9作物与作物生态系统

第九章作物与作物生态系统,2学时,内容提要一、作物起源与生态型分化二、作物资源三、作物生态系统,第九章作物与作物生态系统,作物的种类繁多，并因起源地不同及长期异地驯化栽培和人工选择的结果，形成了在生长发育和生理特性上要求特定环境的各种生态类型。依据作物或品种的生态特性与当地自然条件相适应的特点，所设计的不同种植制度和种植方式，便形成了各种作物生态系统。,第九章作物与作物生态系统,1.1作物起源作物起源:狭义是指人类最初驯化的植物及其地点;广义则指在驯化前由更原始的野生基本种经逐步演化形成为现今作物的历程。,一、作物起源与生态型分化,栽培植物八大起源中心学说八大中心彼此为山丘、沙漠、海洋所隔离，农业是独立发展起来的，农具和耕作方法均不相同，每个中心都有不少种作物的起源和发展，又有各种变异类型，显示出起源植物的丰富多样性。,一、作物起源与生态型分化,表9-1八大起源中心及起源的主要栽培植物,12大基因中心学说茹科夫斯基等提出12大基因中心的学说：将全世界作物的变异中心地区，划分为12个大基因中心，在这12个区域内，不仅有的是作物最初被驯化地点，也有的是作物在被引入后又形成隐性基因性状多样化的次生地点。起源中心学说为搜集和丰富不同作物基因资源指明了途径，对改进品种并充分利用近缘亲属植物的有益基因具很大促进作用。,一、作物起源与生态型分化,图9-1茹科夫斯基栽培植物十二大基因中心1.中国-日本；2.印度支那-印度尼西亚；3.澳大利亚；4.印度；5.中亚细亚；6.西亚细亚；7.地中海沿岸及邻近区域；8.非洲；9.欧洲-西伯利亚；10.玻利维亚-秘鲁-智利；11.中美洲和墨西哥；12.北美洲,1.2作物演化野生植物被驯化并经过上万年的栽培后，由于环境条件的改变、与其他生物自然竞争的减少、营养条件的改善、人类对所发生的能遗传的变异加以有意识或无意识的选择、分离和繁殖，使得其外部性状及内部生理特性与最初驯化时有很大差异，这称之为演化。如：作物经人类扩大栽培地区后，为适应不同环境而产生不同的生态型，多年生变为一年生，光周期敏感性的减弱，种子丧失休眠期，丧失或降低对自然界逆境的适应性，果实或种子由小变大且更加适口等。但这些变化不是超越物种以上的变化，因这些后代基本上能与其起源祖代进行杂交繁育，而在物种间一般是具有生殖隔离效应的。作物的演化是朝有利于人类的方向发展。,1.3作物生态型与品种生态型*生态型：是指不同作物因遗传上的差异或同种作物因发生了可遗传的变异而形成适应不同生态环境的作物群或品种群。*不同作物的生态型分类依成花对日长的要求：短日性作物，长日性作物，日中性作物；依光强适应性：荫生作物、耐荫作物、阳生作物；依生长发育对温度的要求：寒带作物、温带作物、热带作物；,一、作物起源与生态型分化,1.3作物生态型与品种生态型*不同作物的生态型分类依土壤酸度适应性：酸性土作物、中性土作物、碱性土作物；依土壤含盐量：耐盐作物、淡土作物；依水环境适应性：水生作物、湿生作物、旱地作物。某一特定生态型的不同作物对其特定生态环境具备相同或相近的要求及适应机理。,一、作物起源与生态型分化,1.3作物生态型与品种生态型*同种作物的品种生态型同种作物因长期异地驯化栽培或经人工杂交选育，可在形态、生理和生态性状上产生相对稳定的遗传变异，而形成新的生态型，这在习惯上称之为品种生态型。如小麦中的强冬性、冬性和春性品种，水稻中的早、中、晚熟品种是对温、光反应不同的生态型。研究作物及品种的生态型，对选择适应于当地生态环境的优良品种、引种驯化、制定生态区划，以及充分利用当地自然资源等方面均有重要意义。,一、作物起源与生态型分化,二、作物资源世界上主要作物类型，栽培面积与总产量,表9-2世界主要作物的面积、可食性干物质（DM）和粗蛋白质的产量（1988）（谷类和豆类产量值按干物质含量0.86的比例做了调整，括号内数字为估计数）,注：1：糖产量；2：包括干菜豆、豌豆、鹰嘴豆和蚕豆；3：假定蔬菜、瓜类、水果和浆果含20%干物质，带皮坚果含50%可食性干物质；4：总“可耕地”中，种短期性作物的为1022Mhm2;平衡式(1373-1022=351Mhm2)包括短期草场和休闲地；“永久性”作物包括所有的树木和蔓生作物（水果、坚果、浆果、葡萄、橡树、可可、咖啡和茶树）。资料来源：1989年FAO生产年鉴；蛋白质含量来自多方面资料（M：百万）,续,二、作物资源我国幅员辽阔、纬度垮度大，具寒带至热带的各种气候类型，适于世界上各种作物的生长，而且是许多作物的起源地，作物资源极其丰富。我国所搜集保存的水稻品种资源达4.3万余份，其中地方品种占80%，引进品种占10%，育成品种占4%。小麦品种约3万份，其中地方品种和育成品种1.9万份，引进品种近万份。我国作物种类和品种的多样性，为作物生产的因地、因气候种植，抗逆性种植，高产稳产种植，提供了充分的选择余地。,三、作物生态系统3.1概念与基本特性（1）作物生态系统以农田为样块、以作物为中心，由作物与其他生物及非生物组分所建立的、按人类社会需求进行物质生产的一种人工生态系统。作物生态系统与其他自然生态系统的最大区别是不仅受自然生态规律的支配，而且在很大程度上受人为过程和社会经济规律的支配。也即系统中的作物生产不仅利用自然科学的原理，而且需要技术、经济和农民本身的技能。,3.1概念与基本特性（2）基本特性作物生态系统的区域性强，并通过多种多样的农作制度和种植方式来体现其结构和功能。农作制度尽管很复杂多样，但均具以下基本特性。生态特性生产力：单位土地面积上有用产物的产量。它受环境的制约，但人类可对作物的生态环境进行相对优化调控，因此作物生态系统的生产力比自然生态系统高。稳定性：系统生产力随时间的变化情况，即产量的可重复性和可预见性。稳定性取决于作物对环境变化的反应敏感性。,三、作物生态系统,3.1概念与基本特性（2）基本特性生态特性：可持续性：在同一地点生产力水平能否保持长期不衰减。它取决于生态环境的适宜性和对农作资源的安全、有效与永续利用。,三、作物生态系统,3.1概念与基本特性（2）基本特性社会特性农业是更大外部社会的延伸，社会为作物生产提供生产资料、科技、知识、农产品市场，而国家农业政策、市场需求及价格水平又为作物生产的决策提供信息，从而使作物生产具重要社会特性，即公平性与自主性。,三、作物生态系统,3.1概念与基本特性（2）基本特性社会特性公平性：农民所经营的作物生产体系与外部社会的利益均衡性。公平性受市场需求和价格水平的调节，但政府的农业政策对公平性有重要影响。自主性：作物生产对社会的依赖程度。传统自给自足农业因不使用化肥、农药及动力机械，自主性高，但生产力水平低、对社会贡献小。现代集约化农业则极大依赖于社会所提供的生产资料和科技知识投入、市场需求，其自主性低，但生产力水平高，对社会贡献大。,三、作物生态系统,3.2作物生态系统的结构在一定意义上，作物生态系统的结构主要是指依据气候资源、生产条件和当地经济发展水平所设计的种植制度与种植方式。种植制度：一个地区或生产单位（农场、农户）的作物组成、配置、熟制与间混套作、轮连作等种植方式的总称。种植方式：在一块土地上，一季或一年内，栽种作物的种类及其配置方式。包括单作、间作、混作、套作、复种以及沟、垄、穴、畦、厢种的作物搭配和株、行、带距的配置方式。,3.2作物生态系统的结构（1）环境与作物适应结构作物的生长发育程序受基因控制，但基因表达的时空和强度受环境的制约。同时，不同作物因遗传特性的不同，在完成生活周期的过程中，要求不同的环境条件（如日长、温度、水分、土壤类型等）。也即不同作物只有生长在与其要求相适应的环境条件下，才能顺利完成生活周期和形成高额的产量。在组建作物生态系统时，应因地制宜选择作物种类和熟制，因地制宜确定播种期，使作物的生长发育与所处的环境条件及其季节性变化相偶合（参见表8-5、图8-7、表9-3），这也是作物生产成败的关键。,表9-3川西滇北地区山地立体农业生态系统的垂直分布结构,3.2作物生态系统的结构（2）空间结构空间结构：在地块中作物的种植方式,包括单作、间作、混作、套作和种养结合的结构形式。合理的空间结构（种植方式）可以充分利用光能、地力和作物种间关系，最大限度地提高单位面积产量和经济效益。单作：等行距种植可均衡利用光热、养分、水分资源，宽窄行种植有利充分发挥边行优势，单一作物的产量高。间套作、混作：选择不同生物学特性和生育期的作物进行间套作或混作可充分利用不同空间的自然资源，土地生产力高。禾谷类作物与豆类、绿肥、牧草等的间套作、混作还具生理机能互补性，有利于用地养地结合及农牧结合。,间套作和混作中的种间竞争与协调：设作物A和B的混作（包括间、套作），其总相对产量（RYT）可能表现如下：*当A和B在生育期和空间分布上不存在时间差和空间差，在生理机能上也无互补效应时*当A和B存在时间和空间差或具生理机能互补性时通常当两种作物按1:1混作时，因共同分享单位土地面积中的某些资源，每种作物的产量为单种时的0.6倍，总产量则为1.2，相当于提高了土地利用率。,棉田间、套作生态结构模式：棉株生育期长，特别是播种至封行期约3个月，因行距大光能利用率低，最适于间、套作其他作物，以提高光能和土地利用率。,番茄,1500株/亩3月中移栽,棉花2500株/亩4月中下旬直播或移植,番茄750kg/亩皮棉48kg/亩,芝麻20kg/亩皮棉75kg/亩,2.4m,芝麻,1500株/亩5月下旬播种,棉花3500株/亩4月中下旬直播,2.4m,花生花生,550株/亩3月中移播,棉花2000株/亩4月上旬直播,西瓜1500kg/亩花生250kg/亩皮棉50kg/亩,2.4m,3000株,西瓜4月上旬移栽,棉花2500株/亩4月下旬移栽,鲜甜玉米400kg/亩四季豆1000kg/亩皮棉50kg/亩,2.6m,3000株,早玉米3月上旬播1500株/亩,矮四季豆3月上旬播,矮四季豆2000株,豌豆250kg/亩平菇1000kg/亩西瓜1500kg/亩皮棉60kg/亩,2.7m,食用菌4月下旬收,棉,4月下旬移栽2500株/亩,棉,棉,棉,食用菌,豌豆西瓜豌豆,头年冬播种2500穴/亩,摘鲜豆,4月上旬移栽550株/亩,稻田种养结合生态模式稻-鱼（包括蟹、虾）：宽垄半旱式栽培：（田边或田角设1m深以上鱼涵，并与鱼沟相通）鱼种以草鱼为主，可搭配鲤、鲫、罗非鱼等。水稻一般可增产10-15%，鱼获量750-1125kg/ha。稻-萍-鱼：种植及管理同上，向全田垄沟投放萍种3000-4500kg/ha。,1.0-1.2m,0.3m,25cm,鱼沟,202030cm2020,宽窄行株距（12cm）,Integratedrice-fishecosystem,Integratedrice-duckecosystem,稻-鸭：水稻栽培同一般模式。选择形体中等、生长迅速的鸭种，每公顷投放225只幼鸭，无需投放饵料。稻谷产量可增加11%左右，总产值可提高2.5倍。另外：中稻-菜：一般为水旱轮作，可种植稻芥菜（或榨菜）。稻-草莓，稻-各种蔬菜：稻-池杉、大豆（或绿豆）：田埂种池杉、桑、蔬菜、大豆、绿豆等，不仅充分利用空间，而且可改善农田小气候，减少病虫害，增加经济效益。,稻田种养结合生态模式,（3）营养结构作物生态系统基本营养链（食物链）可分为三类：作物-人类，作物-动物-人类，牧场-动物-人类。此外，也为工业提供有机原料。如果还包括杂草、昆虫、动物和土壤微生物，则营养链会变成复杂的网（图9-2）。其中的作物和牧草是自养型绿色植物，称为初级生产者；杂草也是初级生产者，但与作物竞争光、水分和养分；食草昆虫和动物是初级消费者；而微生物是分解各层次动、植物残体的分解者，起着使化学元素再循环的重要作用。作物生态系统的基本营养链很短，与自然生态系统的长链相比，能更多地把最初级产物传递给最后消费者（人类）。,图9-2,3.3作物生态系统能流分析作物生产的目的在于尽可能将更多的太阳能转化为人类赖以生存的食物能和工业原料（含化学潜能）。（1）作物生态系统的能源能量是生态系统运行进行物质生产的动力，其来源：*太阳辐射能*自然辅助能：降水、蒸发、风*工业辅助能：化肥、农药、动力机械及其它工业生产资料*生物辅助能：人力、畜力、种子、有机质、生物肥料与生物农药。各种辅助能不能直接转化为食物能或其它化学潜能，但可提高其太阳能的转换效率。,（2）作物生态系统的能流途径*生物量经济系数=经济产量，随收获转移系统外*非收获部分还田或转移系统外，还田部分包括自然归还和人为归还（秸秆还田）*草食动物吸食转移，或其残体归还*作物及微生物呼吸释放*未被吸收光能的反射、透射、漏射，未被利用的物态辅助能的流失。作物生态系统的开放性大，能投通过各种形式转换脱离系统本身，因此每一种植周期均需投入大量能量（表9-5，9-6）。,表9-5主要作物经济系数和自然归还率（赵强基，1982）,表9-6江苏太湖地区水稻土养分平衡状况（刘元昌，1982）（公斤/公顷）,（3）能投及能效分析以河北农业发达地区藁城市为例:在20世纪50年代种植业为一年一熟或二年三熟（以小麦、玉米、谷子为主），60年代过渡为一年两熟，70年代以粮、棉为主的一年两熟，此后种植制基本稳定，但大力发展蔬菜、瓜果等经济作物。该地区自1949到1998年，伴随种植制度的改革，逐渐增加辅助能的投入，使生产水平大幅提高，其能投和能效分析如表9-7所示。能效：产出能与投入能之比。能效边际产出：单位能投产出能的增加值。,3.3作物生态系统能流分析,表9-71949-1998年藁城市种植业能投与能效分析,（3）能投及能效分析以河北农业发达地区藁城市为例:50年间种植业产出能增加约13倍，产出能（y）与投入能（x）呈线性正相关：Y=21290.96+1.7059x,r=0.9655*太阳能能效持续提高，但种植业能效在1979年前后达高值后渐次下降。特别是能量投入的边际产出在60年代末达高值后，至1998年伴随辅助能的高投入而大幅下降。表明：依赖辅助能高投入的增产潜力已近极限，而应转向依赖科技创新和管理水平的提高。,3.4作物生态系统功能（1）进行能量、物质、信息和价值的转换作物生态系统是一种转换器：能量转换：作物利用利用太阳能和其他能源进行初级物质生产，将能量转变为生物化学能，产生价值增值的农产品。物质转换：作物通过吸收利用环境中的无机物，将其转换成可被异养生物和人类利用的有机物，实现物质形态的转换。,三、作物生态系统,表9-8各种作物的生物学产量、最大净同化率和光能利用率,