7.1-理论分析在线视频

现在我们先从理论上分析能量的流动

为便于理解

我们仍按照研讨物质流动类似的步骤

首先分析什么是能量的流动

然后研讨能量是如何流动的

各类流动有哪些个基本特征

如何来评估能量的流动

首先看 什么是能量的流动

同学们可能在中学时 就知道

植物是通过光合作用同化太阳能

把太阳能的能量转化 吸收到植物体内

而动物在摄取植物食物的时候又将

储存在植物体内的能量部分地转移进入动物体内

这些能量转移表现为能量在不同的生物体之间

生态组分之间的流动 称为能量的流动

在能量流动过程中

物质起到了承载能量的作用

而能量又驱动了物质的运动

是造成物质转移 转变的重要驱动因素

对于物质的流动

我们曾根据是否由人类活动引起分成了

物质的自然流动和物质的人为流动

类似地 在这里我们也将能量的流动分成

自然流动和人为流动

其中 能量的自然流动是指

能量在自然生态系统中的流动

而能量的人为流动则是指人类为满足其

生产 生活 生存等基本所需

对自然能源进行一系列的加工 转化

所形成的能量在人类社会经济系统中的流动

不难设想 能量的人为流动也可以看做是

能量自然流动的一个特殊的环节

是能量自然流动中被人类利用和干扰的那部分流动

因此这部分流动也会受到能量自然流动的制约

为便于理解能量是怎样流动的

首先我们回顾生态学中对能量自然流动的描述

在生态学中 把能量在生态系统中的流动

描述为以下三个基本过程

第一 能量的固定作用

主要是绿色植物通过光合作用

把无机物转化为有机物

同时把太阳能转化为生物化学能储存起来

其次是分解还原过程

主要是指分解者把有机物

还原为水 二氧化碳等无机物

最后是贮存和矿化作用

部分生物体被埋到地下以后

经过漫长的生物化学作用和物理化学作用

转变成为矿石燃料

而这一过程一般需要几千万到几亿年的时间

整体看来 能量的自然流动可以看做是

从太阳能借助绿色植物的光合作用进入生态系统

沿着食物链逐级地流过生态系统各个营养级

最后借助生物体的矿化

转变为地表矿石燃料的流动过程

与物质的自然流动相比

能量的自然流动具有以下典型的特征

首先是单向性

生态系统中能量沿着营养级从低到高单向地流动

如太阳能一次性地流入生态系统

并流经生态系统的各个营养级

而不会返回到原来的生物体

这与物质自然流动中物质可再次返回到

某一生态子系统的循环流动截然不同

第二是它的递减性

能量流经生态系统过程中

其数量是逐级递减 并形成能量的金字塔

而物质无论是在自然流动还是人为流动中

物质的数量都是守恒的

所变化的只是物质数量

在各股流动或组分间的分配不同
所变化的只是物质数量

在各股流动或组分间的分配不同

第三 能量的品质逐渐地提高

能量沿着生态系统从低营养级流向高营养级过程中

能量的品质不断地提高

表现为单位数量的物质所含的能量逐步提高

比如 1公斤的蔬菜约含700kJ的能量

而1kg的肉类食品则约含有6000kJ的能量

相比而言物质的自然流动中

物质的服务对象不断地变化

但对于整个自然系统而言

不管物质为谁服务

其服务的品质具有同等重要的地位

最后 能量的数量无时不刻在变动 具有动态性

对于特定生态系统

其能量的数量和品质随着能量的输入 输出

和内部系统组分 生物消耗量的变化而不断地变化

但是对于热力系统下的物质流动

由于物质系统是由特定的物质质点组成的

而物质量又遵循物质守恒定律

因此 物质系统内的物质总量保持不变

以上几个基本特征中的前三个特征

可以按照追踪能量流动的过程很容易识别出来

而第四个特征则可以采用

定点观察特定区域的能量变化来识别出来

最后再来看 如何评估能量的自然流动

在生态学中 采用生态效率

也就是ecological efficiencies

来评估能量在生态系统中流动的有效性

所谓生态效率是指各能量参数

在各营养级之间以及内部传递与转化的效率

一般用摄取量I 同化量A 呼吸量R 生产量P

这四个参数来计算生态系统中能流的生态效率

同学们可以留意这里所提的生态效率

与我们在研究如何进行管理时

提出的生态效率概念的差异和相同点

这里的摄取量表示生物所摄取的能量

对植物来说是所吸收的光能

对动物来说是所吃的食物的能量

同化量是生物在所吃的食物中吸收的食物能量

对植物来说是光合作用所固定的能量

对动物来说是消化道中吸收的食物能量

呼吸量R指生物在新陈代谢等各种活动中

所消耗的全部能量

生产量P是指生物呼吸消耗后所净剩的同化量

想了解更详细的内容的同学

还可以参考生态学中相关的描述

能量的人为流动是相对于能量自然流动而言的

它是指为了满足人类的生产 生活的需要

经过人类一系列的加工 转换 输配等过程

将能量从一次能源转变为能直接被人类使用

并最终送达最终用户 完成其使用的整个过程

该过程中能量所经历的各个过程的集合

称为能量的人为流动系统

可以表达为图7-1

图中的第一个环节

是指从自然系统中获取用于人类能源的自然资源

比如煤的开采 石油的开采等

这些可供人类用作能源的物质称为一次能源 Primary energy

感兴趣的同学可以观看凤凰卫视中

文明启示录 地球能源开采视频短片

这里的第二个环节是指

借助人类生产活动把一次能源

转化为可便于人类使用的另外一种能量形式

因这一过程经历过人类的生产转化

故称为二次能源 也就是Secondary energy

比如我们借助燃煤发电

将煤中的一部分能量转变为电能 或者是热能

其中所转换成的电能 热能都是二次能源

能源的转化过程通常需要借助工程技术手段获得

比如我们借助水力发电 将机械能转变为电能

借助太阳能集热与能源的转换

将太阳光能转变为电能

图中的第三个环节是将二次能源输送分配到

能量的使用地点

比如我们将山西燃煤电厂生产出来的电能

借助高压的电网输配到北京地区

再经过北京的电网系统输送到各个企业生产车间

或者是居民的用户

而各车间的生产设备和各家的电器设备

就成了电能的终端设备

第四个环节是借助终端设备的使用

将二次能源再进一步转化为用户需要的能量

比如我们居民中的电饭煲

将电能转化为热能烹调食品

而电灯使用中将电能转化为光能照亮房间

最后 能量在最终的使用过程中

一方面驱动着物质发生相应的转变过程

另一方面将不断地耗散在环境当中

比如我们供暖季节散热器中的水所携带的热量

会不断散失到供热的房间中

由此可见 能量的人为流动强调的是

能量在社会经济中的流动

它也是以自然资源为起点

由人类的能源开发 加工转换 输配和

最终的能源使用等基本过程组成的

最终是为满足人类的生产和生活需要的

这与物质的人为流动系统十分的相似

因此可把能量人为流动的末端用户所能直接使用的

能量看做是能量人为流动系统的特殊产品

这种情况下

能量人为流动系统就可以看作能量的产品系统

按照类似的想法

也可以参照第6讲中物质流动的框架

构建出这里的特殊产品 能量的人为流动框架

表达为这张图

在这张图中

能量的人为流动主要包括了一次能源的开采

如煤和石油的开采能源的加工与转换

如燃煤过程中将能源转化为蒸汽热力

同时在这张图中我们还展示了有可能发生的

不同区域间的一次能源或者是能源产品

在国际之间的贸易以及区域之间的贸易

在这张图中同学们还可以看到

有部分的余热余能可能返回到使用阶段

或者是经过能源的再加工过程进行再使用

综合前面的分析不难看出

能量的自然流动发生在人类以外的自然系统

其主要的服务主体是自然生态系统

而能量的人为流动发生在社会经济复合系统中

是为了满足人类的生产生活需要

这是能量人为流动与其自然流动的一个显著的差别

与此同时 能量的人为流动过程中

可以借助余热余能回收利用

形成能量的循环流动

而能量的自然流动总是单向地流过生态系统

这也是能量人为流动与自然流动的又一重要差别