《农业生态学》第四章 能量流动

5.20 5.00 4.80 4.60 4.40 4.20 4.00 3.80
近十年我国粮食总产量年变化
年份
2000－2003年连续4年粮食总产量下滑，严重威胁我国粮食 的数量安全，已亮出红牌！由于中央的高度重视，近年粮食 产量有所回升，但面对13亿人口，粮食安全始终是首要问题。
人均粮食产量（公斤/ 人）
• 农业产量只有气候生产潜力30-60%； • 化肥利用率和灌溉水利用率约30-40%； • 病虫害造成谷物、棉花、果蔬减产10%、
20%、25%。
第十三次中国作物生理学术研讨会（扬州） 主题：现代作物生理学进展和粮食丰产机理
光合作用研究与作物C4化改造
赵明 作物栽培与生理系
中国农业科学院作物科学研究所
羧
1、光合多部位多技术改造
化
水稻高光效材 料
气孔调节
光能转化
水稻高光效种 质创新与选育
近缘种间杂交 （O.SativaX O.Rufipogon）：
C4转基因技术
2、高光效野生资源的利用
种差异性：大（光合速率、叶面积、比叶面积） 高光合种：O. Longitaminata、O.rufipogon
F1代杂种光合速率高
（2） 草原生产力低
• 占国土41.7%，90％草原在退化。
• 主要原因：牧场超载和毁草开荒。
•
中国
美国
• 草原面积
4亿公顷 4亿公顷
• 各国产肉量 10%
70%
• 总产
1/20
1
• 中国草原单产为世界平均30％。
• 我国每年花大量的粮食去转化成猪肉。
（3）森林
• 2011森林覆盖率：20.36% • 2006~2010年，中国完成造林3.7亿亩，义务
二、高光效生理研究与应用 (实例）
（一）高效光能利用框架
以高产突破为目标，以提高光能利用效率为核心，以探明光能截获、
光能转化、碳代谢高效调节机制为主线，以关键理论与技术创新为特
色，构建作物高光效理论与技术工程。
本次重点
本次重点
高高高 光抗抗 效衰逆
个体功能
高效装入
产量生理网络结构
（产量性能生理）
3.初级生产力的估算模型
3.初级生产力的估算模型
环境资源分析阶段 建模阶段 计量阶段 控制阶段
CO2
环
光照
境
热量
因
水分
素
养分
难控因子、地区间差异小
限
f(Q)
光能生产潜力
制
f(Q)f(T)
光温生产潜力
因
素
f(Q)f(T)f(W)
气候生产潜力
分
析 f(Q)f(T)f(W)f(M) 土地生产潜力
图 作物生产力定量分析过程与模型
4.初级生产力的限制因素
光能利用效率
定义：指植物光合作用所累积的有机物质所含能量占照 射在单位面积上的日光能量的比率。
反射10-15%
落到地面100%
透射5% 吸收80-85.5%
光合利用 0.5-3.5%
蒸腾损失 76.5-84.5%
四、提高农业初级生产力的途径
四、提高农业初级生产力的途径
1996 1997 1998 1999 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006
近十年人均粮食产量年变化
500
450 412 400 410 404
400
365 355 356
365 377 387
350
333
300
250
200
年份
2003年粮食人均占有量仅为333公斤，比粮食安全 系数380公斤还低47公斤，引起国家领导人的重视
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
三、农业生态系统遵守能量流动的基本规律
三、农业生态系统遵守能量流动的基本规律
（一）热力学第一定律
又称能量守恒和转化原理，即能量既不能创造又 不能消灭，能量的形式是可以转化的。
一、光能利用的多层过程控制
（一）减少光能损失就是提高产量
RUE提高的多过程控制
作物的产量的本质是 光合作用，增产的根本 途径是提高作物光能利 用效率。目前大田作物 光能利用效率不足2%， 与理论计算值（C3作物 4.6%，C4作物6.0%）相 差甚远。其主要原因过 程中的损失高。
光能截获、光能转化、碳同化的三大过程机制，探 索高产突破的途径，一直是光合生理的重点。
高效卸出 高效运转
功能优化机制
功1 能
高效分配机制
群体性能
生物产量 2分配经济产量
产量构成
结构优化机制
1结构
3结实 高效结实机制
根 茎 冠 群体结构
产品器官形成
层秆 层
有 防 降快
活强 优
效 止 低速
化化 化
分 退 败充
作物产量形成的关键过程 化 化 育 实
理论研究
技术探讨
（二）高光合速率关键环节改良
第四章
生态系统的功能能量流动
本章纲要
第一节 能量流动遵循的规律
一、能量转移及其有关概念
（一）能的概念
一、能量转移及其有关概念
（一）能的概念
化学能：以有机物质形式存在。
二、生态系统中能量的主要来源
太阳辐射光谱分布图
紫外线（<400 nm ）:7%，具较强的组织穿透能力和破坏能力；提高植物组织中的 蛋白质和纤维素含量，杀死微生物；
各种形式的能量之间严格的按一定比例由一种形
式转变为另一种形式，如热能和动能的转化关系
为：
1卡=4.184焦耳
一个系统内能的变化(U）等于系统吸收的能量 （Q）减去系统对环境所作的功(W)，
U=Q–W
三、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
生态系统的能流
能流特征
单向流动； 逐级递减。
可见光(400~700 nm): 50% 红外线（>700 nm）:43%，产生热效应，有助于形成生物生长的热量环境
生态系统中能量来源类型
太阳能
自然辅助能
人工辅助能
除绿光外，其他光都 能被植物吸收；
红橙光是植物叶绿素 最易吸收部分；
红橙光是光合作用主 要能源
风能 水流能 地热能 潮汐能 降雨能
人力 机械 畜力 饲（肥）料 燃料 农（兽）药 电力 农用薄膜
• 奠定生态系统能量流动的基础。 • 自养生物（初级生产者）：包括绿色植物
和化能合成细菌
初级生产力
一、初级生产中的能量平衡
二.不同种类植物的光合能力差异较大
三、初级生产力的分布
初级生产力是制约因子？
• 生物圈初级生产力的多少是决定地球 对人口及动物承载能力的重要依据。
• 光照、温度、水分、养分等因子中， 水分>热量>养分
F1 µmol/m2s 22.2±1.38ab 21.7±2.13a 20.2±2.52a 20.6±1.80a 27.8±4.51b 32.5±1.78d 33.5±2.09d 29.6±0.91c
1.7
Female parents µmol/m2s
26.9±2.48b 19.1±1.19a 21.1±1.19a 20.0±2.47ab 19.1±1.91a 20.2±2.47ab 19.1±1.19a 26.3±1.30b
（4）光合机能衰退（Annu. Rev. Plant Biol. 2007. 58:115–36； Plant Physiology 2007, 143:1841–1852）
（二）高产突破之路在于光合作用提高
以矮杆基因利用为特色的 第一次绿色革命主要提高收获 指数，理想株型和杂种优势的 利用进一步提高了光能的截获 与分布，未来进一步提高产量 要从光能利用的主要过程的高 效调节机制进行技术突破，将 引发新的绿色革命。
年份 粮食 棉花 油料 肉类 水果 蔬菜 水产品
1978 30477 217
2006 49746 673
倍数 1.6
3.1
521 3062 5.9
856 8051 9.4
657 17050 25.9
8188 58233
7.1
466 5250 11.3
总产量（亿吨） 1996 1997 1998 1999 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006
• 全球森林主要集中在南美、俄罗斯、中非和东南 亚 。这4个地区占有全世界60%的森林。
• 全世界平均的森林覆盖率为22.0％，北美洲为34％， 南美洲和欧洲均为30％左右，亚洲为15％，太平 洋地区为10％，非洲仅6％。
2. 初级生产力测定的方法
主要分为直接测定和间接测定
2.初级生产力的测定方法
1、选育高光效抗逆性强的优良品种
• 按２.5％光能利用 率计，一季稻亩产 可达1500kg。
• 三结合技术：
• 优良的株型；
• 强大的亚种间杂种 优势；
• 高光效的Ｃ4基因
袁隆平“百亩片”试验田亩产首次突破 900公斤（2007年5月摄）
2、保护农业环境，治理生态退化，改善农业生 产的资源环境条件，建立可持续农业生产体系。
Comparison of photosynthetic rate in eight F1 families of progeny crossing O.sativa and O.rufipogon
F1 plant No:
F1s (99UQ1--) 1—20485-3 2—20552-10 3—20537-12 4—20342-3 5—20515-12 6—20472-6 7—20557-10 8—20495-1
1.4
Male parents µmol/m2s
26.0±2.00c 29.8±1.55d 25.5±1.56bc 14.7±1.35a 23.8±2.71b 23.6±1.54b 26.8±1.53c 27.17±1.35c
2.0
F1with high photosythesis of crossing O.sativa and O.rufipogon
50
45
40
O . S a t i v a 2 0 5 5 7 - 1 0 Selected SHP individual plant in F2 wide
植树117.2亿株。人工林保存面积达9.26亿亩， 居世界首位。
• 全球年均减少森林约1亿亩，而中国年均增加 森林6000多万亩，人工林已占到世界人工林 面积近1/3，增长最快。
• 贾治邦说，力争到2015年全国森林覆盖率达 到21.66%！
世界各国森林覆盖率 ：
• 日本67%,韩国64%,挪威60%左右, 瑞典54%, 巴西5060%,加拿大44%,德国30%,美国33%.法国27%,印度 23%。
初级生产力分布
根据净初级生产力，生态系统划分为4个等级：
1.农业生态系统的初级生产力
（1） 农田
人均占有量（世界平均水平）
中国耕地
1/3
林地
1/5
草地
1/4
总体质量不高，中低产土壤仍占耕地面积的 2/3，可供开垦的后备土壤资源十分有限， 土壤资源短缺的压力将愈来愈大。
我国2006年总耕地面积18.27 亿亩，居世界第四, 人均耕地1.40亩,不足世界人均数的一半
（1）C4高光效利用（Science 336:1671-1672；Journal of Experimental Botany 2011， 62:3021–3029）
（2）光合理想型（New Phytologist 2001, 150: 337– 346）
（3）光能损耗的控制（Nature 2000 403: 391-395；PNAS 2002 99: 15222-15227）
• 1、选育高光效抗逆性强的优良品种
• 绿色革命：短杆、杂交稻、超级稻 • 由袁隆平院士主持中国超级稻计划始于1996年，
确定超级稻育种的一、二、三期目标。 • 第一期育种目标到2000年亩产达到700公斤； • 第二期育种目标到2005年亩产达到800公斤； • 第三期育种目标到2010年亩产达到900公斤。 • C4: 300g 水/g 干物质； C3: 610 g/ g 干物质 • 未来 1 kg干物质耗水由300~500 L降到100-200L
能量流动的方向和量度
三、农业生态系统遵守能量流动的基本规律 （三）耗散结构理论
普里高津耗散结构理论
三、农业生态系统遵守能量流动的基本规律 (四)热力学定律在农业生态系统中的应用
第一节 能量流动遵循的规律 小结
第二节 初级生产的能量转化
基本概念
• 初级生产：是指自养生物利用无机环境中 的能量进行同化作用，在生态系统中首次 把环境的能量转化成有机体化学能，并贮 存起来的过程。
耕地面积（亿亩）
30
26.54
25
20
15
10
5
0 美国24.23Fra bibliotek19.8
印度
俄罗斯
18.3 中国
按农业人口算，人均耕地面积是世界平均值（8.1亩） 的1/4，印度的1/2，俄罗斯的1/50，美国的1/200
改革开放二十多年来，我国农业实施高效集 约化生产，取得了巨大成就
1978-2006 年二十多年间农产品产量变化(万吨)