陆地上初级生产力有随纬度增加逐渐降低的趋势 海洋中初级生产力由河口湾向大陆架和大洋区逐渐降低 生态系统的初级生产力随群落的演替而变化 水体和陆地生态系统的生产力有垂直变化 初级生产力随季节变化,不同生态系统的初级生产力,Taiga,Average net primary productivity in grams of organic material per square meter per year of some terrestrial and aquatic ecosystems,NET PRIMARY PRODUCTIVITY,初级生产力随群落的演替而变化,初级生产力的分布,生产力极低的区域：1000kcal/m2.a或者更少 大部分海洋和荒漠；辽阔的海洋缺少营养物质，荒漠主要是缺水 中等生产力区域：1000-10000kcal/m2.a 许多草地、沿海区域、深湖和一些农田 高生产力的区域：10000-20000kcal/m2.a或者更多 大部分湿地生态系统、河口湾、泉水、珊瑚礁、热带雨林和精耕细作的农田、冲积平原上的植物群落等 得到了额外的自然能量和营养物质 热带森林面积占5%，生产力占28% 水域、河口湾、海藻床和珊瑚礁等面积占0.4%，生产力占2.3% 赤道附近区域、北、南半球中温带,初级生产的生产效率,最适条件下的初级生产力,不同生态系统类型初级生产效率,生产效率=被固定的光能 / 入射光能 (1)玉米地 (2)荒地 (3)Mendota湖 (4)Ceder Bog湖,陆地,玉米地,荒地,湖泊,Ceder Bog 湖,Meadota 湖,初级生产量的限制因素,陆地生态系统,辐射强度和日照时间：光强升高，光照时间长，提高产量 光合途径：光合作用途径的不同，直接影响初级生产力的高低 水：光合作用的原料，缺水显著抑制光合速率 温度：温度升高，总光合速率升高 营养元素 二氧化碳,辐射强度,,Fig. Annual average solar radiation reaching the Earth’s surface.,C3、C3植物的光合速率,Fig. Photosynthetic rate as a function of light intensity in red oak, a C3 plant, and in pigweed, a C4 plant.,藜,红橡木,降水,Fig. Change in net productivity along a precipitation gradient.,南极干谷,Fig. An Antarctic dry valley.,土壤水分蒸发,Fig. The rate of net primary production as a function of actual evapotranspiration measured in several grassland sites in the US.,温度,营养元素,营养元素,This kind of analysis quantifies the relative limitation effects in a way that allows comparison across nutrients and habitats.,二氧化碳,Fire 刺激生长与繁殖,Fire的影响,NDVI,归一化植被指数 NDVI =（IR-R）/（IR+R） 植被分类 生物量估算 生产力估算,水域生态系统,光 P=R*C*3.7/k P：浮游植物的净初级生产力 R：相对光合率 k：光强度衰变系数 C：水中的叶绿素含量 营养物质：N/P 缺乏营养物质，海洋生产力偏低 肥沃土壤含氮可达0.50% 富饶海水含氮仅为0.01% 食草动物,初级生产量的测定方法,收获量测定法 氧气测定法 二氧化碳测定法 放射性标记物测定法 叶绿素测定法,收获量测定法,陆生定期收获植被，烘干至恒重 以每年每平方米的干物质重量表示 以其生物量的产出测定，但位于地下的生物量，难以测定 地下的部分可以占有40%至85%的总生产量，因此不能省略,氧气测定法,通过氧气变化量测定总初级生产量 1927年T.Garder, H.H.Gran用于测定海洋生态系统生产量 从一定深度取自养生物的水样，分装在体积为125-300ml的白瓶(透光)、黑瓶(不透光)和对照瓶中 对照瓶测定初始的溶氧量IB 黑白瓶放置在取水样的深度，间隔一定时间取出，用化学滴定测定黑白瓶的的含氧量DB、LB 计算呼吸量(IB-DB)，净生产量(LB-IB)，总生产量(LB-DB),二氧化碳测定法,用塑料罩将生物的一部分套住 测定进入和抽出空气中的CO2 透明罩：测定净初级生产量 暗罩：测定呼吸量,放射性标记物测定法,用放射性14C測定其吸收量，即光合作用固定的碳量 放射性14C以碳酸盐的形式提供，放入含有自然水体浮游植物的样瓶中，沉入水中经过一定时间，滤出浮游植物，干燥后在计数器测定放射活性，然后计算： 14CO2/CO2=14C6H12O6/C6H12O6 确定光合作用固定的碳量 需用“暗呼吸”作校正,叶绿素测定法,植物定期取样 丙酮提取叶绿素 分光光度计测定叶绿素浓度 每单位叶绿素的光合作用是一定的，通过测定叶绿素的含量计算取样面积的初级生产量,生态系统中的次级生产,次级生产过程 次级生产量的测定 次级生产的生态效率,个体内的能量过程,次级生产量的生产过程,次级生产量,能量收支,C=A+FU C：动物从外界摄食的能量 A：被同化能量 FU：排泄物 A=P+R P：净次级生产量 R：呼吸能量,次级生产量的测定,用同化量和呼吸量估计生产量(用摄食量扣除粪尿量估计同化量)： P=A-R=(C-FU)-R C：动物从外界摄食的能量，A：被同化能量， FU：排泄物，R：呼吸量 用个体的生长和繁殖后代的生物量表示净生产量: P=Pg+Pr Pr：生殖后代的生产量， Pg：个体增重,次级生产的生态效率,消费效率： 食草动物对植物净生产量的利用 植物种群增长率高，世代短，更新快，被利用的百分比高 草本植物维管束少，能提供较多的净初级生产量 浮游动物利用的净初级生产量比例最高 食肉动物对猎物的消费效率研究较少 脊椎动物捕食者50～100%，无脊椎动物捕食者25% 同化效率 草食、碎食动物同化效率低，肉食动物高 生长效率 肉食动物的净生长率低于草食动物 不同动物类群有不同的生长效率,生长效率,食虫类,林德曼效率,生态系统中的分解,分解过程的性质 分解者生物 资源质量 理化环境对分解的影响,分解过程的性质,概念： 死有机物质的逐步降解过程 将有机物还原为无机物，释放能量 意义： 建立和维持全球生态系统的动态平衡 通过死亡物质的分解，使营养物质再循环，给生产者提供营养物质 维持大气中CO2浓度 稳定和提高土壤有机质含量，为碎屑食物链以后各级生物生产食物 改善土壤物理性状,分解作用的三个过程,碎化：把尸体分解为颗粒状的碎屑 异化：有机物在酶的作用下，进行生物化学的分解 从聚合体变成单体(如纤维素降解为葡萄糖) 进而成为矿物成分(如葡萄糖降为CO2和H2O) 淋溶：可溶性物质被水淋洗出，完全是物理过程,影响分解过程的因素,分解者生物 资源质量 理化性质,分解者生物,微生物(细菌和真菌) 主要利用可溶性物质，氨基酸和糖类的分解产物作为的食物而被吸收 动物类群 陆地分解者 动物主要是食碎屑的无脊椎动物 小型：100μm以下，不能碎裂枯枝落叶，属粘附类型 中型：100μm-2mm，调节微生物种群的大小和处理和加工大型动物粪便 大型和巨型：2mm-20mm-, 碎裂植物残叶和翻动土壤,对分解和土壤结构有明显影响 水生系统 动物的分解过程分为搜集、刮取、粉碎、取食或捕食等几个环节 碎裂者：以落入河流中的树叶为食 颗粒状有机物质搜集者：一类从沉积物中搜集；另一类从水体中滤食有机颗粒 刮食者：其口器适应在石砾表面刮取藻类和死有机物 以藻类为食的食草性动物 捕食动物：以其他物脊椎动物为食,资源质量,物理、化学性质影响分解速率 物理性质：表面特性和机械结构 化学性质：随其化学组成而不同 单糖分解快，一年失重99%半纤维纤维素木质素 C:N,理化环境对分解的影响,水热条件 温度高、湿度大的地带，有机质分解速率高 低温干燥地带，分解速率低 分解速度随纬度增高而降低(热带雨林—温带森林—冻原)； 分解生物的相对作用 无脊动物在地球上的分布随纬度的变化呈现地带性的变化规律 低纬度热带地区起作用的主要是大型土壤动物，其分解作用明显高于温带和寒带 高纬度寒温带和冻原地区多为中、小型动物，它们对物质分解起的作用很小,分解速率和有机物积累与唯独,分解指数,K=I/X K：分解指数，I：死有机物年输入总量，X：系统中死有机物质现存量 规律： 热带雨林最高 温带草地高于温带阔叶林 冻原最低,生态系统中的能量流动,研究能流传递的热力学定律 食物链层次上的能流分析 生态系统层次上的能流分析 异养生态系统的能流分析 分解者和消费者在能流中的相对作用,热力学定律,热力学第一定律(能量守恒定律):能量既不能创生，也不会消灭，只能按严格的当量比例由一种形式转变为另一种形式 生态系统中的能量转换和传递过程，都可以根据热力学第一定律进行定量计算，并列出平衡式和编制能量平衡表,Energy Flow in the Environment,During photosynthesis, plants capture the energy of sunlight and store it in ATP, sugar, and other high-energy carbohydrates synthesized from carbon dioxide and water. Oxygen is released as a byproduct.,,,,,,,,,,,Heat,Heat,,Producer,Primary Consumer,Secondary Consumer,Detritus Feeders,Heat,Chemical energy,Energy Transfer and Loss,热力学定律,热力学第二定律 (熵定律) 在能量传递和转化过程中，除了一部分传递和作功外，总有一部分以热的形式消散，使系统的熵增加 熵是系统无序性的指标，是系统热量与温度之比 若用熵概念表示热力学第二定律 内能不变的封闭系统中，其熵值只朝一个方向变化，常增不减 开放系统的。