1、农业生态学教案农业生态学 （Agroecology) 农业生态学是用生态学和系统论的原理和方法 , 将农业生物与其自然环境作为一个整体 , 研究其 中的相互 作用、协同演变 , 以及社会经济环境对 其调节控制规律 , 促进农业全面持续发展的学 科。 Agroecology is a branch of ecology in agriculture. It studies the structure, functions, regulation, and management of agricultural ecosystems. The aim is to develop sustainabl
2、e agriculture. 生 态 学 (Ecology) 研究生物和环境之间相互关系及其作用机理的学科Ecology is a science which studies the interactions (relationships) between organisms and their environment. Ecology is taken from two Greek words Oikos means house logos means understanding or studying E Haechel 1869 defined ecology for the first
3、 time 教学目标 1.系统地掌握生态学的基本原理，建立起生态系统的观点，加强生态环境意识，树立人与自然协调相处的观念； 2.掌握农业生态学要揭示农业生态系统的结构组成规律、功能运转规律、输入输出构成规律、效益与效率提高规律、 系统调控规律、系统演变规律等。 3. 通过对农业历史、 现状和未来的分析， 使学生了解国际和国内的农业生态问题和解决的途径， 对生物多样性保护、 生态农业建设、农村可持续发展、健康安全食品生产有一个全面的认识，使学生今后能自觉尊重生态规律和经济规 律，注意资源的保护，为农业的持续健康发展服务。 农业生态学课程主要内容 1. 绪论：概念、发展史、研究对象 2. 农业生态
4、系统的结构：基本生物结构和综合结构 3. 农业生态系统的功能：能量流动和物质循环 4. 农业资源及其效益 5. 农业生态系统的调节及控制 6. 农业的可持续发展 7. 中国的生态农业 8. 农业生态工程主要章节生态学的产生与发展 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 1.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）等部分温室气体情况（ ml/m3 ) 2.环境破坏问题：水土流失、沙漠化、盐碱化 后果：对人体健康、植物、生物化学循环等都有明显
5、影响。 3. 生物多样性锐减 (reduction of biodiversity)（右图是濒临灭绝的大熊猫、东北虎和已灭绝的澳洲袋狼）遗传多样性 genetic biodiversity 物种多样性 species biodiversity 生态系统多样性 ecosystem biodiversity （二）国内面临的环境问题 1.土地环境退化 土地环境退化：水土流失 (soil and water erosion) 土地环境退化 沙漠化 (desertification) 、盐碱化 (salinization) 2. 植被破坏：森林、草地、城市绿地等 3. 环境污染：工业三废、农业污染、城
6、市垃圾等 (赤潮及其危害情况赤潮及其危害情况) 赤潮及其危害情况 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。 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 env
7、ironment) ，也包括动物、植物、微生 物等生物环境 (biotic environment) 。 三、生态学发展的历史阶段 1. 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） 。 （1）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； （2）公元 100-200 年秦汉 “ 二十四节气 ” ； （3）明朝马 - 龙农说 ，用阴阳来描述生态平衡。 （4）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） （1）17
8、49 年布丰生命律 1803 年马尔萨斯人口论 ； （2）1859 年达尔文发表物种起源 ，创立了生物进化论 （3）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。 3. 近代生态学时期（ 20 世纪 40 年代 60 年代） 。 （1）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。 （2）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 ” 。 （3）1952 年 E. P. Odum 发表了生态学基础 ，第一次以生态系统为中心
9、建立了完整的生态学。 4. 生态学应用与调控时期（ 20 世纪 60 年代以来） 。 （1）1962 年寂静的春天 1962 年的 IBP 计划（国际生物学计划） ； （2）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） （3）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 （4） 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
10、许多生产领域 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
11、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 1972 年日本小田桂三郎发表农田生态学 1978 年 G.W.Cox 发表农业生态学一书，农业生态学 开始建立起来 1987 年马世骏出版农业生态工程 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
12、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 （1）旧石器以前的原始时代： 人类完全依赖自然，生产力 极低 （2）人类开始改造自然时代： 人类开始改造自然和利用更 多的自然资源从原始社会到工业时代 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。 （3）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。 （4）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
13、合。 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， 100 （ 到 个，已有 7 个获联合国 全球 500 佳称号。 北京留民营村、浙江萧山山一村、辽宁大 洼县西安生态养殖场、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 ） 。 系统是由相
14、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。 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。2.系统的结构特点 系统都有边界。 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。 构成系统的组分间有一定的量比关系。 系统的组分在空间上有一定的排列位置关系。 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： “ 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
15、引起这种特性 或响应规 律的系统内部原因。 “ 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。 “ 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。 二、生态系统 (Ecosystem) 1 生态系统的定义 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。 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。 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
16、特定地点上的同质区域称为景观元素。 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。 环境组分包括四方面：辐射 (Radiation) 、 气体 (air) 、水 (water) 、土体 (soil) 。 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) 。 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
17、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。 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)分为： a.森林生态系统 b.草原生态系统 c.农田生态系统 淡水生态系统 (Freshwater ecosystem) 海洋生态系统 海洋生态系统 (Ocean ecosystem) 。 (2). 根据受人类干扰的程度可划分为： a.自然生态系统 b.人工驯化的生态系统 c.人工生态系统。 三、农业生态系统(agroecosystem) 1 农业生态
18、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。 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 st
19、ructure) 。 4 农业生态系统的基本功能 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。 物 质 流 (matter flow) ： 各 种 化 学 元 素 在 生 态 系 统 中 被 生 物 吸 收 并 传 递 ， 在 生 物 与 环 境 之 间 以 及生物与生物之间形成连续的物质流。 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。 价 值 流 (catipal flow) ： 价 值 可 以 在 农 业 生
20、 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 生物构成 环境组分 系统稳定性 开放性 净生产力 自然生态系统 生物 自然环境 高 封闭 低 农业生态系统 农业生物、人类 人工调控 低 开放 高服从规律自然规律自然和经济规律第四节 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
21、合、转化、反馈等。 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 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 农业生态系统研究涉及各组分的结构功能、投入产出，收据收集需要第一手数据，也需要集第二手数据。 农业生态学研究中也运用常见的实验设计方法如正交设计、回归设计、均匀设计，及常见的数理统计方法如方差分析、回归 （ 3 ）研究
22、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分析等。由于农业生态学研究常涉及系统问题，因此以数学和计算机为主要工具的系统分析方法已经成为农业生态研究中最具特 色的研究方法。系统分析方法包括对农业生态系统的运动模拟、关系分析、类型划分、效益评价、优化设计、发展预测等。2传统方法：气象、土壤 3现代方法：宏观方法： GIS 、 RS 、 GPS 计算机方法农业生态系统的结构-基本生物结构 第二章 农业生态系统的结构 基本生物结构 Chapter 2. Structure of agroecosystem _Basic biotic structure由生物构成的种群和群落，既是
23、生态系统的重要组分，又是生态系统能量流动和物质循环的核心。 分别从个体、 种群和群落水平研究生物之间、生物与环境之间的相互关系及其作用规律，是生态学研究的基础和核心，也是农业 生态系统调节控制和系统生产力提高的理论基础。第一节 农业生态系统的生物与环境 一自然环境 自然环境是生态系统中作用于生物的外界条件的总和。 包括生物生存的空间， 以及维持生命活动的物质和能量。 自然环境中一切影响生物生命活动的因子均称为 生态因子 （ ecological factor ） ，如辐射强度、温度、湿度、土壤 酸碱度、风力等等。太阳辐射以及地球表面的大气圈、水圈和图圈综合影响着这些生态因子。 （一）太阳辐射
24、地球上生命存在的能量主要依靠来自太阳的辐射。 太阳辐射有两种功能： 一种是通过热能形式温暖地球，使地球表面的土壤、水体变热， 推动着水循环，引起空气和水的流动，为生物生长创造合适的 温度条件； 另一种功能是通过光能形式被绿色植物吸收，并通过光合作用 形成碳水化合物，将能量贮存在有机物中。 二）大气圈 大气圈是地球表面包围整个地球的一个气体圈层。 大气的主要成分是氮、氧、氢和二氧化碳 大气圈供给生物生存所必须的各种元素，而且在提供保护 地面生物的生存条件中起着良好的作用。大气圈不仅防止了地 球表面温度的急剧变化和水分的散失，并能防护地面的生物免 受外层空间多种宇宙射线的辐射。 （三）水圈 水是细
25、胞原生质的组分和光合作用的原料，是各种物质运 输的媒介，是生物体内各种生化反应的溶剂；水有较高的汽化 热和比热，可以调节和稳定气温。（四）土壤圈 土壤具有独特的结构和化学性质，是固相、液相、气相共 存的三相体系，具有巨大的吸收能力与贮藏能力，为生物的生 长提供了适宜的条件。土壤不仅是植物生长繁育的基础，而且 是物质和能量的贮存和转化的重要场所。 二人工环境 农业生态系统是人类干预下的生态系统。广义的人工环境包括所有受人类活动影响的环境，可以分为人工影响 的环境和人工建造的环境。（一）人工影响的环境 在原有的自然环境中，人的因素促使其发生局部变化 的环境。例如，为改变局部地区的气候，控制水土流失
26、， 使农作物高产稳产，而人工经营的森林、草地、防风林、 水保林等。为控制旱涝灾害而兴建的水利工程。这些人工 影响的环境在不同程度上仍然依赖于大自然。（二）人工建造的环境 人工建造的环境是指人类根据生物生长发育所需要的 外界条件进行模拟或塑造的环境如 无土栽培环境、大棚温 室环境、集约化养殖环境等。三环境对生物的制约 （一）最小因子定律 德国化学家李比西（ Justus Liebig）提出“植物的生长取决于数量最不足的的那一种营养物质”，即最小因子定 律。E.P. Odum（1973）对最小因子作了两点补充。 （ 1 ）这一定律只有在相对稳定状态下才能运用。 （ 2 ）要考虑因子间的相互作用。
27、（二）谢尔福德耐性定律 在生物的生长和繁殖所需要的众多生态因子中，任何一个生态因子在数量上的过多过少或质量不足，都会成为 限制因子。即对具体生物来说，各种生态因子都存在着一个生物学的上限和下限（或称“阀值”） ，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（又称耐性限度） 。 E. P. Odum （ 1973 ）等对耐性定律作了如下补充： （ 1 ）同一种生物对各种生态因子的耐性范围不同，对一个因子耐性范围很广，而对另一因子的耐性范围可能很 窄。 （ 2 ）不同种生物对同一生态因子的耐性范围不同。对主要生态因子耐性范围广的生物种，其分布也广。仅对个 别生态因子耐性范围广的生物，可能受
28、其它生态因子的制约，其分布不一定广。 （ 3 ）同一生物在不同的生长发育阶段对生态因子的耐性范围不同，通常在生殖生长期对生态条件的要求最严格， 繁殖的个体、种子、卵、胚胎、种苗和幼体的耐性范围一般都要比非繁殖期的要窄。例如，在光周期感应期内对光 周期要求很严格，在其它发育阶段对光周期没有严格要求。 （ 4 ）由于生态因子的相互作用，当某个生态因子不是处在适宜状态时，则生物对其它一些生态因子的耐性范围将会缩小。 （ 5 ）同一生物种内的不同品种，长期生活在不同的生态环境条件下，对多个生态因子会形成有差异的耐性范围， 即产生生态型的分化。 任何一种生物，对自然环境中的各理化生态因子都有一定的耐性范
29、围，耐性范围越广的生物，适应性越广。据 此，可将生物大体划分为广适性生物和窄适性生物。 （三）生活型（ life form）和生境（habitat） 1生活型 由于环境对生物的限制作用，不同种的生物长期生存在相同的自然生态条件和人为培育条件下，会发生趋同适 应，经 过自然选择和人工选择形成具有类似形态、生理和生态特性的物种类群称为 生活型 。生活型是生物对综 合环境条件的 长期适应，而在外貌上反映出相似性和一致性的生物类型 。 对植物生活型的分类应用最广的是丹麦植物学家 C. Raunkiaer 的生活型分类系统。他认为地球上的各个地区， 冬季和旱季是植物生活中最严酷的临界期。他以温度、湿度、
30、水分作为指示生活型的基本要素，以植物度过生活不 利时期对恶劣条件的适应方式为基础，具体以休眠芽或复苏芽所处的高低和保护方式为依据建立了生活型系统（图 2.1） 。图 2.1 Raunkiaer 生活型图解（引自 C. Raunkiaer,1934 ） .高位芽植物 .地上芽植物 .地面芽植物 .地下芽植物（ 1 ）高位芽植物 这类植物的芽和顶端嫩枝是位于离地面较高处的枝 条上，如乔木、灌木和一些生长在热带潮湿气候条件下的 草本等。 它们之中根据体型的高矮又可分为大型 30m 以 （ 上 ） 中 型 （ 8-30m ） 小 型 （ 2-8m ） 以 及 矮 小 型 ， ， （ 0.25-2m ）
31、四类，即大、中、小、矮高位芽，然后又根 据植物是常绿还是落叶，以及是否具有芽鳞这两类特征， 进一步划分为十五个亚类。2 ）地上芽植物 这类植物的芽或顶端嫩枝位于地表或接近地表处，一 般都不高出土表 20-30cm ，因此它们受土表的残落物所 保护，在地表积雪地区也受积雪的保护。（ 3 ）地面芽植物 这类植物在不利季节，植物体地上部分死亡，只有被 土壤和残落物保护的地下部分仍然活着，并在地面处有 芽。（ 4 ）地下芽植物 这类植物度过恶劣环境的芽埋在土表以下，或位于水 体中。（ 5 ）一年生植物 一年生植物只能在良好季节中生长，在恶劣的气候条 件下，它们以种子形式度过不良季节。2.生境 在环境条
32、件的制约下，具有特定生态特性的生物种和生物群落，只能在特定的小区域中生存，这个小区 域就 称为该生物种或生物群落的 生境 。生境也称栖息地 四.生物对自然环境的适应 （一）生态型（ ecotype） 同种生物的不同个体群，长期生存在不同的自然生态条件和人为培育条件下，发生趋异适应，并经自然选择和 人工选择而分化形成的生态、形态、和生理特性不同的可以遗传的类群，称为 生态型 。 根据形成生态型的主导生态因子类型的不同，可以把植物生态型划分为气候生态型、土壤生态型和生物生态型 三种。 1、气候生态型：长期适应不同的光周期、气温和降水等气候因子而形成的各种生态型。例如，水稻的早、中、晚 稻属于不同的光照生态型；籼稻、粳稻是不同的温度生态型。 2、土壤生态型：长期在不同的土壤水分、温度和肥力等自然和栽培条件的作用下分化而形成。例如，水稻和陆稻 主要由于土壤水分条件的不同而分化形成的土壤生态型。 3、生物生态型：是指主要在生物因子的作用下形成的生态型。例如，各种作物对病、虫、草具有不同抗性的品种 群。 (二)生态位（niche） 生态位 可表述为：生物完成其正常生活周期所表现的对特定生态因子的综
