农业可持续发展基本理论

农业生态系统能量流动 路径示意图
微生物
排泄物死亡体
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食肉动物
第一条路径 排泄物死亡体 第二条路径
第四条路径
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农业生态系统能量流动的基本定律
❖ 热力学第一定律——能量守恒定律 ❖ 热力学第二定律——能量衰变定律 ❖ 熵（entropy)与耗散结构 ❖ 生态金字塔定律 ❖ 林德曼效率 ❖ 农业生态系统的能量生产 ❖ 辅助能量
过程 精选ppt
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生物小循环示意图
消费者
腐屑
分解者
食物基础
可利用的 营养物质
储存
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气象型循环和沉积型循环
❖ 气象型循环
储藏在大气圈和水圈中的元素通过大气进行弥漫， 很短时间内被植物物所利用，然后生物在转化过 程中释放的物质再经过大气和降雨回到大海和大 气。
❖ 沉积型循环
储藏在地下的元素经过风化或者开采冶炼释放出 来为植物吸收，参与生命物质的形成。沿着食物 链转移分解释放，一部分被植物吸收，大部分以 溶液或沉积物状态随流水进入江河，汇入大海， 经过沉降，淀积变成岩石
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物流的特征
❖ 生物量与现存量
在某一特定的观察时刻，单位面积或体积内积存的有机物 质总量称为生物量。又称为现存量。生产量是现存量与 减少量之和。要提高现存量，关键是要增加生产量和降 低减小量
❖ 周转率与周转期
周转率是指系统达到稳定状态后，某一组分中的物质在单 位时间内所流出或流入的量站库存总量的份额。周转期 是周转率的倒数，表示该物质全部更换需要的时间。
❖ 生态金字塔理论意义 食物链长，塔的层次多，能量消耗多，储存少， 系统不稳定。反之，食物链短，塔的层次低，能 量消耗小，储存量大，系统稳定。但是食物链过 短，能量利用率低，浪费大。
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林德曼效率
❖ 美国生态学家林德曼20世纪30年代发现营 养级之间的能量转化效率大致为1/10，其 余9/10都被呼吸，排泄等消耗了。此后人 们研究发现，能量在营养级之间的转化率 为10%—20%。
食草动物
分 解
还
原
食肉动物
者
大型食肉动物
环境系统
太阳能
降水
肥料
农 业
土壤
排灌水
技 术
植物（作物、杂草）
耕作
系
农
业
动物、家禽
统 农药
生
害虫
物
育种
系 统
饲养
人类
能量损失
农业经济系统
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农业生态系统基本功能
❖ 能量流。 除了自然生态 ❖ 信息流。 不但保留了自
系统的太阳能通过食物链 然生态系统信息流以外，
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4
自然生态系统
地球上主要生精选态p系pt 统示意图
5
❖ 自然生态系统功能
1. 能量流动。 自然生态系统能量来自于太阳辐射， 能量沿着生产者—消费者—分解者单向流动， 是驱动一切生命活动的齿轮。
2. 物质循环。生态系统中的物质，主要指生物为 维持生命所需要的各种营养物质，沿着食物链 在不同营养级生物之间传递，最终归还给环境。
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农业生态系统的能量来源
❖ 日光能
日光能是太阳放射出来的广谱电磁波组成。日光能进入大 气层后，大部分转化为热能，温暖了地球。少部分被绿 色植物吸收，参与到生态系统的能量转化与流动
❖ 生物化学能
生物化学能是储存在有机化合物中的一种潜在的能量。生 物化学能一部分来自于日光能通过光合作用转化固定在 植物中的化学能，另一部分来自食物链转化导致物体和 微生物体中的化学能。
❖ 水循环。 水是生物体的主要组成部分，在生物 体中占到70%。水溶解各种物质和营养补充进生 物体中。海洋被蒸发，输入内陆遇冷凝下降到陆 地形成径流，再流入大海。
❖ 氮、磷、钾循环。氮磷钾是植物生长过程中的基 本营养物质。通过太阳辐射、生物分解等各种方 法把大气中的氮磷钾转移到土壤中，再通过水溶 解被植物吸收。
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地质大循环与生物小循环
❖ 地质大循环是指物质或元素经生物体的吸收与作 用，从环境进入生物有机体内，生物有机体在以 死体、残体或排泄物形成物质或元素返回环境， 进入大气、水、岩石、土壤和生物五大自然圈层 的循环。时间长、范围广，是一种闭合时循环。
❖ 生物小循环是指环境中的元素经生物体吸收，在 生态系统中被多次利用，然后经过分解者的作用， 再为生产者吸收、利用。生物小循环时间短、范 围小，是开放式的循环
3. 信息传递。物理信息、化学信息、营养信息、 生物遗传信息在生物与环境之间的传递。
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典型陆地生态系统结构
消费者
生
（动物）
物
群
落
生产者
分解者
生
（植物）
（微生物）
态
系
物理环境对
统
有机体对物
有机体影响
理环境影响
能量流
物质流 物
理
环
气候
境
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农业生态系统
太阳能
降水
土壤 植物（即出生产）
成化合物在生物系统中的 后就产生了价值。
流转。
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二、农业生态系统物质循环理论
❖ 物质循环基本概念和类型 ❖ 物资循环中的库与流 ❖ 物质流动特征 ❖ 生态系统内能流域物流的关系 ❖ 农业生态系统物质循环
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物质循环的基本概念和类型
❖ 概念：地球上的各种化学元素和营养物质 在自然动力和生命动力的作用下，在不同 层次的生态系统内，乃至整个生物权，沿 着特定的途径从环境到生物体，再从生物 体到环境，不断地进行流动和循环，构成 了生物地球化学循环。那些对生命活动必 不可少的各种元素和无机物的运动统称为 营养物质循环。
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热力学第二定律——能量衰变定律
❖ 自然界所有的自发过程都是能量从际中转变为分 散型衰变过程，而且是不可逆的过程。由于总有 一些能量在转化过程中要变为不可利用的热能， 所以任何能量的转化都不可能达到100%。
❖ 生态系统中能量转化始于太阳辐射的一些列能量 转化过程，只有少量的能量转化为在职物体活动 物体的化学潜能，大部分已热能的形似消耗在维 持动植物生命活动或微生物的分解过程中。这些 散发的能量是一种毫无利用价值的能量形式，因 此，生态系统的能量流动是不可逆的。
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物质循环的库与流
❖ 库：物质在运动过程中被暂时固定、储存的场所 称为库。可分为植物库、动物库、大气库、土壤 库、水体库。
❖ 流：物质在库与库之间转移运动状态成为流。系 统中的能流、物流、信息流是生态系统各个组分 联系起来，并使系统与外界环境联系起来。
❖ 意义：没有库，环境资源不能被吸收，固定和转 化。没有流，库与库之间不能联系，沟通，物质 循环就可能短路，生命无法维持，生态系统必将 瓦解。
❖ 意义：生态系统是一个远离平衡态的开放系统，可以通 过外界环境进行物质和能量的不断交换，输入太阳能和 辅助能，增加系统的负熵，使系统保持有序的状态和一 定的稳定性。
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生态金字塔定律
❖ 生态金字塔原理 由于能量沿食物链传递过程中的衰减规律，使得 每一个营养级被净同化的部分都要大大少于前一 级营养级。当营养及由低到高，其个体数目、生 物现存量和所含能量一般呈出基部宽，顶部尖的 立体金字塔。一般由数量金字塔，生物量金字塔， 能量金字塔三种。
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热力学第一定律——能量守恒定律
❖ 热力学第一定律认为：能量可以在不同的 介质中被传递，在不同的形式中被转化， 但数量上既不能被创造，也不能被消灭。
Q=⊿U+W
Q-系统吸收的能量；
⊿U-系统内能的变化
W- 系统对外所做的功
❖ 日光能被转化为化学能与热能，在食物链 中又被转化为动能、热能。
❖ 寄生食物链 以活的动植物有机体为能量来源，以寄生方式生存的食物链 哺乳动物—跳蚤—原生动物—细菌—病毒；马—蛔虫
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食物链与食物网
❖ 食物网的概念：在生态系统中，各种生物之间的 取食与被取食关系互相交织在一起，一种生物常 常以多种食物为主，而同一种食物又往往被多种 消费者取食。于是就形成了多条食物链相互交织， 互相联结成食物网。
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熵（entropy)与耗散结构
❖ 系统从绝对零度无分子运动的最大有序状态向含热状态 变化过程中每一度（温度变化）的热量（变化），即熵 变化就是热量变化与绝对温度之比，在温度处于绝对零 度时熵值为零。一切自发过程总是向熵值增加的方向进 行。
❖ 在自发过程中，熵值不断增加，孤立系统的不平衡态随 着时间的推移，最终会趋向平衡态——熵最大状态，使 系统从有序走向无序。系统要保持有序状态，必须从外 界吸取负熵。
❖ 特点：食物网的稳定性远远大于食物链，因为当 一种食物短缺时，其他食物链可以进行调节和补 偿。
❖ 作用：农业系统中，作物，林木、牧草、禽畜、 鱼虾等生物如能保持较多种类和品种，就能增加 农业生态系统的稳定性。
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农业生态系统能量流动的路径
人工辅助能
呼吸消耗 第三条路径
日光能
绿色植物
食草动物
❖ 化肥、农药施用过量会使水体富营养化，产生 藻类植物，光合作用后消耗水体中的氧，引起 农作物缺氧而死亡。
❖ 化肥农药施用过量，会通过反硝化作用把NOx 物质排放到大气，造成温室气体的增加。
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三、农业生态系统的能量流动
❖ 农业生态系统能量的来源 ❖ 食物链与食物网 ❖ 农业生态系统能量流动的路径 ❖ 农业生态系统能量流动的基本定律
❖ 人类对生态系统物质循环可以干预和调节，但是 忽视了生态系统固有的自我调节能力，就有可能 有意的服反馈机制削弱或破坏，导致系统发展失 控而产生恶果。
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农业生态系统的物质循环
❖ 生物地化循环 ❖ 养分循环与平衡 ❖ 农业生态系统物质循环中的环境问题
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生物地化循环
❖ 碳循环。 碳是生命有机体的基础物质。陆地上 的植物通过光合作用，把CO2转化为有机碳，转 移到土壤，被细菌分解后为植物所吸收，成为生 物体。剩余的碳排放到大气中。
❖ 就地加工，提高物质的归还率。
❖ 不同的农作物生长对作物的营养需求和归还率不同，因 此要建立合理的轮作制度，提高营养成分的效能。
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农业生态系统物质循环中的环境问题
❖ 化肥、农药中除氮磷钾有用元素外，还有大量 的铬、汞、铅、硼等毒性物质。这些物质被植 物吸收后对植物生长和农产品质量是有害的。
传递以外，人类还利用煤 还利用社会信息网络（电
炭、石油、天然气、风力、 视、电话、广播、互联网、
水力、人力、畜力为动力 报刊等）高效传递信息。
形成农机、农药、化肥、 灌溉、栽培、加工运输等 形式。
❖ 价值流。 由于农业生态 系统物质、能量和信息流 动的加入是依赖于人类活
❖ 物质流。 天然和人工合
动的，加入人类生产活动
❖ 循环效率
循环物质站在那个输入物质的比例称为循环效率。循环 效率越高，表明有机体机能越强。
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生态系统内能流与物流的关系
❖ 能流失单向流动，并且在转化过程中逐渐衰变， 有效能的数量逐级减少，最终趋向全部转化为低 效热能，离开生态系统。某些能流可以反馈一次。
❖ 物流是往复循环，不只能被利用一次，而是重复 利用，物流在流动过程中只会改变形态而不会消 灭，可以在系统内永恒地循环。
❖ 热能
热能是一种广泛见于不同能量做功过程中的能量转化形 式。最终所有的能量都散逸在环境中。
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食物链与食物网
❖ 捕食食物链 海洋：浮游植物—浮游动物—虾—鱼；草原：绿草—羚羊—老虎； 农田：水稻—蝗虫—青蛙；农业：作物秸秆—牛—人
❖ 腐食食物链 死亡有机体或生物排泄物为能量来源，在微生物参与下，经腐烂分 解还原为无机物并从中取得能量的食物。秸秆粪便生产沼气和肥料； 棉籽壳、稻草培育蘑菇。
第三章：农业可持续发展基本理论 第一节：生态学理论 第二节：经济学理论
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第一节：生态学理论
一、农业生态系统 二、农业生态物质循环 三、农业生态系统能量流动理论
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2
一、农业生态系统 ❖ 自然生态系统 ❖ 农业生态系统
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3
自然生态系统与农业生态系统
❖ 自然生态系统 ❖ 农业生态系统
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养分循环与平衡
❖ 农业生态系统通过输出农产品到市场，再从市场返回煤 炭、石油、种子、化肥等物质。农业生态系统物质循环 是一个开放性的循环系统，如果输出大于输入，农业系 统就会退化，如果输出物质小于输入，农业生态系统才 能改善。
❖ 有机质是各种营养物质的载体。有机质来源于作物残体 和牲畜粪便。必须增加系统中的有机质。燃烧作物秸秆 是一种浪费。沼气、秸秆还田是增加有机体及营养平衡 的重要措施。
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碳循环模型示意图流入大气 Nhomakorabea流出
陆地
陆地
动物 同化 植物
水生
水生
动物 同化 植物
工业
土壤
岩石
废 水
江河
海洋
淋溶
废 沉淀 渣
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风化
废 水 流入
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地质大循环过程示意图
地表岩石
风化腐 蚀过程
玄武岩（熔岩）
抬升暴露
土壤、沉淀物 侵蚀埋存固体化
玄武岩（侵入岩）
沉积岩
溶浆升起
变成岩
溶浆
溶化