第三章 农业生态系统的能流
? § 3-1 热力学定律
? § 3-2 食物链,食物网
? § 3-3 生态系统的能流分析
? § 3-4 农业生态系统的能流
? § 3-5 农业生态系统的 能流分析
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§ 3-1 热力学定律
? 一、热力学第一定律（能量守恒定律）
? △ U（系统内能变化） =Q（吸热） -W（对外作功）
? 能量可以在不同介质中传递，也可以在不同形式间转
换，但在所有这些过程中能量保持恒定，既不能创生，
也不会消灭。
? 二、热力学第二定律
? 1.能量的转换不可能达到百分之百有效。
? 2.自由能的提高不可能是一个自发过程。
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§ 3-1 热力学定律
? 三,熵 (entropy)
? 1.熵 (entropy):系统热量除以温度后得到的商。
? △ S=△ Q/T
? 熵是系统无序性的量度。
? 2.热力学第二定律
? （ 1）在一个内能不变的封闭系统中，任何自发过程均
朝着熵值增加的方向进行。
? （ 2）开放系统从一个平衡状态到另一个平衡状态的任
何过程，均使系统与环境熵值之和增加。
§ 3-1 热力学定律
? 三、耗散结构理论
? 1.耗散结构 (dissipative structure)：开放系统在远离平衡态的非
平衡状态下，系统可能出现的一种稳定的有序结构。
(Prigogine)
? 2.耗散结构理论：一个远离平衡态的开放系统，通过与外界
进行物质与能量的不断交换，就能克服混乱状态，维持稳定
状态，并且不断提高系统的有序性，使系统的熵减少。
? 3.有机体 和 生态系统 都是远离平衡态的开放系统，存在一种
连续而有效的能量转换，因而都属于耗散结构。
? 光合与同化：引入负熵，保持有序状态
? 呼吸与作功：排除正熵，排除无序
§ 3-2 食物链
? 一、食物链（ food chain）和营养级（ trophic level）：
? 1.食物链（ food chain）：生态系统成员间，通过食物
营养关系彼此联系起来的序列。
? 2.营养级（ trophic level）：食物链上的每一个食性级。
以符号 T来表示,T1表示第一营养级,T2表示第二营
养级,T3……T n余此类推。
? 食物链是生态系统内生物与生物之间相互联系的一种
主要形式, 是物质循环和能量流动的主要路径 。
§ 3-2 食物链
? 二、食物链的种类
? 按性质不同分为四类：
? （ 1）捕食食物链（又称草牧食物链 gazing food chain）：
是由植物到草食动物，再到肉食动物，直接消耗活有机体或
其部分的食物链。在陆地上起始于绿色植物，在水中起始于
浮游植物。
? 如,水稻 —— 稻飞虱 —— 青蛙 —— 蛇 —— 老鹰 —— 人
? （ 2）腐生食物链（又称 残渣食物链 detritus food chain）：
由多种微生物构成，是以死有机体为营养源，通过腐烂、分
解，将有机物还原为无机物质的食物。
? 如,秸杆（畜粪） —— 食用菌 垃圾 —— 蚯蚓（蜗牛）
next
§ 3-2 食物链
? （ 3）寄生食物链（ parasite food chain）：以寄生的方式取
食活着生物有机体。食物链成员有自大到小的趋势。
? 如,大豆 —— 菟丝子 马 —— 蛔虫 —— 原生动物
? 红铃虫 —— 金小蜂
? （ 4）混合食物链：构成食物链的各营养级中，既有活食生
物成员，也有腐食生物成员。
? 如,稻草 —— 牛 —— 蚯蚓 —— 鸡 —— 猪 —— 鱼
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§ 3-2 食物链
? 三、生态系统中食物链的基本特点
? 1.在同一个食物链中，常包含有食性和其它生活习性极不相同
的多种生物。
? 一条食物链中包含的多种生物，可以使光合产物得到充分
利用（分级利用光合产物），在有限的空间中养活众多生物。
? 2.在同一生态系统中，可能有多条食物链，它们长短不一，营
养级数目不等。如一个鱼塘生态系统中：
? 藻类水草 —— 草鱼 绿藻 —— 甲壳动物 —— 花鲢
? 浮游植物 —— 浮游动物 —— 虾 —— 噘鱼
? 自然生态系统中，食物链营养级的数目是有限的
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§ 3-2 食物链
? 3.不同生态系统中各类食物链所占比重不同。
? (1)森林生态系统：腐生食物链比重最大，约占系统中生产者
所生产的有机物质的 90%以上。
? (2)草原生态系统（牧场）：腐生食物链约占 70%左右。
? (3)农田生态系统：植物生产的有机质大部分作为产品，留给
腐生食物链的仅占净初级生产的 20~30%。如果不通过粪肥、
秸杆还田等途径向系统补充有机质，则系统中腐生食物链上
的生物群落将会因为缺少食物能而衰退，引起土壤肥力的下
降。
? 4．在任何一生态系统，各类食物链有协同作用。
§ 3-2食物链
? 三, 食物网
? 食物网 （ food web)：在生态系统中, 各种食物链交错
起来构成的网状结构 。
? 食物网本质上是生态系统中有机体之间一系列反复的
吃与被吃的相互关系 。
? 营养结构：以营养为纽带, 把生物与生物, 生物与环
境紧密联系起来的结构 。
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§ 3-3 生态系统中的能源
? 一,太阳辐射能
? 二,辅助能
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§ 3-3-1 太阳辐射能
? 一,太阳辐射能
? 是所有生态系统最主要能量来源
? 可见光,0.4~0.76μ 50% 生理效应
? 红外线：＞ 0.76μ 43% 引起热能
? 紫外线：＜ 0.4μ 7% 引起生物变性, 致死
? 太阳常数,So=1.94cal/cm2.min
? 到达地球表面的太阳辐射能强度, 因纬度, 地形地貌,
坡度坡向, 气候因子而不同 。
? 太阳辐射能量到达地球表面的分配 示意图
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§ 3-3-2 辅助能
? 二、辅助能
? 辅助能：生态系统中，除了太阳能以外的其它一切补
加能量。
? 包括自然能和人工能补给，如沿海河口潮汐的作用，
风力的作用以及降雨和蒸发的作用等。
? 对农业生态系统，辅助能主要构成是人们从事农业生
产各项活动中投入的能量，当然，也继承了自然生态
系统中的自然辅助能。
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§ 3-4 生态系统的能流分析
? 一,能流路径
? 二,生态效率
? 三,生态金字塔
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§ 3-4-1 能流路径
? 一、能流路径
? 研究生态系统中能量流动，在于了解一个系统的能量输入、
贮存以及作功之间的相互关系，从而减少能量损耗，提高能
量利用效率。
? 生态系统中能量是沿着食物链流动的,→ Tn-1→ Tn →
? NUn NAn Rn
? NPn-1 摄入量 In An NPn
? 注, NP：净生产量 A：同化量
? Nu：未同化量 NA：未同化量
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§ 3-4-2 生态效率
? 二, 生态效率
? 生态效率：能量通过各营养级的转化效率 。
? 1,营养级之间 （ Tn-1—— Tn）
? （ 1） 摄入效率 In/In-1
? （ 2） 同化效率 An/An-1
? （ 3） 生产效率 NPn/NPn-1
? 2,营养级内部
? （ 1） 同化效率,An/In
? （ 2） 生态生长效率,NPn/In（ 生产效率 ）
? （ 3） 组织生长效率,NPn/An
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§ 3-4-3 生态金字塔
? 三, 生态金字塔
? 1.生态金字塔：营养级由低到高, 它们的个体数或能量的
分布形成一个塔形结构, 就称为生态金字塔 。
? 2.三种基本类型：
? （ 1） 生物个体数 —— 数目金字塔
? （ 2） 每种生物的现存生物量 —— 生物量金字塔
? （ 3） 能量 —— 能量金字塔
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§ 3-5 农业生态系统的能流
? 一,能源
? 二,人工辅助能提高农业生态系统生产
力的原因
? 三,工业辅助能的使用所带来的一系列
的问题
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§ 4-5-1 能源
? 一, 能源
? 生物界的能源, 直接, 间接地来源于太阳的辐射能 。
? 农业生态系统有大量的人工辅助能输入, 同时有大量的能量
以农产品的形式输出系统外 。 太阳能仍是主要能量来源, 但
辅助能所占的比例大大提高了 。
? 自然辅助能
? 辅助能 工业能：农药, 化肥, 农机, 电力,
? 燃料, 薄膜, 设施
? 人工辅助能 生物能：劳动, 畜力, 有机肥, 燃料
? 食物能：种子, 种苗, 饲料,
? 种畜, 种禽
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§ 3-5-2人工辅助能提高农业生态系统
生产力的原因
? 二、人工辅助能提高农业生态系统生产力的原因
? 1．辅助能的投入，促进农作物对太阳能的吸收、利用
和转化。
? 2．减少农业生物的非生产能量损耗。
? 3．使农业生产中的一些自然生物过程可以用人工过程
取代，提高效率。
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§ 4-5-3工业辅助能的使用所带来的一
系列的问题
? 三、工业辅助能的使用所带来的一系列的问题
? 1．辅助能的效益随着辅助能的增加而降低。
? 2．能源紧张。
? 3, 化肥农药对农业环境造成污染 。
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§ 3-6 农业生态系统的能流分析
? 一, 能流符号
? 二, 能流分析法 —— 输入输出过程分析法
? 三, 农业生态系统的能流模型
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§ 4-6-1 能流符号
? 一、能流符号
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§ 3-6-2 能流分析法
? 二,能流分析法
? 1．确定研究对象和系统边界。
? 2．确定系统的组成成分及相互关系，绘出能流图。
? 3．搜集资料，确定各种实物的流量与输入输出量。
? ①直接从有关统计资料中得到。
? ②到实地进行调查获取资料。
? ③间接估算，利用他人的成果。
? 4,将各种实物流量折算成能量, 标在能流图上 。
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§ 3-6-2 能流分析法
? 5．结果分析。
? （ 1）输入能量的结构分析。
? （ 2）产出能量的结构分析。
? （ 3）能量输入密度。
? （ 4）能量产出密度。
? （ 5）各种能量的转换效率。
? ①人工辅助能效率 =总产出能量 /人工辅助能投入量
? ②工业辅助能效率 =总产出能 /工业辅助能投入量
? ③各种生态效率
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§ 3-6-3 农业生态系统的能流模型
? 三,农业生态系统的能流模型
? 进入农业生态系统的能流,是沿着以农田、草
地、林果、水域 为发端的几条主要食物链运行的。
由于畜禽（鱼）、加工业 及作为消费者的 人 的存在，
在这些食物链的下游形成了交错复杂的网状结构。
§ 3-6-3 农业生态系统的能流模型
? （一）农田亚系统：
? 农业生态系统主体、辅助能投入重点
? 输出的能流：人、畜禽、城市、还田
? （二）畜禽亚系统：
? （三）林果亚系统：
? 个体大，生育期长，强自我维持能力和光能转化，
生态效益（保持水土、改善气候、稳定良好的生态环
境、为病虫害的天敌活动提供保护），提供多样化食
品、生产资料和生活资料，改善农村景观
? （四）加工业亚系统：
