佛山科学技术学院精品资源共享课《农业牛态学》（聂早荣）》 第三章农业生态系统的能流 Chapter 3 Energy flow in the agroecosystem 任何生命过程无不自始全终贯穿着能量、物质和信息的有组织、有秩序的流动。能量的输入、 传递、转化、做功，是生态系统最重要的功能：农业生念系统的能量流动，是体现农业生产持续运 转的基本过程 第一节热力学定律 一、热力学第一定律 一个系统的任何状念的变化，都伴随着吸热、放热和做功，而系统的总能量并不增加或诚少， 它是守恒的。 △U(系统内能变化)=Q(吸热)一W(对外作功) 即△E=△Q+△W。△E表示系统内能的变化，△Q表示系统吸热或放热，△W表示自身做功或系 统对外做功。 实际上，能量的当量转换关系不限于热、功和内能之间，各种形式的能量都有当量转换关系。 在生念系统中，太阳的辐射能，大部分通过地面、水面、生物表面等反射、散射和蒸发蒸腾耗能而 离开尘态系统：只有小部分通过绿色植物的光合作用转化为有机物质中的化学潜能。 二、热力学第二定律 山于总有一部分能量散发为不能再利用的热能，能量从一种形念转变为另一种形念的效率，总 不可能是百分之百。 自山能是系统中可用于做功的那一部分能量。自山能做功后即衰变为不能利用的无用能，通常 是分散的热能。 山热力学第二定律可知，世界上一切有序的结构、格局、安排都会自然地趋向于无序。要使系 统维持有序状念，只有使系统狄得史多的潜能以做功。 三、耗散结构理论 普甲高津的耗散结构理论，一个远离平衡念的开放系统，通过与外界环境所进行的物质、能量 的不断交换，就能克服无序状念，维持稳定状念。尘念系统为一个具有耗散结构的开放系统，服从 热力学第二定律。 四、能量流动的特征 1、能流是单向流动 2、能流是能量不断递减的过程 3、能量流动的途径和渠道是食物链(food chain)和食物恻(food web) 第二节生态系统的能量关系 一、能源 能量(energy),在物理学上指的是物质具有作功的能力。能是物质运动的量度。 一般把能分为两种存在形式：潜能和动能。 潜能是静态能量，它是存在于物体内部的化学能量，具有作功的潜在能力，生念系统中有机物 质的化学结合能是潜能的一种。 动能则与物体本身的质量、运动速度和相对位置有关，动能是物理学上所主要讨论的能量形式。 ①形念：I光能(Solar energy)化学能(chemical energy)动能(Kinetic energy)热能(thermal energy) ②度量：卡或千卡（生念学上）calory焦耳（农业工程上，为目前国际标准单位）joule 二、生态系统的能量来源与路径 1、生态系统的能量来源 ①太阳能：占99%以上。生物界的能源，直接、间接地来源于太阳的辐射能
佛山科学技术学院精品资源共享课《农业牛态学》（聂早荣） ②自然辅助能(natural a uxiliary energy):!地热能、潮汐能、核能等占<I% ③人工辅助能(artificial auxiliary energy):人畜力、燃料、电力、肥料、农药等农业生念景观与 农业生念系统的水平结构。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。 2、生态系统的能流路径 ①太阳辐射 太阳辐射能通过光合作用进入生态系统，成为生念系统能量的主要来源。 ②以植物有机物质形式贮存起来的化学潜能，沿着食物链和食物树流动，驱动生态系统完成物质 流动、信息传递等功能。 ③化学潜能贮存在生念系统的生物组分内，或者随着产品等输出，离开尘态系统。 ④植物、动物和微生物有机体通过呼吸作用释放热能，并散失。 ⑤辅助能对以太阳辐射能为始点，以食物链为主线的能量流动起辅助作用。 三、生态效率和生态金字塔 1、生态效率 生念效率即食物链各环节上的能量转化效率。 2、生态金字塔 尘念金字塔是是指山于能量每经过一个营养级时被净同化的部分都要大大少于前一个营养级， 当营养级山低到高，其个体数目、尘物量或所含能量就呈现类似埃及金字塔的塔形分布。 3、分之一定律 林德曼的分之一定律：在自然条件下，每年从任何一个营养级上能收获到的生产量，按能量 计只不过是它前一个营养级生产量的分之一左右。 3、能量与人类社会的发展 ①能量是生念系统一切过程的驱动力，能量的开发利用是人类社会发展的必要条件。 ②当今世界经济和农业的发展是以能量消耗的增加为条件的。 四、农业生念系统能流关系的调整方向 1、重视初级生产，扩大绿色植物面积，提高光能利用效率，为稳定环境和扩大能流规模奠定基 础。 2、调整生物组合，优化农业生念系统结构。 3、开发农村新能源，提高生物能的利用效率。 4、开发和推广节能降耗技术。 5、优化人工辅助能投入，提高能量利用效率。 6、大力发展农业科技和信息产业。 第三节初级生产的能流 一、初级生产中的能量平衡关系 1、初级生产 是指自养生物利用无机环境中的能量进行同化作用，在生念系统中首次把环境的能量转化成有 机体化学能，并贮存起来的过程。其中绿色植物光合作用固定太阳能生产有机物的过程，是最主要 2
佛山科学技术学院精品资源共享课《农业牛态学》（聂旱荣） 的初级生产，是生念系统能量流动的基础。 初级生产者包括绿色植物和光能合成细菌等。 2、净初级生产量 净初级生产量=总初级生产量一呼吸量 二氧化碳 光合作用 光能自养型（硫化细菌） 二、初级生产的能量转化 净初级生产量=总初级生产量一呼吸量 第四节次级生产的能流 一、次级生产 次级尘产：是指异养尘物的生产，也就是生态系统消费者、分解者利用初级生产量进行的同化、 生长发育、繁殖后代的过程。 次级生产者：大农业中的畜牧水产业和虫、菌业生产都属次级生产。 二、次级生产的能量半衡 P-NI+I-A+(R1+R2)+(F+U+G) P初级生产总量Ni未食用部分I食用部分A贮存量R1体增热 R2维持能F固体排泄物U液体排泄物G气体排泄物 3
佛山科学技术学院精品资源共享课《农业牛态学》（聂旱荣） 第五节生态系统中的辅助能 一、 生念系统的辅助能 自然辅助能：风、雨、流水、潮汐、地热 人工辅助能(artificial auxiliary energy) 生物辅助能：劳力、畜力、有机肥、种子种苗等 直接工业辅助能（如煤、石油、天然气等） 工业辅助能： 间接工业辅助能（如化肥、农药、薄膜等） 潮汐 风能 煤矿 畜力 二、人工辅助能对农业增产的意义 1、辅助能输入的作用是改善不良的生念环境条件，解除环境中一些限制因子的制约，促进农作 物对山光能的吸收、利用和转化。 2、随着人工辅助能投入的增加，特别是工业辅助能投入量的增加，产量明显提高。 3、工业辅助能投入的增加也带来了能源短缺、环境污染和成本提高等问题。今后应优化辅助能 投入，提高辅助能的利用效率。未来农业史多的是应该史多地投入科学技术和信息，替代工业辅助 能的直接投入。 二、农业生态系统的能流特征和转化效率 1、自然生态系统与农业生态系统的比较 自然生态系统：主要是自然辅助能。 农业生态系统：自然辅助能和人工辅助能量的大量输入输出。 2、不同类型农业生态系统的比较 不同历史发展时期： 原始农业(primitive agriculture):辅助能投入少，生产力低。 传统农业(traditional agriculture):辅助能投入多，生产力相对高。 现代农业(modern agriculture):辅助能投入史多，生产力大大提高、次级生产的改善途径。 4