农业生态学全套课件

农业生态学基本框架生态学、农业生态学的含义;农业生态学的特点;你家乡生态环境如何?如何评价?河南农业大学·农学院

生态系统生态系统的特征系统与自然生态系统区别农业生态系统农业生态系统与自然生态系统的区别河南农业大学·农学院2022年11月26日河南农业大学·农学院2022年11月26日生物种群、生物群落、化感作用、生态位种间的相互作用类型。种间关系在农业生产中的应用。生态位理论及应用。河南农业大学·农学院

2022年11月26日概念：环境、生态因子、生境、限制因子、生态幅、李比希最小因子定律、谢尔福德耐性定律、趋异适应、生态型、趋同适应、生活型问答：生态因子作用的一般特征。光的生态作用及其特点。生物因素作用的一般特征有哪些？概念：食物网、食物链、营养级、生态金字塔、初级生产者、次级生产者、辅助能、能值。问题：农业生态系统能量传递途径有哪些？人工辅助能对农业生产的作用？如何提高农业生态系统能量利用，调控途径有哪些？课堂作业：能量模型建立概念：生物地球化学循环、气相型循环、沉积型循环、库、流、周转率、周转期、循环效率、温室效应、生物富集；问题：C、N、水分循环主要途径及其如何提高其利用效率？农业生态系统养分循环一般模式及特点。调节农田养分循环途径有哪些？物质循环计算和绘出模式图。概念:生态阈值，生态容量，生态平衡思考题：1、农业生态系统保持稳定调控机制是什么？2、生态系统平衡失调主要标志是什么？3、如何保持农业生态系统平衡？1中国生态农业与国外生态农业在原理与技术上的比较；2举出实例，运用生态农业的原理解释其生态农业模式的生态合理性。

3信息流对农业生态系统的作用有哪些？

4价值流对农业生态系统的调控作用表现在哪些方面？

5根据一定条件设计生态农业模式并能进行分析其合理性。§

1-1-1生态学的定义

生态学是研究生物及环境间相互关系的科学。即：生物及其群体与环境相互作用的过程及其规律的科学，其目的是指导人与生物圈（即自然、资源与环境）的协调发展。

§1-2-1农业生态学及其发展过程（一）农业生态学概念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。农业生态学（agriculturalecology,agroecology）：是运用生态学的原理及系统论的方法，研究农业生物与其自然和社会环境的相互关系(协同演变、调控和持续发展等)的应用性学科。农业生态学:生态科学在农业中的应用。§1-2-1农业生态学及其发展过程（二）农业生态学产生

1、农业生产的实践是农业生态学产生的源泉和动力。

2、普通生态学发展是农业生态学形成的学科基础。

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。1942G.Azzi

开设《农业生态学》，1956年正式出版该书。§1-2-1农业生态学及其发展过程（三）农业生态学发展作物生态学或生态作物地理学阶段（20世纪70年代前）研究的重点集中在农作物与农田土壤、气候、杂草等的相互关系，以及影响作物分布和生态适应能力等方面，多数仍局限于个体生态学或作物生态学的研究范畴。以系统生态学为基础农业生态学发展阶段（20世纪70年代后）研究农业生态系统为重点的农业生态学开始发展，注意研究系统整体内组分之间的相互关系，

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》。

§1-2-1农业生态学及其发展过程（四）中国农业生态学发展的动力1、国际生态意识高涨、持续发展思想广为采纳的推动2、中国传统哲学中的整体观和天人合一思想是推动我国农业生态学发展的历史基础3、中国农业生产中紧迫的资源、环境与生态问题是推动我国农业生态学发展的需求动力4、不断汲取相关学科精华是农业生态学尽快成熟的推动力§1-2-2研究的对象和基本内容对象农业生态系统(agroecosystem）2基本内容（1）农业生态学的基本概念和原理（2）农业生态系统的结构农业生态系统：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）农业生态系统发展及演替规律（6）农业生态系统的调节与控制§1-2-3农业生态学的特点（一）理论实用性研究内容与研究成果帮助解决农业生产实际问题，如农业区划、区域综合开发和治理、农业资源利用、生态工程建设等多方面都有广泛应用。（二）学科交叉性

从知识结构上是多学科组成；研究对象是多元的。（三）研究统一性强调适用于不同学科的共同思想和共同语言，强调适用于生态系统不同组分的通用方法。（四）宏观层次性

宏观农业层次（农业生态系统）§1-2-4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。一、系统

的概念与基本特征系统的概念L.V.Bertanlanffy(1922,奥地利科学家):系统是相互联系的诸要素的综合体。表示为:S(系统)=R（E）

R：要素间关系E：各要素钱学森：系统是由相互作用和相互依赖的若干组成部分结合而成的、具有特定功能的有机整体。（一）系统的概念

有两个以上的组份（要素）；各要素间相互联系、作用、影响，又称“偶联”（coupling），即密切联系，（“耦合”、“协同”、“联动”、“互作”）；各要素必须以整体方式共同完成一定的功能。系统构成必备条件例如河南农业大学·农学院

（1）系统结构的有序性：各组分是有机结合而成。系统具有边界和不同层次。（二）系统的基本特征河南农业大学·农学院

（2）系统的整体性：量比关系---指组分间在数量上的比例，它控制着系统的结构。相互作用（空间关系）---指组分间相互关联的方式，它控制系统功能。河南农业大学·农学院

（3）系统功能的整合性：系统具有其组分或子系统所没有的功能。

“双基因型玉米间混作”

减灾稳产栽培理论与技术，可显著提高玉米群体的抗逆性，使玉米在灾害发生时稳产性提高50%以上。

单作的郑单958郑单958与抗锈病的鲁单981间作

水肥耦合系统功能的整合性①总体小于单元和，即1+1<2。例如：农业生产的乱垦乱伐，毁林开荒等。②总体大于单元和，即1+1>2。例如：农业生产的优化种植，退耕还林、退耕还牧等。IRRI研究磷钾肥对水稻产量的影响实验结果表明，单增磷肥的增产效果为12.6%，单增钾肥的增产效果为4.0%，然而磷钾肥同施的增产效果却是26.0%，而不是16.6%。Why?组分存在于一定的结构中。结构好坏，效果不同。前者步调不一，协调不好，减少各组分原有的独立功能；后者步调一致，众志成诚，加强各组分原有的独立功能。

W>∈Pi(i=1,2,3…n)来表示，其中W代表整体功能，Pi

表示第i个组分的功能结论：系统的结构决定系统的功能凡系统必有结构，结构决定功能，要改变系统的功能必须改变结构。这是系统论的基本观点;系统的结构：是指系统内各组分之间的数量比例关系及其相互联系。生态系统的概念(续）

E.P.Odum：生态系统是指由生境（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。=+生态系统=生物群落（生命系统）+生境（环境系统）生物群落(bioticcommunity)是指生存于特定区域或生境内的各种生物种群的集合体。即群落是由不同种类的生物组成的生物复合体。生物群落=植物群落+动物群落+微生物群落也可以说，一个生态系统中具生命的部分即生物群落。如一片森林、一片草地、一片农田等。

河南农业大学·农学院河南农业大学·农学院2022年11月26日

所谓种群（population）是指占据特定空间与时间的同一物种（或有机体）的集合体。Population来源于拉丁语populus，人类学上称“人口”，昆虫学上称“虫口”，栽培学上称“群体”。不是个体的简单相加：具有系统基本属性，一个种群不等于个体的简单相加,有机体之间相互作用，在整体上呈现有组织有结构的特性。个体之间差异性：不同的发育阶段(年龄不同)；同一生长阶段，个体贡献不同。个体水平与种群水平的差异：个体有出生、死亡，种群称为出生率和死亡率。种群内涵：

生物群落与其生存环境之间，以及生物群落内生物种群之间密切联系、相互作用，通过物质交换、能量转换和信息传递，成为占据一定空间，具有一定结构、执行一定功能的动态平衡整体。能量流动（energyflow）物质循环（nutrientcycle）信息传递（informationtransfer）生态系统概念河南农业大学·农学院

三、生态系统组成河南农业大学·农学院2022年11月26日生态系统生物成分非生物环境

生产者（producers）

消费者(consumers)还原者(decomposers)太阳辐射能无机物质有机物质河南农业大学·农学院

生产者（producers）,又称初级生产者（primaryproducers）光合绿色植物（自养生物）光合细菌：CO2+H2S——（CH2O）+S化学合成细菌：6H2+2O2+CO2—（CH2O）+5H2O兼性生物：如低等藻类

自养型植物，包括所有进行光合作用的绿色植物和化能合成细菌。绿色植物利用日光作为能源，通过光合作用将吸收的水、CO2和无机盐类合成初级产品——碳水化合物，可进一步合成脂肪和蛋白质。这些有机物成为地球上包括人类在内的一切生物的食物来源。河南农业大学·农学院2022年11月26日生物圈中的绿色植物

绿色植物是生物圈中作用最大的一类生物，它对生物圈的存在和发展起着决定性作用。绿色植物通过它的生命活动直接或间接地为其它生物提供食物和能量，并对维持生物圈中的碳氧平衡和水循环发挥着重要作用。

光合作用河南农业大学·农学院

消费者（consumers）

指除了微生物以外的异养生物，主要指依赖初级生产者为生的各种动物。河南农业大学·农学院2022年11月26日1.食草动物：以植物为食的动物，为一级消费者。2.食肉动物：以动物为食的动物。第一级肉食动物：以食草动物为食的动物，为二级消费者。第二级肉食动物：以一级食肉动物为食的动物，为三级消费者。第三级肉食动物（顶部肉食动物）：四级消费者3.寄生者如：蛔虫、线虫、菟丝子、血吸虫4.杂食类消费者如：熊、鲤鱼、刺猬河南农业大学·农学院

分解者（decomposers）

主要是指以动植物残体为生的异养微生物。一是包括真菌、细菌、放线菌，又称“小分解者”；二是包括一些原生动物和腐食性动物，又称之腐养者（Saprotrophs）或“大分解者”。有机物能量分解过程包括下面三种过程①有氧呼吸：C6H12O2+6O26CO2+6H2O＋能量②无氧呼吸：释放CH4和H2S③发酵（不完全呼吸）：释放醇、有机酸等。分解过程划分为三个阶段：①由于物理的或生物的作用，把尸体分解为颗粒状的碎屑；②由于腐生生物的作用，形成腐殖酸和其它可溶性有机物；③腐殖酸缓慢地矿化河南农业大学·农学院2022年11月26日酶河南农业大学·农学院

非生物组分（环境组分）太阳辐射（solarradiation）太阳的直射辐射和散射辐射，它是生态系统的主要能源；太阳辐射能经自养生物的光合作用被转化为有机物中的化学潜能。同时太阳辐射也为生态系统中的生物创造生存所需的温热条件。无机物质（inorganicsubstance）生态系统环境中的无机物质，一部分来自大气的氧、二氧化碳、氮、水及其它物质；另一部分来自土壤中的氮、磷、钾、钙、硫、镁、水、氧和二氧化碳。有机物质（organicsubstance）生态系统环境中的有机物质，主要是来源于动物残体、根系分泌物。它们是联接生物与非生物部分的物质，如蛋白质、糖类、脂类和腐殖质等。土壤（soil）作为一个生态系统的特殊环境组分，是无机物和有机物的贮藏多生物的直接或间接栖息场所。河南农业大学·农学院2022年11月26日生物组分与非生物组分间的相互关系物种多样性的定义物种多样性是指动物、植物、微生物等生物种类的丰富程度。物种多样性包括两个方面：其一是指一定区域内的物种丰富程度，可称为区域物种多样性；其二是指生态学方面的物种分布的均匀程度，可称为生态多样性或群落物种多样性。四、生态系统的结构

物种结构（组分结构）:生物种群（类群）及比例

多样性指数(diversityindex)

多样性指数是丰富度和均性的综合指标。

(1)辛普森多样性指数属于种i的个体在全部个体中的比例多样性指数辛普森多样性指数对稀有种起作用较少而对普通种则作用较大，其阈值由低多样化（0）到高多样化（1－1/s），这里S是种类数目。(2)香农-威纳指数属于种i的个体在全部个体中的比例第i个物种多样性指数H’为采集的信息含量（比特/个体）H’值越大，则未确定的信息量也越大，H’=0，则群落中确定信息大。它适用于大群落中随即采样且物种数已知的情况。四、生态系统的结构垂直结构：生物按高度或深度的垂直配置，即形成了成层现象，保证了各物种在单位空间中更充分利用环境资源。成层现象，从陆生植物群落来说，包括地上部分和地下部分。决定地上部分分层的环境因素，主要是光照、温度和湿度条件；而决定地下分层的主要因素，是土壤的物理和化学性质，特别是水分和养分。成层现象是植物群落与环境条件间相互关系的一种特殊形式。

随海拔高度的增加，地形地势、热量和水分等环境因子条件会发生变化，相应物种的分布也会受到影响。如：纵贯我国中部的秦岭山脉，阴挡了来自北方的冷空气，使秦岭以南和以北的植物群落迥然不同。岭南：亚热带常绿阔叶林区。如图岭北：温带落叶阔叶林区。如图环境梯度与群落垂直地带性分布

群落的分布往往受环境梯度的制约，表现出明显的垂直地带性。

水平结构

群落内由于环境因素在不同地点上的不均匀性和生物本身特性的差异，而在水平方向上分化形成不同的生物小型组合，称为群落的水平结构。

如：森林中荫蔽的地块生长耐阴植物，明亮的空地生长喜光植物。

造成群落不同水平分布型的原因，主要是群落所处地段的环境因子分布的不均匀、物种的生殖特点、种间相互关系作用及种的分工合作程度等。群落的水平结构有利于相继利用不同时段的自然条件，使生态系统获得较大的生产力。？环境梯度与群落纬度地带性分布纬度地带性（主要受温度梯度的影响）北半球欧亚大陆从南到北，随着纬度增加，热量减少，形成了以热量为主的环境地带性分布，从南到北植被类型依次是：热带雨林—季雨林—常绿阔叶林—落叶阔叶林—针叶林—草原与荒漠。经度地带性（主要受水分梯度的影)如：我国从东到西因距海远近造成水分的差异。相应分布着湿润森林——半干旱草原——干旱荒漠等不同的植被类型。时间结构是因自然环境因素的时间节律所引起的物种在时间结构上的相应周期变化。又称时相或季相。周期性是群落适应环境的一种必然的表现形式。受有明显时间节律(如昼夜节律、季节节律)的光、温度和湿度等环境因子的影响，群落的组成与结构随时间序列发生有规律的变化，其外在表现就是季相的更替。群落中动物组成，不仅具有与植物同步的四季变更，更有明显的昼夜节律。如：昆虫：不同物种昼夜活动的行为有显著差异，呈现一定的时间特征。

群落演替定义：随着时间的推移，群落中一些物种消失，另一些物种侵入，出现群落与环境向着一定方向、有顺序的发展变化。简言之，就是旧的群落被新的群落所取代的过程。其标志是群落在组成种类上发生质的变化，即优势种或全部种类的改变。优势种（dominantspecies）：对群落的结构和群落环境的形成有明显控制作用的植物。优势种的确定主要依靠其在群落中的地位与作用。群落交错区镶嵌结构：群落交错区和边缘效应

群落交错区：不同群落的交界区域，或两类环境相接触部分，即通常所说的结合部位。边缘效应：在群落交错区内，单位面积内的生物种类和种群密度较之相邻群落有所增加。形成边缘效应需要的条件：1.两个群落各自具有一定面积，2.两个群落的渗透力应大致相似，造成相对稳定的过渡带，3.两个群落具有适应交错区的生物类群。边缘种：发育较好的群落交错区，其生物包括相邻两个群落的共有物种以及群落交错区特有的物种河南农业大学·农学院

四、生态系统的结构

营养结构：食物网、食物链

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五、生态系统的功能

能量流动：生产者→消费者→分解者

物质循环：生物←→环境

信息传递：包括物理信息、化学信息、营养信息和行为信息等，使系统称为一个整体，具有调节系统稳定性的功能。能量流动的模式生产者ⅠⅡⅢ分解者消费者呼吸生产者呼吸分解者呼吸入射日光能五、生态系统的功能物质循环的模式环境大气水域土壤植物草食动物肉食动物分解者物质分解河南农业大学·农学院

河南农业大学·农学院2022年11月26日六、生态系统的类型（一）根据环境特性划分自然生态系统半自然生态系统人工生态系统（二）根据人类活动对生态系统干预程度，生态系统一般被分为：河南农业大学·农学院

(三)从物理角度●隔离系统：边界能阻止任何物质和能量的输入和输出●封闭系统：边界只能阻止系统与周围环境之间的物质交换，却允许能量的出入。●开放生态系统：边界开放，同时允许物质和能量与系统周围的环境进行交换。作为一个生态系统宇宙飞行器模式河南农业大学·农学院

§2-2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）以农业生产为目的河南农业大学·农学院2022年11月26日3、农业生态系统类型生产项目农田生态系统林业生态系统渔业生态系统牧业生态系统农牧生态系统林牧生态系统农林生态系统等旱地生态系统低洼地生态系统庭院生态系统等刀耕火种生态系统传统农业生态系统石油农业生态系统位置农业生产方式河南农业大学·农学院

河南农业大学·农学院2022年11月26日（一）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二、农业生态系统的组成河南农业大学·农学院

（二）环境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.集约化养殖环境三、农业生态系统的基本结构

三、农业生态系统的基本结构

组分结构：componentstructure生物组分：指农、林、牧、渔、副（加工）各业之间的量比关系，以及各业内部的物种组成及量比关系。-------定量描述指标：各业用地面积占总土地面积的比例，或各业产值占总产值的比例，各业产出的生物能量占系统生物能总产出量的比例，各业蛋白质生产量占系统蛋白质生产总量的比例来表示。环境组分：水库、堤围、排灌系统、梯田、防护林体系、塘抬田、平整土地、房舍、造温室等。

三、农业生态系统的基本结构

时空结构：spacestructureandtemporalstructure

时间结构：农业生物类群在时间上的分布与发展演替，随着地球自转和公转，环境因子呈现昼夜和季节变化，农业生态系统中农业生物经过长期适应和人工选择，表现出明显的时相差异和季节适应性。水平结构：一定区域内，各种农业生物类群在水平空间上的组合与分布（农业景观结构）。垂直结构：农业生物类群在同一土地单元内，垂直空间上的组合与分布角。

垂直结构在生产实践及环保上的应用

（1）农业生产中的间作、套种等立体种植，就是人们模拟天然植物群落的成层性，在生产实践中的一种创造性的应用。意义：充分利用空间，提高单位空间的生物量，提高经济效益。（3）形成绿色屏障：在公路旁、车间周围按乔木、次乔木、灌木、草本种植形成一个天然的绿色屏障。意义：吸污、滞尘、防噪声（2）池塘混养：通过混养，既减少了对资源的竞争，又扩大了资源利用范围，提高鱼类群落的代谢功能，增加生产力，充分利用不同水层的空间和条件来获得高产。三、农业生态系统的基本结构

一、自由农作圈二、农作圈三、轮作农业圈四、谷物农作圈五、三圃式农作圈六、畜牧圈七、自然区域

1）生产集约度理论：越靠近中心城镇，生产集约度越高。

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。

稻-棉-绿肥三、农业生态系统的基本结构

许多药用植物喜阴凉、湿润的环境：黄连、魔芋、天麻、三七、胡椒、肉桂、咖啡、可可、芍药、贝母、板蓝根、天南星、金银花、人参、桔梗等。

茶树-橡胶间作果-药间作稻鸭共生系统（1）在不同的生境中因地制宜选择合适的物种，宜农则农，宜林则林，宜牧则牧。（2）在同一生境中配置最佳的种植密度和饲养量，并通过饲养、栽培手段控制密度的发展。农业生产中的农、林、牧、渔以及各业内部的面积比例及其格局是农业生态系统的水平结构。控制农业生物群落的水平结构有两种基本方式：三、农业生态系统的基本结构

营养结构：trophicstructure

秸秆多级利用：秸秆-----培养食用菌------菌渣作畜禽饲料-----养鸡-------鸡粪下沼气-------沼气渣培养食用菌------废料施于农田鸡粪多级利用：鸡粪喂猪，猪粪养蝇蛆，蝇蛆作饲料喂鸡，剩余猪、鸡粪回到农田循环利用。

农业景观中不同交错带（ecotone）(1)城乡交错带;（2）干湿交错带;（3）农牧交错带;(4)水陆交错带;（5）群落交错带。充分开发这些边缘地带，可以形成：（1）城郊农业；(2)基塘系统和滩涂养殖；（3）农户庭院经济。镶嵌结构四、农业生态系统的基本功能

☉能量流☉物质流☉信息流☉价值流valueflow河南农业大学·农学院

五、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，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。河南农业大学·农学院2022年11月26日河南农业大学·农学院

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。河南农业大学·农学院2022年11月26日河南农业大学·农学院

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。河南农业大学·农学院2022年11月26日河南农业大学·农学院

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。河南农业大学·农学院2022年11月26日

一、物质流及其特点（一）重要性

1.形成生物体的必需原料

2.生物进行生理生化活动的基础

3.能量流动的载体（二）特点

1.物质是循环的

2.物质是多种多样的

3.物质是由元素组成（三）物质元素的分类

1.能量元素：C、H、O、N2.大量元素：Ca、Mg、P、K、Na、S3.微量元素：Cu、Zn、B、Mn、Mo、Al、F、I、Si、Cl二、生物地球化学循环（Biogeochemicalcycles）（一）概念各种化学元素，包括原生质中必不可少的营养物质，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、生物地球化学循环（Biogeochemicalcycles）（二）类型1．根据物质循环的范围、路线和周期不同，可分为：（1）地质大循环（2）生物小循环2．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，可分为：（1）气相型循环（2）沉积型循环地质大循环定义：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、排泄物等形式返回环境，进入五大自然圈的循环。五大自然圈大气圈水圈土壤圈岩石圈生物圈特点：时间长、范围广，影响面广，具有全球性质，是闭合性循环。(几百年、几千年、几百万年，甚至上亿年)，如：①大气中的CO2通过生物圈的光合和呼吸作用约400年循环一次。②O2通过生物代谢，约2000年循环一次。③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。④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。

地质大循环生物小循环定义：是指环境中元素经生物体吸收，在生命系统中被相继利用，然后经分解者分解成无机态进入环境，再次为生产者吸收利用。特点：在一个系统内进行，范围小、时间短、速度快，是开放式的循环。气相型循环其贮存库在大气中。元素或化合物可以转化为气体形式，通过大气进行扩散，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。从全球意义上看，这类循环是比较完全的循环。沉积型循环

许多矿物元素其贮存库在地壳里，经过自然界风化和人类的开采冶炼，从陆地岩石中释放出来，为植物所吸收，参与生命物质的形成，并沿食物链转移。然后动植物残体或排泄物经微生物的分解作用，将元素返回环境。除一部分保留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江河，汇入海洋，经过沉降、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。三、物质循环的库与流（一）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。生态系统的各组分都是物质循环的库。农业生态系统中主要有植物库（农作物、蔬菜、果树、林木、牧草等），动物库（畜、禽，虫等）土壤库、大气库和水体库。物质循环的库在生物地球化学循环可分为两大类：贮存库：（Reservoirpool）容积大，活动缓慢一般为非生物环境库。交换库：（Exchangepool）容积小，与外界进行物质交换比较活跃，一般为生物成分。三、物质循环的库与流（二）流（flow）与环（cycle）

物质在库与库之间的转移运动状态称为流。没有库，环境资源不能被吸收、固定、转化为各种产物；没有流，库与库之间不能联系、沟通，则物质循环短路，生命无以维持，生态系统必将瓦解。有库流构成了物质循环的环。库流构成了物质循环的环。流库环四、物质流动的特征（一）生物量或现存量：生产量+减少量（二）周转率与周转期：周转率（R）＝FI（流入量）／S=F0（流出量）／S（库存总量）周转期（T）＝1／周转率＝1／R（三）循环效率：当生态系统中某一组分的库存物质，一部分或全部流出，参与系统的物质循环，并最终返回该组分时，系统内发生了物质循环。循环物质（Fc）占总输入物质（FI）的比例，称为物质的循环效率（EC）。

Ec

＝Fc／FI第二节

几种主要物质的生物地化循环一、碳循环二、氮循环三、磷循环四、钾循环五、水循环一、碳循环1、概况CCycle是所有养分循环中最简单的一种，但对生命的意义却是十分重要的。C是有机物的基本成分，占干重的49％。C的来源是CO20.14％为CO2

无机态占大部分地壳沉积物中地球上总碳量为

261015吨化石64％：煤、石油、碳有机态有机残体占42％：土壤和占0.15％水中生物体成分占4％四种碳循环途径3.农业生态系统的碳素循环植物土壤有机物残体

微生物动物燃烧光合作用其它输入饲料、燃料、肥料呼吸、产品移出系统农业生态系统碳循环模式（2）温室效应温室效应（Greenhouseeffects

）：大气中对长波辐射具有屏蔽作用的温室气体浓度增加使较多的辐射能被截留在地球表层而导致温度上升。温室气体：二氧化碳(CO2)、甲烷(CH4)、氧化亚氮(N2O)、六氟化碳(SF6)、氟氯碳化物(CFCs)、氢氟碳化物(HFCs)等温室效应对农业生态系统的影响及减缓主要措施引起种植制度的变化：即作物种植制度界限的位移，作物种植季节的变动，作物及品种类型重组。作物播期推迟，河南推广半冬性小麦品种。从经济角度看，影响作物产量和成本，影响农产品的价格和产量效益。减缓主要措施：植树造林限制二氧化碳排放积极寻找新能源作物合理栽培与管理新技术应用：低碳生物技术产品（微生物菌肥）、缓/控释肥1、生物圈中的N循环

单位106公吨(Delwiche,1970）大气3800000

陆地有机体772其中活有机体12死有机体760非有机体140地壳14000000海洋水（溶解）20000海洋有机体901活有机体1死有机体900非有机体100沉积物4000000陆地海洋总有机体=1673总非有机体=21820240二、氮循环TheNitrogenCycle生物圈中氮的循环途径

氨化作用：由氨化细菌和真菌的作用将有机氮分解成为氨和氨化合物，氨溶水成为NH4+，为植物利用。硝化作用：在通气良好的土壤中，氨化合物被亚硝酸盐细菌和硝酸盐细菌氧化为亚硝酸盐和硝酸盐，供植物吸收利用。反硝化作用：反硝化细菌将亚硝酸盐转变成大气氮，回到大气库中。自然生态系统氮素循环示意图植物残体动物生物固定燃烧工业固定施肥产品微生物土壤淋溶、流失水蚀、风蚀反硝化饲料添加剂2、农业生态系统N循环模式大气固定生物固定3、农业生态系统中N循环及调控1.输入：三个来源即生物固氮、大气固氮、工业固氮2.输出：有机体燃烧、产品输出、反硝化作用、淋溶流失和挥发3.调控：（1）充分发挥生物固氮的作用（2）发展工业固氮（3）使动、植物残体及排泄物尽量还田（4）控制土壤中N的非生产性消耗（5）科学使用氮肥、新型氮肥应用和管理技术：新型高效缓控施肥、硝化抑制剂三、P循环1、地质大循环海洋陆地生物4.0310沉积物27000000生物63074可开采P矿资源10000每年100-200万吨0.61400万吨磷酸盐10万吨磷酸盐地壳8×109G.W.Cox海水400003、农业中P的循环与利用P肥在农业中的循环特点：储存库小，只包括土壤、磷矿、和水域。进入循环速度慢、数量小。土壤中含P量高，但大都呈不溶解态。在农业生产中，应注意以下几个方面：开发新的P矿资源。重视多条途径，实现P的再循环，尤其是有机途径。提高肥效，节约P肥，减少流失。注意P肥使用中的环境污染问题。P肥中含有重金属和放射性物质。四、钾循环地球上钾循环五、水循环

降水99×103降水324×103蒸发62×

103蒸发361×103径流37

×10337×103大气0.013×106Km3陆地生物中水0.6

×103海洋1350×1061.生物圈中的水循环2、地球上总水量分布数量%地表水淡水湖94×1030.009盐湖内海75×1030.008流水0.9×1030.0001地下水土壤水50×1030.005800米地下水3000×1030.31更深地下水3000×1030.31冰川29×1062.15大气9（13）×1030.001海洋980（1350）×10697合计15亿Km3项目占%项目占%极地、冰盖、冰山、冰川77.23江河淡水0.003地表～800米深地下水9.86地球矿物0.001800～4000米地下水12.35动植物和人体0.003土壤水0.17大气0.04淡水湖泊0.35合计100（1）地球上咸水多、淡水少、分布不均。全球水量15亿Km3，海洋占97%，淡水占3%。（2）淡水中，固态水多，液态水少，能直接利用的少。淡水中，3/4为固态水，分布在两极的冰川。1/4为液态水，其中多为地下水，地下水中只有1%能为植物根系利用。（3）水是可再生资源。通过循环补给，海水、污水均可经过处理再生，还可以造林拦蓄、人工降雨。3.农业生态系统水循环农业生态系统

降水径流水地下水种子、有机肥等蒸发蒸腾地表径流产品输出农业生态系统水分循环模式4、中国水资源及其利用水资源总量多，人均资源少：全年降水628㎜，2.8×1012立方米，世界第6位。每耕亩土地1700立方米，相当于世界平均2/3，人均2600立方米，相当于世界人均的1/4，列世界第88位，已被列为世界贫水国之一。人均水资源m3大于100005000～100001000～5000小于1000等级上中低很低时间分布不均：50～70%集中在夏季。地区分布不均：南多北少。地区耕地亿人口亿人均耕地亩人均水量m3耕亩水量m3人均灌溉面积亩粮食单产㎏粮食总产亿㎏南方（中南、华南）6.176.0511500～26001400～23000.8230～2602423北方（华北、|东北）4.872.182.41500～1600270～5300.5～1.0100～2008333、水循环失衡。

4、用水效率低，工农业用水矛盾大。

5、水资源受污染日益严重。项目总用水量农业用水工业用水城镇生活农村人畜其它数（全国）量（山东）4433330381127529226552.814011.613515%（全国）

（山东）85.983.26.67.891.20.863.23.513.14.5以色列灌溉水分利用效率水效益全国主要季节干旱地区分布示意图

全国缺水城市供需水现状示意图

世界的水资源危机美国干旱西部土壤龟裂健康何以保证？5、建立生态系统的良好水分循环合理分配水资源改善干旱地区的水循环条件建设节水型社会防治水体污染开发新的水资源第三节农业生态系统养分循环与平衡一、农业生态系统物质循环的一般模式二、农业生态系统养分的输入、输出与平衡三、调节农田养分循环的途径四、农业生态系统物流分析一、农业生态系统物质循环的一般模式

M.J.Frisse,1976年植物库燃烧呼吸收获吸收种子幼苗动物库饲料等土壤库遗留、种子生物固氮吸收流失淋溶挥发呼吸饲料垫土残体排泄物产品呼吸氨化肥料灌溉二、农业生态系统养分的输入、输出与平衡

（一）循环的特点1．非闭合的生态系统。产品大部分作为商品输出系统，系统内的养分随之离开系统。输出产品越多，被带走的养分也越多。向系统内归还各种有机质和施入大量的化学肥料，方能维持系统的养分相对平衡。有大量养分随产品离开系统，又必须通过人类生产活动输入养分才能维持平衡，这正是农业生态系统与自然生态系统的区别。（一）循环的特点2.不同农业生态系统其封闭程度不同：古代原始农业：①生产力低，0.2人／公顷②自给自足，养分循环封闭程度高，基本维持自我平衡传统农业①生产力高，8.4人、4猪、2羊、14只禽兔／公顷②封闭程度低于原始农业，但基本属于自给性的.现代农业①开放程度大，生产力和商品率高，供养人口多②缺乏自我维持平衡的能力，要靠大量投投入物质才能弥补因输出产品带走的养分，维持系统的平衡。（二）农田养分的输入与输出输入施用化肥、有机肥降水和灌溉水就氮素而言还有大气的生物固氮输出收获物的养分输出淋失――渗漏到活动层下及侧向渗透到系统水平边界外（29.9％）流失：地表径流和侵蚀作用

N还有反硝化及NH4的挥发（三）农业生态系统的养分平衡1．农业生态系统的养分平衡（输入／输出量）＞2，说明效率低

1－2，平衡实际上还有些难以估计的输出＜1，养分入不敷出，消耗地力，即使短期内可以维持产量；长此以往必将降低系统稳定性。（四）农业生态系统的养分平衡2．我国农田养分平衡中主要问题1、作物秸秆无谓焚烧未能正常还田。目前我国不少农区大约有60％以上的物质被移出系统，使农业生态中的腐生食物链受到严重影响→有机质含量↓→土壤肥力↓→抗旱力减弱→农作物产量不高。

2、水土流失是我国农田养分不平衡的又一重要原因。3、豆科作物和绿肥牧草的大幅度减少。4、农田物质投入不足，氮、磷、钾比例失调。5、土壤养分平衡状况区域间差异悬殊。三、调节农田养分循环的途径（一）合理搭配种植归还率高的作物：如花生、大豆、绿肥、油菜。总归还自然归还：根茬、落花、落叶等有机质理论归还：可以归但不一定归还的养分：荚壳、茎杆从有机质及营养元素的理论总归还率来看：油菜为少取多还作物水稻为半取半还作物（二）实行合理轮作在种植制度中安排绿肥或绿肥主作间套作，组成合理的轮作体系统，有利于维持农田土壤养分平衡，恢复或提高地力，从而增产增收。（三）建立良性循环体系实行农、林、牧结合，发展沼气解决农村能源问题，增加粪肥，扩大物质循环。三、调节农田养分循环的途径四、农业生态系统物流分析（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。（3）搜集资料，确定各种实物的流量与输入输出量。①直接从有关统计资料中得到。②到实地进行调查获取资料。③间接估算，利用他人的成果。（4）将各种实物流量标在能流图上，绘出物流图。（5）结果分析与评价：各种物质输入、输出量、产投比值及个分量盈亏；对比较好生态系统（或对照）进行评价。农业生态系统中养分的主要输出项与输入项河南农业大学·农学院

河南农业大学·农学院2022年11月26日第一节能量转移及其有关概念

一、能量的基本概念1、能量——做功的能力。潜能：是存在于有机体中的化学结合能，是一种静态的能量，具有作功的能力。在农业生态系统中，潜能是通过食物链的关系在生产者、消费者、分解者等有机体之间进行流动和传递的。动能：是物体本身具有的能量，包括热能和辐射能，可在物体之间传递，并可转化为潜能。能量值的表示：卡或千卡。河南农业大学·农学院

河南农业大学·农学院2022年11月26日2、生态系统中能量与生物体有关的几种能量形式：辐射能、机械能、化学能、热能生态系统中能量的主要形式：日光能、化学能、热能和动能等。在生态系统中，能主要指的是系统内以有机物质形式存在的化学能，生态系统的能量流动与转化也主要指这些有机物质的能量在生物体之间的传递和转化情况。河南农业大学·农学院

3、农业生态系统中能量(1)自然能源，这包括太阳能，水力，风力，地热能和重力能，这些能源是取之不尽。

(2)二级能源，主要包括①非化石的合机物如木材、秸秆、有机废物所提供的生物能；②人力及畜。

(3)矿物燃料能源，如煤，天然气、石油等不可再生的能源。

(4)核能。河南农业大学·农学院

能源分类河南农业大学·农学院

柯克斯（1984）将现代农业的辅助能投入，划分为四种类型

施肥、浇水等资源性投入；农业机械和工程等设施性投入；引进新品种和新的作物、畜禽等基因性投入；农药防治、医疗技术等保护性投入。河南农业大学·农学院

河南农业大学·农学院2022年11月26日二、能量（energy）的来源（1）太阳能(solarenergy)－－90%以上。

紫外线（7%）：能提高植物组织中蛋白质及纤维素含量；红外线（43%）：产生热效应，形成生物生存的热量环境；可见光（50%）：除绿光外，其它均是绿色植物光合作用的生理辐射；（2）辅助能（auxiliaryenergy）：

除太阳能之外，生态系统接收的其它形式的能量统称为辅助能。辅助能自然辅助能

风能、潮汐能、地热能、水流能、降雨能。人工辅助能生物辅助能来自生物有机体的能量。工业辅助能来源于工业能量的投入。河南农业大学·农学院

河南农业大学·农学院2022年11月26日三、生态系统的营养结构（一）能量转换的途径，或称能量流动的渠道——食物链(foodchains)1、定义：生态系统中，来源于植物的食物能通过一系列吃与被吃的关系，把生物紧密的联系起来，形成以食物营养为中心的链索关系即食物链

。2、食物链的类型：①捕食食物链(放牧食物链)以活的动植物为起点的食物链，如草食动物、各级食肉动物。构成是：植物→植食性动物→肉食性动物。

牧草→羊、牛→狼，植物→害虫→天敌。植物食草动物食肉动物例如：青草野兔狐狸狼藻类甲壳类小鱼大鱼（2）碎食性食物链碎食物碎食物消费者小肉食动物大肉食动物树叶碎片虾（蟹）鱼食鱼的鸟（3）寄生性食物链：由宿主和寄生物构成。它以大型动物为食物链的起点，继之以小型动物、微型动物、细菌和病毒。后者与前者是寄生性关系。哺乳类或鸟类跳蚤螨细菌（4）腐食性食物链（腐生食物链）腐烂的动植物残体细菌原生动物指以死有机物质为基础，从腐生物开始的食物链。森林是以腐生食物链为优势的生态系统。在森林中，有90%的净生产是被腐生生物所分解消耗的。大豆→菟丝子

棉籽壳、稻草→蘑菇，秸秆、粪便等有机物质→沼气

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河南农业大学·农学院2022年11月26日3、生态系统中各类食物链的特征在同一个食物链中，常包含有食性和其它生活习性极不相同的多种生物。在同一个生态系统中，可能有多条食物链，它们的长短不同，营养级数目不等。在任一生态系统中，各类食物链总是协同起作用。在不同的生态系统中，各类食物链的比重不同.草原生态系统：腐生食物链占生产有机物的70%森林生态系统：腐生食物链占生产有机物的90%农田生态系统：腐生食物链占生产有机物的20—30%河南农业大学·农学院

河南农业大学·农学院2022年11月26日（二）食物网(foodwebs)1、食物网：生物之间的捕食和被食的关系不是简单的一条链，而是错综复杂的相互依赖的网状结构，即食物网。食物网不仅维持着生态系统的相对平衡，并推动着生物的进化，成为自然界发展演变的动力。2、营养结构：以营养为纽带，把生物与环境、生物与生物紧密联系起来的结构，称为生态系统的营养结构。河南农业大学·农学院

3、食物链的生物放大作用（富集，浓缩）概念：在生态系统中，一些有毒物质进入生物体后难以分解或排出，使其体内这些物质的浓度超过环境中的浓度生物浓缩（bioconceritration，或称生物富集（biologicalenrichment）。一些有毒物质沿食物链从低营养级生物到高营养级生物传递，使处于高营养级生物体内的这些物质的浓度极为显著提高，这种现象称为生物放大（Boimagnification）。河南农业大学·农学院

农药在自然界中的转移

4、食物链和食物网的意义食物链是生态系统营养结构的形象体现；生态系统中能量流动和物质循环正是沿着食物链和食物网进行的；生态系统营养结构与生态系统的稳定性：生态系统抵抗外界干扰、自动修复的能力称为生态系统的稳定性。影响稳定性的因素有很多，如生物的适应性、外界干扰的程度营养结构等。营养结构复杂、食物网复杂的生态系统，稳定性强。食物链和食物网还揭示了环境中有毒污染物转移、积累的原理和规律。一方面，毒物可以通过食物链到达人体，引起毒害；另一方面，毒物可通过食物链逐级富集，增强毒害，又可以通过食物链解毒。河南农业大学·农学院

河南农业大学·农学院2022年11月26日（三）食物链加环结构

农业生态系统不仅要求系统稳定，还要求能量转化效率高，才能获得较多的生物产品，以提高系统生产力。根据能量流动与物质循环的一般规律，在原有食物链中通过引入新的链环（增加生产环、引入转化环、引入抑制环），从而延长或完善食物链组合，增加第二、第三级产品，并使有害的链环受到抑制，提高系统的生产力（农副产品利用和转化率提高）与稳定性。

食物链加环类型生产环增益环减耗环复合环加工环河南农业大学·农学院

河南农业大学·农学院2022年11月26日生产环在原有食物链中加入一个或几个新的环节能够将非经济产品转化为经济产品，这种新的食物链环节称为生产环。

一般生产环：低价值、低能量、以往称为废弃物的资源→高价值与高效用的经济产品。如以秸秆、饼粕、部分粮食为饲料，饲养牛、马、猪、羊等。

高效生产环：在蜜源植物开花之际进行人工放蜂，利用蜜蜂特殊的吸收、消化和酿制本领，生产出价值比较高的经济产品如蜂蜜、蜂乳、蜂胶等，同时由于蜜蜂的授粉作用，使许多农作物和果树提高授粉率，增加产量。河南农业大学·农学院

河南农业大学·农学院2022年11月26日增益环

本身转化产品并不能直接为人类需求，而是加大了生产环的效益，称为增益环。蛋、肉饲料农田蝇蛆猪鸡鸡粪剩余鸡粪猪粪剩余猪粪肉蛋白饲料增益：每只鸡每天喂10g蝇蛆，可使产蛋率提高10.1%，每生产1kg鸡蛋可节省饲料0.4kg。河南农业大学·农学院

河南农业大学·农学院2022年11月26日减耗环农田中人工引进蚜虫天敌；林间人工放养和招引林木害虫天敌；通过引入一个新的环节或增大一个已有的环节，从而减少生产耗损，增加系统生产力。生物防治中常用。可以取得成本低而又不会造成环境污染的最佳效益。河南农业大学·农学院

河南农业大学·农学院2022年11月26日复合环

是指具有两种以上功能的环节。复合环的加入把几个食物链串联在一起，增加系统产出，提高系统效能。

可减缓农村燃料的短缺，改善土壤的结构和提高土壤肥力，增加系统生产力，提高产品的品质，增加生物多样性，减少病虫害，减少环境污染。

饲料沼气池果园鸡猪饲料化肥鸡肉、蛋猪肉系统边界果实沼气系统边界杂草等沼液等粪便虫草粪便鸡粪粪便杂草河南农业大学·农学院

河南农业大学·农学院2022年11月26日加工环农业生产中常常忽略了农副产品的加工增值方面，致使农业生产效益较低。农副产品加工是农业生产过程中的一个很重要的组成部分，是农业生态系统中能量流动合理导向的重要环节，在农业生态系统具有重要的作用。通过连上加工这一环节，可减少农业生态系统物质和能量的损失，减少系统外有机物质的富集，提高农产品的效益。加工环有3种类型。河南农业大学·农学院

河南农业大学·农学院2022年11月26日加工环传统加工型：

将农副产品加工成半成品或成品出售。如利用低价值材料（竹类、麦秸、枝条、白蜡条等）编织成篮、箩、席、包装箱等。多次加工型：

将初次加工利用后的剩余物进行二次、三次利用。农工商结合型:

农业、加工业、销售紧密结合成一体。

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（四）食物链解列(解链)概念和类型

概念：污染物经由食物链的不断浓集可以达到危及人类的状态之前及时断绝进入人体的通道的这种工艺。（1）处理污染土壤：在受污染的土壤上种植非食用的用材林，薪碳林等林木和花卉等观赏植物，还可用来生产纤维用的各种麻类作物，使污染物离开食物链。（2）污水处理：利用水生植物处理城市污水、生活污水和工业废水，可减轻有毒物质对人体、畜禽的危害。河南农业大学·农学院

河南农业大学·农学院2022年11月26日

食物链的加环应注意的问题

①食物链加环时并非越长越好，关键是要尽早从链条中获取更多的产品。

链条越长，营养级层次越多，沿食物链损耗的能量也就越多，而且太长、太复杂的食物链在实际应用中也有许多技术与经济方面的困难。

②食物链加环要讲究综合效益。不同食物链类型在社会效益、经济效益、生态效益方面的表现不同。加环应结合当地、当时的具体情况进行。河南农业大学·农学院

河南农业大学·农学院2022年11月26日四、能量流动的途径1、能量转移的定义

植物利用太阳能，通过光合作用生产食物能，食物能通过食物链和食物网，从一个营养级传递到另一个营养级。太阳能绿色植物食草动物食肉动物河南农业大学·农学院

河南农业大学·农学院2022年11月26日太阳能辅助能生产者（绿色植物）环境（土壤、空气、水等）分解者（微生物）一级消费者（食草动物）二级消费者（食肉动物）三级消费者（食肉动物）农产品等能量输出1、主路径－－草牧食物链植物→一级消费者→二级消费者→……→微生物→非生物环境。2、腐食食物链死亡的生物有机体，以及排泄物或残留体在分解者（微生物）还原为简单的CO2、H2O和其它无机物质。有机物质中的能量以热量的形式散发于非生物环境。3、呼吸作用生物有机体进行呼吸作用，散发于非生物环境中。

4、随着人类从生态系统内取走大量农畜产品，大量的能量与物质流向系统之外，形成了一股强大的输出能流，这是农业生态系统区别于自然生态系统的一条能流路径，为第四条能流路径。

3、农业生态系统中的能流途径河南农业大学·农学院

农业生态系统能量流动特点（1）农业生态系统以草牧食物链为主；（2）农业生态系统的食物链较短；（3）农业生态系统的能量转化效率较高；（4）农业生态系统能量转化的开放性较强；（5）农业生态系统的能流具有双通道特征。河南农业大学·农学院

河南农业大学·农学院2022年11月26日第二节

能量转化与流动的基本定律一、热力学定律二、生态效率三、生态金字塔河南农业大学·农学院

河南农业大学·农学院2022年11月26日一、热力学定律1、热力学第一定律（能量守恒定律）

△U（内能增量）=Q（吸收或输出能）－W（对外界所做的功）

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。根据此公式，对生态系统的能量可以进行定量研究。河南农业大学·农学院

热力学第一定律在生态系统中应用

绿色植物同化的太阳能=贮存在植物体内的化学潜能十植物呼吸消耗的热能动物摄取的食物能=被同化的能+未消化的能或粪便中的能=动物生长或繁殖的化学能+动物呼吸的热能+排出粪便的化学能河南农业大学·农学院

河南农业大学·农学院2022年11月26日2、热力学第二定律(熵律

entropylaw)揭示能量传递方向和转化效率的规律：任何形式的能最终归宿是热能，且不可逆。任何一种能量的转换，总有一些能量损失掉，一种形式的能绝不会全部转换成另一种形式的能。为了判断能量流动的方向和限度，用自由能和熵两个概念来描述。河南农业大学·农学院

河南农业大学·农学院2022年11月26日3、熵(entropy)与自由能熵(entropy):系统总能中不能用来作功的能量，是系统无序性的量度。即：系统热量除以温度后得到的熵。△S=△Q/T是系统无序性的量度。自由能：系统总能中用来作功的能量。

在封闭的系统中，自发过程总是向自由能减少、熵值增加的方向进行。（“宇宙热寂论”）河南农业大学·农学院

河南农业大学·农学院2022年11月26日热力学的两个定律第一定律：A=B+C

第二定律：C<ASUNA:日光，100单位释放的能量B:热，98单位释放的能量形式C:糖，2单位浓缩的能量形式橡树叶，能量转换系统河南农业大学·农学院

河南农业大学·农学院2022年11月26日4、耗散结构理论.耗散结构(dissipativestructure)：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。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。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，排除无序河南农业大学·农学院

河南农业大学·农学院2022年11月26日5、热力学定律在农业生态系统中的应用

（1）根据热力学第一定律，可以对农业生态系统的能量流进行定量研究。（2）在农生态系统能量流中，只有少部分转化成有机形态的化学潜能储存起来，大部分转化成热能而耗散。人们应该尽量减少能量的无谓消耗，提高能量的转化效率。（3）能量流的流动方向是不可逆的，能量只能称为转化或转移，而不能是循环。（4）为了维持农业生态系统的稳定，应不断的向系统输入能量，减少熵。二、生态效率生态效率：能量通过各营养级的转化效率。即食物链中后一营养级生物对前一营养级生物能量利用的百分比。营养级（trophiclevel）：生物在生态系统食物链中所处的层次。绿色植物和其它自养生物为第一营养级，草食动物为第二营养级，一级肉食动物为第三营养级，二级肉食动物为第四营养级。河南农业大学·农学院

河南农业大学·农学院2022年11月26日林德曼效率（十分之一定理）

生态系统N-1营养级的同化量中，有5％~30％（平均为10％）被N营养级同化时，且不损害N-1营养级的功能。营养级能量传递效率约平均为10%。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/An10%定律在生态系统中，每一个营养级可以把它获得的10%左右的能量传递给下一营养级，而仍能保持自身的基本稳定。（种群的数量、增长率等）浮植浮动鱼人1000100101能量在