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第22章 生态系统生态系统的能量流动(3)

两个不同点是:(1)生物的种类稍有不同,A、B中有7种,C、D中有8种。(2)营养结构中食物链的多少不同。其中,A是3条,B是7条,C是10条,D是7条。

在这道题中,与甲获得能量多少有关的因素有二:一是营养级的级别,级别越高,获得的能量越少。二是能量在食物链中的传递效率。该题中4个生态系统所固定的太阳能相等,即流入各生态系统的总能量相等。同时,甲所处的营养级都是第四营养级,营养级的级数也相同。

我们知道,生态系统中能量的传递效率是很低的,食物链中一个营养级的能量只有少部分被下一营养级所利用。大部分能量则不能流入下一营养级,未被下一营养级所利用的能量包括:(1)未被取食的。(2)取食后未被消化利用的。(3)本营养级生物呼吸消耗的。

那么,能量的传递效率与生态系统中物种的种类及营养结构中食物链的环节多少是个什么关系呢?我认为:1.营养结构越复杂,流入下一营养级的能量越多。举一个简单的例子:草麻雀兔草兔图20

麻雀主要取食草籽,而兔主要取食草叶。因为取食的部位不同,显然前一种生态系统对草的利用应更充分一些,应有更多的能量流入第二营养级。而取食后未被消化利用的部分所占比重较少。

2.各营养级中呼吸散失的能量与物种种类的多少无关。生物呼吸消耗的能量在第一营养级中所占比重不大,大约只占总初级生产量的15%,在消费者中所占比重相当大,大约占总同化量的97%左右。我们不能说生物种类多,呼吸散失的能量就多。一个营养级中生物量一定的情况下,呼吸作用散失能量的多少应该只与物种本身有关(如1960年,美国生态学家F.B.Golley在密执安荒地对一个由植物、田鼠、鼬3个环节组成的食物链进行了能量流动分析,发现田鼠和鼬的呼吸消耗分别占总同化量的97%和98%),而与物种种类的多少无关。

3.从生态系统的稳定性考虑,生态系统的成分越单纯,营养结构越简单,自动调节能力越小,生态平衡就越容易受到破坏。反之,生态系统的营养级结构越复杂,食物链中各个营养级的生物种类越繁多,自动调节能力越大,生态平衡越容易维持,也就是说越能稳定地、持续地为甲提供更多的能量。

因此,我认为该题最合适的答案应该是营养结构最复杂的C。

普适的生态系统能流模型

Odum于1959年曾把生态系统的能量流动概括为一个普适的模型。从这个模型中我们可以看出外部能量的输入情况以及能量在生态系统中的流动路线及其归宿。普适的能流模型是以一十个隔室(即图中的方框)表示各个营养级和贮存库,并用粗细不等的能流通道把这些隔室年能流的路线连接起来,能流通道的粗细代表能流量的多少,而箭头表示能量流动的方向。

最外面的大方框表示生态系统的边界。自外向内有两个能量输入通道,即日光能输入通道和现成有机物质输入通道。达两个能量输入通道的粗细将依其体的生态系统而有所不同,如果日光的输入量大于有机物质的输入量则大体上属于自养生态系统;反之,如果现成有机物质的输入构成该生态系统能量来源的主流,则被认为是异养生态系统。大方框自内向外有三个能量输出通道,即在光合作用中没有被固定的日光能、生态系统中生物的呼吸以及现成有机物质的流失。

图21一个普适的生态系统能流模型

(引自E.P.Odum,1959)

根据以上能流模型的一般图式,生态学家在研究任一生态系统时就可以根据建模的需要着手收集资料,最后建立一个适于这个生态系统的具体能流模型。应当说,这件工作远不象说起来那么容易,有些工作是十分困难的,因为自然生态系统中的可变因素很多,例如,幼龄树和老龄树的光合作用速率就不相同;幼年的、小型的动物比老年、大型动物的新陈代谢速率要高得多;入射的光能的强度和质量也随着季节的转换面变动等。正是由于这种取样的复杂性,所以至今被生态学家建立起能流模型的生态系统还是寥寥无几。

但是,有些生态学家却绕过了这种困难,他们在实验室内用电子计算机对各种生态系统进行模拟。在实验室内可局限于对某些重要变量进行分析,至少这些变量是可以控制和调节的。实践表明,通过这种室内模拟研究所获得的结果,常常和在自然条件下进行研究所获得的结果非常一致,两种研究方法都能得出几点重要的一般性结论。例如,英国的生态学家Lawrence Slobodkin在实验室内研究了一个由藻类(生产者)、小甲壳动物(一级消费者)和水螅(二级消费者)所组成的一个实验生态系统,并且得出了如下的一个结论,即能量从一个营养级传递到另一个营养级的转化效率大约是10%。总结迄今为止所进行的各种研究表明:在生态系统能流过程中,能量从一个营养级到另一个营养级的转化效率大致是在5%~30%之间。平均说来,从植物到植食动物的转化效率大约是10%,从植食动物到肉食动物的转化效率大约是15%。

赛达伯格湖(Cedar Bog)和银泉的能流分析1.Cedar Bog湖的能流分析介绍该湖泊的能量流动情况,并提供Cedar Bog湖能量流动的一个定量分析图。从图中可以看出,这个湖的总初级生产量是111卡(464)/厘米2。年,能量的固定效率大约是0.l%(111/118761)。在生产者所固定的能量中有21%(即23卡(96焦)/厘米2。年)是被生产者自己的呼吸代谢消耗掉了,被植食动物吃掉的只有15卡(63焦)/厘米2。年(约占净初级生产者的17%),被分解者分解的只有3卡(13焦)/厘米2。年(占净初级生产量的3.4%)。其余没有被利用的净初级生产量竟多达70卡(293焦)/厘米2。年(占净初级生产量的79.5%),这些未被利用的生产量最终都沉到湖底形成了植物有机质沉积物。显然,在Cedar Bog湖中没有被动物利用的净初级生产量要比被利用的多得多。

图22Cedar Bog湖能量滚动的定量分析GP=总初级生产量:H=植食动物;C=肉食动物;(引自Lindeman,1942)

在被动物利用的15卡(63焦)/厘米2。年的能量中,大约有4.5卡(18.8焦)/厘米2。年占植食动物次级生产量的80%)用在植食动物自身的呼吸代谢(比植物呼吸代谢所消耗的能量百分比要高,植物为21%),其余的10.5卡(43.9焦)/厘米2。年(占70%)从理论上讲都是可以被肉食动物所利用的,但是实际上肉食动物只利用了3卡(12.6焦)/厘米2。年(占可利用量的28.6%)。这个利用率虽然比净初级生产量的利用率要高,但还是相当低的。在肉食动物的总次级生产量中,呼吸代谢活动大约要消耗掉60%即1.8卡(7.5焦)/厘米2。年),这种消耗比同一生态系统中的植食动物(30%)和植物(21%)的同类消耗要高得多。其余的40%(即1.2卡(6.0焦)/厘米2。年)大都没有被更高位的肉食动物所利用,而每年被分解者分解掉的又微乎其微,所以大部分都作为动物有机残体沉积到了湖底。

2.银泉的能流分析

1957年,H.T.Odum对美国佛罗里达州的银泉进行了能流分析,下图是银泉的能流分析图,从图中可以看出:当能量从一个营养级流向另一个营养级时,其数量急剧减少,原因是生物呼吸的能量消耗和有相当数量的净初级生产量(57%)没有被消费者利用,而是通向分解者被分解了。由于能量在流动过程中的急剧减少,以致到第四个营养级时能量已经很少了,该营养级只有少数的鱼和龟,它们的数量已经不足以再维持第五个营养级的存在了。如果要增加营养级的数目,则必须先增加生产者的生产量和提高ⅣP/GP的比值;并减少通向分解者的能量。

3.Cedar Bog湖和银泉这两个生态系统的能流情况比较。

它们分别代表两个完全不同的生态系统一个是沼泽水湖,一个是清泉水河;它们能流的规模、速率和效率都很不相同。

就生产者固定太阳能的效率来说,银泉至少要比Cedar Bog湖高10倍,但是银泉在呼吸代谢上所消耗的能量所占总生产量的百分数,大约相当Cedar Bog湖的2.5倍,而且这种呼吸代谢的高消耗可以表现在所有营养级上(生产者、植食动物和肉食动物营养级)。虽然把两个生态系统中被分解者分解的和没被利用的能量加在一起计算,它们所占的百分数在每一个营养级都相差不太多,但是如果分别计算就会看到两者之间存在着明显差异:在Cedar.Bog湖,净生产量每年大约只有三分之一被分解者分解,其余部分则沉积到湖底,逐年累积形成了北方泥炭沼泽湖所特有的沉积物,即泥炭。与此相反,在银泉中,大部分没有被利用的净生产量都被水流带到了下游地区,水底的沉积物很少。

图23银泉的能流分析(单位:102大卡/米3.年)

(引自H.T.Odum,1957)

生态农业的主要特点和类型

一、生态农业的主要特点

(1)整体协调发展

生态农业重视系统整体功能,把农业生态系统和生产经济系统内部各要素,按生态和经济规律的要求进行调控,要求农、林、牧、副、渔各业组成综合经营体系。并要求各要素和子系统之间协调发展,包括生物与环境之间、生物物种之间、区域内的森林、农田、水域、草地等之间以及经济、技术与生物之间相互有机地配合,使整个农业经济体系得到协调发展。

(2)提高综合功能

农业生态系统结构、组成的多样性,能提高空间和光能利用率,并有利于物质和能量的多层次利用,增加生物生产量。物种的多样性可发挥天敌对有害生物的控制作用,使有害生物与天敌保持某种数量平衡,从而减少化学药剂的使用,降低生产成本,提高产品质量。能提高整个系统的抗逆力,抵御不良条件的侵袭。并能增强生态系统的自我调节能力,以维持整个体系的稳定性。产品的多样化,有利于提高经济效益。

(3)改善生态环境

生态农业通过对农村的自然~社会~经济复合生态系统结构的改造和调整,并采取有效的措施,使水、热、光、气候与土壤等自然资源以及生产过程中的各种副产品和废弃物得以多层次、多途径的合理利用,减少化肥和农药的用量,逐步恢复和提高土壤的肥力,水土得以保持,污染得到控制。因此生态农业既合理地利用了自然资源,增加了物质财富和经济效益,而且逐步提高了农村生态环境的质量。

二、我国生态农业的主要类型

根据生态系统的结构与功能,结合各地的自然条件、生产技术和社会需要,可以设计多种多样的农业生态工程体系。下面简介几种最常见的类型。

1.物质能量的多层分级利用系统

下面是利用秸秆生产食用菌和蚯蚓等生产设计。

图24作物秸杆的多级利用

秸秆还田是保特土壤有机质的有效措施,但秸秆未经处理直接返回土壤,需要经过长时间的发酵分解,方能发挥肥效。现在则利用糖化过程先把秸秆变成家畜喜食的饲料,而后以家畜的排泄物及秸秆残渣来培养食用菌,生产食用菌的残余物又用于繁殖蚯蚓,最后才把利用后剩下的残物返回农田,效益就会更好。虽然最终还田的秸秆有机质的肥效有所降低,但增加了食用菌、蚯蚓,特别是畜产品等,明显增加了经济效益。必须注意的是,分级利用并非级数越多越好,能量毕竟有限,要符合生态规律办事,方能得益。

2.水陆交换的物质循坏系统

图25桑蚕鱼塘生产体系

桑蚕鱼塘体系是比较典型的水陆交换生产系统,是我国南方各省农村比较多见而行之有效的生产体系。桑树通过光合作用生成有机物质桑叶,桑叶喂蚕,生产蚕茧和蚕丝。桑树的凋落物、桑椹和蚕沙施撒入鱼塘中,经过池塘内另一食物链过程,转化为鱼体等水生生物,鱼类等的排泄物及其他未被利用的有机物和底泥,其中一部分经过底栖生物的消化、分解,取出后可作混合肥料,返回桑基,培育桑树。人们可以从该体系中获得蚕丝及其制成品、食品、鱼类等水生生物以及沼气等综合效益,在经济上和保护农业生态环境上都大有好处。

3.农林牧渔联合生产系统

图26农林牧渔生态系统初级模式

下面是农、林、牧、渔生态系统的初级生产模式。这个体系中四个亚系统进行物质和能量交换、互为一体。林区保护农田,为农田创造良好的小气候条件,同时招引益鸟捕食农林害虫。作物籽粒及秸杆为禽畜提供精粗饲料,而禽畜的粪便又为农田提供有机肥料,或为鱼池提供肥水。鱼池底泥可用作肥料。物质与能量得到充分的利用,能够实现林茂粮丰、禽畜兴旺、水产丰收,得到较高的经济效益和生态效益。

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