人教版高中生物必修三第五章第2節(jié)《生態(tài)系統(tǒng)的能量流動》 課件 4

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1、 第第2節(jié)節(jié) 生態(tài)系統(tǒng)的能量流動生態(tài)系統(tǒng)的能量流動第一節(jié) 生態(tài)系統(tǒng)能量流動的基本規(guī)律第二節(jié) 生態(tài)系統(tǒng)能流過程與能流分析第三節(jié) 生態(tài)系統(tǒng)的生物生產(chǎn)第一節(jié) 生態(tài)系統(tǒng)能量流動的基本規(guī)律o 一生態(tài)系統(tǒng)的能量來源一生態(tài)系統(tǒng)的能量來源o 1.太陽能：占 99% 以上 o 2.自然輔助能 (natural a uxiliary energy ) ：如 地?zé)崮?、潮汐能、核能等?1% o 3. 人工輔助能 (artificial auxiliary energy) ：人畜 力、燃料、電力、肥料、農(nóng)藥等農(nóng)業(yè)生態(tài)景觀 與農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的水平結(jié)構(gòu) 生態(tài)系統(tǒng)輔助能生態(tài)系統(tǒng)的輔助能 二 能量流動的基本定律o 能量是生態(tài)系

2、統(tǒng)的動力，是一切生命活動的基礎(chǔ)。生態(tài)系統(tǒng)是一個熱力學(xué)系統(tǒng)，生態(tài)系統(tǒng)中能量的傳遞、轉(zhuǎn)換遵循熱力學(xué)的兩條定律： 第一定律：能量守恒定律，能量可由一種形式轉(zhuǎn)化為其他形式的能量，能量既不能消滅，又不能憑空創(chuàng)造。 第二定律：熵律，任何形式的能（除了熱）轉(zhuǎn)化到另一種形式能的自發(fā)轉(zhuǎn)換中，不可能100被利用，總有一些能量作為熱的形式被耗散出去，熵就增加了。第二節(jié) 生態(tài)系統(tǒng)能流過程與能流分析o 生態(tài)系統(tǒng)中能量流動的途徑1 食物鏈（食物網(wǎng)）是生態(tài)系統(tǒng)能量流動的渠道。 牧食食物鏈和腐食食物鏈?zhǔn)巧鷳B(tài)系統(tǒng)能流的主要渠道。2 能量流動以食物鏈作為主線，將綠色植物與消費者之間進(jìn)行能量代謝的過程有機地聯(lián)系起來。3 牧食食物鏈

3、的每一個環(huán)節(jié)上都有一定的新陳代謝產(chǎn)物進(jìn)入到腐屑食物鏈中，從而把兩類主要的食物鏈聯(lián)系起來。4 能量在各營養(yǎng)級之間的數(shù)量關(guān)系可用生態(tài)金字塔表示。生態(tài)錐體(Charles Elton,1927)o生態(tài)錐體（ecological pyramid）: 能量通過營養(yǎng)級逐級減少，如果把通過各營養(yǎng)級的能流量由低到高用圖型表示，就成為一個金字塔形，稱能量錐體或能量金字塔。同樣如果以生物量或個體數(shù)目來表示，可能得到生物量錐體（pyramid of energy）和數(shù)量錐體（pyramid of number） 。三類錐體合稱為生態(tài)錐體。a 生物量錐體生物量錐體(gDW m-2 )b 能量錐體能量錐體(kcal m

4、-2 a -1 )c 數(shù)量錐體數(shù)量錐體(個體個體 ha-1)1212生態(tài)系統(tǒng)的能流過程生態(tài)系統(tǒng)的能流過程o 個體水平的能流過程個體水平的能流過程 在植物或動物的個體能流中，太陽輻射能或食物作在植物或動物的個體能流中，太陽輻射能或食物作為能源分別被動物或植物通過取食或吸收使能量進(jìn)為能源分別被動物或植物通過取食或吸收使能量進(jìn)入有機體，其間伴隨著輻射能的損耗及植物蒸騰耗入有機體，其間伴隨著輻射能的損耗及植物蒸騰耗熱和動物體表水分蒸發(fā)的能量損耗。熱和動物體表水分蒸發(fā)的能量損耗。o 生態(tài)系統(tǒng)水平的能流過程生態(tài)系統(tǒng)水平的能流過程 進(jìn)入生態(tài)系統(tǒng)的能量在這食物鏈之間被逐級利用，進(jìn)入生態(tài)系統(tǒng)的能量在這食物鏈之間

5、被逐級利用，其間有一部分太陽能被反射、散射而離開了生態(tài)系其間有一部分太陽能被反射、散射而離開了生態(tài)系統(tǒng)，有一部分經(jīng)呼吸作用以熱能的形式離開了系統(tǒng)，統(tǒng)，有一部分經(jīng)呼吸作用以熱能的形式離開了系統(tǒng)，還有一部分以產(chǎn)品的形式輸出。還有一部分以產(chǎn)品的形式輸出。生態(tài)系統(tǒng)中的能量流動生態(tài)系統(tǒng)中的能量流動o 對生態(tài)系統(tǒng)中的能量流動進(jìn)行研究可以在種群、食物鏈和生態(tài)系統(tǒng)三個層次上進(jìn)行。能量金字塔數(shù)量金字塔太陽輻射能有機物質(zhì)的合成過程，有機物質(zhì)的合成過程，即生產(chǎn)者（綠色植物）即生產(chǎn)者（綠色植物）吸收太陽能量形成初吸收太陽能量形成初級生產(chǎn)量。級生產(chǎn)量。熱 能化學(xué)能熱 能機械能活有機物質(zhì)被各級消活有機物質(zhì)被各級消費者（動

6、物）消費的費者（動物）消費的過程。過程。死有機物質(zhì)（動植物死有機物質(zhì)（動植物殘體和排泄物）被腐殘體和排泄物）被腐生物分解的過程。生物分解的過程。生態(tài)系統(tǒng)中能量的流動過程生態(tài)系統(tǒng)中能量的流動過程生態(tài)系統(tǒng)能量流動過程能量流動過程分析：能量流動過程分析：呼吸呼吸呼吸呼吸呼吸呼吸呼吸呼吸生產(chǎn)者生產(chǎn)者初級消費者初級消費者次級消費者次級消費者三級消費者三級消費者分解者(細(xì)菌、真菌等）呼吸呼吸從圖中可以看出，L中大約有一半左右的太陽輻射能量是植物體內(nèi)葉綠素不能吸收利用的(葉綠素主要吸收波長為640660 nm的紅光和波長為430450 nm的藍(lán)紫光)，在葉綠素能夠吸收的那部分太陽輻射能量中，又有大部分轉(zhuǎn)變成

7、熱而散失掉了(對陸生植物來說，這主要用于蒸騰作用)。因此，真正被植物體光合作用固定下來的太陽輻射能量就不是很多了。 一個普適的生態(tài)系統(tǒng)能流模型一個普適的生態(tài)系統(tǒng)能流模型(Odum, 1959)說明:方框表示各營養(yǎng)級,能流通道粗細(xì)表示能量的多少,箭頭表示能流流動方向;兩個能量輸入通道:日光能輸入和現(xiàn)成有機物質(zhì)輸入通道;三個輸出通道:光合作用中沒固定的日光能,生態(tài)系統(tǒng)生物的呼吸以及現(xiàn)成有機物質(zhì)的流失.生態(tài)系統(tǒng)能量流動特點o 能流在生態(tài)系統(tǒng)中和在物理系統(tǒng)中不同，在能流在生態(tài)系統(tǒng)中和在物理系統(tǒng)中不同，在生態(tài)系統(tǒng)中是變動的。生態(tài)系統(tǒng)中是變動的。o 能量是單向流能量是單向流o 能量在生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)流動的過程是

8、不斷遞減的能量在生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)流動的過程是不斷遞減的過程過程o 能量在流動中質(zhì)量逐漸提高能量在流動中質(zhì)量逐漸提高林德曼的十分之一定律能量沿食物鏈流動時能量沿食物鏈流動時, ,能量越來能量越來越小越小, ,通常后一營養(yǎng)級所獲得的能量大約為前一營養(yǎng)級的能量的通常后一營養(yǎng)級所獲得的能量大約為前一營養(yǎng)級的能量的10%.10%. 能量流動的生態(tài)效率o生態(tài)效率（ecological efficiencies）: 是指各種能流參數(shù)是指各種能流參數(shù)中的任何一個參數(shù)在營養(yǎng)級之間或營養(yǎng)級內(nèi)部的比值關(guān)中的任何一個參數(shù)在營養(yǎng)級之間或營養(yǎng)級內(nèi)部的比值關(guān)系。最重要的生態(tài)效率系。最重要的生態(tài)效率(Kozlovsky,1969)

9、(Kozlovsky,1969)有同化效率、有同化效率、生長效率、消費或利用效率、林德曼效率。生長效率、消費或利用效率、林德曼效率。 同化效率同化效率(assimilation efficiency,AE): (assimilation efficiency,AE): 衡量生態(tài)衡量生態(tài)系統(tǒng)中有機體或營養(yǎng)級利用能量和食物的效率。系統(tǒng)中有機體或營養(yǎng)級利用能量和食物的效率。AE=AAE=An n/I/In n, A, An n為植物固定的能量或動物吸收同化的食物，為植物固定的能量或動物吸收同化的食物，I In n為植物吸收的能或動物攝取的食物。為植物吸收的能或動物攝取的食物。 生長效率生長效率(gr

10、owth efficiency, GE) : (growth efficiency, GE) : 同一個營養(yǎng)級同一個營養(yǎng)級的凈生產(chǎn)量（的凈生產(chǎn)量（P Pn n）與同化量（）與同化量（A An n）的比值。）的比值。GEGEP Pn nA An n。 消費或利用效率消費或利用效率(comsumption efficiency,CE) : (comsumption efficiency,CE) : 一一個營養(yǎng)級對前一個營養(yǎng)級的相對攝取量。個營養(yǎng)級對前一個營養(yǎng)級的相對攝取量。CECE I In n1 1P Pn n， I In n1 1為為n n1 1營養(yǎng)級的攝取量，營養(yǎng)級的攝取量， P Pn n為

11、為n n營養(yǎng)級的凈生營養(yǎng)級的凈生產(chǎn)量。產(chǎn)量。食物鏈層次上的能流分析食物鏈層次上的能流分析一一個個牧牧食食食食物物鏈鏈的的能能流流分分析析生態(tài)系統(tǒng)層次上的能流分析生態(tài)系統(tǒng)層次上的能流分析一個人工林生態(tài)系統(tǒng)的能流分析一個人工林生態(tài)系統(tǒng)的能流分析研究能量流動特點的意義o 研究能量流動特點的目的就是幫助人們合理地調(diào)整生態(tài)系統(tǒng)中的能量流動關(guān)系，使能量持續(xù)高效地流向?qū)θ祟愖钣幸娴牟糠?。舉例舉例:在栽培谷物的過程中，人們首要的目的是獲取高產(chǎn)量的子粒，而不是大量的秸稈。因此，人們在進(jìn)行農(nóng)田管理時，既要使農(nóng)田的葉面指數(shù)保持在適宜的數(shù)值上，又要使谷稈比(谷粒重秸稈重)適當(dāng)增高。這樣就可以避免由于呼吸作用的增強而造

12、成過多的消耗，也可以避免過多地增加秸稈的重量，從而使農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)中的能量盡可能多地流向?qū)θ祟愖钣幸娴牟糠衷黾庸攘５漠a(chǎn)量。 舉例說明其意義從圖8-10可以看出，隨著該森林生態(tài)系統(tǒng)的發(fā)育，森林的葉面指數(shù)也在變化。當(dāng)葉面指數(shù)達(dá)到8-10時，森林的總初級生產(chǎn)量達(dá)到了最大值，這表明這片森林已經(jīng)發(fā)育到成熟階段了。但是，若從凈初級生產(chǎn)量方面來看，當(dāng)葉面指數(shù)達(dá)到4時，這片森林的凈初級生產(chǎn)量達(dá)到了最大值(如果這一森林生態(tài)系統(tǒng)繼續(xù)發(fā)育，葉面指數(shù)超過了4，由于呼吸作用增強所造成的消耗也隨著增多，凈初級生產(chǎn)量不僅不再增加，反而開始減少)。因為人們經(jīng)營管理森林的一個重要目的就是期望獲得森林的最大凈初級生產(chǎn)量，顯然，在這

13、個森林生態(tài)系統(tǒng)的葉面指數(shù)達(dá)到4(而不是810)時進(jìn)行合理開采利用，是最為合算的。 在一個草場上，如果放養(yǎng)的牲畜過少，就不能充分利用牧草所能提供的能量；如果放養(yǎng)的牲畜過多，就會造成草場的退化，使畜產(chǎn)品的產(chǎn)量下降。只有根據(jù)草場的能量流動特點，合理確定草場的載畜量，才能保持畜產(chǎn)品的持續(xù)高產(chǎn)。 在農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)中，如果把作物秸稈當(dāng)燃料燒掉，人類就不能充分利用秸稈中的能量；如果將秸稈作飼料喂牲畜，讓牲畜糞便進(jìn)入沼氣池，將發(fā)酵產(chǎn)生的沼氣作燃料，將沼氣池中的沼渣作肥料，就能實現(xiàn)對能量的多級利用，從而大大提高能量的利用效率。第三節(jié) 生態(tài)系統(tǒng)的生物生產(chǎn)o 生物生產(chǎn)：是生態(tài)系統(tǒng)重要功能之一。生態(tài)系統(tǒng)不斷運轉(zhuǎn)，生物有

14、機體在能量代謝過程中，將能量、物質(zhì)重新組合，形成新的產(chǎn)品的過程，稱生態(tài)系統(tǒng)的生物生產(chǎn)。生物生產(chǎn)常分為個體、種群和群落等不同層次。o 生態(tài)系統(tǒng)中綠色植物通過光合作用，吸收和固定太陽能，從無機物合成、轉(zhuǎn)化成復(fù)雜的有機物。由于這種生產(chǎn)過程是生態(tài)系統(tǒng)能量貯存的基礎(chǔ)階段，因此，綠色植物的這種生產(chǎn)過程稱為初級生產(chǎn)（primary production），或第一性生產(chǎn)。o 初級生產(chǎn)以外的生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)，即消費者利用初級生產(chǎn)的產(chǎn)品進(jìn)行新陳代謝，經(jīng)過同化作用形成異養(yǎng)生物自身的物質(zhì)，稱為次級生產(chǎn)（secondary production），或第二性生產(chǎn)。 生物量和生產(chǎn)量o生物量（biomass）:某一特定觀察時刻，

15、某一空間范圍內(nèi)，現(xiàn)有有機體的量，它可以用單位面積或體積的個體數(shù)量、重量（狹義的生物量）或含能量來表示，因此它是一種現(xiàn)存量(standing crop)。 現(xiàn)存的數(shù)量以N表示，現(xiàn)在的生物量以B表示。現(xiàn)存生物量通常用平均每平方米生物體的干重(gm-2)或平均每平方米生物體的熱值來表示(J m-2 )。o生產(chǎn)量(production): 是在一定時間階段中，某個種群或生態(tài)系統(tǒng)所新生產(chǎn)出的有機體的數(shù)量、重量或能量。它是時間上積累的概念，即含有速率的概念。有的文獻(xiàn)資料中，生產(chǎn)量、生產(chǎn)力(production rate)和生產(chǎn)率(productivity)視為同義語，有的則分別給予明確的定義。o生物量和生

16、產(chǎn)量是不同的概念，前者到某一特定時刻為止，生態(tài)系統(tǒng)所積累下來的生產(chǎn)量，而后者是某一段時間內(nèi)生態(tài)系統(tǒng)中積存的生物量。生態(tài)系統(tǒng)總初級生產(chǎn)與凈初級生產(chǎn)o 初級生產(chǎn)過程可用下列方程式概述： 光能 6CO26H2O C6H12O6 6O2 葉綠素o 總初級生產(chǎn)(gross primary production,GP)與凈初級生產(chǎn)(net primary production,NP)：植物在單位面積、單位時間內(nèi)，通過光合作用固定太陽能的量稱為總初級生產(chǎn)(量)，常用的單位：J m -2 a-1 或 gDW m -2 a-1；植物總初級生產(chǎn)（量）減去呼吸作用消耗掉的（R），余下的有機物質(zhì)即為凈初級生產(chǎn)（量）。

17、二者之間的關(guān)系可表示如下： GPNP+R ； NPGPR影響初級生產(chǎn)的因素NPRCO2光光H2O營養(yǎng)營養(yǎng)取食取食O2溫度溫度陸地生態(tài)系統(tǒng)中，初級生產(chǎn)量是由光、二氧化碳、水、營養(yǎng)陸地生態(tài)系統(tǒng)中，初級生產(chǎn)量是由光、二氧化碳、水、營養(yǎng)物質(zhì)物質(zhì)(物質(zhì)因素物質(zhì)因素) 、氧和溫度、氧和溫度(環(huán)境調(diào)節(jié)因素環(huán)境調(diào)節(jié)因素)六個因素決定的。六個因素決定的。污染物污染物光合作用光合作用生物量生物量GP提高農(nóng)業(yè)初級生產(chǎn)力的途徑初級生產(chǎn)者包括綠色植物和化能合成細(xì)菌等 o 因地制宜，增加綠色植被覆蓋，充分利用太陽輻射能，增加系統(tǒng)的生物量通量或能通量，增強系統(tǒng)的穩(wěn)定性。 o 適當(dāng)增加投入，保護和改善生態(tài)環(huán)境，消除或減緩限制

18、因子的制約。 o 改善植物品質(zhì)特點，選育高光效的抗逆性強的優(yōu)良品種。 o 加強生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)部物質(zhì)循環(huán)，減少養(yǎng)份水分制約。 o 改進(jìn)耕作制度,提高復(fù)種指數(shù),合理密植,實行間套種,提高栽培管理技術(shù)。 o 調(diào)控作物群體結(jié)構(gòu)，盡早形成并盡量維持最佳的群體結(jié)構(gòu)。 生態(tài)系統(tǒng)次級生產(chǎn)生態(tài)系統(tǒng)次級生產(chǎn)w次級生產(chǎn)量的一般生產(chǎn)過程可以概括于下面的圖解中： 被更高營養(yǎng)級取食 凈次級生產(chǎn)量 被同化的 未被取食 食 動物吃進(jìn)的 呼吸代謝 物 動物得到的 未同化的 種 = 動物未吃進(jìn)的 群 動物未得到的 對一個動物種群來說，其能量收支情況可以用下列公式表示：C = A + F U其中其中C代表動物從外界攝食的能量，代表動物

19、從外界攝食的能量，A代表被同化能量，代表被同化能量，F(xiàn)U代表糞、尿能量。代表糞、尿能量。A項又可分解如下：項又可分解如下：A = P + R其中P代表凈生產(chǎn)量，R代表呼吸能量。綜合上述兩式可以得到：P = C F U R 生態(tài)系統(tǒng)中的次級生產(chǎn)生態(tài)系統(tǒng)中的次級生產(chǎn)生態(tài)系統(tǒng)中的次級生產(chǎn)過程生態(tài)系統(tǒng)中的次級生產(chǎn)過程我國農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的次級生產(chǎn)次級生產(chǎn)者:大農(nóng)業(yè)中的畜牧水產(chǎn)業(yè)和蟲、菌業(yè)生產(chǎn)都屬次級生產(chǎn)。o 生產(chǎn)結(jié)構(gòu)上：我國應(yīng)由以豬為主的單一結(jié)構(gòu)向禽、蛋、豬、水產(chǎn)多元結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變。加快發(fā)展家禽。 o 次級生產(chǎn)精料轉(zhuǎn)化效率低主要原因是飼料資源高度分散和蛋白質(zhì)飼料短缺。我國應(yīng)大力提高飼料轉(zhuǎn)化率，發(fā)展高蛋白質(zhì)飼料。 次級生產(chǎn)的改善途徑(以農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)為例)o 1.調(diào)整種植業(yè)結(jié)構(gòu)，建立糧 - 經(jīng) - 飼三元結(jié)構(gòu) 2.培育、改良、推廣優(yōu)良畜禽漁品種 3.將分散經(jīng)營適度集約化養(yǎng)殖 4.大力開發(fā)飼料，進(jìn)行科學(xué)喂養(yǎng) 5.改善次級生產(chǎn)構(gòu)成：發(fā)展草食動物、水產(chǎn) 業(yè)，發(fā)展腐生食物鏈，利用分解能等。 思考題o 舉例說明能量流動的渠道舉例說明能量流動的渠道o 生態(tài)系統(tǒng)中能量流動的特點是什么？生態(tài)系統(tǒng)中能量流動的特點是什么？o 以農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)為例以農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)為例,如何提高生態(tài)系統(tǒng)生如何提高生態(tài)系統(tǒng)生物生產(chǎn)力物生產(chǎn)力?