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第十章生态系统中的能量流动与信息流[本章要点]生态系统能流的基本概念与能流原理;初级生产和次级生产;生态效率。第一节生态系统能量流动的基本规律一、生态系统的基本驱动力——能量能量——是指物体做功的能力。能量有多种形式,按运动方式分:动能:指正在做功的能量,如风能、水能等。潜能:指尚未做功,但有做功的潜在能力,如生物能、化学能。一切生命活动都需要能量推动,或者说:生命过程是能量聚散的过程。能量是地球上生物生存和生态系统发展的根本驱动力,而来自太阳的辐射能是基本能量来源,没有太阳能就没有地球上丰富多彩的生命和生态系统。二、生态系统能量流动的基本规律1.生态系统的能流过程生态系统的能流主要是动能和潜能和传递与转换。生态系统的动能:是生物与其环境之间以传导和对流形式互相传递和转化的一种能量,包括热、辐射的相互传递。生态系统的潜能:是绿色植物(生产者)通过光合作用贮藏在光合产物化学键之内,处于静态的能量。这部分能量是固定态的能,难以流动。只有通过其他生物(如消费者、分解者)的取食、利用,在生物之间传递和转化,才能实现流动(逐级传递)。这种生物与环境之间、生物与生物之间能量的传递和转化过程,就是生态系统的能流过程。2.生态系统能流渠道(途径)一是生物与环境的直接交换;二是主要沿着食物链进行的。能量沿着食物链的一个个环节或营养级,向下传递,而实现流动。3.生态系统能流服从(遵守)热力学定律热力学第一定律:即能量守恒定律:在任何过程,能量既不能创造,也不能消灭,只能由一种形式变为另一形式。如生态系统中:当solargeergy进入→生态系统后,一部分太阳能未利用→变成热能等;另一部分太阳能被生物固定为化学潜力能,并且部分存在有机体中,部分用于代谢运动,逸散到环境中。所以,进入ecosystem能量,形式发生了变化,但能量并不能消灭、消失。热力学第二定律:即能量递减规律:在一个封闭系统内能量的传递和转化过程中,除了一部分可以继续传递和作为做功的能量(自由能)外,总有一部分能不能传递和做功,而以热的形式消散,使系统向着无序性或熵增的方向发展。或用自由能概念表述:①物体(系统)自由能的提高不可能是自发过程;②任何产生自由能贮备的能量转换都不能百分之百转换,或能量不能百分之百地传递、做功。同样,生态系统的能量不能百分之百的转化为化学潜能。化学潜能也不能百分之百地向下一个食物链传递(营养级)。由于能量消耗的不可降性,决定了能流的单向性。但是,生态系统之所以维持,相当有序的低熵状态,是因为:生物体和生态系统都是开放系统(opensystems),不断与环境进行着能量(包括物质)交换,特别是通过光合作用,引入负熵值;通过呼吸作用,把正熵值转出环境,所以,地球上生命、生态系统形成繁茂的景象、有序的景象、进化的景象。显然:破坏地球生态系统,特别是生产者的“引负熵”机制使地球“正熵植”上升,地球与人类的未来是可怕的,可能变成“死害的世界”,走向“末日”。比利时著名学者prigogine(普里定律):提出耗散理论。把这种通过与环境交换物质能量形成的有序系统结构称之为“耗散结构。”第二节生态系统的生产力---初级生产生态系统能流——由生产者开始;生产的物质和能量决定能流。一、概念1.第一性生产的定义第一性生产又叫初级生产(primaryproduction),是指生态系统中绿色植物(生产者)通过光合作用将太阳能固定、转变为化学潜能的能量积累过程。2.第一性生产力(初级生产力)①生态系统的生产力:生态系统中有机物质(能量)累积的速率;②生态系统的初级生产力(primaryproduction):生态系统中生产者累积有机物质的速率;③总初级生产力GPP(Groosprimaryproduction):秣系统中单位面积、单位时间内光合作用总速率或总固化量。④净初级生产力NPP(Netprimaryproduction):总初级生产中扣除呼吸消耗后的有机物质积累速率。所以,NPP=GPP-R(呼吸消耗量)当NPP=0时,生物量稳定不变,积累=所吸消耗;所以系统保持稳定(外形不一定);当NPP0时,生物量发生积累,所以生产系统处于上升(增长);当NPP0时,即积累消耗,所以生产系统处于下降(已成熟或衰退)。例如,陆地上,热带雨林是生产量最高的,平均2200g/(m2.a),由热带雨林向温带常绿林、落叶林、北方针叶林、稀树草原、温带草原、寒漠和荒漠依次减少。沼泽和某些作物栽培地是属于高生产量的.二初级生产量的限制因素(一)陆地生态系统陆地生态系统中,初级生产量是由光、二氧化碳、水、营养物质(物质因素)、氧和温度(环境调节因素)六个因素决定的。(二)水域生态系统光是影响水体初级生产力的最重要的因子.预测海洋初级生产力的公式:三、初级生产量的测定方法(1)收获量测定法收获量测定法:收获植物地上部分烘干至恒重,获得单位时间内的净初级生产量。(2)氧气测定法氧气测定法:总光合量=净光合量+呼吸量(3)CO2测定法二氧化碳测定法:用特定空间内的二氧化碳含量的变化,作为进入植物体有机质中的量,进而估算有机质的量。(4)放射性标记物测定法放射性标记测定法:把具有14C的碳酸盐(14CO32-)放入含有天然水体浮游植物的样瓶中,沉入水中,经过一定时间的培养,滤出浮游植物,干燥后,测定放射性活性,确定光合作用固定的碳量。由于浮游植物在黑暗中也能吸收14C,因此,还要用“暗吸收”加以校正。(5)叶绿素测定法叶绿素测定法:叶绿素与光合作用强度有密切的定量关系,通过测定体中的叶绿素可以估计初级生产力。第三节生态系统的生产力--次级生产一、次级生产过程1.次级生产的定义生态系统中的异养生物(次级生产者)利用生产者者(自养生物)生产的有机物质为食物来源形成有机物的过程,称为次级生产(secondaryproduction)。2.次级生产力secondaryproductivity次级生产中能量积累的速率,称为次级生产力。表示式:P=C–FU–RP—净次级生产量C—动物从外界摄食的能量FU—粪、尿能量R—呼吸能量二、次级生产量测定方法1.P=A-RA—同化量A=C(摄食量)-FU(类量)即P=C-FU-R(基本同前式)即测同化、呼吸量的方法2.按种群个体生长和出生的资料来计算动物的净生产量P=Pg+Pr-.Pg——生殖后代的生产量,gPr——个体增重,g三、次级生产的生态效率研究表明:1)植物种群增长率高、世代短、更新快,其被利用的百分比就较高;2)草本植物的支持组织比木本植物的少,能提供更多的净初级生产量为食草动物所利用;3)小型的浮游植物酌消费者(浮游动物)密度很大.利用净初级生产量比例最高。第四节生态系统中的分解本节作为学生自学内容,不做详细讲解。主要内容:1、分解过程的性质;2、分解者;3、分解过程的限制因子。纲要:分解实际上是一个很复杂的过程,是碎裂、异化和淋溶三个过程的综合。由于物理的和生物的作用,把尸体分解为颗粒状的碎屑称为碎裂。有机物质在酶的作用下分解,从聚合体变成单体,例如由纤维素变成葡萄糖,进而成为矿物成分,称为异化。淋溶则是可溶性物质被水所淋洗出,是一种纯物理过程。在尸体分解中、这三个过程是交叉进行、相互影响的。第五节生态系统中的能量流动本节作为学生自学内容,不做详细讲解。纲要:能量是一切生命活动的基础。生态系统中生命系统与环境系统在相互作用中,始终伴随着能量的流动与转化。生态系统中的能流具有单向性。太阳辐射能经光合作用进入生态系统后,以化学能的形式流转,流转过程中以热的形式不断逸散到环境中去。根据热力学第二定律,作为自发反应,它只能向自由能减少,熵增加的方向进行,而不能逆转。能量的质量在能流过程中不断提高。能量在生态系统中流动的过程中,除了一部分能量以热能的形式散失外,另一部分通过食物链,转化为数量较少,但是具有更高质量的能量,如从植物纤维能,转化为动物蛋白、脂肪含能。太阳辐射能输入生态系统后的能量流动过程中,能量的质量是逐步提高和浓集的。第六节生态系统中的信息流动一、生态系统信息的基本特征(一)信息与信息量信息:源于通信工程学,通常是指包含在情报、信号、消息、指令、数据、图像等传播形式中新的知识内容。能量和信息是物质的两个主要属性。信息的传输不仅要求信源和信宿间要有信道沟通,还要求源和宿之间存在信息量的差值,称为信息势差。信息势差越大,信道中的信息流也越大。(二)生态系统信息的基本特征1.生态系统的信息多样性信息既可来自生物类群,也有非生物信息,包括物理的、化学的和生物的不同性质的信息.2信息通讯的复杂性生物以不同方式进行信息通讯.有的以形体显示其引诱或趋避作用,有的在内部生理\生化方面蕴含着抑制\毒杀信号,有的从行为方面进行交流和联系等等.3信息类型多,贮存量大生命物质信息\非生命物质信息宏观\微观(三)生态系统中的信息类型1物理信息及其传递(1)光信息太阳是光信息的主要初级信源,它通过折射\贮存\再释放等过程,构成大量初级信源.(2)声信息声信息对于动物比对植物具有更大的重要性.(3)电信息自然界中有许多放电现象,生物中存在较多的是生物放电现象.(4)磁信息生物生活在太阳和地球的磁场内,都受到磁力的影响.生物对磁有不同的感受能力,即生物的第六感觉.2化学信息(1)植物与动物间的化学信息采取的方式:通过形态、生理生化、生态对策等方面采取各种手段保卫自己。皮刺、细毛、次生代谢物等。花的颜色吸引昆虫(2)动物之间的化学信息动物通过外分泌腺体向体外分泌某些信息素,携带特定信息,通过气流或水流的运载,被种内的其他个体嗅到或接触到,接受者能立即产生某些行为反应,或活化特殊的受体,产生某些生理改变.(3)植物之间的化学信息次生代谢物质,对基础代谢物质作用不大,但影响其它植物的生长,强力地改变着生态系统的结构和组成。植物信息物质的种类是多样的,信息的传播途径是多种的(树叶、树脂、根部;大气、雨水、土壤)。3行为信息某些植物和动物的异常表现和行为传递的某种信息,统称为行为信息.4营养信息在生态系统中生物的食物链是一个生物的营养信息系统,各种生物通过营养信息关系联系成一个互相依存和相互制约的整体.
本文标题:第十章生态系统中的能流和信息流
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