生态系统的能量流动——生态系统是个热力学系统

发布时间:2021/4/19,浏览人次:3901

生态系统是个热力学系统


   生态系统中能量传递(energy transfer)和转换(transformation)是遵循了热力学的两条定律:

   第一定律:△H=Qp+Wp                      (8.1)

   第二定律:△H=△g+T△S                    (8.2)

   式中:△H是系统中焓的变化;Qp、Wp为净热净功,各自独立的和外界环境发生交换。在常压下,△g是系统内自由能的变化,T是绝对温度(K),△S为系统内的熵变。

   式(8.1)为能量守恒定律,即能量可由一种形式转化为其他形式的能量。进入系统的能量等于系统内储存的能减去所释放的能。能量既不能消灭,也不能凭空创造。

   式(8.2)阐述了任何形式的能(除了热)转到另一种形式能的自发转换中,不可能100%被利用,总有一些能量作为热的形式被耗散出去,熵就增加了。所以,热力学第二定律又称熵律(Law of Entropy)。

   把热力学定律应用于生态学能量流动中是项极为有意义的工作。生物体是开放的不可逆的热力学系统。它和外界环境有焓的变换(H),要固定热能(TS)和外界摩擦生热(Q)。而呼吸作用损耗仅是Q的一部分热交换而不是TS。热力学定律表示了能量的守恒、转换和耗散。据此,可以准确地计算一个生态系统的能量收支。

   Wiegert(1968)发展了热力学的方程式。

   第一定律(在一个开放系统)△H=H1-H2-Qsr-Wsr                     (8.3)

   生态学能量预算:P=i-E-R-Wsr                                (8.4)

   式中:△H:系统的焓(enthalpy即热涵);H1:输入物质的焓含量;H2:输出物质的焓含量;Qsr:和外界净热量的交换;Wsr:和外界净功的交换;P:生成物质的焓;i:食入物质的焓;E:消化物质的焓;R:净呼吸热量损失。

   能量在生态系统中流动的特点:


一、能流在生态系统中是变化着的

   能流在生态系统中和在物理系统中不同。能流和以下两项相关。①一定的摩擦损失或遗漏的能量;②一定系统的传导性或传导系数。在非生命的物理系统中(电、热、机械等)是复杂的,但是从原则上说是有规律的,可以用直接的形式来表达。并且,对一定的系统来说又是一个常数。例如,在一定的温度下,铜导线中的电流在每时每刻都是相同的(10V)。在生态系统中,能流是变化的,以捕食者-被食者为例,力为被食者单位能量的含量和捕食者单位的产出能量。流(假定为捕食者所消化并转化为新的生物量)取决于输入端的消化率和输出端捕食者的新生物量产生速度的因素。无论是短期行为,还是长期进化都是变动的。


二、能量是单向流

   生态系统能量的流动是单一方向的(one way flow of energy)。能量以光能的状态进入生态系统后,就不能再以光的形式存在,而是以热的形式不断地逸散于环境之中。热力学第二定律注意到宇宙在每一个地方都趋向于均匀的熵。它只能向自由能减少的方向进行而不能逆转。所以,从宏观上看,熵总是日益增加。

   能量在生态系统中流动,很大一部分被各个营养级的生物利用。与此同时,通过呼吸作用以热的形式散失。散失到空间的热能不能再回到生态系统中参与流动。因为至今尚未发现以热能作为能源合成有机物的生物。

   能流的单一方向性主要表现在三个方面:①太阳的辐射能以光能的形式输入生态系统后,通过光合作用被植物所固定,此后不能再以光能的形式返回;②自养生物被异养生物摄食后,能量就由自养生物流到异养生物体内,也不能再返回给自养生物;③从总的能流途径而言,能量只是一次性流经生态系统,是不可逆的。

   物质在生态系统中做循环式运动。也就是说,任何一个元素、一种物质可以一而再,再而三地被利用。

   能量以物质作为载体,同时又推动着物质的运动。能量流与物质流是不能截然分开的。


三、能量在生态系统内流动的过程,就是能量不断递减的过程

   从太阳辐射能到被生产者固定,再经植食动物,到食肉动物,再到大型食肉动物,能量是逐级递减的过程。这是因为:①各营养级消费者不可能百分之百地利用前一营养级的生物量;②各营养级的同化作用也不是百分之百的,总有一部分不被同化。③生物在维持生命过程中进行新陈代谢。总是要消耗一部分能量。


四、能量在流动中,质量逐渐提高

   能量在生态系统中流动有一部分能量以热能耗散外,另一部分的去向是把较多的低质量能转化成另一种较少的高质量能。从太阳能输入生态系统后的能量流动过程中,能的质量是逐步提高和浓集的。


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——摘自科学出版社·蔡晓明编著·《生态系统生态学》·第二篇 生态系统功能·第八章 第一节