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1、allre natures第第5 5讲讲 生态系统的功能生态系统的功能1 1能量流动能量流动5.1能量的基础知识能量的基础知识5.2生态系统中的初级生产生态系统中的初级生产5.3生态系统中的次级生产生态系统中的次级生产5.4生态系统中的分解生态系统中的分解5.5生态系统层次上的能量流动生态系统层次上的能量流动allre natures5.1 能量的基础知识能量的基础知识5.1.1 热力学第一定律，能量守恒定律。热力学第一定律，能量守恒定律。5.1.2 热力学第二定律。热力学第二定律。allre natures5.1.1 热力学第一定律：能量守恒定律热力学第一定律：能量守恒定律 热力学的研究对象
2、是系统及其能量转化规律。热力学的研究对象是系统及其能量转化规律。热力学第一定律：在自然界的一切现象中，能量既不能热力学第一定律：在自然界的一切现象中，能量既不能 创造，也不能消灭，而只能以严格的当量比例，由一种创造，也不能消灭，而只能以严格的当量比例，由一种形式转化为第一种形式。形式转化为第一种形式。生态系统中生态系统中:P=A-R:P=A-R 生产量生产量=同化量同化量-呼吸量呼吸量表达式：表达式：E=Q-WE=Q-WE E：系统内能的改变：系统内能的改变Q Q：系统从外界吸收的能量：系统从外界吸收的能量W W：系统对外界所作的功：系统对外界所作的功allre natures5.1.2 热力
3、学第二定律热力学第二定律在封闭系统中，一切过程都伴随能量的改变。在在封闭系统中，一切过程都伴随能量的改变。在能量的传递和转化过程中，除了一部分可能继续能量的传递和转化过程中，除了一部分可能继续传递和作功的能量外，总有一部分不能继续转化传递和作功的能量外，总有一部分不能继续转化和作功，而以热的形式消散，这部分能量使系统和作功，而以热的形式消散，这部分能量使系统的熵和无序性增加。对于生态系统而言，当能量的熵和无序性增加。对于生态系统而言，当能量以食物的形式在生物之间传递时，食物中的大部以食物的形式在生物之间传递时，食物中的大部分以热量形式消散掉（使熵值增加），其余一部分以热量形式消散掉（使熵值增加
4、），其余一部分所合成的新组织形式作为潜能贮存下来。分所合成的新组织形式作为潜能贮存下来。allre natures5.1.2 热力学第二定律热力学第二定律 不可能把加入体系的能量全部变为功不可能把加入体系的能量全部变为功,而引起状而引起状 态的变化；态的变化；自发的反应总是趋向于使熵值增加；自发的反应总是趋向于使熵值增加；自然界封闭系统中真正可逆是不存在的。自然界封闭系统中真正可逆是不存在的。allre natures5.1.2 热力学第二定律热力学第二定律v熵：熵：系统状态变量，即反应的不可逆量度，熵值系统状态变量，即反应的不可逆量度，熵值的变化表示不可递程度的指标。的变化表示不可递程度的指
5、标。S=QS=Q可逆可逆/T/T：熵值的变化：熵值的变化Q Q可逆可逆：系统中转入的热量：系统中转入的热量T T：当时系统的绝对温度：当时系统的绝对温度allre natures5.1.2 热力学第二定律热力学第二定律向系统转入热量可使系统发生可逆变化。向系统转入热量可使系统发生可逆变化。当进行可逆反应时，系统状态恢复原状，系统对当进行可逆反应时，系统状态恢复原状，系统对外释放同样的热量外释放同样的热量Q Q，S S的变化为负值。的变化为负值。任何封闭系统发生不可逆变化时，熵值增加。任何封闭系统发生不可逆变化时，熵值增加。熵值的最大状态即为系统平衡的临界点。熵值的最大状态即为系统平衡的临界点。
6、allre natures自由能：自由能：指系统能量中具有作功本领的部分能量。由指系统能量中具有作功本领的部分能量。由于任何自发过程都是热力学不可逆过程于任何自发过程都是热力学不可逆过程,所以自发过所以自发过程是向系统自由能减少的方向进行程是向系统自由能减少的方向进行,自由能处于最小自由能处于最小时，系统达到平衡状态。时，系统达到平衡状态。0 0：系统为自发过程：系统为自发过程0 0：系统处于平衡状态：系统处于平衡状态0 0：系统为非自发过程：系统为非自发过程5.1.2 热力学第二定律热力学第二定律allre natures5.2 生态系统中的初级生产生态系统中的初级生产5.2.1 初级生产的
7、概念初级生产的概念5.2.2 初级生产量或第一性生产量初级生产量或第一性生产量5.2.3 生物量生物量5.2.4 初级生产的总产效率初级生产的总产效率allre natures5.2.1 初级生产的概念初级生产的概念自养生物的生产称为初级生产（上一讲）自养生物的生产称为初级生产（上一讲）初级生产即为生态系统接受外界输入的生物的生产，初级生产即为生态系统接受外界输入的生物的生产，即植物的生产。即植物的生产。生态系统的能量流动均始于绿色植物的光合作用，生态系统的能量流动均始于绿色植物的光合作用，即对太阳能的吸收和对非生物环境中物质的同化。即对太阳能的吸收和对非生物环境中物质的同化。allre na
8、tures5.2.2 初级生产量或第一性生产量初级生产量或第一性生产量植物所固定的太阳能或所制造的有机物质称为初级生植物所固定的太阳能或所制造的有机物质称为初级生产量或第一性生产量。产量或第一性生产量。表达式：表达式：GP=NP+RGP=NP+RGPGP：总初级生产量：总初级生产量NPNP：净初级生产量：净初级生产量R R：呼吸所消耗的能量：呼吸所消耗的能量初级生产量是可供生态系统中其他生物（主要是动物和初级生产量是可供生态系统中其他生物（主要是动物和人）利用的能量，以每年每人）利用的能量，以每年每m m2 2所生产的有机物质于总计。所生产的有机物质于总计。allre natures5.2.3
9、 生物量生物量生物量是指在某一时刻调查时单位面积上积存的生物量是指在某一时刻调查时单位面积上积存的有机物（有机物（g/m2或或j/m2 2）对于生态系统中某一营养级来说，总生物量不仅对于生态系统中某一营养级来说，总生物量不仅因生物呼吸而消耗，也由于受高营养级动物的摄因生物呼吸而消耗，也由于受高营养级动物的摄食和生物死亡而减少：食和生物死亡而减少：db/dt=NP-R-H-Dallre natures5.2.4 初级生产的生产效率初级生产的生产效率初级生产效率的总产效率：初级生产效率的总产效率：初级生产效率初级生产效率=总初级生产量总初级生产量总入射日光能总入射日光能四个生态系统的初级生产效率的
10、比较四个生态系统的初级生产效率的比较玉米田玉米田(Transeau，1926）荒地荒地(Golley,1960)Meadota湖湖(Lindeman,1942)Ceder Bog湖湖(Lindeman，1942)总初级生产量总初级生产量/总入射日光能总入射日光能呼吸消耗呼吸消耗/总初级生产量总初级生产量净初级生产量净初级生产量/总初级生产量总初级生产量1.6%23.4%76.6%1.2%15.1%84.9%0.40%22.30%77.70%0.10%21.00%79.00%allre natures5.3 生态系统中的次级生产生态系统中的次级生产5.3.1 次级生产的概念次级生产的概念5.3.
11、2 次级生产过程图解次级生产过程图解5.3.3 次级生产的生态效率次级生产的生态效率allre natures5.3.1 次级生产的概念次级生产的概念异养生物的生产称为次级生产异养生物的生产称为次级生产指除初级生产者以外的其他有机物的生产。即指除初级生产者以外的其他有机物的生产。即消费者和还原者利用初级生产进行同化作用。消费者和还原者利用初级生产进行同化作用。表现为动物和微生物的生长，繁殖和营养物质表现为动物和微生物的生长，繁殖和营养物质的贮存。的贮存。allre natures5.3.2 次级生产过程图解次级生产过程图解食物种食物种群群=动物得到的动物得到的动物未得到的动物未得到的动物吃进的
12、动物吃进的动物未吃进的动物未吃进的被同化的被同化的未同化的未同化的次级生产量的一般生产过程概括于下面的图解中：次级生产量的一般生产过程概括于下面的图解中：净次级生产量净次级生产量呼吸代谢呼吸代谢被更高层营养级取食被更高层营养级取食未被取食未被取食allre natures5.3.3 次级生产的生态效率次级生产的生态效率主要表现为动物的生长效率：主要表现为动物的生长效率：P Pn n/A/An nP Pn n：净生长量：净生长量A An n：同化量：同化量生长效率一般在生长效率一般在10-20%10-20%左右左右“十分之一十分之一”法则法则说明：说明：每一营养级之间有每一营养级之间有90%90
13、%的能量耗散掉；的能量耗散掉；如果人类以植物为食物，可以多养活如果人类以植物为食物，可以多养活1010倍人口；倍人口；FADFAD统计富国人均直接谷物消耗小于穷国。统计富国人均直接谷物消耗小于穷国。allre natures5.4生态系统中的分解（生态系统中的分解（Decomposition）5.4.1 概念理解概念理解5.4.2 资源质量与分解的关系资源质量与分解的关系allre natures5.4.1 概念理解概念理解分解是死有机物质的逐步降解过程。分解是死有机物质的逐步降解过程。分解时，无机元素从有机元素中释放出来，称为矿化。分解时，无机元素从有机元素中释放出来，称为矿化。分解是与光合
14、作用相反的能量流动过程。分解是与光合作用相反的能量流动过程。分解者为：微生物（细菌、真菌）和动物（小型动物）分解者为：微生物（细菌、真菌）和动物（小型动物）allre natures5.4.2 资源质量与分解的关系资源质量与分解的关系待分解资源在分解者生物的作用下进行分解。因此，资源待分解资源在分解者生物的作用下进行分解。因此，资源的物理和化学特性影响分解的速度。的物理和化学特性影响分解的速度。资源中营养物质的浓度常成为分解过程的限制因素。资源中营养物质的浓度常成为分解过程的限制因素。分解指数分解指数 K=K=I IX X死有机物质年输入总量（死有机物质年输入总量（g）=系统中死有机物质总量（
15、系统中死有机物质总量（g）K K值：热带雨林温带草地温带落叶林值：热带雨林温带草地温带落叶林allre natures5.5 生态系统层次上的能量流动生态系统层次上的能量流动生态系统层次上的能流分析，是把每个物种都属归于一个生态系统层次上的能流分析，是把每个物种都属归于一个特定的营养级中特定的营养级中(根据该物种食性根据该物种食性)，然后精确地测定每一，然后精确地测定每一个营养级能量的输入和转出值。个营养级能量的输入和转出值。多见于水生生态系统，因为水生生态系统边界明确，与外多见于水生生态系统，因为水生生态系统边界明确，与外环境物质，能量交换量小，内环境稳定，便于定量评估。环境物质，能量交换量
16、小，内环境稳定，便于定量评估。allre natures5.5 生态系统层次上的能量流动分析生态系统层次上的能量流动分析GPGP464.7464.7H H62.862.8C C12.612.6未吸收未吸收497228.6497228.6分解分解12.512.5分解分解微微入射日光能入射日光能497693.3497693.3分解分解2.12.1未利用未利用293.1293.1R96.3R96.3取食取食未利用未利用29.329.3R18.8R18.8未利用未利用5.05.0R7.5R7.5Cedar BoxCedar Box湖能量流动的定量分析（湖能量流动的定量分析（Lindeman,1942Lindeman,1942）GPGP为总初级生产量；为总初级生产量；H H为草食动物；为草食动物；C C为肉食动物；为肉食动物；R R为呼吸（单位：为呼吸（单位：j/cm2a）allre natures5.6 小结小结v 生态系统是一个开放系统，存在能量输入和输出。生态系统是一个开放系统，存在能量输入和输出。v 光合作用是植物固定太阳能的唯一有效途径，是生态系统光合作用是植物固定太阳能的唯一有效途径
