农林复合的基本原理

1、农林复合原理与技术Agroforestry 西北农林科技大学资源环境学院王进鑫 李 明水土保持与荒漠化防治工程系环境生态农业 1第二章 基本原理(Fundamental)农林复合经营作为一种土地利用方式，其规划设计、结构配置和模式优化、可持续经营管理等实践过程同样也离不开科学的理论指导，这些理论涉及系统论、生态学、生理生态学、景观生态学、系统工程学以及经济学、农村社会学等相关学科和领域。系统论与系统工程学社会经济学原理生态学原理生态系统工程学原理2第一节 系统论原理(Systems theory)构成一个系统必须具备构成一个系统必须具备3 3个条件：个条件：具有组成系统的多种要素；要素之间相互

2、作用，形成一个有机的整体；组成要素的有机整体各具特定功能。系统的基本特性系统的基本特性：目的性目的性有序性有序性集合性集合性层次性层次性相关性相关性整体性整体性3生态系统学原理及其应用概念概念( (Definition) )：生态系统是指一定时间、某一空间内一定时间、某一空间内所有生物生物(包括动、植物和微生物)及其环境及其环境(包括光、热、水、土、气候、地貌等)，通过各组成要素间的物质循环物质循环和能量流动能量流动以及信息传递信息传递而形成的相互依存、相互制约、具有统一功能的综合体综合体。系统的基本特性系统的基本特性：组成成分方面组成成分方面动态平衡特性动态平衡特性开放性开放性结构特性结构特

3、性系统演替系统演替组分间相互作用组分间相互作用4生态系统的组成成分 无机物 有机化合物 气候因素 生产者 (producer) 消费者 (consumer) 分解者 (还原者)(decomposer)六大组成成分六大组成成分l生产者：自养生物，主生产者：自养生物，主要是各种绿色植物，也包要是各种绿色植物，也包括蓝绿藻和一些能进行光括蓝绿藻和一些能进行光合作用的细菌。合作用的细菌。l消费者：异养生物，主消费者：异养生物，主要指以其他生物为食的各要指以其他生物为食的各种动物。种动物。l分解者：异养生物，把分解者：异养生物，把复杂的有机物分解成简单复杂的有机物分解成简单无机物，包括细菌、真菌、无机物

4、，包括细菌、真菌、放线菌和动物等。放线菌和动物等。非生物成分非生物成分生物成分生物成分(生物群落生物群落) 三大功能群三大功能群5生态系统学原理及其应用概念概念( (Definition) )：生态系统是指一定时间、某一空间内一定时间、某一空间内所有生物生物(包括动、植物和微生物)及其环境及其环境(包括光、热、水、土、气候、地貌等)，通过各组成要素间的物质循环物质循环和能量流动能量流动以及信息传递信息传递而形成的相互依存、相互制约、具有统一功能的综合体综合体。系统的基本特性系统的基本特性：组成成分方面组成成分方面动态平衡特性动态平衡特性开放性开放性结构特性结构特性系统演替系统演替组分间相互作用

5、组分间相互作用6生态系统学原理及其应用I I 结构与功能原理结构与功能原理：结构决定功能，功能是系统结构的反映。nipWnii, 2 , 11101,2,3,niiWpinnipWnii, 3 , 2 , 101W代表整体功能，Pi为第i组分的功能，n为系统组分数目。乔灌结合的防护林系统7生态系统学原理及其应用II 生态位生态位(niche)原理原理概念概念Grinnell于1917指出生态位表示栖息地再划分的空间单位，定义其为是指物种的生物群落中的地位和作用。生态位（ecological niche)是指一个种群在生态系统中，在时间空间上所占据的位置及其与相关种群之间的功能关系与作用。Elt

6、on(1927) 关系Dice(1952) 空间8生态系统学原理及其应用II II 生态位原理生态位原理生态位的重叠与竞争生态位的重叠与竞争资源轴(group 1)资源轴(group 2)i 生态位完全重叠假设：假设：环境已充分饱和环境已充分饱和9生态系统学原理及其应用II II 生态位原理生态位原理生态位的重叠与竞争生态位的重叠与竞争资源轴(group 1)资源轴(group 2)i 生态位完全重叠ii 生态位包含假设：假设：环境已充分饱和环境已充分饱和10生态系统学原理及其应用II II 生态位原理生态位原理生态位的重叠与竞争生态位的重叠与竞争资源轴(group 1)资源轴(group 2

7、)i 生态位完全重叠ii 生态位包含iii 生态位部分重叠假设：假设：环境已充分饱和环境已充分饱和11生态系统学原理及其应用II II 生态位原理生态位原理生态位的重叠与竞争生态位的重叠与竞争资源轴(group 1)资源轴(group 2)i 生态位完全重叠ii 生态位包含iii 生态位部分重叠假设：假设：环境已充分饱和环境已充分饱和iv 生态位邻近v 生态位完全分开12生态系统学原理及其应用II II 生态位原理生态位原理生态位的重叠与竞争生态位的重叠与竞争i 生态位完全重叠ii 生态位包含iii 生态位部分重叠假设：假设：环境已充分饱和环境已充分饱和iv 生态位邻近v 生态位完全分开13生

8、态系统学原理及其应用II II 生态位原理生态位原理生态位测度生态位测度(measure)i 生态位宽度任何一个有机体单位对资源利用的多样化程度)1968,(112LevinspBnaiaiPia表示物种i利用资源a的比例；n为资源状态数aj 1PiainijNNii 生态位体积iii 生态位重叠iv 生态位距离14生态系统学原理及其应用II II 生态位原理生态位原理生态位测度生态位测度物种物种生态要素生态要素1abcdeA155131210B135820物种物种生态要素生态要素2qwxyA510155B1010512求： (1) A、B物种分别对于生态要素1和2的生态位宽度及归一化生态位宽

9、度(2) A、B物种的整体生态位宽度及归一化的整体生态位宽度(3) A、B物种分别对于生态要素1和2的生态位重叠度及整体重叠度)1968,(112LevinspBnaiaiajj 1PiainiNN15生态系统学原理及其应用II II 生态位原理生态位原理生态位格局生态位格局Shagar和Patten(1972)提出以生态位位置、生态位宽度及种群在最适生境的丰富度作为描述混合种群内各物种间相互关系的生态位格局16生态系统学原理及其应用II II 生态位原理生态位原理生态位格局（例）生态位格局（例）沈泽昊, 方精云. 2001. 基于种群分布地形格局的两种水青冈生态位比较研究. 植物生态学报,

10、25(4): 302-308.17生态系统学原理及其应用III III 食物链原理食物链原理大鱼吃小鱼，小鱼吃麻虾，麻虾吃泥巴i 加环ii 减耗iii 交换链18生态系统学原理及其应用IV IV 种间竞争与互补关系种间竞争与互补关系原理原理222221111121KNKNrdtdNKNKNrdtdNmmdx/dt=rx(1-p) 逻辑斯蒂增长模型(Logistic growth model)11222212111121KNNKNrdtdNKNNKNrdtdNmmrtaNNKLn)/ )(smnsnssnsnnsnsnKNNKNrttNN/ )()/()(1111111m111()/()()/m

11、nmnnnmnmmnsnmNNttr NKNNK19Ln(K-N)/N)=a-rt生态系统学原理及其应用IV IV 种间竞争与互补关系种间竞争与互补关系原理（例）原理（例）y = -0.8389x + 6.1715R2 = 0.936-4-20246802468101220生态系统学原理及其应用IV IV 种间竞争与互补关系种间竞争与互补关系原理（例）原理（例）双方受益型双方受益型单方受益型单方受益型双方受损型双方受损型损益互存型损益互存型Mead等(1980)提出利用土地当量值(LER)来表示的单位面积单作产量品种的单位面积间作间产量品种的单位面积单作产量品种的单位面积间作产量品种BBAAL

12、ER21生态系统学原理及其应用V V 种间他感作用种间他感作用原理原理种间作用方式：种间作用方式：物理机械作用、生物物理作用和生物化学作用渗透、挥发、淋洗萜类化合物和酚类化合物根、叶、果实为主生物化学关系又称为他感作用他感作用，是指供体植物通过分泌生化活性物质对受体植物产生毒害作用或促进作用。22生态系统学原理及其应用V V 种间他感作用种间他感作用原理（例）原理（例）23生态系统学原理及其应用V V 种间他感作用种间他感作用原理（例）原理（例）原料介质对象指标结果出处刺槐根水茅草根茎生根、发芽抑制王九龄 1986泡桐根、苹果根、杨树根和桃树根水小麦种子萌发抑制，桃根杨树根苹果树根泡桐根祝心如

13、等 1997橡胶叶片水茶树种子萌发，幼苗生长低浓度促进，高浓度抑制曹潘荣等 1997芒萁植株水马尾松、猪屎豆、天兰苜蓿、紫花苜蓿等萌发对马尾松促进，其他抑制叶居新等 1987他感作用随受体植物种类和生长发育阶段也有所变化Luo S. 2013. Allelopathy in South China Agroecosystems. Allelopathy. 145-157.我国在这方面的研究尚处于起步阶段，有待进一步拓宽和深入。24生态系统学原理及其应用VI VI 边缘效应原理边缘效应原理Beeher(1942)在鸟类研究中发现，在群落交错地带鸟的数量比邻近群落的多一是边缘效应带的群落结构复杂二

14、是边缘效应使边缘地带常具有较高的生产力三是边缘效应以强烈竞争开始，以和谐的共生结束两个或多个不同生物地理群落交界处的复杂结构，不同生境的各类共生种群密度变化较大、某些物种特别活跃、生产力亦相应较高的现象称为边缘效应。25生态系统学原理及其应用VI VI 边缘效应原理边缘效应原理i 加成效应ii 协合效应iii 富集效应生态位扩宽新有机整体的协同作用向边缘区域移动26生态系统学原理及其应用VI VI 边缘效应原理（例）边缘效应原理（例）在混交林中，不同混交树种其混交边缘行林木生长量有的高于纯林，有的低于纯林。可见，树种间关系是否适应决定着边缘效应的正负效应。东北地区东部山坡地，选择红松、落叶松、

15、云杉、水曲柳等树种进行带状混交，形成较大的边缘地带，实践证明，不仅森林病虫害明显减少，而且获得了较高产量，实现了长短结合。黑龙江省宝清县兴国村的稻苇鱼鹅貂生物循环系统。27生态系统学原理及其应用VII VII 生物多样性与稳定性原理生物多样性与稳定性原理生物多样性是指在一定时间和一定地区所有生物（动物、植物、微生物）物种及其遗传变异和生态系统的复杂性总称。它包括基因多样性、物种多样性和生态系统多样性三个层次。森林生态系统森林生态系统草地生态系统草地生态系统农田生态系统农田生态系统荒漠生态系统荒漠生态系统恢复力稳定性抵抗力稳定性28生态系统学原理及其应用VII VII 生物多样性与稳定性原理生物

16、多样性与稳定性原理（例）（例）东北地区野生人参濒临绝迹，但通过林参复合系统进行人参的人工栽培，有助于保存人参的基因，因而为维护生物多样性作出贡献。29生态系统学原理及其应用VIII VIII 生态场理论生态场理论物理学中的场是指力的作用空间和范围生态干涉力的作用空间范围即为生态场生态干涉力是生物内部、生物与环境之间相互作用存在的内在原因应用种植密度影响植物种群密度的因素主要有： 种群的结构和繁殖特性； 光、温度、水分、大气、土壤等物理环境因子； 种内和种间因素。30生态系统学原理及其应用VIII VIII 生态场理论（例）生态场理论（例）合理密植可以使植株充分利用光、水、肥等资源，是提高玉米产

17、量的重要环节。种得太稀难以高产、高效；种得太密易造成的空秆、秃尖，遇到不良环境条件还会出现倒伏、病害重等情况，同样会造成减产。那么，究竟该怎样确定玉米的合理种植密度呢？一般情况下，平展型玉米平展型玉米品种单株生产能力强，但不耐密植，适宜种植密度为每667平方米30003500株；耐密型玉米耐密型玉米品种主要靠群体优势发挥增产潜力，适宜种植密度为每667平方米40005000株；半紧凑型半紧凑型玉米品种的单株生产能力和耐密性介于平展型和紧凑型之间，适宜种植密度为每667平方米35004000株。31生态系统学原理及其应用VIII VIII 生态场理论（例）生态场理论（例）树种密度(株/亩)株行距

18、(m)杉木74-16733231.4422柳杉74-167332322水杉64-11033.51.5423池杉18-1103.510.5463.53.53433231.541.526（宽窄行）落羽杉56-110341.5423红松159-2571.52.81.521.32（林-参间作）32生态系统学原理及其应用IX IX 物质循环和能量流动原理物质循环和能量流动原理生态系统中的流与库生态系统中的能量和物质通过食物链形式的转移运动状态称为流。系统内的能量和物质在运动过程中被吸收后，暂时被固定、贮存的场所称作“库”。33生态系统学原理及其应用IX IX 物质循环和能量流动原理物质循环和能量流动原理

19、A气相型B沉积型C、N、OP、S、I、Ca、K、Na、微量元素必需元素C、H、O、N、P大量元素Ca、Mg、K、Na、S微量元素Cu、Zn、B、Mn、Co、Fe、Al、F、I、Si34生态系统学原理及其应用IX IX 物质循环和能量流动原理物质循环和能量流动原理周转率：某一个组分(库)中的物质在单位时间内所流出的量(FO)或流入的量(Fi)占库存总量(s)的比值。周转时间循环效率：循环物质(FC)占总输入物质(Fi)的比例周转率=(周转量/库存总量)/时间周转时间=1/周转率35生态系统学原理及其应用IX IX 物质循环和能量流动原理物质循环和能量流动原理农林复合系统相比自然生态系统开放新多样

20、性人工干预性复合农林业系统复合农林业系统正是具有物质循环的多样性、开放性和人工干预性等特点，使得比单一的经营能更有效地进行物质的多层次多途径利用多层次多途径利用，这样，不仅能提高资源的利用率提高资源的利用率，改善环境改善环境质量，而且能获得良好的经济效益获得良好的经济效益。例如：林一菇复合系统采取措施加快微生物的分解过程，加快了营养物质的循环过程，提高了物质循环效率。36生态系统学原理及其应用IX IX 物质循环和能量流动原理（例）物质循环和能量流动原理（例）37生态系统学原理及其应用IX IX 物质循环和能量流动原理物质循环和能量流动原理热力学第二定律热力学第一定律38生态系统工程原理按系统工程的原理和方法，调整调整生态系统组成成分的空间位置、时间顺序、数量比例，进行仿