农业生态系统的调控课件

农业生态学Agroecology2023/10/14

13-2第十章农业生态系统的调控第一单元农业生态系统调控的原理第二单元农业生态系统调控机制第三单元农业生态系统安全与生态修复

内容提要单元测试2023/10/14

13-3第一节农业生态系统调控的生态学原理

一、物质循环和能量转化原理二、生物与环境关系原理三、整体效应和系统生产力原理四、系统结构决定功能原理五、生态经济协调原理2023/10/14

13-4一、物质循环和能量转化原理1．“再生”原理将无机物质转化为有机物质，并将简单有机物质合成为复杂有机物质，又同时将各种类型的有机物质分解为简单物质，重新被生物利用。2．链状循环食物链为载体的物质循环产生人类不能直接利用的废弃物质被不同食性的动物和微生物，分级、分次反复循环和利用，使废物及腐解的废物转化为能够为人们直接利用的生物产品和生物质能。3．网状循环自然生态系统基础上的半人工生态系统，合理的农业生态系统内部应该形成环网结构和生态工艺流程，其中使每一组分既是下一组分的“源”，又是上一组分的“汇”。（一）物质循环原理2023/10/14

13-51．能量递减原理热力学定律与生态学的关系十分明显，各种各样的生命表现都伴随着能量的传递和转化。农业生态系统是开放系统，它倾向于保持较高的自由能而使熵较小，只要不断有物质和能量输入和不断排出熵，开放系统便可维持一种稳定的平衡状态。2．不可逆流动农业生态系统中的能量，以物质为载体，沿食物链从低营养级向高营养级传递。在此过程中，逸散于环境中的能量不可能再返回到食物链，产生类似于物质循环利用的功能，因此人类只有以不同方式向生态系统适时补加能量，才可能发挥正常的系统功能，任何希望通过系统本身调节而实现“永动”的目的都是不现实的。一、物质循环和能量转化原理（二）能量转化原理二、生物与环境关系原理

（一）生物与环境协调发展的生态平衡原理生态平衡指特定条件下，生物与生物、生物与环境之间处于一种动态平衡、协调发展的状态。当生物处于该环境中时，生物才可能处于最佳的生长发育状态，而环境资源的生产潜力才可得得以实现。因此，提高生物与环境间的协调度、保持系统平衡是农业生态系统稳定、高效发展的基础，只有在此原理之下调控生态系统，才可能达到生态、经济和社会效益同步提升的目标。在运用生态平衡原理调控农业生态系统时，要对系统中的目标生物和环境进行辨识，利于有益生物的环境改造，利于调控系统的生态平衡和持续发展。反之，则会在造成生物、环境退化的同时，造成生态失衡，综合持续发展能力降低。2023/10/14

13-62023/10/14

13-7二、生物与环境关系原理

（二）生物与环境协同进化原理生态系统中，生物与环境间的作用与反作用力，最终促进了生物进化，同时对环境改良产生了积极影响。因此，在农业生态系统的调控中，可按照生态系统的阶段发育特征，对系统的生物组分、环境组分进行相应调整，以达到人们对生态系统功能的多元化需求。例如，在盐碱地的开发利用中，先锋植物必然具备耐盐碱特性，当土壤理化性状改良到可以栽培其它作物的阈值范围时，则可改种其它高经济价值的作物。演变，生物与环境的协同作用至关重要。二、生物与环境关系原理

2023/10/14

13-8（三）环境资源有限性原理农业环境资源指某种或某些自然物质资源为载体或介质，在多种自然力的作用下而形成的具有不同环境功能的自然生态系统的自然景观。生物的生存依赖各种环境资源，环境资源在质量、数量、空间和时间等方面都具有一定的限度。生态系统在不降低自身自动调节能力的前提下，对外界压力有一个最大忍受限度，即生态阈值。生物只有分布和生存在生态阈值限度之内，才可维持稳定的生产力。对生态系统的调控，必须科学考虑环境的承载潜力，着眼改造环境承载潜力限制因素，在系统某一构成因素改良的同时实现环境综合功能、承载潜力的提高。2023/10/14

13-9二、生物与环境关系原理

（四）生态适应代价原理生态适应代价(Adaptationcost)是指为了适应环境中的某一不利因素，生物在生理、生化、遗传进化方面进行的调整，提高了生物对特定逆境因子的适应性，但可能降低了生物在其它方面的适应性，进而使该生物在正常环境中的适应能力低于其它同种生物的现象。例如，生物对污染的适应多以抵抗其他不利环境能力降低、整体生物生产力下降为代价。农业生态系统调控中，适用于不同环境中的生物种类或品种差异较大，特定区域中用于解决某一生态限制因子的生物不可能直接用于解决其它生态类型区的相似问题，如针对旱作农业区和干旱灌溉农业区的节水品种选育不能仅以抗旱性作为唯一衡量指标。2023/10/14

13-10三、整体效应和系统生产力原理（一）整体效应原理生态系统的整体效应原理建立在系统论的整体性原则基础之上，指的是生态系统是一个由多因素组合而成的复杂大系统，各个组分之间必然存在适当的比例关系和明显的功能分工，只有各要素间协调作用，生态系统才可能顺利完成能量、物质、信息、价值的转换和流通，而当系统中的某个组分发生量变后，必然影响到其它组分的反应，最终表现在系统整体功能的下降。因此，调控农业生态系统时，必须从整体出发、合理规划、统一安排，使各亚系统及其组成成分协调发展，以形成系统整体高效的转化途径。三、整体效应和系统生产力原理2023/10/14

13-11（二）系统生产力原理传统的生产力主要指以植物生产为主的初级生产力和以动物生产为主的次级生产力。生态系统生产力是将初级生产力、次级生产力、经济生产力组合在同一系统，并围绕某一特定目标对系统进行调控而获得的总体生产力水平，生态系统生产力还包含目标生态系统与另一不同功能的系统耦合以后放大了的生产力。农业生产中，只有协调好生态系统各组成成分的关系，实现优化配置，才可能提高系统生产力。2023/10/14

13-12四、系统结构决定功能原理

系统概念的本质是系统结构，没有系统结构就没有系统，一切系统理论和方法实质上都是关于系统结构的理论和方法，这是系统科学的内在统一。生态系统中，生物种群的组成、数量、比例和时空分布构成了系统的结构，它是系统的内在要素，而功能是表现形式，前者决定后者；系统的整体结构决定系统的总体功能，不同的结构具有不同的功能，最佳系统结构能最大限度地适应和利用环境资源，提高其转化效率和生产力。生产实践中，生态系统调控往往从结构调控入手，即通过物种的组成结构、时间结构、空间结构、营养结构以及环境要素的数量和空间配置结构调控，使生物与环境相适应，达到了资源高效利用和系统持续发展的目标。五、生态经济协调原理与自然生态系统不同，农业系统除了具有能量转换功能、物质转换功能、信息转换功能外，还有价值转换功能，形成相应的价值流，体现出特有的经济效益。在生态系统的运转过程中，通过食物链加环及食物链与产业链串接，在实现系统结构优化前提下，可实现生态效益与经济效益协调统一。但是，由于农业系统外部性的存在，其生态效益和经济效益常常出现不一致的情况。因此，农业生产中，应统筹考虑生态系统产生的生态效益和经济效益，尽最大可能实现两大效益的协调统一，只有生态经济效益相协调的生态系统，才可能是可持续发展的生态系统。2023/10/14

13-132023/10/14

13-14第十章农业生态系统的调控第一单元农业生态系统调控的原理第二单元农业生态系统调控机制第三单元农业生态系统安全与生态修复

内容提要单元测试2023/10/14

13-15第二节农业生态系统的调控机制一、自然调控机制二、人工调控机制三、农业生态系统的调控机制原理2023/10/14

13-16一、自然调控机制

自然生态系统被驯化成农业生态系统之后，其自然调控机制可能被保留下来，如光温对植物发育的调节作用，昼夜节律对家畜行为的调节作用；林木的自疏现象、功能组分冗余现象、反馈现象；各类型的随动调控、优化调控、程序调控、稳态调控大都保留了下来。这些自然调控相对于人工调控来说，往往更为经济、可靠和有效。团此，充分深入地了解、利用和借鉴自然生态系统的自然调控方式常会收到事半功倍的效果。2023/10/14

13-171．反馈机制反馈(feedback)又称回馈，是控制论的基本概念，指将系统的输出返回到输入端并以某种方式改变输入，进而影响系统功能的过程。反馈可分为负反馈和正反馈。负反馈使输出起到与输入相反的作用，使系统输出与系统目标的误差减小，系统趋于稳定；正反馈使输出起到与输入相似的作用，系统偏差不断增大，并使系统振荡。在自然生态系统中，生物常利用正反馈机制迅速接近“目标”，如达到一定种群密度、占据一定生态位等；利用负反馈使系统在“目标”附近获得必要的稳定。(一)反馈机制及反馈调控的层次水平2023/10/14

13-18农业生态系统是一个具有多种正、负反馈机制的系统，系统内的生物种群通过正、负反馈，使其密度及群体增长保持一定关系。(一)反馈机制及反馈调控的层次水平正反馈机制2023/10/14

13-19当种群密度增大，由于种群内部的原因，种群的增长率减少，dN/dt=r（1-N/K），在增长率（γ一定的条件下，种群数量（N）增加的结果，使得种群数量增加减速。负反馈机制使种群数量稳定在平衡点（K）水平（图13-5）。负反馈机制(一)反馈机制及反馈调控的层次水平2023/10/14

13-202．反馈调控的层次水平个体水平上的调控：指生物个体通过生理与遗传变化去适应环境的变化，通过适应性，形成生活型、生态型，亚种、新种，使物种多样性和遗传基质的异质性得到加强，同时提高了对环境资源的利用效率。种群水平上的调控指：通过个体间的相互作用和个体水平上的正负反馈，使得个体与环境、个体与群体之间保持一定的协调关系。

群落水平上的调控

：生物种间通过正负反馈作用而调节彼此间的种群数量和比例关系，同时受共同最大环境容纳量制约的一种调控作用。种群之间捕食者与被捕食者之间的数量调节属于群落水平上的一种反馈调节。系统水平上的调控

：指生态系统通过交错的种群关系、分化的生态位、食物链量比关系而对系统稳定性产生的积极作用。当系统内的组分较多且相互关系较协调时，系统包含的正负反馈机制也较多，系统的自我调控能力较强、稳定性也越多。2023/10/14

13-21(二)多元重复补偿机制多元重复补偿是指在生态系统中，有一个以上的组分具有完全相同或相近的功能，或者说在网络中处在相同或相近生态位上的多个组成成分，在外来干扰使其中一个或两个组分被破坏情况下，另外一个或两个组分可以在功能上给予补偿，从面相对地保持系统输出稳定不变。例如：植物生产的种子数和动物的排卵数往往大大超过环境可容纳的下一代数目；同一种食草动物通过取食多种植物，以获取充足的养分等。多元重复补偿使得生态系统在遇到干扰后，仍能维持正常的能量和物质转化功能，这种多元重复有时也理解为生态系统结构上的功能组分冗余现象。1A1B1C多元重复补偿机制(三)本能调控2023/10/14

13-22生态系统中由生物遗传特性所决定的生物自身的调控作用称为本能调控。1．程序调控指由生物遗传基因决定的有序调控。2．随动调控随动调控是由生物本能决定的行为调控，是动植物的运动过程能跟踪一些外界目标的现象。3．最优调控最优调控是生物在生存环境中达到与环境最适宜状态的调控。2023/10/14

13-23二、人工调控机制人工调控(Artificialregulation):指在自然调控机制基础上，人们对生态系统的生物种类和比例、种间关系、物质输入和输出以及外部环境条件进行的调节和控制。与自然生态系统不同，农业生态系统由于其特殊的社会属性，随可对生态系统组分、输入输出直接进行调控外，在宏观层次上还可通过社会、经济和技术等要素对其进行间接调控。2023/10/14

13-24直接调控是对系统的组成、结构和机能进行直接的调节和控制，是一种快速影响生态系统功能的调控方式，包括以下几种：1．农业生物调控

农业生物调控是在个体、种群和群落各水平上通过对生物种群的遗传特性、栽培技术和饲养方法进行改良，以增强生物种群对环境资源转化效率的调控方式。(1)个体水平的生物调控

(2)种群水平的生物调控

(3)群落水平的生物调控

(一)直接调控2023/10/14

13-25个体水平调控的主要层次有：1．选择和调整生物种类

其主要途径有

（1）根据限制因素调整生物种群

（2）根据对肥力的适应性调整作物

（3）此外，还应根据生物种对环境的生态适应性及社会的需求，选择生物种类，以发挥产品的优势和满足社会对农产品的多种需求。2．进行生态型的合理组合

1．农业生物调控

2023/10/14

13-261．群体密度调控：对农业生态系统种群密度调控时，常需根据自然资源条件和科技、生产水平进行权衡。

2．群体组成调控

在同一时间和空间内，选择适当的动植物种类，组合成特定的结构，形成对资源的高效利用

3．群体的季节搭配调控

群体季节搭配调控是根据季节变化规律，环境特点和人类的调控目的，从时间序列对种群进行调控

群体水平的调控

1．农业生物调控

2023/10/14

13-272．生物环境的调控

指通过农业技术措施改善农业生物所处的生态环境，以提高外部环境与生物需求吻合度的调控。(1)土壤调控主要措施包括：①机械措施；②化学措施；③生物调控；(2)气候调控(3)水分调控(4)热量调控人工防护林体系人工降雨日光温室、塑料大棚2023/10/14

13-293．输入输出调控通过农业生态系统输入、输出物质的种类、数量以及时空关系上的调节，达到提高系统资源利用效率的措施。(1)输入调控(2)输出调控①调控系统的贮备能力，提高系统资源转化的目标性。②改变产品输出形态，提高系统的综合效益。③控制非目标性的输出，2023/10/14

13-304．系统结构调控农业生态系统的结构调控是指根据生态学基本原理、社会经济原理，对系统内的物种结构、自然资源结构进行合理配置，使系统内组成成分间的结构和机能更加协调，系统结构调控的主要途径包括三个方面：（1）优化系统组成在数量上的比例。（2）优化系统在空间上的布局。（3）优化系统在时间上的组合。2023/10/14

13-31(二)间接调控农业生态系统的间接调控主要指的是社会调控，是指包括市场、宏观经济政策、金融、工交通讯、科技文化水平、政法管理等系统外部的因素对系统结构和功能产生的调控作用。1．政策法规系统的调控

2023/10/14

13-322．财贸金融系统的调控财贸金融系统通过影响经营者的资金来源、消费方式和生产方向，产生间接调控。主要调控手段有信贷、投资、税率、利率、价格、货币履行、市场渠道、政府预算等。现实生产中，投资、补贴等方式使资金从财政部门流向农业生态系统的经营者，经营者的资金又可以税收方式流向财政部门；资金也可以以贷款等方式从金融部门流向经营者，又以还本、付息等方式流向金融部门。

例如在甘肃河西走廊区，日光温室是节水、增效的重要措施之一，但每栋温室2-3万元的建造费用对大多农民来说是一个难以解决的障碍，而正是政府部门的物资补贴促动了该技术的在面积推广应用。2023/10/14

13-333.商品交换系统的调控作用

商品交换是随着农业发展和剩余产品出现而出现的。它的产生又进一步促进了社会的分工，加强了工农之间、城乡之间的商品交换。由于不同时期、不同区域的交换需求、频度及方式不同，农业生态系统的发展方向和规模就不同。货币系统、价格与农业系统的偶联系2023/10/14

13-344、工业、交通与信息系统的调控作用手工业从农业中分化并发展出来，逐步形成工业与农业通过商品交换等形式发生着联系，相互支援、影响和限制。工业为农业提供农机具、化肥、农药等农业生产资料和资金来源，农业协工业提供原材料。劳动力等条件。两者相互依赖，共同发展。

2023/10/14

13-355、科学技术系统的调控作用科学技术是第一生产力，一项科学技术的出现往往会带动系统产业的变革，世界农业发展的历史上，杂交种、化肥、灌溉技术带来的影响有目共睹；设施生产技术的出现，在一定范围内打破了冬季热量不足的制约，形成了反季节高效生产的典例。文教系统主要通过影响农业生产者的素质及其对技术的使用效果，产生间接调控。在当今资源节约型农业成为发展主流的背景下，节约意识的培养一方面可依靠强大的宣传网络，但最重要的还是依靠教育系统让农业系统的经营者的综合意识得到提高，并具备相应的基本技能。2023/10/14

13-36三、农业生态系统的调控原则农业生态系统是由农业生物、农业环境和人组成的多功能复合巨系统，系统的调控必须根据不同亚系统的特点、系统间的耦合作用以及农业发展对不同系统的要求制定相应的对策，调控过程中应遵循以下基本原则：(一)以自然调控规律为基础，合理集成人工调控技术(二)遵循生态系统的地域性原则(三)生物与环境协同进化原则(四)可持续发展原则2023/10/14

13-37第十章农业生态系统的调控第一单元农业生态系统调控的原理第二单元农业生态系统调控机制第三单元农业生态系统安全与生态修复

内容提要单元测试第三节

农业生态系统安全与生态修复一、农业生态系统的安全二、农业生态系统的修复三、受损农业生态系统修复的步骤一、农业生态系统安全从本质上来讲，生态安全就是生态系统的安全。按（IASA,1989）的定义，广义生态安全指在人的生活、健康、安乐、基本权利、生活保障来源、必要资源、社会次序和人类适应环境变化的能力等不受威胁的状态，包括自然生态安全、经济生态安全和社会生态安全。狭义的生态安全指自然和半自然生态系统的安全，即生态系统完整性和健康的整体水平反映。2023/10/14

13-392023/10/14

13-40一、农业生态系统安全

农业生态系统安全是指农业生态系统具备免受“失调综合症”，能够通过自然和人工调控缓解或解除系统胁迫，并能持续满足产品供给、社会服务和环境保障的状态。农业生态系统属于半自然生态系统，兼具生态、社会、经济等多重属性，其安全性属于狭义安全的范畴。农业生态系统的安全主要包括四个方面的内容，即农业环境安全、农业资源安全、农业生物安全和农产品安全。农业生态系统的安全主要决定于系统结构及其动态变化，当由生物组分、环境组分和人共同组成的系统结构与自然或社会经济规律相悖时，系统的安全性则会受到损伤，只有通过一定的人工调控，对受损结构进行修复和优化后，系统的功能才能持续发挥。二、农业生态系统的修复生态修复的有关概念生态修复的类型农业生态系统修复途径2023/10/14

13-41（一）生态修复的有关概念2023/10/14

13-42生态恢复是指停止人为干扰，解除生态系统所承受的超负荷压力,依靠生态本身的自动适应、自组织和自调控能力，按生态系统自身规律演替，通过其休养生息的漫长过程，使生态系统向自然状态演化。生态修复是在生态学原理指导下，以生物修复为基础，结合各种物理修复、化学修复以及工程技术措施，使系统的结构和运行机制最优化，并使系统功能最佳化的一种综合调控技术体系。生态修复涵盖了环境生态修复，即非污染的退化生态系统,如毁林开荒导致水土流失和荒漠化，可以通过退耕还林和封禁治理使生态系统得到恢复，也可称为生态修复。生态重建是对被破坏的生态系统进行规划、设计,建设生态工程,加强生态系统管理,维护和恢复其健康,创建和谐、高效的可持续发展环境。(二)生态修复的类型微生物修复植物修复物理修复化学修复联合修复2023/10/14

13-431、微生物修复生物修复是对污染环境实施修复、治理的最为重要的技术之一，是生态修复的基础，广义生物修复包括植物修复、动物修复、微生物修复等。一般来说，生物修复主要是指微生物修复，即利用天然存在的或人为培养的专性微生物对污染物的吸收、代谢和降解等功能，将环境中有毒污染物转化为无毒物质甚至于彻底去除的环境污染修复技术。其主要途径包括：2023/10/14

13-44(1)吸收和富集污染物质2023/10/14

13-45微生物对污染物质的吸收与富集类型包括沉淀作用、胞外络合作用和细胞壁结合作用三种方式，是微生物从体内分泌具有络合或分解转化污染物能力的有机物质，使污染物的移动性降低或极性改变，进而减小污染物危害的方法。(2)分解转化有机污染物质长期生活于污染环境中的微生物甚至对污染物质具有依赖性，并以各种各样的有机污染物为碳源或氮源。土壤中残留的农药主要通过生物降解作用而解毒。2023/10/14

13-46(3)固定、钝化污染物质除将污染物质分解为小分子无毒物质外，微生物还可改变污染物质的移动性，即将污染物质固定下来，具体固定方法包括生物屏障法、氧化还原沉淀法、键合法。微生物消除污染物质的另一途径是钝化，是指将毒理学上具有活性的物质转化为无活性的形态。2023/10/14

13-472．植物修复2023/10/14

13-48植物修复是指利用植物及其根际圈微生物体系的吸收、挥发和转化、降解的作用机制来清除环境中污染物质，或者利用特殊植物减小生态系统中的有害物质，并使受损生态系统的功能得以恢复的一项生态治理技术。广义的植物修复包括利用植物净化空气（如室内空气污染和城市烟雾控制等），利用植物及其根际圈微生物体系净化水体（如污水的湿地处理系统、水体富营养化的防治等）和治理污染土壤（包括重金属及有机污染物质等）。狭义的植物修复主要指利用植物及其根际圈微生物体系清洁污染土壤或污染水体，而通常所说的植物修复主要是指利用重金属超积累植物的提取作用去除污染土壤或水体中的重金属。（1）利用植物的富集效应去除土壤、水体或者大气中的污染物质不同植物对污染物质的吸收、积累和耐性不同，利用植物对有害物质的吸收和转移以减小为害的生态修复技术也称为植物提取技术，已广泛应用于生产实践。2023/10/14

13-49（2）利用挥发植物，以气体挥发的形式修复污染土壤或水体

即利用挥发植物将污染土壤中的一些挥发性污染物吸收到植物体内，然后将其转化为气态物质释放到大气中，从而对污染土壤起到清洁作用。2023/10/14

13-50（3）利用固化植物修复通过耐性植物根系分泌物质来积累和沉淀根际圈污染物质，使其失去生物有效性，以减少污染物质的毒害作用，防止污染物向周围环境扩散造成二次污染。2023/10/14

13-51（4）植物净化修复污染空气的净化主要是利用绿化植物及花卉植物等维持大气中氧气和二氧化碳平衡，吸收（滞）空气中的污染气体、灰尘，减弱噪声、含菌量等作用机制以保持大气及室内空气的清洁。2023/10/14

13-52（5）植物代谢转化修复植物可通过酶促反应将有毒物质转化成低毒或无毒物质，或转化为水溶性物质而利于排出体外，生物对外来毒物的这种防御机制称为解毒作用，其实质是通过代谢降低了有毒物质危害。2023/10/14

13-533．物理修复指借助物理手段去除环境中的有害物质，或者采用物理手段对生态系统中的环境组分或生物组分进行结构上的优化，以达到提高系统功能的修复技术。对污染生态环境而言。农业生产中，污染土壤的修复除生物、化学技术外，去除污染土层、客土法降低有害物质的浓度也是常用的物理修复技术。采用平整土地、修筑梯田等方式，将破碎土地整理为供种植或养殖生产使用的耕地资源也是常用的物理修复现象。2023/10/14

13-544．化学修复化学修复就是利用化学物质去除被污染环境中的有害物质，常见方法包括淋洗修复、溶剂浸提修复、化学氧化修复、化学还原与还原脱氯修复、电化学修复等。对农业生产而言，化学修复技术主要应用于污染土壤的改良，即向土壤中投入改良剂，使土壤酸碱性得以优化，或者对重金属产生吸附、氧化还原、拮抗或沉淀作用，降低其生物有效性。化学修复的关键在于选择经济有效的改良剂。但化学修复并不是一种永久的修复措施，因为它只改变了重金属在土壤中存在的形态，金属元素仍保留在土壤中，容易再度活化危害植物。2023/10/14

13-555．联合修复生态修复是一项复杂的系统工程，单一技术往往难以发挥决定性作用，实际应用时多将不同技术进行合理组配，形成微生物-物理修复、微生物-化学修复、微生物-物理-化学修复、植物-微生物修复、植物-微生物-化学等不同类型的联合修复技术体系，并针对不同修复点或面的实际情况，对不同组合技术进行相应的加强或弱化，以达到经济、高效和持续的修复效果。2023/10/14

13-56（三）农业生态系统修复途径农业生态系统是人类强烈干预的半自然生态系统，除经常面临生态污染外，还面临气候灾害、地质灾害、生物灾害、人为灾害等问题，当农业生态系统受损后，在微生物层次上需要配置微生物修复、植物修复、物理修复、化学修复、酶修复等技术外，还需在宏观层次上合理配置自然和生物资源，以达到促进生态系统功能恢复的目的。2023/10/14

13-571．科学建立生态防护体系生态防