农业生态系统的能量流动

- 病毒
牛-蛔虫-原生动物
混合食物链
由腐生\寄生\捕食 等多种成员联系起来 的链条
鱼
猪
粪
鸡
粪
蚯蚓
食用菌
渣
牛
粪
稻草
营养级
定义：食物链上的每个食性环节叫营养级。
绿色植物：第一营养级 草食动物：第二营养级 肉食动物：第三营养级
…..
有没有更高的营养级？
五 四 三 二 一
食物网
定义： 多条食物链
交错形成的网 络叫食物网。
三、能量流动与农业生产
• 农业生态系统是一个自然再生产与经济再生产交 织在一起的整体系统。
• 系统组分包括各种农业生物及其生活环境。 • 物质流、能量流、信息流和价值流是农业生态系
统内部各组分之间联系的纽带和基本功能。
1、能流
• 以日光能进入生态系统，一半可为光合作用所 吸收，1%-5%可转变为生物化学能
热力学第二定律
在一切过程中，系统潜在做功的能，可分解为两 部分：即有用能和热能。前者可继续做功，叫自由能， 通常占一小部分；后者无法再利用，而以低温热能形 式散发于外围空间，往往占一大部分。
△G=△H－T△S 式中：G为自由能，即可对系统做功的有用能；H 指系统热焓，即系统含有的潜能；S代表系统的熵；T 是过程进行时的绝对温度。
生物辅助能 工业辅助能
农
业
生 态
太阳能
系
统
能
量
来 源
辅助能
人们在生产活动中地投入的 各种形式的能量。
主要是为了改善生产条件、 加快产品流通、提高生产力，如农 田耕作、灌溉、施肥、防治病虫害、 农业生物的育种以及产品的收获、 贮藏、运输、加工等。
自然辅助能
人工辅助能
生物辅助能 工业辅助能
农
业
生 太阳能
3、能流路径
• （1）太阳辐射能通过光合作用进入生态系统，成为 生态系统能量主要来源；
• （2）植物有机质形式的化学潜能，通过食物链和食 物网在生态系统中流动；
• （3）化学潜能储存在生态系统生物组分内，或者随 着产品等输出离开系统；
• （4）生物通过呼吸作用释放热能，离开生态系统； • （5）辅助能起辅助作用。
• 一般来说随着辅助能的投入增加，能量产出水平和 农业产量增加，但过多会出现报酬递减现象。
• 在农业发展过程中，无机能投入量及所占比例有逐 步增加的趋势。
• 生态系统能力转换利用效率和能量产出的高低，还 与辅助能的质量及其投入管理水平的高低有关，还 有农业生物种类和品种有关。
我国不同地区能量产投比
生态系统中各组分的存在、变化及其发展， 都与能量息息相关，遵循一定的能量变化规律。
(1)辐射能：以辐射的形式发射、传播或接受的 能量。
(2)化学能：化合物中具有的能量， (3)机械能：运动着的物质所含有的能量。 (4)电能：电子沿导体流动时产生的能量。 (5)热能：同温度相联系的一个状态函数。
太阳辐射能
化肥施用量(折纯量)(万t)
1995 1996 1997 1998 1999 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007
化肥施用强度(kg/ha)
740
720
700
680
660
640
620
化肥施用量(万t) 化肥施用强度(kg/ha)
80
70
化肥施用量 化肥施用强度
400
200
0 低产田
中产田
投入能量
投入无机能
产出能量
能量产投比
投能结构与产投比关系示意
目前我国多 数地区有机能与 无机能比例为 1.35至8.83之间。
投能结构（有 机能/无机能）与 产投比（能量转 化效率）之间呈 二次函数关系。
Y=0.5324+0.5767X-0.059X
产
投
3.06
6.78
2、能量的损失及能效
n营养级
生态效率：食物链各营 养级上能量的转化效率
生长 NP固定的 繁殖
A同化的
n-1营养级
I吃进的
收获的
可利用的
食源
不可利用的 未收的 吃剩的 粪便 呼吸R
十分之一定律
生态系统中， 能量在食物链上 流动，上一营养 级大约只能固定 下一营养级能量 的10%，这种规 律称之为十分之 一定律。
热力学第二定律可表述为熵定律：“一切自发过 程总是沿着熵增加的方向进行”。
所谓耗散结构，是指在远离平衡状态下的开放系 统，系统可能出现的一种稳定的有序结构。通过与外 界环境所进行的物质、能量的不断交换，就能克服混 乱状态，维持稳定状态。 自然生态系统具有自组织功 能，具有耗散结构。
二、能流途径
• 生态系统的能量流动和物质循环通过食 物链和食物网进行的。
捕食中以活有机体为食，所以也叫活食 食物链。
水稻-稻飞虱-青蛙-蛇-鹰
老鹰 黄雀 螳螂
蝉 杨树
捕食食物链
腐 食 食 物 链
以死的有机体或生物排泄物为营养源， 将有机质分解为无机物的食物链。
动物尸体-蝇-真菌(细菌)-原生动物
由寄生成员通过寄生关 寄 系联系起来的链条。
生
食
物 链
鸟类 - 跳蚤 - 细菌
• 生物质能：主要是植物或其被动物转化的排泄物等 生物有机质储存的能量。
• 生物质能是重要的可再生能源，且洁净环保，可以 减少化石能源消耗带来的温室效应。
• 目前发展中的生物质能开发利用技术主要有：
• （1）通过热化学转换技术将固体物质转换成可燃性 气体、焦油等
• （2）通过生物化学转换技术将生物质转换成沼气、 酒精等
–产出生物能/投入人工辅助能，称人工辅助能的能效
• 单位面积单位时间内人工辅助能投入量，称为人工 辅助能投入水平
• 人工辅助能的组成、能效和投入水平是农业生态系 统现代化、集约化程度的重要指标，也直接影响着 农业生态系统的功能。
• 不同地区的经济社会发展水平和资源环境条件存在 差异，因而农业生态系统的人工辅助能投入水平和 投入结构不同。
比
有机能/无机能
• 高辅助能投入“石油农业”的困境
• 过渡依赖化石燃料 不低碳
• 食品安全问题
不安全
• 大气污染
不环保
• 水质恶化
不环保
• 土壤退化
不生态
• 生物多样性减少
不生态
• 服务功能削弱
不生态
350
340 330
320
310 300
290
280 270
260
化肥施用量 化肥施用强度
江苏省化肥施用量及化肥施用强度
热能
热能
动能
植物呼吸 动物呼吸 动物运动
势能
有机物化学能
有机物化学能 动物登高
有机物
光合
取食
动物取食 化学能
作用
动物发光
动物放电
光能
动物发声
电能
声能
生态系统中的能量形式及转换
2.农业生态系统能量的来源与分类
农 业 生 太阳能 态 系 统 能 量 来 辅助能 源
自然辅助能 人工辅助能
生物辅助能 工业辅助能
• 初级生产（植物，光合）； • 次级生产（动物，转换）； • 系统生产力（最终产品，生物维持量）。 • 前者是生态系统的部门生产力，后者是整体生产力。
生产力有两种表示方法：
• 反映生产速率的（单位面积单位时间生产率），年 亩产，季度亩产，公顷年生物量产量
• 反映生产效率的（产投比），光能利用率，能量转 换率，料肉比，粮肥比。
自然辅助能 人工辅助能
生物辅助能 工业辅助能
能量分类的作用和意义
• 生物辅助能一般是农业系统内部能量的再利用，表 示归还率，是有限的；封闭形式的投入。
• 工业辅助能表示对该系统能量的补充。开放形式的 投入。(资源量、形式、成本、环境影响不同）
–生物辅助能/工业辅助能，称人工辅助能的组成(投能结 构)
态
系
统
能
量
来 源
辅助能
来自生物有机体或有机 物的能量。如人力、畜力的 做功，有机肥、种子、种苗 的化学潜能。
自然辅助能 人工辅助能
生物辅助能 工业辅助能
农
业
生 态
太阳能
系
统
能
量
来 源 辅助能
来自工业生产中的各种形式 的能量。包括石油、煤、天然气、 电等形式直接投入的和化肥、农 药、农膜、机械等等形式间接投 入的能量。
结构 功能
• 生态系统的功能：能量流动、物质循环、价值 转化、信息传递。
• 能量流动和物质循环是生态系统的基本功能， 是地球上生命赖以生存和发展的基础。
第四章 农业生态系统的功能 ——能量流动
一、能量流动的基本原理
1.能量的基本概念
力学定义能量是：物体做功能力的量度。
物体对外界作了功，物体的能量要减少； 反过来，若外界对物体作了功，物体的能量就 要增加。如某些动物搬运食物，则动物对外界 作了功，体内的化学能减少。
一个动物摄食固定的有机物能是△Q ；动物 活动、消耗的是△W ；剩下的有机物能是△E。则 ： △E=△Q+△W。
若消耗△W >固定△Q , △E为负，动物变瘦 若消耗△W =固定△Q , △E为零，动物不长 若消耗△W <固定△Q , △E为正，动物生长
（2）热力学第二定律
•自发过程,不可逆； •一种形式的能量不可能100%转变成另一种形式的能量； •永动机不可能造成； •自发过程是能量损耗的过程； •能量在转换、流动过程中存在衰变、逸散现象，总有一部分 能量要从浓缩的有效形态变为稀释的不能利用的形态； •有机物变无机物是自发过程，其间伴随着能量的逸散。其逆 过程是通过太阳能做功完成的。
60
50
40
30
20
10
0
常州市无锡市苏州市镇江市南京市扬州市泰州市南通市连云港市 宿迁市淮安市盐城市徐州市
1400 1200 1000 800 600 400 200 0
2007年江苏省化肥施用量与施用强度区域差异
再生能源的开发利用
• 自然界存无限的能源资源。 • 太阳能 • 水能 • 风能 • 地热能 • 海洋能 • 核能 • 氢能
热力学第一定律（例一）
一片森林接受固定的太阳能是△Q ；被动物 、微生物消耗，人类砍伐的是△W ；剩下的有机物 能是△E。则： △E=△Q+△W。
若消耗△W >固定△Q , △E为负，森林衰退 若消耗△W =固定△Q , △E为零，森林稳定 若消耗△W <固定△Q , △E为正，森林发展
热力学第一定律（例二）
生态金字塔
–含义：当生态系统的营养级由低到高 排列时，其个体数目、生物量及能量一 般呈现出下大上小的塔形分布
–意义：对提高生态系统的能量转化效 率，调控食物链上的营养结构，实现可 持续发展，具有重要意义
生态金字塔
生态金字塔
•数量金字塔，有时倒置 •生物量金字塔，有时倒置 •能量金字塔：能量金字塔最能保持金 字塔形
农
业
生 态
太阳能
系
统
能
量
来 源
辅助能
除太阳辐射能以外， 其它进入系统的任何形 式的能量。
自然辅助能 人工辅助能
生物辅助能 工业辅助能
农
业 太阳能 生
态
系
统
能
量 来
辅助能
源
在自然过程中产生的除太 阳辐射能以外的其它形式的能 量，如沿海和河口湾的潮汐作 用、风能、水势能、降水及蒸 发作用等。
自然辅助能 人工辅助能
植物叶片吸收 的太阳能（A）
能
反射
反射
植物叶片固定 的太阳能（B）
焓
转化过程中产 生的热能（C）
熵
热力学第一定律:A=B+C 热力学第二定律:B<A
能 焓 熵
序、熵和耗散结构
世界上一切有序的结构、格局、安排都会自然地 趋向于无序。要维持有序状态，只有使系统获得更多 的潜能以做功，清除不断产生的无序，重新建造有序。
我国主要作物秸秆资源量
3.能量流动的基本热力学定律 （1）热力学第一定律
能量既不能消失，也不能凭空产生，它只能以严 格的当量比例，由一种形式转化为另一种形式。
如果用△E表示系统内能的变化，△Q表示系统吸 热或放热，△W表示系统对外做功，则：
△E=△Q+△W
即：一个系统的任何状态变化，都伴随着吸热、 放热和做功，而系统的总量并不增加或减少，它是守 恒的。
• 农产品输出，离开系统，必须以人工辅助能的
形式向系统补充能量
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
太阳能――初级生产――可采食量――采食――同化――生产量――可采食量
（固定量1-5%）
Ct
At
Pt
（产品）
不可采食量 未采食 排泄 呼吸量 不可采食量
1/6
1/10
1/2
1/3
1/2
农业生态系统的生产力
• 生产力是农业生态系统最基本的数量特征，农业生 态系统的生产力分为：
1、食物链与食物网
生态系统中生物成员通过一系列吃与被吃的食物营养关 系将彼此联系起来的链条叫食物链。
例子： 1.大鱼吃小鱼，小鱼吃虾米，虾米吃稀泥； 2.螳螂捕蝉黄雀在后；
食物链类型
捕食食物链 腐食食物链 寄生食物链 混合食物链
捕食食物链
从绿色植物开始，到草食动物，再 到肉食动物的一条以活的有机体为营养源 的食物链。（草牧食物链、牧食食物链）
• （3）通过压块细密成型技术将生物质压缩成高密度 固体燃料等。
• 我国生物质能资源原料多样量大，包括能源植物、 作物秸秆、人畜粪便等。
• 农作物秸秆是数量最大的农业废弃物，每公顷耕地 年产量可达9-10吨。
• 地球上光合作用产生的生物质约1500亿吨/年，可作 为人类食物或动物饲料占其中1/4，每年产生的废物 （包括收获和加工过程中的）约135亿吨。