农业生态学国家精品课程课件(第三章)

第三章能量流动Chapter3Energyflow2020/6/301国家级精品资源共享课2020/6/30国家级精品资源共享课2一、能量转移二、农业生态系统遵守能量流动的基本规律三、食物是农业生态系统中的能量载体四、农业生态系统的能源、能流途径和能效五、农业生态系统的能流调控主要内容2020/6/30国家级精品资源共享课3（一）能量转移植物利用太阳能，通过光合作用生产食物能，食物能通过食物链和食物网，从一个营养级传递到另一个营养级。太阳能绿色植物食草动物食肉动物一、能量转移食草动物食肉动物2020/6/304国家级精品资源共享课TherelationshipbetweenmatterandenergyOnceenergyistransformedintoheat,itcannolongerbeusedbylivingorganismstodoworkortofuelthesynthesisofbiomass,theheatislosttotheatmosphereandcanneverberecycled.LifeonEarthispossiblebecauseafreshsupplyofsolarenergyismadeavailableeveryday.Incontrast,nutrientssuchascarboncanbereused.Chemicalnutrients,thebuildingblocksifbiomass,canbeusedagain,andrecyclingisacriticalfeature.Unliketheenergyinsolarradiation,nutrientsarenotinunalterablesupply.Ifplants,andtheirconsumerswerenoteventuallydecomposed,thesupplyofnutrientswouldbecomeexhaustedandlifeonEarthwouldcease.2020/6/305国家级精品资源共享课2020/6/30国家级精品资源共享课61.流—生态系统中能量和物质不断地被吸收、贮存和转移的运动状态。能量的转移—能量流。物质的转化—物质流。流量要多，流速要快增加流量的方法：提高能量转化效率、减少消耗增加流速的方法：缩短周转周期、提高周转速率（二）流、库、环的概念及应用2020/6/30国家级精品资源共享课72.库—能量和物质在运动过程中暂时被吸收和贮存的单位。库要大、库效率要高。（1）植物库：库大—土地利用充分、植物产品多；库效率高—光合效率高（2）动物库：库大—种群多数量大、动物产品多；库效率高—出栏率高，产肉蛋奶多（3）土壤库：库大—土壤肥力高而稳库效率高—养分损失少，利用率高2020/6/30国家级精品资源共享课83.环—各种库将流连接起来形成的整体。环结构要合理环流库是相互联系的。库要大、效率高；环结构要合理；流要多且流畅。2020/6/30国家级精品资源共享课9（一）热力学第一定律二、农业生态系统遵守能量流动的基本规律（二）热力学第二定律1.能量传递有一定的方向，是不可逆的。2.能量转化过程中存在着衰变现象，必然有能量的耗散。3.为了判断能量流动的方向和限度，用自由能和熵来描述。2020/6/30国家级精品资源共享课10Thefirstlawofthermodynamicsstatesthatenergycanneitherbecreatednordestroyed.Thesecondlawofthermodynamicsstatesthateverytransformationresultsinareductionofthefreeenergyofthesystem.Becauseenergytransformationcannotbe100%efficient(fromthesecondlaw),heterotrophsmusthavelessenergy,andmustthereforeberarerthantheplantstheyfeedon.Thecomplexityofecologicalinteractionsmeansthatitisnotpossibletoconstructpredictivemathematicalmodelsoflivingsystemsbasedontheselawsofthermodynamics.Ecosystemsandthelawsofthermodynamics2020/6/30国家级精品资源共享课11（三）耗散结构理论€普里高津耗散结构理论Prigogine’sdissipationstructuretheory指开放系统在远离平衡态的非平衡态下，系统可能出现的一种稳定的有序结构。€表明：一个远离平衡态的开放系统，通过与外界环境进行物质、能量的不断交换，就能克服混乱状态，维持稳定状态并且还有可能不断提高系统的有序性，使系统的商减少。2020/6/30国家级精品资源共享课121.根据热力学第一定律，可以对农业生态系统的能量流进行定量研究。2.在农业生态系统能量流中，只有少部分转化成有机形态的化学潜能储存起来，大部分转化成热能而耗散。3.能量流的流动方向是不可逆的，能量只能称为转化或转移，而不能是循环。4.为了维持农业生态系统的稳定，应不断的向系统输入能量，减少熵。(四)热力学定律在农业生态系统中的应用2020/6/30国家级精品资源共享课13（一）食物链1.定义：生态系统中，来源于植物的食物能通过一系列吃与被吃的关系，把生物紧密的联系起来，形成以食物营养为中心的链索关系即食物链。典型的食物链：植物→食草动物→一级食肉动物→二级食肉动物→顶级食肉动物三、食物是农业生态系统的能量载体Autotrophicorganismsassimilateinorganicresourcesintopackagesoforganicmolecules.Therebecometheresourcesforheterotrophswhichthenbecomearesourceforanotherconsumer.Ateachlinkinthisfoodchainwecanrecognizethreepathwaystothenexttrophiclevel:decomposition,parasitismandpredation.Consumersmaybegeneralists(polyphagous),takingawidevarietyofpreyspeciesormayspecializeonsinglespeciesorarangeofcloselyrelatedspecies(monophagous).Pathwaysofnutrientflow2020/6/3014国家级精品资源共享课食物链2020/6/3015国家级精品资源共享课Acharacteristicofanecosystemisthenumberandnatureofthespeciesthatoccupyitsvarioustrophiclevels.Therelationshipbetweenconstituentsofonetrophiclevelandconstituentsofadjacenttrophiclevelsmaybedescribedbyafoodchain.Thisisachainofeatingandbeingeatenthatconnects,forexample,carnivorousanimalstotheirultimateplantfood.Manyfoodchainsexistinanygivenecosystemandcanbecombinedintofoodwebs.Ecosystemsvaryconsiderablyinthepatternoftheirenergy-nutrientwebs.Interactionsbetweentrophiclevels2020/6/3016国家级精品资源共享课Top-downorbottom-up?Ithasbeenarguedthattheearthisgreenandvegetatedbecauseherbivorenumbersareregulatedbytheirpredators(top-downcontrol),whilstallothertrophiclevelsareregulatedbycompetitionforresources(bottom-upcontrol).Thissimplemodelisattractivebutofdoubtfulvalue.Herbivorespeciesarehighlyconstrainedintherangeofplanttissuetheycaneat,duetoplantdefences,andhencemaybelimitedbycompetitioneveniftheworldisgreen.Further,atagrosslevel,plantsarenotenergy-limitedbutspacelimited,soanyspaceclearedbyherbivoryopensopportunitiesformoreplants.2020/6/3017国家级精品资源共享课一个食物链的例子“螳螂捕蝉，黄雀在后”螳螂捕蝉，黄雀在后！哈！哈！植物汁液蝉(初级消费者)螳螂(二级消费者)黄雀(三级消费者)鹰(四级消费者)(顶极食肉动物)2020/6/3018国家级精品资源共享课食物链的基本类型（四种）（1）捕食食物链，又称为活食或草食食物链海洋中：浮游植物→浮游动物→虾→鱼草原上：草→羚羊→老虎农田中：水稻→蝗虫→青蛙农业生产中：作物秸秆→牛→人（2）腐生食物链，又称碎屑或残渣食物链农业上用秸秆、粪便生产沼气棉籽壳、稻草培育蘑菇2020/6/3019国家级精品资源共享课（3）寄生食物链植物型：大豆→菟丝子动物型：哺乳动物→跳蚤→原生动物→细菌→病毒；马→蛔虫（4）混合食物链稻草→牛（牛粪）→蚯蚓→鸡（鸡粪）→猪（猪粪）→鱼；稻→螟→赤眼蜂；菜（温棚）→鸡（鸡粪）→沼气（沼渣）→肥田2.营养级：生物在食物链上所处的位置，即食物链上每一个环节称为营养级。2020/6/3020国家级精品资源共享课2020/6/30国家级精品资源共享课21海洋生态系统的食物链生产者420×108吨／年食草动物64×108吨／年第1级食肉动物10×108吨／年第2级食肉动物1.5×108吨／年第3级食肉动物0.22×108吨／年TheTrophicPyramid:AModelofConsumption2020/6/3022国家级精品资源共享课2020/6/30国家级精品资源共享课23海洋与陆地生态系统的食物链2020/6/30国家级精品资源共享课24（1）同一食物链中常含有食性和生活习性极不相同的生物。（2）同一生态系统中可能有多条食物链，各种食物链相互联系，协同发挥作用。（3）自然生态系统中，营养级的数目是有限的。（4）不同生态系统中，各类食物链的比重不同。森林生态系统：腐生食物链占生产有机物的90%草原生态系统：腐生食物链占生产有机物的70%农田生态系统：腐生食物链占生产有机物的20%~30%3.食物链的基本特征2020/6/30国家级精品资源共享课251.食物网和营养结构的概念食物网：生态系统中，一种生物常常以多种生物为食，同一生物又常常被多种生物取食，于是食物链交错起来，多条食物链相互连接、形成的网状结构。营养结构：以营养为纽带，把生物与环境、生物与生物，紧密连接起来的结构。（二）食物网和生态系统的营养结构FoodWebsIllustrateComplexTrophicRelationships2020/6/3026国家级精品资源共享