生态学-第五章-生态系统中的能量流动课件

第二节第二节 生态系统中的能量流动生态系统中的能量流动n一、生态系统的初级生产n二、生态系统的次级生产n三、生态系统中的分解n四、生态系统中的能量流动n五、生态系统中的信息流1、初级生产的基本概念、初级生产的基本概念 初级生产量或第一性生产量（初级生产量或第一性生产量（primary productionprimary production）植物所固定的太阳能或所制造的有机物质植物所固定的太阳能或所制造的有机物质.净初级生产量（净初级生产量（net primary productionnet primary production）:在初级生产过在初级生产过程中，植物固定的能量有一部分被植物自己呼吸消耗掉，剩程中，植物固定的能量有一部分被植物自己呼吸消耗掉，剩下的用于植物生长和生殖，这部分生产量称为净初级生产量。下的用于植物生长和生殖，这部分生产量称为净初级生产量。总初级生产量（总初级生产量（gross primary productiongross primary production）GP=NP+RNP=GPR 生产量生产量:指单位时间单位面积上的有机物质生产量。指单位时间单位面积上的有机物质生产量。生物量：指在某一定时刻调查时单位面积上积存的有机物生物量：指在某一定时刻调查时单位面积上积存的有机物 质，单位是克质，单位是克(干重干重)/m)/m2 2或或J/mJ/m2 2。一、生态系统中的初级生产一、生态系统中的初级生产T2、初级生产力的分布、初级生产力的分布 海洋净初级生产力的季节变动是中等程度的，而陆地生产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，夏季比冬季平均高力的季节波动则明显的大，夏季比冬季平均高60%60%。生态系统的初级生产量，还随群落的演替而变化。生态系统的初级生产量，还随群落的演替而变化。早期由于植物生物量很低，初级生产量不高。早期由于植物生物量很低，初级生产量不高。一般森林在叶面积指数达到一般森林在叶面积指数达到4 4时，净初级生产量最高时，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。近最大，系统由于保持在一动态平衡中，净生产量反而最小。水体和陆地生态系统的生产量都有垂直变化。如森林，一般乔木层最高，灌木层次之，草被层更低。如森林，一般乔木层最高，灌木层次之，草被层更低。水体也有类似的规律，不过水面由于阳光直射，生产量水体也有类似的规律，不过水面由于阳光直射，生产量不是最高，最高的是深数不是最高，最高的是深数m m左右，并随水的清晰度而变化。左右，并随水的清晰度而变化。2、初级生产的生产效率、初级生产的生产效率（1）陆地生态系统陆地生态系统 光、光、COCO2 2、水和营养物质是初级生产量的基本资源，温度是影响水和营养物质是初级生产量的基本资源，温度是影响光合效率的主要因素，而食草动物的捕食减少光合作用生物量。光合效率的主要因素，而食草动物的捕食减少光合作用生物量。3、初级生产量的限制因素、初级生产量的限制因素 富养化富养化N,P造成湖泊富养化的主要营养物质。蓝绿藻大量繁殖淡水生态系统（2）水域生态系统）水域生态系统 蓝绿藻无锡太湖区蓝绿藻无锡太湖区 海洋生态系统海洋生态系统光：是限制海洋初级生产量的一个重要因子。光：是限制海洋初级生产量的一个重要因子。1 1米深处，米深处，50%50%的光被吸收；的光被吸收；2020米深处，仅有米深处，仅有5-10%5-10%的光。的光。浮游植物的净生产力的计算公式：其中：其中：P P为浮游植物的净初级生产力的表示；为浮游植物的净初级生产力的表示；R R为相对光合作用为相对光合作用率；率；k为每米深光的衰变系数；为每米深光的衰变系数；C C为每立方米海水所含叶绿素的为每立方米海水所含叶绿素的克数。克数。营养物质：营养物质：N、P为主要限制因子，但却分布在深水层中。肥沃的土壤可含肥沃的土壤可含5%的有机质和的有机质和0.5%的的N，可生长可生长50kg/m2（干重）；干重）；富饶的海水只有富饶的海水只有0.00005%的的N，只能维持不足只能维持不足5g/m2（干重）的浮游植物的干重）的浮游植物的生存。生存。4、初级生产量的测定方法(1)、收获量测定法(2)、氧气测定法(3)、二氧化碳测定法(4)、放射性标记物测定法(5)、叶绿素测定法(1)、收获量测定法1)、陆生定期收获植被，烘干至恒重；2)、以每年每平方米的干物质重量表示；3)、以其生物量的产出测定，但位于地下的生物量，难以测定；4)、地下的部分可以占有40%至85%的总生产量，因此不能省略。(2)、氧气测定法（黑白瓶法）黑黑瓶瓶（呼吸作用呼吸作用）白瓶白瓶(净光合作用净光合作用)对照瓶对照瓶（消除误差）（消除误差）放放置置于于水水样样深深度度处处一定时间后，测各瓶的含氧量变化，求初级生产量一定时间后，测各瓶的含氧量变化，求初级生产量总光合量净光合量呼吸量p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)。(3)、二氧化碳测定法（1）用塑料罩将生物群落的一部分套住；（2）测定进入和抽出空气中的CO2；（3）透明罩：测定净初级生产量；（4）暗罩：测定呼吸量。(4)、放射性标记物测定法1)、用放射性14C測定其吸收量，即光合作用固定的碳量；2)、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/C6H12O63)、确定光合作用固定的碳量；4)、因为浮游植物在黑暗中也能吸收14C,需用“暗呼吸”作校正。(5)、叶绿素测定法1)、植物定期取样；2)、丙酮提取叶绿素；3)、分光光度计测定叶绿素浓度；4)、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。次级生产量的一般生产过程可以概括于下面的图解中：次级生产量的一般生产过程可以概括于下面的图解中：1、次级生产量的生产过程、次级生产量的生产过程对一个动物种群来说，其能量收支情况可以用下列公式表示：C=A+FU其中其中C代表动物从外界摄食的能量，代表动物从外界摄食的能量，A代表被同化能量，代表被同化能量，FU代表粪、尿能量。代表粪、尿能量。A项又可分解如下：项又可分解如下：A=P+R其中P代表净生产量，R代表呼吸能量。综合上述两式可以得到：P=CFUR二、生态系统中的次级生产二、生态系统中的次级生产19 未捕获未捕获(876.1g)猎物种群生产量猎物种群生产量(886.4g)被捕获被捕获(10.3g)被吃下被吃下(7.93g)I未吃下未吃下(2.37g)未同化未同化(0.63g)同化同化(7.3g)A净次级生产净次级生产(2.7g)P呼吸呼吸(4.6g)R次级生产量2、次级生产量的测定(1)、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(2)、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3、次级生产的生态效率(1)、消费效率1)、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 草本植物支持组织少，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 2)、食肉动物对猎物的消费效率研究较少 脊椎动物捕食者50100%，无脊椎动物捕食者25%2)、同化效率草食、碎食动物同化效率低，肉食动物高肉食动物的净生长率低于草食动物 3)、生产效率不同动物类群有不同的生长效率23 林德曼(Lindeman)效率十分之一法则：每通过一个营养级，其有效能量大约为前一营养级的1/10。1、分解过程的性质分解过程的性质 无机的元素从有机物质中释放出来，称为矿化。分解作用分解作用是一个很复杂的过程，它包括碎裂、异化和淋溶碎裂、异化和淋溶三个过程的综合。由于物理的和生物的作用，把尸体分解为颗粒状的碎屑称为碎裂；有机物质在酶的作用下分解，从聚合体变成单体，例如由纤维素变成葡萄糖，进而成为矿物成分，称为异化；淋溶则是可溶性物质被水所淋洗出，是一种纯物理过程。在尸体分解中，这三个过程是交叉进行、相互影响的。三、生态系统中的分解三、生态系统中的分解分解过程是由一系列阶段所组成的，从开始分解后，物理的和生物的复杂性一般随时间进展而增加，分解者生物多样性也相应增加。分解者中有些具特异性，只分解某一类物质，另一些无特异性，对整个分解过程起作用。随分解过程的进展，分解速率逐渐降低，待分解的有机物质的多样性也降低，直到最后只有矿物的元素存在。最不易分解的是腐殖质，它主要来源于木质。2、分解者分解者细菌、真菌、动物细菌、真菌的两类适应：(1)、生长型(2)、营养方式动物类群：(1)、小型土壤动物(2)、中型土壤动物(3)、大型土壤动物水生生态系统水生生态系统的分解者动物通常按其功能可分为下列几类：碎裂者，如石蝇幼虫等，以落入河流中的树叶为食；颗粒状有机物质搜集者，可分为两个亚类，一类从沉积物中搜集，例如摇蚊幼虫和颤蚓；另一类在水柱中滤食有机颗粒，如纹石蛾幼虫和蚋幼虫；刮食者，其口器适应于在石砾表面刮取藻类和死有机物，如扁蜉蝣若虫；以藻类为食的食草性动物；捕食动物，以其他无脊椎动物为食，如蚂蟥，蜻蜓幼虫和泥蛉幼虫等。3、资源质量与分解作用的关系资源质量与分解作用的关系 待分解资源在分解者生待分解资源在分解者生物的作用下进行分解，物的作用下进行分解，因此资源的物理和化学因此资源的物理和化学性质影响着分解的速度。性质影响着分解的速度。资源的物理性质包括表资源的物理性质包括表面性和机械结构；面性和机械结构；资源的化学性质则随其资源的化学性质则随其化学组成而不同。化学组成而不同。4、理化环境对分解的影响(1)、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)；(2)、分解生物的相对作用 无脊椎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。营养物质的浓度影响分解过程营养物质的浓度影响分解过程 如，分解者生物身体组织中含如，分解者生物身体组织中含N N量高，其量高，其CNCN约为约为101101，即微生物生物量每增加即微生物生物量每增加11g11g就需要有就需要有1gN1gN的供应量。的供应量。但大多数待分解的植物组织其含但大多数待分解的植物组织其含N N量比此值低得多，量比此值低得多，CNCN为为4040 801801。因此，因此，N N的供应量就经常成为限制因素，分解速率在很大的供应量就经常成为限制因素，分解速率在很大程度上取决于程度上取决于N N的供应。的供应。而待分解资源的而待分解资源的CNCN比，常可作为生物降解性能的测度指比，常可作为生物降解性能的测度指标。最适标。最适CNCN比大约是比大约是2525 301301。33分解指数nK=I/X K：分解指数，：分解指数，I：死有机物年输入总量，：死有机物年输入总量，X：系统：系统中死有机物质现存量中死有机物质现存量 n规律：规律：n热带雨林最高，大于热带雨林最高，大于1 n温带草地高于温带阔叶林温带草地高于温带阔叶林 n冻原最低冻原最低四、生态系统的能量流动四、生态系统的能量流动1、研究能量传递规律的热力学定律、研究能量传递规律的热力学定律生态系统是一个热力学系统，生态系统中能量的传递、转换遵循热力学的两条定律：第一定律第一定律：能量守恒定律，能量可由一种形式转化为其他形式的能量，能量既不能消灭，又不能凭空创造。第二定律第二定律：熵律，任何形式的能（除了热）转化到另一种形式能的自发转换中，不可能100被利用，总有一些能量作为热的形式被耗散出去。对生态系统中的能量流动进行研究可以在食物链和生态系食物链和生态系统层次上进行统层次上进行，所获资料可以互相补充，有助于了解生态系统的功能。在食物链层次上进行能流分析是把每一个物种作为能量从生产者到顶位消费者移动中的一个环节，当能量沿着一个食物链在几个物种间流动时，测定食物链每一环节上的能量值，就测定食物链每一环节上的能量值，就可提供可提供 生态系统内一系列特点上能流的详细和准确资料。生态系统内一系列特点上能流的详细和准确资料。2、食物链层次的能流分析、食物链层次的能流分析2、生态系统层次的能流分析、生态系统层次的能流分析n依据物种的主要食性，将每个物种都归属于一个特定的营养级，然后精确地测定每一个营养级能量的输入值和输出值。生态系统层次上能流研究的步骤生态系统层次上能流研究的步骤n确定组成生态系统生物组成部分的有机体成份；n 确定消费者的食性，确定消费者的分类地位；n 确定有机体的营养级归属，进而确定：n各营养级的生物量，n各营养级能量或食物的摄入率，n同化率，n呼吸率，n由于捕食、寄生等因素而引起的能量损失率；n 结合各个营养级的信息，获得营养金字塔或能流图。能量单位：cal cm-2 a 1。呼吸29.3+未利用78.2+分解3.5总初级生产量111.0，能量守恒总总初级生产量初级生产量111.0植食动物植食动物15.0肉食动物肉食动物3.0分解分解3.0分解分解0.5分解分解微量微量呼吸呼吸23.0呼吸呼吸4.5呼吸呼吸1.8未利用未利用70.0太阳能太阳能118872未利用未利用7.0未利用未利用1.2未吸收未吸收的能的能118761美国明尼达州塞达波格湖的能流分析美国明尼达州塞达波格湖的能流分析波格湖生态系统营养动态简图波格湖生态系统营养动态简图波格湖生态系统能量金字塔波格湖生态系统能量金字塔3.03.0 cal cm-2 a 1 111.0111.0 cal cm-2 a 1 15.015.0 cal cm-2 a 1 森林生态系统的能流森林生态系统的能流生态系统的能流模型生态系统的能流模型1、自养生态系统 靠绿色植物固定太阳能的生态系统。2、异养生态系统 主要依靠其他生态系统所生产的有机物输入来维持的生态系统。3、异养生态系统的能流分析 应特别注意其他生态系统的有机物输入。五、异养生态系统的能流分析六、生态系统中的信息流六、生态系统中的信息流n1、信息n信息，源于通讯工程科学，通常指包含情报、信号、消息、指令、数据、图象等传播形式中新的知识 内容。n在生态系统中，环境可以看作一种信息源，如温度、光照、季节的变化，动物的行为、植物的化学行为等n信息流使生态系统产生了自动调节机制n2、信息传递n(1)、分类：物理信息、化学信息、行为信息和营养信息n(2)、物理信息：1)、光信息2)、声信息3)、电信息 鱼类放电现象4)、磁信息 鸽子磁与飞行(3)、化学信息1)、动植物间的化学信息 花粉与蜜蜂2)、动物间的化学信息 动物的性信息素、尿标记领地3)、植物间的化学信息 植物化感作用(4)、行为信息(5)、营养信息 食物链中的营养级间能流和物质循环关系