การถายทอดพลงงาน

นเวศวทยา ภาคตน

ปการศกษา 2561อ. พชน วชตพนธ

คณะศลปศาสตรและวทยาศาสตร มก. กพส.

วตถประสงค

• เรยนรเกยวกบกฎของพลงงาน และ พลงงานใน

รปแบบตาง ๆ

• รจกกระบวนการทเกยวของกบพลงงาน และการ

ถายทอดพลงงานไปภายในระบบ

• ตวอยางหวขอกรณศกษาเกยวกบการศกษาระบบนเวศ

หนาทและกจกรรมของระบบนเวศ

(ecosystem functions)• การถายทอดพลงงานภายในและระหวางระดบ

ชวตตาง ๆ ในระบบนเวศ (energy flow)

• การหมนเวยนของสารและแรธาตอาหารตาง ๆ

ในระบบนเวศ (mineral and nutrient cycling)

• กลไกการควบคมสงมชวตโดยปจจยแวดลอม

หนาทและกจกรรมของระบบนเวศ

(ecosystem functions)• การถายทอดพลงงานภายในและระหวางระดบ

ชวตตาง ๆ ในระบบนเวศ (energy flow)

• การหมนเวยนของสารและแรธาตอาหารตาง ๆ

ในระบบนเวศ (mineral and nutrient cycling)

• กลไกการควบคมสงมชวตโดยปจจยแวดลอม

พลงงาน• คอ ความสามารถในการทางานได

รปแบบของพลงงานตาง ๆ ไดแก

• พลงงานกล พลงงานศกย

• พลงงานแสง พลงงานแมเหลกไฟฟา

• พลงงานเคม พลงงานชวมวล พลงงานนวเคลยร

• พลงงานความรอน

• พลงงานนา พลงงานลม พลงงานเสยง

• ฯลฯ

กฎของเทอรโมไดนามก• กฎขอท 1 : The energy

conservation law

– ผลรวมของพลงงานมคาคงท

โดยทพลงงานเปลยนรปได

แตจะไมมการสรางขนมา

ใหมหรอทาลายได

ตวอยางการเปลยนรปพลงงาน• การผลต ไดแกการสงเคราะหแสง

• สญเสยใหกบสงมชวตอน ไดแก ถกกน (Consumption) หรอ ตาย (Dead)

• ถกกาจดออกไป ไดแก พลงงานเคมในสวนทยอยหรอดดซมไมได Feces

• ใชในการเจรญเตบโต, สบพนธ และเกบไวใชในภายหลงของชวต (Tissue

accumulaiton) จดเปนการเพมมวลชวภาพ (↑Biomass)

• ใชในกระบวนการเมตาบอลซมพนฐานกบกจกรรมอน ๆ ทเกยวของใน

สงมชวต (respiration)

• ทบถมและเปลยนทางกายภาพและเคมเปนเชอเพลง

• การกระจายออกไป ไดแก พลงงานความรอนทไมสามารถเกบไวได แตก

ชวยใหโลกอบอน เกดลม และ กระแสนา ทชวยขบเคลอนการหมนเวยนแร

ธาต หรอ สสารตาง ๆ ในระบบนเวศ

กฎของเทอรโมไดนามก• กฎขอท 2: The entropy law

– เอนโทรปเปนมาตรวด

ความไมเปนระเบยบ

– ในขนตอนของการเปลยนรปพลงงานจะเพมเอนโทรปใหจกรวาล และพลงงานสวนหนงไมสามารถ

นามาใชไดอก

กฎของเทอรโมไดนามก• กฎขอท 2: The entropy law

พลงงานความรอนทเกดขน คอพลงงานทไมสามารถนา

กลบมาใชอก ผลผลตทเกดขนจะไมไดเตม 100%

หรอ หาก A=B+C แลว B<A เสมอ

• ทาไมสงมชวตสามารถรกษาความเปนระเบยบ

เอาไวได -- มการดงเอาพลงงานจากสงแวดลอม

การยอยสลาย

การสงเคราะหแสง

การหายใจ

กระบวนการในระบบนเวศ

• Photosynthesis

• Energy

consumption

• Respiration

• Decomposition

• แตละกระบวนการ

มความสาคญตอ

การถายทอด

พลงงานอยางไร

อตราการผลต• การผลตขนตน

พจารณาจากผลผลตจากการสงเคราะหแสง และ การเปลยนรปโดย

การหายใจ และ จากปจจยอน ๆ

• การผลตขนท 2พจารณาจากพลงงานทไดรบจากการกน (หรอ การยอยสลาย) และ

การเปลยนรปโดยการหายใจ และ จากปจจยอน ๆ

Energy consumption

• ผบรโภคตองกนผผลตเปนอาหาร

• การกนแตละครงมการสญเสย

พลงงานไป (10% law)

• และมการถายทอดสสารไปดวย

การถายทอดพลงงานในรปอาหารพลงงานจะผานแตละระดบ

ของผบรโภคตามลาดบขนของการกน หรอ ทเรยกวา Trophic level

พลงงานถกถายทอดตอไปยงผบรโภคขนถดไป แตไมได 100% สวนใหญ80-90% จะเสยไปในรปของความรอน และ อน ๆ ลาดบท 1

ลาดบท 2

ลาดบท 3

ลาดบท 4

การถายทอดพลงงาน

การถายทอดพลงงานในรปอาหารพลงงานจากผผลตถายทอด

ไปยงผบรโภค

ความสมพนธคลายกบหวงโซของอาหาร (food chain)

แตเมอสงมชวตมมากมาย และ มความสมพนธกน จงประกอบกนเปนสายใยอาหาร (food web)

Primary producers

Herbivores

Carnivores

Top carnivores

Death organic substances

Inorganic substances

Nutrients and Chemicals

Mat

eria

l flo

w

Decomposers

Fungivores

Microbivores

Omnivores

Ditritivores/ scarvengers

ประเภทของ

food web

• Grazing food web

เรมจากพช

• Detritus food web

เรมจาก detritus หรอ

ซากของสงมชวต

http://water.me.vccs.edu/courses/SCT112/lecture9.htm

อตราการผลต (Productivity)

• หมายถง ปรมาณของพลงงาน

(หรอนาหนกแหง) ทสะสมไว

ตอหนวยมวลชวภาพ (หรอ

หนวยพนท หรอหนวย

ปรมาตร) ตอหนวยเวลา เชน

60 แคลอร/ตารางเมตร/ป

• (the instantaneous rate of

generation of new biomass)

ประเภทของอตราการผลต• อตราการผลตเบองตน (Primary productivity)หมายถง

พลงงานทถกสะสมไวในผผลตโดยผานกระบวนการ

สงเคราะหแสง หรอ สงเคราะหทางเคม)

• (productivity by plants of bacteria that generate new biomass

using energy and inorganic chemicals) ในพช

6CO2 + 6H2O → C6H12O6 + 6O2

ในแบคทเรย

2H2X + CO2 → (CH2O) + H2O + 2X

ประเภทของอตราการผลต• อตราการผลตขนทสอง (Secondary productivity) หมายถง

พลงงานทถกสะสมไวในผบรโภคในระดบตาง ๆ และ ในผยอย

สลายเพอใชในการสรางเนอเยอในชวงเวลาหนง

• (productivity by organisms that consume biomass of other ecosystem

components)

• พลงงานไดมาจากการกนอาหาร (Energy consumption)

การวดอตราการผลต• พลงงานเกบสะสมในสงมชวตในรปมวลชวภาพ

(BIOMASS)

• มวลชวภาพ หมายถง ปรมาณของเนอเยอทมชวตตอหนวยพนท

หรอตอหนวยปรมาตรของระบบนเวศทเราสนใจศกษา เชน

นาหนกเปยก (wet mass) เชน กรม/ตร.เมตร

นาหนกแหง (dry mass) มก./ลบ.ม.

คารบอน (Carbon) มก.ของ C/ลบ.ม.

Organic energy Calories

ออกซเจน มก. ของ ออกซเจนทปลอย/ ลตร

ดชนทใชในการบอกความอดมสมบรณ

ของระบบนเวศGROSS PRIMARY PRODUCTIVITY (อตราการผลตขนตนรวม) (GPP)

= the total rate of new biomass generation

NET PRIMARY PRODUCTIVITY (อตราการผลตขนตนสทธ) (NPP)

= the rate of new biomass generation minus the rate of respiration.

GROSS SECONDARY PRODUCTION (อตราการผลตขนทสองรวม) (A)

= the assimilation of ingested biomass by a consumer

NET SECONDARY PRODUCTION (อตราการผลตขนทสองสทธ) (P)

= the secondary production available for growth and reproduction of the

consumer

การคานวณอตราการผลต• R = respiration, พลงงานทใชในการหายใจ

• C = energy ingested or consumed, พลงงานทกนเขาไป

• D = energy lost due to dead parts, พลงงานจากสวนทหลด หรอ

ตายไป

• T = พลงงานทสะสมอยในเนอเยอใหม (มวลชวภาพทเพมขน) เพอ

การเจรญเตบโตและขยายพนธ

• S = การสญเสยพลงงานสนาและดนโดยการละลายและซมผานสวน

ตาง ๆ ของพชในชวงชวต

• F = energy loss through feces, พลงงานทเสยไปพรอมกากอาหาร

• U = energy loss through nitrogenous wastes, พลงงานทเสยไป

พรอมปสสาวะ

การคานวณอตราการผลต• การผลตขนตน

NPP = GPP – R

NPP = T+C+D+S

• การผลตขนท 2

C=A+(F+U) หรอ A = C-(F+U)

A=P+R (+U)

พลงงานทถกกน

พลงงานจากสวนทหลดหรอตายไป

พลงงานทสะสมในเนอเยอ

พลงงานทสญเสยไปใหนา

ดน ในชวงชวต โดยการซมผาน

พลงงานทสตวกนอาหารเขาไป

อตราผลผลตขนท 2 รวม

กากอาหาร หรอ อจจาระ

ปสสาวะ

อตราผลผลตขนท 2 สทธ

การหาอตราผลผลตชวภาพ

• วธท 1 การเกบเกยวผลผลต อาจเกบเกยวในรปของ การนบจานวน

สงมชวตโดยตรง ไดแก การนบสาหรายทโตเพมขน ซงอาจนบโดยตรง

หรอ ทางออม หรอ อาจโดยการชงนาหนกเปยก หรอ นาหนกแหง

• วธท 2 การวดอตราการใช คารบอนไดออกไซด (สารตงตนในการ

สงเคราะหแสง) ซงอาจวดโดยตรงดวยเครองมอ หรอทางออม

• วธท 3 หรอวด จากกจกรรมของ คลอโรฟลด (ปจจยทจาเปนในการ

สงเคราะหแสง) ซงอาจวดการใชคารบอนไดออกไซด โดยออมไดทางหนง

การหาอตราผลผลตชวภาพ

• วธท 4 วดความเปนกรดดาง ซงจะเกยวทางออมกบ ปรมาณกาซ

คารบอนไดออกไซดทใชไป ซงอาจเหมาะกบระบบนเวศแหลงนาขนาด

เลก

• วธท 5 การวดสารทเปนวตถดบอน ๆ ในการสงเคราะหแสง ไดแก

ฟอสฟอรส (P) ไนเตรต เปนตน

• วธท 6 การวดโดยสารกมมนตรงส ซง หากใชสารกมมนตรงส ของ

คารบอน (C) กจะวด การใช คารบอนไดออกไซด ได แตหาก ใช

ฟอสฟอรส (P) กใชวด สารทเปนวตถดบอน ๆ ในการสงเคราะหแสง

ตวอยางวธการวดอตราการผลต• โดยการวดปรมาณออกซเจน

– ใชในการวดอตราการผลตของแหลงนา

– วดคาปรมาณออกซเจนของนา ณ เวลาเรมตน

– ใชขวดทบ (ทบแสง) และ ขวดใส (โปรงแสง)

– บรรจนาทเกบไดเทากน แขวนนาทความลกทกาหนด ทงไว

ใหเกดการสงเคราะหแสงและหายใจในขวดใส ขณะทม

เฉพาะการหายใจในขวดทบ ในเวลา 1 หนวยเวลา

ตวอยางวธการวดอตราการผลต• โดยการวดปรมาณออกซเจน (ตอ)

– ปรมาณออกซเจนของนา ณ เวลาเรมตน (a)

– ปรมาณออกซเจนของนาในขวดใสเวลาสดทาย (b)

– ปรมาณออกซเจนของนาในขวดทบเวลาสดทาย (c)

– จาก NPP = b-a

– และ R = a-c

– ดงนน GPP= NPP + R = (b – a) + (a – c) = b-c

– แปลงหนวย จาก mg O2 ปลอย/l mg C ทผลต/m3

ประสทธภาพในการใชพลงงาน• โดยทวไป พชจะมประสทธภาพในการใช

พลงงานนอยกวาสตว

• เราสามารถแสดงประสทธภาพการถายทอด

พลงงานในรปพระมด ได 3 วธ

– ใชจานวน

– ใชมวลชวภาพ

– ใชพลงงาน

พระมดจานวน

พระมดมวลชวภาพ

พระมดพลงงาน

Number of trophic groups = คอ จานวนสปชรทพบในระบบ แตบาง

trophic groups อาจหมายรามถงหลายสปชรททาหนาท และบทบาททก

อยางแบบเดยวกน กได เชนจากภาพขางบน จะมทงสน 12 trophic

groups

เราสามารถแบงกลมสงมชวตออกได 3 ระดบ คอ

• top groups คอ กลมทไมมความสมพนธกบสงมชวตใดเหนอ

มน ไดแก สงมชวตชนดท 1 2 และ 5 ในภาพ

• intermediate groups คอ กลมทมความสมพนธกบสงมชวต

อนทง สองทศทาง ไดแก สงมชวตชนดท 3 4 6 7 8 และ 9

ในภาพ

• basal groups คอ กลมทไมมความสมพนธกบสงมชวตใดใต

มน ไดแก สงมชวตชนดท 10 11 และ 12 ในภาพ

Mean food chain length

• = คอคาเฉลยของจานวนความสมพนธ (link) ระหวางสปชร

(trophic groups) จาก สปชรทอยทฐาน (the basal trophic

groups) จนไปถงทสปชรทสงสด (the highest trophic groups)

• ดงจากตวอยางภาพพบวามทงสน 12 food chain ใน food web ท

แสดงดงนคอ

• 10 → 6 → 3 → 1 พบ 3 links

• 10 → 7 → 1 2 links

• หาไปเรอย ๆ จนครบ 12 chains แลวรวมจานวน link ได 24 links

• ดงนน Mean food chain length = 24/12 = 2

Connectance = คอ คาทแสดงความซบซอนของสายใยอาหาร โดยเทยบสดสวนของ

ความสมพนธทพบจรงกบความสมพนธทเปนไปไดทงหมด โดยคาความสมพนธทเปนไปไดทงหมดสามารถหาไดจาก สตร

• Connectance = no. of existing trophic links /the maximum number of links

• โดย n คอ จานวนสปชรหรอ trophic groups ทพบในระบบ

• ตวอยางจากภาพพบวา มทงสน 12 trophic groups

• จะสามารถคานวณ จานวนความสมพนธทเปนไปไดทงหมด(the maximum number of links) ไดจาก 12 x (12-1)/2 = 132/2 = 66 links

• จานวนความสมพนธทพบจรง (no. of existing trophic links) ไดจากการนบ = 16 links

• นนคอ ตอบ Connectance = 16/66 = 0.24

Linkage density

= คาเฉลยของการถายทอดสารอาหารและพลงงาน

ไปสสปชสอน ๆ ในสายใยอาหาร

• Linkage density

= no. of actual links / no. of species

= 16/12 = 1.33

• สายโซทสนจะมประสทธภาพในการถายทอดพลงงาน

ไดมากกวา เนองจาก ยงสายสนเทาใด กยงใกลผผลตมาก จงม

พลงงานเหลออยในระบบมาก จงมการสะสมของมวลชวภาพมาก

• การสรางพระมดพลงงานจะอธบายการถายทอด

พลงงานไดดทสด ขณะทพระมดจานวน จะทาใหสงมชวตขนาด

เลกมความสาคญมาก และ พระมดมวลชวภาพ จะทาใหสงมชวต

ขนาดใหญมความสาคญมากไป

สดสวนของการ

ถายทอดพลงงาน

ในแตละสวนของ

ระบบแตกตางกน

ขนกบระบบนเวศ