第三章生态学原理及其应用.doc

第三章 生态学原理及其应用第一节 生态系统一、生态系统的基本概念（一）生态系统的含义及其特性 生态系统就是在一定空间中共同栖居着的所有生物与其环境之间由于不断地进行物质循环和能量流动而形成的统一整体，即一个生态学功能单位。自然界中生态系统多种多样，大小不一。小至一滴湖水、一个花丛，大至森林、草原、湖泊、海洋以至整个生物圈，都是一个生态系统。根据人类对生态系统的干扰程度大小，又可分为自然生态系统（如森林、草原、湖泊和海洋等），半自然半人工生态系统（如农田、果园）和人工生态系统（如城市）。任何生态系统都具有以下共同特性： 具有能量流动、物质循环和信息传递三大功能。生态系统内能量的流动是单向的，不可逆转。但物质的流动是循环式的。信息传递包括物理信息、化学信息、营养信息和行为信息，构成一个复杂的信息网。 具有自动调节能力。当生态系统受到的外界压力不超过其生态阈值时，生态系统可以自行调节和恢复。系统内物种越丰富、结构越复杂，其自我调节能力越强，系统也说越稳定。 是一种开放的动态系统。生态系统不断地与外界进行物质和能量的交换，从外界环境中引入负熵流，使其从无序变成有序，靠生命过程来调控并保持其远离天体物理学平衡。（二）生态系统的组成、结构和类型1、生态系统的组成一般来说，生态系统都包括下列4种主要组成成分。（1）非生物环境：包括参加物质循环的无机元素和化合物、联系生物和非生物成分的有机物质和气候或其他物理条件（如温度、压力）。（2）生产者：指能进行光合作用的各种绿色植物、蓝绿藻和某些细菌。又称为自养生物。（3）消费者：指以其他生物为食的各种动物（植食动物、肉食动物、杂食动物和寄生动物等）。消费者按其营养方式上的不同又可分为食草动物、食肉动物和大型食肉动物。（4）分解者：指分解动植物残体、粪便和各种有机物的细菌、真菌、原生动物、蚯蚓和禿鹫等食腐动物。消费者和分解者都是异养生物。2、生态系统的类型（1）生态系统中的生物成分按照其在生态系统中的功能可划分为三大类群：生产者（自养生物）、消费者（异养生物）和分解者（又称还原者）。（2）生态系统可根据地理条件的不同而分为两大类一级系统：水生生态系统和陆生生态系统。一级系统还可细分为更多的二级系统。如水生生态系统又可分为海洋生态系统和淡水生态系统，陆生生态系统也可分为森林、草原、荒漠、高山、冻原等生态系统。二级系统还可以划分出三级系统，三级系统还可以分出四级系统等。（三）食物链和食物网生产者所固定的能量和物质是通过一系列取食和被食的关系在生态系统中传递的，各种生物按其食物关系排列的链状顺序称为食物链。水体生态系统中的食物链如：浮游植物浮游动物草食性鱼类肉食性鱼类。食物链彼此交错连结，形成一个网状结构，这就是食物网。一般地说，食物网越复杂，生态系统越稳定。在复杂食物网的生态系统中，一种生物的消失不致引起整个生态系统的失调。相反，食物网简单的系统，则生态系统越不稳定，尤其是在生态系统功能上起关键作用的种，一旦消失或受严重破坏，就可能引起这个系统的剧烈波动。生态系统中一般都有两类食物链，即捕食食物链和碎屑食物链。前者以植食动物吃植物的活体开始，后者从分解动植物尸体或粪便中有机物颗粒开始。生态系统中的寄生物和食腐动物形成辅助食物链。（四）营养级和生态金字塔食物链和食物网是物种和物种之间的营养关系，但这种关系复杂，无法用图解的方法完全表示。为了便于进行定量的能流和物质循环研究，生态学家提出了营养级的概念。一个营养级是指处于食物链某一环节上的所有生物种的总和。例如，所有绿色植物和自养生物均处于食物链的第一环节，构成第一营养级；所有以生产者为食的动物属于第二营养级，即植食动物营养级；所有以植食动物为食的肉食动物为第三营养级；其上还可能有第四（第二级肉食动物营养级）和第五营养级等。生态系统中的物质和能量就这样通过营养级向上传递。生态系统中的能流是单向的，通过各个营养级的能量是逐级急剧减少的，所以食物链就不可能太长，生态系统中的营养级一般只有四、五级，很少有超过六级的。能量通过营养级逐级减少，如果把通过各营养级的能量流由低到高划成图，就成为一个金字塔形，称为能量金字塔。同样，如果以生物量或个体数目来表示，可以得到生物量金字塔或个体数目金字塔。但是，当能量在食物网中流动时，其转移效率是很低的。下面营养级所储存的能量只有大约10%能够被其上一营养级所利用，其余被呼吸作用所消耗。这在生态学上被称10%定律或1/10律，也称林德曼效率。这近是湖泊生态系统的一个近似值，在其他不同的生态系统中，高则可达30%，低则可能只有1%或更低。二、生态系统的功能 生态系统具有三大功能：能量流动、物质循环和信息传递。（一）能量流动能量是生态系统的动力，是一切生命活动的基础。一切生命活动都伴随能量的变化，没有能量的转化，也就没有生命和生态系统。地球是一个开放系统，存在着能量的输入和输出。能量输入的根本来源是太阳能，食物是光合作用新近固定和储存的太阳能，化石燃料则是过去地质年代固定和储存的太阳能。光合作用是植物固定太阳能的唯一有效途径，其全过程很复杂，总的反应式为：6CO2 + 12H2O C6H12O6 + 6O2 +6H2O能够通过光合作用制造食物分子的植物被称为“自养生物”，主要是绿色植物。其他生物靠自养生物取得其生存所必须的食物分子，这些生物称为“异养生物”。例如，食草的动物和昆虫，它们是绿色植物的消费者，因其无法固定太阳能，而只能直接或间接从绿色植物中获取富能的化学物质，然后通过呼吸作用把能量从这些化学物质中释放出来。其反应式为：C6H12O6 + 6O2 ATP + 6CO2 + 热量生成物中ATP即三磷酸腺苷，是生物化学反应中通用的能量，可保存供未来之需，也可以构成和补充细胞的结构以及执行各种各样的细胞功能。能量在生态系统内的传递和转化规律服从热力学的两个定律。根据热力学第一定律，能量可以从一种形式转化为另一种形式，在转化过程中，能量既不会消失，也不会增加，这就是能量守恒原理。例如，生态系统通过光合作用所增加的能量等于环境中太阳辐射所减少的能量，但总能量不变，所不同的是太阳能转化为潜能输入了生态系统，表现为生态系统对太阳能的固定。根据热力学第二定律，能量的流动总是从集中到分散，从能量高向能量低的方向传递。在传递过程中总会有一部分能量不能继续传递和做功，而以热的形式消散，这部分能量使系统的熵和无序性增加。对生态系统来说，当能量以食物的形式在生物之间传递时，食物中相当于一部分能量转化为热而消散掉，其余则用于合成新的组织而作为潜能贮存下来。因此能量在生物之间每传递一次，一大部分能量就被转化为热而损失掉，这就是能量金字塔的热力学解释。地球生物圈中能量的转移是热力学定律的极好说明。据测定，进入地球大气圈的太阳能为8.368J/cm2.min。其中约30%被反射回去，20%被大气吸收，其余的46%到达地面。地球表面上大部分地区没有植物，到达绿色植物上的太阳辐射只有10%左右。植物叶面又反射一部分，能被植物利用的太阳能只有1%左右。就是这极其微小的部分太阳能每年制造出（1500-2000）108t有机物质（干重），是绿色植物提供全球消费者的有机物总量。绿色植物实现了从辐射能向化学能的转化，然后以有机质的形式通过食物链把能量传递给草食性动物，再传递给肉食性动物。动植物死亡后，其躯体被微生物分解，把复杂的有机物转化为简单的无机物，同时把有机物中贮存的能量释放到环境中去。生产者，消费者和分解者的呼吸作用也要消耗部分能量，被消耗的能量也以热量的形式释放到环境中。（二）物质循环生态系统从大气、水体和土壤等环境中获得营养物质，通过绿色植物吸收，进入生态系统，被其他生物重复利用，最后，再归还于环境中，此为物质循环，又称生物地球化学循环。生物地球化学循环可分为三大类型，即水循环、气体型循环和沉积型循环。生态系统中所有的物质循环都是在水循环的推动下完成的，没有水循环，也就没有生态系统的功能。在气体循环中，物质的主要储存库是大气和海洋，循环与大气和海洋密切相联，具有明显的全球性，如二氧化碳和氮等。主要蓄库与岩石、土壤和水相联系的是沉积型循环，如磷、硫循环。生物圈中碳、氮、磷、硫的循环在生命活动中起着重要作用，下面分别予以介绍。1.碳循环碳是一切生物体中最基本的成分，有机体干重的45%以上是碳。在无机环境中，以二氧化碳和碳酸盐的形式存在。生态系统中碳的主要循环形式是从大气的CO2蓄库开始，经过生产者的光合作用，把碳固定，生成碳水化合物，其中一部分作为能量为植物本身所消耗，植物呼吸作用或发酵过程中产生的CO2通过叶面和根部释放回到大气圈，然后再被植物利用。碳水化合物的另一部分被动物消耗，食物氧化产生的CO2通过动物的呼吸作用回到大气圈。动物死亡后，经微生物分解产生CO2也回到大气中，再被植物利用。生物残体埋藏在地层中，经漫长的地质作用形式煤、石油、天然气等化石燃料，它们通过燃烧和火山活动放出大量CO2进入生态系统的碳循环。除了大气，碳的另一储存库是海洋。在水体中，同样由水生植物将大气中扩散到水上层的CO2固定转化为糖类，通过食物链经消化合成，再消化再合成，各种水生动植物呼吸作用又释放CO2到大气中。动植物残体埋入水底，但经过地质年代，又可以石灰岩或珊瑚礁的形式再露于地表。岩石圈中的碳也可以借助于岩石的风化和溶解、火山爆发等重返大气。2.氮循环氮是形式蛋白质、氨基酸和核酸的主要成分，是生命的基本元素。虽然大气中氮的含量十分丰富，但不能被植物直接利用，必须通过固氮作用将游离氮与氧结合成为硝酸盐或亚硝酸盐，或与氢结合成氨，才能为大部分生物所利用，参与蛋白质的合成。因此，氮被固定后，才能进入生态系统，参与循环。固氮的途径有三种。一是通过闪电、宇宙射线、陨石、火山爆发活动的高能固氮，其结果是形成氨或硝酸盐。二是工业固氮（合成氨），这种固氮能力已越来越大。第三条途径，也是最重要的途径是生物固氮，能够进行生物固氮的生物主要是固氮菌，与豆科植物共生的根瘤菌和蓝藻等自养和异养微生物。氮在环境中的循环：植物从土壤中吸收无机态的氮，主要是硝酸盐，用作合成蛋白质的原料。这样，环境中的氮进入了生态系统。植物中的氮一部分为草食动物所取食，合成蛋白质。在动物代谢过程中，一部分蛋白质分解为含氮的排泄物（尿素、尿酸），再经细菌的作用，分解释放出氮。动植物死亡后经微生物等分解者的分解作用，使有机态氮转化为无机态氮，形成硝酸盐。硝酸盐可再为植物利用，继续参与循环，也可被反硝化细菌作用形成氮气，返回大气库中。因此，在自然生态系统中，一方面通过各种固氮作用使氮素进入物质循环，而通过反硝化作用、淋溶沉积等作用使氮素不断重返大气，从而使氮的循环处于一种平衡状态。3.磷循环磷是生物不可缺少的重要元素，生物的代谢过程都需要磷的参与，磷是核酸、细胞膜和骨骼的主要成分，它主要以磷酸盐的形式存在。生态系统中的磷全部来源于岩石的风化作用，经破碎、溶解在土壤水中，被植物吸收，再经食草动物和肉食动物而在生物之间流动，待生物死亡后被分解，又使其回到土壤和海洋中。溶解性磷酸盐，也可随着水流进入江河湖海，并沉积在海底。经过漫长的地质作用海底抬升为陆地，完成磷的大循环。在陆地生态系统中，含磷有机物被细菌分解为磷酸盐，其中一部分又被植物再吸收，另一部分则转化为不能被植物利用的化合物。同时，陆地的一部分磷由径流进入湖泊和海洋。在淡水和海洋生态系统中，磷酸盐能够迅速地被浮游植物所吸收，而后又转移到浮游动物和其他生物体内，浮游动物所排出的磷又有一部分是无机磷酸盐，可以为植物所利用，水体中其他的有机磷酸盐可被细菌利用，细菌又被其他小动物所食用。再通过对海鱼的捕捞和食鱼鸟的鸟粪才使磷完成由海到陆的循环，但是这种循环在数量上是很小。人类对自然磷的循环的干扰表现在两个方面。第一，大量开采磷矿制造磷肥和洗涤剂，加速了磷的这种损失。据估计，在生物圈中，磷参与循环的数量目前正在减少，磷将成为人类和陆地生物生命活动的限制因子。第二，通过农田退水、大型养殖场排水和城市污水，将大量磷酸盐排放到水环境中，造成淡水和海洋的富营养化。4.硫循环硫是原生质体的重要组分，它的主要蓄库是岩石圈，但它在大气圈中能自由移动。因此，硫循环有一个长期的沉积阶段和一个较短的气体阶段。岩石库中的硫酸盐主要通过生物的分解和自然风化作用进入生态系统。从岩石中释放出的无机硫由细菌作用还原为硫化物，土壤中的这些硫化物又被氧化成植物可利用的硫酸盐。自然界中的火山爆发也可将岩石库中的硫以硫化氢的形式释放到大气中，化石燃料的燃烧也将蓄库中的硫以二氧化硫的形式释放到大气中，可为植物吸收。硫的主要蓄库是硫酸盐岩，大气中也有少量存在。虽然生物对硫的需要不那么多，但在硫的循环中涉及许多微生物的活动，生物体需要硫合成蛋白质和维生素。植物所需要的大部分硫通过食物链被动物所利用，或动植物死亡后，微生物对蛋白质的分解将硫释放到土壤中，然后再被微生物利用，以硫化氢或硫酸盐形式而释放硫。无色硫细菌能将硫化氢还原为元素硫，又能氧化为硫酸；绿色硫细菌在有阳光时，能利用硫化氢作为氧接收者；生活于沼泽和河口的紫细菌能使硫化氢氧化，形式硫酸盐，进入再循环，或者被生物所吸收，或为硫酸盐还原细菌所利用。空气中的污染物的种类很多，但因燃煤排放硫的强度大和空气中硫含量与人的健康关系最为密切，而把硫的浓度作为空气污染严重程度的指标。（三）信息传递信息传递是生态系统的重要功能之一。生态系统中包含多种多样的信息，大致可以分为物理信息、化学信息、行为信息和营养信息。1、物理信息生态系统中以物理过程为传递形式的信息称为物理信息。生态系统中的各种光、声、热、电、磁等都是物理信息。例如，动物的叫声可以传递惊慌、警告、安全和求偶等信息；某些光和颜色可以向昆虫和鱼类提供食物信息。2、化学信息生态系统的各个层次都有生物代谢产生的化学物质参与传递信息、协调各种功能，这种传递信息的化学物质通称为信息素。同种动物间释放的化学物质能传递求偶、行踪和划定活动范围等信息。3、营养信息营养信息由食物和养分构成。生态系统中生物的食物链就是一个生物的营养信息系统，各种生物通过营养信息关系联系成一个相互依存和相互制约的整体。通过营养交换的形式，可以将信息从一个种群传递给另一个种群。4、行为信息许多植物的异常表现和动物异常行动都传递了某种信息，可通称为行为信息。无论是同一种群还是不同种群，它们的个体之间都存在行为信息的表达，不同的行为动作传递不同的信息。例如，某些动物以飞行姿势和舞蹈动作传递觅食和求偶信息，以鸣叫和动作传递警警戒信息等。三、生态平衡及其破坏（一）生态平衡的含义 任何一个正常、成熟的生态系统，其结构与功能，包括其物种组成，各种群的数量和比例，以及物质与能量的输出、输入等方面都处于相对稳定状态。也就是说，在一定时期内，系统内的生产者、消费者和分解者之间保持着一种动态的平衡，这种平衡状态就叫生态平衡。在自然生态系统中，平衡还表现为生物种类和数量的相对稳定。生态系统之所以能保持动态的平衡，主要是由于内部具有自动调节的能力。（二）破坏生态平衡的因素生态平衡的破坏有自然原因，也有人为的因素。现分别讨论如下：1、自然原因主要是指自然界发生的异常变化或自然界本来就存在的对人类和生物的有害因素。如火山爆发、山崩海啸、水旱灾害、地震、台风、流行病等自然灾害，都会使生态平衡遭到破坏。2、人为因素主要指人类对自然资源的不合理利用、工农业发展带来的环境污染等问题。人为因素引起的生态平衡的破坏，主要有三种情况：（1）物种改变引起平衡的破坏 人类有意或无意地使生态系统中某一种生物消失或往其中引进某一种生物，都可能对整个生态系统造成影响。例如澳大利亚从欧洲引进兔子造成的生态平衡破坏就是一例。（2）环境因素改变，引起平衡破坏 工农业的迅速发展，有意或无意地使大量污染物质进入环境，从而改变生态系统的环境因素，进而影响整个生态系统，甚至破坏生态平衡。例如水体富营养化就是因为人类向水环境中大量排放城市污水、禽畜养殖废水和农业径流等引起的。（3）信息系统的破坏 许多生物在生存过程中，都能释放出某种信息素，以驱赶天敌、排斥异种或取得直接或间接联系以繁衍后代。但如果人们排放到环境中的某些污染物质与某一种动物排放的性信息素作用，使其丧失引诱雄性个体作用，就会破坏这种动物的繁殖，改变生物种群的组成结构，使生态平衡受到影响。四、生态学规律近年来有些生态学家提出了许多正确的见解，并把它提高到规律和定律的高度。例如，我国生态学家马世骏提出的生态学五规律，即相互制约和相互依赖的互生规律、相互补偿和相互协调的共生规律、物质循环转化的再生规律、相互适应与选择的协同进化规律和物质输入输出的平衡规律。陈昌笃提出六条生态学一般规律：物物相关、相生相克、能流物复、负载定额、协调稳定和时空有宜。类似地，美国环境学家小米勒提出的生态学三定律是：生态学第一定律：我们的任何行动都不是孤立的，对自然界的任何侵犯都具有无数效应，其中许多效应是不可逆的。该定律为哈定所提出，可称之为多效应原理。生态学第二定律：每一种事物无不与其他事物相互联系和相互交融。此定律可称为相互联系原理。生态学第三定律：我们生产的任何物质均不应该对地球上自然的生物地球化学循环有任何干扰。此定律或可称之为勿干扰原理。第二节 生态农业一、生态农业的概念及其特点（一）生态农业的概念中国的生态农业是在经济与环境协调发展的思想指导下，在总结和吸取了各种农业实践（尤其是中国传统有机农业）的成功经验的基础上，根据生态学原理，应用现代科学技术方法所建立和发展起来的一种多层次、多结构、多功能的集约经营管理的综合农业生产体系。中国生态农业重视农村生态环境建设，大量植树造林，防止水土流失和荒漠化，改善生态环境，使农业生产有一个良性循环的生态系统。因此，生态农业是一种持续发展的农业模式，是一条保护生态环境的有效途径。（二）生态农业的特点1. 多样性生态农业的地域性决定了其结构组分的多样性，这种多样性有利于物质和能量的多层次利用。同时物种的多样性还可以发挥天敌对害虫的控制，使害虫与天敌保持某一数量平衡，减少化学农药用量，降低生产成本，提高产品质量。2. 综合性 生态农业是一种大农业生产，注重农、林、牧、副、渔全面发展，农工商综合经营。生态农业系统的组成成分、结构、功能及生态关系均很复杂，要求人们遵守整体性原则，全面系统地分析各种关系，采取综合措施，使生态农业系统协调发展。生态农业的综合性表现在生产本身的综合性和措施的综合性上。3.生产效率高 生态农业系统是一个高效利用农业资源的生产系统，它要求以较少的投入获得较多的产出。不断发展各种生态农业技术能使生态农业系统获得较高的生产率。4. 稳定性 生态农业系统是一个结构合理、功能协调的良性循环系统，其缓冲能力较强，使系统在一定外力干扰条件下仍能稳定地发展。5. 持续性 生态农业系统重视系统内部各组分之间的相互协调和平衡，重视对自然资源的合理利用、保护与增殖，因此具有较高的自我调节能力和持续发展能力。6.生态性（低耗、高效、少污）生态农业充分利用系统内部的能源和资源，重视提高太阳能的转换率，尽量减少对外来投入的依赖，提倡多使用有机肥和注重农业病虫害的生物防治，以减轻农用化学物质对生态环境的污染与破坏。二、生态农业建设的理论基础1.生物与环境的协同进化原理生态系统中的生物与其环境之间存在着复杂的物质、能量交换关系。一方面，生物为了生存与繁衍，必须经常从环境中摄取物质与能量。另一方面，在生物生存、繁育和活动过程中，也不断地通过释放、排泄及残体归还给环境，使环境得到补充。环境影响生物，生物也影响环境，而受生物影响得到改变的环境反过来又影响生物，使两者处于不断地相互作用、协同进化的过程。生态农业遵循这一原理，因地、因时制宜，合理布局，合理轮作倒茬，种养结合。违背这一原理，就会导致环境质量的下降，甚至资源枯竭。2.生物之间链索式的相互制约原理生态系统中同时存在着许多生物，它们之间通过食物营养关系相互依存、相互制约。例如绿色植物是草食性动物的食物，草食性动物又是肉食性动物的食物，通过捕食与被捕食关系构成食物链，多条食物链相互连接构成复杂的食物网，由于链环相互连接，其中任何一个链节的变化，都会影响到相邻链节的改变，甚至使整个食物链网改变。在生物之间的这种链索关系中包含着严格的量比关系，处于相邻两个链结上的生物，无论个体数目、生物量或能量均有一定比例。生态农业遵循这一原理巧接食物链，合理组织生产，以挖掘资源潜力。3能量多级利用与物质循环再生原理生态系统中的食物链，既是一条能量转换链，也是一条物质传递链，还是一条价值增殖链。根据能量转化十分之一定律，食物链越短、结构越简单，它的净生产量就越高。但在受人类调节控制的农业生态系统中，因人类对系统的调控和最终产品的期望不同，而产生了不同的效果。例如对秸杆的利用，不经过处理直接返回土壤，须经过长时间的发酵分解，方能发挥肥效，参与循环。但如果经过糖化或氨化过程使之成为家畜喜食的饲料，饲养家畜增加畜产品产出，利用家畜排泄物培养食用菌，生产食用菌后的残菌床又用于繁殖蚯蚓，最后将蚯蚓利用后的残余物返回农田作肥料，从而使能量转化效率大大提高。因此，人类根据生态学原理合理设计食物链，多层分级利用，可以使有机废物资源化，使光合产物实现增殖，发挥减污补肥的作用。4结构稳定性与功能协调性原理在自然生态系统中，生物与环境经过长期的相互作用，在生物与生物、生物与环境之间，建立了相对稳定的结构，具有相应的功能。农业生态系统的生物组分是人类按照生产目的而精心安排的，受到人类的调节与控制。生态农业要提供优质高产的农产品，同时创造一个良好的再生产条件与生活环境，必须建立一个稳定的生态系统结构，才能保证功能的正常运行。为此，要遵循以下三条原则：第一，发挥生物共生优势原则；第二，利用生物相克趋利避害原则；第三，生物相生相养原则。这种生物与生物、生物与环境之间相互协调组合并保持一定比例关系而建成的稳定性结构，有利于系统整体功能的充分发挥。5.生态效益与经济效益统一的原理农业是人类的一种经济活动，生态农业也不例外。在生态农业中，为了在获取高生态效益的同时，求得高经济效益，必须如下原则：一是资源合理配置原则。应充分和合理地利用国土，这是生态农业的一项重要任务。二是劳动资源充分利用原则。在农业生产劳动力大量过剩的情况下，一部分农民同土地分离，从事农产品加工及农村服务业。三是经济结构合理化原则。既要符合生态要求，又要适合经济发展和消费的需要。四是专业化、社会化原则。生态农业只有突破了自然经济的束缚，才有可能向专业化、商品化过渡。在遵守生态原则的同时，积极引导农业生产接受市场机制的调节。三、生态农业的建设内容1. 推进区域农业可持续发展的综合管理可持续发展的综合管理需要全民的参与，要求增强各级决策者和管理人员的可持续发展意识，建立试验区。20世纪90年代以来，中国已建立了50个农业综合治理和可持续发展试验区（生态县），努力追求经济效益、社会效益和生态效益的协调与统一，为中国农业可持续发展提供了宝贵的经验。生态农业作为一种可持续农业模式，也正在逐步推广，目前试验已从生态农业户、村、乡发展到生态农业县，试验点已达几百个。2. 调整优化农业结构主要包括以下3点：调整优化农业内部结构，改进耕作制度，集约经营、多业结合，使农林牧副渔各业协调发展，不断提高农业生态系统的生产力；研究制定有利于优化农村产业结构、合理开发利用资源的产业政策；根据不同地域和自然资源组合特点，发展多种类型的可持续农业，在西北、西南、东北等地区开展大面积的农业生态工程建设。3. 提高食物生产和保障食物安全食物安全是指能够有效地提供全体居民以数量充足、结构合理、质量达标的包括粮食在内的各种食物。这是生态农业建设的主要目的。为此要采取下列措施：建立高效的食物安全监测预报系统，包括对环境污染状况、食物环境质量和卫生品质的监测；建立各级食物生产基地，提高食物环境质量，建立绿色食品生产基地，保障食物安全。4. 农业资源可持续利用（1）保护、合理利用与增殖自然资源 首先增加绿色覆盖，提高植被覆盖率，营造农田防护林网；第二是保护土地资源，采取秸杆还田、增施有机肥、种植绿肥和合理间混套种等生态措施；第三是防治水土流失，采取生物、工程和耕作相结合的综合措施保护土壤，控制水土流失；第四是保护生物多样性，保护有益物种、害虫天敌和动植物种质资源。（2）提高生物能的利用率和废物循环转化 农业上的废物主要是作物秸杆、菜屑、人畜粪便和生物废杂物等，可用它们来发展畜牧业或制取沼气，既为农村提供饲料和能源，又为农业增加了肥源，提高了农业废物的循环转化和利用率。（3）开发农村能源 中国农村缺乏烧柴一直是农村生态环境破坏的主要原因。因此必须采取多种途径，如兴建沼气池、推广省柴灶、发展小水电，利用太阳能和风能等。5. 农业生态环境保护（1）防治污染，扭转生态恶化 在农村兴办企业应防止工业“三废”污染农村环境；其次是推广综合防治技术，保证农业生产和人民生活有一个良好的环境。（2）建立农业环境自净体系 首先是充分利用自然环境的自净能力，如土壤、水体、大气和生物的稀释、扩散、降解、吸收和转化等作用可使污染物浓度降低。其次是建立人工自净体系，主要措施有扩大绿色植物覆盖率、修建氧化塘、保护自然天敌和益鸟，推广生物防治，并配合治理污染。四、生态农业系统的类型和模式1. 生物立体共生的生态农业系统 这是一种根据各生物类群的生物学、生态学特性和生物之间的互利共生关系而合理组合的生态农业系统。该系统能使处于不同生态位的各类生物类群在系统中各得其所，相得益彰，更加充分地利用太阳能、水分和矿物质营养元素，并建立一个空间上多层次、时间上多序列的产业结构，从而获得较高的经济效益和生态效益。根据生物的类型、生境差异和生物因子的数量等可将此类生态农业系统以下各种类型和模式。（1）立体种植型 根据生态系统中栽培作物的种类和空间组合可分为若干模式，主要类型有：农作物的间作、套种和轮作的模式 如粮-棉；粮-油菜；粮-蔬菜。林产作物的立体种植模式 如果-茶立体种植；林-胶-茶立体种植。林粮间作立体种植模式 如泡桐-旱粮作物间作；水杉-水稻间作；果树-旱粮、果树-蔬菜间作。林药间作立体种植模式 指林木、果树与药用栽培植物的空间组合。林菌或粮菌间作模式 指林下或作物的下层种植食用菌。粮肥间作模式 指粮食作物与绿肥作物的互利共生。庭院立体种植模式 指家庭庭院和屋顶的立体种植。 （2）立体养殖类型 指在特定空间内的养殖动物的层次配置，或一定时间内的生产有机配合，主要有以下模式：陆地立体圈养模式 为了充分利用空间、节约圈棚材料并利用废弃物而设计的一种空间共生立体养殖，如鸡舍（上层）猪舍（下层）鱼池（底层）。水体立体养殖模式 这是为了充分利用水体空间和营养、溶解氧等而设计的一种空间配置方式，常见的组合有：鲢鱼（上层）草鱼（中层）青鱼（下层）；鸭（上层）鱼（下层）珠蚌（下层）；鱼（上层）鳖（下层），等等。 （3）立体种养类型 指在一定空间内栽培植物和养殖动物按一定方式配置的生产结构。在生物之间，可形成简单的食物链，并且以生物之间的共生互利关系为特征。该类型的主要模式有：稻-萍-鱼；稻-鸭-鱼；林-鸭-鱼；林-畜-蚯蚓；苇-禽-鱼，等等。2. 物质循环利用的生态农业系统这是按照生态系统内能量流动和物质循环规律而设计的一种良性循环的生态农业系统，在该系统中，一个生产环节的产出（如废弃物排出）是另一个生产环节的投入，使得系统中的各种废弃物在生产过程中得到再次、多次和循环地利用，从而获得更高的资源利用率，并有效地防止了废弃物对农村环境的污染。根据系统内生产结构的物质循环方式，可分为以下几种类型。（1）种植业内部物质循环利用类型 该类型主要指在林业、作物及食用菌生产体系中的物质多级循环利用，其结构相对简单，主要有以下几种模式：作物-食用菌循环模式；林木-食用菌循环模式。（2）养殖业内部物质循环利用类型 这种类型主要利用家禽生产中的粪便废弃物，作为畜牧生产中的饲料，而畜牧生产的废弃物再作为某些特种培养动物的营养材料而扩大其种群，这些特种培养动物可直接用为家禽的高级蛋白饲料，从而建立了废物利用的良性循环。如猪-蛆-鸡循环模式；猪-蚯蚓-鸡模式。（3）种、养业结合的物质循环利用类型 这种类型的循环不仅局限于养殖业或种植业内部，而且还在这两者之间进行较为复杂的循环。该类型根据种植作物或养殖动物的种类、营养级数可划分为若干模式，如：禽（畜）-渔-作物循环模式；禽-畜-渔-作物循环模式；禽-畜-渔-食用菌循环模式；禽-畜-渔-林（果、菜、饲料作物等）循环模式，等等。（4）种、养、沼三结合的物质循环利用类型 在此物质循环的系统中，沼气起到一个枢纽的作用，把系统中的各个部分都有机地联系起来。畜牧生产中的禽畜粪便进入沼气池后，经发酵产生沼气，用于炊事、照明等；沼渣可用于培养食用菌或作为肥料，用于农田和果园；沼液可作为优质饵料，用于喂鱼，亦可作为速效肥料，用于大田作物或果树、蔬菜的施肥。甚至经发酵后的沼渣和沼液也能用于喂猪。3. 生物相克避害的生态农业系统在生态农业系统中，人们利用生物相克关系，人为地对生物种群进行调节，在生态系统中增加有害生物的天敌种群，以降低害虫、害鸟、杂草、病菌的危害，从而减少农作物的经济损失，这类生态农业的运转体系就属于生物相克避害的生态农业系统。（1）以虫治虫的生态农业类型 我国利用昆虫防治害虫的模式很多，如赤眼蜂食玉米螟，七星瓢虫捕食棉蚜虫，红蚂蚁防治甘蔗螟虫等模式。（2）以禽鸟治虫的生态农业类型 以禽鸟治虫的模式很多，如棉田鸡-虫模式，稻田鸭-虫模式，森林灰喜鹊-松毛虫模式等。（3）以菌治虫的生态农业类型 利用病原微生物治虫是生物防治的重要内容，利用的微生物包括细菌、真菌、病毒、立克次体、原生动物及线虫等。中国目前用于生物治虫的细菌制剂主要是苏云金杆菌类的青虫菌、杀螟杆菌、松毛虫杆菌等。4. 主要因子调控的生态农业系统在我国的西北、黄土高原和华北一些地区的沙漠化、水土流失和土地贫瘠化等成为该地区影响农业生产和生态环境的主要因素。需要通过植树造林、改良土壤、兴修水利、农田基本建设等措施对农业生态系统进行人工调控，特别是对农业生态系统中的主要因素进行调控，也就是对沙漠化、水土流失、土地碱化等主要环境问题进行治理。在中国，植树造林、控制沙漠化、治理水土流失等都取得很大的成就，创造了许多行之有效的治理模式。如控制沙漠化模式，小流域水土流失治理模式和改良土壤等模式。5. 区域整体规划的生态农业系统此类系统是在一定的地域内，运用生态规律将山、水、林、田、路进行全面规划，协调生产用地与庭院、房舍、草地、道路、林地等的比例及空间配置，把工、农、商联成一体，提高自然环境调节能力，从而取得较高的经济效益和生态效益。这类生态农业模式有：（1）以林为主，农、林、牧结合，农工商一体化模式；（2）以解决能源为主，带动配套产业发展模式；（3）以农田为中心，水、土、林、田综合治理模式；（4）以畜牧饲养为中心，带动农、林、工、商、运各业并举模式；（5）农、林、牧、副、渔、工全面规划模式；（6）全面规划，建设配套生态农业工程模式。 五、生态农业的几种实用技术1. 生态工程技术所谓生态工程技术，就是综合应用生物学、生态学、经济学、环境科学、农业科学、系统工程学的理论，运用生态系统的物种共生和物质循环再生等原理，结合系统工程方法所设计的多层次利用的工艺技术。主要包括以下几种：（1）农业的立体种植、养殖技术 即生物最佳空间组合的工程技术。在种植方面的立体种植，如乔灌草结合的山地立体种植技术、农作物间混套种、林粮作物间作等；在动物养殖方面，有鲢鱼、草鱼、鲤鱼、鲫鱼的多层养殖技术，鱼、鳖、虾、蛤多种搭配养殖技术。还有立体种植和养殖相结合的工程技术，如稻、萍、鱼的空间立体配置技术。（2）食物链结构的工程技术 按照食物链的结构在生态系统中建立物质的良性循环多级利用，废弃物在生产过程中得到再次或多次利用，使系统内形成一种稳定的物质良性循环。如在一些生态农场，鸡粪用于喂猪、猪粪用于喂鱼（或进沼气池），鱼塘泥（或发酵的废弃物）用于农作物的肥料，农作物的产品又是鸡、猪的饲料，如此形成良性循环。2. 能源开发技术（1）沼气的产生及利用技术 沼气的建设的推广对于农村能源建设、肥料供应、环境净化都具有重要意义。在生态农业建设中，沼气是系统能量转换、物质循环及有机废物综合利用的中心环节，是联系初级生产者、初级消费者和分解者的纽带。用沼气作生活燃料，其热效率比直接燃烧秸杆要大6倍。而且经发酵后的沼渣、沼液在种植业和养殖业方面有许多用途。据统计，我国农村目前有沼气池近700万个，多半是家庭式沼气池，病池很多，有效利用率不高，给进一步推广应用带来了一定的困难。（2）太阳能利用技术 太阳能的利用在我国农村已日益普遍，形式也多种多样。最常用的是太阳能灶、太阳能温室、塑料大棚、太阳能热水器等。在农业生产中，较多应用塑料大棚、太阳能温室进行早春育苗和蔬菜种植，利用塑料地膜覆盖，增加表土温度，促进作物的生长。3. 小流域综合管理技术（1）水土流失治理技术 水土流失治理技术主要有两类：一类是种植技术，即植树种草，利用多样性的乡土树种建造水源涵养林、护坡林、护堤林、护岸林等，在农村实行林粮间作、粮草间作。另一类是工程技术，主要是修建梯田，在梯田上植树或种植农作物。（2）小流域综合利用技术 根据小流域地形、水分、养分和交通条件的差异，合理安排不同的农业生产项目，达到既防治水土流失，又增加农业生产的目的。在福建省建瓯市芝城镇等地实行山顶造林种竹“戴帽”，涵养水源，山腰山坡种果种茶，山坑养鱼种稻，果园养鸡养猪。黄土高原不少地方实行“青草盖顶，林木封沟，果树缠腰，米粮铺底”的模式。4. 有害生物综合防治技术 所谓综合防治技术，就是根据病、虫、草危害作物的情况，综合地运用物理、化学、生物、农业等技术防除病、虫、草害。主要包括农业防治技术、生物防治技术、化学防治技术、物理防治技术。其中，生物防治技术主要是利用有害生物的天敌，对有害生物进行调节、控制乃至消灭。生物防治技术主要包括：利用昆虫天敌的技术，利用有益昆虫防治害虫和杂草，如利用赤眼蜂防治玉米螟等；利用微生物天敌的技术，主要是利用微生物的寄生作用，致死害虫和杂草，如利用真菌防治大豆寄生性杂草菟丝子等；利用脊椎动物作天敌的技术，如稻田养鱼、养鸭，在旱作物地养鸡。5. 农业废弃物资源化利用技术 农业废弃物主要是作物秸杆和动物粪便以及生物废杂物等，因农村能源紧张，大部分作物秸杆被作柴烧，使秸杆不能作饲料用或作肥料还田。只有通过农业废弃物资源化利用技术，才能解决农村的“燃料、饲料、肥料”的矛盾。在生态农业实践已运用的这些技术主要包括：利用牛粪、秸杆生产食用菌的技术；利用蔗渣、茶叶生产蚯蚓的技术；利用猪粪生产蝇蛆的技术；利用鸡粪猪粪生产饲料的技术；利用秸杆氨化技术；利用农业有机物制造沼气的技术等。这些技术在农业生态系统中的应用，增强了系统的能量和物质利用效率，有利于建立无废物的农业生产系统。6. 农业生产资料的生态化改造技术 农业生产资料主要有化肥、农药和地膜。因长期施用化肥、农药和地膜给农业生态环境带来了较为严重的影响。因此，减少农业化学用品的投入，寻找替代用品或开发新型农用化学用品成为农业技术生态化改造的重要方面。（1）控释肥料 化学肥料通过控释材料包膜以后即为控释肥料。控释肥料可以做到减少氮肥的淋溶流失、铵态氮挥发损失以及反硝化作用损失。在作物营养方面，控释肥料具有养分释放与作物生长需要接近同步的功能，一次施用能满足作物整个生长期不同的要求，损失小，不污染环境等优点。（2）新型农药 长期以来，病虫害的防治主要是依靠化学农药，由于大量使用化学农药已经引起了环境污染、食品安全和有害生物猖獗等严重问题。因此，新型农药品种必须具有高活性、高选择性、高安全性和高环境兼容性。植物性杀虫剂和生物农药的生产和应用将会减轻因化学农药施用带来的环境污染问题。（3）降解地膜 废地膜的残留所造成的“白色污染”，严重恶化了土壤的理化性质。降解膜的残膜能够在较短的时间内，在各种自然条件下自行分解。降解膜分为光降解膜、生物降解膜以及光和生物联合降解膜。降解膜的推广应用将会减少废弃地膜残留的污染问题。六、生态农业与农业环境保护我国的农业环境保护问题主要表现在两个方面。一是因不合理地开发利用农业自然资源而导致的大面积生态破坏问题，如砍伐森林、水土流失、沙漠化、盐渍化等；二是工农业废弃物和农业活动带来的环境污染问题，如城市垃圾和城市污水的污染，规模化禽畜养殖场废水污染，农药、化肥、地膜和农业径流污染等。根据十几年来我国生态农业建设的实践，我国的生态农业是实现生态与经济的良性循环，促进生态环境保护与自然资源永续利用的最佳手段。具体表现在如下几个方面：1.有利于提高绿色覆盖，解决农村能源问题，改善农村生态环境。我国的生态农业运用生态学原理及系统工程学方法组装生物措施与工程措施，对生态环境进行治理、立体种植开发，在增强农田系统生产力的同时，使农、林、牧等产业优化组合，构成资源增殖与开发同步的农林牧复合系统，改变对自然资源的掠夺式经营状况，增强生态适应性及农业生态系统的自我维持与自组能力，实现生态良性循环，增强生态系统的稳定性和持续性。大量资料表明，推行生态农业的试点，山区森林覆盖率达到35%以上，平原地区基本上都达到了国家颁布的平原绿色标准，生态环境得到明显的改善。其次，因开发和推广农村能源技术，除沼气被580万农户使用外，太阳能、风能、地热能的利用也形成规模，并且我国已有1.5亿农户使用省柴节煤炉灶。因此，既减少了能源浪费，又有利于改善农村生态环境。2.有利于资源高效利用，减少废弃物排放造成的环境污染，实现农业的清洁生产。我国的生态农业运用生态学食物链原理开发宏观与微观生产的物质良性循环、能量多级利用的再生资源高效利用技术，提高资源利用效率，实现物质流动的良性循环、增强可再生资源利用和环境容量的可持续性。我国生态农业中的大量立体养殖和食物链结构工程实例表明，采用立体养殖技术和食物链结构工程技术，综合利用生物能和废弃物，有利于提高资源的利用率、生物能的转换率和废弃物的再循环率，从而减轻了废弃物对环境造成的污染，实现农业的清洁生产。3.有利于生物多样性的保护和土壤肥力的提高，减轻因农药、化肥和农业径流所造成的农业自身污染。我国的生态农业利用生物相克关系，人为地对生物种群进行调节，在生态系统中增加有害生物的天敌种群，以降低害虫、害鸟、杂草、病菌的危害，从而也减少化学农药的施用量、减轻了因长期施用农药带来的环境污染和害虫抗药性问题，有利于生物多样性的提高。我国的生态农业采用秸杆还田、稻草覆盖和合理推广免耕技术等，改善了土壤理化性状，提高了表土层肥力，减少化肥投入，从而减轻了因化肥流失而引起的农业面源污染所造成的地面水体富营养化问题。第三节 生态学在环境保护中的应用随着世界人口的迅速增长，尤其是城市人口的集中，工农业高度发展和人类改造自然能力的增强，在自然资源的开发利用过程中，环境遭受了严重的污染，生态平衡受到了极大的破坏，以致于自然界提供的环境资源的质和量下降，反过来影响社会生产的发展和人类正常工作；从而促使人们重视生态学在人类环境保护中的作用。当前，生态平衡的规律已经成为指导人类生产实践的普通原则。要解决世界上面临的五大环境问题人口、粮食、资源、能源和环境保护，必须以生态学的理论为指导，并按生态学的规律办事。对环境问题的认识和处理，必须运用生态学的观点和理论来分析，否则就不能得到正确的结论和制定恰当的对策。环境质量的保持与改善以及生态平衡的恢复和重建，都依赖于人们对生态系统结构和功能的了解，进而把生态学原理应用在环境保护的工作中。一、在环境影响评价中的应用处于一定时空范围内的生态系统，都有其特定的能流和物流规律。只有顺从并利用这些自然规律来改造自然，人们才能持续地取得丰富而又合乎要求的资源来发展生产，而保持洁净、优美和宁静的生活环境。可惜的是，过去人类改造自然的活动往往只求获得某项成功，而不管是否违反生态学规律，以致造成了一系列不利于发展生产又影响到社会生活的恶果。人们总结过去的经验教训，深知必须利用生态系统的整体观念，充分考察各项活动对环境可能产生的影响，并决定对该活动应采取的对策，以防患于未然。下面引三峡工程生态环境影响为例，说明上述认识的重大意义。三峡工程正常蓄水位175m，讯期防洪限制水位145m，枯季消落最低水位155m，相应的总库容、防洪库容和兴利库容分别为393亿m3、221.5亿m3和165亿m3。工程建成后，防洪方面可将荆江河段的防洪标准由目前约10年一遇提高到100年一遇。发电方面，可安装单机容量70万kW的水轮发电机组26台，总装机容量1820万kW，年发电量847亿kW.h。此外，还具有航运、养殖、旅游等方面的效益。但也对自然环境产生如下影响：（1）水质。建库后库内流速变缓，复氧和稀释扩散能力降低，岸边污染加重，尤其是排污量较大的重庆市及万县市等江段岸边污染加重。建坝对氮、磷营养物质有一定的拦蓄作用，这将有利于提高水库水体的生产力。但部分支流、库湾可能出现富营养化。水库形成后，有利于航运发展，但船舶排放的生活污水及油类会对水体产生新的污染。水库运行若干年后可能出现取水口泥沙淤积，会对库区内城镇供水产生不利影响。（2）环境地质。建库后存在着水库诱发地震的可能性，但震级超过6级的可能性不大，而大坝已按7级设计。受库水浸泡、水位起落以及城镇迁建、移民安置活动的影响，可能触发某些不稳定体的崩塌、滑落，发生新的滑坡，对航行中的船只及两岸居民可能造成危害。（3）陆生动植物。建库后经济林受淹没影响明显。其中柑桔林受淹6266hm2，林地3200hm2。此外，移民安置及城镇迁建活动将使林木遭受潜在的破坏。以农田草灌为主的陆生脊椎动物的生存环境受到影响。鼠类危害增加，水禽数量因水面扩大而增加。（4）珍稀和特有物种。建库后，将使珍稀、特有鱼类生境恶化。下游河道冲刷后，部分白鱀豚栖息地将受影响；水库10月蓄水，下泄流量减少，对中华鲟繁殖不利。建库后库内流速变缓，底质和底栖生物发生变化，使上游特有鱼类适宜生境有所减少。（5）河口生态环境。建库后，10月份下泄流量减少，河口咸潮入侵距离和强度将有所增加，对沿江地下水淡化和土壤脱盐会带来不利影响，1-5月份水库下泄流量增加，可减轻河口咸潮入侵危害，对改善水质有利。通过三峡工程生态环境影响评价的例子还可以得到进一步的认识，即生态学的一个中心思想一整体和全