农业可持续发展基本理论讲解

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1、农业可持续发展基本理论讲解 第一节 生态学理论第二节 经济学理论 第一节 生态学理论 一 农业生态系统二 农业生态物质循环三 农业生态系统能量流动理论 一 农业生态系统 自然生态系统农业生态系统 自然生态系统与农业生态系统 自然生态系统农业生态系统 自然生态系统 地球上主要生态系统示意图 自然生态系统功能能量流动 自然生态系统能量来自于太阳辐射 能量沿着生产者 消费者 分解者单向流动 是驱动一切生命活动的齿轮 物质循环 生态系统中的物质 主要指生物为维持生命所需要的各种营养物质 沿着食物链在不同营养级生物之间传递 最终归还给环境 信息传递 物理信息 化学信息 营养信息 生物遗传信息在生物与环境

2、之间的传递 典型陆地生态系统结构 消费者 动物 生产者 植物 分解者 微生物 能量流 物质流 气候 物理环境对有机体影响 有机体对物理环境影响 生物群落 物理环境 生态系统 土壤 植物 即出生产 太阳能降水 食草动物 食肉动物 大型食肉动物 能量损失 分解还原者 太阳能降水 土壤 植物 作物 杂草 人类 动物 家禽害虫 肥料 排灌水 耕作 农药 育种 饲养 农业技术系统 农业经济系统 农业生物系统 环境系统 农业生态系统 农业生态系统基本功能 能量流 除了自然生态系统的太阳能通过食物链传递以外 人类还利用煤炭 石油 天然气 风力 水力 人力 畜力为动力形成农机 农药 化肥 灌溉 栽培 加工运输

3、等形式 物质流 天然和人工合成化合物在生物系统中的流转 信息流 不但保留了自然生态系统信息流以外 还利用社会信息网络 电视 电话 广播 互联网 报刊等 高效传递信息 价值流 由于农业生态系统物质 能量和信息流动的加入是依赖于人类活动的 加入人类生产活动后就产生了价值 二 农业生态系统物质循环理论 物质循环基本概念和类型物资循环中的库与流物质流动特征生态系统内能流域物流的关系农业生态系统物质循环 物质循环的基本概念和类型 概念 地球上的各种化学元素和营养物质在自然动力和生命动力的作用下 在不同层次的生态系统内 乃至整个生物权 沿着特定的途径从环境到生物体 再从生物体到环境 不断地进行流动和循环

4、构成了生物地球化学循环 那些对生命活动必不可少的各种元素和无机物的运动统称为营养物质循环 地质大循环与生物小循环 地质大循环是指物质或元素经生物体的吸收与作用 从环境进入生物有机体内 生物有机体在以死体 残体或排泄物形成物质或元素返回环境 进入大气 水 岩石 土壤和生物五大自然圈层的循环 时间长 范围广 是一种闭合时循环 生物小循环是指环境中的元素经生物体吸收 在生态系统中被多次利用 然后经过分解者的作用 再为生产者吸收 利用 生物小循环时间短 范围小 是开放式的循环 碳循环模型示意图 大气 土壤岩石 江河海洋 陆地动物 陆地植物 水生动物 水生植物 流入 流出 同化 同化 工业 废水 淋溶

5、流入 废渣 废水 沉淀 风化 地质大循环过程示意图 玄武岩 熔岩 玄武岩 侵入岩 溶浆 变成岩 地表岩石 沉积岩 土壤 沉淀物 风化腐蚀过程 侵蚀埋存固体化 溶化过程 溶浆升起 抬升暴露 生物小循环示意图 消费者 食物基础 可利用的营养物质 腐屑 储存 分解者 气象型循环和沉积型循环 气象型循环储藏在大气圈和水圈中的元素通过大气进行弥漫 很短时间内被植物物所利用 然后生物在转化过程中释放的物质再经过大气和降雨回到大海和大气 沉积型循环储藏在地下的元素经过风化或者开采冶炼释放出来为植物吸收 参与生命物质的形成 沿着食物链转移分解释放 一部分被植物吸收 大部分以溶液或沉积物状态随流水进入江河 汇入

6、大海 经过沉降 淀积变成岩石 物质循环的库与流 库 物质在运动过程中被暂时固定 储存的场所称为库 可分为植物库 动物库 大气库 土壤库 水体库 流 物质在库与库之间转移运动状态成为流 系统中的能流 物流 信息流是生态系统各个组分联系起来 并使系统与外界环境联系起来 意义 没有库 环境资源不能被吸收 固定和转化 没有流 库与库之间不能联系 沟通 物质循环就可能短路 生命无法维持 生态系统必将瓦解 物流的特征 生物量与现存量在某一特定的观察时刻 单位面积或体积内积存的有机物质总量称为生物量 又称为现存量 生产量是现存量与减少量之和 要提高现存量 关键是要增加生产量和降低减小量周转率与周转期周转率是

7、指系统达到稳定状态后 某一组分中的物质在单位时间内所流出或流入的量站库存总量的份额 周转期是周转率的倒数 表示该物质全部更换需要的时间 循环效率循环物质站在那个输入物质的比例称为循环效率 循环效率越高 表明有机体机能越强 生态系统内能流与物流的关系 能流失单向流动 并且在转化过程中逐渐衰变 有效能的数量逐级减少 最终趋向全部转化为低效热能 离开生态系统 某些能流可以反馈一次 物流是往复循环 不只能被利用一次 而是重复利用 物流在流动过程中只会改变形态而不会消灭 可以在系统内永恒地循环 人类对生态系统物质循环可以干预和调节 但是忽视了生态系统固有的自我调节能力 就有可能有意的服反馈机制削弱或破坏

8、 导致系统发展失控而产生恶果 农业生态系统的物质循环 生物地化循环养分循环与平衡农业生态系统物质循环中的环境问题 生物地化循环 碳循环 碳是生命有机体的基础物质 陆地上的植物通过光合作用 把CO2转化为有机碳 转移到土壤 被细菌分解后为植物所吸收 成为生物体 剩余的碳排放到大气中 水循环 水是生物体的主要组成部分 在生物体中占到70 水溶解各种物质和营养补充进生物体中 海洋被蒸发 输入内陆遇冷凝下降到陆地形成径流 再流入大海 氮 磷 钾循环 氮磷钾是植物生长过程中的基本营养物质 通过太阳辐射 生物分解等各种方法把大气中的氮磷钾转移到土壤中 再通过水溶解被植物吸收 养分循环与平衡 农业生态系统通

9、过输出农产品到市场 再从市场返回煤炭 石油 种子 化肥等物质 农业生态系统物质循环是一个开放性的循环系统 如果输出大于输入 农业系统就会退化 如果输出物质小于输入 农业生态系统才能改善 有机质是各种营养物质的载体 有机质来源于作物残体和牲畜粪便 必须增加系统中的有机质 燃烧作物秸秆是一种浪费 沼气 秸秆还田是增加有机体及营养平衡的重要措施 就地加工 提高物质的归还率 不同的农作物生长对作物的营养需求和归还率不同 因此要建立合理的轮作制度 提高营养成分的效能 农业生态系统物质循环中的环境问题 化肥 农药中除氮磷钾有用元素外 还有大量的铬 汞 铅 硼等毒性物质 这些物质被植物吸收后对植物生长和农产

10、品质量是有害的 化肥 农药施用过量会使水体富营养化 产生藻类植物 光合作用后消耗水体中的氧 引起农作物缺氧而死亡 化肥农药施用过量 会通过反硝化作用把NOx物质排放到大气 造成温室气体的增加 三 农业生态系统的能量流动 农业生态系统能量的来源食物链与食物网农业生态系统能量流动的路径农业生态系统能量流动的基本定律 农业生态系统的能量来源 日光能日光能是太阳放射出来的广谱电磁波组成 日光能进入大气层后 大部分转化为热能 温暖了地球 少部分被绿色植物吸收 参与到生态系统的能量转化与流动生物化学能生物化学能是储存在有机化合物中的一种潜在的能量 生物化学能一部分来自于日光能通过光合作用转化固定在植物中的

11、化学能 另一部分来自食物链转化导致物体和微生物体中的化学能 热能热能是一种广泛见于不同能量做功过程中的能量转化形式 最终所有的能量都散逸在环境中 食物链与食物网 捕食食物链海洋 浮游植物 浮游动物 虾 鱼 草原 绿草 羚羊 老虎 农田 水稻 蝗虫 青蛙 农业 作物秸秆 牛 人腐食食物链死亡有机体或生物排泄物为能量来源 在微生物参与下 经腐烂分解还原为无机物并从中取得能量的食物 秸秆粪便生产沼气和肥料 棉籽壳 稻草培育蘑菇 寄生食物链以活的动植物有机体为能量来源 以寄生方式生存的食物链哺乳动物 跳蚤 原生动物 细菌 病毒 马 蛔虫 食物链与食物网 食物网的概念 在生态系统中 各种生物之间的取食与

12、被取食关系互相交织在一起 一种生物常常以多种食物为主 而同一种食物又往往被多种消费者取食 于是就形成了多条食物链相互交织 互相联结成食物网 特点 食物网的稳定性远远大于食物链 因为当一种食物短缺时 其他食物链可以进行调节和补偿 作用 农业系统中 作物 林木 牧草 禽畜 鱼虾等生物如能保持较多种类和品种 就能增加农业生态系统的稳定性 农业生态系统能量流动的路径 日光能 绿色植物 人工辅助能 微生物 食肉动物 食草动物 呼吸消耗第三条路径 第一条路径 第二条路径 第四条路径 排泄物死亡体 排泄物死亡体 农业生态系统能量流动路径示意图 农业生态系统能量流动的基本定律 热力学第一定律 能量守恒定律热力

13、学第二定律 能量衰变定律熵 entropy 与耗散结构生态金字塔定律林德曼效率农业生态系统的能量生产辅助能量 热力学第一定律 能量守恒定律 热力学第一定律认为 能量可以在不同的介质中被传递 在不同的形式中被转化 但数量上既不能被创造 也不能被消灭 Q U WQ 系统吸收的能量 U 系统内能的变化W 系统对外所做的功日光能被转化为化学能与热能 在食物链中又被转化为动能 热能 热力学第二定律 能量衰变定律 自然界所有的自发过程都是能量从际中转变为分散型衰变过程 而且是不可逆的过程 由于总有一些能量在转化过程中要变为不可利用的热能 所以任何能量的转化都不可能达到100 生态系统中能量转化始于太阳辐射

14、的一些列能量转化过程 只有少量的能量转化为在职物体活动物体的化学潜能 大部分已热能的形似消耗在维持动植物生命活动或微生物的分解过程中 这些散发的能量是一种毫无利用价值的能量形式 因此 生态系统的能量流动是不可逆的 熵 entropy 与耗散结构 系统从绝对零度无分子运动的最大有序状态向含热状态变化过程中每一度 温度变化 的热量 变化 即熵变化就是热量变化与绝对温度之比 在温度处于绝对零度时熵值为零 一切自发过程总是向熵值增加的方向进行 在自发过程中 熵值不断增加 孤立系统的不平衡态随着时间的推移 最终会趋向平衡态 熵最大状态 使系统从有序走向无序 系统要保持有序状态 必须从外界吸取负熵 意义

15、生态系统是一个远离平衡态的开放系统 可以通过外界环境进行物质和能量的不断交换 输入太阳能和辅助能 增加系统的负熵 使系统保持有序的状态和一定的稳定性 生态金字塔定律 生态金字塔原理由于能量沿食物链传递过程中的衰减规律 使得每一个营养级被净同化的部分都要大大少于前一级营养级 当营养及由低到高 其个体数目 生物现存量和所含能量一般呈出基部宽 顶部尖的立体金字塔 一般由数量金字塔 生物量金字塔 能量金字塔三种 生态金字塔理论意义食物链长 塔的层次多 能量消耗多 储存少 系统不稳定 反之 食物链短 塔的层次低 能量消耗小 储存量大 系统稳定 但是食物链过短 能量利用率低 浪费大 林德曼效率 美国生态学家林德曼20世纪30年代发现营养级之间的能量转化效率大致为1 10 其余9 10都被呼吸 排泄等消耗了 此后人们研究发现 能量在营养级之间的转化率为10 20 能量转化不仅存在于营养级之间 还存在于营养级内部 称为生态效率 农业生态系统的能量生产 初级生产的能量转化 指绿色植物进行光合作用积累能量的过程 系统由于受光 温度 水 养分等因素的制约 初级生产率不同 农业生态系统的初级生产力低于自然生态系统 所以要想获得更多的初级生产力 不能只限定在耕地上 还要寻求其他系统的初级生产力