第四章农业生态系统的能量流动

第四章农业生态系统的能量流动
、本章学习目标：
重点掌握：农业生态系统能流调控途径；能量分析方法
一般掌握：林德曼效率；农业生态系统能量的来源与流动途径；初级生产与次级生产的
关系；人工辅助能对农业生产的影响
识记：食物链与食物网、辅助能、生态金字塔的概念
二、本章主要内容
一）农业生态系统能量的来源
1. 生态系统能量的基本形式在生态系统中，能量有三种表现形式，即日光能、
生物化学能和热能。

2. 生态系统的能量来源
地球生态系统的能量90% 以上有来自于日光能，另外不足10% 是来自于地热能、潮汐
能、风能、水能等。

太阳辐射能以电滋波的形式投射到地球。

来自太阳的能量是生态、经济和社会系统的基础动力，经过绿色植物的光合作用，太阳
能被转化为有机态的化学能，贮存于植物体内．这些贮存的化学能随绿色植物进入食物链，
在流经食物链各环节的过程中，生物质被动物和微生物消化和分解，贮存的化学能经过不同
的转化过程最终以热能的形式散发到大气中——这就是自然生态系统的能流过程。

农业生态系统能量来源一部分与自然生态系统一样来自日光能，各种农业生物生长需要
依靠太阳光完成光合作用，转化日光能为贮存于生物质中的化学能。

但是，农业生态系统还
要另一项重要的能量来源，那就是人工辅助能。

人工辅助能：指人类通过各种生产活动所投入到农业生态系统中的人力、畜力、燃料、
电力、机械、化肥、农药、饲料等。

食物链：指生态系统中生物组分通过吃与被吃的关系彼此连接起来的一个序列，组成个整体，就像一条链索一样，这种链索关系就被称为食物链。

在自然界，一个完整和发育成熟的生态系统常具有这样一条典型的食物链：植物-—食草动物—一级食肉动物——二级食肉动物——顶级食肉动物。

营养级：食物链上能量和物质被暂时贮存和停留的位置，也即每一种生物所处的位置（环节）称为营养级。

食物链在不同生态系统中均可以按食物链的发端和生物成员取食的方式归纳为三种类
型：
1）捕食食物链：亦称为草牧食物链，这种食物链起始于植物，经过食草动物，再到
食肉动物这样一条以活有机体为能量来源的食物链类型。

2）腐食食物链：亦称残屑食物链，是指以死亡有机体或生物排泄物为能量来源，在
微生物或原生动物参与下，经腐烂、分解将其还原为无机物并从中取得能量的食物链类型。

3）寄生食物链：是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。

混合食物链：在农业生态系统中，为了充分合理的利用能量与物质， 人类常有目的的将 食物链组合到一块， 形成了既有活食性生物， 又有腐生性生物，甚至还有寄生性生物的混合 食物链。

食物网：在生态系统中，各种生物成员之间的取食与被取食关系, 数情况是交织在一起，一种生物常常以多种食物为生，而同一食物又往往被多种消费者取
食, 于是就形成了生态系统内多条食物链相互交织，互相联结的“网络”，这种网络被称为“食
物网”（如下图）。

现存量和所含能量一般呈现出基部宽， 顶部尖的立体金字塔形， 用数量表示的称为数量金字 塔，用生物量表示的称为生物量金字塔，用能量表示的称为能量金字塔（如下图）。

往往不是单一的，多 一个简化的草原生态系统食物网
生态金字塔：是生态学研究中用以反映食物链各营养级之间生物个体数量、
生物量和能 量比例关系的一个图解模型。

由于能量沿食物链传递过程中的衰减现象， 使得每一个营养级 被净同化的部分都要大大地少于前一营养级。

因此，当营养级由低到高，其个体数目， 生物 f i
傷
A'
生态金字塔
林德曼效率：美国生态学家林德曼对食物链进行研究时发现营养级之间的能量转化效率
平均大致为十分之一，其余十分之九由于消费者采食时的选择浪费，以及呼吸排泄等被消耗了，这个发现被人们称为林德曼效率或十分之一定律。

农业生态系统能量流动途径
1.第一条路径（主路径）：植物有机体被一级消费者（食草动物）取食消化，称为二
级生产者，二级生产者又被称为二级消费者（食肉动物）所取食消化，称为三级生产者，还
有四、五级生产者等。

能量沿食物链各营养级流动。

每一营养级都将上一级转化而来的部分
能量固定在本营养级的生物有机体中，但最终随着生物体的衰老死亡，经微生物分解全部能
量逸散归还于非生物环境。

2 .第二条路径：在各个营养级中都有一部分死亡的生物有机体，以及排泄物或残留体
进入到腐食食物链，在分解者（微生物）的作用下，这些复杂的有机化合物被还原为简单的
C02、H20和无机物质。

有机物质中的能量以热量的形式消散于非生物环境。

3 .第三条路径：无论那一级生物有机体在其生命代谢过程中都要进行呼吸作用，在这
个过程中生物有机体中存贮的化学潜能做功，维持了生物的代谢，并驱动了生态系统中物质
流动和信息传递，生物化学潜能也转化为热能，消散于非生物环境中。

4.以上三条路径是所有生态系统能量流动的共同路径, 对于开放的农业生态系统而言,
能量流动的路径也更为多样。

从能量来源上讲，除了太阳辐射能之外，还有大量的辅助能量
的投入，人工辅助能的投入并不能直接转化为生物有机体内的化学潜能, 大多数在做功之后以热能的形式散失，它们的作用是强化、扩大、提高生态系统能量流动的速率和转化率，间接地促进了生态系统的能量流动与转化。

从能量的输入来看，随着人类从农业生态系统内取走大量的农畜产品，大量的能量与物质流向系统之外，形成了一股强大的输出能流，这是农业生态系统区别于自然生态系统的一条能流路径，也称为第四条能流路径。

农业生态系统的生产力
初级生产：主要是指绿色植物通过光合作用固定太阳光能并转化为贮存在植物有机体中的化学潜能的过程，这是生态系统能量流动的基础。

因此，绿色植物（还包括一些化能合成
细菌）被称为初级生产者。

次级生产：指消费者、还原者利用初级生产量进行的同化、生长、发育和繁殖后代的过程，这些利用初级生产量实现了能量再一次贮存和积累的异养生物被称为次级生产者。

次级生产是初级生产以外的有机体的生产，即消费者、分解者利用初级生产的有机物质
进行同化作用，表现为自身的生长、繁殖和营养物质的储存。

农业生态系统的辅助能
辅助能：除太阳辐射能之外，生态系统接收的其它形式的能量统称为辅助能，包括自然辅助能与人工辅助能，投入到农业生态系统的主要是人工辅助能。

根据辅助能的来源，可将辅助能划分为自然辅助能和人工辅助能。

自然辅助能的形式有风力作用、沿海和河口的潮汐作用、水体的流动作用、降水和蒸发
作用。

人工辅助能包括生物辅助能和工业辅助能两类。

人工辅助能的投入是农业生态系统与自然生态系统的最重要的区别。

能量产投比：是衡量能量效率的主要指标，它的涵义是投入一个单位能量所能产出的单
位能量数。

过度依赖人工辅助能带来的负面问题：
过量和不合理施用的化肥、农药带来了面源污染、硝酸盐污染、农药残留问题越来越突
出；难以降解地膜的大量使用影响土壤质量；农业与其他水用户争夺十分有限的水资源使得
水资源愈发紧缺。

同时，人工辅助能多数消耗的是化石能源，随着国际能源的紧张，农业用
燃油以及制造化肥、农机、农药等耗能的价格，必将不断上涨，从而增加生产成本。

农业生态系统的能量分析与调控
一）农业生态系统的能量分析步骤
1．确定系统的边界
2．确定系统的组成成分及其相互关系
3．确定各组分之间的实物能量流动或输入输出量。

4．将实物量换算为能量。

5．绘制能流图。

6、能流分析
分析指标与方法：
1）输入能量的结构分析
2）能量结构分析
3）能量转化效率分析
4）综合分析及评价
二）农业生态能流的调控途径
农业生态系统能流调控的途径应围绕“扩源、强库、截流、减耗”四个方面来做文章。

1．扩源
初级生产所固定的太阳光能是生态系统的基础能流来源。

扩大绿色植被面积，提高对太阳光能的捕获量。

将尽可能多的太阳光能固定转化为初级生产者体内的化学潜能，为扩大生
强化库的转化效率，以保证有较大的生物能产出 ,具体可以从两个方面考虑：一是从生物体
本身对能量的储存能力和转化效率考虑； 二是从外界生存环境对生物的影响考虑， 加强辅助 能的投入， 为生物的生长发育创造一个良好的环境， 从而提高了对太阳光能的利用效率和对 生物化学能的转化效率。

3．截流
野生杂草和牲畜粪便等副产品， 将其中的生物能通过农牧结合、 多级利用、 沼气发酵等方法 尽可能地用于生态系统内的转化。

4．减耗
降低消耗， 节约能源， 减少能源的无谓损失， 发展节能、 节水、 节地、 降耗的现代农业。

如开发普及节柴灶， 节能炉具、 节水灌溉、 立体种植， 推广少耕、 免耕， 改进化肥施用技术， 减少水土流失等等。

本章小结
能量是生态系统赖以存在和发展的基础， 本章在介绍了与能量相关的几个重要生态学概
念和原理的基础上， 介绍了农业生态系统的能量来源和流动途径。

重点介绍了农业生态系统 的初级生产及次级生产以及人工辅助能在提高农业系统生产力的作用； 的基本步骤和方法，总结了农业生态系统能量利用效率提高的调控途径。

三、本章思考题
1. 次级生产在农业生态系统中的地位和作用。

2. 人工辅助能对农业增产的意义是什么？
3. 提高能量转化效率的途径是什么？ 态系统能流规模奠定基础。

包括发展立体种植，提高复种指数，合理轮作， 组建农村复合系 统，乔、灌、草结合绿化荒山、荒坡等措施都是扩大生态系统基础能源的有效方法。

2．强库 生态系统中能流和物质被暂时固定与贮存的地方称为库。

从能流贮存角度讲主要是指植 物库和动物库， 这也是农业生态系统物质生产力的具体体现者。

强库是指加强库的储存能和 通过各种渠道将能量尽量的截留在农业生态系统之内， 扩大流通量， 提高农业资源的利 用效率，减少对化石辅助能的过分依赖。

主要途径有：（ 1）开发新能源，如发展薪炭林， 兴办小水电，利用风能、太阳能、地热能等。

2）提高生物能利用率，充分利用作物秸秆、
最后介绍了能量分析。