第2节 生态系统的能量流动

一切生命活动都伴随着能量的变化。没有能量的输入，也就没有生命和生态系统。生态系统中能量的输入、传递、转化和散失的过程，称为生态系统的能量流动。

能量流动的过程

地球上几乎所有的生态系统所需要的能量都来自太阳。太阳每天输送到地球的能量大约有1×10¹⁹kJ。这些能量绝大部分都被地球表面的大气层所吸收、散射和反射掉了，大约只有1％以可见光的形式，被生态系统的生产者通过光合作用转化成化学能，固定在它们所制造的有机物中。这样，太阳能就输入到了生态系统的第一营养级。

输入第一营养级的能量，一部分在生产者的呼吸作用中以热能的形式散失了；另一部分用于生产者的生长、发育和繁殖等生命活动，储存在植物体的有机物中。构成植物体的有机物中的能量，一部分随着残枝败叶等被分解者分解而释放出来；另一部分则被初级消费者摄入体内，这样，能量就流入了第二营养级。流入第二营养级的能量，一部分在初级消费者的呼吸作用中以热能的形式散失；另一部分用于初级消费者的生长、发育和繁殖等生命活动，其中一些以遗体残骸的形式被分解者利用（图3-5）。如果初级消费者被次级消费者捕食，能量就流入了第三营养级。

能量在第三、第四营养级的变化，与第二营养级的情况大致相同。生态系统中的能量流动，可以概括为图3-6所示。

能量流动的特点

为了研究能量流经生态系统的食物链时，每一级的能量变化和能量转移效率，美国生态学家林德曼（R.L. Lindeman，1915-1942）对一个结构相对简单的天然湖泊一一赛达伯格（Cedar Bog）湖的能量流动进行了定量分析。

通过分析赛达伯格湖的能量流动，可以发现生态系统的能量流动具有两个明显的特点。

1. 生态系统中能量流动是单向的。在生态系统中，能量流动只能从第一营养级流向第二营养级，再依次流向后面的各个营养级，不可逆转，也不能循环流动。

2．能量在流动过程中逐级递减。输入到一个营养级的能量不可能百分之百地流入下一个营养级，能量在沿食物链流动的过程中是逐级减少的。一般来说，在输入到某一个营养级的能量中，只有10％～20％的能量能够流到下一个营养级，也就是说，能量在相邻两个营养级间的传递效率是10％～20％。在一个生态系统中，营养级越多，在能量流动过程中消耗的能量就越多。因此，生态系统中的能量流动一般不超过5个营养级。

任何生态系统都需要不断得到来自系统外的能量补充，以便维持生态系统的正常功能。如果一个生态系统在一段较长时期内没有能量（太阳能或化学能）输入，这个生态系统就会崩溃。

生态金字塔

如果将单位时间内各营养级所得到的能量数值转换为相应面积（或体积）的图形，并将图形按照营养级的次序排列，可形成一个金字塔图形，叫作能量金字塔（图3-7）。如果用同样的方法表示各个营养级生物量（每个营养级所容纳的有机物的总干重）之间的关系，就形成生物量金字塔。如果表示各个营养级的生物个体的数目比值关系，就形成数量金字塔。它们统称为生态金字塔。

能量金字塔直观地反映出生态系统各营养级间能量的关系，由于能量在流动过程中总是逐级递减，因此能量金字塔通常都是上窄下宽的金字塔形。生物量金字塔大多也是上窄下宽的金字塔形，一般来说，植物的总干重通常大于植食性动物的总干重，而植食性动物的总干重也大于肉食性动物的总干重（图3-8，左）。数量金字塔表明每个营养级中生物个体的数量。在一个草原生态系统中，吃草的鼠比草的数目少，吃鼠的鼬又比鼠的数目少，这时，数量金字塔是上窄下宽的金字塔形。但是，如果消费者个体小而生产者个体大，如昆虫和树，那么数量金字塔就会呈现上宽下窄倒置的金字塔形（图3-8，右）。

研究能量流动的实践意义

研究生态系统的能量流动，可以帮助人们将生物在时间、空间上进行合理配置，增大流入某个生态系统的总能量。例如，农田生态系统中的间种套作、蔬菜大棚中的多层育苗、稻-萍-蛙等立体农业生产方式都充分地利用了空间和资源，获得了更大的收益。

研究生态系统的能量流动，可以帮助人们科学地规划和设计人工生态系统，使能量得到最有效的利用。例如，在农业生态系统中，如果把作物秸秆当燃料烧掉，人类就不能充分利用秸秆中的能量。如果将秸秆用作饲料喂牲畜，可获得肉、蛋、奶等；将牲畜的粪便作为沼气池发酵的原料，可以生产沼气提供能源（图3-9）；沼气池中的沼渣还可以作为肥料还田，这样就实现了对能量的多级利用，从而大大提高能量的利用率。

研究生态系统的能量流动，还可以帮助人们合理地调整生态系统中的能量流动关系，使能量持续高效地流向对人类最有益的部分。例如，在一个草场上，如果放养的牲畜过少，就不能充分利用牧草所能提供的能量；如果放养的牲畜过多，就会造成草场的退化，使畜产品的产量下降。只有根据草场的能量流动特点，合理确定草场的载畜量，才能保持畜产品的持续高产。

探究实践 调查当地某生态系统中的能量流动情况

选择身边的一个生态系统，如森林、湿地、池塘、农田、校园等，对其中的能量流动情况进行调查。在活动前，应拟订计划、明确目标、确定分工。下面是调查农田生态系统中能量流动情况的活动方案，供你们参考。

目的要求

1．调查当地的农田生态系统，明确它的组成成分。

2，分析农田生态系统中能量流动的情况，并作出评价。

3，对所调查的农田生态系统提出能量流动方面的改进建议

活动建议

农村的同学要进行实地调查，城市的同学可以通过询问亲友、电话访谈、搜集书籍报刊资料、走访农业部门等方式进行调查。

调查过程中要注意对以下问题进行分析。

1. 当地农田生态系统中生产者的主体是什么？还有哪些种类的生物是生产者？农民是用什么方法抑制其他生产者的数量的？
2. 初级消费者有哪些？其中哪些是对农业生产有益的？哪些是有害的？对这些初级消费者，农民分别采取了哪些措施？
3. 次级消费者有哪些？它们与农作物是什么关系？
4. 养殖动物的饲料来源有哪些？
5. 农民对作物秸秆是如何处理的？
6. 人们通过什么方式来提高光能利用效率？
7. 怎样才能使该生态系统中的能量得到更充分的利用？

撰写调查报告

整理调查结果，尽可能详尽地画出该农田生态系统的食物链和食物网，写一篇有关农田生态系统能量流动情况的调查分析报告。

交流

就调查报告的主要内容与农民进行交流。农民对你们的建议持什么态度？如果实施你们的建议，他们有什么现实困难？

根据和农民交流的情况，对调查报告做进一步修改。

思维训练 分析和处理数据

1926年，美国一位生态学家研究了一块玉米田的能量流动情况，得到如下数据。

1. 这块田共收割玉米约10 000株，质量为6 000kg。通过对玉米植株的化学成分进行分析，计算出其中共含碳2 675kg。
2. 据他估算，这些玉米在整个生长过程中通过细胞呼吸消耗的葡萄糖共2 045kg。
3. 1kg葡萄糖储存1.6×10⁴kJ能量。
4. 在整个生长季节，入射到这块玉米田的太阳能总量为8.5×10⁹kJ。

请根据以上数据计算：

这些玉米的含碳量折合成葡萄糖是多少？这些葡萄糖储存的能量是多少？

这些玉米呼吸作用消耗的能量是多少？

这些玉米在整个生长季节所固定的太阳能总量是多少？呼吸作用消耗的能量占所固定太阳能的比例是多少？

这块玉米田的太阳能利用效率是多少？

处理数据

根据计算结果，画出能量流经该玉米种群的图解，图解中应标明各环节能量利用和散失的比例。