农业生态学国家课程(第五章)课件

第五章农业生态系统的物质生产力Chapter5Materialproductivityofagroecosystem

9/3/20231国家级精品资源共享课第五章8/3/20231国家级精品资源共享课一、生产力的概念二、农业生态系统的初级生产三、农业生态系统的次级生产四、初级生产与次级生产的相互关系五、提高农业生态系统生产力的途径9/3/20232国家级精品资源共享课一、生产力的概念二、农业生态系统的初级生产三、农业生态系统的（一）物质生产力的概念是指农业生态系统以产品形式的生产能力，是任何生态系统基本的数量特征，其大小标志着能量转化效率和物质循环效率的高低，是生态系统功能的具体体现。

有两种物质生产力：一是总物质生产量，指包括呼吸和消耗在内的同化总量；二是净物质生产量，指除去呼吸消耗后，以生物有机体组织或贮藏物质的形式体现出的生产量，如植物干物质生产量、产量，动物产品数量等。一、生产力的概念9/3/20233国家级精品资源共享课（一）物质生产力的概念一、生产力的概念8/3/20233国家（二）初级生产和次级生产1.初级生产(primaryproduction):指生态系统中自养者的生产，包括各种绿色植物、光合细菌等在内的同化太阳能并以有机物形式贮存起来的生产，又称第一性（次）生产。2.次级生产(secondaryproduction):指动物、微生物等异养者的生产，是利用初级生产产物进行物质和能量转化，表现出的生产力，是生态系统的第二性生产。9/3/20234国家级精品资源共享课（二）初级生产和次级生产1.初级生产(primaryproGlobalnetprimaryproductivityisapproximately120×109tonsdryweightperyearonland,and50×109tonsperyearinthesea.ThisproductivityisveryunevenlydistributedacrosstheEarth.Themostproductivesystemsarefoundamongstswampandmarshland,estuaries,reefsandcultivatedland.Productivitydecreasesmovingawayfromtheequator,indicationtheimportanceoftemperatureandradiation.Primaryproduction9/3/20235国家级精品资源共享课GlobalnetprimaryprodSomeoftheProducersintheEcosystem9/3/20236国家级精品资源共享课SomeoftheProducersintheESecondaryproductionSecondaryproductionisdefinedastherateofproductionofnewbiomassbyheterotrophicorganisms.Heterotrophsareorganisms,suchasanimalsandfungi,witharequirementforenergy-richorganicmolecules.Secondaryproductionbyheterotrophsisinevitablydependentonprimaryproductivity.Generally,ingrazersystems,thatpartofthetrophicstructureofacommunitywhichdependsontheconsumptionoflivingplantbiomass,secondaryproductivityisanorderofmagnitudelessthanprimaryproductionresultinginapyramidalstructure.9/3/20237国家级精品资源共享课SecondaryproductionSeconSomeoftheConsumersintheEcosystem9/3/20238国家级精品资源共享课SomeoftheConsumersintheE1.时间概念的速率表示法:指系统在单位时间、单位面积上初级生产者和次级生产者所生产的有机物质的量。2.输出/输入的表示方法:指系统产出的有机物与输入的物质或资源的比值，简称输出/输入效率，如肥水利用率、资金生产率等。

以上两种表示方法是相互补充的。如果只有速率高，可能是高消耗的高速率；如果只有效率高，则可能是低生产水平的高效率。（三）生产力的表示方法9/3/20239国家级精品资源共享课1.时间概念的速率表示法:指系统在单位时间、单位面积上初级生（四）初级生产量的测定方法

直接收获法二氧化碳同化法黑白瓶法同位素标记法叶绿素测定法原料消耗测定法9/3/202310国家级精品资源共享课（四）初级生产量的测定方法直接收获法8/3/202310国Communityproductivitycanberelatedtothestandingcropthatproducesitbycomparingtheratioofproductivity(P)tostandingcropbiomass(B).TheresultingP:Bratios(I.ekgproducedyear-1kg-1standingcrop)average0.042forforests,0.29forotherterrestrialsystems,and17.0foraquaticcommunities.AnalternativewayoflookingatP:Bratioswouldbetodefinebiomassintermsofweightoflivingtissue,whichwouldreducetheselargedifferencesbetweencommunities.However,accuratemeasurementoftheproportionofbiomassaliveisdifficult.Relationshipofproductivitytobiomass9/3/202311国家级精品资源共享课Communityproductivitycanbe地球上初级生产量和食物供应状况项目面积106km2净初级生产量g·m-2·a-1初级生产总量109T·a-1太阳能利用率%植物提供食物量1012千卡·a-1动物提供食物量1012千卡·a-1全球510320333162.61700.114200.061153.2陆地149720773107.31150.2542001094海洋36115315355.3550.050.0659.2Pianka（1974）和Lieth（1978）综合二、农业生态系统的初级生产（一）地球上的初级生产9/3/202312国家级精品资源共享课地球上初级生产量和食物供应状况项目面积净初级初级生产太阳能植（二）农业生态系统的初级生产1.最大理论生产力的估算太阳总辐射500cal·cm-2·d-1可见光（400~700nm）44.7%500×44.7%=222cal·cm-2·d-1总量子（每cal相当于8.64微埃，反射率6%~12%（8.3%），非活性吸收损失10%）222×8.64=4320微埃·cm-2·d-1反射—360微埃·cm-2·d-1非活性吸收损失—432微埃·cm-2·d-1有效吸收的量子总量3528微埃·cm-2·d-1产生的碳水化合物量（还原1微克分子CO2需10量子或微埃）353微克分子·cm-2·d-1呼吸损失1/3（33%）—116微克分子·cm-2·d-1碳水化合物净生产237微克分子·cm-2·d-1=2.37克分子·m-2·d-1=2.37×30克/克分子·m-2·d-1=71g·m-2·d-1碳水化合物是干重的92%，无机成分8%，则71×100/92=77gDW·m-2·d-1

9/3/202313国家级精品资源共享课（二）农业生态系统的初级生产太阳总辐射500cal·cm-22.不同国家的作物生产力4~31T·a-1·hm-24~9T·a-1·hm-2C4作物1.1~8.5g·m-2·d-1C3作物1.1~2.5g·m-2·d-1全国平均产量138~190T·a-1·hm-284~113T·a-1·hm-2C4作物38~52g·m-2·d-1C3作物23~31g·m-2·d-1实测最大值223T·a-1·hm-261g·m-2·d-1理论最大值理论最大值大于实测最大值大于平均值（1）美国（1976，华盛顿）9/3/202314国家级精品资源共享课2.不同国家的作物生产力4~31T·a-1·hm-2C4（2）中国

光能利用率的理论值5~6%，初级生产的最大值60~66g·m-2·d-1，作物高产记录的生育期平均生长率10~29g·m-2·d-1，光能利用率1~2.3%，不同作物差别较大。作物玉米高粱春小麦水稻甘薯冬小麦生长率g·m-2·d-127~302214~1612~1310光能利用率%1.9~2.31.21.41.71.1由于品种、水肥条件、管理技术限制，作物生育期间的平均生长率6~8g·m-2·d-1，光能利用率仅1%9/3/202315国家级精品资源共享课（2）中国作物玉米高粱春小麦水稻甘薯冬小麦生长率27（3）世界1975年，村田吉男汇总最高产量的作物生育期间的光能利用率CGR(g·m-2·d-1)，多年生牧草（新叙利亚草和紫狼尾草）26~28，C4作物（甘蔗、玉米、高粱）20，水稻、甜菜14，甘薯、大豆、大麦8，三叶草、鸭茅6。

甜菜光合效率仅30mgCO2.dm-2.h-1，但LAI4以上的天数达80d。玉米、水稻的光合效率40mgCO2.dm-2.h-1以上。CGR高的作物有两种类型，一是高光合性能的作物，二是较大叶面积持续时间长的作物。9/3/202316国家级精品资源共享课（3）世界8/3/202316国家级精品资源共享课3.提高农业生态系统初级生产力的途径⑴生物与环境相适应⑵协调系统中各组成部分之间关系⑶建立良好的群体结构⑷重视生物资源的开发利用⑸适量的辅助能投入9/3/202317国家级精品资源共享课3.提高农业生态系统初级生产力的途径8/3/202317国家三、农业生态系统的次级生产（一）定义次级生产是指初级生产的部分产品，经过异养生物的采食和同化，合成肉、奶、蛋、皮和毛等动物性产品。次级生产力（secondaryproductivity）：在单位时间内，各种异养生物直接或间接消费绿色植物，制造或形成产品的数量。9/3/202318国家级精品资源共享课三、农业生态系统的次级生产（一）定义次级生产力（second（二）次级生产在农业生态系统

中的作用和地位1.提供动力2.转化农副产品，提高利用价值3.提供蛋白质产品，改善人们的食物构成4.促进农业生态系统的物质循环，增强生态系统的机能5.提高经济效益9/3/202319国家级精品资源共享课（二）次级生产在农业生态系统

中的作用和地位1.提供全国动物产品的产量1999万吨肉类产量5949.0水产品4122.4猪牛羊肉4762.3海水产品2471.9奶类806.9淡水产品1650.5羊毛羊绒32.5禽蛋2134.79/3/202320国家级精品资源共享课全国动物产品的产量1999万吨肉类产量5949.01985年禽蛋、1990年肉类产量跃居世界第一位。1997年人均畜产品占有水平为：肉类41.9kg，超过世界平均水平；蛋17.3kg，超过发达国家平均水平。

2008年我国奶类人均消费量23kg。而世界乳品年人均消费乳品水平约为100kg。我国乳品消费的一个最大特点，是乳品消费主要集中在城镇居民，农村居民的乳品消费量非常少。在农村居民中，牧区和农区又有很大差异。牧区由于消费习惯的影响，人均消费量较高，而农区农民消费人均1kg。9/3/202321国家级精品资源共享课1985年禽蛋、1990年肉类产量跃居世界第一位。1（三）次级生产的能量转化效率

1.饲养家畜的能量转化效率高于自然生态系统2.不同畜禽种类和品种差别较大3.不同饲养方式能量转化效率不同4.不同的饲养配比能量转化效率不同5.科学饲养方法能量转化效率高9/3/202322国家级精品资源共享课（三）次级生产的能量转化效率1.饲养家畜的能量转化效率高于Bearscatchsalmoninriverandconsumetheminforest;onaverage,halfthecarcassisnoteaten.9/3/202323国家级精品资源共享课Bearscatchsalmoninrive（四）提高次级生产力的途径1.改善次级生产者的构成，使初级产品得到多次转化⑴发展食草动物⑵充分利用水面等非耕地，开发非耕地生产能力⑶充分利用腐生食物链进行物质生产⑷有效利用分解能2.协调饲养量和饲料量的关系，提高转化效率3.选择和生产优质饲料4.科学的饲养技术5.控制家畜的非生产性消耗9/3/202324国家级精品资源共享课（四）提高次级生产力的途径1.改善次级生产者的构成，使初级产秸秆利用方式与能量和N素利用率利用方式能量利用率%N素利用率%沼气30~4090~98燃烧5~100常规沤制—70~85

不同动物消化能力不同，应根据饲料种类安排畜禽种类。反刍动物瘤胃可容纳食物60~70%，在消化道可停留7~8d，使食物得到充分消化。小麦壳喂牛，消化率可达39%，喂猪仅10%。麦秸喂牛消化率42%，喂马19%，猪不消化。9/3/202325国家级精品资源共享课秸秆利用方式与能量和N素利用率利用方式能量利用率%N素利用率我国的畜牧业受制于粮食生产，精饲料与蛋白质饲料缺乏。1/4~1/5的粮食用作饲料（美国为80%）。植物生产中，粮棉油和绿肥中蛋白质/粮食占11.6%（美国为25.7%），其中粮食蛋白质/粮食占9.6%。饲料中蛋白质/精料为9.4%。我国主要牧区提供的肉类仅是四川省的1/5，是全国肉类总产的1/20。主要是牧区第一生产力低造成。我国33亿亩可利用草原，每亩草原年产干草仅33斤，全年干草仅5000万吨，不足全国主要农区秸秆产量的1/10。因此，全国的畜牧业重点在农区，而不是在牧区。9/3/202326国家级精品资源共享课我国的畜牧业受制于粮食生产，精饲料与蛋白质饲蝇蛆的引入饲料鸡鸡粪猪猪粪蝇蛆1.解决了鸡饲料中蛋白质不足的问题。干蛆中蛋白质含量59~93%，脂肪12.6%。2.减少了环境污染。鸡粪用半乳酸发酵，既脱臭又解决了猪的饲料9/3/202327国家级精品资源共享课蝇蛆的引入饲料鸡鸡粪猪猪粪蝇蛆1.解决了鸡饲料中蛋白质不足的蚯蚓的引入饲料家畜粪便脱臭蚯蚓蚯蚓是优质蛋白质饲料，农田中放养蚯蚓，使土壤疏松，蓄水保墒，促进土壤微生物活动使小麦玉米棉花增产11~18%，蔬菜增产35~50%。一亩蚯蚓可产鲜蚯蚓4000~5000kg，鲜蚯蚓粗蛋白含量15~17%，干蚯蚓含粗蛋白62~75%。9/3/202328国家级精品资源共享课蚯蚓的引入饲料家畜粪便脱臭蚯蚓蚯蚓是优质蛋白四、初级生产与次级生产的相互关系（一）次级生产对初级生产的依存关系（二）次级生产对初级生产的促进作用合理的次级生产可以促进初级生产（三）不合理放牧对草原初级生产的影响不合理放牧指草原载畜量超过或大大低于其承载量，对初级生产都会产生不良的影响9/3/202329国家级精品资源共享课四、初级生产与次级生产的（一）次级生产对初级生产的依存关系8五、提高农业生态系统生产力的途径

农业生态系统是个生态—经济—技术复合系统。农业生态系统生产力的形成是自然、经济和社会因素综合作用的结果，包括一系列相互联系、相互作用、相互制约的复杂因素。农业生态系统生产力的提高，实质上是对整个系统调节控制，以达到最优的目的，而不是某一级生产力单纯在数量上的增加，也不是系统内农业生物学产量的简单增加。它是根据投入与产出，在协调社会效益与生态效益的基础上谋求最佳的经济效益。9/3/202330国家级精品资源共享课五、提高农业生态系统农业生态系统是个生态—经济—技术1.自然资源条件

2.社会经济条件3.农业科学技术水平4.农业生态系统的结构（一）影响我国农业生态系统生产力的因素9/3/202331国家级精品资源共享课1.自然资源条件（一）影响我国农业生态系统生产力的因素8/增加辅助能投入可以改善农业生态系统的机能、提高初级生产力。提高辅助能利用效率是降低初级生产成本提高净生产力的关键之一。主要途径是适量投入、合理配比，谋求最佳经济生产力；注意工业辅助能投入的物质配比。避免工业辅助能对环境资源、土壤性状的破坏，是充分利用辅助能增加初级生产力的重要方面。（二）增加人工辅助能量、提高初级生产力9/3/202332国家级精品资源共享课增加辅助能投入可以改善农业生态系统的机能、提高初级生在现有农业生态系统中引进某些新物种，可以使整个系统的功能发生变化。1.引进新物种，增强系统功能（1）扩大生产，提高效益。（2）消除或防治污染。（3）增加系统稳定性。（三）引进新物种，开发生态位，实行多样化生产2.开发生态位，提高系统生产力9/3/202333国家级精品资源共享课在现有农业生态系统中引进某些新物种，可以使整（五）控制生态和经济平衡

生态平衡指在一定时间内，生物与环境、生物与生物之间相互适应所维持着的一种协调状态。经济平衡有四方面的内容：第一，生产周期内投入产出的平衡。第二，生产与社会需求的平衡。第三，经济均衡发展。第四，控制生产规模。

（四）因地制宜，发展次级生产9/3/202334国家级精品资源共享课（五）控制生态和经济平衡（四）因地制宜，发展次级生产8/综上所述，农业生态系统生产力的控制是一项复杂的系统工程，从生物产量到经济产量，从个别生产力到系统生产力，各项控制和调节措施紧密联系，互相制约。在农业生产过程中要综合分析，全面调控，才能实现农业生态系统生产力的最优化。9/3/202335国家级精品资源共享课综上所述，农业生态系统生产力的控制是一项复杂Agroecology:Thescienceofapplyingecologicalconceptsandprinciplestothedesignandmanagementofsustainableagroecosystems.Agroecosystem:Anagriculturalsystemunderstoodasanecosystem.Allelopathy:Aninterferenceinteractioninwhichaplantreleasesintotheenvironmentacompoundthatinhibitsorstimulatesthe