农业生态学·第三章能量流动

三、食物是农业生态系统的能量载体
• （一）食物链
1.定义：生态系统中，来源于植物的食
物能通过一系列吃与被吃的关系，把生物 紧密的联系起来，形成以食物营养为中心 的链索关系即食物链。 2.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
（1）捕食食物链，又称为活食或草食食物 链 海洋中：浮游植物→ 浮游动物→ 虾→鱼 草原上：草→羚羊→老虎 农田中：水稻→蝗虫→青蛙 农业生产中：作物秸秆→牛→人 （2）腐生食物链，又称碎屑或 残渣食物 链 农业上用秸秆、粪便生产 沼气 棉籽壳、稻草培育蘑菇 食物链的基本类型（四种）
detritus chain
寄生食物链：parasitic food chain
熵：entropy 自由能：free energy 生态金字塔：Ecological pyramid
生态效率：ecological efficiency
人工辅助能：artificial auxiliary energy
•（3）寄生食物链
植物型：大豆→菟丝子
动物型：哺乳动物→跳蚤→原生动物→细菌→病毒； 马→蛔虫
（4）混合食物链
稻草→牛（牛粪）→蚯蚓→鸡（鸡粪）→猪 （猪粪）→鱼；稻→螟→赤眼蜂； 菜（温棚）→鸡（鸡粪）→沼气（沼渣）→肥田
2.营养级：生物在食物链上所处的位置，
即食物链上每一个环节称为营养级。
海洋生态系统的食物链
能量元素：energy elements
大量元素：macronutrients
微量元素：micronutrients
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 根据此公式，对生态系统的 能量可以进行定量研究。
（二）热力学第二定律
揭示能量传递方向和转化效率的 规律，它认为： 1.能量传递有一定的方向，是不可 逆的。 2.能量转化过程中存在着衰变现象， 必然有能量 的耗散。 3.为了判断能量流动的方向和限度， 用自由能和熵两个概念来描述。
第三章
能量流动
一、能量转移及其有关概念
二、农业生态系统遵守能量流动的基本规律
三、食物是农业生态系统中的能量载体
四、农业生态系统的能源、能流途径和能效
五、农业生态系统的能流调控
一、能量转移及其有关概念
（一）能的概念 能是物理学中的一个概念，指的是物体具有作 功的能力。能有两种存在形式，即潜能和动能。 潜能是存在于有机体中的化学结合能，是一种 静态的能量，具有作功的能力。在农业生态系 统中，潜能是通过食物链的关系在生产者、消 费者、分解者等有机体之间进行流动和传递的。 动能是物体本身具有的能量，包括热能和辐射 能，可在物体之间传递，并可转化为潜能。
4.为了维持农业生态系统的稳 定，应不断的向系统输入能量， 减少熵。
三、食物是农业生态系统的能量载体
（一）食物链 1.定义生态系统中，来源于植物的食物能通过一系列 吃与被吃的关系，把生物紧密的联系起来，形成以 食物营养为中心的链索关系即食物链。食物链的基 本类型（四种） （1）捕食食物链，又称为活食或草食食物链。 （2）腐生食物链，又称碎屑或 残渣食物链。 （3）寄生食物链。 （4）混合食物链。 2.营养级：生物在食物链上所处的位置，即食物链上 每一个环节称为营养级。
（三）流、库、环的概念及其应用 1.流—生态系统中能量和物质不断 地被吸收、贮存和转移的运动状态。能 量的转移—能量流。物质的转化—物质 流。流量要多，流速要快
增加流量的方法：提能量转化效率、 减少消耗 增加流速的方法：缩短周转周期、提 高周转速率
2.库—能量和物质在运动过程中暂时被吸 收和贮存的单位。库要大、库效率要高。 （1）植物库：库大---土地利用充分、 植物产品多;库效率高---光合效率高 （2）动物库：库大---种群多数量大、 动物产品多; 库效率高---出栏率高，产 肉蛋奶多
在生态系统中，能主要指的是系 统内以有机物质形式存在的化学能， 生态系统的能量流动与转化也主要 指这些有机物质的能量在生物体之 间的传递和转化情况。生态系统中 能量的主要形式有日光能、化学能、 热能和动能等几种。
（二）能量转移的定义 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 食肉动物 食草动物
（3）土壤库：库大---土壤肥力高而稳
库效率高---养分损失少，利用率高
3.环—各种库将流连接起来形成的整
体。环结构要合理 环流库是相互联系的。库要大、效率 高；环结构要合理；流要多且流畅。
二、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。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
生产者 420×108吨／年
食草动物 64×108吨／年
第1级食肉动物 10×108吨／年
第2级食肉动物 1.5×108吨／年
第3级食肉动物 0.22×108吨／年
捕
食
寄 生
黄蜂产卵于蛾幼虫体内，将幼虫致死 图为黄蜂蛹覆在虫体上，以幼虫内部组织为生
3.食物链的基本特征 （1）同一食物链中常含有食性和生活习性极不相 同的生物。 （2）同一生态系统中可能有多条食物链 ，各种食 物链相互联系，协同发挥作用。
北极地区食物网
2.营养结构与生态系统的稳定性
生态系统抵抗外界干扰、自动修复 的能力称为生态系统的稳定性。影响 稳定性的因素有很多，如生物的适应 性、外界干扰的程度营养结构等。 营养结构复杂、食物网复杂的生态 系统，稳定性强。
四、农业生态系统的能源、能流途径和能 效
（一）农业生态系统的能源 1.太阳能是生态系统的主要能源 2.农业生态系统的辅助能 辅助能的类型：自然辅助能、人工辅助能（生物 辅助能（有机能）、工业辅助能（无机能） 辅助能的性质：不能转化成生物能，对生物能的 合成、转化起辅助作用
自由能：系统总能中用来作功 的能量。 熵系统总能中不能用来作功的 能量，是系统无序性的量度。 在封闭的系统中，自发过 程总是向自由能减少、熵值增 加的方向进行。
（三）耗散结构理论
•€ 普里高津耗散结构理论 Prigogine’s dissipation structure theory 指开放系统在远离平衡态的非平衡态下， 系统可能出现的一种稳定的有序结构。 € 表明：一个远离平衡态的开放系统，通 过与外界环境进行物质、能量的不断交换， 就能克服混乱状态，维持稳定状态并且还 有可能不断提高系统的有序性，使系统的 商减少。
生态系统的能流
能流特征
• 逐级减少
• 单方向性
能流路径
（三）农业生态系统的能效和生态金 字塔规律 1.能量流动过程中损耗的必然性。 （1）由于不可食或不得食 （2）消费者密度低或食物选择限制 （3）利用后未被同化 （4）同 化后呼吸消耗掉 （5）变为生产量又被减少。 营养级能量传递效率约平均为10%。
辅助能的作用：促进转化、减少消耗、改善环境
（二）农业生态系统的能流途径
生态系统中能量流动是指能量由非生物环 境经生物有机体，再到外界环境所进行的 一系列传递过程。在农业生态系统中，能 量流动的一般途径包括以下几个方面： 1.太阳辐射的能量进入生态系统 2.以植物有机体储存的能量，沿食物链流 动转化 3.生态系统中能量的外界输入及输出
能值：emergy
营养级：trophic level
营养结构：trophic structure
营养物质循环或物质循环：Nutrients cycles
生物地球化学循环；biogeochemical cycles
气相型循环：gaseous type cycles 沉积型循环：sedimentary type cycles
1.扩源 2.强库 3.截流 4.减耗
能量：energy
动能：dynamic energy 潜能：potential energy 食物链：food chain 食物网：food web 捕食食物链：Predator chain or
grazing chain
腐食食物链：Saprophytic food chain or
能量 流失
海洋生态系统的食物链
生产者 420×108吨／年
食草动物 64×108吨／年
第1级食肉动物 10×108吨／年
第2级食肉动物 1.5×108吨／年
第3级食肉动物 0.22×108吨／年
4.农业生态系统的辅助能利用率。 又称为能量产投比，是指农业生 态系统产出的生物能与人工辅助 能的比值。 五、农业生态系统的能流调控
反射 25%
太阳能 100%
24%
臭氧层、 水蒸气等9%来自52%云层吸收 10 %
散射
24%
散射 损失 9%
浮尘 15%
散射
17% 47%
6%
反射 4%
地球表面
未利用
消费者呼吸、热量
太 阳 辐 射 能 输 入
消费者
消费者
消费者
生产者
分解者
生产者呼吸、热量
未利用
腐生生物分解和呼吸及 热量
一个稳定生态系统的能量流
2.能量传递效率（生态效率）。
食物链中后一营养级生物对前一 营养级生物能量利用的百分比叫 能量传递效率或生态效率。肉猪 35%、奶牛 20%、蛋鸡15%、肉 兔13—18%、肉羊11%、肉牛 5—8%。
3.生态金字塔规律
类型
数 量 金 字 塔 生物量金字塔 能 量 金 字 塔 能 量
能量金字塔
（3）自然生态系统中，营养级的数目是有限的。
（4）不同生态系统中，各类食物链的比重不同。
森林生态系统：腐生食物链占生产有机物的90%
草原生态系统：腐生食物链占生产有机物的70%
农田生态系统：腐生食物链占生产有机物的20—30%
（二）食物网和生态系统的营养结构
1.食物网和营养结构的概念
食物网：生态系统中，一种生物常常以 多种生物为食，同一生物又常常被多种 生物取食，于是食物链交错起 来，多条 食物链相互连接、形成的网状结构。 营养结构：以营养为纽带，把生物与环 境、生物与生物，紧密连接起来的结构。
(四)热力学定律在农业生态系统中的 应用 1.根据热力学第一定律，可以对农 业生态系统的能量流进行定量研究 。 2.在农生态系统能量流中，只有少 部分转化成有机形态的化学潜能储存 起来，大部分转化成热能而耗散。人 们应该尽量减少能量的无谓消耗，提 高能量的转化效率。
3. 能量流的流动方向是不可逆 的，能量只能称为转化或转移， 而不能是循环。