生态系统是一个热力学系统，生态系统中能量的传递、转换都遵循热力学的第一、第二定律。

1.热力学第一定律

在自然界一切现象中，能量既不会消失也不会凭空产生，只能按严格的当量比例由一种形式转变为另一种形式。

可用公式表达为：

△E=△Q+△W

公式中：

△E为系统内能量的变化；

△Q为系统内所吸收的热量或放出的热量；

△W为系统对外所作的功。

这个公式说明了，一个系统的任何状态变化，都伴随着吸热、放热和做功，而系统和外界的能量并不增加或减少，它是守恒的。

2.热力学第二定律

任何形式的能（除了热）转化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，熵变增加了。即在封闭系统中，一切过程都伴随着能量的变化，在能量的传递和转化过程中，除了一部分可以继续传递和作功的能量（自由能）外，总有一部分不能继续传递和作功，而以热的形式消散，这一部分能量使系统的熵和无序性增加。

可用公式表达为：

△G=△H+T△S。

公式中：

△G代表对系统作功的有用能；

△H代表系统热焓，即系统含有的潜能；

T代表过程进行中的绝对温度；

△S代表系统的熵。

3.热力学的两个定律

第一定律：A=B+C

第二定律：C＜A

 

热力学第二定律告诉我们：第一，任何系统的能量转换过程中，都伴随着热能的散失，即没有任何一种能量能够百分之百地自动转变成另一种能量；第二，任何生产过程中产生的优质能，均少于其输入能。优质能的产生是以大部分能量转化为低效的劣质能为代价的。由此可见，能量在生态系统中的流动是单向的，不能返回的。

对生态系统来说，当能量以食物的形式在生物之间传递时，食物中相当一部分能量被降解为热而消散掉，其余则用于合成新的组织作为潜能贮存下来。因此能量在生物之间每传递一次，一部分能量就被降解为热而损失掉。因此，食物链的环节和营养级数一般不会超过5-6个。

 

 

生态系统中的能量流动研究可在种群、食物链和生态系统3个层次上进行。

（1）实验种群层次上的 能量流动：是2个种群之间的能量流动

（2）食物链层次上的 能量流动：是把每一个物种都作为能量 从生产者到顶级消费者移动过程中的一个环节，研究能量沿单一特定食物链中的流动。

（3）营养级层次上的能量流动：是把每一个物种都归属于一个特定的营养级，然后精确地测定每一个营养级能量的输入值和输出值。多见于水生生态系统的能流研究。

 

 

从图中可以看出，生态系统中的 能量流动表现为4个特点：

 

（1）生态系统是一个开放的能量系统，能量是生态系统的动力，生态系统能量来自太阳能。

（2）生态系统中的 能量流动是单向的 和不可逆转的。

（3）能量在生态系统中的流动过程，就是能量不断递减的过程。

（4）能量在流动过程中，质量逐渐提高。

 

 

下面给大家展示生态系统中能量流动的3个研究实例：

 

 

图中分别是，美佛州Silver Spring（银泉） 的能流分析， Cedar Bog（喜达尔柏克）湖能量流动的定量分析和一个栽培松林18年间的能流分析。

从第一、第二个研究实例，大家可以看到：生态系统的能量来自太阳能，能量沿着食物链的营养级逐级递减，到第三、第四个营养级能量已经很少，不足以再维持下一个营养级了。各营养级的同化效率不同。

从这个森林生态系统能流分析图 可以看出：这个森林所固定的能量 有相当大的部分是沿着碎屑食物链流动的，表现为枯枝落叶和倒木被分解；还有一部分是采伐后以木材的形式移出了生态系统；而沿着捕食食物链流动的能量是非常少的，表明动物在森林生态系统能量流动的过程中 所起的作用是很小的。

 

美国生态学家Odum（奥德姆）1959年提出的生态系统能量流动模型。

 

从这个模型中，我们可以看到 外部能量的输入情况，以及能量在生态系统中的流动路线及归宿。

模型自外向内有两个输入通道：1）日光输入，2）现成有机物质输入。当日光能的输入量大于现成有机物质的输入量时，该生态系统大体为自养生态系统；当日光能的输入量小于现成有机物质的输入量时，该生态系统则为异养生态系统。

自内向外有三个能量输出通道：1）没有被固定的日光能；2）生物呼吸；3）现成有机物质。

 

 

研究能量流动的意义可以归纳为两个方面：

（1）帮助人们合理地调整 生态系统中能量流动的关系和过程，使能量持续高效地流向 对人类最有益的部分。

例如：在农业生态系统中，根据能量流动规律 建立的人工生态系统，就是在不破坏生态系统的前提下，使能量更多地流向对人类有益的部分。

（2）有助于人们科学设计人工生态系统，实现对能量的多级利用，提高能量的利用效率，如沼气工程、桑基鱼塘等。