第二章農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)

1、農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng),第二章,一、系統(tǒng),1.系統(tǒng)的概念 系統(tǒng)（system）由相互作用和相互依賴的若干組成部分結(jié)合而成的、具有特定功能的有機整體 。,系統(tǒng)論：奧地利，L.V.Bertalanffy，20世紀(jì)30年代 信息論；Information theory,美國，C.V.Shanon 控制論：Cybernetics,美國，Nibert Wiener，1948,（1）有兩個以上的組分有機結(jié)合而成 （2）各組分之間有一定聯(lián)系系統(tǒng)具有邊界 （3）各組分以整體形式完成特定功能,2.系統(tǒng)組成的基本條件,（1）系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的有序性。 即各組分是有機結(jié)合而成。系統(tǒng)具有邊界、系統(tǒng)的層次 （2）系統(tǒng)的整體性。 （3）系

2、統(tǒng)功能的整合性。 系統(tǒng)具有其組分或子系統(tǒng)所沒有的功能,3.系統(tǒng)的基本特征,4.系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)決定系統(tǒng)的功能,凡系統(tǒng)必有結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)決定功能，要改變系統(tǒng)的功能必須改變結(jié)構(gòu)。這是系統(tǒng)論的基本觀點。 系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)：是指系統(tǒng)內(nèi)各組分之間的數(shù)量比例關(guān)系及其相互聯(lián)系。 管理體制和運行機制 結(jié)構(gòu)？,二、生態(tài)系統(tǒng),1.生態(tài)系統(tǒng)的定義 生物與生物之間以及生物與其生存環(huán)境之間密切聯(lián)系、相互作用，通過物質(zhì)交換、能量轉(zhuǎn)化和信息傳遞，成為占據(jù)一定空間具有一定結(jié)構(gòu)、執(zhí)行一定功能的動態(tài)平衡整體，稱為生態(tài)系統(tǒng)。簡言之，在一定空間內(nèi)的全部生物與非生物環(huán)境相互作用形成的具有一定功能的統(tǒng)一體稱為生態(tài)系統(tǒng)。,（1）環(huán)境組分 輻射。短波輻射、

3、長波輻射（熱輻射）、宇宙輻射、核輻射。 無機物質(zhì) 有機物質(zhì) 土體、水、空氣,2.生態(tài)系統(tǒng)的基本組分,（2）生物組分 生產(chǎn)者（producers）：是指自養(yǎng)生物，主要指綠色植物，也包括一些化能合成細(xì)菌。 消費者（ consumers ）：是指除了微生物以外的異養(yǎng)生物，主要指依賴初級生產(chǎn)者為生的各種生物。 分解者（decomposers）：主要是指以動物殘體為生的異養(yǎng)微生物。,生態(tài)系統(tǒng)區(qū)別于一般系統(tǒng)的特點,生態(tài)系統(tǒng)也是系統(tǒng)，因此具有系統(tǒng)的共性。生態(tài)系統(tǒng)還具有區(qū)別于一般系統(tǒng)的個性： （1）在組成成分方面，不僅包括各種無生命的物理、化學(xué)成分還包括有生命的生物成分，生物群落是生態(tài)系統(tǒng)的核心。 （2）在空

4、間結(jié)構(gòu)方面，生態(tài)系統(tǒng)大多與一定的地理組成相聯(lián)系，具有明顯的地域特征。,（3）在時間變化方面，生態(tài)系統(tǒng)中的生物組分具有生長、發(fā)育繁殖和衰亡的時間特征，使生態(tài)系統(tǒng)具有從簡單到復(fù)雜，從低級到高級的演變發(fā)展規(guī)律。 （4）在內(nèi)部功能方面，生態(tài)系統(tǒng)主要靠三大類群生物（生產(chǎn)者、大型消費者和小型消費者）協(xié)調(diào)的能量轉(zhuǎn)化和物質(zhì)循環(huán)過程完成。這種聯(lián)結(jié)使系統(tǒng)內(nèi)生物之間、生物與環(huán)境之間處于一種動態(tài)平衡關(guān)系。 （5）在外部關(guān)系方面，生態(tài)系統(tǒng)具有開放性，通過不斷地從外界輸入物質(zhì)和能量，經(jīng)過轉(zhuǎn)化變?yōu)楦鞣N輸出，從而維系著系統(tǒng)的有序狀態(tài)。,3.生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu),定義 物種結(jié)構(gòu) species structure 時空結(jié)構(gòu) spac

5、e-time structure 營養(yǎng)結(jié)構(gòu) trophic structure,4.生態(tài)系統(tǒng)的功能,三大功能 能量流動：energy flow 物質(zhì)循環(huán): nutrient cycle 信息傳遞: information transfer,5.主要的生態(tài)系統(tǒng)類型,地球上全部生物極其生活區(qū)域稱為生物圈biosphere 一般指大氣圈到水圈約20km的厚度范圍。有各種各樣的生態(tài)系統(tǒng)。 （1）以環(huán)境為依據(jù)來劃分 陸地生態(tài)系統(tǒng) terestrial ecosystem 又可分為森林生態(tài)系統(tǒng)forest ecosystem 、草原生態(tài)系統(tǒng)steppe ecosystem 、農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)field eco

6、system等以植被特征分類的各類型生態(tài)系統(tǒng)。,淡水生態(tài)系統(tǒng)freshwater ecosystem又可分為水體較穩(wěn)定的湖泊生態(tài)系統(tǒng)、水庫和魚塘生態(tài)系統(tǒng)以及水體常處于流動之中的溪流、江河生態(tài)系統(tǒng)。 海洋生態(tài)系統(tǒng)marine ecosystem又可分為海岸生態(tài)系統(tǒng)coastal ecosystem 、河口生態(tài)系統(tǒng)、淺海（大陸架）生態(tài)系統(tǒng)shallow sea ecosystem和深海生態(tài)系統(tǒng)ocean ecosystem 。,（2）根據(jù)人類干擾程度為依據(jù)劃分 自然生態(tài)系統(tǒng) natural ecosystem 人工馴化的生態(tài)系統(tǒng) semi-natural ecosystem 人工生態(tài)系統(tǒng) arti

7、ficial ecosystem,三、農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng),1.農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的定義 農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)（agroecosystem）是指在人類的積極參與下，利用農(nóng)業(yè)生物種群和非生物環(huán)境之間以及農(nóng)業(yè)生物種群之間的相互關(guān)系，通過合理的生態(tài)結(jié)構(gòu)和高效的生態(tài)機能，進(jìn)行能量轉(zhuǎn)化和物質(zhì)循環(huán)，并按人類的理想要求進(jìn)行物質(zhì)生產(chǎn)的綜合體。,2.農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的基本組分,（1）農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的生物組分 農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的生物組分可以按功能區(qū)分為以綠色植物為主的生產(chǎn)者，以動物為主的大型消費者和以微生物為主的小型消費者，然而占主要地位的生物是經(jīng)過人工馴化的農(nóng)業(yè)生物如農(nóng)作物、家畜、家禽、家魚、家蠶等, 以及與這些農(nóng)用生物關(guān)系密切的生物類群，如

8、作物病蟲、家畜寄生蟲、豆科植物的根瘤菌等。農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)還增加了一個重要的大型消費者人。其他生物種類和數(shù)量一般少于同區(qū)域的自然生態(tài)系統(tǒng)。,（2）農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的環(huán)境組分 農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)除了具有從自然生態(tài)系統(tǒng)繼承下來的自然環(huán)境組分之外，還有人工環(huán)境組分。無論是水體、土體、氣體甚至輻射，在農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)中都或多或少受到人類不同程度的調(diào)節(jié)和影響。農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)中的禽舍、溫室、倉庫、廠房、住房等生產(chǎn)、加工、貯存和生活設(shè)施都會成為系統(tǒng)內(nèi)生物生活環(huán)境的一個組成部分。設(shè)施中的環(huán)境與自然環(huán)境相比，溫、濕、光、養(yǎng)分等條件都受到較大的改變，而目有獨特的特點。,3.農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu),組分結(jié)構(gòu)：component struc

9、ture 時空結(jié)構(gòu)：space structur and temporal structure horizontal structure,vertical structure 營養(yǎng)結(jié)構(gòu)：,4.農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的基本功能,能量流 物質(zhì)流 信息流 價值流value flow,5.農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的特點,(1)農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)與自然生態(tài)系統(tǒng) 的比較 在農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)中，由于人類的強烈參與，其結(jié)構(gòu)組成已經(jīng)發(fā)生了較大的變化，有別于自然生態(tài)系統(tǒng)，二者在結(jié)構(gòu)與功能上的差別如下頁表：,Comparison of Natural and Agroecosystems Gliessman, 1998,（2）農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的特點

10、農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)是被人類馴化了的自然生態(tài)系統(tǒng)，因此，它既保留了自然生態(tài)系統(tǒng)的一般特點，又具備很多人類改造、控制、調(diào)節(jié)、干擾甚至破壞所帶來的新特點。新的特點主要表現(xiàn)在：,受人類控制。 凈生產(chǎn)力高。 組成要素簡化，自我穩(wěn)定性較差。 開放性系統(tǒng)。 同時受自然與社會經(jīng)濟(jì)“雙重”規(guī) 律的制約。 有明顯的區(qū)域性。,（3）農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)養(yǎng)分循環(huán)特點,一、有較高的養(yǎng)分輸出率與輸入率。 二、內(nèi)部養(yǎng)分的庫存量較低，但流量大，周轉(zhuǎn)快。 三、養(yǎng)分保持能力較弱，流失率較高。 四、養(yǎng)分供求同步機制較弱。,The science of agroecology, which is defined as the applicatio

11、n of ecological concepts and principles to the design and management of sustainable agroecosystems, provides a framework to assess the complexity of agroecosystems (Altieri 1995). The idea of agroecology is to go beyond the use of alternative practices and to develop agroecosystems with the minimal

12、dependence on high agrochemical and energy inputs, emphasizing complex agricultural systems in which ecological interactions and synergisms between biological components provide the mechanisms for the systems to sponsor their own soil fertility, productivity and crop protection (Altieri and Rosset 1

13、995).,Agroecosystems About 40% of terrestrial NPP is directly or indirectly consumed by humans. Agroecosystems are ecosystems which are consciously controlled by humans for the purpose of extraction. They include managed forests, farms, rangelands, and aquaculture systems. While hunting-gathering is

14、 sustainable at very low human densities, it is extremely damaging at high densities, and cannot be sustained for long. Thus agroecosystems are absolutely necessary. However, most agroecosystems today are not sustainable (yields cannot be maintained indefinitely). Problems with contemporary agroecos

15、ystems:,PESTICIDES Pests tend to be r-selected species with rapid growth rates. They therefore tend to evolve resistance very quickly. Most important insect pest species have evolved resistance to all major insecticides. The same has happened for weeds and herbicides. This leads to the pesticide tre

16、admill. (resistance is not the same as immunity) Temporary solution: transfer genes from weeds to crops. This exacerbates the pesticide treadmill in the long run. Predatory animals are more K-selected, and cannot evolve resistance to pesticides quickly enough. Toxins accumulate at each level in the

17、food chain, and thus have a large effect on predators. This is the reason for the decline of birds of prey. Pesticides are present in rainfall samples wherever they have been measured. Pesticide in rain is a negligible direct health risk for humans, but the effects on the ecosystem are unknown. Ther

18、e is great promise in controlling pests by biological and cultural (physical) controls. The problem is that such controls are more information-intensive. Agriculturalists must study the life histories of all beneficial and harmful species. Extension agents must know population biology and community

19、ecology.,FERTILIZER Because of this, humans control more than half of all nitrogen fixation. Anthropogenic nitrogen fixation is extremely energy intensive, thus affecting the carbon cycle through fossil fuel use. Nitrates escaping into groundwater have serious health effects (blue babies) Nitrogen is the most limiting nutrient in most agroecosystems. Runoff of N and P into streams causes eutrophication. Fertilization by N, P, and K causes higher yields, but when plants are removed, many cations (esp. Ca and Mg) are removed. This increases the aci