生态系统的信息传递及其在农业生产上的运用

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1、生态系统的信息传递及其在农业生产上的运用摘要：信息传递是生态系统的三大基本功能之一， 决定着能量流动和物质循环的 方向和状态。它包括信源，发送器官，信道，接收器官，信宿等 5 个基本环节。 而信息传递的种类有营养信息传递， 化学信息传递， 物理信息传递， 行为信息 传 递。生态系统的信息传递在农业生产上的运用之一就是植物的化感作用， 植 物化 感作用是植物间传递信息的一种方式 ,植物体产生生物活性物质能在生物体 之间 传递信息并导致生物体相互作用 ,这种作用包括促进和抑制作用。植物化感 作用 是一个崭新的研究领域。本文介绍了植物化感作用的概念、化感物质的种 类 , 论 述了植物化感作用在农业生

2、产中的应用途径和应用前景。 关键字：生态 系统，信息传递，应用途径，化感作用， 任何一个生态系统有具有能量流动、 物质循环、 和信息传递这三个基本功能。 其 中能量流动是生态系统的动因， 物质循环是生态系统的基础， 而信息传递则决定 着能量流动和物质循环的方向 和状态。 近年来，随着化学生态学和行为生态学的 发展，生态系统的信息传递 问题越来越受到人们的重视。 生态系统的信息对生态系统中的信息， 到目前为止还没有一个统一的定义。 有学者认为， 生 态系统中的信息是指生态系统中物质和能量在时空上分布的不均匀性。 还有 学者 认为, 生态系统中的信息是实现世界物质客体间相互联系的形式。 一 信息传

3、递1. 生态系统的信息传递 信息的传递包括信息的发送处理、 传输处理和接收处理 等过程。 生态系统信息传 递过程一般包括 5 个基本环节。(1) 信源:即信息源, 是信息的产生者。(2) 发送器官: 发送器官要把传递的消息变换成适合于信道上传输的信号。一般 要经过编码器的编码。(3) 信道: 信道是连接发送端与接收端的信息媒介 ,是信息的传输者。发送器官发 送的信号通过信道从一个有机体传递到另一个有机体 ; 从这一种群传递到另一个 种群; 从一个群落进入另一个群落。空气、水域、土壤、食物等是生态系统中典 型的信道。(4) 接收器官: 接收器官执行与发送器官相反的功能 ,把通过信道后的信号接收

4、, 并进行解码 , 变换成为能够被接收者理解的消息。(5) 信宿:信宿是信息的接收者 , 是信息传递的目的地。 信息传递的目的就是要使 接收端获得一个与发送端相同的复现消息 , 包括全部内容和特征。 然而,在实际中 不可避免地会受到噪声干扰 , 从而使接收信息和发送信息之间总是存在差别。噪 声是生态系统中所有信息传递中的限制因素。2. 信息传递的种类2. 1 营养信息传递 营养信息是指通过营养交换所传递的信息。从某种意义 上说, 食物链、食物网就代表了一种信息传递系统。 以松鼠的数量消长为例 , 主要 以 云杉种子为食的松鼠数量的消长 , 依从于云杉种子的丰欠。每当云杉种子丰收 的 次年，由于

5、食物的充沛，松鼠的数量也出现高峰。随着云杉种子 2 3 年歉收,松 鼠的数量亦随着下降。2. 2 化学信息传递 生态系统的各个层次都有生物代谢产生的化学物质参与 信息 传递 , 这种传递信息的化学物质通称为化学信息。生物依靠自身代谢产生的化学物质 , 如酶、生长素、性诱激素等来传递信息。 许 多动物平常都是分散居住 , 在繁殖期依靠雌性动物身上发出的特别气息 性 诱激素聚集到一起繁殖后代。 有些“肉食性” 植物也是这样 , 如生长在我国南 方 的猪笼草就是利用叶子中脉顶端的“罐子”分泌蜜汁 , 来引诱昆虫进行捕食 的。2. 3 物理信息传递 生态系统中以物理过程为传递形式的信息称为物理信 息。

6、 包括声、光、颜色等。这些物理信息往往表达了吸引异性、种间识别、威吓和警 告等作用。比如, 毒蜂身上斑斓的花纹、 猛兽的吼叫都表达了警告、 威胁的意 思 ; 萤火虫通过闪光来识别同伴 ; 红三叶草花的色彩和形状就是传递给当地土蜂 和 其它昆虫的信息。2. 4 行为信息传递 行为信息是指某些动物通过特殊的行为方式向同种的其 他个 体或其他生物发出的信息。比如地甫鸟鸟发现天敌后 , 雄鸟急速起飞 , 扇动翅膀为雌鸟发出信号 ; 蜜蜂可 用 独特的“舞蹈动作”将食物的位置、路线等信息传递给同伴等。3. 信息流及生态信息的应用 生态信息的应用实例如下 :1. 用次生性物质或信息化合物控制害虫2. 利用

7、植物次生性代谢物控制病害3. 植物他感作用的研究 二以下具体说生态信息的植物化感作用这一方面。1. 植物化感作用1.1 植物化感作用的概念 化感是植物生长过程或植物腐烂过程中产生的化学物 质对邻近植物生长的干扰。 在植 物界中,几乎所有的植物都或多或少地含有化感 作用的物质成分 , 会产生不同程 度的化感作用 ,这是物种进化过程中竞争生存的 必然。植物的化感作用广泛存在 于自然界中 , 与植物间的光、水分、养分和空间 的竞争一起构成了植物之间的相 互作用。植物化感作用的媒体是化学物质 , 被称 为“化感物质” 现已发现 , 许多 化感物质不仅对植物 ,对微生物、动物特别是 昆虫都有作用 ,因此

8、, 化感物质的使 用范围愈来愈广。1.2 物化感物质的种类 植物化感物质是植物体分泌到环境中的代谢物或次生代 谢物 ,它们分布于植物的 根、茎、叶、花、果实或种子中。根据它们性质大体上 分四大类 : (1) 脂肪族化 合物, 指水溶性的醇和酸 , 如草酸、乳酸、甲醇、乙醇、 丁醇等 ; (2) 脂肪酸,类 酯物以及不饱和内酯 , 如苹果酸、柠檬酸、花楸酸、棒曲 霉素 ; (3) 萜类化合物 , 如单萜烯、 哌烯、樟脑、桉树脑以及倍半萜烯等 ; (4) 芳 香族化合物 : 简单的酚、 酚酸、醌、单宁、香豆素、黄酮类、生物碱、肉桂酸衍 生物及经莽草酸途径合成 的芳香族氨基酸。1.3 化感物质的释放

9、途径大致归纳为以下四类 : (1)从植物表面溢出的 , 被雨水冲洗到下层植物的植株上 或进一步渗入到土壤后表现出克生效应 , 如芒萁在天然群落中主要通过雨水、雾 或露的淋洗将叶部的液态分泌物通过淋溶过程释放到土壤中 , 抑制周围植物生长 6。 (2) 从植物根部溢出的直接产生克生效应。如菊科植物洋艾根游离出来 的物质能严重抑制和迫害其他植物的生长 ;野燕麦分泌的莨菪葶、苜蓿根分泌的 7 -羟基- 4甲氧异黄酮 , 都能抑制其它植物种子萌发和根系生长。 (3) 一些挥发性 化感物质通过植物体表进入环境而发生作用。 如无剌槐树皮产生的挥发性物质能 抑制附近杂草的生长。 (4) 植物残株或凋落物分解

10、 , 如高梁、小麦残株能释放化 感物质, 强烈抑制某些杂草生长。1.4 化感作用的作用机理 化感作用的作用机制一般是化感物质通过存在部位释 放出来后 , 利用自身高度的 选择性和专一性 ,作用于受体 ,从而抑制受体的吸 收、合成、光合等各种功能 ,对 受体产生抑制效应。 化感物质抑制植物生长和发 育的主要生理表现为 : (1) 抑制 植物对养分的吸收、植物光合作用和呼吸代谢 , 抑制细胞分裂和伸长。 (2) 对植 物激素、种子萌发所需要的关键酶类的抑制 , 影 响蛋白质的合成 , 改变细胞膜性。 2 植物之间及植物与昆虫间的化感作用 2. 1 植物之间的化感作用 自然界许多植物能产生化感物质

11、, 有些能抑制其它植物生长 , 有些能促进其它一 些植物生长 , 起到了抑制或促进种间组合的作用。2. 1. 1 产生克生物质 一种植物通过分泌某些克生物质抑制或杀死另一种植物 ,削 弱后者对光、 热、水、 肥、空间领地的竞争 , 从而促进自身的生长进程。如向 日葵产生强烈的抑制豆科 植物生长的克生物质 , 它主要抑制根瘤菌和固氮作用 ; 高梁残体可释放一些化感 物质, 抑制周围杂草生长。2. 1. 2 产生自体毒性物质 某些植物能产生一些化学物质抑制自身的发展和种群的 扩大 ,从而使群体保持平 衡, 有利于自身的生长繁殖。如大豆根系分泌香草酸、 香草醛、对羟基甲酸等酚 酸类化合物质 ,可导致

12、下茬豆苗生长激素代谢紊乱 ,从 而造成大幅度减产。 苹果树 根系分泌物黄酮根苷 , 能强烈抑制幼小苹果树苗生 长 , 使苹果园补植及更新困难。2. 1. 3 产生剌激促进又有抑制效应的物质 某些植物分泌的物质会随浓度的变化产 生不同的作用效果 , 如小麦残体腐烂产生 异丁酸、戊酸、异戊酸 , 浓度低于 1. 5mol/L 时, 可促使燕麦生根 ; 在浓度高于 1. 5mol/L 时, 对燕麦种子萌发又起了强烈 的抑制作用。2. 2 植物与昆虫间的化感作用2. 2. 1植物与昆虫间的克生作用某些植物体内可分泌羟化物质、单宁等抑制昆虫和小动物的取食 , 限制昆虫生长 甚至使其死亡 , 从而达到保护

13、自身不受伤害的目的。单宁是木本植物产生的一种 次生代谢物 , 很难被消化酶分解 , 植株体分泌的单宁具有特殊的苦味、 涩味、酸 味 , 能降低害虫的适口性 , 成为抵制害虫取食的天然武器。2. 2. 2 植物与昆虫间的互惠关系 如虫媒花植物与为之授粉的昆虫之间的互惠关系 是植物与生物互惠关系的典范。 此种植物能生成一定的化学物质 ,使其具有特殊 的颜色、 香味,从而对昆虫产生吸 引力, 使昆虫前来采食 ,达到传粉、授粉目的 , 有利于植物结实、繁衍后代和扩大 分布及为昆虫提供食源 , 使种延续。3 植物化感作用在农业生产中的应用3. 1 合理利用植物化感作用的相生效应进行有益的植物组合 , 提

14、高农田生产 力从 事农业生产 ,首先应充分认识栽培作物、 绿肥牧草、经济林木, 它们当中哪些 具 有化感作用 , 各种栽培植物之间的化感作用是相生还是相克及植物自体毒性问 题, 有助于合理安排农业生产布局 , 轮作,间、套、混作,复种,避免不必要的损失。 目 前生产上着眼于提高单位面积产量 , 提高光能利用率 ,增加作物复种指数 , 如果 在植物之间合理搭配组合 ,可在某些场合下收到相生效应的好处 , 大大增加作物 产量,提高作物品质,对促进作物的高产、 稳产起到重要作用。 如玉米与大豆、洋 葱与食用甜菜、 马铃薯与菜豆、 小麦与豌豆种在一起 , 可提高产量 ,相反番茄 与黄 瓜、葱与菜豆、苹

15、果与玉米、核桃与番茄、马铃薯则相克 ,应把它们分植 , 避免相 互抑制。3. 2 利用植物化感作用的克制效应 , 进行田间杂草的生物控制和防治随农业生 产 的发展,除草剂成为人们依赖的对象 ,也是主要控制杂草手段。 由于人们大量使 用各种化学除草剂 ,对农业生态系统和类赖以生存的环境造成很大危害 , 因此利 用化感作用进行杂草防除是一项潜力巨大 , 前景广阔的新途径和有效措施。植物 化感物质最重要的作用是抑制种子发芽 ,减缓或破坏植物的正常生长 , 无论死、活 植物所释放的化感物质都具有类似除草剂的特征和作用方式 , 有很强的选择性 , 且这些化合物在小剂量下很有效力。据报道 , 在世界上已阐

16、明 100多种植物具有 化感潜势。研究杂草相互间及杂草与作物间化感作用和竞争 , 可对杂草进行控 制。 因此,生产中积极利用克生效应防除杂草 ,不但可减少农业投入 ,节约成本 , 同时 不会产生由于人工合成化合物的使用而带来污染环境问题 , 可有效利用资 源 , 保 护生态环境。如冬小麦释放的化感物质能抑制白茅草生长 ; 大麦释放的化 感物质 可抑制繁缕生长 , 刺槐分泌鞣酸物质能抑制多种草本植物生长。核桃、蔷 薇、高 梁、向日葵、茄子、菊、番茄等能分泌克生物质。生产中广泛开展利用植 物化感 作用的克生效应 ,直接利用化感植物地面覆盖 , 化感物质的人工提取直接 作为除 草剂等措施是有效防除杂

17、草的途径。3. 3 利用植物化感作用基因培育抗有害生物的作物品种随人类社会不断发展 , 各 种现代科学技术应用于农业生产中 ,在未来的年代 ,我们将有可能象培育抗病 作 物一样 , 将植物化感作用基因引入到有希望的栽培品种中 , 培育抗有害生物的 作 物品种。 利用作物本身的化感潜势来进行有害生物的防除和提高作物产量。 如 利用向日葵、 核桃、小麦、大麦等栽培植物的化感潜势来控制杂草的生长或用来 减少除草剂用量。3. 4 广泛开展植物化感物质的研究利用 , 有利于保护生态环境 , 形成良性生态 系 统当前 , 农业生态环境受到人类不合理的开发和利用导致生态条件恶化 , 污染 逐 年加重 ,严重

18、威胁农业的持续发展及人类生存 , 因此广泛开展植物化感作用的 研 究利用 ,可有效减少环境污染 , 改善生态环境和资源永续利用。 生产中人们利用 大自然提供的天然植物化感物质作为植物生长调节剂、 杀虫剂、除草剂或模拟天 然物人工合成化学品 , 一般这些物质都是无毒或具有较小的环境毒性物质 , 使用 这些物质去杀虫除草 , 能减少对环境的污染和维护生态平衡 ,使生态环境能得到 明显改善。参考文献1. 宋君 . 植物间的化感作用2. E.L. Rice （胡敦孝译 ） . 天然化学物质与有害生物防治3. 孔垂华 . 植物化感作用研究中应注意问题4. 周青 化感作用作用对生态系统的影响5. 蔡晓明 . 生态系统生态学 .6. 尚玉昌. 普通生态学 （第 2 版）7. 李博. 生态学 . 北京:高等教育出版社8. 钱树人 生态系统信息传递及实例