生态系统的生产力与能量流动

本节导读

这一节是第五章的核心，也是全课难度最大的一节：生态系统怎样制造有机物（生产量），能量又怎样沿着食物链一级一级往下传（能量流动）。

试卷里，选择题和填空题常考总初级生产量与净初级生产量的关系、能量流动的特点、林德曼效率；判断题爱设陷阱，比如「动物粪便中的能量属于它同化的能量」；还会有一道简单的能量传递计算；简答题的热门题目是「简述生态系统能量流动的特点」「怎样提高农业生态系统的能量利用率」。学完这一节，你应该能分清生产量和生物量、总初级和净初级生产量，说清同化量的去向，并会按 10% 的效率做简单计算。

初级生产量

先分清两个常混的概念：生产量是单位时间、单位面积内新生成的有机物量，是一个「速率」；生物量是某一时刻单位面积上现存的活有机体总量，是一个「存量」。

初级生产量是指绿色植物（自养生物）通过光合作用制造的有机物。它分为两种：

概念	含义	关系
总初级生产量（GP）	光合作用固定的全部有机物（或能量）	GP = NP + R
净初级生产量（NP）	扣除自养生物自身呼吸消耗之后，剩下的有机物	NP = GP − R

其中 R 是自养生物的呼吸消耗量。净初级生产量才是能够提供给消费者和分解者利用的部分。

影响初级生产量的因素有光、温度、水分、养分（氮、磷等）和二氧化碳浓度。在陆地生态系统中，热带雨林的净初级生产量最高，荒漠和苔原最低；在水域中，河口、湿地和珊瑚礁较高，开阔大洋因为营养缺乏而较低。

次级生产量

次级生产量是指消费者和分解者（异养生物）利用现成的有机物，转化成自身物质时所贮存的能量。以某一个营养级为例，能量的变化过程是：

概念	含义	关系
摄入量（I）	动物吃进去的能量	I = A + FU
粪便量（FU）	没有被消化吸收，随粪便排出的能量	属于上一营养级的能量
同化量（A）	被消化吸收，进入体内的能量	A = I − FU
呼吸消耗（R）	用于维持生命活动，最终以热能散失	同化量的一部分
净生产量（P）	用于生长、发育和繁殖的能量	P = A − R

要特别注意：粪便中的能量没有被这个动物同化，仍然属于上一营养级。比如兔吃草后排出的粪便，里面的能量属于草，而不属于兔。

恒温动物为了维持体温，呼吸消耗很大，用于生长的比例很低；变温动物呼吸消耗较小，生长效率相对较高。

能量流动的特点

能量流动是指能量沿着食物链（网）传递和转化的过程。生态系统的能量主要来自太阳能，也有少数来自化学能，如深海热泉附近的化能合成细菌。基本过程是：太阳能被生产者固定成化学能，沿着食物链各营养级传递，最终都以热能的形式散失到环境中。

能量流动有两个特点：

• 单向流动：能量只能沿食物链由低营养级流向高营养级，不能逆转，也不能循环，最终以热能散失。

• 逐级递减：每一个营养级获得的能量，大部分被自己的呼吸消耗并以热能散失，一部分随遗体、残骸、粪便流向分解者，还有一部分暂时没有被利用，只有一小部分传给下一个营养级。

逐级递减并不是能量消失了，而是转化成了生物无法再利用的热能。这符合热力学定律：第一定律说能量守恒，既不会凭空产生也不会凭空消失；第二定律说能量在转化中总有一部分变成无法再利用的热能，转化效率不可能达到全部。

林德曼效率

1942 年，美国生态学家林德曼研究湖泊生态系统的能量流动，发现营养级之间的能量转化效率大约是 10%，这就是著名的十分之一定律。林德曼效率的计算方法是：

林德曼效率 = 下一营养级的同化量 ÷ 上一营养级的同化量（结果用百分数表示）