农业生态系统

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1、农业生态系统农业生态系统第二章第二章 农业生态系统（农业生态系统（agroecosystem）是人是人类为满足社会需求，在一定边界内通过干类为满足社会需求，在一定边界内通过干预，利用生物与生物、生物与环境之间的预，利用生物与生物、生物与环境之间的能量和物质联系建立起来的功能整体。农能量和物质联系建立起来的功能整体。农业生态系统是一种人工驯化的生态系统。业生态系统是一种人工驯化的生态系统。系统（系统（system）生态系统生态系统(ecosystem)农业生态系统农业生态系统。一、系统一、系统1.系统的概念系统的概念系统系统（system）由相互作用和相互由相互作用和相互依赖的若干组成部分结合而

2、成的、依赖的若干组成部分结合而成的、具有特定功能的有机整体具有特定功能的有机整体。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；信息论；Information theory,美国，美国，C.V.Shanon控制论：控制论：Cybernetics,美国，美国，Nibert Wiener，1948 路德维希路德维希冯冯贝塔朗菲（贝塔朗菲（Ludwig Von Bertalanffy，1901-1972)。他从他从生物学领域出发，涉猎医学、生物学领域出发，涉猎医学、心理学心理学、行为科学行为科学、历史学、哲学等诸多学科，、历史学、哲学等诸多学科，以其

3、渊博的知识、浓厚的人文科学修以其渊博的知识、浓厚的人文科学修养，创立了具有深远意义的养，创立了具有深远意义的一般系统一般系统论论，使他的名字永久地与，使他的名字永久地与系统理论系统理论联联系在一起系在一起。自然界的一切都在一个统一的、自然界的一切都在一个统一的、运动的系统之中，一切伟大的进运动的系统之中，一切伟大的进步都必须以系统论作为出发点和步都必须以系统论作为出发点和归宿。归宿。Ludwig Von Bertalanffy（1901-1972)grew up in Austria and subsequently worked in Vienna,London,Canada and the

4、 USA.Today,Bertalanffy is considered to be a founder and one of the principal authors of the interdisciplinary school of thought known as general systems theory.According to Weckowicz(1989),he occupies an important position in the intellectual history of the twentieth century.His contributions went

5、beyond biology,and extended into cybernetics,education,history,philosophy,psychiatry,psychology and sociology.Some of his admirers even believe that this theory will one day provide a conceptual framework for all these disciplines.Spending most of his life in semi-obscurity,Ludwig von Bertalanffy ma

6、y well be the least known intellectual titan of the twentieth century.（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，系统具有边界）各组分之间有一定联系，系统具有边界（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特定功能2.系统组成的基本条件系统组成的基本条件（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。系统具有边界、即各组分是有机结合而成。系统具有边界、系统的层次系统的层次（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

7、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4.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能，要改变系统的功能必须改变结构。这是系统论的基本观点。构。这是系统论的基本观点。系统的结构：系统的结构：是指系统内各组分之是指系统内各组分之间的数量比例关系及其相互联系。间的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？二、生态系统二、生态系统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

8、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。简言之，在一定空间内的全称为生态系统。简言之，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。（1）环境组分）环境组分辐射。短波辐射、长波辐射（热辐辐射。短波辐射、长波辐射（热辐射）、宇宙辐射、核辐射。射）、宇宙辐射、核辐射。无机物质

9、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（2）生物组分）生物组分生产者（生产者（producers）：）：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）：）：是指除了微生是指除了微生物以外的异养生物，主要指依赖初级生物以外的异养生物，主要指依赖初级生产者为生的各种生物。产者为生的各种生物。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。消费者消费者生产者生产者分解者分解者生物

10、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，的物理、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。生物群落是生态系统的核心。（2）在空间结构方面，）在空间结构方面，生态系统大多与一定生态系统大多与一定的地理组成相联系，具有明显的地域特

11、征。的地理组成相联系，具有明显的地域特征。（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（生产者、大型消费者和小型消费者）协调的生物（生产者、大型消费者和小型消费者）协调的能量转化和物质循环过程完成。这种联结使系统内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

12、态平衡关系。生物之间、生物与环境之间处于一种动态平衡关系。（5）在外部关系方面，）在外部关系方面，生态系统具有开放性生态系统具有开放性，通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。3.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 structure4.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：能量流动：energy flow物质循环物质

13、循环:nutrient cycle信息传递信息传递:information transfer5.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为生物圈地球上全部生物极其生活区域称为生物圈biosphere 一般指大气圈到水圈约一般指大气圈到水圈约20km的厚度范围。有各种各样的厚度范围。有各种各样的生态系统。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 terestrial ecosystem 又可分为森林生态系统又可分为森林生态系统forest ecosystem、草草原生态系统原生态系统steppe ecosystem、农田生态系统

14、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。淡水生态系统淡水生态系统freshwater ecosystem又可又可分为水体较稳定的湖泊生态系统、水库和分为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。的溪流、江河生态系统。海洋生态系统海洋生态系统marine ecosystem又可分又可分为海岸生态系统为海岸生态系统coastal ecosystem、河口河口生态系统、浅海（大陆架）生态系统生态系统、浅海（大陆架）生态系统shallow sea e

15、cosystem和深海生态系统和深海生态系统ocean 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自然生态系统自然生态系统 natural ecosystem 人工驯化的生态系统人工驯化的生态系统 semi-natural ecosystem人工生态系统人工生态系统 artificial ecosystem 三、农业生态系统三、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 农业生态系统（农业生态系统（agroecosystem）是指是指在人类的积极参与下，利用农业生物种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生物种群群和非生物

16、环境之间以及农业生物种群之间的相互关系，通过合理的生态结构之间的相互关系，通过合理的生态结构和高效的生态机能，进行能量转化和物和高效的生态机能，进行能量转化和物质循环，并按人类的理想要求进行物质质循环，并按人类的理想要求进行物质生产的综合体。生产的综合体。2.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可以按功能区分为以绿农业生态系统的生物组分可以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和以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，然而微生物为主的小型消费者，然而占主要地位

17、的生物是占主要地位的生物是经过人工驯化的农业生物经过人工驯化的农业生物如农作物、家畜、家禽、家如农作物、家畜、家禽、家鱼、家蚕等鱼、家蚕等,以及与这些农用生物关系密切的生物类群，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、豆科植物的根瘤菌等。如作物病虫、家畜寄生虫、豆科植物的根瘤菌等。农农业生态系统还增加了一个重要的大型消费者业生态系统还增加了一个重要的大型消费者人人。其他生物种类和数量一般少于同区域的自然生态系统。其他生物种类和数量一般少于同区域的自然生态系统。（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

18、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、

19、光、养分等条件都受到较大的改变，而目有独特的特点。的改变，而目有独特的特点。3.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 structur and temporal structure horizontal structure,vertical structure营养结构：营养结构：4.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 flow5.农业生态系统的特点农业生态系统的特点(1)(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

20、的比较 在农业生态系统中，由于人类的强烈在农业生态系统中，由于人类的强烈参与，其结构组成已经发生了较大的变化，参与，其结构组成已经发生了较大的变化，有别于自然生态系统，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的差别如下页表：上的差别如下页表：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社会经济环境社会经济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作为调控者的人作为调控者的人评评价、诊断、决策、预测价、诊断、决策、预测自然环境自然

21、环境各种信息各种信息农业生态系统农业生态系统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净生产力生产力高高中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高高低低人人 为为 调调 控控明显需要明显需要不不需要需要时时 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未成熟（早期演替）成熟（早期演替）成熟的成熟的Comparison of Natural and AgroecosystemsGliessman,1998N

22、atural EcosystemsAgro-ecosystemsNet ProductivityMediumHighTrophic InteractionsComplexSimple,linearSpecies DiversityHighLowGenetic DiversityHighLowNutrient CyclesClosedOpenStability(resilience)HighLowHuman controlIndependentDependentTemporal PermanenceLongShortHabitat HeterogeneityComplexSimple（2 2）农

23、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农业生态系统是被人类驯化了的自然生态系统，因此，它既保留了自然生然生态系统，因此，它既保留了自然生态系统的一般特点，又具备很多人类改态系统的一般特点，又具备很多人类改造、控制、调节、干扰甚至破坏所带来造、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：的新特点。新的特点主要表现在：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

24、性。The science 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(Altieri 1995).The idea of agroecology is to go beyond the use of alternati

25、ve practices and to develop agroecosystems with 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 fertil

26、ity,productivity and crop protection(Altieri and Rosset 1995).AgroecosystemsAbout 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,an

27、d aquaculture systems.While hunting-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 indefini

28、tely).Problems with contemporary agroecosystems:PESTICIDES Pests tend to be r-selected species with rapid growth rates.They therefore tend to evolve resistance very quickly.Most important insect pest species have evolved resistance to all major insecticides.The same has happened for weeds and herbic

29、ides.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 treadmill in the long run.Predatory animals are more K-selected,and cannot evolve resistance to pesticides quickly enough.Toxins acc

30、umulate at each level in the food chain,and thus have a large effect on predators.This is the reason for the decline of birds or prey.Pesticides are present in rainfall samples wherever they have been measured.Pesticide in rain is a negligible direct health risk for humans,but the effects on the eco

31、system are unknown.There is great promise in controlling pests by biological and cultural(physical)controls.The problem is that such controls are more information-intensive.Agriculturalists must study the life histories of all beneficial and harmful species.Extension agents must know population biol

32、ogy and community ecology.FERTILIZERBecause of this,humans control more than half of all nitrogen fixation.Anthropogenic nitrogen fixation is extremely energy intensive,thus affecting the carbon cycle through fossil fuel use.Nitrates escaping into groundwater have serious health effects(blue babies)

33、Nitrogen is the most limiting nutrient in most agroecosystems.Runoff of N and P into streams causes eutrophication.Fertilization by 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.SOIL EROSIONExposing bare soil

34、to the elements and decreasing infiltration rates causes wind and water erosion.Conservation Reserve Programs,low-till techniques,increasing organic matter,and planting of hedgerows have decreased this problem.MONOCULTURESPlanting crops in monocultures encourages pests,diseases,and crop failure.Poly

35、cultures allow complementarity,and are making a comeback.GENETIC 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.The nation is on a pestic

36、ide treadmill because pests become resistant to the effects of pesticides,requiring farms to adopt new and more potent poisons,to which pests eventually become resistant.There is no end to this toxic spiral.Resistance cannot be avoided;it is a natural part of the evolutionary process.When a group of

37、 pests is exposed to a toxic chemical,some of them survive.These hardy few reproduce and their offspring inherit genes resistant to this particular chemical.Excessive use of a pesticide speeds up the process by which pests develop resistance.More than 500 insects have now developed resistance to one or more pesticides;so have 270 species of weeds and 150 plant diseases.