农田生态系统分析-final

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1、,山东农业大学农学院 李增嘉 E-mail:lizj Phone：0538-8249737 2011.1,农田生态系统分析,Evaluation of Farmland Ecosystem,提 纲 一、生态系统的含义与类型 二、农田生态系统的特征 三、农田生态系统评价 四、农田生态系统管理,一、 生态系统的含义与类型,系统的概念 系统的基本性质 生态系统的含义 生态系统的类型,系统（system）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 。,组成系统的3个充要条件,系统必须具备两个以上的构成要素； 各要素之间必须具有某种联系； 各要素必须以整体的形式完成特定的功能。

2、,组成系统必须满足的3个条件：,（一）系统的概念,（二）系统的基本性质,系统无论大小都具有一定边界，边界的划分是系统研究的前提。 系统的水平分离特征，即系统都是由两个或两个以上的组分构成的，必须按照一定规格和严格的程序有序地结合起来。 系统的垂直分离特征，即系统组分又自成系统的成子系统或亚系统。大系统套小系统的系统层次结构特征称垂直分离特征。,1.组分的整体性,2.结构的有序性,系统的各个组分之间有一定的量比关系。 系统内各组分通过各种联系相互作用、相 互制约、相互牵制，以致系统内某一组分 的变化会影响到系统的其他组分，最终使 系统的整体产生相应的变化。 系统各组分、各层次分工合作，各居其 位

3、、各司其职，共同完成系统整体功能。,3.功能的整合性,系统的整体功能不等于它个各组分功能的相加，而是一种集体效应，既有各组分的功能，又有各组分之间交互作用产生的新功能，这种整体功能大于部分功能之和的特性称为系统功能的整合作用。 并不是所有的系统都有系统功能整合作用，系统的功能完全取决于系统的结构。,4.结构和功能的可控性,由于系统结构决定系统的功能，通过改变系统的组分及结构就能影响系统功能。 人工系统为了达到系统目的要求，常需要对系统的输入或状态进行控制，以使输出结果符合系统的目的要求，这个调控过程就是系统控制。,正是系统功能整合特性和系统的可控性，才为改善、优化系统结构，提高系统功能提供了可

4、能，系统分析才有实际意义。,输入,输入,输出,输出,反馈信息,反馈信息,反馈信息,自控系统,自控系统,能流、物流,信息流,自控系统（反馈系统）的物质、能量流模式图,生态系统：生物与生物之间以及生物与其生存环境之间密切联系、相互作用，通过物质交换、能量转化和信息传递，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。 简言之，在一定空间内的全部生物与非生物环境相互作用形成的具有一定功能的统一体称为生态系统。,（三）生态系统的含义,生态系统是客观存在的实体，有时、 空概念的功能单元； 由生物和非生物成分组成，以生物为 主体； 各要素间有机地组织在一起,具有整体 的功能; 生态系统是人类生存

5、和发展的基础。,1.以环境的性质为依据来划分,地球上的各类生态系统,陆地 生态系统,淡水 生态系统,海洋 生态系统,（四）生态系统的类型,陆地生态系统根据植被特征分类可分为：森林生态系统、草原生态系统、农田生态系统等。,森 林,草 原,农 田,淡水生态系统分为湖泊生态系统、水库和鱼塘生态系统以及水体常处于流动之中的溪流、江河生态系统。,湖 泊,鱼 塘,水 库,溪 流,江 河,海洋生态系统分为海岸生态系统、河口生态系统、浅海（大陆架）生态系统和 深海生态系统。,海 岸,河 口,浅 海,深 海,自然生态系统,人工驯化生态系统,人工生态系统,2. 按人类对生态系统的影响划分,自然生态系统 受到的调节

6、和控制主要是来自自然界的物理、化学和生物学过程，如原始森林生态系统、珊瑚礁生态系统、高山冻原生态系统等。,原始森林,珊 瑚 礁,高山冻原,人工驯化生态系统 的主要生物种类已经受过人类的驯化、改造，生态系统不但受到自然过程的调节控制，而且也受到了强烈的人类活动的调节控制。农田生态系统是典型的人工驯化生态系统。,人工生态系统 不但生物种类受人类的改造且以人类为主，环境也由人类设计、制造和调节控制，如城市生态系统，远洋船生态系统和航天器生态系统。,二、农田生态系统的特征,农田生态系统的概念 农田生态系统的组成与结构 农田生态系统的功能 农田生态系统的特征,（一）农田生态系统的概念 一定农田范围内，作

7、物和其他生物及其环境通过复杂的相互作用和相互依存而形成的统一整体，即一定范围内农田构成的生态系统。,（二）组成与结构,农田生态系统,生物,环境,生产者,消费者,分解者,太阳辐射能,无机物质,有机物质,1. 组成,指农田生态系统中组成成分及其在时间、空间上的分布和各组分间的能量、物质、信息流的方式与特点。,农田生态系统结构是其功能的基础。只有组建合理的结构，才能获得较高的系统整体功能。,农田生态系统的结构,物种结构,时空结构,营养结构,2.农田生态系统的结构,生产者,消费者,分解者,环境,物种结构,时空结构,3月,9月,5月,北方小麦玉米一年两熟农田,生产者,消费者,分解者,营养结构,农田生态系

8、统中由生产者、消费者、分解者三大功能类群以食物营养关系所组成的食物链、食物网是生态系统的营养结构。,养分 水分 能量,（三）农田生态系统的功能,农田生态系统,生产功能,生态功能,食物：粮、油、菜、果、瓜等,原料：淀粉、饲料、烟、糖等,能源：生物质能,支持生命、净化空气,调节气候、除尘降噪,涵养水源、保持水土,生活功能,社会稳定,农耕文化,田园风光,（四）农田生态系统的特征,系统中的生物群落结构较简单，优势群落往往只有一种或数种作物； 伴生生物为杂草、昆虫、土壤微生物、鼠、鸟及少量其他小动物； 大部分经济产品随收获而移出系统，留给残渣食物链的较少； 养分循环主要靠系统外投入而保持平衡； 相似的自

9、然条件下，土地生产力远高于自然生态系统。,三、农田生态系统评价,评价的步骤与方法 生态因子分析 功能分析 环境影响分析,（一）评价的步骤与方法,1. 原则：整体性、综合性、最佳化 把研究对象当作一个系统，从系统的整体出发，要着眼于整体与局部、部分与部分、整体与外部环境之间的相互联系、相互作用、相互制约关系，力求综合地、精确地研究对象，以达到最佳处理问题的目的。,2.评价的一般步骤,明确农田生态系统的边界后，在分析其组成要素、结构的基础上，分析各组分间的定量关系，建立系统的数学模型，并利用计算机对系统结构优化，使农田生态系统具有功能整合作用。 分析一般可分为4个阶段，这4个阶段对应于系统的4个基

10、本特性。,定性分析 定量分析 模型建立 农田生态系统结构优化,以测土配方施肥为例,土样采集,室内化验,配肥到户、农化服务,田间校验,企业生产,田间试验,指标体系,施肥推荐,田间诊断,高产作物养分需求规律,肥料 环境养分,养分空间有效性,养分生物有效性,养分时空变异性,养分供应规律,(红色数值为农民习惯，蓝色数值为测土配方施肥量，单位: kg/ hm2),新的高产品种后期吸氮多,生态因子分析 功能分析 环境影响分析,3.分析的方法,1.光温水分析,温度-降水气候图解,（二）生态因子分析,2.农田小气候观测,观测内容：气温、土壤温度、空气湿度、光照、CO2浓度的分布和气流速度等及其变化特征。为指导

11、生产提供依据。 观测点设置：五点法、对角线法、Z型法,（1）光照,总辐射表 光量子仪（测光合有效辐射） 照度计 测定时间：作物生长关键时期，如小麦、玉米灌浆期，花生下针期，棉花始花期等。 测定部位：冠层顶部 株高2/3处 近地面 测定内容：透光率、截获率,冠层分析仪,照度计,（2）空气温湿度,通风干湿表 干湿球温度表 最高最低温度表 测定时间：同光照。 测定部位：同光照。,（3）土壤温度,曲管地温表（5、10、15、20cm） 热敏电阻地温表 测定时间：同光照。或确定播种期。 测定部位：同光照。,（4）风速或气流速度,热球或电动风速表 测定时间：同光照。 测定部位：同光照。,（5）二氧化碳浓度

12、,便携式红外二氧化碳分析仪,土壤肥力质量 土壤维持植物和动物持续生产的能力,土壤环境质量 土壤降低环境污染物和病菌损害， 调节新鲜空气和水质量的能力,土壤健康质量 土壤影响动植物和人类健康的能力,土壤质量是土壤肥力质量、土壤环境质量及土壤健康质量的综合量度。,土壤质量,3.土壤质量分析,土壤肥力质量是土壤满足植物养分和生产生物物质的能力、抗御土壤侵蚀，维持永续生产所需的水分、养分、空气和热量的能力。 土壤环境质量是土壤容纳、吸收、净化污染物质，维护水和空气洁净，调节水、气质量适于人畜和其他生物生长和繁衍的能力。 土壤健康质量是土壤生产安全和营养成分完全的食品、促进人畜（和其他生物）健康能力的量

13、度。,（1）土壤质量指标的选择,代表性 灵敏性 通用性 经济性,耕作层,犁底层,母质层,（2）土壤质量指标体系,物理指标,生物指标,化学指标,OM、pH、EC、N、P、K、Eh等,质地、容重 入渗速率、田持、含水量、水吸力等,微生物量碳和氮、潜在可矿化氮、土壤呼吸量、土壤酶等,土壤环境质量 背景值 污染指数 植物或作物中污染物 环境容量 地表水污染物 地下水污染物,土壤生物活性 美国土壤微生物学家（Kemedy等，1995）根据当时可接受的测定项目和方法，提出了下面土壤质量微生物学指标体系： 有机碳；微生物生物量（A总生物量，B细菌生物量，C真菌生物量，D微生物生物量碳、氮比）；潜在可矿化氮；

14、土壤呼吸；酶活性（A脱氢酶，B磷酸酶，C精氨酸酶，D芳基硫酸酯酶）；生物量碳与有机碳比；呼吸量与生物量比；微生物群落（A基质利用，B脂肪酸分析，C核酸分析）。,土壤生态质量 节肢动物 蚯蚓 种群丰富度 多样性指数 优势性指数 均匀度指数 杂草,土壤质量指标体系,可根据不同的评价目标和技术水平选择或设计合适的评价方法。 国际上比较常用的评价方法有以下几种:,土壤质量综合评分法,土壤质量动力学方法,土壤质量多变量指标方法,土壤相对质量评价法,（3）土壤质量的评价方法,4. 作物与品种适应性分析,品种的适应性有地区性； 品种的利用具有时间性； 品种的气候适应性(产量、品质、效益等表现)； 与良种配套

15、的高产栽培条件； 品种的抗病、虫性； 品种的缺欠性。,（三）农田生态系统的功能分析,种群构成分析 物质生产力分析 经济效益分析,1.种群构成分析（个体、群体、病虫草等）,2.物质生产力分析,理论测产,实打测产,秸秆产量,品质分析 以小麦为例，检测的主要项目有粒色、硬度指数、容重、水分、蛋白质含量、降落数值等6项籽粒质量指标，出粉率、沉降值、灰分、湿面筋含量、面筋指数等5项面粉质量指标，吸水率、形成时间、稳定时间、拉伸面积、延伸性、最大阻力等6项面团特性指标，面包体积、面包评分、面条评分等3项制成品的烘焙、蒸煮质量指标。,容重测定,蛋白质、淀粉等含量测定,品质分析,氨基酸含量测定,纤维素含量测定

16、,面团特性分析,3.经济效益分析,单位面积产值=单位面积产量产品单价 单位面积纯收益=单位面积产值单位面积投入 产出投入比=单位面积产值/单位面积投入,氮肥利用率=（施氮产量-无氮区产量）/施氮量100% 灌溉水利用率=（灌溉区产量-对照区产量） 灌溉区比对照区增加的灌溉水量 劳动生产率=年产值/劳动力数 土地生产率年产值/耕地面积,4、环境影响分析,温室气体与酸沉降 水循环不畅与水污染 土壤退化 有害物质：农药、化肥、重金属,1.温室气体与酸沉降,温室气体 指大气中由自然或人为产生的能够吸收和释放地球表面、大气和云所射出的红外辐射谱段特定波长辐射的气体成分。该特性导致温室效应。 水汽（H2O）