森林生态系统的能量流动课件

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1、第九章第九章 生态系统的能量流动生态系统的能量流动生态系统的初级生产生态系统的次级生产生态系统中的能量流动信息流与信息传递森林经营对生态系统中能量的影响 本章导读本章导读识记：生态系统生产、生产力、生物量、现在量、初级生产、次级生产、能量利用效率、生态效率、信息传递等概念；地球上初级生产力的分布与变化情况；生态系统初级生产的测定方法；生态系统中能量流动的损耗分析；生态系统的次级生产过程领会与简单应用：初级生产力的限制因素及其提高途径；能量利用效率；能量流动与信息传递综合应用：森林经营对生态系统中能量的影响；能流分析模型，生态系统中能量流动的实例分析 草食动物(herbivores)肉食动物 (

2、carnivores)杂食动物(omnivores)腐生物(saprotrophs)异养生物自养生物光能自养型(photoautotrophs)化能自养型(chemoautotrophs)按能量来源将生物分为按能量来源将生物分为 1生态系统的初级生产生态系统的初级生产1.1初级生产的基本概念1.2地球上初级生产力的分布1.3初级生产的生产效率1.4初级生产量的测定方法1.5初级生产量的限制因素1.6初级生产的能量消耗 1.1初级生产力的基本概念初级生产力的基本概念生产(production)：生产是指生物积累能量的过程。生产力(productivity)：也称为生产率(production r

3、ate)。是指生产的能力或速率，可用单位时间单位面积上的生产量来表示。生物量(biomass)：任一时间某一地方某一种群、营养级或某一生态系统有机物质的总重量。现存量(standing crop)：单位面积上当时所测得的活的生物体的总重量。 生产过程生产过程生产者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。 primary production绿色植物通过光合作用，吸收和固定太阳能，由无机物合成、转化成复杂

4、的有机物。 初级生产初级生产(primary production)初级生产力(primary productivity)：植物群落在一定空间一定时间内所生产的有机物质积累的速率称为生产率(productivity rate)，或生产力(productivity)。绿色植物通过光合作用合成有机物质的数量称为初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，也称第一性生产。级生产量，也称第一性生产。净初级生产量(net primary production) ：在初级生产过程中，植物固定的能量有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。总初级生产量(gros

5、s primary production)：GP=NP+R 生物量生物量(biomass)生物量生物量(biomass):是指某一时刻调查时单位面积上积存的有机物质(kg/m2)。以鲜重(fresh weight, FW)或干重(dry weight，DW)表示。现存量现存量(standing crop)：是指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。SC=GP-R-H-D辨析？辨析？ 1.2地球上初级地球上初级生产力的分布生产力的分布 (1)不同生态系统类型的变化不同生态系统类型的变化不同植被类型的净初级生产力，一般是从温带到热带地区逐次增大或在一个大的气候区里生产力

6、是从较干的生境到较湿的生境增加。最大的生产力发生在半陆地生态系统(如浅水、沼泽、湿地或降水丰富的陆地)。从水/陆界面到更深的水体，如大湖和海洋的中部，生产力逐渐下降。一般森林的生产力近似或稍高于农作物。但森林多生于土壤瘠薄和气候条件恶劣的地方，而且很少进行施肥和杀虫等工作。 地球上各种生态系统净初级生产力地球上各种生态系统净初级生产力 陆地比水域的初级生产量大陆地比水域的初级生产量大陆地生态系统约占地球表面1/3，而初级生产量约占全球的2/3。主要原因是占海洋面积最大的大洋区缺乏营养物质，其生产力很低，平均仅125g/m2.yr，有“海洋荒漠之称”。 生态系统生产力等级生态系统生产力等级(Od

7、um 1959)奥德姆根据初级生产力将生态系统划分为4级： 最低：荒漠和深海。 较低：山地森林、热带稀树草原、某些临时 农耕地、半干旱草原、深湖和大陆架。 较高：热带雨林，长久性农耕地和浅湖。 最高：少数特殊的生态系统(农业高产田、河漫滩、三角洲、珊瑚礁、红树林)。 生态系统生产力变化生态系统生产力变化 陆地上初级生产量随纬度增加逐渐降低陆地上初级生产量随纬度增加逐渐降低陆地生态系统类型中，以热带雨林生产力为最高，平均为2200g/m2.yr。由热带雨林向常绿林、落叶林、北方针叶林、由热带雨林向常绿林、落叶林、北方针叶林、稀树草原、温带草原、寒漠依次减少。稀树草原、温带草原、寒漠依次减少。初级

8、生产量从热带至亚热带、经温带到寒带逐渐降低 。一般认为，太阳辐射、温度和降水是导致初级生产量随纬度增大而降低的原因。 全球净初级生产力全球净初级生产力全球净初级生产力在沿地球纬度分布上有三个高峰，第一高峰接近于赤道，第二高峰出现在北半球的中温带，而最小的第三高峰出现在南半球的中温带。 森林生产的地位森林生产的地位世界森林每公顷平均生产力比整个世界平均生产力要高4倍以上，比农业土地平均值大2倍多。森林虽然相应只占全球面积和陆地面积的11%和38%，但它却占全球和陆地净初级生产量的47%和71%，而且占全球和陆地生产者生物量的93%这些数据说明了森林在制造有机物质和维持生物圈的动态平衡中具有极重要

9、的地位。 (2)随群落发育变化随群落发育变化一般森林在叶面积指数达到4时，净初级生产量最高，但当生态系统发育成熟或演替达到顶极时，虽然生物量接近最大，系统由于保持在一动态平衡中，净生产量反而最小早期由于植物生物量很低，初级生产量不高Odum,1971 随年龄的变化随年龄的变化森林总生产力一般在中年达高峰，然后稍下降达一稳定值，但呼吸量会不断增高，因此净生产力在中年达高峰，之后又下降。林分生长过程中净生产量的变化。当生物量增加时，总生产量用于维持代谢的呼吸量的比例相应也提高。过熟林分内呼吸量等于光合合成量，没有净生产量和净生物量的增加(Kimmins, 1987) (3)年和季节年和季节变化变化

10、海洋净初级生产力的季节变动是中等程度的，而陆地生产力的季节波动则明显的大，夏季比冬季平均高60%单位 1015 g海洋的陆地的季节的46月10.915.779月13.018.01012月12.311.513月11.311.2生物地理的贫营养的11.0热带雨林17.8中营养的27.4落叶阔叶林1.5富营养的9.1针阔混交林3.1大型水生植物1.0常绿针叶林3.1落叶针叶林1.4稀树草原16.8多年生草地2.4阔叶灌木1.0苔原0.8荒漠0.5栽培田8.0总计48.556.4 (4)生产量垂直变化生产量垂直变化如森林，一般乔木层最高，灌木层次之，草被层更低，而地下部分反映了同样情况。在水体中，最高

11、值不是在水面层，而是在数米深(沿海水域)及数十米深(远洋)处，取决于水的透明度及浮游植物的密度，随后随深度加深，净初级生产力下降。层 次生物量(g/m2)净初级生产力（g/m2/年）地上部分 乔木 6403796 灌木 15861 草本 22地下部分 草本 14 灌木 30573 乔木 3325260合 计101941196 说明说明各种森林类型生物量虽有明显差别，但植物生物量在地上和地下的分配格式都非常相似。荒漠群落和冻原群落根部有着大量的生物量，前者主要是对干旱环境的适应，后者除了对生理干旱适应外，更多的是对寒冷的适应。 1.3初级生产的生产效率初级生产的生产效率 光合效能光合效能太阳能量

12、进入生态系统的效能。光合效能 100% 测定值：1%5% 光合效能计算问题光合效能计算问题总光合效能和净光合效能：按总生产量和净生产量计算求出。太阳辐射：按总能量、可见光能量或可见光中被光合利用的波段加以测定，后者大约只占总辐射能量的25%。测定太阳能：地球表面每平方米上射入的太阳能射在光合器官表面实际的能量植物实际吸收的能量通常计算光合效能的方法是以照射在植被表面上波长0.4-0.7m(可见光)的辐射能量除净生产量。时间：按整年或生长季节计算。 最适条件下初级生产的效率估计最适条件下初级生产的效率估计 (自自McNaughton & Wolf, 1979)能量(106J/m2/d)百分率(%

13、)输入损失输入损失日光能29100可见光13可见光以外164555被吸收9.9反射1.340.545光化中间产物8.0非活性吸收3.428.412.1碳水化合物2.7不稳定中间产物5.49.1(=Pg)19.3净生产量2.0呼吸消耗0.67 6.8 (=Pn) 2.3 (=R)约为120g/m2/d 4个生态系统的初级生产效率个生态系统的初级生产效率(%)玉米田(Transeau,1926)荒地(Golley,1960)Meadota湖(Linderman,1942)Ceder Bog湖(Linderman,1942)总初级生产量/总入射日光能1.61.20.400.10呼吸消耗/总初级生产量

14、23.415.122.321净初级生产量/总初级生产量76.684.977.779 能否提高生态系统的生产力？能否提高生态系统的生产力？地球上的森林具有很大的生长潜力。1.生态系统生产力受到很多环境因子的限制，如光照、水分、温度、养分供应、生长期等。2.生态系统结构对生产力的提高也很重要。如何提高生态系统的生产力？给生态系统增加能量，从而提高光能利用效率。天然条件下：温度的升高，雨量的增多。人工条件下：营造高光合效能的速生树种，树种的合理混交，整地，灌溉，排水，施肥，森林抚育，病虫害防治等。 1.4初级生产量的测定方法初级生产量的测定方法收获量测定法氧气测定法CO2测定法放射性标记物测定法叶绿

15、素测定法 (1)收获量测定法收获量测定法陆生定期收获植被，烘干至恒重，然后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。 皆伐实测法皆伐实测法为了精确测定生物量，或作为标准来检查其它方法的精确度，采用皆伐法。林木伐倒后，直接称重；或者测其各部分的材积，根据比重或烘干重换算成干重。 平均木法平均木法采伐并测定具有林分平均断面积的树木的生物量，再乘以总株数。为了保证精度，可采伐多株平均断面积的样木，测定其生物量，在计算出单位面积的干重。另一种办法是将研究地段的林木按其大小分级，在各级内再取平均木，最后计

16、算出单位面积的干重。 随机抽样法随机抽样法研究地段上随机选取多株样木，伐倒并测定其生物量。将样木生物量之和(W)乘以研究地段总胸高断面积(G)与样木胸高断面积之和(g)之比，全林的生物量(W)可表示为：W = W(G/g) 相关曲线法相关曲线法研究地段随机选取各种大小的林木，测定其生物量；再根据树木的生物量与某一测树指标(胸径或树高)间存在的相关关系，利用数理统计方法，制定回归方程如生物量与胸高直径存在着幂函数关系，即W = aDb考虑到利用胸高直径是参数a、b在不同林分中变动较大，最近多利用树高(H)作为第二个变量，利用W = a(D2H)b或W = a(gh)b计算生物量 收获量测定法收获量测定法用于陆地生态系统，测定初级生产的最常用和最古老的方法各种农作物产量用连续收割的方法也可以精确地测定森林的净初级生产量，但很费力。困难：必须定期对树干变粗、树枝伸长以及花果、叶的生物量进行测定测定植物已枯死部分和被植食动物吃掉的部分。对树木的枯枝落叶可以使用特定的收集装置，但要想排除植食动物(主要是鞘翅目昆虫和鳞翅目幼虫)的取食则是非常团难的，方法之一是在枝外罩网并进行化学熏蒸。 (2)氧气