1、第三章 物质与能量的流动 工业代谢分析内容要点：内容要点：(1)生态系统中物质与能量的流动分析方法；生态系统中物质与能量的流动分析方法；(2)工业代谢分析的概念、模型及其应用；工业代谢分析的概念、模型及其应用；第三章 物质与能量的流动 工业代谢分析讨讨 论：论：如何用工业代谢分析的方法来提高工业系统如何用工业代谢分析的方法来提高工业系统中物质与能量的利用率减少物质与能量流动过中物质与能量的利用率减少物质与能量流动过程中叶环境的影响程中叶环境的影响?第三章 物质与能量的流动 工业代谢分析 工业系统中的原料与能量流动对物质的全球循环有很工业系统中的原料与能量流动对物质的全球循环有很大的影响，对自然
2、生系统产生一定的扰动，工业生态学大的影响，对自然生系统产生一定的扰动，工业生态学研究的目的是在保持经济高速增长的同时让物质与能量研究的目的是在保持经济高速增长的同时让物质与能量的流动纳入自然生态系统全球大循环中，不会导致生态的流动纳入自然生态系统全球大循环中，不会导致生态破坏。因此，有必要首先对自然生态系统中物质与能量破坏。因此，有必要首先对自然生态系统中物质与能量的流动进行分析与研究。的流动进行分析与研究。自然生态系统中的物质流动有以下几种形式。自然生态系统中的物质流动有以下几种形式。(1)(1)生物地球化学循环：生物地球化学循环：在自然生态系统中物质在自然生态系统中物质的流动，采用生物学模
3、型的流动，采用生物学模型生物地球化学循环。各种生物地球化学循环。各种化学元素在不同层次、不同大小的生态系统内乃至生物化学元素在不同层次、不同大小的生态系统内乃至生物圈里沿着特定的途径从环境到生物体，又从生物体再圈里沿着特定的途径从环境到生物体，又从生物体再回归到环境不断地进行着流动和循环的过程。回归到环境不断地进行着流动和循环的过程。自然生态系统中的物质流动有以下几种形式。自然生态系统中的物质流动有以下几种形式。(2)(2)地质大循环：地质大循环：物质或元素经生物体的吸收作物质或元素经生物体的吸收作用，从环境进入生物有机体内，然后生物体以死体、残用，从环境进入生物有机体内，然后生物体以死体、残
4、体或排泄物形式将物质或元素返回环境，进入五大自然体或排泄物形式将物质或元素返回环境，进入五大自然图图(气圈、水田、岩石圈、土壤气圈、水田、岩石圈、土壤 圈、生物因圈、生物因)的循环的过的循环的过程，这是一种闭合式循环。程，这是一种闭合式循环。自然生态系统中的物质流动有以下几种形式。自然生态系统中的物质流动有以下几种形式。(3)(3)生物小循环：生物小循环：环境中元素经生物吸收，在生环境中元素经生物吸收，在生态系统中被相继利用，然后经过分解者的作用再为生产态系统中被相继利用，然后经过分解者的作用再为生产者吸收、利用，这是者吸收、利用，这是 种开放式循环。种开放式循环。自然生态系统中的物质流动涉及
5、以下两个基本概念。自然生态系统中的物质流动涉及以下两个基本概念。物质循环的流：物质循环的流：物质在库与库之间的转移运动状物质在库与库之间的转移运动状态称为流。态称为流。循环效率：循环效率：生态系统中某一组分的贮存物质，一生态系统中某一组分的贮存物质，一部分或全部流出该组分，但未离开系统，并最终返回该部分或全部流出该组分，但未离开系统，并最终返回该组分时，系统内发生了物质循环。循环物质组分时，系统内发生了物质循环。循环物质()()占总输占总输入物质入物质()()的比例，称为物质的循环效率的比例，称为物质的循环效率()()，用公，用公式式 表示。表示。cCiFEFcFiFCE 碳是生命骨架元素。环
6、境中的二氧化碳碳是生命骨架元素。环境中的二氧化碳()()通过光合作用被固定在有机物质中，然后通过食物链的通过光合作用被固定在有机物质中，然后通过食物链的传递在生态系统小进行循环，见图传递在生态系统小进行循环，见图3131。A A 碳循环碳循环2CO 碳循环途径有以下三种：碳循环途径有以下三种：(1)(1)在光合作用和呼吸作用间的细胞水平上的循在光合作用和呼吸作用间的细胞水平上的循环；环；(2)(2)大气大气 和植物体之间的个体水平上的循和植物体之间的个体水平上的循环；环；(3)(3)大气大气 一植物一动物一微生物之间的食一植物一动物一微生物之间的食物链水平上的循环物链水平上的循环(均属于生物小
7、循环均属于生物小循环)。A A 碳循环碳循环2CO2COA A 碳循环碳循环 在温室效应当中，二氧化碳起到了举足轻重的作用。在温室效应当中，二氧化碳起到了举足轻重的作用。化石燃料在燃烧过程中释放出大量的二氧化碳，增加了大化石燃料在燃烧过程中释放出大量的二氧化碳，增加了大气中二氧化碳的浓度，使温室效应加剧。二氧化碳浓度的气中二氧化碳的浓度，使温室效应加剧。二氧化碳浓度的升高还是由于人类缺乏生态环境知识，为追求短期利益，升高还是由于人类缺乏生态环境知识，为追求短期利益，人量地砍伐森抓，毁林造田造成的。人量地砍伐森抓，毁林造田造成的。A A 碳循环碳循环森林是人类的好朋友，有森林是人类的好朋友，有“
8、空气净化器空气净化器”、“大自然的总大自然的总调度室调度室”之称，它通过呼吸作用把二氧化碳以有机碳的形之称，它通过呼吸作用把二氧化碳以有机碳的形式储藏起来。当森林被破坏以后，原来以有机形式储藏起式储藏起来。当森林被破坏以后，原来以有机形式储藏起来的二氧化碳便被氧化，从而释放到大气当中，使大气中来的二氧化碳便被氧化，从而释放到大气当中，使大气中二氧化碳的浓度大大增加。二氧化碳的浓度大大增加。A A 碳循环碳循环 氮是生命代谢元素。大气中氮的含量为氮是生命代谢元素。大气中氮的含量为7979总总且约且约 。但它是一种很不活泼的气体、。但它是一种很不活泼的气体、不能为大多数生物直接利用。只有通过固氮菌
9、的生物固不能为大多数生物直接利用。只有通过固氮菌的生物固氮、闪电等的大气固氮，火山爆发时的岩浆固氮以及工氮、闪电等的大气固氮，火山爆发时的岩浆固氮以及工业固氮等途径，转为硝酸盐或氨的形态，才能为生物吸业固氮等途径，转为硝酸盐或氨的形态，才能为生物吸收利用。收利用。B B 氮循环氮循环53.85 10 t 在生态系统中，植物从土壤中吸收硝酸盐，氨基酸在生态系统中，植物从土壤中吸收硝酸盐，氨基酸彼此联结构成蛋白质分子，再与其他化合物一起建造了彼此联结构成蛋白质分子，再与其他化合物一起建造了植物有机体于是氮元素进人生态系统的生产者有机体，植物有机体于是氮元素进人生态系统的生产者有机体，进一步为动物取
10、食转变为含氮的动物蛋白质，动植物进一步为动物取食转变为含氮的动物蛋白质，动植物排泄物或残体等含氮的有机物经微生物分解为排泄物或残体等含氮的有机物经微生物分解为 、和和 返回环境返回环境 可破植物再次利用，进入新的可破植物再次利用，进入新的循环。见困循环。见困3232B B 氮循环氮循环2HO2CO3NH3NHB B 氮循环氮循环 氮氮在生态系统的循环过程中，常因有机物的燃烧而在生态系统的循环过程中，常因有机物的燃烧而挥发损失；或因土壤遇气个良，硝态氦经反硝化作用变挥发损失；或因土壤遇气个良，硝态氦经反硝化作用变为游离氮而挥发损失；或因灌溉、水蚀风蚀、雨水淋为游离氮而挥发损失；或因灌溉、水蚀风蚀
11、、雨水淋洗而流失等，损失的氮或进人大气，或进入水体变为洗而流失等，损失的氮或进人大气，或进入水体变为多数值物不能直接利用的氮素、因此。必须通过亡述各多数值物不能直接利用的氮素、因此。必须通过亡述各种因短途径来补充，从而保持生态系统中氮案的循环平种因短途径来补充，从而保持生态系统中氮案的循环平衡。衡。B B 氮循环氮循环 水是生命基础元素。水既是一切生命有机体的重要水是生命基础元素。水既是一切生命有机体的重要组成成分又是生物体内各种生命过程的介质还是生组成成分又是生物体内各种生命过程的介质还是生物体内许多生物化学反应的一底物。水是生物圈中最丰物体内许多生物化学反应的一底物。水是生物圈中最丰富的物
12、质，水可以以固、液、气三态存在。环一境水分富的物质，水可以以固、液、气三态存在。环一境水分对生物的生命活动也有着重要的生态作用见表对生物的生命活动也有着重要的生态作用见表3131和和图图3333C C 水循环水循环C C 水循环水循环 地球的海洋、冰川、湖泊、河流、土壤和大气中含地球的海洋、冰川、湖泊、河流、土壤和大气中含有大量的水。海洋咸水约占总水量的有大量的水。海洋咸水约占总水量的9797，陆地、大气，陆地、大气和海洋中的水，形成了一个水循环系统。水在生物圈的和海洋中的水，形成了一个水循环系统。水在生物圈的循环、可以看作是从水域开始，再回到水域而终止。循环、可以看作是从水域开始，再回到水域
13、而终止。C C 水循环水循环 生物圈中水的循环平衡是靠世界范围的蒸发与降水生物圈中水的循环平衡是靠世界范围的蒸发与降水来调节的。由于地球表面的差异和距太阳远近的不同，来调节的。由于地球表面的差异和距太阳远近的不同，水的分布不仅存在着地域上的差异还存在着季节上的水的分布不仅存在着地域上的差异还存在着季节上的差异。一个区域的水分平衡受降水量、径流量、蒸发量差异。一个区域的水分平衡受降水量、径流量、蒸发量和植被截留量以及自然蓄水量的影响。降水量、蒸发量和植被截留量以及自然蓄水量的影响。降水量、蒸发量的大小又受地形、太阳辐射和大气环流的影响。地而的的大小又受地形、太阳辐射和大气环流的影响。地而的蒸发和
14、植物的蒸腾与农作制度有关。蒸发和植物的蒸腾与农作制度有关。C C 水循环水循环 磷是生命信息元素，属典型的沉积循环磷是生命信息元素，属典型的沉积循环(如图如图3434所示所示)。磷以不活跃的地壳作为主要贮存库。岩石经土。磷以不活跃的地壳作为主要贮存库。岩石经土壤风化释放的磷酸盐和农田中施用的磷肥，被植物吸收壤风化释放的磷酸盐和农田中施用的磷肥，被植物吸收进入植物体内，含磷有机构沿两条循环文路循环：一是进入植物体内，含磷有机构沿两条循环文路循环：一是沿食物链传递，并以粪便、残体归还土壤；另一是以枯沿食物链传递，并以粪便、残体归还土壤；另一是以枯枝落叶、秸秆归还土壤。枝落叶、秸秆归还土壤。D D
15、磷循环磷循环特种含磷有机化舍物经土壤微生物的分解，转变为可溶特种含磷有机化舍物经土壤微生物的分解，转变为可溶性的磷酸盐，可再次供给植物吸收利用，这是磷的生物性的磷酸盐，可再次供给植物吸收利用，这是磷的生物小循环。在这一循环过程中，一部分磷脱离生物小循环小循环。在这一循环过程中，一部分磷脱离生物小循环进入地质大循环。其支路也有两条：一是动植物遗体在进入地质大循环。其支路也有两条：一是动植物遗体在陆地表面的磷矿化；另一条是磷受水的冲蚀进入江河，陆地表面的磷矿化；另一条是磷受水的冲蚀进入江河，流人海洋。流人海洋。D D 磷循环磷循环D D 磷循环磷循环 农业生产上大量施用磷肥不仅使有限的磷资源面临农
16、业生产上大量施用磷肥不仅使有限的磷资源面临枯竭的威胁，而且磷矿石、磷肥中含有重金属和放射性枯竭的威胁，而且磷矿石、磷肥中含有重金属和放射性物质，长期大量施用，会污染土壤；磷元素随水土流失物质，长期大量施用，会污染土壤；磷元素随水土流失进人水域或水体的富营养化，殃及鱼类等水生生物。磷进人水域或水体的富营养化，殃及鱼类等水生生物。磷含量的增加会导致红色浮游生物爆发性繁殖而引发的近含量的增加会导致红色浮游生物爆发性繁殖而引发的近海海水出现的海海水出现的“赤潮赤潮“及城市水系中出现的水生植物及城市水系中出现的水生植物“疯长疯长”的的“浮华浮华”现象。现象。D D 磷循环磷循环生活中生活中使用的含磷洗衣
17、粉以磷酸盐作为主要助剂，这种使用的含磷洗衣粉以磷酸盐作为主要助剂，这种助剂同时也是藻类的助长剂，水中磷含量升高，水质趋助剂同时也是藻类的助长剂，水中磷含量升高，水质趋向富营养化，会导致各种藻类、水草大量滋生，导致水向富营养化，会导致各种藻类、水草大量滋生，导致水体缺氧使鱼类死亡。因含磷过多，使我国湖泊及城市水体缺氧使鱼类死亡。因含磷过多，使我国湖泊及城市水系几乎都处于富营养化状态，水质恶化严重，许多地方系几乎都处于富营养化状态，水质恶化严重，许多地方的水根本不能饮用。的水根本不能饮用。D D 磷循环磷循环 硫是原生质休的重要绍分，它的主要蓄库是岩石圈。硫是原生质休的重要绍分，它的主要蓄库是岩石
18、圈。硫循环包括长期的沉积阶段硫循环包括长期的沉积阶段(有机或无机沉积物中有机或无机沉积物中)和短和短期的气体阶段，如图期的气体阶段，如图3535所示。所示。E E 硫循环硫循环E E 硫循环硫循环E E 硫循环硫循环 岩石库中的硫酸放主要通过生物的分解和自然分化岩石库中的硫酸放主要通过生物的分解和自然分化作用进人生态系统：作用进人生态系统：(1)(1)生物的分解：硫化物在化能合成细茵的作用下变为生物的分解：硫化物在化能合成细茵的作用下变为硫酸盆。硫酸盆。(2)(2)自然分化作用：无机硫在细菌作用下成为硫化物，自然分化作用：无机硫在细菌作用下成为硫化物，然后又转为硫酸盐。然后又转为硫酸盐。E E
19、 硫循环硫循环(3)(3)火山爆发；硫转化为硫化氢，硫化氢释放到大气中。火山爆发；硫转化为硫化氢，硫化氢释放到大气中。(4)(4)化石燃料燃烧：硫氧化为二氧化硫二氧化硫释放化石燃料燃烧：硫氧化为二氧化硫二氧化硫释放到大气中。到大气中。E E 硫循环硫循环 人类对硫循环的影响很大通过燃烧化石燃料人人类对硫循环的影响很大通过燃烧化石燃料人类每年向大气中输入的二氧化硫类每年向大气中输入的二氧化硫()()已达已达 ，其中其中7070来源于燃烧煤，二氧化硫在大气中遇到水蒸气来源于燃烧煤，二氧化硫在大气中遇到水蒸气反应形成硫酸，硫酸对于环境有许多负面影响，对人类反应形成硫酸，硫酸对于环境有许多负面影响，对
20、人类及动物的呼吸道产生刺激作用，及动物的呼吸道产生刺激作用，2SO81.4710 tE E 硫循环硫循环如果是细雾状的微小颗粒还能进入肺，刺激敏感组织。如果是细雾状的微小颗粒还能进入肺，刺激敏感组织。若二氧化硫浓度过高，就会成为灾害性的空气污染例若二氧化硫浓度过高，就会成为灾害性的空气污染例如伦敦如伦敦19521952年，纽约和东京年，纽约和东京19601960年的二氧化硫灾害，造年的二氧化硫灾害，造成支气管性哮喘大增死亡率上升。空气中的污染物的成支气管性哮喘大增死亡率上升。空气中的污染物的种类很多现在往往将硫的浓度作为空气污染严重程度种类很多现在往往将硫的浓度作为空气污染严重程度指标空气中硫
21、含量与人的健康关系最为密切。指标空气中硫含量与人的健康关系最为密切。F F 有毒物质的循环有毒物质的循环 某种物质进入生态系统后在一定时间内直接或间接某种物质进入生态系统后在一定时间内直接或间接地有害于人或生物时，就称为有毒物质或污染物。有毒地有害于人或生物时，就称为有毒物质或污染物。有毒物质种类繁多，包括有机的，如酚类和有机氯农药等；物质种类繁多，包括有机的，如酚类和有机氯农药等；无机的，如重金同、氟化物和氰化物等。无机的，如重金同、氟化物和氰化物等。F F 有毒物质的循环有毒物质的循环它们进人生态系统的途径也是多种多样的，有些被人们它们进人生态系统的途径也是多种多样的，有些被人们直接抛弃到
22、环境中，有的通过冶炼、加工制造、化学品直接抛弃到环境中，有的通过冶炼、加工制造、化学品的贮存与运输以及日常生活、农事操作等过程而进人生的贮存与运输以及日常生活、农事操作等过程而进人生态系统、如图态系统、如图3-63-6所示。所示。F F 有毒物质的循环有毒物质的循环G G 放射性元素的循环放射性元素的循环 天然放射性元素在自然界是很普遍的。由于地层中天然放射性元素在自然界是很普遍的。由于地层中放射性物质含量不同，不同地区地层辐射的放射性物质含量不同，不同地区地层辐射的r r外照射剂外照射剂量率可能有较大的变化。放射性元索可在多种介质中循量率可能有较大的变化。放射性元索可在多种介质中循环，并能被
23、生物富集。不论裂变还是不裂变，通过核试环，并能被生物富集。不论裂变还是不裂变，通过核试验或核作用物放射性元素都进入大气层。验或核作用物放射性元素都进入大气层。G G 放射性元素的循环放射性元素的循环然后，通过溶水、尘埃和其他物质以原于状态回到地球然后，通过溶水、尘埃和其他物质以原于状态回到地球上。人和生物既可直接受到环境放射源危害，也可因食上。人和生物既可直接受到环境放射源危害，也可因食物链带来的放射性污染而间接受害。放射性物质由食物物链带来的放射性污染而间接受害。放射性物质由食物链进人人体，随血液遍布全身，有的放射性物质在体内链进人人体，随血液遍布全身，有的放射性物质在体内可存留可存留141
24、4年之久。年之久。生态系统中生物与环境之间、生物与生物之间的能生态系统中生物与环境之间、生物与生物之间的能量传递和转化过程即生态系统的量传递和转化过程即生态系统的能量流动能量流动过程过程，简称简称能能量量流流。它发源于太阳，从生产者把太阳能固定在体内后。它发源于太阳，从生产者把太阳能固定在体内后开始，一个生态系统的全部生产者所固定下来的太阳能，开始，一个生态系统的全部生产者所固定下来的太阳能，就是流经这个生态系统的总能量。就是流经这个生态系统的总能量。进入生态系统中的能量通过生物成分之间的食物关系，进入生态系统中的能量通过生物成分之间的食物关系，从一个营养级到下一个营养级不断地逐级向前流动。最
25、从一个营养级到下一个营养级不断地逐级向前流动。最后由分解者把复杂的动植物残体分解为简单的化合后由分解者把复杂的动植物残体分解为简单的化合物并在分解过程中释放能量、最终将能量归还于环境物并在分解过程中释放能量、最终将能量归还于环境之中。之中。生态系统中能量的流动是沿着生产者和消费者的生态系统中能量的流动是沿着生产者和消费者的顺序，即按营养级逐级减少的。顺序，即按营养级逐级减少的。生态系统中的能量流动生态系统中的能量流动是一个能量不断消耗的过程，这是生态系统中能流酌特是一个能量不断消耗的过程，这是生态系统中能流酌特点之一。点之一。在能流过程中，大部分能量用于维持生命活动在能流过程中，大部分能量用于
26、维持生命活动而被消耗，只有一小部分用于合成新的组织或作为势能而被消耗，只有一小部分用于合成新的组织或作为势能贮藏起来。贮藏起来。生态系统中能量流动的另一个显著特点是能生态系统中能量流动的另一个显著特点是能量流动的单方向性。量流动的单方向性。当太阳的光能进人生态系统后，一部分以热能的形式逸当太阳的光能进人生态系统后，一部分以热能的形式逸散到环境中，它不会再返回太阳，而被绿色植物固定的散到环境中，它不会再返回太阳，而被绿色植物固定的太阳光也因转变为化学能也不会再返回太阳。动物从植太阳光也因转变为化学能也不会再返回太阳。动物从植物获得能量同样不再回到植物，动植物呼吸时放出的能物获得能量同样不再回到植
27、物，动植物呼吸时放出的能量散发到外界环境中也不能重新利用。因此，生态系统量散发到外界环境中也不能重新利用。因此，生态系统的能量流动是单方向的，是不可逆的。的能量流动是单方向的，是不可逆的。生态系统技能源采分类。根据能量的来源、水午和生态系统技能源采分类。根据能量的来源、水午和数量，生态系统可被分为四种主要类型见表数量，生态系统可被分为四种主要类型见表3232。A A 生态系统的分类生态系统的分类A A 生态系统的分类生态系统的分类B B 生态系统的能量结构生态系统的能量结构 a a 食物链食物链 食物链是能量转换的途径，或能量流动的渠道。生食物链是能量转换的途径，或能量流动的渠道。生产者所固定
28、的能量和物质，通过一系列取食和被食的关产者所固定的能量和物质，通过一系列取食和被食的关系在生态系统中传递。食物链类型包括以下几种：系在生态系统中传递。食物链类型包括以下几种：B B 生态系统的能量结构生态系统的能量结构 a a 食物链食物链 (1)(1)捕食食物链，捕食食物链，指一种活的生物取食另一种活的生指一种活的生物取食另一种活的生物所构成的食物链。捕食食物链都以生产者为食物链的物所构成的食物链。捕食食物链都以生产者为食物链的起点，如植物一植食性动物一肉食性动物。这种食物链起点，如植物一植食性动物一肉食性动物。这种食物链既存在于水域，也存在于陆地环境。如在草原上，青草既存在于水域，也存在于
29、陆地环境。如在草原上，青草一野兔一狐狸一狼；在湖泊中，藻类一甲完类一小鱼一一野兔一狐狸一狼；在湖泊中，藻类一甲完类一小鱼一大鱼。大鱼。B B 生态系统的能量结构生态系统的能量结构 a a 食物链食物链 (2)(2)碎食食物链，碎食食物链，指以碎食指以碎食(植物的枯枝落叶等植物的枯枝落叶等)为为食物链的起点的食物链。碎食被别的生物所利用，分解食物链的起点的食物链。碎食被别的生物所利用，分解成碎屑，然后再为多种动物所食构成。其构成方式：碎成碎屑，然后再为多种动物所食构成。其构成方式：碎食物一碎食物消费者一小型肉食性动物一大型肉食性动食物一碎食物消费者一小型肉食性动物一大型肉食性动物。在森林中，有物
30、。在森林中，有9090的净生产是以食物碎食方式被消的净生产是以食物碎食方式被消耗的。耗的。B B 生态系统的能量结构生态系统的能量结构 a a 食物链食物链 (3)(3)寄生性食物链，寄生性食物链，由宿主和寄生物构成。它以大由宿主和寄生物构成。它以大型动物为食物链的起点继之以小型动物、微型动物、型动物为食物链的起点继之以小型动物、微型动物、细菌和病毒。后者与前者是寄生性关系，如哺乳动物或细菌和病毒。后者与前者是寄生性关系，如哺乳动物或鸟类一跳蚤一原生动物一细菌一病毒。鸟类一跳蚤一原生动物一细菌一病毒。B B 生态系统的能量结构生态系统的能量结构 a a 食物链食物链 (4)(4)腐生食物链，腐
31、生食物链，以动、植物的遗体为食物链的起以动、植物的遗体为食物链的起点，腐烂的动、植物遗体被土壤或水体中的微生物分解点，腐烂的动、植物遗体被土壤或水体中的微生物分解利用后者与前者是腐生性关系。利用后者与前者是腐生性关系。B B 生态系统的能量结构生态系统的能量结构 a a 食物链食物链 生态系统中的食物链不是固定不变的，它不仅在进化生态系统中的食物链不是固定不变的，它不仅在进化历史上有改变在短时间内也有改变。动物在个体发育历史上有改变在短时间内也有改变。动物在个体发育的不同阶段里，食物的改变的不同阶段里，食物的改变(如蛙如蛙)就会引起食物链的改就会引起食物链的改变。变。B B 生态系统的能量结构
32、生态系统的能量结构 a a 食物链食物链动物食性的季节特点，杂食性动物，或在不同年份中，动物食性的季节特点，杂食性动物，或在不同年份中，由于自然界食物条件改变而引起主要食物组成交化等，由于自然界食物条件改变而引起主要食物组成交化等，都能使食物网的结构有所变化。因此，食物链往往具有都能使食物网的结构有所变化。因此，食物链往往具有暂时的性质，只有在生物群落组成中成为核心的、数量暂时的性质，只有在生物群落组成中成为核心的、数量上占优势的种类，食物联系才是比较稳定的。上占优势的种类，食物联系才是比较稳定的。B B 生态系统的能量结构生态系统的能量结构 b b 食物网食物网 生物之间的捕食和被食的关系不
33、是简单的一条链，生物之间的捕食和被食的关系不是简单的一条链，而是错综复杂的相互依赖的网状结构，即而是错综复杂的相互依赖的网状结构，即合物网合物网。食物。食物问不仅维持着生态系统的相对平衡，并推动着生物的进问不仅维持着生态系统的相对平衡，并推动着生物的进化，成为自然界发展演变的动力。这种以营养为纽带，化，成为自然界发展演变的动力。这种以营养为纽带，把生物与环境、生物与生物紧密联系起来的结构，称为把生物与环境、生物与生物紧密联系起来的结构，称为生态系统的营养结构。生态系统的营养结构。B B 生态系统的能量结构生态系统的能量结构 b b 食物网食物网 一般地说，具有复杂食物网的生态系统一种生一般地说
34、，具有复杂食物网的生态系统一种生物的消失不致引起整个生态系统的失调，但食物网简单物的消失不致引起整个生态系统的失调，但食物网简单的系统，尤其是在生态系统功能上起关键作用的种，一的系统，尤其是在生态系统功能上起关键作用的种，一旦消失或受严重破坏，就可能引起这个系统的剧烈波动。旦消失或受严重破坏，就可能引起这个系统的剧烈波动。B B 生态系统的能量结构生态系统的能量结构 c c 生态金字塔生态金字塔 生态金字塔是指由于能量每经过个营养级时被净生态金字塔是指由于能量每经过个营养级时被净同化的部分要大大少于一营养级，当营养级由低到高，同化的部分要大大少于一营养级，当营养级由低到高，其生物个体数目、生物
35、量和所含能量就呈塔形分布：生其生物个体数目、生物量和所含能量就呈塔形分布：生态金字塔可分未数量金字塔、生物量金字塔和能量金字态金字塔可分未数量金字塔、生物量金字塔和能量金字塔。生物量金字塔和数量金字塔有时会出现倒置的培形。塔。生物量金字塔和数量金字塔有时会出现倒置的培形。B B 生态系统的能量结构生态系统的能量结构 c c 生态金字塔生态金字塔由于个体大小悬殊，一棵桑树可供上万只蚕取食，数量由于个体大小悬殊，一棵桑树可供上万只蚕取食，数量金字塔就会倒置。在海洋生态系统中由于生产者金字塔就会倒置。在海洋生态系统中由于生产者(浮游浮游植物植物)的个体小，寿命短，又会不断地被浮游动物吃掉，的个体小，
36、寿命短，又会不断地被浮游动物吃掉，所以某一时刻调查到的浮游动物和生物量可能高于浮游所以某一时刻调查到的浮游动物和生物量可能高于浮游植物的生物量。但如用能量表示，还是呈正金字塔。植物的生物量。但如用能量表示，还是呈正金字塔。C C 生态系统的能量流生态系统的能量流 推动生物圈和各级生态系统物质循环的动力，是能推动生物圈和各级生态系统物质循环的动力，是能量在食物链中的传递，即量在食物链中的传递，即能量流能量流。与物质的循环运动不。与物质的循环运动不同的是，能量流是单向的，它从植物吸收太阳能开始，同的是，能量流是单向的，它从植物吸收太阳能开始，通过食物链逐级传递，直至食物链的最后一环。在每一通过食物
37、链逐级传递，直至食物链的最后一环。在每一环的能量转移过程中都有一部分能量被有机体用来推动环的能量转移过程中都有一部分能量被有机体用来推动自身的生命活动自身的生命活动(新陈代谢新陈代谢)，随后变为热能耗散在物理，随后变为热能耗散在物理环境中。环境中。C C 生态系统的能量流生态系统的能量流 为了反映一个生态系统利用太阳能的情况，我们使为了反映一个生态系统利用太阳能的情况，我们使用生态系统总产量这一概念。用生态系统总产量这一概念。一个生态系统的总产量是一个生态系统的总产量是指该系统内食物链各个环节在一年时间里合成的有机物指该系统内食物链各个环节在一年时间里合成的有机物质的总量。质的总量。它可以用能
38、量、生物量表示。生态系统中的它可以用能量、生物量表示。生态系统中的生产者在一年里合成的有机物质的星称为该生态系统的生产者在一年里合成的有机物质的星称为该生态系统的初级总产量。初级总产量。C C 生态系统的能量流生态系统的能量流 从能量流动过程看，流经生态系统的总能量，就是从能量流动过程看，流经生态系统的总能量，就是绿色植物所固定的全部太阳能。可见，生产者是消费者绿色植物所固定的全部太阳能。可见，生产者是消费者和分解者获得能量的源泉，是生态系统存在和发展的基和分解者获得能量的源泉，是生态系统存在和发展的基础；能量沿着食物链利食物网的各个营养级传递，在传础；能量沿着食物链利食物网的各个营养级传递，
39、在传递过程中，因生产者和各级消费者都因呼吸消耗了相当递过程中，因生产者和各级消费者都因呼吸消耗了相当大的一部分能且，并且各营养级总有一部分生物未被下大的一部分能且，并且各营养级总有一部分生物未被下一个营养级所利用，所以能量在传递中必然是逐级递一个营养级所利用，所以能量在传递中必然是逐级递减的。减的。在工业生态系统内，大量的原料与能源被使用，通在工业生态系统内，大量的原料与能源被使用，通过不同的企业，生产五花八门的产品，物质在不同的工过不同的企业，生产五花八门的产品，物质在不同的工业部门快进快出，经济子系统内原料与能量的流动相当业部门快进快出，经济子系统内原料与能量的流动相当快速。快速。传统工业
40、系统各企业和部门之间物质供应多为线性传统工业系统各企业和部门之间物质供应多为线性开放系统，开放系统，“食物链食物链”多呈线性状态，各企业或工业部多呈线性状态，各企业或工业部门之间的相互作用和联系很小，由原材料制成的产品，门之间的相互作用和联系很小，由原材料制成的产品，一般不参与再循环，物质循环再利用效率低下。这些特一般不参与再循环，物质循环再利用效率低下。这些特点必然对自然生态系统的生物地球化学循环产生重要的点必然对自然生态系统的生物地球化学循环产生重要的影响，从而产生对全球生态系统的扰动。影响，从而产生对全球生态系统的扰动。原料与能源流动分析的主要观点是：人类的经济系原料与能源流动分析的主要
41、观点是：人类的经济系统仅仅是自然生态系统的一个子系统统仅仅是自然生态系统的一个子系统(见图见图37)37)。它的。它的物质和能量的流动与生态系统的原料与能量流动相类似，物质和能量的流动与生态系统的原料与能量流动相类似，是一个将原料能源转化为产品和废物的流动过程，有研是一个将原料能源转化为产品和废物的流动过程，有研究者称之为工业代谢究者称之为工业代谢(industrial metabolism)(industrial metabolism)，这一，这一过程对自然环境必然产生影响，影响的强度取决于原料、过程对自然环境必然产生影响，影响的强度取决于原料、能量使用的强度。能量使用的强度。原料与能源流动
42、分析就是研究在全球和区域范围内原料与能源流动分析就是研究在全球和区域范围内工业系统中产品在生产过程中原料与能量流动量化的理工业系统中产品在生产过程中原料与能量流动量化的理论与方法以及流动对经济和自然少态系统的影响，研究论与方法以及流动对经济和自然少态系统的影响，研究减少这些影响的理论、方法与技术。减少这些影响的理论、方法与技术。人类只是全球生态系统中的一员，人类构筑的工业人类只是全球生态系统中的一员，人类构筑的工业系统只是全球生态系统内的一个子系系统只是全球生态系统内的一个子系 统。在分析工业系统。在分析工业系统内物质与能量流动这一问题时，应该把在这一系统内统内物质与能量流动这一问题时，应该把
43、在这一系统内原料与能量的流动纳入全球生态系统的原料与能量流动原料与能量的流动纳入全球生态系统的原料与能量流动来考虑。来考虑。许多环境问题与经济系统的物质、原料和产品的许多环境问题与经济系统的物质、原料和产品的流动有着直接的关系，原料与能量流动分析是了解原料流动有着直接的关系，原料与能量流动分析是了解原料提取、使用和其最终不管作为废物还是作为再度使用的提取、使用和其最终不管作为废物还是作为再度使用的资源的系统方法这些方法试图超越描述性的分析而进资源的系统方法这些方法试图超越描述性的分析而进行较为严格的量化，以便找出在经济系统原料与能量流行较为严格的量化，以便找出在经济系统原料与能量流动和环境问题
44、之间的量化关系，从而为解决这些问题提动和环境问题之间的量化关系，从而为解决这些问题提供依据：因此，这些方法已经成为环境管理的重要工具。供依据：因此，这些方法已经成为环境管理的重要工具。目前，研究所采用的方法也比较多，这些不同的方目前，研究所采用的方法也比较多，这些不同的方法可以帮助我们了解原料在整个生命周期中经济和环境法可以帮助我们了解原料在整个生命周期中经济和环境的关系。的关系。质量平衡法质量平衡法是原料流动研究的方法之一，这种方法是原料流动研究的方法之一，这种方法叙述某种特殊要素在不同时间与地点的流动，包括向环叙述某种特殊要素在不同时间与地点的流动，包括向环境的散失境的散失(如图如图383
45、8所示所示)，通过估计在原料流动系统的，通过估计在原料流动系统的每一阶段的输入和输出。质量平衡研究能够提出与原料每一阶段的输入和输出。质量平衡研究能够提出与原料相连的全部途径的分析观点。相连的全部途径的分析观点。2020世纪世纪9090年代，美国矿产局采用质量平衡方法完成了包年代，美国矿产局采用质量平衡方法完成了包括砷、镐、铅、汞、钨、锌等金属或矿物研究，这些研括砷、镐、铅、汞、钨、锌等金属或矿物研究，这些研究预先寻找每一种产品原料流动的途径，鉴别减小废物究预先寻找每一种产品原料流动的途径，鉴别减小废物的机会，以便更有效地利用资源，并且评价和量化在产的机会，以便更有效地利用资源，并且评价和量化
46、在产品的使用、再循环和散失方面的数据。品的使用、再循环和散失方面的数据。输入输入输出分析的思想由法国经济学院输出分析的思想由法国经济学院QuesnayQuesnay在在1818世纪首先提出。世纪首先提出。2020世纪世纪3030年代，为研究美国的经济，年代，为研究美国的经济，LeontiefLeontief应用该方法首先发展了经验性的应用该方法首先发展了经验性的I Io o表。此后，表。此后，输入输入输出分析为标准的经济工具，它描述了部门间按输出分析为标准的经济工具，它描述了部门间按照货币或商品量的相互交付，它通常被用于分析国家水照货币或商品量的相互交付，它通常被用于分析国家水平的结构图和经济
47、部门之间的相互交付关系，并鉴别经平的结构图和经济部门之间的相互交付关系，并鉴别经济和商品在经济系统内的主要流动。从济和商品在经济系统内的主要流动。从2020世纪世纪6060年代未年代未以来，输入以来，输入输出分析方法经许多研究者发展，已用于输出分析方法经许多研究者发展，已用于分析经济与环境问题。分析经济与环境问题。19981998年，年，LenzenLenzen采用输入采用输入输出分析方法分析了在输出分析方法分析了在澳大利亚最终消费中的初级能源和温室气体。在澳大利亚最终消费中的初级能源和温室气体。在7070年代年代和最近，和最近，I IO O方法和数据已经被用于评估产品和使用的方法和数据已经被
48、用于评估产品和使用的环境影响。环境影响。生命周期分析与评价是一种对产品、工艺成活动所生命周期分析与评价是一种对产品、工艺成活动所产生的环境问题的评他，从原料采集，到产品生产、运产生的环境问题的评他，从原料采集，到产品生产、运输、销售、使用、回用、维护和最终处置整个生命周期输、销售、使用、回用、维护和最终处置整个生命周期阶段有关环境负荷的过程。它首先辨识和量化产品整个阶段有关环境负荷的过程。它首先辨识和量化产品整个生命周期中原料与能量的消耗以及环境释放。然后评价生命周期中原料与能量的消耗以及环境释放。然后评价这些消耗和释放对环境的影响，最后辨识和评价减少这这些消耗和释放对环境的影响，最后辨识和评
49、价减少这些影响的机会。些影响的机会。工工业代谢是把原料和能源以及劳动在种业代谢是把原料和能源以及劳动在种(或多或少或多或少)稳稳态条件下转化为最终产品和废物的所食物理过程完整的态条件下转化为最终产品和废物的所食物理过程完整的集合。工业代谢认为经济系统是一些公司集合。工业代谢认为经济系统是一些公司(企业企业)的集合，的集合，它们通过管理制度、工人、消费者以及货币和普通的政它们通过管理制度、工人、消费者以及货币和普通的政策控制而结合在一起。策控制而结合在一起。一个企业一个企业(不是个体不是个体)通常被认为是经济分析的一个标准通常被认为是经济分析的一个标准单元，一个从事加工制造的企业就是把原材料单元
50、，一个从事加工制造的企业就是把原材料(包括燃料包括燃料或电能或电能)转变成产品和废物的单位。因此，整个经济系统转变成产品和废物的单位。因此，整个经济系统的运行，就涉及在自然生态系统内物质和能量的大流动。的运行，就涉及在自然生态系统内物质和能量的大流动。工业代谢的研究旨在揭示经济活动纯物质的数量与质量工业代谢的研究旨在揭示经济活动纯物质的数量与质量规模，展示构成工业活动全部物质的与能量的流动与储规模，展示构成工业活动全部物质的与能量的流动与储存及其对环境的影响。存及其对环境的影响。本章主要介绍工业代谢分析方法、生命周期影响评本章主要介绍工业代谢分析方法、生命周期影响评价方法将在第价方法将在第5
