6生态系统的能量流备课讲稿.ppt

第四章 生态系统的能量流Chapter4Energyflowintheagroecosystem主主要介绍生态系统能量流动的基本规律、初级生产的能量转化、次级生产的能量转化、辅助能，论述农业生产持续运转的基本过程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o能量（energy）物理学上指物质具有作功的能力能是物质运动的量度o一般能分为两种形式：潜能和动能o潜能是静态能，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o动能与物体本身的质量、运动速度和相对位置有关，是物理学上所主要讨论的能量形式o1、形态：日光能（Solarenergy)化学能(chemicalenergy)动能(Kineticenergy)热能(thermalenergy)o2度量：卡或千卡（生态学上）calory；焦耳（农业工程上）joule能量流动的基本规律二、生态系统的能量来源o1.太阳能：占99%以上o2.自然辅助能(naturalauxiliaryenergy)如地热能、潮汐能、核能等占0.76u占43%）主要产生热效应，形成农业生态系统的自然热环境 紫外线（灌木层草被层。

5.生态系统的初级生产量随群落的演替而变化o早期植物生物量很低，初级生产量不高；随演替进行，生物量逐渐增加，生产量也提高；森林一般在叶面积指数为4时，净初级生产量最高；系统到达顶极时，生物量接近最大，但净生产量反而降低初级生产的能量转化o全球初级生产量划分为三个等级：o生产量极低区域生产量0-250g/m2.a.大部分海洋和荒漠属于这类区域海洋缺少营养物质，荒漠缺水o中等生产量区域生产量为250-2000g/m2.a许多草地、沿海区域、深湖和一些农田这些地区的生产量居于中等水平o高生产量区域生产量大约为2000-3500g/m2.a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属于这类区域这些地区得到了额外的自然能量和营养物质热带森林仅覆盖地球5%的面积，但生产量几乎占全球总生产量的28%有的水域、河口湾、海藻床和珊瑚礁等面积虽仅占0.4%，但其生产量达全球的2.3%初级生产的能量转化四、生态系统净初级生产力光合效能：太阳能量进入生态系统的效能n光合效能生产量/进入系统的太阳能量100测定值：15n目前，农业生产中的主体作物受制于生物本身和环境因素的影响其光能利用率不高，全球农作物平均利用率不过为1-3%。

n全球：115109t/a（陆地）+55109t/a（海洋）海洋：河口湾和上游区高，深海低陆地（0-3500g/m2.a）热带雨林最高，依次为温带常绿林、落叶林北方针叶林，稀树草原，温带草原，寒漠和荒漠沼泽和作物栽培地高主要农作物光能利用率比较（%）o各种生态系统的生产力的比较o影响生产力的因素：o光照、温度、水分（降水）、养分、生长期和生物因子都会影响生态系统的生产力o生态系统的结构也会影响生态系统的生产力o通过改善上述的各种生态因子，可以提高生态系统的生产力o如何提高生态系统的生产力？o天然条件下：温度的升高，雨量的增多o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o从实质上看，提高生产力的措施实际上是向生态系统增加能量的投入初级生产的能量转化o理论生产效率n最大光合作用=最大太阳辐射紫外或红外辐射反射=40.5%n最大光合效率=最大光合作用非活性吸收不稳定中间产物=9%nLoomis和Wilian于1963年介绍的计算结果见表10-1o实际生产效率n自然条件下：3%n精心管理农业生态系统：68%n肥沃地区：12%n贫瘠地区：0.1%n全球平均：0.20.5%表 精细细栽培下的农农作物在生长长旺季的光能利用效率104J/m2dPg/L(%)PN/L(%)PN/L(%)太阳辐射（L）总初级生产（Pg）净初级生产（PN）甘蔗，夏威夷1675128179.57.64.862灌溉玉米，以色列2512169679.56.83.247甜菜，英国1120845760.37.75.472（资料来源：E.P.Odum生态学基础）表根据总太阳能估算初级生产所消耗的能量（kj/m2d）能量输入能量丢失百分率总太阳能20900100植物色素不能吸收11286-55.8植物色素吸收9729.644.2植物表面反射773.3-3.7非活性吸收919.6-4.4光合作用有效能7586.736.1碳水化合物中能量不稳定状态6825.9-32.5总生产率760.83.6呼吸作用255-1.2净生产力505.82.4初级生产的能量转化五、农业发展的新方向-能源植物o能源植物【energyplants】又称石油植物或生物燃料油植物，指具有合成较高还原性烃能力、可产生接近石油成分和可替代石油产品的植物，以及富含油脂的植物。

o植物能源可以作为固体燃料，或借助科学方法转换为炭、可燃气或生物原油等o林业能源方面，培植生长快、光合作用效率高、繁殖力强，在国外已受到重视中国林业科学研究院试验研究，列出60余种能源植物o森林能源的利用方法有两种：通过干馏来提取煤气、焦油和炭；直接进行燃烧，石油植物也是近年来开辟的一个新领域o美国诺贝尔奖获得者卡尔教授，早在1984年就开发出首个人工石油植物，得到每公顷120-140桶原油美国现已种植石油植物达几百万亩之多，英国也开发了150万亩，而瑞士更制订计划利用植物石油取代全国半数石油消耗量o我国也不乏石油植物，如海南的汕楠树，还有桉树，都能高产石油经科学家鉴定有生产价值的能源植物，生长在亚太地区的，就有10多种草本植物，18种灌木，23种乔木和18种灌木初级生产的能量转化o能源植物主要包括三类：o富含类似石油成分的能源植物是植物能源的最佳来源，生产成本低，利用率高，目前已发现并受到专家赏识的有续随子、绿玉树、橡胶树和西蒙德木等o富含碳水化合物的能源植物利用这些植物所得到的最终产品是乙醇，如木薯、甜菜、甘蔗等o富含油脂的能源植物既是人类食物的重要组成部分，也是工业用途广泛的原料，世界上富含油脂的植物达万种以上，我国有近千种，其中有的含油率很高。

如木姜子的种子含油率达66.4%，产油植物大体有三类:一是大戟科植物；二是豆科植物，苦配巴是其中一种美国加利福尼亚大学化学博士卡尔文在巴西发现，在苦配巴树干上钻个孔，就能流出油来，每个洞流油3小时，能得油10升20升这种油可以直接在柴油机上使用据估计，1公顷苦配巴植物每年可产油50桶三是其他木本植物，如油棕树、南洋油桐树、澳大利亚阔叶木棉等初级生产的能量转化六、初级生产力的潜力估算与分析（一）作物初级生产力估算的意义o1、提供作物理论产量在一定气候、土壤和农业技术水平下作物可达到的生产能力，预示农业发展前景；o2、为国家或地区制定农业发展规划，确定投资方向及制定农业政策提供依据；o3、是估算土地人口承载能力的基础；4、揭示作物生育规律、产量形成与环境条件相互作用机制，是定量分析资源利用程度、生产潜力、产量限制因素等的有效的手段二）测定方法o收获量测定法n定期收获植被，烘干至恒重，测定干物质的热量（J/m2a）o氧气测定法n初始瓶：净初级生产量n黑瓶：呼吸量n白瓶：总初级生产量oCO2测定法n黑罩或无光条件下：CO2的增加量（呼吸作用）n白罩：CO2的减少量（光合作用）o放射性标记物测定法n将14C以碳酸盐（14CO2-3）的形式放入含有浮游植物的水瓶中培养，一定时间后测定放射活性，确定光合作用固定的碳量。

o叶绿素测定法n对自然水过滤，用丙酮提取，分光光度计测定o新技术n彩色红外影象，辐射计，SPOT卫星等遥感器初级生产的能量转化七、提高农业初级生产力的途径o1、因地制宜，增加绿色植被覆盖，充分利用太阳辐射能，增加系统的生物量通量或能通量，增强系统稳定性o2、适当增加投入，保护和改善生态环境，消除或减缓限制因子制约o3、改善植物品质特点，选育高光效、抗逆性强的优良品种o4、加强生态系统内部物质循环，减少养份水分制约o5、改进耕作制度,提高复种指数,合理密植,实行间套种,提高栽培管理技术o6、调控作物群体结构，尽早形成并尽量维持最佳的群体结构第三节次级生产的能量转化o次级生产:消费者利用初级生产的产品进行新陈代谢，经过同化作用形成自身的物质，称为次级生产，亦称第二性生产o次级生产者:大农业中的畜牧水产业和虫、菌业生产都属次级生产次级生产的能量转化一、次级生产的能量平衡oP=NI+II=A+(R1+R2)+(F+U+G)oP初级生产总量Ni未食用部分I食用部分A贮存量R1体增热R2维持能F固体排泄物U液体排泄物G气体排泄物二、次级生产在农业生态系统中的作用 （1）转化农副产品，提高利用价值 （2）生产动物蛋白质，改善食物构成。

3）促进物质循环，增强生态系统功能4）提高经济价值三、次级生产量的生产过程未捕获（876.1g）猎物种群生产量（886.4g）被捕获（10.3g）被吃下（7.93g）I未吃下（2.37g）未同化（0.63g）同化（7.3g）A净次级生产（2.7g）P呼吸（4.6g）R四、次级生产的生态效率o1.消费效率：食草动物对植物净生产量的利用o（1）植物种群增长率高，世代短，更新快，被利用的百分比高；o（2）草本植物维管束少，能提供较多的净初级生产量；o（3）浮游动物利用的净初级生产量比例最高o2.同化效率o草食、碎食动物同化效率低，肉食动物高；o3.生长效率o肉食动物的净生长率低于草食动物o不同动物类群有不同的生长效率o4.林德曼效率次级生产中的能量收支oC=A+FUoC：动物从外界摄食的能量oA：被同化能量oFU：排泄物oA=P+RoP：净次级生产量oR：呼吸能量次级生产的生态效率次级生产量的测定o1.同化量和呼吸量估计生产量：P=A-R;A=C-FUo2.P=Pg+Pr（净生产量为种群中个体的生长和出生之和）Pr：生殖后代的生产量Pg：个体增重次级生产的生态效率次级生产的能量转化几种动物产品的饲料能量利用效率（%）次级生产的能量转化五、我国农业生态系统的次级生产1、生产结构上：由以猪为主的单一结构向禽、蛋、猪、水产多元结构转变，加快发展家禽。

2、次级生产精料转化效率低主要原因是饲料资源高度分散和蛋白质饲料短缺我国应大力提高饲料转化率，发展高蛋白质饲料六、初级生产与次级生产的关系1、次级生产依赖初级生产2、合理的次级生产促进初级生产3、过度放牧破坏初级生产，使草原退化次级生产的能量转化o七、次级生产的改善途径o1.调整种植业结构，建立粮-经-饲三元结构2.培育、改良、推广优良畜禽渔品种3.将分散经营适度集约化养殖4.大力开发饲料，进行科学喂养5.改善次级生产构成：发展草食动物、水产业，发展腐生食物链，利用分解能等第四节生态系统中的辅助能一、生态系统的辅助能：除太阳能外，对农业生态系统所补加的一切其它形式能量的总称o辅助能（cultural energy），是人类为防止农业生态系统向自然生态系统演变，提高农业产力，减少消耗而人为向系统加入的一部分能量，其投入量的多少、组成比例完全由人控制o根据辅助能的来源将其分为自然辅助能、人工辅助能o人工辅助能包括：o生物辅助能（biological energy）包括人力、畜力、生物燃料、种子和有机肥料中的化学潜能；o工业辅助能（industrical eneryt），亦称化石能、商业能，包括以煤、石油、天然气等形式投入的直接工业辅助能和以化肥、农药、农业机械、机具、农用塑料形式投入的间接工业辅助能o自然能包括风能、水能、地热能和潮汐能等o根据辅助能的性质可将其分为有机能和无机能生态系统中的辅助能二、人工辅助能对农业增产的意义o1.改善不良生态环境条件，解除环境中一些限制因子制约，促进农作物对日光能的吸收、利用和转化。

o2.随着人工辅助能投入的增加，特别是工业辅助能投入量的增加，产量明显提高。