农业生态学国家精品课程课件(第二章)

1、2022-2-251第二章第二章 农业生态系统农业生态系统Chapter 2 Agroecosystem 2022-2-252 农业生态系统农业生态系统 是人类为满足社会需求，在一定是人类为满足社会需求，在一定边界内通过干预，利用生物与生物、边界内通过干预，利用生物与生物、生物与环境之间的能量和物质联系建生物与环境之间的能量和物质联系建立起来的功能整体。农业生态系统是立起来的功能整体。农业生态系统是一种被驯化了的生态系统，而生态系一种被驯化了的生态系统，而生态系统又是生物与非生物组分构成的一类统又是生物与非生物组分构成的一类特殊的系统。特殊的系统。2022-2-253一、系统一、系统(syst

2、em)1.系统的概念系统的概念 系统是由相互作用和相互依赖的若系统是由相互作用和相互依赖的若干组成部分结合而成的、具有特定功能干组成部分结合而成的、具有特定功能的有机整体。的有机整体。系统论：奥地利，系统论：奥地利，L.V.Bertalanffy，20世纪世纪30年代年代信息论：美国，信息论：美国，C.V.Shanon控制论：美国，控制论：美国，Nibert Wiener，19482022-2-254（1）有两个以上的组分有机结合而成）有两个以上的组分有机结合而成（2）各组分之间有一定联系，系统具）各组分之间有一定联系，系统具有边界有边界（3）各组分以整体形式完成特定功能）各组分以整体形式完成

3、特定功能2.系统组成的基本条件系统组成的基本条件2022-2-255（1）系统结构的有序性）系统结构的有序性 即各组分是有机结合而成。系统具有边即各组分是有机结合而成。系统具有边界和不同层次界和不同层次（2）系统的整体性）系统的整体性（3）系统功能的整合性）系统功能的整合性 系统具有其组分或子系统所没有的功能系统具有其组分或子系统所没有的功能 3.系统的基本特征系统的基本特征2022-2-2564.系统的结构决定系统的功能系统的结构决定系统的功能 凡系统必有结构，结构决定功能，凡系统必有结构，结构决定功能，要改变系统的功能必须改变结构。这是要改变系统的功能必须改变结构。这是系统论的基本观点。系

4、统论的基本观点。系统的结构：系统的结构：是指系统内各组分之间的是指系统内各组分之间的数量比例关系及其相互联系。数量比例关系及其相互联系。管理体制和运行机制管理体制和运行机制 结构？结构？2022-2-257二、生态系统二、生态系统(ecosystem)1.生态系统的定义生态系统的定义 生物与生物之间以及生物与其生存环境生物与生物之间以及生物与其生存环境之间密切联系、相互作用，通过物质交换、之间密切联系、相互作用，通过物质交换、能量转化和信息传递，成为占据一定空间具能量转化和信息传递，成为占据一定空间具有一定结构、执行一定功能的动态平衡整体，有一定结构、执行一定功能的动态平衡整体，称为生态系统。

5、简言之，称为生态系统。简言之，在一定空间内的全在一定空间内的全部生物与非生物环境相互作用形成的具有一部生物与非生物环境相互作用形成的具有一定功能的统一体称为生态系统定功能的统一体称为生态系统。 2022-2-2582022-2-259地生真菌地生真菌-鸡油菌鸡油菌西藏大型经济真菌西藏大型经济真菌2022-2-2510（1）环境组分）环境组分辐射。短波辐射、长波辐射（热辐射）、辐射。短波辐射、长波辐射（热辐射）、宇宙辐射、核辐射。宇宙辐射、核辐射。无机物质无机物质有机物质有机物质土体、水、空气土体、水、空气 2.生态系统的基本组分生态系统的基本组分 2022-2-2511生产者（生产者（prod

6、ucers）：是指自养生物，）：是指自养生物，主要指绿色植物，也包括一些化能合成主要指绿色植物，也包括一些化能合成细菌。细菌。消费者（消费者（consumers）：是指除了微生物）：是指除了微生物以外的异养生物，主要指依赖初级生产以外的异养生物，主要指依赖初级生产者为生的各种生物。者为生的各种生物。分解者（分解者（decomposers）：主要是指以动）：主要是指以动物残体为生的异养微生物。物残体为生的异养微生物。（2）生物组分）生物组分2022-2-2512绿色植物生产者2022-2-2513食肉动物食肉动物 食草动物食草动物植物：自养植物：自养2022-2-2515消费者消费者生产者生产者

7、分解者分解者生物群落生物群落能量流能量流化学流化学流气候气候物理环境物理环境生态系统生态系统2022-2-2516生态系统区别于一般系统的特点生态系统区别于一般系统的特点 生态系统也是系统，因此具有系统的共性。生态系统也是系统，因此具有系统的共性。生态系统还具有区别于一般系统的个性：生态系统还具有区别于一般系统的个性：（1）在组成成分方面，）在组成成分方面，不仅包括各种无生命的物理、不仅包括各种无生命的物理、化学成分还包括有生命的生物成分，生物群落是生化学成分还包括有生命的生物成分，生物群落是生态系统的核心。态系统的核心。（2）在空间结构方面，）在空间结构方面，生态系统大多与一定的地理生态系统

8、大多与一定的地理组成相联系，具有明显的地域特征组成相联系，具有明显的地域特征。2022-2-2517（3）在时间变化方面，）在时间变化方面，生态系统中的生物组分具生态系统中的生物组分具有生长、发育繁殖和衰亡的时间特征，使生态系统有生长、发育繁殖和衰亡的时间特征，使生态系统具有从简单到复杂，从低级到高级的演变发展规律。具有从简单到复杂，从低级到高级的演变发展规律。（4）在内部功能方面，）在内部功能方面，生态系统主要靠三大类群生态系统主要靠三大类群生物协调的能量转化和物质循环过程完成。这种联生物协调的能量转化和物质循环过程完成。这种联结使系统内生物之间、生物与环境之间处于一种动结使系统内生物之间、

9、生物与环境之间处于一种动态平衡关系。态平衡关系。（5）在外部关系方面，）在外部关系方面，生态系统具有开放性，通生态系统具有开放性，通过不断地从外界输入物质和能量，经过转化变为各过不断地从外界输入物质和能量，经过转化变为各种输出，从而维系着系统的有序状态。种输出，从而维系着系统的有序状态。 2022-2-25183.生态系统的结构生态系统的结构定义定义物种结构物种结构 species structure时空结构时空结构 space-time structure营养结构营养结构 trophic structure2022-2-25194.生态系统的功能生态系统的功能三大功能三大功能能量流动：能量流

10、动：energy flow物质循环物质循环: nutrient cycle信息传递信息传递: information transfer物理信息、化学信息、营养信息和行为信息物理信息、化学信息、营养信息和行为信息5.主要的生态系统类型主要的生态系统类型 地球上全部生物极其生活区域称生物圈地球上全部生物极其生活区域称生物圈biosphere 一般指大气圈到水圈约一般指大气圈到水圈约20 km的厚度范围。有各种的厚度范围。有各种各样的生态系统。各样的生态系统。（1）以环境为依据来划分）以环境为依据来划分 陆地生态系统陆地生态系统 terrestrial ecosystem 又可分为森林生态系统又可分

11、为森林生态系统forest ecosystem、草、草原生态系统原生态系统steppe ecosystem、农田生态系统、农田生态系统field ecosystem等以植被特征分类的各类型生态系统。等以植被特征分类的各类型生态系统。 2022-2-2522 淡水生态系统淡水生态系统freshwater ecosystem又可分为又可分为水体较稳定的湖泊生态系统、水库和鱼塘生态系水体较稳定的湖泊生态系统、水库和鱼塘生态系统以及水体常处于流动之中的溪流、江河生态系统以及水体常处于流动之中的溪流、江河生态系统。统。 海洋生态系统海洋生态系统marine ecosystem又可分为海又可分为海岸生态系

12、统岸生态系统coastal ecosystem、河口生态系统、河口生态系统、浅海（大陆架）生态系统浅海（大陆架）生态系统shallow sea ecosystem和和深海生态系统深海生态系统ocean ecosystem。水生生态系统水生生态系统陆地生态系统陆地生态系统2022-2-2524自然生态系统自然生态系统natural ecosystem 人工驯化生态系统人工驯化生态系统semi-natural ecosystem人工生态系统人工生态系统artificial ecosystem （2）根据人类干扰程度为依据划分）根据人类干扰程度为依据划分2022-2-2525The science

13、of agroecology, which is defined as the application of ecological concepts and principles to the design and management of sustainable agroecosystems, provides a framework to assess the complexity of agroecosystems. The idea of agroecology is to go beyond the use of and to develop agroecosystems with

14、 the minimal 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.2022-2-2

15、526GROWING YIELDS WITH AGROECOLOGY In an effort called “agroecology”, Clemson scientists are investigating new crop production systems that increase grower profitability, enhance environmental conservation, improve pest management strategies, and utilize new genetic and mechanical technologies. The

16、new cropping systems such as narrow-row planting, conservation tillage, deep tillage, and double-cropping have dramatically increased yields in soybean and corn. Now the researchers are studying the ecological and environmental benefits of these practices and examining their effects on soil and wate

17、r quality, insect pests and beneficial insects. They are also developing new varieties of crop plants that are specifically adapted to the new production systems to further improve yields2022-2-2527 Ecosystems are characterized by aspects such as nutrient cycling, population regulation, energy flows

18、 and a dynamic equilibrium. These characteristics apply to natural ecosystems, and, in a much altered form, also to man-made or agricultural ecosystems. The magnitude of the differences between natural and agricultural ecosystems depends mainly on the human manipulations, generally characterized by

19、the intensity of management or intervention, and the level of disturbance vis-vis the (natural) equilibrium. Both the intensity of management and the level of disturbance have to be considered as a result of social and economic pressures on the human actors in the agricultural ecosystem. This increa

20、sing intensity of management is clearly visible in technical innovations in agriculture, often invented under the economic pressure to become more efficient. The innovations often require a uniformity (in crops, in soil management) by which the agro-ecosystem moves further and further away from the

21、natural system.2022-2-2528AgroecosystemsAbout 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 h

22、unting-gathering is 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). 2022-2-2529三、农业生

23、态系统三、农业生态系统 1.农业生态系统的定义农业生态系统的定义 是指在人类的积极参与下，利用农是指在人类的积极参与下，利用农业生物种群和非生物环境之间以及农业业生物种群和非生物环境之间以及农业生物种群之间的相互关系，通过合理的生物种群之间的相互关系，通过合理的生态结构和高效的生态机能，进行能量生态结构和高效的生态机能，进行能量转化和物质循环，并按人类的理想要求转化和物质循环，并按人类的理想要求进行物质生产的综合体。进行物质生产的综合体。2022-2-25302022-2-25312022-2-25322022-2-25332022-2-25342022-2-25352022-2-25362.

24、农业生态系统的基本组分农业生态系统的基本组分 （1）农业生态系统的生物组分）农业生态系统的生物组分 农业生态系统的生物组分按功能区分为以绿农业生态系统的生物组分按功能区分为以绿色植物为主的生产者，以动物为主的大型消费者色植物为主的生产者，以动物为主的大型消费者和以微生物为主的小型消费者，而和以微生物为主的小型消费者，而占主要地位的占主要地位的生物是经过人工驯化的农业生物生物是经过人工驯化的农业生物如农作物、家畜、如农作物、家畜、家禽、家鱼、家蚕等家禽、家鱼、家蚕等, 以及与这些农用生物关系以及与这些农用生物关系密切的生物类群，如作物病虫、家畜寄生虫、豆密切的生物类群，如作物病虫、家畜寄生虫、豆

25、科植物的根瘤菌等。科植物的根瘤菌等。农业生态系统还增加了一个农业生态系统还增加了一个重要的大型消费者重要的大型消费者人人。其他生物种类和数量一其他生物种类和数量一般少于同区域的自然生态系统。般少于同区域的自然生态系统。 2022-2-2537（2）农业生态系统的环境组分）农业生态系统的环境组分 农业生态系统除了具有从自然生态系统农业生态系统除了具有从自然生态系统继承下来的继承下来的自然环境组分自然环境组分之外，还有之外，还有人工环人工环境组分境组分。无论是水体、土体、气体甚至辐射，。无论是水体、土体、气体甚至辐射，在农业生态系统中都或多或少受到人类不同在农业生态系统中都或多或少受到人类不同程度

26、的调节和影响。农业生态系统中的禽舍、程度的调节和影响。农业生态系统中的禽舍、温室、仓库、厂房、住房等生产、加工、贮温室、仓库、厂房、住房等生产、加工、贮存和生活设施都会成为系统内生物生活环境存和生活设施都会成为系统内生物生活环境的一个组成部分。设施中的环境与自然环境的一个组成部分。设施中的环境与自然环境相比，温、湿、光、养分等条件都受到较大相比，温、湿、光、养分等条件都受到较大的改变，而且有独特的特点。的改变，而且有独特的特点。 2022-2-25383.农业生态系统的结构农业生态系统的结构 组分结构：组分结构：component structure时空结构：时空结构：space struct

27、ure and temporal structure horizontal structure, vertical structure营养结构：营养结构：The organization of feeding energy-transfer relationship that determine the path of energy flow through a community or ecosystem.2022-2-2539蚕桑蔬菜间作蚕桑蔬菜间作 柑橘青椒间作柑橘青椒间作 柑橘花生间作柑橘花生间作 农林间作型农林间作型烟果间作烟果间作 2022-2-2540玉米玉米-薯类间作薯类间作

28、农作物高矮间作型农作物高矮间作型玉米花生间作玉米花生间作 2022-2-2541沟垄（畦）结构与立体种植沟垄（畦）结构与立体种植 茭白青菜间作茭白青菜间作 水稻玉米间作水稻玉米间作 2022-2-25424.农业生态系统的基本功能农业生态系统的基本功能 能量流能量流物质流物质流信息流信息流价值流价值流value flow2022-2-25435.农业生态系统的特点农业生态系统的特点(1)农业生态系统与自然生态系统农业生态系统与自然生态系统 的比较的比较 在农业生态系统中，由于人类的强烈参在农业生态系统中，由于人类的强烈参与，其结构组成已经发生了较大的变化，与，其结构组成已经发生了较大的变化，有

29、别于自然生态系统，二者在结构与功能有别于自然生态系统，二者在结构与功能上有差别。上有差别。2022-2-2544植物植物微生物微生物动物动物气体气体土体土体水体水体自然环境自然环境自然生态系统自然生态系统自然环境自然环境植物植物微生物微生物动物动物作为消费作为消费者的人者的人土体土体水体水体气体气体人工人工环境环境模式建设模式建设技术措施技术措施出入调节出入调节社会经济环境社会经济环境作为调控者的人作为调控者的人评价、诊断、决策、预测评价、诊断、决策、预测各种各种信信息息农业生态系统农业生态系统2022-2-2545特征特征农业生态系统农业生态系统自然生态系统自然生态系统净生产力净生产力高高中

30、等中等营养变化营养变化简单简单复杂复杂品种多样性品种多样性少少多多物种多样性物种多样性少少多多矿物质循环矿物质循环开放式开放式封闭式封闭式熵熵低低高高人人 为为 调调 控控明显需要明显需要不需要不需要时时 间间短短长长生境不均匀性生境不均匀性简单简单复杂复杂物物 候候同时发生同时发生季节性发生季节性发生成熟程度成熟程度未成熟（早期演替）未成熟（早期演替）成熟的成熟的2022-2-2546Comparison of Natural and AgroecosystemsGliessman, 1998Natural EcosystemsAgro-ecosystemsNet ProductivityM

31、ediumHighTrophic InteractionsComplexSimple, linearSpecies DiversityHighLowGenetic DiversityHighLowNutrient CyclesClosedOpenStability (resilience)HighLowHuman ControlIndependentDependentTemporal PermanenceLongShortHabitat HeterogeneityComplexSimple（2）农业生态系统的特点）农业生态系统的特点 农业生态系统是被人类驯化了的自然农业生态系统是被人类驯化了的

32、自然生态系统，因此，它既保留了自然生态生态系统，因此，它既保留了自然生态系统的一般特点，又具备很多人类改造、系统的一般特点，又具备很多人类改造、控制、调节、干扰甚至破坏所带来的新控制、调节、干扰甚至破坏所带来的新特点。新的特点主要表现在：特点。新的特点主要表现在： 2022-2-2548受人类控制受人类控制净生产力高净生产力高组成要素简化，自我稳定性较差组成要素简化，自我稳定性较差开放性系统开放性系统同时受自然与社会经济同时受自然与社会经济“双重双重”规规 律的制约律的制约有明显的区域性有明显的区域性2022-2-2549（3）农业生态系统养分循环特点）农业生态系统养分循环特点有较高的养分输出

33、率与输入率。有较高的养分输出率与输入率。内部养分的库存量较低，但流量大，内部养分的库存量较低，但流量大，周转快。周转快。养分保持能力较弱，流失率较高。养分保持能力较弱，流失率较高。养分供求同步机制较弱。养分供求同步机制较弱。2022-2-2550Problems with contemporary agroecosystems: PESTICIDES Pests tend to be r-selected species with rapid growth rates. They therefore tend to evolve resistance very quickly. Most im

34、portant insect pest species have evolved resistance to all major insecticides. The same has happened for weeds and herbicides. This leads to the pesticide treadmill. (resistance is not the same as immunity) Temporary solution: transfer genes from weeds to crops. This exacerbates the pesticide treadm

35、ill in the long run. 2022-2-2551Predatory animals are more k-selected, and cannot evolve resistance to pesticides quickly enough. Toxins accumulate at each level in the food chain, and thus have a large effect on predators. This is the reason for the decline of birds of prey. Pesticides are present

36、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. There is great promise in controlling pests by biological and cultural (physical) controls. The problem is that such controls are more

37、information-intensive. Agriculturalists must study the life histories of all beneficial and harmful species. Extension agents must know population biology and community ecology. 2022-2-2552FERTILIZERBecause of this, humans control more than half of all nitrogen fixation. Anthropogenic nitrogen fixat

38、ion 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 b

39、y N, P, and K causes higher yields, but when plants are removed, many cations (esp. Ca and Mg) are removed. This increases the acidity of the soil. 2022-2-2553SOIL EROSIONExposing bare soil to the elements and decreasing infiltration rates causes wind and water erosion. Conservation Reserve Programs

40、, low-till techniques, increasing organic matter, and planting of hedgerows have decreased this problem. MONOCULTURESPlanting crops in monocultures encourages pests, diseases, and crop failure. Polycultures allow complementarily, and are making a comeback.2022-2-2554GENETIC EROSIONThe genetic diversity of domestic animals and crop plants is becoming depleted. Genes for resistance to stress and disease are lost.ENERGETICSMost mechanized agriculture has more energy input than output.2022-2-2555Recommendations of The Science Advisory Board to the