第一章_作物生态学概论.ppt

1、作物生态学,硕士生课程,内容,第一章 作物生态学概论 第二章 作物光温生态 第三章 作物水分生态 第四章 作物养分生态 第五章 作物分子生态 第六章 作物群体生态 第七章 作物信息生态 第八章 作物生产生态 第九章 作物安全生态,第一章 作物生态学概论,作物生产系统以技术管理为手段，环境协同为路径，生长调控为目标，通过实现“技术一环境一作物”间的高度协调和统一，从而达到优质、高产、高效、生态、安全的综合生产目标。 作物生产的理论基础和技术原理分别催生形成了作物生理学、作物生态学、作物管理学等不同分支学科。 其中，作物生态学主要揭示作物与环境、作物与作物的相互关系及协同原理，与作物生理学和作物管

2、理学具有非常紧密的有机联系。随着现代生态学理论与方法的创新和拓展，作物生态学的理论和技术正在得到不断的充实和提高，并在农业生产管理与环境资源利用方而发挥着日益显著的作用。,第一章 作物生态学概论,第一节 作物生态学的定义、特征与作用 第二节 作物生态学的形成与发展 第三节 作物生态学的研究内容与研究方法 第四节 作物生态学的发展前景与方向,第一节 作物生态学的定义、特征与作用,作物生态学是生态学的重要组成部分，是农业生态学的基础，对于处理好农业生产力提高和资源环境利用之间的关系具有重要作用，因而在整个农业科学体系中也占有重要地位。近年来，随着作物产量的持续增长和品质的不断改良，人们更加关注作物

3、生产中的生态学问题，更加重视高效利用农业资源和积极保护环境质量。这就需要运用作物生态学的原理和技术，科学协调农业生产中优质、高产、高效、生态、安全之间的关系，在确保优质高产的同时，努力实现高效生态的目标，从而促进农业的可持续发展。,第一节 作物生态学的定义、特征与作用,一、作物生态学的概念、内涵与特征 二、作物生态学的地位与作用,第一节 作物生态学的定义、特征与作用,一、作物生态学的概念、内涵与特征,(一)作物生态学的概念与内涵 作物生态学是研究作物与环境的相互关系及其作用机制的科学学体系中的一门应用基础学科，是生态学科的一个分支领域。,作物生产系统是由“作物一环境一技术”构成的多层次开放性农

4、田生态系统，在这一系统中作物是主体。作物系统、环境系统和技术系统是这一系统的二级子系统。,第一节 作物生态学的定义、特征与作用,作物生产系统的环境是指作物生长发育所需的各种环境要素的综合，包括土壤、空气、水分、光照、温度等环境要京，以及病虫草及土壤微生物等生物因素。作物包括各种农作物，如大田作物、林木作物、园艺作物等。 某一地区某种作物的产品形成，就是该作物遗传潜力及其与环境条件相互作用的综合表现。作物的遗传潜力是作物利用环境条件形成产品的潜在能力。 作物与环境相互作用的综合效果，通过作物生育过程中的生理生化反应，最终表现在作物产品的数量和质量上。,第一节 作物生态学的定义、特征与作用,人类所

5、采取的农业技术措施分为两类： 一类是直接作用于作物，改变作物的形态、结构和生理生化过程从而影响作物的生长发育及产量形成，如整枝、打叶、人工辅助授粉、化学调控等。 另一类则是通过改变环境，间接地影响作物，如耕地、耙地、施肥、灌溉等措施都属于这一类。 对作物生长环境的调控，目的是充分利用环境的有利条件，克服环境的不利因素，优化作物生育进程，最终达到优质高产。农业技术措施是调控和利用作物与环境关系的必要技术手段。 事实上，自然界中无论作物的生态适应性有多强，总有些生态因子不能满足优质高产的需要，因此对作物与环境的关系进行调控是必要的。如施肥几乎是任何环境下作物高产栽培必须进行的主要农艺技术措施。,第

6、一节 作物生态学的定义、特征与作用,作物生态学研究涉及不同的尺度水平，从分子、细胞、组织、器官、个体，到种群、群落甚至生态系统等都可以展开有关的研究。 但研究的核心是作物本身对环境的响应，即无论在哪个尺度上的研究都要围绕个体的基本性能表现来进行。 作物生态学研究的基本问题包括： 作物与环境的相互作用和基本机制； 环境因素影响下的作物代谢作用和能量转换等生命过程； 作物适应环境因子改变的能力和模式等。,第一节 作物生态学的定义、特征与作用,(二)作物生态学的性质 作物生态学是生态学的一个分支，也是农业科学的一个分支。它主要是用生理学或分子生物学的理论和方法来分析生态学现象，并为实现作物高产、优质

7、、高效、生态、安全生产及可持续性发展服务。因此，它是一门以生态学、生理学为理论基础的综合性应用科学。同时，它涉及植物学、植物生态学、植物生理学、植物保护学、植物营养学、农业气象学、作物学等领域的理论知识和研究方法，因此也是一门交叉性科学。,第一节 作物生态学的定义、特征与作用,1作物生态学是以生态学和生理学为基础的一门应用科学 作物生产是人类利用作物有机体的生命活动来取得产品的生产领域，任务就是要使农作物与环境条件相适应，充分利用有利的环境条件，克服不利的环境条件。作物生产不仅取决于农业生态系统的社会条件，更取决于作物生产的自然环境条件，如土壤、温度、光照、水分、肥料等。在作物生态系统中，作物

8、与环境的平衡关系处于中心位置。因此，应用生态学和生理学的原理和方法阐明作物与环境的相互作用机制尤为重要。 从本质上讲，作物生产是作物通过光合作用将太阳能和无机物转化为化学能和有机物的一个能量转化的过程。因此，作物生态学必须借助于生态学、生理学及化学、数学、物理学、生物学、遗传学等自然科学的基本原理和方法来发展自身的理论和技术体系，并以提高作物的综合生产力为主要目标。,第一节 作物生态学的定义、特征与作用,2作物生态学是服务于农业生产的一门综合性科学 我国是个人多地少的人口大国，怎样在有限的耕地上不断提高作物的产量和品质是国家的头等大事。随着社会经济的发展和人民生活水平的提高，农产品中劣质产品过

9、剩与优质产品不足的矛盾以及农业经济效益低下的问题将越来越突出，因此提高农产品的质量和农业效益也将日显重要。可以说，高产、优质、高效是我国作物生产发展的唯一选择，也是作物生态学研究的主要目标。 作物生产是一个环境一作物一技术(社会)相互交织的复杂系统，而农作物的高产、优质和高效通常又是矛盾的和难以统一的整体，而且高产、优质、高效的主次关系也会随社会经济的发展水平而发生变化。因此，只有从系统科学的观点来全面认识作物生态学体系，综合运用和集成各个相关学科的研究成果，才有可能使作物生态学作物生态学的研究和应用符合现代农业生产的发展方向，满足国民经济发展的要求。,第一节 作物生态学的定义、特征与作用,3

10、作物生态学是以可持续农业发展为目标的一门生态科学 人口、粮食、能源和环境是世界经济发展中难以解决的大问题。作物生产一方面是人类粮食安全的基础，另一方面也会引起生态失衡和环境污染的问题。例如，农药和化肥的过量投入不仅会降低作物产量，还会引起空气和水体的污染。另外，虽然农业所需的自然资源大部分都是能再生的，但水资源和肥料资源等也亟待合理利用和加强保护。因此，在作物生态学研究和生产发展中必须牢固树立生态系统平衡的意识，兼顾生产力增长、资源高效利用和环境安全，实现农业生态系统和农业产业的可持续发展。,第一节 作物生态学的定义、特征与作用,(三)作物生态学的特征 作物生态学有以下三个特征： 1综合性 2

11、层次性 3系统性,第一节 作物生态学的定义、特征与作用,1综合性 作物生态学是研究作物与生态环境之间相互关系的科学，目的是提高作物生产力，促进农业的可持续发展，具有农业生产最本质的基础性特征。作物生态学又具有高度的综合性。作物生态学的研究范围包括了各种农作物、病、虫、草等，生态环境包括各种气候因子和土壤环境，研究这些要素的专业知识与单项成果对于认识整体是不可缺少的。作物生态学与许多生物种群的生理、生态、分布、栽培等具有广泛的联系，使作物生态学具有农业总体生产的综合性和集成性特点。,第一节 作物生态学的定义、特征与作用,2层次性 生命物质有从大分子到细胞、器官、个体、种群、群落等不同的结构层次。

12、作物生态学主要研究个体以上的宏观层次。同时也从个体以下层次对于作物生产中的问题给予机理性的解释。虽然每一层次都有各自的结构和功能特征，但高级层次的结构和功能是由构成它的低级层次发展而来的。因此，研究高级层次的宏观现象需了解低级层次的结构功能及运动规律，从低级层次的结构功能动态中可以得到对高级层次宏观现象及其规律的深入理解和阐释。对低层次的运动来讲，其生物学意义也只有以较高的层次为背景，才能看得更清楚，把握得更推确。,第一节 作物生态学的定义、特征与作用,3系统性 系统性和整体性是不可分的。虽然作物生产系统的核心是作物本身，但作物生态学需解决的是整个作物生态系统内相互关系及作用机制。生物的不同层

13、次，既是一个生态整体，也同样是一个系统，均可用系统学原理和方法来进行研究。系统分析的方法既能区分出系统的各要素，研究它们的相互关系和动态变化，同时又能综合系统各组分的行为，探讨系统的整体表现。系统研究还有助于探讨系统各组分间作用与反馈的调控机制与模式，以指导实际系统的科学管理。,二、作物生态学的地位与作用,第一节 作物生态学的定义、特征与作用,(一)作物生态学的地位 作物生态学研究的问题来自较高层次生态学(植物生态学、农田生态学、农业生态学)和农业科学(作物学、栽培耕作学)的交叉综合，而对生态学问题的解释往往要求在较低层次学科(如植物生理学、生物化学、生物物理学、分子生物学)的机理解释。因此，

14、作物生态学是沟通理论依据与实践应用的应用基础性科学。,作物生产管理包括三个相对独立的理论体系：作物生理学、作物生态学、作物管理学。 作物生理学是以作物为对象，由植物生理学与作物科学交叉发展而来的一门科学，主要研究作物半长发育和产量品质形成规律的科学。 作物管理学主要研究探索通过栽培管理、生长调控、优化决策，实现作物高产、优质、高效及其可持续性发展的理论、方法和技术，是作物栽培学和耕作学的主要内容。 因此，作物生态学和作物生理学都是作物栽培学和耕作学及现代作物生产发展的理论基础，而二者既相互独立又密切联系。,第一节 作物生态学的定义、特征与作用,作物生态学与其他生态学相比，虽然所涉及的环境因子(

15、生态因子)相同，即同受自然生态规律的支配，但范围较小，而且人为干预程度较高。作物生态系统是按人类需求而建立的物质生产系统。因此，作物生态学的核心内容应该以作物高产、优质、高效、生态、安全生产为目标，探讨作物生态系统的结构与功能及合理调控的途径。从这一点来看，作物生态学所要达到的最终目标，又与作物栽培学有共同或相似之处。但是，作物生态学不仅是从作物的生物学特性和产品形成过程及其与环境间的关系阐述作物高产、优质、高效、安全生产的理论与模式，而更要从生态学角度，以作物与环境所构成系统的整合效应为基点，运用生物学的理论和系统学的方法，从描述性生态学关系到因果机制的解析和提炼，力求阐明作物生态系统中各种

16、生态现象与互作机制。因此，作物生态学在现代作物生产中具有极其重要的理论价值和实践指导。,第一节 作物生态学的定义、特征与作用,(二)作物生态学的作用 农业是国民经济的基础。由于农业所生产的产品具有特殊的使用价值，决定了农产品是人类生存最基本、最必需的生产和生活资料。农业的发展对整个国民经济的发展和社会稳定均起到十分重要的作用，特别是农产品的数量和质量与人们的生活水平密切相关。同时，由于生态环境的恶化和农业资源的过度消耗，使农业发展受到生态环境多方面的制约，社会所面临的人口、资源、粮食、能源、环境和灾害等重大问题，向生态学和农业科学提出了严峻的挑战。基于作物生态学的原理与技术，探讨解决这些问题的

17、途径与方法，对于因地制宜地提高作物生产力和资源利用率，保护作物生存的环境，提高作物的产量和品质及作物生态系统内能量转化和物质循环的效率，以达到高产、优质、高效、生态、安全的综合生产目标，实现农业的可持续性发展均有十分重要的作用。,第一节 作物生态学的定义、特征与作用,具体来说，作物生态学在农业生产中的作用可以体现在以下六个方面； (1)确定不同环境下作物(品种)生产力的形成特点，为因地制宜地提高生产力提供依据。 (2)确定品种的适宜生态型，为因地制宜地确定育种方向和目标提供依据。 (3)确定不同作物组合一间套复种的生态适应性，为合理安排种植制度提供依据。,第一节 作物生态学的定义、特征与作用,

18、(4)确定作物(品种)适应环境的范围和程度、适宜的种植地区及种植季节，为促进区域化土地合理利用、生产基地建立、合理的生产结构与作物市局提供依据。 (5)开发特定需求的作物资源，尤其是利用最佳环境条件发展特色作物(品种)，实现农业生产的多元化和高效化。 (6)深化和领展生态学的基础理论与关键技术，同时为生态学理论与方法的验证和应用提供研究与发展平台。,第二节 作物生态学的形成与发展,一、作物生态学的产生 (一)生态学的产生与发展 (二)生态学分支 (三)作物生态学的产生 二、作物生态的发展历程,第二节 作物生态学的形成与发展,一、作物生态学的产生 (一)生态学的产生与发展 1生态学的萌芽时期（公

19、元17世纪以前） 2生态学的建立时期（公元17世纪-19世纪末） 3生态学科分化时期 （ 20世纪初一20世纪30年代） 4系统生态学时期（20世纪30年代-20世纪60年代末） 5人类生态学时期（20世纪70年代-今天）,第二节 作物生态学的形成与发展,一、作物生态学的产生 (二)生态学分支 1按研究对象的生物组织水平划分 可分为个体生态学、种群生态学、群落生态学、生态系统生态学、景观生态学、区域生态学和全球生态学等； 2按生物分类娄群划分 可分为普通生态学、动物生态学、植物生态学、微生物生态学，昆虫生态学、鱼类生念学、鸟类生态学、兽类生态学和人类生态学等； 3按生物栖息场所划分 可分为陆地

20、生态学，包括森林生态学、草原生态学、沙漠生态学等；水域生态学)，包括海洋生态学、淡水牛态学；更具体的划分有热带生态学、湿地生态学、山地生态学等。,第二节 作物生态学的形成与发展,一、作物生态学的产生 (二)生态学分支 4按生态学与其他科学的交叉划分 可分为生理生态学、进化生态学、分子生态学、数学生态学、化学生态学、能量生态学、地理少态学等。 5按应用领域划分 可分为农田生态学、农业生态学、家畜生态学、渔业生态学、森林生态学、草地生态学、污染生态学、自然资源生态学、城市生态学、生态经济学)、恢复生态学、生态工程学、景观生态学、人类生态学、生态伦理学等。 6.按研究方法划分，有野外生态学、实验生态

21、学和理论生态学等,第二节 作物生态学的形成与发展,一、作物生态学的产生 (三)作物生态学的产生 生态学的发展从与其他学科的交叉产生了普通生态学、农田生态学及植物生态学等交叉学科。这些学科的基本理论和规律及研究方法融合于作物科学中，并与现代科技紧密结合，对作物生态学的产生起了驱动作用。 同时，植物生理学的发展为解决作物与环境相互关系的生态学问题提供了明确机制的工具。植物生理学是研究植物生命活动规律的科学。英、德等国的植物生理学于19世纪中叶成为独立学科。19世纪末到20世纪韧，大部分研究着重在外界因素、内部结构和发育时期等对一些植物的生理过程的影响。由于生物化学、微生物学的发展，植物生理学的研究

22、转入到内部机理的探索，深入到微观领域，20世纪30一40年代达到高峰。1949年在美国首先建立了人工气候室，研究环境对于生理机制的影响。60年代由于农业生产的需要和生态学的发展，部分植物生理学的研究转向宏观发展领域，进入群体群落问题的研究。生态学与植物生理学的发展为作物生态学的诞生奠定了学科交叉与综合的基础。,第二节 作物生态学的形成与发展,二、作物生态的发展历程 作物生态学的出现仅有几十年的历史。作物生态学的介绍最早见于1922年weaver(美国)的作物生态学研究，其后日本学者野口弥吉、沼田真等对作物生态学均有描述。 1964年美国加利福尼亚大学戴维斯分校农学系正式开设了作物生态学，至80

23、年代已形成自成体系的教学内容。 我国农业院校于1984年将作物生态学正式列为作物栽培学与耕作学专业硕士学位课。近年来，这门新兴学科虽已初具规模，但其体系仍在完善之中。,第二节 作物生态学的形成与发展,二、作物生态的发展历程 20世纪20-30年代Bureison WL.就着手研究栽培植物与环境的关系及其分布。随后，Klages K.H.W继承其观点并继续研究，著有作物生态地理学(1942)，不仅研究作物与自然环境的关系，还研究其与社会环境的关系。美国Wielse C. P.(1963)的作物生态适应性与分布一书论述 了各环境因素与作物分布的关系，并提出适应性的定义。意大利Azzi(1956)的

24、农业生态学，研究了作物产量与气候土壤环境的关系。日本户刘义次等的作物生理生态(1955)，论述了作物光合、呼吸、营养生理以及环境对其生长过程、生理作用的影响。沼田贞(1965)提出应用生态学，介绍作物生态学与作物环境栽培学的联系。70年代，美国植物生理学家Loomis RS强调在不同的生态条件下研究作物生理与光合作用的过程，提出作物生态学以植物生理和生态学为基础。在田间条件下(辅以实验室条件)分析研究作物群体的生理过程和环境(光、温、水、气)间的物质能量交换特点和规律，从而研究不同生态条件下生理现象对产量形成的影响，以获得作物与栽培条件的最佳配合，并将人的因素纳入环境中。此外，户刘义次作物的光

25、合作用与物质生产、村田吉男作物的光合成与生产(1975)等均属作物生态的基础研究。美国明尼苏达大学和普渡大学相继给大学生开设“作物的适应性分布与作物生产”及“作物适应性与分布”课程。,第二节 作物生态学的形成与发展,二、作物生态的发展历程 我国20世纪以来，丁颖(30一60年代)开展厂水稻牛态的研究，梁光商出版了水稻生态学 (1983)；吕炯提出植物的气候生态型(1963)。70年代，高亮之等提出了“作物气候生态”的概念；候学烃在农业生态方面也作广大量的工作。尤其是近广多年来，全国在主要作物气候生态、农业气候资源调查与区划等方面所开展的大量研究以及农业气候学的发展都促进了作物生态学在我国的发展

26、。 与此同时在农业生产和农业科学发展的进程中，出现了与作物生态学交叉的多种学科，如农业生态学、农田生态学、农业系统学以及作物生理生态学、作物生态生理学等。,第二节 作物生态学的形成与发展,二、作物生态的发展历程 1980年以后来出现的作物栽培生理生态(川田信一郎，1982)，是以作物为对象研究生产力、生长分化、作物的光合作用和水分生理、作物体内的物质合成与运转以及植物激素在作物栽培中的应用等。,第二节 作物生态学的形成与发展,二、作物生态的发展历程 由美国Loomis和澳大利亚Conner于1992合著出版的作物生态学农业系统的生产力与管理(李雁鸣等译，2002)，在作者多年教学和科研工作积累

27、的基础上，首次系统地阐述了作物生态学的基本理论、主要内涵和方法技术及其与农业系统生产力管理的关系，确立了较为完整的作物生态学体系。,第二节 作物生态学的形成与发展,二、作物生态的发展历程 此外，Lambers于1998年出版的植物生态生理学则是从生态学的观点研究植物在不同环境下光合作用、水分利用、氮素利用与能量平衡，植物对逆境的响应及适应，以及影响不同环境下植物组成的生理生态特性及其在生态系统中的作用。同时，作物栽培学、作物遗传学和环境科学的发展对作物生态学的发展提供了更多的研究手段与方法。所有这些相关学科的理论和方法对作物生态学的发展都有一定的促进作用。,第三节 作物生态学的研究内容与研究方

28、法,作物生态学以作物生态系统为研究对象，以作物与环境的相互关系及协同原理为研究内容，主要运用生物学方法和系统学方法，揭示不同环境因素下的作物生理活动和能量转换等过程，并阐明作物适应环境的能力和模式。 一、作物生态学的研究内容 二、作物生态学的研究方法,第三节 作物生态学的研究内容与研究方法,一、作物生态学的研究内容 作物生态系统和普通生态系统一样，也是出生物因素有机环境和非生物因素天机环境组成。 生物因素按其在能量转化与物质循环中的地位，分为生产者、消费者和分解者。 生产者是栽培植物，包括粮食作物、经济(工艺)作物、果木、蔬菜、饲料作物、香料药材等。它们通过光合作用将太阳辐射能转化为化学能，并

29、贮藏在作物中。 以作物产品为食物的人类和畜禽处于消费地位，属消费者。 土壤微生物通过对作物有机体的吸收和分解使复杂的有机质转化为较简单的天机物质，将生物的个体分解，并使之返回到土壤中供作物使用，属分解者。,第三节 作物生态学的研究内容与研究方法,一、作物生态学的研究内容 在作物生态系统中包括自然环境和人为环境。 作物生长的自然环境系指气候、地文和生物。 气候环境包括光、温、水、养分、空气等五大因子，是直接作用于作物本身，并对其他环境因子产生决定性影响的因素。 地文环境包括土壤的物理、化学性状及通过光、温、水、气的冉分配而影响作物的间接因素，如地形、地势、地貌等。 生物因素包括微生物、病虫、杂草

30、及其他有关动植物，还包括生物间的竞争与代谢产物。 人为环境是指社会经济因素(包括人口密度、劳力、交通、市场价格)、生产条件(灌溉、施肥水平、病虫害防治能力)和技术条件等。 人类是作物生态系统的主宰者，人的劳动和智慧能在很人程度上控制、调节或改善这个系统的能量转化和物质循环，促使作物与环境相吻合，使之符合人类的需要。,第三节 作物生态学的研究内容与研究方法,一、作物生态学的研究内容 能量转化、物质循环和信息传递是作物生态系统的三个基本功能，也是作物生态系统的基本规律，通过流、库和循环进行。 太阳光能、水分和营养物质元素不断处于被吸收、固定、转化循环的运动状态，称之为“流”。在运动过程中被暂时吸收

31、，固定、储存的单位叫“库”。如作物库的固定、贮存的能力不仅决定于作物本身的特性，而且决定于循环。流、库和循环，是相互依存、密不可分的。它们形成了作物生态系统的特征，也决定着作物系统的生产力。 在作物生态系统中能量释放是单向的流动，而物质流动是循环的。同时，在系统中还存在不同组分间的信息交换。整个作物生态系统的速本结构及相互关系如图12所示。,第三节 作物生态学的研究内容与研究方法,一、作物生态学的研究内容,第三节 作物生态学的研究内容与研究方法,一、作物生态学的研究内容,在作物生态系统内，通过食物能的传递，把人、畜合、作物联成一个序列，称之为食物镀。食物链是作物生态系统中生物之间的主要联系方式

32、，是物质、能量的主要运转途径。作物生态系统有两种基本食物链(图1-3)，如以单一种植业为基础作物一人类，以种植、养殖相结合的食物链。与自然生态系统和其他生态系统相比，作物生态系统的食物链很短。,第三节 作物生态学的研究内容与研究方法,一、作物生态学的研究内容 由于能量的转化服从于两个基本规律热力学第一定律(能量守恒定律)和热力学第二定律(能量散逸定律)，能量流动是有方向性的，流动中因有呼吸、排泄而有能量散逸，因而出现了生态系统能量流动金字塔(图1-4)。,第三节 作物生态学的研究内容与研究方法,一、作物生态学的研究内容 根据上述分析，作物生态学的研究对象是作物生态系统，其核心是作物。因此，作物

33、生态学研究的主要内容包含以下六个方面： 1作物生态系统的结构与功能 2作物生态系统的能量转化和物质循环规律 3作物生产潜力分析 4作物生态适应及分布 5逆境生态条件与作物生产 6作物生态系统的合理调控,第三节 作物生态学的研究内容与研究方法,一、作物生态学的研究内容 根据上述分析，作物生态学的研究对象是作物生态系统，其核心是作物。因此，作物生态学研究的主要内容包含以下六个方面： 1作物生态系统的结构与功能 包括环境因子的分析及其对作物系统的生态作用，探索充分利用自然资源，如太阳辐射能、温度、水分、土壤等，消除或削弱限制因子的影响，挖掘作物的潜在个产力。作物是生态系统的主体，是物质生产者。因此作

34、物的种群结构、群落结构及其同化环境的能力(即形成高的生产力)，则是作物生态学研究的重要主题。,第三节 作物生态学的研究内容与研究方法,一、作物生态学的研究内容 根据上述分析，作物生态学的研究对象是作物生态系统，其核心是作物。因此，作物生态学研究的主要内容包含以下六个方面： 2作物生态系统的能量转化和物质循环规律 作物生态系统是一个输入与输出的系统。系统的物质能量平衡是提高作物生产力的基本条件。农业发展的历史，即由原始农业、古代农业、传统农业到近代农业和现代农业，其生产力的不断提高是与由系统外向系统内输人物质和能量，特别是工业辅助能及生物能的投入分不开，辅助能的投入将提升作物系统同化环境的效率，

35、可以减少系统的非生产性消耗。作物生态学在论述物质能量平衡及转化时，必须针对中国自然资源、生态环境及生产水平的现状进行具体分桥。应该把提高生产力和保持系统的良性循环兼顾起来。发达国家工业能的大量投入，对系统功能的提高起了巨大的推动作用，但同时也带来了环境污染的不利影响。而发展中国家生物能投入比例较高，但生产水平却较低。辅助能的合理使用因该是作物生态学的要点。,第三节 作物生态学的研究内容与研究方法,一、作物生态学的研究内容 根据上述分析，作物生态学的研究对象是作物生态系统，其核心是作物。因此，作物生态学研究的主要内容包含以下六个方面： 3作物生产潜力分析 作物的生产潜力，从生态学观点，它亦是作物

36、生态系统各因子互作的整合效应的最佳体现。作物生态系统是动态的、可调控的系统，也是相对稳定的系统。作物生产潜力是作物系统生产力的上限。Loomis首先提出的是光合生产潜力，他设计了作物所有生活环境因子均处于理想状态下，仅考虑太阳辐射能与作物生产力的关系。中国科学院地理所黄秉维等提出了作物生产潜力的另一估算方法，即在光合生产潜力的基础上进行温度、水分、土壤出子的订正。这两种估算方法均值得重视。前一种方法是针对人类可以完全控制环境时，作物生产所能达到的潜在水平，后一种是在人类还不能控制大环境(自然环境)时，作物生产在非可控因子制约下可能达到的最高水平。探讨作物生产潜力对指导现实生产管理和指出农作物增

37、产的努力方向具有重要意义。,第三节 作物生态学的研究内容与研究方法,一、作物生态学的研究内容 根据上述分析，作物生态学的研究对象是作物生态系统，其核心是作物。因此，作物生态学研究的主要内容包含以下六个方面： 4作物生态适应及分布 作物的生态适应性亦指作物的要求与环境条件的吻合程度。作物生长发育与产量形成过程的节律与环境吻合程度越高，即适应性越强，距离高产、优质、高效的目标越近。因此，讨论作物的生态适应件，按不同作物、不同品种的遗传属性及对环境的适应程度进行适地适种。或者对环境进行合理调控，也是最大可能地发挥作物内在生产潜力，提高作物生态系统生产力不可忽视的方面。,第三节 作物生态学的研究内容与

38、研究方法,一、作物生态学的研究内容 根据上述分析，作物生态学的研究对象是作物生态系统，其核心是作物。因此，作物生态学研究的主要内容包含以下六个方面： 5逆境生态条件与作物生产 作物所生存的环境由多种生态因子所组成，作物生产总是在限制出子影响下进行。虽然从整体上人类对环境的改造能力越来越强，但同时也由于对自然界的开发利用，造成资源的短缺和生态环境的破坏。由于全球气候变化的影响，近年来干旱、水涝、高温或低温、土壤和空气污染等对作物生产发生频繁袭击，造成粮食减产幅度较大。因此，逆境生理、生态及抗逆育种已成为作物科学和生念学研究的重要课题。了解逆境生态条件的变化规律、作物对逆境的反应与耐性(或适应性)

39、，探索提高作物抗逆力的途径是作物生态学的重要研究范畴。,第三节 作物生态学的研究内容与研究方法,一、作物生态学的研究内容 根据上述分析，作物生态学的研究对象是作物生态系统，其核心是作物。因此，作物生态学研究的主要内容包含以下六个方面： 6作物生态系统的合理调控 作物生态系统是自然再生产和经济再生产相互交织在一起的物质能量转化的生产。20世纪90年代起，我国农业在继续重视产品数量的基础上，转向高产优质并重、提高效益的轨道上来。作物生态学从生态学和作物科学的角度探讨如何建立一个高产、优质、高效的生产管理与调控体系。因此，有必要在前述原理研究的基础上，进一步明确作物生态系统(包括作物与环境)的调控理

40、论、调控途径、优化模式及关键措施，使作物生态学更富于可调性和适用性。,第三节 作物生态学的研究内容与研究方法,二、作物生态学的研究方法 作物生态学研究有其本身的特点。 首先，作物生态学注重研究作物生产与环境间的相互关系及整体行为。因此，研究对象既包括作物，又包括环境。对象本身就具有复杂性，且二者又相互影响。作物的生长发育是由许多生理、生化过程所决定的。光合作用、呼吸作用、生物体内各种物质的合成与运转等都是在许多酶的作用下进行的极其复杂的过程。营养生长和生殖生长的转化也是由作物本身的生理规律所决定的。环境条件包括有多种要素，如气候、土壤、水分等，这些要素本身具有时空变化，环境条件之间也有相互影响

41、。土壤是在当地的气候等条件下长期作用于地球陆地表面所形成的，它具有明显的地带性分布。作物之间、作物与杂草之间等都存在着干扰和对水、养分、受气、光等的竞争与互补，同时作物的生长又影响到局部环境条件，特别是对田间的微气候和土壤养分、水分等的改变。 其次，作物生长有一定的周期，要研究作物生长发育与环境条件的关系要进行长时间的观测、试验等，而且环境条件具有时空变化，在自然条件下环境要素的重复性很小，有些要素的重现要数年的时间，全部环境要素的重现则需要更长的时间，因此难于进行研究。 第三，作物生态学是在许多学科的基础上运用生态学基本原理发展起来的，其研究方法也是在此基础上逐步发展、逐步完善的。,第三节

42、作物生态学的研究内容与研究方法,二、作物生态学的研究方法 (一)作物生理生态研究法 (二)作物与环境关系研究法 (三)分子生物学技术 (四)系统学和信息学方法,第三节 作物生态学的研究内容与研究方法,二、作物生态学的研究方法 (一)作物生理生态研究法 生理学研究生物的功能，生态学则研究生物与其环境的关系，因此生理生态学是研究生物体的功能与其环境关系的学科。它所研究的问题既可以是细胞水平上的和生物化学水平的，也可以是整株作物的生理学与生态学关系，而作物生态学研究任务之一是不同环境里作物生产力形成特点及资源利用效率，因此生理生态学研究方法也是作物生态学的研究基础。生理生态学的试验研究方法，主要研究

43、作物对环境的反应，水分关系和矿质营养，其方法可归纳为碳素代谢、水分代谢、矿物营养代谢、生长分析方法等等。,第三节 作物生态学的研究内容与研究方法,二、作物生态学的研究方法 (二)作物与环境关系研究法 主要有平行对比分析法和相似分析法。 平行对比分析方法是作物生态研究的最基本方法之一，就是一方面观测分析作物生长发育状况与产量，另一方面在同一时期观测分析环境条件的变化，使作物与环境紧密结合起来。通过对两种资料的分析，便可揭示环境因子对作物生长发育和产量形成的影响。该方法最重要的特点就是强调作物与环境的分析相平行。 相似分析方法是采用多种统计手段分析作物生态适应性，或通过对不同地区作物生态适应性相似

44、程度的比较，或对生态条件的比较，来分析作物的生态适应性。这类方法可以是定性分析，也有定量研究，随不同的研究目的而变化。它既适合于对一地各种作物生态适应性的分析，也适于对某一作物的地区生态适应性分析，相似分析法包括许多具体方法，主要有适宜性评价法、聚类分析法等等。,第三节 作物生态学的研究内容与研究方法,二、作物生态学的研究方法 (三)分子生物学技术 目前分子生态学研究所选用的方法和技术，主要是近几年发展起来的针对蛋白质、核酸变异的检测手段。概括起来，可分为两大类，即蛋白质水平和DNA水平的研究方法。蛋白质水平的研究方法，包括蛋白质免疫法和蛋白质电泳法，其中蛋白质电泳法最为常用。,第三节 作物生

45、态学的研究内容与研究方法,二、作物生态学的研究方法 (四)系统学和信息学方法 随着信息技术与生态学的交叉与融合，系统分析方法相信息管理技术正日益广泛地应用于作物生态学的研究。系统分析方法要求把研究对象作为一个系统，从系统的整体性出发，着眼于整体与局部之间、部分与部分之间、整体与外部环境之间的相互关系、相互作用、相互制约的定量关系，力求综合地、精确地对系统结构优化，以达到最佳处理问题的目的。 信息学方法是要借助系统建模技术和信息获取技术，系统研究作物生态系统内不同组分之间的动态关系和系统的整体行为，定量表达作物生态系统内的能量流、物质流和信息流，并构建定量化和信息化的作物生态调控系统，为作物生态

46、系统的模拟、设计、调控、管理提供定量化工具和平台。主要研究方法包括作物生态系统信息采集技术和处理技术。 作物生态系统信息采集技术主要有遥感技术(RS)、机器视觉技术、作物传感技术和同位素示踪技术等。 信息处理技术主要有数据管理技术、定量模型技术、空间信息技术，如地理信息系统(GIS)技术和全球定位系统(GPS)技术。,第四节 作物生态学的发展前景与方向,一、作物生态学的发展前景 作物生态学从生理机制上探讨作物与环境的关系、物质代谢和能量传递规律以及作物对不同环境条件的适应性。由于作物生态学面临着一些迫切需要研究探明的重要问题与关键技术，并能够从生理机制上对许多生态环境问题给予科学的解释和合理的

47、调控，因而得到日益广泛的重视，呈现着良好的发展前景。,第四节 作物生态学的发展前景与方向,一、作物生态学的发展前景 早期生态学是研究生物与环境之间相互关系的生物学分支，经典生态学研究的最低层次是有机体(个体)。随着生物学向宏观方向变化，生态学作为宏观生物学主要以个体、种群、群落等不同的生命体系为研究对象。现代生态学研究的重点在于生态系统中各组成成分之间，尤其是生物与环境、生物与生物之间的相互作用。因此，现代生态学的研究对象既不是生物，也不是环境，而是由生物与环境相互作用构成的整体生态系统。其实，从生态学的研究内容可以看出，无论是经典生态学研究生物与环境的关系，还是现代生态学研究生态系统结构与功

48、能，都是研究一定实体(生态系统)内各层次、各要素的相互作用规律。当然，这个包含生命成分的实体有大有小，大到生物圈，小到一滴水；实体内的层次及组成要素也有简有繁，具体情况视研究目的而定。,第四节 作物生态学的发展前景与方向,一、作物生态学的发展前景 植物个体生理生态学的研究主要以农作物、经济林木、牧草和资源植物为研究对象，研究个体的光合生产、水分循环和抗性生理。 进入80年代初期植物群落结构与功能的研究则成为群落生理生态学研究的核心内容。 近年来，生态环境问题的不断出现，尤其是以大气C02浓度升高为主题的全球变化问题，使作物生态学在解决实际问题(气候变化、环境污染、粮食危机等)上有了更大的用武之

49、地。,第四节 作物生态学的发展前景与方向,一、作物生态学的发展前景 同时，随着科学技术的进步，快速而精确的便携式测定仪器不断推出，可以实现在野外自然状态下测定植物的气体交换过程、叶绿素荧光、能量交换、水势及水分在植物体内的流动、冠层与根系生长的分析。 各种环境控制手段的不断完善也使实验的重复性得到加强，而室内稳定性同位素技术、元素分桥技术的成功应用则给许多生态学现象和野外观测的结果以机理性的解释。 除此以外。系统科学的原理和方法，如系统论、控制论、耗散结构理论、分彤理论等也广泛应用进来，为作物生态系统学的研究提供了定量化的丁具和平台。,第四节 作物生态学的发展前景与方向,一、作物生态学的发展前

50、景 在作物生态学研究内容和研究方法不断发展和进步的同时，作物生态学也迫切需要研究探明一些重大的科学问题与管理技术。特别是近年来，植物生态学的研究日新月异，其研究从细胞到生态系统各个组织层次放大的同时，又重新将重点集中到个体水平。研究对象从过去的作物和常见种为主转向生物多样性和全球变化的关键植物种类。当前，作物生态学正围绕上述问题展开大量系统深入的研究，主要包括作物在全球气温上升和由它带来的各种全球变化中的生理生态响应，植物适应和进化的机理以及对有限资源的合理利用，光、温、水、气、养分等多种环境因子对作物影响的相互作用，作物的抗逆件潜能和生态适应机制，作物牛长过程的信息获取和动态模拟，等等。,第

51、四节 作物生态学的发展前景与方向,一、作物生态学的发展前景 此外，由于人类经济活动对生物圈干扰的不断升级，造成的生态环境问题越来越突出，如生物多样性的不断丧失、环境污染的扩大与加重等。近年来，这些环境问题的存在和引起的不良后果引起了各国政府与科学家的广泛关注。作物生态学将从理论机制和系统水平上探讨植物与环境的关系及动态平衡，并对作物生态系统的演变动态与调控模式提出科学的解释和合理的技术。,第四节 作物生态学的发展前景与方向,二、作物生态学的发展方向 近年来，作物生态学的研究内容仍在不断发展。 一方面向微观层次渗透，如分子生态学、化学生态学等； 另一方面向宏观方面发殷，如佰息生态学、系统生态学等

52、。同时，由于全球气候变化和生态环境恶化，作物生态学与多学科的交叉渗透，正演化形成多个新兴的学科生长点。其主要发展方向体现在以下四个方面。 (一)分子生态学 (二)信息生态学 (三)化学生态学 (四)生理生态学,第四节 作物生态学的发展前景与方向,二、作物生态学的发展方向 (一)分子生态学 分子生态学是应用微观的分子生物学技术和宏观的生态学思想，在生物大分子水平研究生命系统与环境系统的相互作用机制，探讨生态适应与进化的分子机理，其研究目的是要指示生命有机体对环境变化产生的在分子水平上的协调机理。其特点是强调生态学研究中宏观与微观的紧密结合，优势在于对生态现象的研究不仅注意外界的作用条件，而且注意分析内部的作用机制。 近20年来，分