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1、第三章 農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的能量流,教學(xué)目的 掌握生態(tài)系統(tǒng)中能量流路徑、功能等有關(guān)概念，掌握提高農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)能量轉(zhuǎn)化效率的途徑和方法。 教學(xué)重點(diǎn)能源的類型及其功能地位。生態(tài)系統(tǒng)能量流動(dòng)的主要路徑，能量在生態(tài)系統(tǒng)中傳遞的損耗途徑，生態(tài)系統(tǒng)能量轉(zhuǎn)化效率、生態(tài)金字塔等的基本概念，食物鏈加環(huán)原理及應(yīng)用。生態(tài)系統(tǒng)中初級(jí)生產(chǎn)、次級(jí)生產(chǎn)的概念及關(guān)系。提高生態(tài)系統(tǒng)初、次級(jí)生產(chǎn)力的基本途徑。人工輔助能在生態(tài)系統(tǒng)中的作用。 教學(xué)難點(diǎn)生態(tài)學(xué)效率、農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)營(yíng)養(yǎng)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)、能流模型的設(shè)計(jì)。 教學(xué)方法課堂教學(xué)，以能流路徑為主線，分析生態(tài)系統(tǒng)的功能行為。教學(xué)內(nèi)容,第三章 農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的能量流,1 熱力學(xué)定律2 食物鏈、食

2、物網(wǎng)3 生態(tài)系統(tǒng)的能流分析4 農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的能流5 農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的能流分析,1 熱力學(xué)定律及應(yīng)用,一、熱力學(xué)第一定律（能量守恒定律） U（系統(tǒng)內(nèi)能變化）=Q（吸熱）-W（對(duì)外作功）能量可以在不同介質(zhì)中傳遞，也可以在不同形式間轉(zhuǎn)換，但在所有這些過(guò)程中能量保持恒定，既不能創(chuàng)生，也不會(huì)消滅。應(yīng)用：制定生態(tài)系統(tǒng)能量收支平衡表二、熱力學(xué)第二定律1.能量的轉(zhuǎn)換不可能達(dá)到百分之百有效。2.自由能的提高不可能是一個(gè)自發(fā)過(guò)程。應(yīng)用：提高能量的轉(zhuǎn)化效率,三、 熵(entropy),1.熵(entropy):系統(tǒng)熱量除以溫度后得到的商。S=Q/T熵是系統(tǒng)無(wú)序性的量度。2.熱力學(xué)第二定律（1）在一個(gè)內(nèi)能不變的封閉系統(tǒng)

3、中，任何自發(fā)過(guò)程均朝著熵值增加的方向進(jìn)行。（2）開放系統(tǒng)從一個(gè)平衡狀態(tài)到另一個(gè)平衡狀態(tài)的任何過(guò)程，均使系統(tǒng)與環(huán)境熵值之和增加。,四、耗散結(jié)構(gòu)理論,1.耗散結(jié)構(gòu)(dissipative structure)：開放系統(tǒng)在遠(yuǎn)離平衡態(tài)的非平衡狀態(tài)下，系統(tǒng)可能出現(xiàn)的一種穩(wěn)定的有序結(jié)構(gòu)。(Prigogine)2.耗散結(jié)構(gòu)理論：一個(gè)遠(yuǎn)離平衡態(tài)的開放系統(tǒng)，通過(guò)與外界進(jìn)行物質(zhì)與能量的不斷交換，就能克服混亂狀態(tài)，維持穩(wěn)定狀態(tài)，并且不斷提高系統(tǒng)的有序性，使系統(tǒng)的熵減少。3.有機(jī)體和生態(tài)系統(tǒng)都是遠(yuǎn)離平衡態(tài)的開放系統(tǒng)，存在一種連續(xù)而有效的能量轉(zhuǎn)換，因而都屬于耗散結(jié)構(gòu)。光合與同化：引入負(fù)熵，保持有序狀態(tài)呼吸與作功：排除正

4、熵，排除無(wú)序,2 食物鏈,一、食物鏈（food chain）和營(yíng)養(yǎng)級(jí)（trophic level）：1.食物鏈（food chain）：生態(tài)系統(tǒng)成員間，通過(guò)食物營(yíng)養(yǎng)關(guān)系彼此聯(lián)系起來(lái)的序列。2.營(yíng)養(yǎng)級(jí)（trophic level）：食物鏈上的每一個(gè)食性級(jí)。以符號(hào)T來(lái)表示，T1表示第一營(yíng)養(yǎng)級(jí)，T2表示第二營(yíng)養(yǎng)級(jí)，T3Tn余此類推。一般為45級(jí)。食物鏈?zhǔn)巧鷳B(tài)系統(tǒng)內(nèi)生物與生物之間相互聯(lián)系的一種主要形式，是物質(zhì)循環(huán)和能量流動(dòng)的主要路徑。,二、食物鏈的種類,按性質(zhì)不同分為四類：（1）捕食食物鏈（又稱草牧食物鏈 gazing food chain）：是由植物到草食動(dòng)物，再到肉食動(dòng)物，直接消耗活有機(jī)體或其部分

5、的食物鏈。在陸地上起始于綠色植物，在水中起始于浮游植物。如：水稻稻飛虱青蛙蛇老鷹人（2）腐生食物鏈（又稱殘?jiān)澄镦?detritus food chain）：由多種微生物構(gòu)成，是以死有機(jī)體為營(yíng)養(yǎng)源，通過(guò)腐爛、分解，將有機(jī)物還原為無(wú)機(jī)物質(zhì)的食物。如：秸桿（畜糞）食用菌 垃圾蚯蚓（蝸牛）,（3）寄生食物鏈（parasite food chain）：以寄生的方式取食活著生物有機(jī)體。食物鏈成員有自大到小的趨勢(shì)。如：大豆菟絲子 馬蛔蟲原生動(dòng)物 紅鈴蟲金小蜂（4）混合食物鏈：構(gòu)成食物鏈的各營(yíng)養(yǎng)級(jí)中，既有活食生物成員，也有腐食生物成員。如：稻草牛蚯蚓雞豬魚,return,三、生態(tài)系統(tǒng)中食物鏈的基本特點(diǎn),1.

6、在同一個(gè)食物鏈中，常包含有食性和其它生活習(xí)性極不相同的多種生物。 一條食物鏈中包含的多種生物，可以使光合產(chǎn)物得到充分利用（分級(jí)利用光合產(chǎn)物），在有限的空間中養(yǎng)活眾多生物。2.在同一生態(tài)系統(tǒng)中，可能有多條食物鏈，它們長(zhǎng)短不一，營(yíng)養(yǎng)級(jí)數(shù)目不等。如一個(gè)魚塘生態(tài)系統(tǒng)中：藻類水草草魚 綠藻甲殼動(dòng)物花鰱浮游植物浮游動(dòng)物蝦噘魚自然生態(tài)系統(tǒng)中，食物鏈營(yíng)養(yǎng)級(jí)的數(shù)目是有限的,3.不同生態(tài)系統(tǒng)中各類食物鏈所占比重不同。(1)森林生態(tài)系統(tǒng)：腐生食物鏈比重最大，約占系統(tǒng)中生產(chǎn)者所生產(chǎn)的有機(jī)物質(zhì)的90%以上。(2)草原生態(tài)系統(tǒng)（牧場(chǎng)）：腐生食物鏈約占70%左右。(3)農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)：植物生產(chǎn)的有機(jī)質(zhì)大部分作為產(chǎn)品，留給腐生

7、食物鏈的僅占凈初級(jí)生產(chǎn)的2030%。如果不通過(guò)糞肥、秸桿還田等途徑向系統(tǒng)補(bǔ)充有機(jī)質(zhì)，則系統(tǒng)中腐生食物鏈上的生物群落將會(huì)因?yàn)槿鄙偈澄锬芏ネ?，引起土壤肥力的下降?在任何一生態(tài)系統(tǒng)，各類食物鏈有協(xié)同作用。,三、食物網(wǎng),食物網(wǎng)（food web)：在生態(tài)系統(tǒng)中，各種食物鏈交錯(cuò)起來(lái)構(gòu)成的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。食物網(wǎng)本質(zhì)上是生態(tài)系統(tǒng)中有機(jī)體之間一系列反復(fù)的吃與被吃的相互關(guān)系。營(yíng)養(yǎng)結(jié)構(gòu)：以營(yíng)養(yǎng)為紐帶，把生物與生物、生物與環(huán)境緊密聯(lián)系起來(lái)的結(jié)構(gòu)。,四、農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)食物鏈加環(huán),（一）食物鏈加環(huán)的作用 在原有食物鏈中通過(guò)加入新的鏈環(huán)，延長(zhǎng)或完善食物鏈組合，改變農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，具有很好的效益。其作用表現(xiàn)在：提高農(nóng)業(yè)生態(tài)

8、系統(tǒng)的穩(wěn)定性。提高農(nóng)副產(chǎn)品的利用率提高 能量的利用率和轉(zhuǎn)化率,（二）、食物鏈加環(huán)的類型,-生產(chǎn)環(huán) 在食物鏈中加入能夠把非經(jīng)濟(jì)產(chǎn)品轉(zhuǎn)化為人們直接利用的經(jīng)濟(jì)產(chǎn)品的環(huán)節(jié)，稱為生產(chǎn)環(huán)。 如：牛、羊等可把秸桿、糠麩、菜葉、雜草等轉(zhuǎn)化為肉、皮、奶、蛋等，蜜蜂可將花粉轉(zhuǎn)化為蜂蜜、蜂王漿等。減耗環(huán) 這類環(huán)節(jié)的引入可減少生產(chǎn)消耗。 如：引入天敵，可減輕病害危害，吉林省人工放養(yǎng)寄生蜂，防治林場(chǎng)的松毛蟲。,增益環(huán) 這類環(huán)節(jié)雖不提供人類直接消費(fèi)的產(chǎn)品，但可擴(kuò)大生產(chǎn)環(huán)節(jié)的增產(chǎn)效果。如：利用糞渣等有機(jī)廢棄物養(yǎng)殖蚯蚓和蠅蛆，可作為禽畜的蛋白飼料，可提高家禽的生長(zhǎng)量和家禽的產(chǎn)蛋率。復(fù)合環(huán) 兼具兩種以上的功能環(huán)節(jié)。 如：稻田養(yǎng)

9、魚、鴨，即有減耗的作用（魚鴨以水稻害蟲為食，減輕蟲害危害，魚、鴨糞肥又可肥田），又可生產(chǎn)魚、蛋產(chǎn)品。,五、 食物鏈的解列,食物鏈的解列： 實(shí)質(zhì)就是利用農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行污水處理。使現(xiàn)代工業(yè)產(chǎn)生的有毒有害物質(zhì)在食物鏈上富集到一定程度時(shí)與人類的食物鏈中斷聯(lián)系。處理污染土壤 可種植非食用的木材、麻類、花卉等使污染物離開食物鏈。污水處理 如：水生植物鳳眼蓮（又名水葫蘆）、浮萍等對(duì)各種污染物以及水體富養(yǎng)化的N、P等具有較強(qiáng)的吸收凈化能力。,食物鏈原理應(yīng)用舉例,作物秸桿的處理一般有兩種途徑： 一種是直接焚燒，這部分養(yǎng)分流出農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)，不僅造成農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的土壤養(yǎng)分狀況的不斷的下降，而且還會(huì)造成環(huán)境污染。

10、另一種是用于飼養(yǎng)牲畜，糞肥還田，相比這種途徑就會(huì)合理的多，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)實(shí)踐中利用的也比較廣泛。秸桿多級(jí)利用技術(shù) 結(jié)構(gòu)如圖,3 生態(tài)系統(tǒng)中的能源,一、太陽(yáng)輻射能二、輔助能,一、 太陽(yáng)輻射能,是所有生態(tài)系統(tǒng)最主要能量來(lái)源可見光：0.40.76 50% 生理效應(yīng)紅外線：0.76 43% 引起熱能紫外線：0.4 7% 引起生物變性，致死太陽(yáng)常數(shù)：So=1.94cal/cm2.min到達(dá)地球表面的太陽(yáng)輻射能強(qiáng)度，因緯度、地形地貌、坡度坡向、氣候因子而不同。太陽(yáng)輻射能量到達(dá)地球表面的分配示意圖,二、 輔助能,輔助能：生態(tài)系統(tǒng)中，除了太陽(yáng)能以外的其它一切補(bǔ)加能量。包括自然能：如沿海河口潮汐的作用，風(fēng)力的作用以

11、及降雨和蒸發(fā)的作用等。人工輔助能：對(duì)農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)，輔助能主要構(gòu)成是人們從事農(nóng)業(yè)生產(chǎn)各項(xiàng)活動(dòng)中投入的能量，當(dāng)然，也繼承了自然生態(tài)系統(tǒng)中的自然輔助能。,4 生態(tài)系統(tǒng)的能流分析,一、能流路徑二、生態(tài)效率三、生態(tài)金字塔,一、能流路徑,研究生態(tài)系統(tǒng)中能量流動(dòng)，在于了解一個(gè)系統(tǒng)的能量輸入、貯存以及作功之間的相互關(guān)系，從而減少能量損耗，提高能量利用效率。生態(tài)系統(tǒng)中能量是沿著食物鏈流動(dòng)的： Tn-1Tn NUn NAn RnNPn-1 攝入量In An NPn注：NP：凈生產(chǎn)量 A：同化量 Nu：未同化量 NA：未同化量,二、 生態(tài)效率,生態(tài)效率：能量通過(guò)各營(yíng)養(yǎng)級(jí)的轉(zhuǎn)化效率。1營(yíng)養(yǎng)級(jí)之間（Tn-1Tn）（1）

12、攝入效率 In/In-1（2）同化效率 An/An-1（3）生產(chǎn)效率 NPn/NPn-12營(yíng)養(yǎng)級(jí)內(nèi)部（1）同化效率：An/In（2）生態(tài)生長(zhǎng)效率：NPn/In（生產(chǎn)效率）（3）組織生長(zhǎng)效率：NPn/An,三、生態(tài)金字塔,1.生態(tài)金字塔：營(yíng)養(yǎng)級(jí)由低到高，它們的個(gè)體數(shù)或能量的分布形成一個(gè)塔形結(jié)構(gòu)，就稱為生態(tài)金字塔。2.三種基本類型：（1）生物個(gè)體數(shù)數(shù)目金字塔（2）每種生物的現(xiàn)存生物量生物量金字塔（3）能量能量金字塔,return,return,return,5 農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的能流,一、能源二、人工輔助能提高農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力的原因三、工業(yè)輔助能的使用所帶來(lái)的一系列的問(wèn)題四、農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的能量轉(zhuǎn)化,

13、一、 能源,生物界的能源，直接、間接地來(lái)源于太陽(yáng)的輻射能。農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)有大量的人工輔助能輸入，同時(shí)有大量的能量以農(nóng)產(chǎn)品的形式輸出系統(tǒng)外。太陽(yáng)能仍是主要能量來(lái)源，但輔助能所占的比例大大提高了。 自然輔助能輔助能 工業(yè)能：農(nóng)藥、化肥、農(nóng)機(jī)、電力、 燃料、薄膜、設(shè)施 人工輔助能 生物能：勞動(dòng)、畜力、有機(jī)肥、燃料 食物能：種子、種苗、飼料、 種畜、種禽,二、人工輔助能提高農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力的原因,1輔助能的投入，促進(jìn)農(nóng)作物對(duì)太陽(yáng)能的吸收、利用和轉(zhuǎn)化。2減少農(nóng)業(yè)生物的非生產(chǎn)能量損耗。3使農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的一些自然生物過(guò)程可以用人工過(guò)程取代，提高效率。,三、工業(yè)輔助能的使用所帶來(lái)的一系列的問(wèn)題,1輔助能的效益隨

14、著輔助能的增加而降低（報(bào)酬遞減律）。2能源緊張。3 化肥農(nóng)藥對(duì)農(nóng)業(yè)環(huán)境造成污染。,四、農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的生產(chǎn)力-農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的能量轉(zhuǎn)化,（一）、農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力的概念（二）、初級(jí)生產(chǎn)力（三）、次級(jí)生產(chǎn)力,（一）農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的生產(chǎn)力概念,1.農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的生產(chǎn)力： 是指農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)中物質(zhì)循環(huán)和能量轉(zhuǎn)化的效率，是系統(tǒng)中最基本功的數(shù)量特征。它的大小體現(xiàn)了系統(tǒng)功能的好壞。 指在單位時(shí)間（通常是一年）、空間（通常指面積）所產(chǎn)生的物質(zhì)、能量或價(jià)值的多少。用系統(tǒng)的總生物量和經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量、農(nóng)業(yè)總產(chǎn)值、純收入表示。 包括：系統(tǒng)生物的自然生產(chǎn)力和經(jīng)濟(jì)生產(chǎn)力,2. 自然生產(chǎn)力與經(jīng)濟(jì)生產(chǎn)力,農(nóng)業(yè)生物的自然生產(chǎn)力：指農(nóng)業(yè)生物

15、自身的同化效率和積累能力。農(nóng)業(yè)生物在一定時(shí)間空間內(nèi)的能量、物質(zhì)的積累量，形成總的生物學(xué)產(chǎn)量。是農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力的基礎(chǔ)。農(nóng)業(yè)生物經(jīng)濟(jì)生產(chǎn)力指各種農(nóng)業(yè)外生物提供經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量的能力。首先表現(xiàn)為經(jīng)濟(jì)產(chǎn)品量的高低；表現(xiàn)為經(jīng)濟(jì)產(chǎn)品量的價(jià)值量的大?。蛔罱K表現(xiàn)為純收入的多少。即通常所說(shuō)的生產(chǎn)效率。,3. 生產(chǎn)力與生產(chǎn)效率,區(qū)別兩個(gè)概念：生產(chǎn)效率：?jiǎn)挝粫r(shí)間和空間內(nèi)，投入農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的物質(zhì)能量和價(jià)值的轉(zhuǎn)化效率。 即：生產(chǎn)效率（產(chǎn)投比）產(chǎn)出量投入量如：勞動(dòng)生產(chǎn)率、價(jià)值轉(zhuǎn)化率、物質(zhì)利用率等。系統(tǒng)生產(chǎn)力：農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)在單位時(shí)間（通常為一年），空間（通常指面積）所產(chǎn)出的物質(zhì)、能量或價(jià)值的多少。 可以看出，生產(chǎn)力的概念包含生

16、產(chǎn)效率的含義。但通常所講到的系統(tǒng)生產(chǎn)力主要指前兩點(diǎn)所述的含義，指總的生物量、經(jīng)濟(jì)產(chǎn)品量或總產(chǎn)值。,（二）、初級(jí)生產(chǎn)力,1、概 念2、地球生物圈主要生態(tài)系統(tǒng)的初級(jí)生產(chǎn)力3、農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的初級(jí)生產(chǎn)力4、提高農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)初級(jí)生產(chǎn)力的途徑,1、 概 念,總初級(jí)生產(chǎn)力：（gross productivity）植物單時(shí)間、面積內(nèi)利用光能合成有機(jī)物質(zhì)的量。凈初級(jí)生產(chǎn)力：（net productivity） 植物總初級(jí)生產(chǎn)力中減去植物呼吸消耗量所剩下的數(shù)量?？偝跫?jí)生產(chǎn)量：（gross production Pg） 一定時(shí)期內(nèi)植物合成有機(jī)物質(zhì)的總量 ，無(wú)速率的概念。凈初級(jí)生產(chǎn)量：（net production Pn） 總初級(jí)生產(chǎn)量中減去呼吸消耗量的剩余量。即一段時(shí)間內(nèi)，以植物組織形式表現(xiàn)出來(lái)的干物質(zhì)量。,現(xiàn)存量：（stand crop） 某一特定時(shí)刻，單位面積地段內(nèi)有機(jī)體的數(shù)量。與生物量（Biomass）是同義語(yǔ)。 R 呼吸 枯死、采食 總生產(chǎn)量Pg 凈生產(chǎn)量 Pn 現(xiàn)存量B,2、 地球生物圈主要生態(tài)系統(tǒng)初級(jí)生產(chǎn)力,據(jù)H.Whittaker（1975）計(jì)算，地球的初級(jí)生產(chǎn)量為：（單位：109噸）總初級(jí)生