整套教学课件《农业生态学》

单击此处编辑母版标题样式,编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,农业生态学,Agro-ecology,教学目标,掌握有关生态学基本概念、基本原理的基础上，全面了解这些原理在农业中的应用。,通过了解各种农业生产形式中的生态问题及其解决途径，吸收各国探讨农业可持续发展的思路和经验,了解中国农业生产中的严峻生态问题，以及中国生态农业的理论与实践。,总的目标是通过该课程的学习使学生在今后实际工作岗位中能够推动农业的健康和持续发展，也为进一步深入开展农业生态学的教学和科研工作奠定基础。,农业生态学课程主要内容,绪论：概念、发展史、研究对象,农业生态系统的结构：基本生物结构和综合结构,农业生态系统的功能：能量流动和物质循环,农业资源及其效益,农业生态系统的调节及控制,农业的可持续发展,中国的生态农业,农业生态工程,第一章 绪论,第一节 生态学的产生与发展,一、当前面临的生态问题,（一）国际,全球变化（,global change),：,温室效应,greenhouse effect,主要的温室气体：,CO2,、,CH4,、,N2O,、氟利昂（是,含氟、氯烃化合物的总称）等,2.,臭氧层破坏（,destroy of ozone layer),平流层中的臭氧遭到破坏，自,1975,年在南极发,现，北极、中纬度地区也有,.,破坏原因：主要是含,氟氯烃物质。一个氯原子能破坏,100000,个臭氧分子。,第一节 生态学的产生与发展,后果：对人体健康、植物、生物化学循环等都有明显影响。,3.,生物多样性锐减,(reduction of biodiversity),遗传多样性,genetic biodiversity,物种多样性,species biodiversity,生态系统多样性,ecosystem biodiversity,第一节 生态学的产生与发展,（二）国内面临的环境问题,土地环境退化：水土流失,(soil and water erosion),、沙漠化,(desertification),、盐碱化,(salinization),植被破坏：森林、草地、城市绿地等,环境污染：工业三废、农业污染、城市垃圾等,生态环境问题的实质是人类的文明与支持这个文明的自然系统之间不协调，以致出现了不能持续发展的关系。,第一节 生态学的产生与发展,二、生态学的概念 （,Ecology),1866,年德国的生物学家,E.Haeckel,首先在其著作,有,机体的普通形态学,中第一次提出定义：生态学是研,究生物和环境之间相互关系及其作用机理的学科。,Ecology is the study of the interactions between organisms and their environment.,生物的环境既包括光、热、水、气、各种元素等非,生物环境,(physical environment),，也包括动物、植物、微生物等生物环境,(biotic environment),。,第一节 生态学的产生与发展,三、生态学发展的历史阶段,生态学诞生以前时期，主要是生态学知识的积累阶段,（公元前,2000,年,公元,14-16,世纪）。,公元前,700,年，李聃的,道德经,表达了,“,金木水火土,“,五行相生相克的思想；,公元,100-200,年秦汉,“,二十四节气,”,；,明朝,马,-,龙农说,，用阴阳来描述生态平衡。,古希腊哲学家,Aristotle,其弟子提出植物群落的含义及与自然环境的关系,2.,生态学成长期（公元,15,世纪,20,世纪,40,年代）,1749,年布丰,生命律,；,1803,年马尔萨斯,人口论,1859,年达尔文发表,物种起源,，创立了生物进化论,1869,年德国的海克尔（,E. Haekel,）正式将生态学定义为研究有机体与其环境条件相互关系的科学。,第一节 生态学的产生与发展,三、生态学发展的历史阶段,3.,近代生态学时期（,20,世纪,40,年代,60,年代）。,1935,年英国生态学家坦斯列（,A. G. Tansley,）第一次提出生态系统的概念。,1941,年美国年轻生态学家林德曼（,R. L. Lindeman,）提出食物链中能量利用的,“,十分之一定律,”,。,1952,年,E. P. Odum,发表了,生态学基础,，第一次以生态系统为中心建立了完整的生态学。,第一节 生态学的产生与发展,三、生态学发展的历史阶段,4.,生态学应用与调控时期（,20,世纪,60,年代以来）。,1962,年,寂静的春天,；,1962,年的,IBP,计划（国际生物学计划）,1971,年的,MAB,计划（人与生物圈计划）,现在的,IGBP,计划（国际地圈生物圈计划）,1972,年,6,月瑞典斯德哥尔摩,“,人类环境大会,”,，发表了,人类环境宣言,1992,年,6,月巴西里约热内卢,“,联合国环境与发展大会,”,，制定了,保护生物多样性公约,、,气候变化公约,、,关于森林问题的原则申明,、,里约热内卢宣言,生态学开始配合经济发展探讨定量调节控制生态系统的理论与方法，生态系统工程进入许多生产领域。,第一节 生态学的产生与发展,四、生态学的分支,1.,按生物类别分为：动物生态学、植物生态学、微生物生态学、人类生态学等,2.,按环境性质分为：陆地、海洋、湖沼等生态学,3.,按生物组织层次分为：基因,(gene),、分子,(molecule),、个体,(individual),、种群,(population),、群落,(community),、生态系统,(ecosystem),、景观,(landscape),、生物圈,(biosphere),4.,生态学与不同的学科结合形成：农业生态学、森林生态学、系统生态学、环境生态学、经济生态学、数学生态学、物理生态学、化学生态学等。,第二节,农业生态学产生和发展,一、农业生态学的产生及发展,1.,土壤学、气象学、栽培学等通常是从某一侧面研究生物与环境之间的关系。,2. 60,年代开始的,“,污染、资源、能源、粮食、人口,”,等五大生态危机的根源是对生态系统缺乏整体认识。人们逐步认识到从生态系统水平认识农业的重要性。,3.,从,70,年代开始，以生态系统为核心的农业生态学逐步建立起来。,1976,年在荷兰召开国际农业生态会议,1976,年日本小田桂三郎发表农田生态学,1987,年马世骏出版,农业生态工程,第二节,农业生态学产生和发展,二、农业的发展推动农业生态学的发展,1.,人类和生物的增长受资源与环境的约束，地球资源有限，而人口不断增加，对物质的需求也不断增加。,2.,人类社会的发展经历四个阶段,旧石器以前的原始时代：人类完全依赖自然，生产力极低。,人类开始改造自然时代：人类开始改造自然和利用更多的自然资源,前面这两个时代人类认为大自然主宰一切，于是人们信奉上帝、神等神秘的力量操纵自然。,第二节,农业生态学产生和发展,l,经济大发展的工业化时代：人类利用各种现代手段强烈干预自然，掠夺式开发使用资源，致使资源枯竭、环境破坏。这时人们认为人类可以主宰一切。,l,后工业化时代：这时人类主张与大自然协调相处，发展经济的同时也自觉进行生态建设，利用资源与保护和增殖资源相结合。,第二节,农业生态学产生和发展,三、中国的农业发展与农业生态学,1,古代很早就有朴素的思想：用地养地、基塘系统养分循环、生物防治等,2. 70,年代末期提出生态农业（,Ecological agriculture),是对农业生态学的很好实践。,50,个生态农业试点县，到,100,个，已有,7,个获联合国全球,500,佳称号。,北京留民营村、浙江萧山村、辽宁生态养殖场、江苏泰县河横村、安徽颖上小张庄、浙江瑾县上李家村、浙江奉化县腾头村等,第三节,农业生态系统的概念,一、系统,(system),1,定义,系统论的创始人是奥地利的贝塔朗菲（,L. V. Bertalanffy,）。,l,系统是由相互作用和相互依赖的若干个组成部分结合而成的、具有特定功能的整体。,l,系统必须具备的三个条件：由二个以上的组分组成；组分之间有密切的联系；以整体方式完成一定的功能。,第三节,农业生态系统的概念,2.,系统的结构特点,l,系统都有边界。,l,系统具有层次性。即系统由若干个子系统组成，系统本身也是更大系统的子系统。,l,构成系统的组分间有一定的量比关系。,l,系统的组分在空间上有一定的排列位置关系。,第三节,农业生态系统的概念,3.,系统的功能特点和系统研究的基本途径,（,1,） 系统功能的整合性：即整体大于部分之和。通常形象地称,“,1+12,”,（,2,） 系统研究的基本途径有：,l,“,黑箱,”,：只了解系统的转换特性，了解系统的输出对系统的输入的响应规律，而不揭示引起这种特性或响应规律的系统内部原因。,l,“,白箱,”,：着重了解系统内部结构和功能对系统的行为和表现作出解释。,l,“,灰箱,”,：实际研究中常采用。即在重点层次、组分和关系上用白箱的方法，其它用黑箱方法。,第三节,农业生态系统的概念,二、,生态系统,(Ecosystem),1,生态系统的定义,l,生态系统是在一定的空间内的全部生物和非生物环境相互作用形成的统一体。,l,景观区,(landscape),是由地理、生物和人类活动结果所综合组成的空间和视觉的整体。,l,景观生态学,(Landscape ecology),不仅在,“,垂直,”,方向研究特定地点上的生物和环境的相互关系，而且在,“,水平,”,方向研究异质区域间的相互影响，把特定地点上的同质区域称为景观元素。,第三节,农业生态系统的概念,2,生态系统的基本组分,生态系统在结构上包括两大组分：环境组分和生物组分。,l,环境组分包括四方面：辐射,(Radiation),、气体,(air),、水,(water),、土体,(soil),。,l,生物组分包括生产者,(producer),、大型消费者,(consumer),和小型消费者,(,分解者,decomposer),。,第三节,农业生态系统的概念,3.,生态系统区别于一般系统的特点,（,1,） 组分上包括生物，生物群落是生态系统的核心。,（,2,） 空间上有明显的地域性。,（,3,）具有明显的时间特征，具有从简单到复杂，从低级到高级的发展演变规律,（,4,） 系统的各组分间处于动态的平衡中。,各生态系统都是程度不同的开放系统，不断地从外界输入能量和物质，经过转换变为输出，从而维持系统的有序性。,第三节,农业生态系统的概念,4.,主要的生态系统类型,(1).,根据环境的性质生态系统可划分为陆地生态系统,(Terrestrial ecosystem),、淡水生态系统,(Freshwater ecosystem),和海洋生态系统,(Ocean ecosystem),。陆地生态系统又可分为森林生态系统、草原生态系统、农田生态系统等。,(2).,根据受人类干扰的程度可划分为：自然生态系统、人工驯化的生态系统和人工生态系统。,第三节,农业生态系统的概念,三、农业生态系统,(agroecosystem),1,农业生态系统的定义,农业生态系统是农业生物与环境之间的能量和物质联系建立起来的功能整体。,农业生态系统是驯化的生态系统，既受生态规律的制约，也受经济规律的制约。,2,农业生态系统的基本组分,生物组分：农业生物如农作物、家畜、家禽、家鱼、家蚕等，以及与这些生物有密切联系的病虫害、杂草等。其中的大型消费者也包括人。,环境组分：受到人类的不同程度的调节和影响。而有些环境如温室、禽舍等完全是人工环境。,第三节,农业生态系统的概念,3,农业生态系统的基本结构,组分结构,(component structure),；时空结构,(Spatio-temporal structure),；营养结构,(trophic structure),。,4,农业生态系统的基本功能,l,能量流,(energy flow),：农业生态系统除输入太阳能外，还输入人工辅助能。,l,物质流,(matter flow),：,l,信息流,(information flow),：农业生态系统通过信源的信息产生，信道的信息传输和信宿的信息接受形成信息流。,l,价值流,(catipal flow),：价值可以在农业生态系统中被转换成不同的形式，并可以在不同组分间转移。,5.,农业生态系统与自然生态系统的区别,类别,自然生态系统,农业生态系统,生物构成,生物,农业生物、人类,环境组分,自然环境,人工调控,系统稳定性,高,低,开放性,封闭,开放,净生产力,低,高,服从规律,自然规律,自然和经济规律,第三节,农业生态系统的概念,第四节,农业生态学的研究对象与内容,一、农业生态学的研究对象,（一）农业生态学的研究对象主要是农业生态系统。,（二）农业生态学的研究重点不是注重于系统的组成成分，而是诸多组分间的关系，把每一个组分看作因素，从能量、物质、信息、资金上（着重从能量和物质上）研究它们之间的相互联系、耦合、转化、反馈等。,第四节,农业生态学的研究对象与内容,二、,农业生态学的内容,1,、 农业生态系统的结构,2,、 农业生态系统的功能,3,、 农业生态系统在特定的自然和社会条件的综合影响下的地域分布特点和规律,4,、 在不同的自然和社会条件下，各农业生态系统的发展演变规律,5,、 农业生态系统的调节控制规律和方法,农业生态系统的设计和生态农业建设,第四节,农业生态学的研究对象与内容,三、研究方法,1,基本研究方法,（,1,）熟悉研究对象,（,2,）研究数据的收集及分析整理,（,3,）研究策略：多学科协作；多系统大跨度比较；选择适当的研究单元及研究层次；,2,传统方法：气象、土壤、,3,现代方法：,宏观方法：,GIS,、,RS,、,GPS,计算机方法,第二章,农业生态系统的结构,基本生物结构,第一节,农业生态系统的生物与环境,一、,自然环境（,Natural environment),：,生态系统中作用于生物的外界条件的总和。,太阳辐射； 大气圈； 水圈； 土壤圈,二、人工环境,(Artificial environment),1,人工影响的环境：如人工经营的森林、草地、防风林、水利工程等。,2,人工建造的环境：无土栽培环境、大棚温室环境、集约化养殖环境等。,第一节,农业生态系统的生物与环境,三、环境对生物的制约,1,最小因子定律（,Law of minimum),：德国化学家李比西（,1840,）提出，,植物的生长取决于数量最不足的那一种营养物质。,水桶原理：桶的容水量受最短桶片的限制,（,1,）在相对稳定状态下运用，否则很难确定限制因子,（,2,）考虑因子之间的相互作用。如软体动物中的贝壳内锶可代替一部分钙,第一节,农业生态系统的生物与环境,三、环境对生物的制约,2.,谢尔福德耐性定律,(Law of tolerance),：,生态因子在数量上的过多或过少或质量不足，都能成为限制因子。,因此美国生态学家谢尔福德把最大量和最小量限制作用概念合并称为耐性定律，即对具体生物来说，各种生态因子都存在一个生物学的上限和下限，它们之间的幅度就是该种生物对某一生态因子的耐性范围。,第一节,农业生态系统的生物与环境,三、环境对生物的制约,3,生活型,(life form),和生境,(habitat),（,1,）,生活型：不同种生物长期生活在相同的自然生态条件下并经人工培育，发生趋同适应，从而形成具有类似形态、生理和生态特性的物种类群。种以上概念。,如蝙蝠（哺乳动物）和鸟；鲸、海豚（哺乳动物）和鱼；植物中仙人掌（仙人掌科）和仙人笔（菊科）及霸王鞭（大戟科）。,(2),生境。生物生存的特定小环境。如蚯蚓生活在丰富的有机质土壤中；娃娃鱼生活在山泉、清洁的河水；鲤鱼在含氧丰富、浮游动物多的池塘上层生活。,第一节,农业生态系统的生物与环境,四、,生物对环境的适应,1,生态型,(ecotype),：同种生物的不同个体，在长期不同环境条件下形成在形态、生理、生态上不同的基因型类群。是种以下的概念。以植物为例，可分为：,气候生态型,如冬小麦与春小麦,土壤生态型,水稻与陆稻；羊草有不耐铅、中度耐,铅和高度耐铅类型。,生物生态型,如抗性不同的生物（抗病、虫、草等）,生产上的应用：引种、育种。如选育耐旱作物品种、耐低磷（大豆）等,第一节,农业生态系统的生物与环境,2,生态位,(niche),：生物完成其正常生活周期所表现出来的对特定生态因子的综合适应性。目前广为接受的定义是,Hutchinson,（,1958,）的定义：位于温湿度、,pH,等,n,维资源空间的超体积。营养生态位、空间生态位、超体积生态位。生态位理论在物种之间的竞争和进化、群落结构和资源利用等领域有广泛的运用。,第一节,农业生态系统的生物与环境,五、生物对自然环境的影响,1,森林的生态效应,2,淡水水域生物的生态作用,3,草地生物的生态效应,4,农田生物的生态效应,第二节 种群,(population),种群：指占据特定空间的同种有机体的集合群。,内容包括：,（,1,）,种群的结构,：大小和密度、年龄结构和性比、出生率和死亡率、内禀增长率和环境容纳量、分布,（,2,）,种群的动态,：生命表和存活曲线、种群增长类型,（,3,）,种群间的相互作用,：负相互作用、正相互作用、次生代谢产物的作用,（,4,）,种群的生活史对策,：,r,、,K,对策,（,5,）,种群的调节,：密度制约和非密度制约生物的生态效应,第二节 种群,一、种群的结构,1,种群的大小和密度,（,1,）种群大小指一定的面积或容积内某个种的个体数目。,（,2,）种群密度指单位面积或容积内某个种的个体数目。密度分粗密度和生态密度，生态密度大于粗密度。,相对密度：丰富、一般、稀少；频率、丰度、盖度,第二节 种群,一、种群的结构,2,种群的年龄结构和性比,（,1,）龄级比是统计各年龄组个数占种群总个体数的比率。根据龄级比绘图可以得到年龄锥体。分为增长型、稳定型、衰退型,（,2,）在每一个年龄组中分别统计雌性和雄性个体数占总个体数的比例，可构成年龄性别锥体。,（,3,）利用年龄锥体和性别年龄锥体可以预测种群数量增长的趋势。,第二节 种群,一、种群的结构,3,出生率和死亡率,（,1,）出生率是泛指生物种群产生新个体的能力。它是种群的平均繁殖能力。,（,2,）种群的最大出生率是当不受任何生态因子限制，种群处于理想条件下的出生率。,（,3,）死亡率是种群的死亡的速率。最低死亡率和生态死亡率,第二节 种群,一、种群的结构,4,内禀增长率和环境容纳量,(1),内禀增长率是指种群在不受空间和食物的限制并排除了天敌、疾病、其它生物危害以及温度、湿度等物理因素的不良利影响，具有最适密度和稳定年龄分布时所表现出的最大比增殖速度。其单位为时间的倒数。用,r,m,表示。它与实际增长率的差值可以看作是环境阻力。,(2),环境容纳量（,K,）是某种群在一个有限的环境中所能稳定达到的最大数量（或最大密度）。环境容纳量大小取决于环境条件和种群的食性、行为、适应能力等遗传特性。,第二节 种群,二,、,种群的动态,1,生命表和存活曲线,（,1,）调查掌握了种群各年龄组的,存活个体数目,（,n,x,）各年龄组的,死亡个体数,（,dx,）后，便可以编制生命表。生命表有动态和静态两种。,（,2,）动态生命表是通过追踪观测种群,同一时间,出生的生物的死亡与存活动态编制的生命表。常用于生命周期短的生物。静态生命表是通过,某一时刻,对种群做年龄结构调查而编制的生命表。多用于生命周期长的生物。,第二节 种群,二,、种群的动态,（,3,）,种群的存活曲线和死亡曲线。,存活曲线以时间间隔为横坐标，存活个体数或存活,率为纵坐标绘制而成。存活曲线分为三种基本类型：,l,A,型：凸型,，表示种群在接近生理寿命之前，只有个,别死亡。如大型动物、人类等。,l,B,型：对角线型,，表示个体各时期的死亡率是相等的。,如鸟类、一些昆虫等。,l,C,型：凹型,，表示幼体的死亡率很高，以后的死亡率,低且稳定，如小型动物、低等动物、鱼类等出一个物,种种群的聚集程度和密度,第二节 种群,二,、种群的动态,2.,种群的增长型,（,1,）种群的指数增长：,J,型，是指种群在无环境条件限制下呈现的指数式增长方式。,如某些细菌、昆虫、鼠类等。,dN/dt=rN,Nt=N0*e,rt,r0, rN, KN,种群增长；,KN,，种群数量下降；,K=N,，种群停止增长。,关于人口的增长,第二节 种群,三,、种群间的相互作用,偏利,commensalism,原始合作,protocooperation,互利共生,mutualism,正相互作用,Positive interaction,负相互作用,Negative interaction,竞争,直接干涉,间接抑制,捕食,predation,偏害,amensalism,寄生,parasitism,competition,第二节 种群,三,、种群间的相互作用,1,负相互作用,（,1,）竞争,是指两个生物争夺同一对象的相互作用。有种间竞争；和种内竞争。有直接干涉型和资源利用型。竞争的结果：一个取代另一个；通过调节，产生分离。,高斯的竞争排斥原理（,competition exclusion principal),：在一个稳定的环境中，生态位相同的物种不能长期共存在一起。,将高斯原理推广，在一个稳定的群落中，占据相同生态位的两个物种，其中必有一个物种最终被消灭；在一个稳定的群落中，没有任何两个种是直接的竞争者；群落是个生态位分化了的系统，种群之间趋于相互补充，而不是直接的竞争者。但有不少生态学家提出疑问，如近缘种的存在是普遍现象。农业生产中利用：增强作物对杂草的竞争能力；种间互补；畜禽轮养,第二节 种群,三,、种群间的相互作用,1,负相互作用,（,2,） 捕食,狭义的捕食是指肉食动物捕食草食动物。,广义的捕食还包括草食动物吃食植物，植物诱食动物，以及寄生等。捕食和被捕食的关系是控制种群增长的一种作用力。,在一个稳定的生态系统中，捕食者与被捕食者之间由于相互制约的结果，保持着相对平衡的状态。同时，由于共同进化的结果，捕食者和被捕食者、寄生者和寄主之间的负相互作用趋向于减弱。,农业利用：七星瓢虫捕食棉蚜虫；红蚂蚁捕食甘蔗螟；啄木鸟吃虫,第二节 种群,三,、种群间的相互作用,1,负相互作用,（,3,）,寄生,：寄生物以寄主的身体为定居空间，靠吸取寄主的营养而生活。如大豆与菟丝子，马与蛔虫等。,农业利用：赤眼蜂防治棉铃虫；金小蜂防治红铃虫；寄生蜂防治松毛虫,（,4,）,偏害,作用是指某些生物产生的化学物质对其它生物产生毒害作用。如青霉产生的青霉素可以杀死多种细菌和植物的化感作用。番茄对黄瓜；向日葵对蓖麻；木麻黄等,。,第二节 种群,三,、种群间的相互作用,2,正相互作用,（,1,）,偏利作用（共栖）,。如地衣、苔藓附在树皮上（附生植物）；鸟筑巢，鲫鱼吸附在鲨鱼腹上。,（,2,）,原始合作,是指两种生物共同生活在一起时，彼此各有所得，但不形成依赖关系。如蟹与腔肠动物；农田中作物与蜂；稻田养鱼；作物间套作等,（,3,）,互利共生,是指两种生物共同生活在一起，不仅相互有利，而且形成相互依赖的关系。如豆科作物与根瘤菌；藻类与真菌形成地衣；白蚁与鞭毛虫；真菌与菌根等,第二节 种群,三,、种群间的相互作用,3,次生代谢产物,在种间相互关系中的作用,（,1,）植物与植物的化感作用,植物,：南方的蟛蜞菊、胜红蓟、三叶鬼针草、紫,茎泽兰，某些水稻品种；北方的豚草、油蒿等。东北,大豆的连作障碍也与大豆的自毒作用有关。,方式,：挥发、根分泌、雨水淋溶、残体分解、种子萌发与花粉传播,应用,：作物间套作、群落结构演替、病虫害防治等。也有促进作用，玉米和大豆，马铃薯和菜豆，豌豆和小麦等。,第二节 种群,三,、种群间的相互作用,3,次生代谢产物,在种间相互关系中的作用,（,2,）,植物与微生物的化感作用,：青霉菌与燕麦；蘑菇圈现象。可利用微生物的拮抗作用防治病虫害,（,3,）,植物与草食动物间的相互作用,：植物借助于植物毒素来保护自己。植物的次生代谢物质对昆虫的行为有,3,种作用：吸引、排斥、中性。庞雄飞提出通过开发植物保护剂（驱避和拒食）来代替目前广泛应用的杀虫剂（主要是杀死害虫）。,第二节 种群,三,、种群间的相互作用,3,次生代谢产物,在种间相互关系中的作用,（,4,）,动物信息素,：动物通过外分泌腺向外分泌某些化学物质，携带着特定的信息，借助气流或水流，使其它个体嗅到或接触到，产生某些行为反应或产生某些生理变化。这些化学物质称为信息素。引起的行为反应包括性引诱、警戒、跟踪、聚集、防卫等。动物的群居、诱食、警戒、跟踪、防卫等行为与释放的化学物质有关。这种释放的化学信息叫信息素，可分为性信息素、报警信息素和跟踪信息素。,r-,对策生物,K-,对策生物,个体,发育快，,Rm,值高，个体小，扩散快,发育慢，,Rm,值低，个体大，扩散慢,种群,数量多变，常低于,K,数稳定，常接近,K,环境,在多变环境中占据新生境,在稳定环境中,死亡率,灾难性的，非密度制约,有选择，为密度制约，易灭绝,寿命,短,长,举例,大型动植物,小型生物,四、 种群的生态适应对策,第二节 种群,五、种群的调节,1,密度制约作用,(density dependent),。一是,种内调节,。种群的进化趋势是在明显低于环境容纳水平上，调节自身的密度。如自疏现象、作物分蘖的消长等。二是,种间牵制,。通过遗传反馈作用实行种间关系的调节。如捕食者与猎物，种间竞争等。,2,非密度制约,(density independent),。气候因子、化学限制因子、污染物常常是（但不是始终）按非密度制约方式起作用。,在结构简单、受外部影响较大的生态系统中，种群数量常常受物理因素所调节；在结构复杂的生态系统中，种群数量常受生物因素调节。,第三节 群落,(community),一、,群落的结构,生物群落是指在一定地段或生境中各种生物种群所构成的集合。群落具有六大基本特征。,1.,垂直结构（,vertical structure),：群落的不同物种或类群出现在地面以上不同的高度或水面以下不同的深度。是群落充分利用空间的一种途径。如森林群落的分层和水体中不同藻类的分层。,农业生物的垂直结构,：如作物的间套作、特殊类型（稻田养鱼、鱼塘养鸭等）、鱼的分层放养等。,第三节 群落,农业利用：通过物种选择、空间安排、时间相错等措施减小有害竞争。,2.,水平结构,(horizontal structure),：,群落在水平方向上的配置状况。,由于环境因子在水平方向上的差异，生物种类的空间分布也不相同，形成各种不同的小型生物组合。,控制农业生物群落的水平结构有两种方式：在不,同的生境中因地制宜选择最合适的物种；在同一生境,内配置最佳密度，并通过饲养、栽培手段控制密度的,发展。,第三节 群落,3,时间结构,(temporal structure),（,1,）环境因子中的光、温、湿度具有明显的周期性，如日周期、月周期和年周期。随着环境条件的周期变化，群落中的各种生物的生长发育也相应地有规律地发生变化，使群落表现出明显的时间结构。如在一个湖泊中，春天：鼓藻占优，夏天：蓝绿藻占优，秋天：绿藻占优，冬天：硅藻占优。,（,2,）调节农业生物群落的时间结构的主要方式是轮作、套作和轮养、套养。农田的多熟制通常比一熟制的光能利用率高。,第三节 群落,4,群落的交错区（,ecotone,）与边缘效应,(edge effect),交错区：,不同群落或生态系统的交界区域。由于交错区生境条件的,特殊性、异质性和不稳定性,，使得毗邻群落的生物可能聚集在这一生境重叠的交错区域中，不但增加了交错区中物种的多样性和种群密度，而且增大了某些生物种的活动强度和生产力，这一现象称为,边缘效应,。该地带具有环境条件特殊，生物种类丰富，生产力高的特点，即为边缘效应。如森林与草原交界地带，海湾、沿河两岸、河口三角洲等,利用：滩涂的利用、城郊农业、间作、基塘系统等。,第三节 群落,二、,群落的演替,(succession),1,群落演替及其自然群落演替的类型,群落演替是指,随着时间的推移，群落中的一些物种消失，另一些物种侵入，出现群落与其环境向着一定方向，有顺序的发展变化,。,（,1,） 按群落的发展方向和趋势划分，演替分为进展演替与逆行演替。,（,2,）,按演替发生的基质划分，演替有,原生演替,(primary succession),和,次生演替,(secondary succession),。自裸地上或深层水体下开始的演替称原生演替。在原有植被已被破坏，但保存有土壤和植物繁殖体的地方开始的演替称为次生演替。,第三节 群落,2,演替系列,典型的,旱生演替,系列：,地衣、苔藓、草本植物、木本植物。,典型的,水生演替,系列：,自由漂浮植物、沉水植物（如轮藻）、浮叶根生植物（睡莲）、直立水生植物（芦苇）、湿生草本植物（禾本科植物）、木本植物。,次生演替,系列以云杉林的演替为例分四个阶段：,采伐迹地阶段（禾本科、莎草科），先锋树种阶段（桦木、山杨等），云杉定居阶段，云杉恢复阶段。还有草原的放牧演替。,第三节 群落,3,演替的顶级学说,（,1,）单元顶级理论,(monoclimax theory),以美国的,F.E.Clements,为代表，认为在一定区域，演替最终会形成与当地气候环境协调的同一种顶级群落,气候顶级（,climatic climax),。,(2),多元顶级理论,(polyclimax theory),以英国的,A.G.Tansley,为代表，认为在一个气候区域内，群落演替除了有气候顶级外，还有土壤顶级（,edaphic climax),、地形顶级,(topographic climax),、火烧顶级,(fire climax),等。,第三节 群落,3,演替的顶级学说,（,3,）顶级型理论,(climax pattern theory),又叫顶级,-,格局理论。由,R.H.Whittaker(1953),提出。认为一个自然群落对许多因素（气候、土壤、生物、风、火等）的格局发生适应，强调各个顶级群落类型的连续性，这些顶级群落类型沿着环境梯度是逐渐变化的，难以明确地把各个顶级群落类型划分开。,实际上是多元顶级的一个变型。,第三节 群落,4.,群落演替趋势,l,群落的演替总是由低级向高级，由简单向复杂的方向发展，经过长期不断的演化，最后达到一个相对稳定的状态。,l,群落中生物种类随演替而变换。,r-,型生物大多被,K-,型生物所替代；生物种类数目增多；群落内部结构的分层现象更加明显；群落的食物链由简单变得更为复杂，形成食物网，稳定性更强。,l,总生物量增加，养分循环更封闭,第三节 群落,5.,演替与人工调控,仿自然演替对农业生态系统进行人工调控,（,1,）,建立木本农业,。包括有多年生木本植物在内的农林复合系统。,（,2,）,仿建顶级群落,。仿自然顶极群落结构建造乔、灌、草相结合的人工群落，可有效治理水土流失，改善环境。,（,3,）,仿自然演替过程促进农业生产,。早期重视先锋植物的作用，环境改善后再安排农业生物。,第三节 群落,三,、协同进化,(coevolution),1,定义：不同种生物间相关性状在进化中得以形成和加强的过程。,2,如蝴蝶与植物，马与草，三化螟与水稻，农业生物及相关农业技术：如水稻品种特性与水稻栽培技术的协同进化。,实质：,在进化的压力下，群落中关系密切的种之间，相互选择适应性基因的一种作用,。,第三节 群落,四,、群落的多样性与稳定性（,Stability),物种的多样性是群落生物组成的重要指标。群落的多样性与物种的丰富度及物种的均匀度密切相关。,多样性高导致稳定性,。,也有学者不同意这种说法。如热带雨林物种多样性高，但更易受人类的干扰而不稳定；相反象沼泽地、滨海群落物种少，但系统却很稳定。,第四节,农业生态系统中的生物多样性,一、,生物多样性,(biodiversity),的概念,1,、定义,生物多样性,是地球上所有生物体和环境的丰富性和变异性。,换言之：,所有来源的行行色色的生物体及其构成的生态综合体,。,包括：遗传多样性,(genetic biodiversity),物种多样性,(species biodiversity),生态系统多样性,(ecosystem biodiversity),第四节,农业生态系统中的生物多样性,2,、多样性层次：,（,1,）,遗传多样性,：指所有生物个体中所包含的各种遗传物质和遗传信息，表现在分子、细胞和个体,3,个水平上的遗传变异度，这种变异度是生命进化和适应的基础，是物种多样性的本质所在。如利用野生稻与传统水稻品种培育杂交稻等。,第四节,农业生态系统中的生物多样性,（,2,）,物种多样性,：,指多种多样的生物类型及种类，强调物种的变异性。,物种多样性代表着物种演化的空间范围和对特定环境,的生态适应性，是进化机制的最主要产物，是研究和,保护生物多样性的基础和核心。物种的濒危及保护、,灭绝速率及机制等都是研究的重点。,（,3,）,生态系统多样性（景观多样性）：,指生物及某一生态系统内生境、生物群落和生态过程,的多样化，也称生态多样性。包括生态系统组成（生,物群落和无机环境）的多样性；生态系统类型的多样,性；生态系统结构和功能的多样性。,第四节,农业生态系统中的生物多样性,景观多样性,(landscape biodiversity),：不同类型的景观要素或生态系统构成的景观在空间结构、功能机制和时间动态方面的多样化或变异性。,景观是由斑块（,patch,）、廊道,(corridor),、基质,(matrix),所构成的空间叠合体。,斑块,：在外貌上与周围地区（基质）有所不同的一块非线形地表区域。,廊道,：与基质有所区别的一条带状土地。如林带、河流、道路、河岸带等。,基质,：范围广，连接度最高并且在景观功能上起着优势作用的景观要素类型。如在山地以森林为主的地区，森林地带是基质，草地或其它是斑块。又如在作物为主的平原地带，农田是基质，果园、菜地等是斑块。,第四节,农业生态系统中的生物多样性,3.,生物多样性的价值,（,1,）直接价值,l,食用方面：人类已使用大约,5000,种植物作为,食物，但只有,150,种进入商品市场，,30,种成为广泛种植，其中水稻、玉米、小麦占了一半；动物提供人类食物蛋白质的三分之一。现代生物品种需要抗性强的野生种杂交。,l,药用：从植物、动物或微生物提取的。植物：如萝芙木（抗高血压药）、长春花（抗癌药）。微生物：如抗生素、盘尼西林、四环素等；动物：如海洋动物中提取抗病毒物质，又如蛇等。,l,提供工农业原料方面。植物：如橡胶、油脂、薪碳、木材、饲料、纤维、肥料等；动物：如油脂、燃料、蚕丝、皮革、羽毛等。,第四节,农业生态系统中的生物多样性,（,2,）间接价值：,与生态系统功能有关。包括能量固定、调节气候、稳定水文、保护土壤、贮存养分、净化污染、美学和人文价值等。,间接价值可能大大超过直接价值，据估计，中国生物多样性的直接价值为,1.80,万亿元，间接价值为,37.31,万亿元，潜在价值为,0.22,亿元。,第四节,农业生态系统中的生物多样性,三、农业生态系统中的生物多样性,1, 农业活动的影响,土地利用,(land utilization),：热带地区如砍伐森林（巴西）、刀耕火种（云南西双版纳和海南）、种植农作物等将会导致物种减少和灭绝；湿地的人为开垦和其它利用，导致物种减少或丧失。,耕作,(tillage),：免耕、少耕、常规耕作,（,1,）土壤紧实破坏了土壤昆虫和根系伸展的通道，而且减少了生物气隙空间；减少贝壳类物种的多样性和降低了大型动物的活动能力。,（,2,）免耕处理微生物活性在表层具有最高；而在耕作的系统中则均匀分布于整个犁地层中。,第四节,农业生态系统中的生物多样性,杂草防治和杀虫剂使用,：,导致生物多样性减少，杀死害虫也杀死天敌。,间套作,：（,1,）作物轮作能增加有益微生物，切断病原体的生命循环，减少杂草种群；（,2,）作物间套作减少害虫的危害，如甘蓝和番茄间作时可减少蛾虫的集聚，玉米和豆类或南瓜间作可减少甲虫的危害。作物间套作增加了捕食者和寄生者的丰富度，减少了害虫的集聚和繁殖及化学抗性，防止害虫的移动和迁移。,第四节,农业生态系统中的生物多样性,放牧,：,适度放牧有利于野生动植物的繁育和多样性程,度的提高，过度放牧则使植物和一些无脊椎动,物（如蚂蚁、蚯蚓等）生长不利。采用轮歇与,放牧轮作。,农业生物品种改良：,品种单一化易发病，农家优良品种丧失，遗传多样性减少。,第四节,农业生态系统中的生物多样性,2, 威胁因素,（,1,） 土地过度开发利用：毁林开荒、围湖造田、过度放牧等。,（,2,） 土地集约化：化肥、农药等高投入，农业措施单一化。,（,3,）,污染：工业污染、城市垃圾、农业污染等。导致生态环境质量和产品质量下降，物种减少等。,（,4,）物种单一：普遍推广高产品种，一些品种的优良性状在丧失，野生种类下降。如高州拟准备建立野生稻保护区，从化野生稻保护区等。,第四节,农业生态系统中的生物多样性,3,保护与开发利用,（,1,）,就地保护,：设立自然保护区、基本农田保护区、商品粮基地等；开展生态农业建设；治理和改善生态环境。,（,2,）,迁地保护,：建立种质资源库、圃，如我校和农科院建立的水稻野生稻种质圃；引种栽培；野生动物人工驯养。,（,3,）,离体保存,：建立在低温下保存物种的基因库。利用它来贮存种子、精液和不同的繁殖体。,第三章 农业生态系统的综合结构,第一节 概述,一、生态系统的结构,物种结构（,species structure,组分结构）,时间结构（,temporal structure),空间结构：,水平结构,(horizontal structure),垂直结构,(vertical structure,）,营养结构（,nutritious structure ,食物链结构）,第一节 概述,二、合理农业生态系统结构的标志,1,生物适应环境,2,生物与生物之间相互配合,3,各组分之间量比关系协调,4,有利于农业生产的可持续发展,5.,有较高的生产力和经济效益,第二节,农业生态系统的水平结构,一、农业生态景观与农业生态系统的水平结构,1,景观多样性,(landscape biodiversity),2,边缘效应与生态交错带,（,1,）,城郊农业,（,2,）,基塘系统与滩涂养殖,（,3,） 农户庭院经济,第二节,农业生态系统的水平结构,二、自然条件对水平结构的影响,1,种植业与温度的关系。如不同气候条件下的农作物和耕作制度。,2,耕地复种指数与温湿度的关系。如从东到西的变化。,动物种类与气候的关系。干旱、寒冷（骆驼、牦牛、藏绵羊、黄牛）与湿润地区（水牛、大象等）的动物种类不同。,第二节,农业生态系统的水平结构,三、,农业区位和社会经济条件对水平结构的影响,1,不同区位对水平结构的影响,（,1,）,自然区位,(natural zone),自然条件差异为农作物与牲畜结构安排的重,要因素。如荔枝、龙眼、香蕉、柑橘等的分布,有其特定地区；又如骆驼、牦牛的分布等。,第二节,农业生态系统的水平结构,（,2,）杜能农业区位（商品经济发展初期）：,农产品只有到达市场才能获取效益，而运输成为制约条件。这样在自然区位的基础上增加了受运输制约的农业专业生产区域。即杜能农业区位。德国经济学家杜能于,1926,年提出经典的农业区位理论，阐述了产品流通对商品性农业的生产集约度和产品结构的影响。在假设前提下（自然条件一致；商品生产等），并提出了杜能圈,。,第二节,农业生态系统的水平结构,l,自由农作圈：集约程度很高，以蔬菜、牛奶、鲜花等不耐贮存的产品。,l,林业圈：薪柴、建筑、家具等利用。,l,轮作农业圈：不易腐烂变质的作物。采用,6,年轮作制。,l,谷物农作圈：谷物和畜产品。经营比较粗放，轮作中增加牧草的比重。,l,三圃式农作圈：谷物,-,牧草,-,休闲,l,畜牧圈：放牧或种植牧草,l,自然区域：森林、灌木等,杜能圈理论说明了农业布局不但取决于自然条件，而且取决于离城市的距离。,第二节,农业生态系统的水平结构,两个结论：,1,）生产集约度理论：,越靠近中心城镇，生产集约度越高。,纯收入：,B=,（,WP-C,）,-Wdt=a-Wdt,B:,纯利润，,W:,单位产量，,P:,产品市场价格，,C:,生产成本，,d:,距离，,t:,单位距离运费价格，,a:,未扣除运费前的收益。,两种不同生产方式，从市场到,d*,点的范围，生产者采用集约方式能获得较高的利润，而从,d*,开始，离城较远的生产者采用粗放的方式能获得较多的利润。,第二节,农业生态系统的水平结构,2,）,生产结构理论,：易腐烂变质、不耐贮存和单位重量价格低的农产品在靠近城市的区域生产，反之亦然。,美国,50,年代玉米生产带农业地域差异，类似于杜能区位结构。,（,3,）生态经济区位（经济高度发达阶段）：经济高速发展阶段，自然条件对农业的生产结构格局影响能力上升。如美国蔬菜原来主要集中在市郊，后来,1/4,集中在远离大城市的东南部，还形成了玉米带、棉花带等与自然条件相适应的区域。又如广东省的湛江、化州水果、蔬菜基地。,B=B2-B1=(a2-w2d2t)-(a1-w1d1t)=(a2-a1)-(w2d2t-w1d1t)= a-c,第二节,农业生态系统的水平结构,2,社会经济条件对水平结构的影响,（,1,） 人口密度梯度：,（,2,）城乡经济梯度：离城市越近，投入、鲜活产品增加，生产水平提高，收入增加。,第三节,农业生态系统的垂直结构,垂直结构又称立体结构，可以分为农田立体模式、水体立体模式、坡地立体模式、养殖业立体模式等。,一、自然地理位置与垂直结构,1,流域位置与垂直结构：,从上游,中游,下游,海拔、温度、养分、水分、,自然景观、生产力、经济,发展等变化。,第三节,农业生态系统的垂直结构,2,地形变化与垂直结构,（,1,）,大尺度地形变化：,如四川、云南高原：从低热层（甘蔗、冬春季蔬菜、热带性果树、药材等）,中暖层：发展粮、油、生猪、蚕桑、烤烟等）；高寒层：细毛羊、冷杉、铁杉等。,（,2,）,小尺度地形变化：,如四川江津县大桥乡：山顶松杉带帽；半山果棕缠腰；沟坝田土间套；低洼地养四大家鱼。又如广东潮州市官塘区秋溪乡的农业生产布局，坡顶用材林，坡腰经济林、果树，坡脚果树，旱地蔬菜、旱粮，水田水稻，低洼地养鱼等。,第三节,农业生态系统的垂直结构,二、农田立体模式,1,农作物间作：玉米,/,大豆（甘薯、棉花），小麦,/,棉花（蔬菜），棉花,/,油菜等。,/,套作，,/,间作，,-,复种， 隔年，,混作,2,稻田养鱼：鱼类取食浮游生物和水稻害虫，减少病虫害，增加水体氧气；鱼类的粪便和排泄物作为水稻的肥料。主要分布在四川、湖南、江西、江苏、广东等,3,稻萍鱼：福建、四川、湖南、广西等。上层稻株，中层红萍，下层鱼类。,4.,农田种菇：稻田、玉米地种蘑菇；甘蔗地种菇。作物为菇提供遮阴环境，剩余培养料为作物提供肥料。,第三节,农业生态系统的垂直结构,三、水体立体模式,1,鱼的分层放养：利用鱼的不同食性和栖息特性，,上层鱼：鲢鱼、鳙鱼，以浮游植物和动物为食；,中层鱼：草鱼、鳊鱼，以浮萍、水草、蔬菜、菜叶等；,下层鱼：鲤鱼、鲫鱼，以底栖动物、有机碎屑等杂物。,2,鱼牧结构：如鱼鸭（猪、鸡、鹅等）混养。,基塘系统：粤、浙、苏一带。桑基鱼塘、蔗基鱼塘、花基鱼塘、果基鱼塘、杂基鱼塘（如牧草、蔬菜、粮作等）。基塘系统随时间的变化。,第三节,农业生态系统的垂直结构,四、养殖业立体模式,1,分层立体养殖：节约棚圈材料和综合利用废气物，如新疆米泉县种猪场，上层笼养鸡，中层养猪，下层养鱼。,2.,林鱼鸭立体种养：湖北省新洲县林科所，在低洼积水区。,第三节,农业生态系统的垂直结构,五、农林立体模式,1,农林业系统,(agroforestry),的定义：同一土地单元或农业生产系统内既包含木本植物又包含农作物或动物的一种土地利用系统。,特点：复合性、系统性、集约性。在发展中国家发展迅速。,2,农林业模式举例,（,1,）桐粮间作：华北平原已达,300,多万公顷。分布在河南、山东等地。有几种类型：以农为主、以桐为主、桐粮并重等。,（,2,）枣粮间作：华北、西北等地，尤其在河北、山东较多。有枣树为主、枣粮并举、农作物为主等类型。,第三节,农业生态系统的垂直结构,（,3,）,林胶茶复合经营：在热带地区（云南、海南等）。防护型立体结构，具有良好的环境（减少水土流失，减少病虫害等）和经济效应。如海鸥农场茶叶作为绿色食品，效益很好。,（,4,）,林药间作：许多药用植物喜阴凉、湿润的环境。,南方丘陵区：,杉木、桐树与黄连、魔芋、天麻、三七、胡椒、肉桂、咖啡、可可等；,华北平原,：泡桐间作芍药、贝母、板蓝根、天南星、金银花等；,东北：,松树、杉树间作人参、桔梗等；三北农牧区：胡杨间作干草等。,第三节,农业生态系统的垂直结构,立体结构的生态学基础：,（,1,）对资源利用的种间互补（空间、时间、营养等）,（,2,）对系统稳定性方面的互补（抗灾，减少病虫害，改善生境，提高土壤