工业设计生态学课件物质与能量的流动工业代谢分析.ppt

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1、物质与能量的流动工业代谢及其分析方法,第三章 物质与能量的流动 工业代谢分析,物质与能量的流动第三章 物质与能量的流动,内容要点： (1)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；,第三章 物质与能量的流动 工业代谢分析,内容要点：第三章 物质与能量的流动,讨 论： 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,讨 论：第三章 物质与能量的流动,一 自然生态系统中物质与能量的流动,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，对自然生系统产生一定的扰动，工业

2、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的流动进行分析与研究。,第一节 物质与能量的流动,一 自然生态系统中物质与能量的流动 工业系统,自然生态系统中的物质流动有以下几种形式。 (1)生物地球化学循环：在自然生态系统中物质的流动，采用生物学模型生物地球化学循环。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。,1 自然生态系统中的物质流动,一 自然生态系统中物质与能量的流动,第一节 物质与能量的流

3、动,自然生态系统中的物质流动有以下几种形式。1,自然生态系统中的物质流动有以下几种形式。 (2)地质大循环：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、残体或排泄物形式将物质或元素返回环境，进入五大自然图(气圈、水田、岩石圈、土壤 圈、生物因)的循环的过程，这是一种闭合式循环。,1 自然生态系统中的物质流动,一 自然生态系统中物质与能量的流动,第一节 物质与能量的流动,自然生态系统中的物质流动有以下几种形式。1,自然生态系统中的物质流动有以下几种形式。 (3)生物小循环：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者吸收、利用，这是 种

4、开放式循环。,1 自然生态系统中的物质流动,一 自然生态系统中物质与能量的流动,第一节 物质与能量的流动,自然生态系统中的物质流动有以下几种形式。1,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：物质在库与库之间的转移运动状态称为流。 循环效率：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，并最终返回该组分时，系统内发生了物质循环。循环物质( )占总输入物质( )的比例，称为物质的循环效率( )，用公式 表示。,1 自然生态系统中的物质流动,一 自然生态系统中物质与能量的流动,第一节 物质与能量的流动,自然生态系统中的物质流动涉及以下两个基本概念,碳是生命

5、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，然后通过食物链的传递在生态系统小进行循环，见图31。,2 几种重要物质的循环流动,一 自然生态系统中物质与能量的流动,第一节 物质与能量的流动,A 碳循环,碳是生命骨架元素。环境中的二氧化碳(,碳循环途径有以下三种： (1)在光合作用和呼吸作用间的细胞水平上的循环； (2)大气 和植物体之间的个体水平上的循环； (3)大气 一植物一动物一微生物之间的食物链水平上的循环(均属于生物小循环)。,2 几种重要物质的循环流动,一 自然生态系统中物质与能量的流动,第一节 物质与能量的流动,A 碳循环,碳循环途径有以下三种：2 几种重要物质的

6、循环流,2 几种重要物质的循环流动,一 自然生态系统中物质与能量的流动,第一节 物质与能量的流动,A 碳循环,2 几种重要物质的循环流动一 自然生态系统中物质与能量的流,2 几种重要物质的循环流动,一 自然生态系统中物质与能量的流动,第一节 物质与能量的流动,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，人量地砍伐森抓，毁林造田造成的。,A 碳循环,2 几种重要物质的循环流动一 自然生态系统中物质与能量的流,2 几种重要物质的循环流动,一 自然生

7、态系统中物质与能量的流动,第一节 物质与能量的流动,森林是人类的好朋友，有“空气净化器”、“大自然的总调度室”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。,A 碳循环,2 几种重要物质的循环流动一 自然生态系统中物质与能量的流,氮是生命代谢元素。大气中氮的含量为79总且约 。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。,2 几种重要物质的循环

8、流动,一 自然生态系统中物质与能量的流动,第一节 物质与能量的流动,B 氮循环,氮是生命代谢元素。大气中氮的含量为79总且约,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 、 和 返回环境 可破植物再次利用，进入新的循环。见困32,2 几种重要物质的循环流动,一 自然生态系统中物质与能量的流动,第一节 物质与能量的流动,B 氮循环,在生态系统中，植物从土壤中吸收硝酸盐，氨基酸彼,2 几种重要物质的循环流动,一 自然

9、生态系统中物质与能量的流动,第一节 物质与能量的流动,B 氮循环,2 几种重要物质的循环流动一 自然生态系统中物质与能量的流,氮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为游离氮而挥发损失；或因灌溉、水蚀风蚀、雨水淋洗而流失等，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。必须通过亡述各种因短途径来补充，从而保持生态系统中氮案的循环平衡。,2 几种重要物质的循环流动,一 自然生态系统中物质与能量的流动,第一节 物质与能量的流动,B 氮循环,氮在生态系统的循环过程中，常因有机物的燃烧而挥,水是生命基础元素。水既是一切生命有机体

10、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31和图33,2 几种重要物质的循环流动,一 自然生态系统中物质与能量的流动,第一节 物质与能量的流动,C 水循环,水是生命基础元素。水既是一切生命有机体的重要,2 几种重要物质的循环流动,一 自然生态系统中物质与能量的流动,第一节 物质与能量的流动,C 水循环,2 几种重要物质的循环流动一 自然生态系统中物质与能量的流,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97，陆地、大

11、气和海洋中的水，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。,2 几种重要物质的循环流动,一 自然生态系统中物质与能量的流动,第一节 物质与能量的流动,C 水循环,地球的海洋、冰川、湖泊、河流、土壤和大气中含有大量的,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，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。地而的蒸发和植物的蒸腾与农作制度有关。,2 几种重要物质的循环流动,一

12、 自然生态系统中物质与能量的流动,第一节 物质与能量的流动,C 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来调节的,磷是生命信息元素，属典型的沉积循环(如图34所示)。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；另一是以枯枝落叶、秸秆归还土壤。,2 几种重要物质的循环流动,一 自然生态系统中物质与能量的流动,第一节 物质与能量的流动,D 磷循环,磷是生命信息元素，属典型的沉积循环(如图34所示),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，

13、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，流人海洋。,2 几种重要物质的循环流动,一 自然生态系统中物质与能量的流动,第一节 物质与能量的流动,D 磷循环,特种含磷有机化舍物经土壤微生物的分解，转变为可溶性的磷酸盐，,2 几种重要物质的循环流动,一 自然生态系统中物质与能量的流动,第一节 物质与能量的流动,D 磷循环,2 几种重要物质的循环流动一 自然生态系统中物质与能量的流,农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

14、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海海水出现的“赤潮“及城市水系中出现的水生植物“疯长”的“浮华”现象。,2 几种重要物质的循环流动,一 自然生态系统中物质与能量的流动,第一节 物质与能量的流动,D 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枯竭的威,生活中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系几乎都处于富营养化状态，

15、水质恶化严重，许多地方的水根本不能饮用。,2 几种重要物质的循环流动,一 自然生态系统中物质与能量的流动,第一节 物质与能量的流动,D 磷循环,生活中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,硫是原生质休的重要绍分，它的主要蓄库是岩石圈。硫循环包括长期的沉积阶段(有机或无机沉积物中)和短期的气体阶段，如图35所示。,2 几种重要物质的循环流动,一 自然生态系统中物质与能量的流动,第一节 物质与能量的流动,E 硫循环,硫是原生质休的重要绍分，它的主要蓄库是岩石圈。硫循环,2 几种重要物质的循环流动,一 自然生态系统中物质与能量的流动,第一节 物质与能量的流动,E 硫循环,2 几种重

16、要物质的循环流动一 自然生态系统中物质与能量的流,2 几种重要物质的循环流动,一 自然生态系统中物质与能量的流动,第一节 物质与能量的流动,E 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作用进人生态系统：(1)生物的分解：硫化物在化能合成细茵的作用下变为硫酸盆。(2)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。,2 几种重要物质的循环流动一 自然生态系统中物质与能量的流,2 几种重要物质的循环流动,一 自然生态系统中物质与能量的流动,第一节 物质与能量的流动,E 硫循环,(3)火山爆发；硫转化为硫化氢，硫化氢释放到大气中。(4)化石燃料燃烧：硫氧化为二氧化硫二氧化硫

17、释放到大气中。,2 几种重要物质的循环流动一 自然生态系统中物质与能量的流,2 几种重要物质的循环流动,一 自然生态系统中物质与能量的流动,第一节 物质与能量的流动,E 硫循环,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( )已达 ，其中70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，对人类及动物的呼吸道产生刺激作用，,2 几种重要物质的循环流动一 自然生态系统中物质与能量的流,2 几种重要物质的循环流动,一 自然生态系统中物质与能量的流动,第一节 物质与能量的流动,E 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。若二

18、氧化硫浓度过高，就会成为灾害性的空气污染例如伦敦1952年，纽约和东京1960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含量与人的健康关系最为密切。,2 几种重要物质的循环流动一 自然生态系统中物质与能量的流,2 几种重要物质的循环流动,一 自然生态系统中物质与能量的流动,第一节 物质与能量的流动,F 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；无机的，如重金同、氟化物和氰化物等。,2 几种重要物质的循

19、环流动一 自然生态系统中物质与能量的流,2 几种重要物质的循环流动,一 自然生态系统中物质与能量的流动,第一节 物质与能量的流动,F 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态系统、如图3-6所示。,2 几种重要物质的循环流动一 自然生态系统中物质与能量的流,2 几种重要物质的循环流动,一 自然生态系统中物质与能量的流动,第一节 物质与能量的流动,F 有毒物质的循环,2 几种重要物质的循环流动一 自然生态系统中物质与能量的流,2 几种重要物质的循环流动,一 自然生态系统中物质

20、与能量的流动,第一节 物质与能量的流动,G 放射性元素的循环,天然放射性元素在自然界是很普遍的。由于地层中放射性物质含量不同，不同地区地层辐射的r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。,2 几种重要物质的循环流动一 自然生态系统中物质与能量的流,2 几种重要物质的循环流动,一 自然生态系统中物质与能量的流动,第一节 物质与能量的流动,G 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

21、食物链进人人体，随血液遍布全身，有的放射性物质在体内可存留14年之久。,2 几种重要物质的循环流动一 自然生态系统中物质与能量的流,3 生态系统中的能量流动,一 自然生态系统中物质与能量的流动,第一节 物质与能量的流动,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能量流动过程，简称能量流。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，就是流经这个生态系统的总能量。,3 生态系统中的能量流动一 自然生态系统中物质与能量的流,3 生态系统中的能量流动,一 自然生态系统中物质与能量的流动,第一节 物质与能量的流动,进入生态系统

22、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之中。,3 生态系统中的能量流动一 自然生态系统中物质与能量的流,3 生态系统中的能量流动,一 自然生态系统中物质与能量的流动,第一节 物质与能量的流动,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。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点之一。在能流过程中，大部分能量用于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贮藏起来。生态系统中能量流动的另一个显

23、著特点是能量流动的单方向性。,3 生态系统中的能量流动一 自然生态系统中物质与能量的流,3 生态系统中的能量流动,一 自然生态系统中物质与能量的流动,第一节 物质与能量的流动,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。,3 生态系统中的能量流动一 自然生态系统中物质与能量的流,3 生态系统中的能量流动,一 自然生态系统中物质与能量的流动,第一节 物质与能量的流动,生

24、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32。,A 生态系统的分类,3 生态系统中的能量流动一 自然生态系统中物质与能量的流,3 生态系统中的能量流动,一 自然生态系统中物质与能量的流动,第一节 物质与能量的流动,A 生态系统的分类,3 生态系统中的能量流动一 自然生态系统中物质与能量的流,3 生态系统中的能量流动,一 自然生态系统中物质与能量的流动,第一节 物质与能量的流动,B 生态系统的能量结构,a 食物链 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：,3 生

25、态系统中的能量流动一 自然生态系统中物质与能量的流,3 生态系统中的能量流动,一 自然生态系统中物质与能量的流动,第一节 物质与能量的流动,B 生态系统的能量结构,a 食物链 (1)捕食食物链，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，青草一野兔一狐狸一狼；在湖泊中，藻类一甲完类一小鱼一大鱼。,3 生态系统中的能量流动一 自然生态系统中物质与能量的流,3 生态系统中的能量流动,一 自然生态系统中物质与能量的流动,第一节 物质与能量的流动,B 生态系统的能量结构,a 食

26、物链 (2)碎食食物链，指以碎食(植物的枯枝落叶等)为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90的净生产是以食物碎食方式被消耗的。,3 生态系统中的能量流动一 自然生态系统中物质与能量的流,3 生态系统中的能量流动,一 自然生态系统中物质与能量的流动,第一节 物质与能量的流动,B 生态系统的能量结构,a 食物链 (3)寄生性食物链，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、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

27、菌一病毒。,3 生态系统中的能量流动一 自然生态系统中物质与能量的流,3 生态系统中的能量流动,一 自然生态系统中物质与能量的流动,第一节 物质与能量的流动,B 生态系统的能量结构,a 食物链 (4)腐生食物链，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利用后者与前者是腐生性关系。,3 生态系统中的能量流动一 自然生态系统中物质与能量的流,3 生态系统中的能量流动,一 自然生态系统中物质与能量的流动,第一节 物质与能量的流动,B 生态系统的能量结构,a 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

28、段里，食物的改变(如蛙)就会引起食物链的改变。,3 生态系统中的能量流动一 自然生态系统中物质与能量的流,3 生态系统中的能量流动,一 自然生态系统中物质与能量的流动,第一节 物质与能量的流动,B 生态系统的能量结构,a 食物链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，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、数量上占优势的种类，食物联系才是比较稳定的。,3 生态系统中的能量流动一 自然生态系统中物质与能量的流,3 生态系统中的能量流动,一 自然生态系统中物质与能量的流动,第一节 物质与能量

29、的流动,B 生态系统的能量结构,b 食物网 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，即合物网。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，称为生态系统的营养结构。,3 生态系统中的能量流动一 自然生态系统中物质与能量的流,3 生态系统中的能量流动,一 自然生态系统中物质与能量的流动,第一节 物质与能量的流动,B 生态系统的能量结构,b 食物网 一般地说，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，但食物网简单的系统，尤其是在生态系统功能

30、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。,3 生态系统中的能量流动一 自然生态系统中物质与能量的流,3 生态系统中的能量流动,一 自然生态系统中物质与能量的流动,第一节 物质与能量的流动,B 生态系统的能量结构,c 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塔。生物量金字塔和数量金字塔有时会出现倒置的培形。,3 生态系统中的能量流动一 自然生态系统中物质与能量的流,3 生态系统中的能量流动,一 自然生态系统中物

31、质与能量的流动,第一节 物质与能量的流动,B 生态系统的能量结构,c 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，数量金字塔就会倒置。在海洋生态系统中由于生产者(浮游植物)的个体小，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植物的生物量。但如用能量表示，还是呈正金字塔。,3 生态系统中的能量流动一 自然生态系统中物质与能量的流,3 生态系统中的能量流动,一 自然生态系统中物质与能量的流动,第一节 物质与能量的流动,C 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，是能量在食物链中的传递，即能量流。与物质的循环运动不同的是，能量流是单

32、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(新陈代谢)，随后变为热能耗散在物理环境中。,3 生态系统中的能量流动一 自然生态系统中物质与能量的流,3 生态系统中的能量流动,一 自然生态系统中物质与能量的流动,第一节 物质与能量的流动,C 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，我们使用生态系统总产量这一概念。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质的总量。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初级总产量

33、。,3 生态系统中的能量流动一 自然生态系统中物质与能量的流,3 生态系统中的能量流动,一 自然生态系统中物质与能量的流动,第一节 物质与能量的流动,C 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础；能量沿着食物链利食物网的各个营养级传递，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减的。,3 生态系统中的能量流动一 自然生态系统中物质与能量的流,二 工业生态系统内物质与能量的流

34、动,第一节 物质与能量的流动,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。,二 工业生态系统内物质与能量的流动第一节 物质与能量的流,二 工业生态系统内物质与能量的流动,第一节 物质与能量的流动,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，“食物链”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，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影响，从而产生对全球生态系统的扰动。,二 工业生态系统内物质与能量

35、的流动第一节 物质与能量的流,二 工业生态系统内物质与能量的流动,第一节 物质与能量的流动,原料与能源流动分析的主要观点是：人类的经济系统仅仅是自然生态系统的一个子系统(见图37)。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，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(industrial metabolism )，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、能量使用的强度。,二 工业生态系统内物质与能量的流动第一节 物质与能量的流,二 工业生态系统内物质与能量的流动,第一节 物质与能量的流动,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

36、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，研究减少这些影响的理论、方法与技术。,二 工业生态系统内物质与能量的流动第一节 物质与能量的流,二 工业生态系统内物质与能量的流动,第一节 物质与能量的流动,二 工业生态系统内物质与能量的流动第一节 物质与能量的流,二 工业生态系统内物质与能量的流动,第一节 物质与能量的流动,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 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。,二 工业生态系统内物质与能量的流动第一节

37、物质与能量的流,三 原料与能量流动分析的基本方法,第一节 物质与能量的流动,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。,三 原料与能量流动分析的基本方法第一节 物质与能量的流动,三 原料与能量流动分析的基本方法,第一节 物质与能量的流动,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

38、命周期中经济和环境的关系。,三 原料与能量流动分析的基本方法第一节 物质与能量的流动,1 质量平衡法（Mass balance）,三 原料与能量流动分析的基本方法,第一节 物质与能量的流动,质量平衡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，包括向环境的散失(如图38所示)，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相连的全部途径的分析观点。,1 质量平衡法（Mass balance）三 原料与能量,1 质量平衡法（Mass balance）,三 原料与能量流动分析的基本方法,第一节 物质与能量的流动,20世纪90年代，美国矿产局采

39、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品的使用、再循环和散失方面的数据。,1 质量平衡法（Mass balance）三 原料与能量,1 质量平衡法（Mass balance）,三 原料与能量流动分析的基本方法,第一节 物质与能量的流动,1 质量平衡法（Mass balance）三 原料与能量,2 输入输出分析法（Inputoutput Analysis）,三 原料与能量流动分析的基本方法,第一节 物质与能量的流动,输入输出分析的思想由法国经济学院Quesnay在18世

40、纪首先提出。20世纪30年代，为研究美国的经济，Leontief应用该方法首先发展了经验性的Io表。此后，输入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20世纪60年代未以来，输入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。,2 输入输出分析法（Inputoutput Analy,2 输入输出分析法（Inputoutput Analysis）,三 原料与能量流动分析的基本方法,第一节 物质与能量的流动,1998年，Lenzen采用输入输出分析方法分析了在

41、澳大利亚最终消费中的初级能源和温室气体。在70年代和最近，IO方法和数据已经被用于评估产品和使用的环境影响。,2 输入输出分析法（Inputoutput Analy,3 生命周期分析与评价法,三 原料与能量流动分析的基本方法,第一节 物质与能量的流动,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些影响的机会。,3 生命周期分析与评价法三 原料与能量流动分析的

42、基本方法,4 工业代谢分析法（Industrial Metabolism Analysis）,三 原料与能量流动分析的基本方法,第一节 物质与能量的流动,工业代谢是把原料和能源以及劳动在种(或多或少)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集合。工业代谢认为经济系统是一些公司(企业)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策控制而结合在一起。,4 工业代谢分析法（Industrial Metaboli,4 工业代谢分析法（Industrial Metabolism Analysis）,三 原料与能量流动分析的基本方法,第一节 物质与能量的流动,一个企业(不是个体)通常

43、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(包括燃料或电能)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。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、生命周期影响评价方法将在第5章绍。,4 工业代谢分析法（Industrial Metaboli,一 工业代谢（Industrial Metabolism）,第二节 工业代谢及其分析方法,工业代谢是20世纪80年代中期由Ayres和Simonis等提出的。它通过研究物质、元素和

44、能量代谢关系，分析经济运行中物流、能流和环境影响，有助于把握工业系统的整体运行机制，识别其中存在的主要问题和优先解决的目标；有助于人们采取有效措施控制和预防环境污染。,一 工业代谢（Industrial Metabolism）,一 工业代谢（Industrial Metabolism）,第二节 工业代谢及其分析方法,要针对不同的研究范围(工业系统、区域、流域或整个国家)以及不同的研究对象(如污染物、污染元素、资源、产品等)研究工业代谢的基本原理、分析力法，以及研究如通过有效的技术途径和政策途径来减少环境影响。,一 工业代谢（Industrial Metabolism）,一 工业代谢（Indus

45、trial Metabolism）,第二节 工业代谢及其分析方法,工业代谢是把原料和能源以及劳动在一种(或多或少)稳态条件下转化为最终产品和废物的所有物理过程完整的集合，如图39所示。工业代谢分析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与能量的流动与储存及其对环境的影响。,一 工业代谢（Industrial Metabolism）,一 工业代谢（Industrial Metabolism）,第二节 工业代谢及其分析方法,一 工业代谢（Industrial Metabolism）,一 工业代谢（Industrial Metabolism）,第二节 工业代谢及其分析方法,工

46、业代谢分析方法(industrial metabolism，IM)是建立生态工业的一种行之有效的分析方法，它是基于模拟生物和自然界新陈代谢功能的一种系统分析方法。与自然生态系统相似，生态工业系统同样应包括4个基本组分，即生产者、消费者、分解者和外部环境。,1 工业代谢分析（Analysis of Industrial Metabolism ）,一 工业代谢（Industrial Metabolism）,一 工业代谢（Industrial Metabolism）,第二节 工业代谢及其分析方法,工业代谢分析通过分桥系统结构，进行功能模拟和输入输出信息流分析来研究生态工业系统的代谢机理。工业代谢分析

47、法与以往系统分析方法的不同之处在于它以环境为最终的考察目标，追踪资源在从提炼到经过工业生产和消费体系后变成废物的整个过程中物质和能量的流向，给出系统造成污染的总体评价，并力求找出造成污染的重要原因。,1 工业代谢分析（Analysis of Industrial Metabolism ）,一 工业代谢（Industrial Metabolism）,一 工业代谢（Industrial Metabolism）,第二节 工业代谢及其分析方法,工业代谢方法可以适用于不同层次的分析要求，既可以是全球性、国家性或是地区性的工业生产分析也可以是对呆一个具体行业、公司或是特定场所的调查分析。通过这种分析可以为

48、公众或是企业的决策者提供一幅详细的物流图，并从中可以看出某一地区或企业所有的可持续发展的潜力。,1 工业代谢分析（Analysis of Industrial Metabolism ）,一 工业代谢（Industrial Metabolism）,一 工业代谢（Industrial Metabolism）,第二节 工业代谢及其分析方法,工业代谢分析研究方法的根据是质量守恒定理。一定数量的物质因人类活动而消失在生物圈之中，但其质量却是守恒的。确实，与正统的经济学家的观念相反，物质没有或者不再有价格，但并不从地球上消失！,1 工业代谢分析（Analysis of Industrial Metabol

49、ism ）,一 工业代谢（Industrial Metabolism）,一 工业代谢（Industrial Metabolism）,第二节 工业代谢及其分析方法,相反，工业代谢研究方法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(不仅仅是能量的)流动与储存。因此，工业代谢研究的方法论就在于建立物质结算表，估算物质流动与储存的数量，描绘其行进的路线和复杂的动力学机制，同时也指出它们的物理的和化学的状态。,1 工业代谢分析（Analysis of Industrial Metabolism ）,一 工业代谢（Industrial Metabolism）,一 工业代谢（Indus

50、trial Metabolism）,第二节 工业代谢及其分析方法,工业代谢研究可以有以下多种研究形式： (1)可以在有限的区域内追踪某些污染物。基于方法沦的原因，但也出于紧迫性的原因，江河流域特别适合于这类研究。江河流域地区往往工业集中，人口密度也高。在莱苗河、多瑙河之后，恒河、湄公河和其他特别是中国南方地区的大江大河，应尽快进行工业代谢分析研究。,2工业代谢研究形式（Form of Industrial Metabolism）,一 工业代谢（Industrial Metabolism）,一 工业代谢（Industrial Metabolism）,第二节 工业代谢及其分析方法,(2)可以分析研