生态系统中的能量流动

生态系统中的能量流动的思维导图，知识内容有生态系统中的初级生产、生态系统中的次级生产、生态系统中的分解、生态系统中的能量波动等。

生态系统中的能量流动

• 生态系统中的初级生产
  • 初级生产的基本概念
    • 初级生产量（第一性生产量）:植物所固定的太阳能或所制造的有机物质
    • 在初级生产过程中，植物固定的能量有一部分被植物自己的呼吸消耗掉，剩下的可用于植物生长和生殖，这部分生产量称为净初级生产量；而包括呼吸消耗在内的全部生产量，称为总初级生产量。
    • 生物量含有速率的概念，是指单位时间单位面积上的有机物质生产量；而生物量是指在某一定时刻调查时单位面积上积存的有机物质，单位是干重g/m²或J/m²
  • 地球上初级生产力的分布
    • 在海洋中，由河口湾向大陆架到大洋区，单位面积净初级生产量和生物量有趋于降低的明显趋势。在陆地上，湿地（沼泽和盐沼）生产量是最高的，年平均可超过2500g/m²。热带雨林生产量也是很高的，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
    • 全球净初级生产力在沿地球纬度分布上有3个高峰。第一高峰接近赤道，第二高峰出现在北半球的中温带，而第三高峰出现在南半球的中温带。
    • 海洋净初级生产力的季节变动是中等程度的，而陆地生产力的季节波动则很大，夏季比冬季净初级生产力平均高60%。
  • 初级生产的生产效率
    • 在自然条件下，总初级生产效率很难超过3%，虽然人类精心管理的农业生态系统中曾经有过6%~8%的记录；一般来说，在富饶肥沃的地区总初级生产效率可以达到1%~2%；而在贫瘠荒凉的地区大约只有0.1%。就全球平均来说，大概是0.2%~0.5%。
  • 初级生产量的限制因素
    • 陆地生态系统
      • 光，二氧化碳，水和营养物质是初级生产量的基本资源，温度是影响光和效率的主要因素，而食草动物的捕食会减少光合作用生物量
      • 潜蒸发蒸腾（PET）指数是反映在特定辐射，温度，湿度和风速条件下蒸发到大气中水量的一个指标
      • PET-PPT（PPT为年降水量）值则可反映缺水程度，因而能表示湿度和降水等条件的联合作用。
      • 遥感是测定生态系统初级生产量的一种新技术，可同时测定很大陆地区域
      • 根据遥感测得近红外和可见光光谱数据而计算出来的NDVI指数（标准化植被差异指数）提供了植物光合作用吸收有效辐射的一个定量指标
    • 水域生态系统
      • 光是影响水体初级生产力的最重要的因子
      • 莱赛尔提出的预测海洋初级生产力的公式：P=R/k*C*3.7 P-浮游植物的净初级生产力 R-相对光合率 k-光强度随水深度而减弱的衰变系数 C-水中的叶绿素含量
  • 初级生产量的测定方法
    • 收获量测定法
    • 氧气测定法
    • 二氧化碳测定法
    • 放射性标记物测定法
    • 叶绿素测定法
• 生态系统中的次级生产
  • 次级生产过程
    • 动物从外界摄食的能量（C）=被同化能量（A）+粪，尿能量（FU）
    • 被同化能量（A）=净生产量（P）+呼吸能量(R)
  • 次级生产量的测定
    • 按同化量和呼吸量估计生产值，即P=A-R；按摄食量和扣除粪尿量估计同化量，即A=C-FU
    • 测定次级生产力的另一途径，P=Pg(个体增重的部分)+Pr（生殖后代的生产量）
  • 次级生产的生态效率
    • 消费效率
      • 植物种群增长率高，世代短，更新快，其消费效率就较高
      • 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
      • 小型的浮游植物的消费者（浮游植物）密度很大，利用净初级生产量比例最高
    • 同化效率
      • 在食草动物和碎食动物较低，而食肉动物较高。
    • 生产效率
      • 生产效率随动物类群而异，一般来说，无脊椎动物有高的生产效率，为30%~40%（呼吸丢失能量较少，因而能将更多的同化能量转变为生长能量），外温性脊椎动物居中，约10%，而内温性动物脊椎动物很低，仅1%~2%，它们为维持恒定体温而消耗很多已同化能量。
• 生态系统中的分解
  • 分解过程的性质
    • 生态系统的分解是死有机物质的逐步降解过程。分解时，无机元素从有机物质中释放出来，称为矿化，它与光合作用时无机营养元素的固定正好是相反的过程。
  • 分解者生物
    • 细菌和真菌
      • 生长型
        • 微生物主要有群体生长和丝状生长类型生长型。前者如酵母和细菌，后者如真菌和放线菌。
      • 营养方式
        • 微生物通过分泌细胞外酶，把底物分解·为简单的分子状态，然后再吸收。大多数真菌具分解木质素和纤维素的酶，它们能分解植物性死有机物质；而细菌中只有少数具有此种能力。但在缺氧和一些极端环境中只有细菌能起分解作用。所以细菌和真菌在一起，就能利用自然界中绝大多数有机物质和许多人工合成的有机物。
    • 动物
      • 根据身体大小把陆地生态系统的分解者分为4个类群
        • 微型土壤动物，体长在100μm以下，包括原生动物，线虫，轮虫，最小的弹尾目昆虫和蜱螨，它们都不能碎裂枯枝落叶，属粘附类型
        • 中型土壤动物，体长100μm~2㎜，包括弹尾目昆虫，蜱螨，线蚓，双翅目幼虫和小型甲虫，大部分都能进攻新落下的枯叶，但对碎裂的贡献不大，对分解的作用主要是调节微生物种群的大小和对大型动物粪便进行处理和加工。只有白蚁，由于其消化管中的共生微生物，能直接影响系统的能流和物流
        • 大型和巨型土壤动物，包括食枯枝落叶的节肢动物，如千足虫，等足目和端足目动物，蛞蝓，蜗牛，较大的蚯蚓，是碎裂植物残叶和翻动土壤的主力
      • 水生生态系统的分解者动物通常按其功能可分为下列几类
        • 碎裂者，如石蝇幼虫等，以落入河流中的树叶为食。
        • 颗粒状有机物质搜集者，可分为两个亚类，一类从沉积物中搜集，例如摇蚊幼虫和颤蚓；另一类在水体中滤食有机颗粒，如蚊石蛾幼虫和蚋幼虫。
        • 刮食者，其口器适应于在石砾表面刮取藻类和死有机物，如扁蜉蝣幼虫。
        • 以藻类为食的食草性动物
        • 捕食动物，以其他无脊椎动物为食，如蚂蟥，蜻蜓幼虫和泥蛉幼虫等
  • 资源质量
    • 待分解资源在分解者生物的作用下进行分解，因此，资源的物理和化学性质影响着分解的速率。
  • 理化环境对分解的影响
    • 一般来说，温度高，湿度大的地带，其土壤中的分解速率高，而低温和干燥的地带，其分解速率低，因而土壤中易积累有机物质。
• 生态系统中的能量流动
  • 研究能量传递规律的热力学定律
    • 能量是生态系统的动力，是一切生命活动的基础。
    • 热力学定律决定着生态系统利用能量的限度。
  • 食物链层次上的能流分析
    • 对生态系统中的能量流动进行研究可以在种群，食物链和生态系统三个层次上进行，所获资料可以互相补充，有助于了解生态系统的功能
    • 在食物链层次上进行能流分析是把每一个物种都作为能量从生产者到顶位消费者移动过程中的一个环节，当能量沿着一个食物链在几个物种间流动时，测定食物链每一个环节上的能量值，就可提供生态系统内一系列特定点上能流的详细和准确资料。
  • 生态系统层次上的能流分析
    • 在生态系统层次上分析能量流动，是把每个物种都归属于一个特定的营养级中（依据该物种主要食性），然后精确地测定每一个营养级能量的输入值和输出值，这种分析目前多见于水生生态系统，因为水生生态系统边界明确，便于计算能量和物质的输入量和输出量，整个系统封闭性较强，与周围环境的物质和能量交换量小，内环境比较稳定，生态因子变化幅度小。
    • 三个生态系统能流研究的实例
      • 银泉的能流分析
      • Cedar Bog湖的能流分析
      • 森林生态系统的能流分析
  • 异养生态系统的能流分析
    • 异养生态系统可以不依靠或基本上不依靠太阳能的输入而主要依靠其他生态系统所生产的有机物输入来维持自身的生存。
• 分解者和消费者在能流中的相对作用
  • 4类生态系统的能流特点
    • 几乎每一类生态系统，由初级生产者所固定的能量，其主要流经的途径是分解者亚系统，这包括由呼吸失热也是分解者压系统明显高于消费者亚系统
    • 只有以浮游生物为优势的水生群落食活食的消费者亚系统在能流过程中有重要作用，其同化效率也比较高；即使如此，由于异养性的细菌密度很高，它们依赖于浮游植物细胞分泌的溶解状态有机物，所以消费死有机物的比例也在50%以上
    • 对于河流和小池塘，由于大部分能量来源于从陆地生态系统输入的死有机物，所以通过消费者亚系统的能流量是很少的