關于生態系統的能量流動與信息流第1頁，共72頁，2022年，5月20日，8點43分，星期五主要內容第一節生態系統中的能量與能量環境第二節生態系統的生產力—初級生產第三節生態系統的生產力—次級生產第四節生態系統的分解第五節生態系統中的能量流動第六節生態系統中的信息流動第2頁，共72頁，2022年，5月20日，8點43分，星期五重點內容生態系統的生產力—初級生產生態系統的生產力—次級生產生態系統的分解生態系統食物鏈中能量的流動第3頁，共72頁，2022年，5月20日，8點43分，星期五第一節、生態系統中的能量與能量環境生態系統的基本驅動力—能量生態系統能量流動的基本規律熱力學第一定律熱力學第二定律第4頁，共72頁，2022年，5月20日，8點43分，星期五一、生態系統的基本驅動力—能量能量：是指物體或者系統做功的能力。能量有多種形式，按運動方式分：動能：指正在做功的能量，如風能、水能等。潛能：指尚未做功，但有做功的潛在能力，如生物能、化學能。第5頁，共72頁，2022年，5月20日，8點43分，星期五一切生命活動都需要能量推動，或者說：生命過程是能量聚、散的過程。能量是地球上生物生存和生態系統發展的根本驅動力地球上基本能量來源？太陽的輻射能沒有太陽能就沒有地球上豐富多彩的生命和生態系統。第6頁，共72頁，2022年，5月20日，8點43分，星期五二、生態系統能量流動的基本規律生態系統的能流過程生態系統的能流主要是動能和潛能的傳遞與轉換。生態系統的動能（生物與環境之間）是指生物與環境之間以傳導和對流形式互相傳遞和轉化的一種能量，包括熱、輻射的相互傳遞。第7頁，共72頁，2022年，5月20日，8點43分，星期五生態系統的潛能（生物與生物之間）是綠色植物（生產者）通過光合作用貯藏在光合產物化學鍵之內，處于靜態的能量。這部分能量是固定態的能，難以流動。只有通過其他生物（如消費者、分解者）的取食、利用，在生物之間傳遞和轉化，才能實現流動（逐級傳遞）。我們將生物與環境之間、生物與生物之間能量的傳遞和轉化過程稱作生態系統的能流過程。第8頁，共72頁，2022年，5月20日，8點43分，星期五生態系統能流渠道（途徑）生物與環境的直接交換食物鏈傳遞能量沿著食物鏈的一個個環節或營養級，向下傳遞，而實現流動。第9頁，共72頁，2022年，5月20日，8點43分，星期五生態系統能流服從（遵守）熱力學定律熱力學第一定律：即能量守恒定律在自然界發生的所有現象中，能量既不能消失，也不能憑空產生，只能由一種形式變為另一形式。熱力學第二定律：即能量遞減規律在封閉系統中，一切過程都伴隨著能量的改變，在能量傳遞和轉化過程中，除了一部分可以繼續傳遞和作功的能量（自由能）外，總有一部分不能繼續傳遞和做功，而以熱的形式消散，這部分能量使系統的熵和無序性增加。是一個參數，用來形容一個系統的混亂程度，熵值越大，表明能量分布越均勻第10頁，共72頁，2022年，5月20日，8點43分，星期五12.5+62.8+293+96.3=464.6第11頁，共72頁，2022年，5月20日，8點43分，星期五生產者通過光合作用將簡單的無機物合成復雜的有機物質，使得植物生物量增加，是一種生產過程消費者通過攝取植物的制造的有機物質，經過消化分解后，最后合成自身所需營養物質，從而使得動物生物量增加，所以也可稱為生產過程初級生產或第一性生產次級生產或第二性生產第12頁，共72頁，2022年，5月20日，8點43分，星期五第二節、生態系統的生產力-初級生產自養生物（主要：植物）的生產過程稱為初級生產，其提供的生產力為初級生產力。自養生物（主要：植物）通過光合作用合成復雜的有機物質，使植物的生物量（包括個體數量和生長）增加。第13頁，共72頁，2022年，5月20日，8點43分，星期五一、初級生產的基本概念（總）初級生產量（第一性生產量）GP在初級生產過程中，植物所固定的太陽能或所制造的有機物質—同化量A。一部分被植物自身呼吸所消耗：R剩下用于自身的生長繁殖：NP，凈初級生產量。可供其它生物利用第14頁，共72頁，2022年，5月20日，8點43分，星期五總初級生產量(GP)、呼吸所耗能量(R)和凈初級生產量(NP)三者之間的關系是：第15頁，共72頁，2022年，5月20日，8點43分，星期五區別生產量與生物量生產量：單位面積、單位時間內的有機物質生產量[J/（m2·a）]生物量：是指某一時刻調查時單位面積上積存的有機物質—干重[J/m2]或[g/m2]。群落演替過程中生產量與生物量的變化趨勢如何？第16頁，共72頁，2022年，5月20日，8點43分，星期五演替初期,生物量較低,因此固定太陽能形成有機物質的速率低(即總初級生產量低)。隨著演替的進行,生物量不斷積累,系統的初級生產量也不斷提高。對于凈初級生產量而言，并不一定隨著生物量增高而增高，為什么？第17頁，共72頁，2022年，5月20日，8點43分，星期五初級生產力的分布海洋與陸地比較陸地〉海洋海洋河口灣〉大陸架〉大洋區陸地熱帶雨林第一；濕地第二第18頁，共72頁，2022年，5月20日，8點43分，星期五初級生產力的分布全球陸地年凈初級生產總量為115×109t干物質，海洋的為55×109t干物質。海洋約占地球表面的2／3，但凈初級生產量只占1／3。在海洋中，由河口灣向大陸架到大洋區，單位面積凈初級生產量和生物量有明顯降低的趨勢。在陸地上，熱帶雨林生產量是很高的，年平均2200g／m2；濕地(沼澤和鹽沼)生產量年平均可達到2000g／m2；疏林及灌叢年平均為700g／m2。(表10-1)。第19頁，共72頁，2022年，5月20日，8點43分，星期五1.17×1078.2×1062.6×1063.5×1065.6×1064.554g/(m2·d)二、初級生產的生產效率最大光合效率第20頁，共72頁，2022年，5月20日，8點43分，星期五20世紀40年代以來，對各生態系統的初級生產效率所作的大量研究表明，在自然條件下，總初級生產效率很難超過3％。一般說來，在富饒肥沃的地區總初級生產效率可以達到1％~2％；而在貧瘠荒涼的地區大約只有0.1％。就全球平均來說，總初級生產效率大概是0.2％~0.5％。第21頁，共72頁，2022年，5月20日，8點43分，星期五三、初級生產量的限制因素陸地生態系統NPR取食光①CO2②③H2O④營養⑤光合作用生物量GPO2＋溫度⑥⑦第22頁，共72頁，2022年，5月20日，8點43分，星期五光合作用率光強度BACPsp補償點飽和點光照影響第23頁，共72頁，2022年，5月20日，8點43分，星期五溫度影響

在一定溫度范圍內，生物生長的速率與溫度成正比，但是溫度超過生物體內酶活性的最高溫度后，將會使得生物生長受阻甚至死亡。第24頁，共72頁，2022年，5月20日，8點43分，星期五水對動植物生長發育的影響植物水分對植物生長有最低、最適和最高量的三基點。低于最低點，植物萎蔫、生長停止，高于最高點，根系缺氧、窒息、爛根。動物水分不足時，引起動物的滯育和休眠；許多動物的周期性繁殖與降水季節密切相關。水影響第25頁，共72頁，2022年，5月20日，8點43分，星期五近年研究還發現一普遍規律：地面凈初級生產量與植物光合作用中氮的最高積聚量呈密切的正相關。N、P、K施肥都能增加初級生產量。土壤影響第26頁，共72頁，2022年，5月20日，8點43分，星期五 缺磷：植株深綠，常呈紅色或紫色，干燥時暗綠。莖短而細，基部葉片變黃，開花推遲，種子小不飽滿。

缺氮：植株淺綠、基部老葉變黃，干燥時呈褐色。莖短而細，分枝或分蘗少。若果樹缺氮則表現為果小、果少、果皮硬等現象。

缺鉀：老葉沿葉緣首先黃化，嚴重時葉緣呈灼燒狀。第27頁，共72頁，2022年，5月20日，8點43分，星期五水域生態系統海洋浮游植物的凈初級生產力取決于太陽的日總輻射量、水中的葉綠素含量和光強度隨水深而減弱的衰變系數。第28頁，共72頁，2022年，5月20日，8點43分，星期五四、初級生產量的測定方法收獲量測定法用于陸地生態系統。定期收割植被，干燥到恒重，然后以每年每平方米的干物質重量表示。取樣測定干物質的熱當量，并將生物量換算為J／(m2·a)。為了使結果更精確，可在整個生長季中多次取樣，并測定各個物種所占的比重。第29頁，共72頁，2022年，5月20日，8點43分，星期五氧氣測定法總初級生產量＝凈初級生產量＋呼吸量也叫黑白瓶法適合于水生生態系統第30頁，共72頁，2022年，5月20日，8點43分，星期五黑瓶（呼吸作用）D1對照瓶（原始濃度）D0

白瓶(凈初級生產作用)D2放置于水樣深度處一定時間后，測各瓶的含氧量變化，求初級生產量。第31頁，共72頁，2022年，5月20日，8點43分，星期五二氧化碳測定法原理方法基本與氧氣測定法一樣夜晚：初始：X1及時：X2CO2濃度白天：初始：X3及時：X4第32頁，共72頁，2022年，5月20日，8點43分，星期五生產者通過光合作用將簡單的無機物合成復雜的有機物質，使得植物生物量增加，是一種生產過程消費者通過攝取植物的制造的有機物質，經過消化分解后，最后合成自身所需營養物質，從而使得動物生物量增加，所以也可稱為生產過程初級生產或第一性生產次級生產或第二性生產第33頁，共72頁，2022年，5月20日，8點43分，星期五第三節、生態系統的生產力—次級生產次級生產過程是異養生物的再生產過程。對于次級生產來說，凈初級生產量其所需能量的惟一來源。初級生產的能量來源主要是？如果初級生產量全部被動物利用，可否全部轉化為次級生產量？第34頁，共72頁，2022年，5月20日，8點43分，星期五次級生產量：在被動物同化的能量中，有一部分用于動物的呼吸代謝和生命的維持，這一部分能最終將以熱的形式消散掉，剩下的那部分才能用于動物的生長和繁殖，這就是次級生產量。用于動物生長繁殖的能量如：肉、蛋、奶、毛皮、骨骼、血液以及各個器官均屬于次級生產量范疇。第35頁，共72頁，2022年，5月20日，8點43分，星期五一、次級生產一般過程圖10-2次級生產過程普適模型包括植食動物和食肉動物。對植食動物來說，食物種群是指植物(凈初級生產量)，對食肉動物來說，食物種群是指動物(凈次級生產量)。第36頁，共72頁，2022年，5月20日，8點43分，星期五對一個動物種群來說，其能量收支情況可以用下列公式表示：C=A+FU

式中：C——動物從外界攝食的能量；

A——被同化能量；

FU——糞、尿能量。其中：A項又可分解如下：A=P+R

式中：P——凈次級生產量；

R——呼吸能量。綜合上述兩式可以得到：P=C-FU-R第37頁，共72頁，2022年，5月20日，8點43分，星期五二、次級生產量的測定1、按已知同化量A和呼吸量R，估計生產量P：

P=C-Fu-R，Fu-尿糞量2、根據個體生長或增重的部分Pg和新生個體重Pr，估計P：

P＝Pg＋Pr3、根據生物量凈變化△B和死亡損失E，估計P：

P＝△B＋E第38頁，共72頁，2022年，5月20日，8點43分，星期五P＝Pg＋Pr=20+30-10-10+10+10+10+10=70

P＝△B＋E=30+10+10+20=70第39頁，共72頁，2022年，5月20日，8點43分，星期五三、次級生產的生態效率表10-4幾種生態系統中食草動物利用植物凈生產量的比例第40頁，共72頁，2022年，5月20日，8點43分，星期五由表10-4可知：植物種群增長率高、世代短、更新快，其被利用的比例就較高；草本植物的支持組織比木本植物的少，能提供更多凈初級生產量為食草動物利用小型的浮游植物的消費者(浮游動物)密度很大，利用凈初級生產量比例最高。第41頁，共72頁，2022年，5月20日，8點43分，星期五同化效率？同化效率食肉動物>食草動物凈生長效率食草動物>食肉動物食草動物與食肉動物的同化效率、凈生長效率比較凈生長效率？生長效率與呼吸作用有很好的負相關性第42頁，共72頁，2022年，5月20日，8點43分，星期五生產效率隨動物類群而異。一般說來，無脊椎動物有較高的生產效率，約30％~40％（最高）外溫性脊椎動物居中，約10％（居中）內溫性脊椎動物很低，僅1％~2％，它們為維持恒定體溫消耗很多同化能量（最低）不同動物類群的凈生長效率比較第43頁，共72頁，2022年，5月20日，8點43分，星期五表10-5各類群動物的生長效率第44頁，共72頁，2022年，5月20日，8點43分，星期五

假設你像小說中的魯濱遜一樣，流落到一個不毛的荒島上，那里除了有能飲用的水之外，幾乎沒有任何食物，你隨身攜帶的食物只有5千克玉米和一只母雞。你認為哪種生存策略能讓你維持更長的時間來等待救援？（）

A.先吃雞，然后吃玉米。

B.先吃玉米，同時用一部分玉米喂雞，吃雞產下的蛋，最后吃雞。雞人玉米玉米人雞A第45頁，共72頁，2022年，5月20日，8點43分，星期五第四節、生態系統的分解

把動植物殘體中的復雜有機物分解為生產者能重新利用的簡單的化合物，并釋放出能量的過程。微生物、土壤原生動物、小型無脊椎動物一、分解過程是不是所有的微生物都是分解者？是不是所有的土壤動物都是分解者？第46頁，共72頁，2022年，5月20日，8點43分，星期五分解過程碎裂：由于物理和生物的作用，把尸體分解成為顆粒狀的碎屑。異化：有機物質在酶的作用下分解，從聚合體變成單體。淋溶：可溶性物質被水淋洗出。交叉進行、彼此影響第47頁，共72頁，2022年，5月20日，8點43分，星期五分解過程的意義：通過死亡物質的分解，使營養物質再循環，給生產者提供營養物質維持大氣中二氧化碳的濃度穩定和提高土壤有機質含量，為碎屑食物鏈以后各級生物生產食物改善土壤物理性狀，改造地球表面惰性物質第48頁，共72頁，2022年，5月20日，8點43分，星期五澳大利亞引進異地金龜處理牛糞

澳洲大陸與其他陸地隔離，生物區系獨特，當地繁殖的最大獸類是有袋類的大袋鼠。 移民于1788年運去了第一批5頭奶牛和2頭公牛，到19世紀未超過4500萬頭。 每天約有4.5億堆又大又濕的牛糞。而當地的金龜子主要取食干硬的袋鼠糞，而對軟而濕的牛糞不感興趣。 由于當地缺乏分解牛糞的生物，牛糞在草原上風干硬化，幾年內都難以分解，日積月積，牛糞數量驚人。牛糞覆蓋并破壞大面積草原，形成草原上的一塊塊禿斑。每年被毀的牧場竟達3600萬畝。

據實驗兩頭金龜子一前一后，能將100克牛糞在30~40小時內，滾成球，埋入土層里，以備子代食用。由于牛糞中的蠅卵需96小時后才能孵化為幼蟲，牛糞埋入地下，蠅類無法孵化。因此，金龜子消除了牛糞，又破壞了蠅類滋生的條件。為此，60年代，澳大利亞引入了羚羊糞蜣(Onthophagusgazella)和神農蜣螂(Catharsiusmolossus)等異地金龜，對分解牛糞發揮了明顯的作用。第49頁，共72頁，2022年，5月20日，8點43分，星期五影響分解過程的因素分解者的生物種類待分解資源的質量分解時的理化性質第50頁，共72頁，2022年，5月20日，8點43分，星期五二、分解者細菌和真菌第51頁，共72頁，2022年，5月20日，8點43分，星期五動物（陸地生態系統）小型土壤動物體寬<100μm，原生動物、線蟲、輪蟲。中型土壤動物體寬100μm~2mm，彈尾目昆蟲、螨、蚯蚓、雙翅目幼蟲、小型甲蟲。大型土壤動物（巨型）大型體寬2~20mm，巨型體寬>20mm，千足蟲、蝸牛、較大的蚯蚓等。第52頁，共72頁，2022年，5月20日，8點43分，星期五動物（水域生態系統）碎裂者：石蠅幼蟲，以落入河流的樹葉為食物。顆粒狀有機物質搜集者搖蚊幼蟲和顫蚓，從沉積物中搜集食物；紋石娥幼蟲，從水體中濾食有機顆粒。刮食者：蝙蜉蝣幼蟲。以藻類為食的食草性動物。捕食動物：螞蝗、蜻蜓幼蟲。第53頁，共72頁，2022年，5月20日，8點43分，星期五三、待分解資源的質量待分解資源的物理性質表面特性、機械結構待分解資源的化學性質化學組成單糖>半纖維素>纖維素>木質素>蠟>酚第54頁，共72頁，2022年，5月20日，8點43分，星期五溫度高、濕度大有利于分解過程。四、分解時的理化環境青藏高原的高寒草甸生態系統：1、微生物分解者種群高峰出現在6月中旬~9月，10月后就迅速減少；2、反映分解速率的CO2釋放量或土壤呼吸率，5月中旬最低，高峰期為7月中旬~8月中旬；8月份之后就迅速減少。第55頁，共72頁，2022年，5月20日，8點43分，星期五第五節、生態系統中的能量流動生態系統食物鏈的能量流動生態系統中的能量流動異養生態系統的能流分析生態系統的能流模型第56頁，共72頁，2022年，5月20日，8點43分，星期五熱力學第一定律：即能量守恒定律在自然界發生的所有現象中，能量既不能消失，也不能憑空產生，只能由一種形式變為另一形式。熱力學第二定律：即能量遞減規律在封閉系統中，一切過程都伴隨著能量的改變，在能量傳遞和轉化過程中，除了一部分可以繼續傳遞和作功的能量（自由能）外，總有一部分不能繼續傳遞和做功，而以熱的形式消散，這部分能量使系統的熵和無序性增加。第57頁，共72頁，2022年，5月20日，8點43分，星期五能量在生態系統中的流動，一部分以熱能的形式散失外，另外一部分會沿著食物鏈傳遞，數量上逐漸的減少，質量逐漸提高。第58頁，共72頁，2022年，5月20日，8點43分，星期五問：假設植物提供的凈初級生產量為X[J/（m2*a）]田鼠用于生長、生殖的能量是多少？鼬用于生長、生殖的能量是多少？一、生態系統食物鏈的能量流動第59頁，共72頁，2022年，5月20日，8點43分，星期五在能量傳遞過程中，未被利用的能量占絕大多數，級別越高，呼吸作用越來越強（21%、30%、60%）二、生態系統中的能量流動第60頁，共72頁，2022年，5月20日，8點43分，星期五三、異養生態系統自養生物：能夠通過自身將無機物合成有機物，分為光能合成（各種綠色植物或藻類）和化能合成（如硝酸桿菌，亞硝酸桿菌）異樣生物：不能通過自身將無機物合成有機物，只能通過攝取有機物維持新陳代謝。自養生態系統：直接依靠太陽能的輸入維持其功能的生態系統。異樣生態系統：主要依靠其他生態系統所產生的有機物輸入維持自身的生存。

第61頁，共72頁，2022年，5月20日，8點43分，星期五結論自養型生態系統與異養型生態系統的根本區別是什么？系統中是否存在生產者異樣生態系統一般很小

第62頁，共72頁，2022年，5月20日，8點43分，星期五第六節、生態系統中的信息流動生態系統信息的基本特征信息與信息量生態系統信息的基本特征生態系統中的信息類型第63頁，共72頁，2022年，5月20日，8點43分，星期五1、信息與信息量信息：源于通信工程學，通常是指包含在情報、信號、消息、指令、數據、圖像等傳播形式中新的知識內容。能量和信息是物質的兩個主要屬性。信息的傳輸不僅要求信源和信宿間要有信道溝通，還要求源和宿之間存在信息量的差值，稱為信息勢差。信息勢差越大，信道中的信息流也越大。第64頁，共72頁，2022年，5月20日，8點43分，星期五2、生態系統信息的基本特征生態系統的信息多樣性信息既可來自生物類群,也有非生物信息,包括物理的、化學的和生物的不同性