2022年《农业生态学》教程 .pdf

1 第一章绪论1-1 生态学形成和发展1-1-1 生态学定义一、生态学的定义生态学 ( Ecology)是生物学的分支，是一门宏观生物学。勒特 (Reiter)1865年合并 logos( 研究、学科 ) 和oaks( 住所) 构成 Biology(生态学 ) 一词。赫克尔（ Ernst Hackle，18341911，德国生物学家）1866年第一次提出并定义Ecology 。生态学：研究生物与环境之间相互关系的科学（1）生物与环境的关系（2）各种生物之间的关系（3）环境各要素之间的关系1-1-2 生态学形成和发展的几个阶段二、生态学形成和发展的四个阶段（一）生态学知识的累积阶段：生态现象描述公元前 300年，古希腊 Theophrastus 植物与自然环境的关系。古罗马 Pliny(公元 2379年) 将动物分为陆生、水生、飞翔三大生态类群。公元前 200年我国古籍管子 . 地员篇水分梯度与植物组成的关系管子，地员篇中，有关江淮平原上沼泽植物种类的带状分布与水文、土质的关系。）生态学知识累积阶段中国：二十四节气（实质是气候与生物关系的表述）: 立春、雨水、惊蛰、春分、清明、谷雨；立夏、小满、芒种、夏至、小暑、大署；立秋、处暑、白露、秋分、寒露、霜降；立冬、小雪、大雪、冬至、小寒、大寒。齐民要术本草纲目生态学知识累积阶段西方： 18世纪初，机械的自然观田园主义观点：简单与和谐的生活帝国传统：通过理性实践和艰苦的劳动建立人对自然的统治1-1-2 生态学形成和发展的几个阶段（二）近代生态学的创始阶段：实物观察记载Reamer(1683-1757) 昆虫自然史1749 Buffoon （法， 1707-1788 ） 生命律1803 Mathis 人口论：食物与人口的关系1807 Humboldt 植物地理学：植物分布与气候条件的规律性1859 Darwin 物种起源：生物进化学说创立1866 Hackle定义生态学1851 Compost （瑞典）样方法种群定量研究1863 Keener 介绍研究群落结构和动态的方法生态学一经诞生，立即分化为植物、动物和人类生态学等，出现了生态学发展的第一次高峰。1-1-2 生态学形成和发展的几个阶段（三）学科与学派的分化阶段植物生态学： 1895 Warming( 丹麦 ) 以植物生态地理为基础的植物分布学； 1898Schemer以生理学为基础的植物地理学。动物生态学： Jennings( 英) 动物行为； Adams and Shellfire(美) 动物生态演替；Davenport( 美) 动物群落生态（昆虫生态）1930年前后 : 英美学派以北美冰川地貌为研究对象动态生态学法瑞学派阿尔卑斯山脉为研究对象静态生态学北欧学派北欧森林为研究对象分布规律俄国学派生物地理群落为研究对象个体生态学与群落生态学阶段（1866-1935 ）1866 Hackle （德国达尔文信徒）Oaks（ECO ）Ecologies 国际植物学大会 1893年按近代拼法改为ecology Warming(丹麦人 )1895 植物生态学：趋同适应、生态型、互利共生、寄生、群落分类、生态演替过程Tansley1913 年英国生态学会成立的第一任主席，美国1915年成立生态学会，（中国1980年成立生态学会）个体生态学与群落生态学阶段（1866-1935 ）美国芝加哥大学的亨利. 考克斯，从水边到陆地的植物系列，演替关系。他的学生谢尔福德、亚当斯都是动物生态学权威内布拉斯加大学的弗雷德里克. 克莱门茨 1916年植物演替：名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 1 页，共 42 页 - - - - - - - - - 2 生物生态学（1941出版）一次世界大战结束后，小麦价格下跌。 1934年美国大尘暴1-1-2 生态学形成和发展的几个阶段（四）生态系统生态学的发展阶段1935 Tansley 第一次提出生态系统概念， 生态平衡1941 R.L.Lindeman “一个老年湖泊内的食物链动态”1952 E. P. Odom 生态学基础HTOdom ， Hutchinson 按研究对象分 : 植物生态学、动物生态学、人类生态学按组织水平分：生态系统生态学、群落生态学、种群生态学、个体生态学、细胞生态学、基因生态学按环境特点分：淡水生态学、海洋生态学、森林生态学、草原生态学、农田生态学、城市生态学生态系统生态学阶段（1935-1962 ）林德曼的老师是耶鲁大学的Hutchinson 教授林德曼 27岁因长期患病去世，发表文章前后观点：能量传递在高营养级更有效，呼吸消耗比例越高级别越大，生态演替早期过后生产效率急剧上升（如水体富养化）生态系统生态学阶段（1935-1962 ）相对论、物质的不确定性原则、量子力学出现哈佛大学的惠勒研究群居的白蚁、蚂蚁自我克制和利他主义的生存竞争。层创进化理论：物质生命人类意识。H.T.Odum，E.P.Odum 1953年出版生态学原理，父亲是区域社会学家。E.P.Odum 是伊 利诺斯大学谢尔福特的研究生， H.T.Odum是耶鲁大学的 Hachinson 教授的研究生1-1-2 生态学形成和发展的几个阶段（五）社会需求推动生态学向定向、定量、控制、模拟和应用方向发展的新阶段五大危机：污染、资源、能源、粮食、人口1962年，美国海洋生物学家卡逊（R.Carson ）寂静的春天用通俗的文笔，描述了一个受到人造化学品危害的悲惨世界。她的书是人类生态环境意识觉醒的标志。生态学开始被从高楼深院中请出来，以解决社会生活中的生态问题。联合国教科文组织：IBM(1964),MAB(1971) 世界环发大会 : 人类环境宣言( 斯德哥尔摩 ,1972);保护生物多样性公约、气候变化公约、关于森林问题的申明、21世纪行动议程和里约热内卢宣言( 里约热内卢， 1992) 生态学向调控与工程方向发展阶段（1962- ）1997在日本京都签署的京都协定书，是人类为防止全球变暖迈出的第一步，是人类有史以来通过控制自身行为以减少对气候变化影响的第一个国际文书，是国际社会为保护来以生存的地球环境经过多年努力所达成的重要结果。然而由于美国布什政府最近在京都协定书上开倒车，引起了国际社会的广泛关注，各方纷纷谴责美国这种不负责任的态度。生态学向调控与工程方向发展阶段（1962- ）加利福尼亚喷气推进实验室，研究金星和火星的生命，发现生命与大气共同进化现象。1969拉夫洛克提出大地女神“盖亚”假说“一个地区的动植物及其周边环境组成了一个能够单独地自动抵制不利生存变化的内在平衡系统” 。生命的最基本规则是合作与共生，而不是各自竞争。生态学向调控与工程方向发展阶段（1962- ）1966-1967 实验性小岛，麦克阿瑟和威尔逊得到“岛屿理论”麦克阿瑟认为提不出可以验证的预言的生态学还不算是一门科学，“预言、预言、再预言”，他认为IBP是失败的，认为科学总是“倾向机械论”的。自然界的正常状态是平衡？还是不稳定？“从历史看，生态学家认识干扰的重要性及其产生的异质性（镶嵌）总是太迟。” “因为主导思想是平衡论”生态学向调控与工程方向发展阶段（1962- ）自然界高度组织严密、整然有条、自行调节、状态稳定的生态系统转到生物圈中大多数时间和空间范围内出现的变化都显得是内在的和必然的合作竞争，整体局部，种群生态系统，秩序混沌，多样性稳定性“混沌学”“蝴蝶效应”初始状态的敏感性，系统的非线性生态学向调控与工程方向发展阶段（1962- ）生态学在应用中产生了很多应用性分支，如农业生态学、城市生态学、资源生态学、环境生态学、经济生态学等。生态学还与其他学科广泛交叉，产生如生理生态学、遗传生态学、化学生态学等。生态立法、生态工程、生态设计发展迅速。我国马世骏先生于1985年就提出生态工程概念，并于1987年主编出版中国的农业生态工程。1989年Mitsch 和Jorgensen 出版生态工程。 1991年召开第一届国际生态工程会议，并于1992年出版刊物生态工程。生态学向调控与工程方向发展阶段（1962- ）进入九十年代后，生态学的研究热点集中在生物多样性、全球变化和可持续发展方面。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 2 页，共 42 页 - - - - - - - - - 3 1996年美国生态学会主席Judy L.Meyer 在美国生态学会年会上提出生态学的5个前沿领域是生态工程、生态经济学、生态设计、产业生态学、环境伦理学。1-2 农业生态学的性质与任务1-2-1 农业生态学及其发展过程一、农业生态学及其发展过程农业生态学：把农业生产作为一个整体（农业生态系统）利用系统分析的方法研究这个系统的结构，功能、生产力及其控制管理以便达到最大生产力和最佳生态效果，这样的一门学科称为农业生态学。Papadakis 在1938年提出农业生态学：研究农田气候、土壤、生产力与作物特性的关系。1942 G.Azzi 农业生态学1972小田桂三郎（日本）农田生态学1979圣迭戈州立大学 G.W.Cox（美）等农业生态学1974年，国际性学术刊物农业生态系统创刊。1-2-2 研究的对象和基本内容二、研究的对象和基本内容1 对象：农业生态系统（argroecosystem ）2 基本内容（1）生态学的基本概念和原理（2）农业生态系统的结构生态系统：生物 +环境结构：水平结构垂直结构时间结构1-2-2 研究的对象和基本内容（3）研究农业生态系统的功能物流：物质在生态系统循环和利用过程. 能流：信息流：价值流：（4）农业生态系统在不同的自然条件和社会条件下所形成的类型，分布及特点（5）农业生态发展及演替规律（6）农业生态系统的调节与控制1-2-3 农业生态学的特点三、农业生态学的特点：（1）整体性农业生态学把农业视为一个整体，即农业生态系统。种植业、林、牧、副、渔、禽、鸟、虫、菌、微生物、各业是它的组成成分，各组分之间密切联系，相互依存、相互制约。（2）综合性环境资源生物群体人类技术（3）战略性指导农业的综合规划、农业资源的合理开发利用、农业生态环境的保护，以及高效的农业生态系统的建立和各业的协调发展等具有重大意义。1-2-4 农业生态系统的研究方法四、农业生态系统的研究方法1 定性描述2 常规的调查研究、试验研究3 系统分析法系统分析法：指通过定量研究，用数学的语言来描述不同事物之间的各种联系和随时间变化的规律，建立数学模型，进行试验，模拟农业生态系统的行为，对农业生态系统进行预测，管理和控制，利用系统工程和方法，对农业生态系统进行优化处理。1-2-5 农业生态学的任务五、农业生态学的任务总任务：研究协调生物与环境的关系，协调农业生态系统内各组成要素的关系，以使实现高生产力，高生产效率，经济效率和良好的生态效益。当前的任务：用农业生态学的原理去解决农业生产过程中全局性问题。长远任务：研究中国传统农业经验，及正确分析、对待发达国家的农业，分析和摸索我国如何实现农业现代化。第二章农业生态系统2-1 系统的概念一、系统的概念世纪三十年代到五十年代，一系列与整体、系统、控制、信息有关的科学相继诞生，这就是我们常说的“三论”，即信息论、控制论和信息论。年代系统论的创始人奥地利理论生物学家贝塔朗菲（LVBertelanffy）首先提出系统的概念系统：即若干个相互作用的部分联系起来的有机整体。我国著名科学家钱学森的系统定义为我们常用的定义。系统：由相互作用和相互依赖的若干组分结合而成的具有特定功能的有机整体。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 3 页，共 42 页 - - - - - - - - - 4 从这个概念可以看出，构成系统必须具备三个条件：两个或两个以上的组分；组分间密切联系；以整体的方式完成一定的功能。二、系统的结构：. 系统是由两个以上的要素（又称组分）所组成，各组成成分既相互独立分工，又有相互联系。组成成分：相互依存，相互制约，互为因果关系。系统的边界，系统是有边界的，这是区分系统内外的标志，系统的边界有时是自然形成的，如：一个有机系统，一个人，一个湖泊的边界；有时是人为划分的，如一个国家、一个农场、一个学校等。. 系统的层次系统常有不同的层次结构，这是普遍存在的。如：一个生物个体（狗）是一个系统，由各种器官组成，表现为整体的功能：跑，叫、吃等；狗又是由呼吸系统、消化系统、循环系统组成。各部分又自成系统，这种由系统内各组分自身构成的系统称为子系统；再往小说，组织，细胞，细胞器甚至生物大分子也是系统；往大了说。由同种生物生物组成的种群也是系统，由若干个种群组成的群落，由生物群落和环境组成的生态系统。可以说：任何系统都是由更小的子系统构成的，同时自身又是更高一级系统的子系统。系统的层次性是广泛存在的。典型的自然生态系统的层次：分子细胞器细胞组织器官个体种群群落生态系统社会系统的层次：人宿舍班系分院校全国高校教育体系相对来讲，层次越低，组分间的关系强度越大，层次越高，组分间的关系越松散。. 系统组分间的量比关系. 系统是个整体由于各组成成分之间相互作用的结果，使系统整体表现出新的功能，它不等于各组成成分功能的简单相加。. 系统是有一定结构的。系统中各组分按严格的等级、层次进行组合，是有序的而不是杂乱无章的；各组分间物质、能量交换和信息传递按一定路径进行，而不是随意的。. 系统必须有一个为主的目的。系统是一个功能单元，整体功能的发挥要求具有整体中心作用（马世骏），建立大系统的观点，对于全面地、客观地处理客观事物具有重要意义。三、系统的条件1. 有两个以上的组分2. 组分之间相互联系3. 以整体的方式执行一定的功能四、研究系统的方法1. 黑箱法：从分析输入输出着手研究，如中医2. 白箱法：从分析内部结构和相互关系着手研究3. 灰箱法：2-2 生态系统的概念一、生态系统的定义AG Tansley （英）生态系统的定义：只有在我们从根本上认识到有机体不能与它们的环境分开，而是与它们的环境形成一个自然生态系统，它们才会引起我们的重视。生态系统：指由生境（habitat）和占据该生境并联结在一起的生命有机体所构成的动态整体。生命有机体和它的无生命环境彼此不可分割地联系起来，并不断相互作用着，进行着物质的交换、能量的转化和信息的传递，成为占据一定空间，具有一定结构，执行一定功能的自然实体（Self-Containted entity）。其核心是生物群落。生态系统具有自我维持、修补和重建的能力，因而使生态系统在一定范围得以自我维持。系统内各过程在生物与环境相互作用下，总是趋向于相对平衡。二、生态系统的组成生态系统可分为两大部分：有生命(biotic)和无生命 (abiotic)；环境组分 (environment)和生物组分 (organisms)。1. 无生命成分：即无机环境，它是生态系统中物质和能量的来源，包括生命活动空间的大基质，即光、水、CO2 、O2 和各种矿物盐类等。2. 生命成分：包括所有的植物、 动物、微生物。按营养关系来划分， 可分为自养成分 （autotrophic component） 和异养成分（heterotrophic component）。为描述方便，可将生态系统的组分划分如下成分：（1）参加物质循环的无机物质，如C、N、CO2 、O2、H2O 、P、K、S、Fe等，存在于大气、水体、土体等。（2）联结生物和非生物部分的有机化合物，如蛋白质、脂肪、糖类和腐殖质等。（3）气候状况，如太阳辐射能、温度、风等物理因素。（4）生产者（ producers;primary producers）：是自养生物。包括绿色植物和一些化能合成细菌( 绿色和紫色细菌、蓝藻) 。初级生产 (primary production):生产者利用环境中的物质，把环境中的能量第一次以生物化学能方式固定到生态系统中。（5）大型消费者（ macroconsumers）：又称消费者（ Consumers），是异养生物，既主要吃食其它生物或有机物质颗粒的动物。可分为草名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 4 页，共 42 页 - - - - - - - - - 5 食动物 ( 一级消费者 ) 、肉食动物 ( 二级消费者 ) 、腐生动物、寄生动物和杂食动物（猪、鲤）。（6）小型消费者 (microconsumers)： 又称分解者 (decomposers) 、腐养者 (Saprotrophs)或渗养者 (Osmotrophs) ，属异养生物。主要是细菌、放线菌和真菌，也包括一些原生动物（如眼虫、草履虫等）及腐食性动物（如蚯蚓、蟹、白蚁等）。次级生产 (secondary production): 消费者利用初级生产提供的养分和能量通过代谢作用形成生物量。三、生态系统与一般系统的区别1在组成方面，它是由有生命的有机体和无生命的物质结合而成的，不仅植物，还包括与植物共同栖居的动物，微生物以及环境中作用于生物的物理、化学成分。2在空间结构方面：通常与特定的空间相联系，因而反映出一定的地区特性以及与此相联系的空间结构。3在时间变化方面，生物具有发育、繁殖（复制），生长与衰亡等特征。因而生态系统具有从简单到复杂、从低级到高级的演变规律，可分为幼年期、成长期、成熟期等阶段。4从内部功能方面，生态系统的代谢作用是通过复杂的能量、物质转化过程完成的。5具有复杂的动态平衡特征，不仅存在着种内、种间以及生物与环境之间的功能协调。6在外部关系方面，是一个开放的系统，不断从外界输入物质与能量，通过变换而输出，维持着系统的有序状态。四、生态系统中三大生物功能类群在自然界有机物质生产与分解中的作用在生态系统中各类生物的共同作用下，实现着重要物质的不断生产与分解。有机物质的生产与分解关系着大气中氧气含量的高低，有机物质的生产过程也就是释放氧气的过程，氧气是生物生存的条件。1. 自然界中有机物质的生产过程绿色植物（包括藻类种高等植物）：自然界有机物质的主要生产者，也是地球上生命活动所需氧气的主要供给者。光合细菌和化能合成细菌：也可以生产有机物质。低等藻类：需要简单无机物质，合成有机物质完全自养。2自然界中有机物质的分解过程在分解动、植物有机体方面起决定作用的是异养生物。异养生物分解有机物质的过程可分为两大类：即有氧呼吸（高等动物、多数原核生物）和嫌氧呼吸（一小部分腐食者生物）。分解有机物质的三个过程：（1）非生物和生物作用形成有机质颗粒腐屑（2）腐食者作用形成腐殖酸和产生可溶性有机物（3）腐殖质的缓慢矿化2-3 生态系统类型的划分和自然生态系统的生态效应生态系统的划分，无自然分类的原则。包括人在内生物圈是地球上最大的生态系统。一、生物圈（ biosphere ）：地球上全部生物及其生活域的总和。从大气圈到水圈，其厚度约定20Km 。多数生物活动的地方，其厚度约100m 。二、海洋生态系统：海洋面积 3.6 亿Km2 ，占地球表面的71% ，平均深度 3750米，是世界上最大的、层次最厚的生态系统。在生物学方面最丰富于多样性，海水中含盐量平均 3% ，具有很高的蒸发率，起着调节大气温、湿度的重要作用。其生产者主要是浮游植物和藻类，消费者是各种鱼类。三、淡水生态系统：包括河流、溪流、水渠等流动水体和湖泊、沼泽、池塘、水库等静水水体，其生物类群因水的流速和水层的光亮而不同。急流中：生产者是藻类，消费者是特殊器官的昆虫缓流中：生产者多为高等植物，消费者是穴居昆虫幼虫表水层：生产者是各种藻类。四、草原生态系统：世界草原面积约 30亿公顷，占陆地面积的24% ，分布在干旱和半干旱地区，雨量少（240450mm ），并集中在夏季。初级生产者主要是草本植物，消费者是除草食家外，主要是穴居的啮齿类和食草动物、野牛、羚羊、野兔等。五、森林生态系统：陆地上最大的生态系统，占有面积约45亿公顷，生物现存量最大，每公顷可达100400吨。据估计，每年全球森林生态系统固定的能量占地球陆地上固定的能量的68% 左右，有 1000万种物种是宝贵的基因库。森林生态系统具有复杂的形态和营养结构，不仅生产力高，且具有强大的生态系统功能，对农业生态系统起着巨大的作用：如调节水分，增加雨量；涵养水源，保持水土；防风固沙，保护农田；净化空气，防治污染；以及减低噪音，美化大地等。2-4 农业生态系统一、农业生态系统的概念1. 定义农业生态系统： 是人们利用农业生物与非生物环境之间相互作用，以及生物种群之间的相互作用，通过建立合理的生态系统结构和高效的生态机能进行物质循环和能量转化，并按人类理想进行物质生产的综合体系。2. 性质（1）以农业生物为主（2）受人类调控（3）以农业生产为目的二、农业生态系统的结构（一）环境名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 5 页，共 42 页 - - - - - - - - - 6 1. 自然环境（1）太阳辐射（2）大气圈（3）水圈（4）土壤岩石圈2. 人工环境（1）人工影响环境：水库、防护林、水源林（2）人工建造环境：A.无土栽培环境B.大棚温室环境C.集约化养殖环境（二）生物组分1. 目的生物：农、林、牧、副、渔2. 伴生生物：病、虫、杂草3. 人类：作为消费者和调节者三、农业生态系统区别于自然生态系统的特点：1. 发展方向自然生态系统的发展是定向的，即通过演替向顶极群落发展，其目的是为了获得最大的“保护”或“保持”，对群落本身是有利的，但并不一定符合人类的需要。农业生态系统为满足人类社会生活的各种需求，一般要求停留在高草群落阶段。2. 系统组分构成自然生态系统的生物是通过迁移过程由生态系统自身的选择决定的，对不良环境条件具有较大的抗逆性。其环境为自然环境。农业生态系统中占优势的生物是经过人工选育，常常具有较高的经济价值和较低的抗逆性，为了正常生活必须人为培管。其它动、植物通常都要予以抑制以至彻底消灭的。内在反馈机制受到削弱，系统的稳定性明显降低。从而使农业生态系统具有较高的净生产量和较高的光能利用率。在环境组分中，多了人工环境组分，各种自然环境如气体、水体、土体也受到人类活动的强烈影响。3. 开放性自然生态系统中生产者生产的有机物质几乎全部保留在系统内，许多化学元素基本上可以在系统内部取得循环平衡，是一个自给自足的系统。农业生态系统，为满足社会日益增长的需要，须对城市、工矿等提供大量的商品食物和工业原料。大量农畜产品输出，使营养元素离开系统。生态系统的结构状态不同，对营养元素的回收和保持能力也不同。与农畜产品大量输出的同时，必须有相应的物质输入，以维持生态系统的养分平衡。还必须投入较多的辅助能量，如化肥、农药、机械的使用，以及排灌、收获、贮藏、加工、耕耘、播种、中耕、防治病虫等各种机械操作，都需要消耗能量。4. 系统调控：农业是人类社会的一种生产活动，不但受到自然规律的制约，经济因素是农业生态系统中不要缺少的重要环节。农业技术的实施必须有劳力和资金的投入。农业生产是实际上是一个农业生态经济系统。任何农业系统的决策与实施都必须考虑到生态、技术、 经济和社会四个重要方面的相互影响与制约。总之，把农业生态系统看作是以日光能为动力的自然生态系统和以燃料为动力的城市工业系统的中间类型，有助于更好地认识目前工业化农业的矛盾。把农业生态系统看作是驯化生态系统有助于更好地认识自然界中自动产生并自动保持下来的许多内部过程。第三章农业生态系统的能流3-1 热力学定律一、热力学第一定律（能量守恒定律）U（系统内能变化）=Q （吸热） -W （对外作功）能量可以在不同介质中传递，也可以在不同形式间转换，但在所有这些过程中能量保持恒定，既不能创生，也不会消灭。二、热力学第二定律1. 能量的转换不可能达到百分之百有效。2. 自由能的提高不可能是一个自发过程。三、熵(entropy) 1. 熵(entropy):系统热量除以温度后得到的商。S=Q/T 熵是系统无序性的量度。2. 热力学第二定律（1）在一个内能不变的封闭系统中，任何自发过程均朝着熵值增加的方向进行。（2）开放系统从一个平衡状态到另一个平衡状态的任何过程，均使系统与环境熵值之和增加。四、耗散结构理论1. 耗散结构 (dissipative structure)：开放系统在远离平衡态的非平衡状态下，系统可能出现的一种稳定的有序结构。(Prigogine) 名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 6 页，共 42 页 - - - - - - - - - 7 2. 耗散结构理论：一个远离平衡态的开放系统，通过与外界进行物质与能量的不断交换，就能克服混乱状态，维持稳定状态，并且不断提高系统的有序性，使系统的熵减少。3. 有机体和生态系统都是远离平衡态的开放系统，存在一种连续而有效的能量转换，因而都属于耗散结构。光合与同化：引入负熵，保持有序状态呼吸与作功：排除正熵，排除无序3-2 食物链一、食物链（ food chain）和营养级（ trophic level）：1. 食物链（ food chain）：生态系统成员间，通过食物营养关系彼此联系起来的序列。2. 营养级（ trophic level）：食物链上的每一个食性级。以符号T来表示， T1表示第一营养级，T2表示第二营养级， T3,Tn 余此类推。食物链是生态系统内生物与生物之间相互联系的一种主要形式，是物质循环和能量流动的主要路径。二、食物链的种类按性质不同分为四类：（1）捕食食物链（又称草牧食物链 gazing food chain ）：是由植物到草食动物，再到肉食动物，直接消耗活有机体或其部分的食物链。在陆地上起始于绿色植物，在水中起始于浮游植物。如：水稻稻飞虱青蛙蛇老鹰人（2）腐生食物链（又称残渣食物链 detritus food chain）：由多种微生物构成，是以死有机体为营养源，通过腐烂、分解，将有机物还原为无机物质的食物。如：秸杆（畜粪）食用菌垃圾蚯蚓（蜗牛）（3）寄生食物链（ parasite food chain）：以寄生的方式取食活着生物有机体。食物链成员有自大到小的趋势。如：大豆菟丝子马蛔虫原生动物红铃虫金小蜂（4）混合食物链：构成食物链的各营养级中，既有活食生物成员，也有腐食生物成员。如：稻草牛蚯蚓鸡猪鱼三、生态系统中食物链的基本特点1. 在同一个食物链中，常包含有食性和其它生活习性极不相同的多种生物。一条食物链中包含的多种生物，可以使光合产物得到充分利用（分级利用光合产物），在有限的空间中养活众多生物。2. 在同一生态系统中，可能有多条食物链，它们长短不一，营养级数目不等。如一个鱼塘生态系统中：藻类水草草鱼绿藻甲壳动物花鲢浮游植物浮游动物虾噘鱼自然生态系统中，食物链营养级的数目是有限的3. 不同生态系统中各类食物链所占比重不同。(1) 森林生态系统：腐生食物链比重最大，约占系统中生产者所生产的有机物质的90% 以上。(2) 草原生态系统（牧场）：腐生食物链约占70% 左右。(3) 农田生态系统：植物生产的有机质大部分作为产品，留给腐生食物链的仅占净初级生产的2030% 。如果不通过粪肥、秸杆还田等途径向系统补充有机质，则系统中腐生食物链上的生物群落将会因为缺少食物能而衰退，引起土壤肥力的下降。4在任何一生态系统，各类食物链有协同作用。三、食物网食物网（ food web) ：在生态系统中，各种食物链交错起来构成的网状结构。食物网本质上是生态系统中有机体之间一系列反复的吃与被吃的相互关系。营养结构：以营养为纽带，把生物与生物、生物与环境紧密联系起来的结构。3-3 生态系统中的能源一、太阳辐射能是所有生态系统最主要能量来源可见光： 0.40.76 50% 生理效应红外线： 0.76 43% 引起热能紫外线： 0.4 7% 引起生物变性，致死太阳常数： So=1.94cal/cm2.min 到达地球表面的太阳辐射能强度，因纬度、地形地貌、坡度坡向、气候因子而不同。太阳辐射能量到达地球表面的分配示意图二、辅助能辅助能：生态系统中，除了太阳能以外的其它一切补加能量。包括自然能和人工能补给，如沿海河口潮汐的作用，风力的作用以及降雨和蒸发的作用等。对农业生态系统，辅助能主要构成是人们从事农业生产各项活动中投入的能量，当然，也继承了自然生态系统中的自然辅助能。3-4 生态系统的能流分析一、能流路径研究生态系统中能量流动，在于了解一个系统的能量输入、贮存以及作功之间的相互关系，从而减少能量损耗，提高能量利用效率。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 7 页，共 42 页 - - - - - - - - - 8 生态系统中能量是沿着食物链流动的： Tn-1 Tn NUn NAn Rn NPn-1 摄入量 In An NPn 注： NP ：净生产量 A：同化量Nu ：未同化量 NA：未同化量二、生态效率生态效率：能量通过各营养级的转化效率。1营养级之间（ Tn-1 Tn）（1）摄入效率 In/In-1 （2）同化效率 An/An-1 （3）生产效率 NPn/NPn-1 2营养级内部（1）同化效率： An/In （2）生态生长效率：NPn/In （生产效率）（3）组织生长效率：NPn/An 三、生态金字塔1. 生态金字塔：营养级由低到高，它们的个体数或能量的分布形成一个塔形结构，就称为生态金字塔。2. 三种基本类型：（1）生物个体数数目金字塔（2）每种生物的现存生物量生物量金字塔（3）能量能量金字塔3-5 农业生态系统的能流一、能源生物界的能源，直接、间接地来源于太阳的辐射能。农业生态系统有大量的人工辅助能输入，同时有大量的能量以农产品的形式输出系统外。太阳能仍是主要能量来源，但辅助能所占的比例大大提高了。自然辅助能太阳能、风能、潮汐能等辅助能工业能：农药、化肥、农机、电力、燃料、薄膜、设施人工辅助能生物能：劳动、畜力、有机肥、燃料食物能：种子、种苗、饲料、种畜、种禽二、人工辅助能提高农业生态系统生产力的原因1辅助能的投入，促进农作物对太阳能的吸收、利用和转化。2减少农业生物的非生产能量损耗。3使农业生产中的一些自然生物过程可以用人工过程取代，提高效率。三、工业辅助能的使用所带来的一系列的问题1辅助能的效益随着辅助能的增加而降低。2能源紧张。3 化肥农药对农业环境造成污染。3-6 农业生态系统的能流分析一、能流符号二、能流分析法1确定研究对象和系统边界。2确定系统的组成成分及相互关系，绘出能流图。3搜集资料，确定各种实物的流量与输入输出量。直接从有关统计资料中得到。到实地进行调查获取资料。间接估算，利用他人的成果。4将各种实物流量折算成能量，标在能流图上。5结果分析。（1）输入能量的结构分析。（2）产出能量的结构分析。（3）能量输入密度。（4）能量产出密度。（5）各种能量的转换效率。人工辅助能效率=总产出能量 / 人工辅助能投入量工业辅助能效率=总产出能 / 工业辅助能投入量各种生态效率名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 8 页，共 42 页 - - - - - - - - - 9 三、农业生态系统的能流模型进入农业生态系统的能流，是沿着以农田、草地、林果、水域为发端的几条主要食物链运行的。由于畜禽（鱼）、加工业及作为消费者的人的存在，在这些食物链的下游形成了交错复杂的网状结构。（一）农田亚系统：农业生态系统主体、辅助能投入重点输出的能流：人、畜禽、城市、还田（二）畜禽亚系统：（三）林果亚系统：个体大，生育期长， 强自我维持能力和光能转化，生态效益 （保持水土、 改善气候、 稳定良好的生态环境、为病虫害的天敌活动提供保护），提供多样化食品、生产资料和生活资料，改善农村景观（四）加工业亚系统：第四章农业生态系统的物流物流也和能流一样，是生态系统的基本功能之一。有机体和生态系统为了生存与发展，除了不断输入能量外，还须不断输入物质，因此物质既是生命活动的物质基础，又是能量的载体，起着双重作用。能量和物质是同时沿着食物链流动和传递的。但能量流动是单方向的，是一个不断耗散的过程；而物质流动则是循环的。生态系统中的生产者通过根系从土壤中吸收矿物质和水分，由叶片吸收CO2 ，以太阳能为动力合成有机物质，然后沿着食物链移动。在每次物质转移中都有物 质 丢 失 ， 但 丢 失 的 部 分 都 将 回 到 环 境 ， 为 植 物 从 新 吸 收 . 利 用 。 因 此 物 质 是 可 以 循 环 的 ， 并 且 是 周 而 复 始 地 被 利 用 。第一节基本概念和原理一、生物地球化学循环（Biogeochemical cycles）概念：各种化学元素，包括原生质中必不可少的元素，在生态系统乃至生物圈里沿着特定的途径，从周围环境到生物体，再从生物体到环境，不断地进行流动和循环，这些不同的循环途径就构成了生物地球化学循环。（二）类型：根据物质循环的范围、路线和周期不同，可分为：地质大循环：物质和元素经生物体的吸收作用，从环境进入有机体内，然后生物以死体、残体、排泄形式将物质或元素返回环境，进入五大自然圈的循环。大气圈区水圈五大自然圈土壤圈岩石圈生物圈特点：时间长、范围广，是闭合性循环，具有全球性质。 (几百年、几千年、几百万年，甚至上亿年) 如，。打气中的CO2 通过生物圈的光合和呼吸作用约好300年循环一次。O2通过生物代谢，约2000年循环一次。水圈（包括占地球表面71% 的海洋）中的水，通过生物圈的吸收、排泄、蒸腾每当 200万年才循环一次。至于由岩石土壤圈风化出的矿物元素循环一次则需要更长的时间。甚至要经过几亿年。（2）。生物小循环：是指环境中元素经生物体吸收，在生命系统中相继利用，然后经分解者分解成无机态进入环境，再为生产者吸收利用。特点：在一个系统内、范围小、时间短，是开放的循环。根据循环主要是与打气循环，还是与岩石土壤或水圈联系划分（根据物质在五大自然库的库存量的主次、大小和固定的时间长短）（1）气体型（ Gaseous types）: 其贮存库在大气中。元素或化合物可以转化为气体形式，通过打气进行扩散，弥漫于陆地或海洋上，在很短时间内又可被植物重新利用。如C 、N、O 等由于有巨大的大气储存库。对于干扰可相当快地进行自我调节。因此，从全球意义上看，这类循环是比较完全的循环。沉积型（ Sedimentary types）其贮存库在地壳里。经风化作用从陆岩石缓慢释放的某些化合物或元素被植物吸收，参与生命物质的形成并沿食物链运转，然后动植物有机体经微生物的分解作用又将元素返回环境，除一部分保持在土壤中供植物吸收利用外，一部分以溶液或沉积物状态随流水进入海洋，经沉降，淀积和成岩作用变成岩石，当岩石被抬升并遭受风化作用时，该循环才算完成。这类循环是缓慢的，倾向于不完全的循环，并且容易被局部扰所破坏。如P、S、Ca 、I 、K、Na等循环。二、物质循环的库、流（Flow）流生态系统中的能量和物质不是静止不动的，而是不断地流动着。能量和物质通过食物链形成的转移运动状态，称为流。生态系统中两个主要的流是物质流积能量流。农业生态系统要获得高的生产力，就要使系统内的能量和物质的流量多，且畅通无阻。库（ pool ）生态系统中能量和物质在运动过程中被暂时固定，贮存的场所，称为库。名师资料总结 - 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