农业生态学：6农业生态系统的结构与调控-2

二、食物链加环与营养结构设计食物链加环生产环增益环减耗环复合环加工环在原有的食物链中加入一个或几个新的环节，能够将非经济产品转化为经济产品。它又可分为一般生产环和高效生产这种食物链环节，本身转化产品并不能直接为人类需求，而是加大了生产环的效通过引入一个新的环节或增加一个已有的环节，从而减少生产耗损，增加系统生具有两种以上功能的食物链环节。复合环的加入把几个食物链串联在一起，增加系统产出。将农副产品加工成半成品或成品出售，或在此基础上进行二次或三次利用，或农-食物链加环实例种食用菌农作物生产农作物生产人类食用粪便蚯蚓、蝇蛆蜜蜂天敌牛、马、猪、羊、鸡、鹅秸秆、秕糠、饼粕、牛、马、猪、羊、鸡、鹅菜叶、粮食等加工图加工图加工奶加工皮毛制品爱等市场、销售、贸易2.食物链加环的作用1)提高农业生态系统的稳定性2)提高农副产品的利用率20%~30%被人类直接食用20%~30%被人类直接食用农作物70%~80%为副产品3)提高能力利用率和转化率绿肥绿肥只利用物质，而能量浪费肉牛饲料——能量利用率8%猪饲料——能量利用率20%乳牛饲料——能量利用率65%苜蓿3.设计食物链、网结构的原则蛋、肉饲料鸡粪猪鸡猪猪粪蛋白饲料蝇蛆剩余鸡粪鸡、猪粪便再利用示意图肉剩余猪粪农田HONGAGRICULTURALUNVER虫草粪便系虫草粪便系统边界沼气果实梅县地区的牧—沼—果模式简图系统边界鸡粪饲料饲料粪便便杂草等化肥沼气池果园沼气池沼液等辛中制辛中制秸秆还田多级利用示意图子实体秸杆蘑菇菌渣秸杆蘑菇菌渣作肥料饲料废料饲料灵芝沼渣沼气粪喂鸡子实体能源子实体能源率中发案大学一、生物多样性的概念和内涵二、生物多样性的价值及其评估三、生物多样性丧失的原因四、生物多样性的测度基因多样性一、生物多样性的概念和内涵样化和变异性，即各层次生命体系的复杂性。包括遗传多样性、物种多样性、生态系统多样性及景观多样性。羊中常章大学羊中常章大学景观多样性文化多样性一种免种群的遗传多样性横贫于整个区域景观的群落及生态系统多样性·广义遗传多样性是地球上所有生物携带的各种遗传信息的总和。·狭义的遗传多样性主要是指生物种内基因的变化，包括种内显著不同的种群之间以及同一种群内的遗传变异。生命进化和物种分化的基础。遗传多样性的来源：·是指地球上动物、植物、微生物等生物种类的丰富程度。包括区域物种多样性及群落物种多样性两个方面。区域物种多样性的测量有以下三个指标：①物种总数，即特定区域内所拥有的特定类群的物种②物种密度，指单位面积内的特定类群的物种数目；③特有种比例，指在一定区域内某个特定类群特有种占该地区物种总数的比例。真核生物原核生物动物真核生物原核生物物种多样性类群已描述的物种数目(万种)估计可能存在的物种数目(万种)病毒细菌真菌原生动物4藻类4高等植物昆虫鱼类两栖类爬行类鸟类哺乳类裸子植物(758种)海南油杉百山祖冷杉元宝山冷杉海南油杉百山祖冷杉被子植物(25万)珙桐八角莲荷叶铁线蕨珙桐八角莲辛中案章大学GAGRICULTURALUNVERST哺乳类(4000种)蒙古野驴梅花鹿赛加羚羊盘羊辛中案章大学鸟类(9500种)2002年我国生物多样性状况鱼类3862种自然保护区1757个总面积13295万公顷占国土面积13.2%·生态系统的多样性主要是指生态系统类型的多样性和各种生态过程的多样性。·生态系统多样性是指生物圈内生境、生物群落和生态过程的多样化以及生态系统内生境差异、生态过程变化的多样性。半中常章大学热带雨林湿地生态系统荒漠生态系统荒漠生态系统平原丘陵山区二、生物多样性的价值及其评估直接价值：生产及经济价值间接价值：生态系统服务生态平衡遗传及资源库存在价值教育价值科学研究美学价值UAZHONGAGRICULTURALUNVERST生物多样性的价值及作用间接价值选择价值直接价值间接价值选择价值实物价值食物药物能源工业原料非实物价值旅游文化科研畜力使用生态价值有机质生产调节气候释放O₂污染物降解潜在价值选择使用保留使用存在价值半中常章大学资源及基因库保护生物资源，可以为人类引种驯化野生动植物，培育农作物、家禽、家畜的新品种提供更多的可供选择的机会。学院国家作物种质库羊中常章大学国家作物种质库内的种子存在价值·一些物种的存在，能为所在地区的人民带来某种荣誉感或心理上的满足。·例如：大熊猫、金丝猴、褐马鸡、黑颈鹤、白冠长尾雉等。蓄幕蓄国鸟：美国：白头海雕蓄幕幕幕幕幕印度：蓝孔雀草莓草葛葛葛荷兰：白琵鹭科学价值及潜在价值蓄矗大多数的生物在科学上都有重要的研究价值。目前，生命科学的实验材料主要是各种类型的生物。靠矗一些物种在生物演化中占有十分重要的地位。例如：1938年在科摩罗群岛海域所发现的矛尾鱼靠蓄目前人类所记录到的生物物种170万种。还有大量的物种没有被定名。很多物种的功能特性还没有被人们所了解，他们都具有潜在价值海豚教育价值学生们在海南岛热带植物园观察学习学生们在自然博物馆参观HONGAGRICULTURALUNVERSTHUnZHOWGAGRICULTURALUIVERSITY美学价值 中国1空气调节调节大气化学成分2气候调节调节气温、降雨以及其他生物学3应对环境波动的生态系统的容量、4水调节调节水文5提供水6防止水土流失和泥沙淤积7土壤形成8营养循环营养的存储、循环、作用和获取9营养流动的恢复，过量及异质营植物配子转移生物控制种群营养结构动态的调节为定居或迁徙的种群提供栖息地食品部分初级产物可以成为食品原材料部分初级产物可以作为生产的原娱乐为娱乐休闲活动提供资源文化为非商业用途提供机会年五月二十日北京涵养水源4.06万亿元保育土壤0.99万亿元固碳释氧1.56万亿元积累营养物质0.21万亿元净化大气0.79万亿元生物多样性保护2.40万亿元中国森林生态系统生态服务总价值为每年10万亿元，相当于目前我国GDP总量30万亿元的三分之一二、生物多样性丧失的原因地球上生物产生30多亿年以来，由于自然原因出现过五次生物多样性危机，其中最高峰出现在人类产生的新生代后期。由于人口激增、土地盲目开垦、工业化和城市化对生态破坏，引起生物多样性以空前速度消失。据科学测算，目前物种多样性的衰退比自然界本身的速度快了大约1000～10000倍。世界在最近300年中，大约减少了一半的森林面积。北美洲200年前150万km²的大草原现在只剩下不到1%。在澳大利亚和北美洲，体重超过44kg的大型动物已有74%～56%因人类狩猎而灭绝了。AZNONGAGHCULTURALUNV我国生物多样性濒危现状我国目前有398种脊椎动物濒危，约占我国脊椎动物总数危或临近濒危的植物占全国总数的15%～20%。我国原有的犀牛、糜鹿、高鼻羚羊、白臀叶猴、崖柏、雁荡润楠、喜雨草等已经灭绝。濒危的物种有朱鹘、东北虎、华南虎、云豹、大熊猫、叶猴类、多种长臂猴、儒艮、坡鹿、白暨豚、无喙兰、海南苏铁、姜状三七、人参、天麻、草苁蓉、肉苁蓉、婴粟及牡丹等。过去较多的物种，如白鲟、江豚、白暨豚变为稀有、濒危动物；鲟鱼、银鱼已十分稀少；海中对虾、海蟹、带鱼、大小黄鱼也在大量减少。云南景洪县1964年发现两种野生稻24处，至20世纪80年代末只剩下1处。中国主要生物类群濒危物种数目类群物种总数濒危物种数濒危物种比率(%)脊椎动物7小计高等植物人口与消费增加城市化和公路建设国际贸易城市化和公路建设国际贸易农业伐木搬运业渔业燃料使用入侵种疾病过度开发入侵种疾病过度开发退化(包括污染)气候变化生物多样性丧失生态来原退化每种原因的百分率(%)丧失生境过度开发引进物种灭绝哺乳动物11鸟02猛禽500鱼404趋于灭绝哺乳动物68鸟11猛禽36两栖动物3鱼2◆对生物多样性下降最大的威胁是生境的丧失。“生境丧失”包括生境彻底破坏、与污染有关的生◆保护生物多样性最关键的手段是保护生境。包括森林、草原等植被的保护、湿地的恢复与保护等。HONGAGRICULTURALUNVERST1.生境破坏和片段化◆许多国家尤其是人口稠密的岛屿，绝大多数的原始生境都已经被毁。61个热带国家中已有49个国家50%以上的野生动◆在亚洲热带国家中，有65%的野生生物生境已不再存在。其中孟加拉国达94%、香港97%、斯里兰卡83%、越南和印◆在欧洲，仅有15%的土地面积未曾受过人类活动的干扰。在美国，天然植被仅占42%,其中部和东部地区则保留了不到25%。自从欧洲移民定居以来，美国的某些生物群落面积起经衰落事98%以上。受到威胁的热带雨林◆热带湿润森林仅占地球面积的7%,但其拥有的物种数量占全球物种的50%以上。◆全球原有热带雨林的面积在1600万km²左右。◆热带雨林目前以每年近15万km2的速度递减，相当于美国一个田纳西州或整个危地马拉。其中，几乎一半的面积完全受到破坏。半中常章大学HONGAGRICULTURAL(A)遥感卫片所显示的目前热带雨林的分布范围(绿色区域)。这些雨林曾经覆盖中美洲、南美洲、非洲和亚洲等更为广泛的近赤道地区。(B)位于亚马逊盆地遥感图片显示了15年间雨林不断遭受吞食的过程。沿政府修建的东西向公路网(粉线)两侧，森林(绿色)已被大片牧场和小范围的家庭农场开垦成农田。深色粉的“斑点”很可能是最近的火烧区域。Ariquemes城镇位于右湖北“千湖之省”已名存实亡·湖北省的江汉湖群正在迅速消失，1959年至围垦终止的1977年，在正常水位时的总面积由原来的4707.5km2下降到2656.6km2,减少了43.3%,面积0.5km2以上的湖泊由原来的609个下降为309羊中常章大学·生境片段化(habitatfragmentation):是指原来连续成片的生境，由于人类建设活动的破坏和干扰,被分割、破碎，形成分散、孤立的岛状生境或生境碎片总生境面积降低；剩余地区重新分布为非连续碎片。前者直接影响生物种群的大小和灭绝率；而后者主要影响生物种公元400年，罗马人在英格兰沃里克郡森林景观中建立城镇，并修建公路。几个世纪以来森林景观(绿色)受到田间小路、公路、农业和人口居住地分割而片段化，面积减少。直到1960年，仅有少量的森林片段举中震第大学HUAZHONGAGHCULTURALUNI生境片段化的后果：面积效应和边缘效应mmm(A)这是没有遭到破碎化的、面积为1km²保护区。假设边缘效应(阴影区)纵深保护区100m,将近64ha的面积可用作筑巢鸟类的内部生境。(B)保护区被一条公路和一条铁路对分后，尽管它们没有占据多少实际面积，但延伸出来的边缘效应几乎使一半的鸟巢生境遭到破坏。生境片段化的后果◆进一步导致片断中物理、化学和生物学因素的一系列变化。●植物群落空间结构、种类组成、物种多样性、动态，植物功能群结构、种群更新格局和生殖生态等的变化，物种局域灭●竞争、捕食者-被捕食者和寄生等种间关系，避难鸟类的拥挤●养分循环变化：因土壤热量增加及由其引起的土壤微生物和无脊椎动物数量和活性、凋落物分解、土壤湿度等改变。半中常章大学半中常章大学风扰动增大树木死亡率上升风扰动增大树木死亡率上升改变凋落叶分解者的物种组成改变凋落叶分解者丰富度和多样性改变最大叶密度出现的高度降低冠层高度加快适应于干扰生境树木的更新降低土壤温度降低冠层叶密度大气温度升高降低林下鸟类的丰富度降低相对湿度林下叶密度升高降低土壤温度含量降低真菌子实体密度新生层林冠层林下层落木层地表(土壤凋落吐)边缘效应渗透距离/minteriorhabitatand举中震章大学连接被公路分割生境的生态通道一路下2.生物资源过度开发利用森林的过量开采，渔业资源的过度捕捞，草地过度放牧和垦殖，野生经济动植物的乱捕滥采等开发行为严重肋着生物多样性。在濒临灭绝的脊椎动物中，许多野生动物因被作为“皮可穿、毛可用、肉可食、器官可入药”的开发利用对象而遭灭顶之灾。如象牙、犀牛角、虎皮、熊胆、鸟的羽毛、海龟的蛋、海豹的油、藏羚的绒.....无不成为人类待价而沽的商品。HONGAGRICULTURALUNVERST如今藏羚羊总数仅存不足5万头，而且每年的数量仍在减少。反盗猎行动仅仅停留在收缴皮张的水平上无法解决藏羚羊仍被猎杀的现实问题。3.环境污染的影响环境污染对生物多样性有巨大的破坏作用。●二氧化硫污染使对其敏感的地衣从许多城市和近郊森林中减少或消失；●酸雨和酸沉降使等水体和土壤酸化，危害农作物、鱼类和无脊椎动物的生存；●农药的污染对小型食肉动物、鸟类、两栖动物等造成了巨大的危害；●人类排放CFC物质引起的臭氧层浓度的减少，使紫外线强度过量增加，抑制了浮游植物的光合作用，从而影响了浮游动物、鱼类、虾和藻类的数量，并因食物链的作用，将使整个生态系统受到严重损害。单中发章大学HONGAGRICULTURALUNVERST4.外来生物入侵的危害◆研究证明，生物入侵是仅次于生境丧失的导致全球生物样性丧失、物种濒危和灭绝的第二大原因。◆据美国、印度、南非向联合国提交的报告，这3个国家每年由生物入侵造成的直接经济损失分别高达1500亿美元、1300亿美元和800多亿美元，这还不包括外来生物引起人们的伤害和死亡、本地生物物种灭以及环境景观美学价值丧◆中国由于生物入侵所导致的直接经济损失每年高达574亿元人民币。目前，全国34个省市自治区，除极少数位于青藏高原的保护区外，几乎都能找到外来物种。基因多样性染色体多态性蛋白质多态性分子生物学技术，物种多样性生态系统多样性景观多样性B多样性指数y多样性指数物种、群落或生态系统水平上生物多样性的测定◆R.H.Whittaker总结出3种类型的生物多样性：α-多样性：群落内(或生境内)生物多样性；β-多样性：群落间(或生境间)生物多样性；γ-地理区域的生物多样性用于测量群落内生物种类数量及生物种类间相对多度的一种测量。包括物种丰富度指数、物种均匀度指数和物种相对多度分布。物种丰富度指数(D):是对一个群落中所有实际物种数目的测量。S----物种数目N----所有物种个体数之总和。物种丰富度指数的不足之处是没有考虑物种在群落中分布的均匀性,此方法统计出的物种数目不能完全反应群落中的生物多样性，且会随着取样面积的变化而变化。Shannon-Wiener指数(H):香农-维纳指数n;—第i个种的个体数目；N—群落中所有种的个体总数。P₁=n;/N,表明第i个种的相对多度。Shannon-Wiener指数(H)公式表明，群落中生物种类增多代表了群落复杂程度的增高，即H值愈大，群落所含的信息量式中：S为物种数目；P;=n;/N,表明第i个种的相对多度。Simpson多样性指数中稀有物种所起的作用较小，而普遍物种所起的作用较大。这种方法估计出的群落物种多样性需要较多的样本UAZHONGAGRICULTURALUNV例如，甲群落中A、B两个种的个体数分别为99和1,多样性指数计算，HONGAGRICULTURALUNVERST五、农业生物多样性幸中震業大学UAZHONGAGRICULTURALUNVERST农业生态系统生物多样性五、农业生物多样性幸中震業大学UAZHONGAGRICULTURALUNVERST农业生态系统生物多样性草食者组分蚯蚓组分讨论：农业生物多样性对农业持续发展的意义?如何保持农业生物多样性?AGULTURALUNV一、农业生态系统的调控模式二、农业生态系统的自然调控机制三、农业生态系统的人工调控羊中常章大学一、农业生态系统的调控模式·非中心式调控(自然调控):没有固定的信息通道、没有信心处理和传输中心的分散信息网，尽管没有明确的系统预定目标、但是仍被调控的协调、和谐、有效。·人工中心式调控：有信息专用通道、信息集中处理、控制指令根据目标和实际的差距制定和举中震章大学农业生态系统的调控机制：非中心式+中心式实际情况的反馈二、农业生态系统的自然调控机制UAZHONGAGRICULTURALUNVERST兵蚁若蚁繁殖蚁幼蚁蚁王幼蚁蚊后卵彩图40乳白蚁的生活史旱生原生演替-程序调控EQ\*jc3\*hps24\o\al(\s\up0(e),n)EQ\*jc3\*hps24\o\al(\s\up6(ba),wpehri)EQ\*jc3\*hps24\o\al(\s\up6(l),t)EQ\*jc3\*hps24\o\al(\s\up0(h),r)EQ\*jc3\*hps24\o\al(\s\up0(e),n)限事大学阶段阶段如生物的向阳性、趋水肥性等，生物能根据外界环境的变化自主调节自己的生长发育、捕食、迁徙等行为。体现了生态系统调控的即时性、灵活羊中常章大学结构最优增强功能辛中案章大学>自然生态系统组织层次的垂直、水平分离特性而形成的层次结构的多样化和复杂性有利于系统的稳定>自然生态系统结构上组分的冗余现象有利于系统的稳定>自然生态系统中种群、群落、系统水平上普遍存在着反馈调节，对系统的稳定起着重要作用>系统水平上，复杂的种间关系、生态位的分化、严格的食物链量比关系等形成的自组织机制有利于系统的稳定。在个体、种群、群落和生态系统各个层次上主要有系统的功能组分冗余和正负反馈作用。(1)功能组分冗余功能组分冗余(多元重复补偿):指在生态系统中，有一个以上的组分具有完全相同或相近的功能，或者说在系统中处在相同或相近生态位上的多个组成成分，在外来干扰使其中一个或两个组分可以在功能上给予补偿，从而相对地保持系统的输出稳定不变。冗余现象存在于生态系统的各个层次上·生长冗余：生物有机体在生长发育过程中形成的除自身正常生命活动所需之外的多余和额外部分，它分被称为生长冗余。如根、叶、分蘖、产卵等。·基因冗余：两个或更多的基因执行相同功能，这些基因被认为是冗余基因。冗余现象存在于生态系统的各个层次上·物种冗余：指生态系统中某些物种在生态功能上有一定程度的重叠，当它们缺失时，不会引起群落内其他物种的丢失，也不会对系统的结构和功能造成很大的影响或产生严峻的生态问题。在生态系统中，判断一个物种是否冗余，用生物量、总生产量、饲草量、养分循环、生物量的稳定性或物种组成作为测度系统结构和功能是否因该物 种移去而变化的指标。滇西南短刺栲群落中的物种冗余维持了群落的稳定滇西南地区的短刺栲群落上层中就有4个栎类树种，个体数量最多的是短刺栲，其次是华南石栎和杯状栲，刺栲最少。但食草昆虫对这些树种叶片的摄食和种子的蛀食程度却大不一样。据调查，食草昆虫特别喜食杯状栲的叶片，无论大树还是幼树的叶片都被咬食得残缺不全。其次是短刺栲的叶，其被采食率为13.06%,刺栲为9.98%,而华南石栎仅为6.64%。由此可见，当虫害发生时，是个体数量较少的杯状栲承受了虫害的压力，减轻了对优势种的危害，从而保证了上层的相对稳定。HONGAGRICULTURALUNVERST冗余现象存在于生态系统的各个层次上·层次冗余：层次冗余主要是指生物群落中的结构层次冗余上一层次而发展，层次冗余对于群落稳定有着重要作用。例如，单优群落冷杉林主要是由单一树种——冷杉个体组成的的中幼树(侏儒群)能在各层次中缓慢地生长。当上层(或某个层次)的冷杉衰老或遭受干扰而死亡时，平时在下一层次羊中常章大学NGAGRHCULTURALUNIVERSTY●它是系统内冗余大小程度的量度，用备用元件与工作元件数之比来表示.●系统的冗余大小对其稳定性(可靠性)有着重要影响.冗余过小，将难以长期保持在相对稳定状态；冗余过大，对增加系统的稳定性固然有好处，但往往造