农业生态系统的能流教学教程.ppt

,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第三章 农业生态系统的能流,3-1,热力学定律,3-2,食物链、,食物网,3-3,生态系统的能流分析,3-4,农业生态系统的能流,3-5,农业生态系统的,能流分析,主菜单,退出,3-1,热力学定律,一、热力学第一定律（能量守恒定律）,U,（系统内能变化）,=Q,（吸热）,-W,（对外作功）,能量可以在不同介质中传递，也可以在不同形式间转换，但在所有这些过程中能量保持恒定，既不能创生，也不会消灭。,二、热力学第二定律,1.,能量的转换不可能达到百分之百有效。,2.,自由能的提高不可能是一个自发过程。,主菜单,退出,主目录,3-1,热力学定律,三、,熵,(entropy),1.,熵,(entropy):,系统热量除以温度后得到的商。,S=Q/T,熵是系统无序性的量度。,2.,热力学第二定律,（,1,）在一个内能不变的封闭系统中，任何自发过程均朝着熵值增加的方向进行。,（,2,）开放系统从一个平衡状态到另一个平衡状态的任何过程，均使系统与环境熵值之和增加。,3-1,热力学定律,三、耗散结构理论,1.,耗散结构,(dissipative structure),：开放系统在远离平衡态的非平衡状态下，系统可能出现的一种稳定的有序结构。,(Prigogine),2.,耗散结构理论：一个远离平衡态的开放系统，通过与外界进行物质与能量的不断交换，就能克服混乱状态，维持稳定状态，并且不断提高系统的有序性，使系统的熵减少。,3.,有机体,和,生态系统,都是远离平衡态的开放系统，存在一种连续而有效的能量转换，因而都属于耗散结构。,光合与同化：引入负熵，保持有序状态,呼吸与作功：排除正熵，排除无序,3-2,食物链,一、食物链（,food chain,）和营养级（,trophic level,）：,1.,食物链（,food chain,）：生态系统成员间，通过食物营养关系彼此联系起来的序列。,2.,营养级（,trophic level,）：食物链上的每一个食性级。以符号,T,来表示，,T,1,表示第一营养级，,T,2,表示第二营养级，,T,3,T,n,余此类推。,食物链是生态系统内生物与生物之间相互联系的一种主要形式，是物质循环和能量流动的主要路径。,3-2,食物链,二、食物链的种类,按性质不同分为四类：,（,1,）捕食食物链（又称草牧食物链,gazing food chain,）：是由植物到草食动物，再到肉食动物，直接消耗活有机体或其部分的食物链。在陆地上起始于绿色植物，在水中起始于浮游植物。,如：,水稻,稻飞虱,青蛙,蛇,老鹰,人,（,2,）腐生食物链（又称,残渣食物链,detritus food chain,）：由多种微生物构成，是以死有机体为营养源，通过腐烂、分解，将有机物还原为无机物质的食物。,如：,秸杆（畜粪）,食用菌,垃圾,蚯蚓（蜗牛）,next,3-2,食物链,（,3,）寄生食物链（,parasite food chain,）：以寄生的方式取食活着生物有机体。食物链成员有自大到小的趋势。,如：,大豆,菟丝子 马,蛔虫,原生动物,红铃虫,金小蜂,（,4,）混合食物链：构成食物链的各营养级中，既有活食生物成员，也有腐食生物成员。,如：,稻草,牛,蚯蚓,鸡,猪,鱼,主菜单,退出,主目录,return,主菜单,退出,主目录,3-2,食物链,三、生态系统中食物链的基本特点,1.,在同一个食物链中，常包含有食性和其它生活习性极不相同的多种生物。,一条食物链中包含的多种生物，可以使光合产物得到充分利用（分级利用光合产物），在有限的空间中养活众多生物。,2.,在同一生态系统中，可能有多条食物链，它们长短不一，营养级数目不等。如一个鱼塘生态系统中：,藻类水草,草鱼 绿藻,甲壳动物,花鲢,浮游植物,浮游动物,虾,噘鱼,自然生态系统中，食物链营养级的数目是有限的,主菜单,退出,主目录,3-2,食物链,3.,不同生态系统中各类食物链所占比重不同。,(1),森林生态系统：腐生食物链比重最大，约占系统中生产者所生产的有机物质的,90%,以上。,(2),草原生态系统（牧场）：腐生食物链约占,70%,左右。,(3),农田生态系统：植物生产的有机质大部分作为产品，留给腐生食物链的仅占净初级生产的,2030%,。如果不通过粪肥、秸杆还田等途径向系统补充有机质，则系统中腐生食物链上的生物群落将会因为缺少食物能而衰退，引起土壤肥力的下降。,4,在任何一生态系统，各类食物链有协同作用。,3-2,食物链,三、食物网,食物网（,food web),：在生态系统中，各种食物链交错起来构成的网状结构。,食物网本质上是生态系统中有机体之间一系列反复的吃与被吃的相互关系。,营养结构：以营养为纽带，把生物与生物、生物与环境紧密联系起来的结构。,主菜单,退出,主目录,主菜单,退出,主目录,3-3,生态系统中的能源,一、,太阳辐射能,二、,辅助能,主菜单,退出,主目录,3-3-1,太阳辐射能,一、,太阳辐射能,是所有生态系统最主要能量来源,可见光：,0.40.76,50%,生理效应,红外线：,0.76,43%,引起热能,紫外线：,0.4,7%,引起生物变性，致死,太阳常数：,So=1.94cal/cm,2,.min,到达地球表面的太阳辐射能强度，因纬度、地形地貌、坡度坡向、气候因子而不同。,太阳辐射能量到达地球表面的分配,示意图,主菜单,退出,返回,主目录,主菜单,退出,返回,主目录,3-3-2,辅助能,二、辅助能,辅助能：生态系统中，除了太阳能以外的其它一切补加能量。,包括自然能和人工能补给，如沿海河口潮汐的作用，风力的作用以及降雨和蒸发的作用等。,对农业生态系统，辅助能主要构成是人们从事农业生产各项活动中投入的能量，当然，也继承了自然生态系统中的自然辅助能。,主菜单,退出,返回,主目录,3-4,生态系统的能流分析,一、,能流路径,二、,生态效率,三、,生态金字塔,主菜单,退出,主目录,3-4-1,能流路径,一、能流路径,研究生态系统中能量流动，在于了解一个系统的能量输入、贮存以及作功之间的相互关系，从而减少能量损耗，提高能量利用效率。,生态系统中能量是沿着食物链流动的：,T,n-1,T,n,NUn NAn Rn,NP,n-1,摄入量,In An NPn,注,：,NP,：净生产量,A,：同化量,Nu,：未同化量,NA,：未同化量,主菜单,退出,返回,主目录,3-4-2,生态效率,二、生态效率,生态效率：能量通过各营养级的转化效率。,1,营养级之间（,T,n-1,T,n,）,（,1,）,摄入效率,I,n,/I,n-1,（,2,）,同化效率,A,n,/A,n-1,（,3,）,生产效率,NP,n,/NP,n-1,2,营养级内部,（,1,）,同化效率：,A,n,/I,n,（,2,）,生态生长效率：,NP,n,/I,n,（生产效率）,（,3,）组织生长效率：,NP,n,/A,n,主菜单,退出,返回,主目录,3-4-3,生态金字塔,三、生态金字塔,1.,生态金字塔：营养级由低到高，它们的个体数或能量的分布形成一个塔形结构，就称为生态金字塔。,2.,三种基本类型：,（,1,）生物个体数,数目金字塔,（,2,）每种生物的现存生物量,生物量金字塔,（,3,）能量,能量金字塔,主菜单,退出,返回,主目录,return,主菜单,退出,返回,主目录,return,主菜单,退出,返回,主目录,return,主菜单,退出,返回,主目录,3-5,农业生态系统的能流,一、,能源,二、,人工辅助能提高农业生态系统生产力的原因,三、,工业辅助能的使用所带来的一系列的问题,主菜单,退出,主目录,4-5-1,能源,一、能源,生物界的能源，直接、间接地来源于太阳的辐射能。,农业生态系统有大量的人工辅助能输入，同时有大量的能量以农产品的形式输出系统外。太阳能仍是主要能量来源，但辅助能所占的比例大大提高了。,自然辅助能,辅助能 工业能：农药、化肥、农机、电力、,燃料、薄膜、设施,人工辅助能 生物能：劳动、畜力、有机肥、燃料,食物能：种子、种苗、饲料、,种畜、种禽,主菜单,退出,返回,主目录,3-5-2,人工辅助能提高农业生态系统生产力的原因,二、人工辅助能提高农业生态系统生产力的原因,1,辅助能的投入，促进农作物对太阳能的吸收、利用和转化。,2,减少农业生物的非生产能量损耗。,3,使农业生产中的一些自然生物过程可以用人工过程取代，提高效率。,主菜单,退出,返回,主目录,4-5-3,工业辅助能的使用所带来的一系列的问题,三、工业辅助能的使用所带来的一系列的问题,1,辅助能的效益随着辅助能的增加而降低。,2,能源紧张。,3,化肥农药对农业环境造成污染。,主菜单,退出,返回,主目录,3-6,农业生态系统的能流分析,一、,能流符号,二、,能流分析法,输入输出过程分析法,三、农业生态系统的能流模型,主菜单,退出,主目录,4-6-1,能流符号,一、能流符号,主菜单,退出,返回,主目录,3-6-2,能流分析法,二、,能流分析法,1,确定研究对象和系统边界。,2,确定系统的组成成分及相互关系，绘出能流图。,3,搜集资料，确定各种实物的流量与输入输出量。,直接从有关统计资料中得到。,到实地进行调查获取资料。,间接估算，利用他人的成果。,4,将各种实物流量折算成能量，标在能流图上。,主菜单,退出,返回,主目录,3-6-2,能流分析法,5,结果分析。,（,1,）输入能量的结构分析。,（,2,）产出能量的结构分析。,（,3,）能量输入密度。,（,4,）能量产出密度。,（,5,）各种能量的转换效率。,人工辅助能效率,=,总产出能量,/,人工辅助能投入量,工业辅助能效率,=,总产出能,/,工业辅助能投入量,各种生态效率,主菜单,主目录,退出,返回,3-6-3,农业生态系统的能流模型,三、,农业生态系统的能流模型,进入农业生态系统的能流，,是沿着以农田、草地、林果、水域,为发端的几条主要食物链运行的。,由于畜禽（鱼）、加工业,及作为消费者的,人,的存在，在这些食物链的下游形成了交错复杂的网状结构。,3-6-3,农业生态系统的能流模型,（一）农田亚系统：,农业生态系统主体、辅助能投入重点,输出的能流：人、畜禽、城市、还田,（二）畜禽亚系统：,（三）林果亚系统：,个体大，生育期长，强自我维持能力和光能转化，生态效益（保持水土、改善气候、稳定良好的生态环境、为病虫害的天敌活动提供保护），提供多样化食品、生产资料和生活资料，改善农村景观,（四）加工业亚系统：,