第四章 能量學 (Part I) 鄭先祐 生態主張者 Ayo

能量學 能量(energy)，做功的能力或生產力。 全球生物的共同特點，要獲取能量，維持生活。 異營生物的能量，來自食物。 自營生物的能量，來自陽光。 工業化的社會，需要大量的化石燃料。 若沒有能量，就沒有生命。 自然的經濟 2001

能量單位 描述能量有許多不同的單位。 瓦特(計算電力)、卡路里(計算食物熱量)、焦耳、BTU、馬力、……等等。 自己家裡，總能量的輸入，包括電力、汽油、瓦斯、等，各有不同的帳單，且各個使用的能量單位，各自不同。 自然的經濟 2001

 人類的食物網 自然的經濟 2001

能量單位 我們將使用卡路里作為能量單位。 一卡，相當於將一公克的水之溫度提高攝氏一度所需的熱量。大卡(千卡)，是一卡的1,000倍。 每個人每天要攝取大約2,000 – 3,000千卡的食物。 另外的能量單位是焦耳和瓦特。 一焦耳是將一公斤重的東西提高10公分所需要的能量(約等於0.24卡)。 一瓦特的定義是每秒一焦耳。瓦特小時，大約等於860卡，就是一度電力。 千焦耳(KJ)，相當於4.2千卡，約是 1 BTU。 自然的經濟 2001

能量定律 熱力學定律 (the laws of thermodynamics) 能量無法被創造或毀滅，但會隨著時間逐漸的耗散。 1. Energy Conservation Law （能量不滅定律 / 能量守恆定律 ） 2. Entropy Law （能趨疲定律 / 熵定律） 能量無法被創造或毀滅，但會隨著時間逐漸的耗散。 耗散結構 (dissipative structure) 最大功率原理(maximum power principle) 自然的經濟 2001

圖1. 熱力學的兩個定律。 第一個定律：A = B + C 第二個定律：C < A 自然的經濟 2001

Maximum power principle 為了存活，生態體系都需要持續不斷的轉換高品質的能量，貯存能量，以及耗散能量。 於競爭的世界裡，最有可能存活的體系，是那些較能有效率轉換最多能量為有用可做功的能量，以供自己和其周圍相互關聯的體系使用的體系。 自然的經濟 2001

太陽輻射 自然的經濟 2001

可見光 400 – 750 nanometers 自然的經濟 2001

太陽輻射 臭氧層，阻擋大部分的紫外線。 到達地面時，只剩10%的紫外線，45%的可見光，以及45%的紅外光。 綠葉吸收紅和藍的可見光，剩下綠光被反射出來。 遙測(remote sensing)和地理資訊系統(geographic information systems) 自然的經濟 2001

自然的經濟 2001

 白尾鹿的生殖週期 自然的經濟 2001

 白尾鹿全年的賀爾蒙分泌情況。 自然的經濟 2001

Plant adaptations to light stimuli  自然的經濟 2001

The influence of photoperiod on flowering in short-day and long-day plants  自然的經濟 2001

對臭氧層的威脅 氟氯碳化合物(chlorofluorocarbons, CFCs)造成臭氧層破洞(ozone hole)。 UV + O3 → O‧ + O2 → O3 + heat CF2Cl2 + UV → CF2Cl + Cl‧ Cl‧ + O3 → ClO + O2 ClO + O‧ → Cl‧ + O2 ClO + O3 → ClO2 +O2 1987年，工業國簽署蒙特婁協議書。 自然的經濟 2001

地面上的熱輻射環境 隨著海拔的升高，氣溫隨之下降。 溫室效應。 自然的經濟 2001

 Changes in the spatial distribution of tadpoles of the from Rana boylii associated with daily temperature changes in a pond 自然的經濟 2001

 Fig. 6-16 Seasonal activity space of the desert iguana in southern California. (a) the daily activity budget for an entire seasonal cycle. (b) The activity budget for July 15 is shown with the time course of air temperature. 自然的經濟 2001

Principles of heat transfer 蒸發散熱 輻射熱 接觸導熱  自然的經濟 2001

能量循流 (energy flow) 有津貼的 圖3. 能量循流，單位：Kcal/m2/年 自然的經濟 2001

能量的濃縮 eMergy (集結能)：直接或間接用來創造某種服務或產品可用的能量。 譬如植物將1,000千卡的太陽能轉換成1千卡的有機物質，這1千卡的有機物質之集結能就等於1,000千卡的太陽能。 集結能可視為「能量記憶」(energy memory)，亦可視為收編能量(embodied energy)。 自然的經濟 2001

圖4. 能量濃度(品質)的提昇，其量則是隨之下降。 自然的經濟 2001

隨著質的提高，可用的量是相對的減少。 食物鏈 產電鏈 量的遞減 Odum, E. P. (1993) Ecology and our endangered life-support systems. 2nd ed. Sinauer Associates, Inc. 自然的經濟 2001

能量品質(quality) 「能量品質」以可作功的能力定義。 熱力學第一定律，稱為「能量守恆定律」(energy conservation law) ，是指能量可以一形式轉另一形式，但不能被創造出或被消滅掉。 熱力學的第二定律，稱為「能趨疲定律」 (entropy law)，指的是能量的轉變過程中，自然會耗散，趨向具有較大亂度的形式。 自然的經濟 2001

能量品質 能量塔 較濃縮形式的能量（如石油），比較鬆散形式的能量（如陽光）有較高的作功能力，因此有較好的「品質」。 在食物鏈的能量循流中，或是產電的過程中，雖然能量的「品質」可以相對的增加，但是能量的「量」一直減少。 Ecology 2001 自然的經濟 2001

因此，要盡可能的縮短轉換的途徑。譬如，若需要加熱，應盡可能的避免使用電力。因為來自熱力的電力，有高達七成能量的耗散(損失)。 能量品質 (基礎生態學) 重點31：能量不能僅有量的大小，亦有品質的好壞。同量但不同形式的能量，其作功的能力大不相同，也就是品質各不相同。並不是所有每1卡能量都具有同樣的品質。 因此，要盡可能的縮短轉換的途徑。譬如，若需要加熱，應盡可能的避免使用電力。因為來自熱力的電力，有高達七成能量的耗散(損失)。 Ecology 2001 自然的經濟 2001

初級生產(primary production) 初級生產力(primary productivity) 粗初級生產量(gross primary production) 淨初級生產量(net primary production) 淨群落生產量(net community production) 二級生產量(secondary production) 能量津貼(energy subsidy) 自然的經濟 2001

Source-sink energetics 光合作用 (photosynthesis) 二氧化碳 + 水 → 碳水化合物 + 氧氣 C3植物 ， C4植物，和 CAM植物 自然的經濟 2001

RuBP carboxylase 光合作用的適應 自然的經濟 2001

 C3途徑 大部份生活在水域的植物，吸收CO2的生物化學途徑是稱為：Calvin-Benson cycle。 CO2 + RuBP (5C) → 2PGA(3C) 因為是產生3C的分子，所以這個途徑就稱為C3途徑(光合作用)。 這個過程的催化劑(enzyme，酵素)稱為RuBP carboxylase 。 這個酵素對CO2的親合力低，所以葉片內的這個酵素的含量要很高。 這個酵素在高熱高氧下，也會催化RuBP的氧化，如此造成光合作用的效率差。 自然的經濟 2001

 C4途徑 許多在熱氣候的植物具有對C3修改的途徑，增加一個吸收CO2的途徑： CO2 + PEP(3C) → OAA (4C) 因為是產生4C的分子，所以就被稱為C4途徑。(Fig.5-13) 催化此過程的酵素是稱為PEP carboxylase，與CO2有很高的親合力。 OAA(4C) → PEP(3C) + CO2→Calvin 自然的經濟 2001

C4 pathway of photosynthesis 自然的經濟 2001

C4植物 C3植物 自然的經濟 2001

(a) Relationship of photosynthesis to leaf temperature 自然的經濟 2001

 (b) Relationship of photosynthesis to intercellular CO2 concentration in two desert shrubs. 自然的經濟 2001

 CAM (crassulacean acid Metabolism)途徑 有些沙漠植物，可以在晚上的時候吸收CO2 ，並且可以留到白天才進入Calvin cycle。 PEP + CO2 → OAA → Malic acid Malic acid 可以貯存，於白天時： Malic acid→pyruvate + CO2 →Calvin 這就被稱為CAM代謝途徑。 自然的經濟 2001

圖5. C3和C4植物的比較。 自然的經濟 2001

CAM pathway CAM = crassulacean acid metabolism  Diagram of the photosynthesis pathway in CAM plants. 自然的經濟 2001

初級生產量的全球分布情況 圖6.初級生產量的全球分布情況。 自然的經濟 2001

 自然的經濟 2001

人類的糧食 人類的食物， 從農耕開始之後，進入改造環境的不歸路 近代的工業革命之後，機械化、施肥、灌溉、及噴灑農藥(殺蟲劑)等。 圖7. 自然的經濟 2001

圖8. 農作物的生產量與其能量津貼的關係。 自然的經濟 2001

 自然的經濟 2001

綠色革命(green revolution) 培育高產量的穀物品種。 野生稻的植株投入到它的種子的能量不到20%，而所謂奇蹟米卻可以高達80%。野生稻與奇蹟米的收成比率是1:4。 但是奇蹟米留下保護自己的能量過低，且需要大量的能量津貼來滋養及趨避蟲害。 能量津貼耗用金錢，且化學肥料與殺蟲劑也造成污染。 自然的經濟 2001

能量津貼 自然的經濟 2001

Box 謝謝，但可以不用了。 有些人認為只要送給第三世界高產量品種的穀物種子，以及一些農業顧問，就可以增加第三世界的糧食生產。 但是栽培「奇蹟」品種需要昂貴的能量津貼，這些往往是許多未發展國家無法負擔。 傳統的農業系統是相當高度發展且有高效率的生產方式。 自然的經濟 2001

Essay 28.3 Miracle crops and the green revolution In the late 1960s, there was a great fanfare heralding the impending "green revolution". New kinds of grains had been developed that yielded plants heavy with seed. For example, one strain of dwarf rice, IR-8, produced over twice as many rice grains per plant as the conventional strains.  自然的經濟 2001

The new miracle crops do hold great promise for the world's populations. However, they have their problems.  自然的經濟 2001

1. The new strains require special handling; farmers must carefully be trained in new agricultural methods. 2. Miracle crops also must be heavily fertilized and fertilizers, of course, costs money. 3. Then there is the problem of the fertilizer runoff. 優養化，魚獲減少。 4. 易受病虫傷害。譬如：In 1969, specially developed high-yield corn plants were attacked by a new type of fungus called the southern corn blight.  自然的經濟 2001

人類的糧食生產量 全世界約有30%的人生活於已發展國家。 70%生活於低生產量的國家(低於三分之一至四分之一)。 1980年至1990年，未發展國家的總糧食生產增加，但仍是趕不上人口的成長。增加的原因是農地的擴增。 相對的，在歐洲和北美洲的已發展國家，農地面積卻是減少，但產量也是大幅增加。 自然的經濟 2001

窮國和富國之間的差異 但自從1990年以來，糧食生產量的增加已經平緩下來。窮國和富國之間的差異則是依然很大。 孟加拉共和國屬於窮國。 1960年的蛋白質消費量約為每人每天43公克。 美國的消費量是100公克以上。 於1990年，蛋白質的消費量依舊。 自然的經濟 2001

Food and the present crisis 有些國家糧食供應充裕，許多人民體重過重，營養過剩。有些人則要追求健康食品，如有機蔬菜。  Fig. 28.2 many people seed health through better diets. Some are drawn to labels like "organically grown" and "natural", although the terms have no scientific meaning and can be misleading. 自然的經濟 2001

Fig. 28.3 Children stricken with Marasmus (a) and kwashiorkor(b) Marasmus is caused by a diet low in both calories and protein. Kwashiorkor results from protein deficiency. Both conditions can permanently impair the victims, both physically and mentally. (a) Fig. 28.3 Children stricken with Marasmus (a) and kwashiorkor(b)  (b) 自然的經濟 2001

Essay 28.1 How hunger kills  自然的經濟 2001

When someone goes without food The first stored food he draws on is the readily available stored glycogen in his liver and muscle. Then to use stored fat. At about this time, the starving body begins to break down protein. Finally, the body's muscle begin to wither, including the heart muscle.  自然的經濟 2001

When someone goes without food On the average, people are considered to be starving when they have lost about 33 % of their body weight. When they have lost 40 %, death is almost inevitable. Children are often permanently affected since improved diet cannot straighten bones or build normal brain cells, but adults can largely recover.  自然的經濟 2001

The problem of food production There are over 80,000 species of plants known to be edible. But only 16 plants yield almost all the calories and three-fourths of the protein that humans receive from plants. The rest of the edible species are almost ignored, even in the face of hunger and starvation.  自然的經濟 2001

Food supply  The worldwide distribution of food is very uneven. Not only are there poor, hungry countries, and rich, well-fed ones, but the same country may have rich and poor parts. The problem is partly one of distribution and allocation. The rich have more than their share, the poor have less.  自然的經濟 2001

美國人的狀況 Most Americans have a surprising store of food in their own bodies. The average U.S. citizen weighing 155 pounds has about 35 pounds of stored fat and can go about three months without food. An obese person with 175 pounds of stored fat can theoretically go without food for a year, if the only consideration is calories.  自然的經濟 2001

Food supply Each day, the 500,000 owned dogs in New York City testify to good diets by depositing 90,000 gallons of urine and 150,000 pounds of feces on the city's streets.  自然的經濟 2001

Fig. 28.4 Much of the Earth's rainforests are destroyed each year for farming and ranching.  自然的經濟 2001

Fig. 28. 5 The soil in tropical rainforest is notoriously poor Fig. 28.5 The soil in tropical rainforest is notoriously poor. Local farmers will plant a few crops here, then move on.  自然的經濟 2001

Essay 28.2 食物塔 (The food pyramid)  自然的經濟 2001

Should we feed grain to beef cattle or should we eat the grain?  自然的經濟 2001

Fig. 28.6 Hogs are raised as food in many parts of the world because they can eat what humans eat.  自然的經濟 2001

Fig. 28.7 These jungle fowl of Southeast Asia are being raised for their meat. Both American poultry ranchers and Asian farmers recognize the efficiency of raising poultry for food.  自然的經濟 2001

Fig. 28.8 Our increasing efficient fishing technology has resulted in more fish being taken each year. We must now ask how long it can go on.  自然的經濟 2001

Fig. 28.9 Ethical questions will arise as more and more people enter an increasingly drained planet. The average family in Bangladesh is reported to have seven children.  自然的經濟 2001