生態(tài)農業(yè)理論基礎

1、唐天向唐天向云南農業(yè)大學云南農業(yè)大學生態(tài)農業(yè)授課內容及學時分配v1 生態(tài)農業(yè)概述 （4學時）v2 生態(tài)農業(yè)的基本原理 （4學時）v3 生態(tài)農業(yè)模式及其設計方法 （4學時）v4 生態(tài)農業(yè)的實用技術（4學時）v5 生態(tài)農業(yè)系統(tǒng)分析及調控（4學時）2 生態(tài)農業(yè)的基本原理v2.1 生態(tài)農業(yè)的生態(tài)學原理v2.2 生態(tài)農業(yè)的經濟學原理v2.3 生態(tài)農業(yè)的系統(tǒng)工程理論與方法2.1 生態(tài)農業(yè)的生態(tài)學原理v2.1.1 生態(tài)系統(tǒng)原理v2.1.2 能量流動原理v2.1.3 物質循環(huán)原理v2.1.4 物種相互作用原理v2.1.5 生態(tài)位原理v2.1.6 生物與環(huán)境相互關系原理v2.1.7 生物多樣性原理2.1.1 生

2、態(tài)系統(tǒng)原理v生態(tài)系統(tǒng)的概念即在一定空間中共同棲居著的所有生物與其環(huán)境即在一定空間中共同棲居著的所有生物與其環(huán)境之間由于不斷地進行物質循環(huán)和能量流動過程而之間由于不斷地進行物質循環(huán)和能量流動過程而形成的統(tǒng)一整體。形成的統(tǒng)一整體。Sir Arthur G. Tansley 2.1.1 生態(tài)系統(tǒng)原理v一、結構和功能特征組分結構組分結構2.1.1 生態(tài)系統(tǒng)原理v一、結構和功能特征空間結構之水平結構空間結構之水平結構2.1.1 生態(tài)系統(tǒng)原理v一、結構和功能特征空間結構之垂直結構空間結構之垂直結構2.1.1 生態(tài)系統(tǒng)原理v一、結構和功能特征營養(yǎng)結構營養(yǎng)結構v食物鏈：多食物鏈：多種生物按其種生物按其營養(yǎng)關系

3、而營養(yǎng)關系而締結的鏈索締結的鏈索式序列。式序列。2.1.1 生態(tài)系統(tǒng)原理v食物鏈與食物網捕食（草牧）食物鏈捕食（草牧）食物鏈寄生食物鏈寄生食物鏈碎屑（腐生）食物鏈碎屑（腐生）食物鏈綜合食物鏈綜合食物鏈二、相互作用和相互聯系的特征v生態(tài)系統(tǒng)是由各個組成要素相互作用與相互聯系而形成的一個有機的整體，其中任一成分的改變必然會影響其他成分的變化，并且可能進一步影響整個生態(tài)系統(tǒng)的結構與功能。在向生態(tài)系統(tǒng)中引入或去除某一生物成分，需慎之又慎。v如滇池中水葫蘆的引入、云南的紫莖澤蘭。三、穩(wěn)定平衡特征vA 生態(tài)系統(tǒng)結構上的功能組分冗余生物體所具有的各種功能組分常常會超過它正常生物體所具有的各種功能組分常常會超

4、過它正常生命活動的需要，這種現象稱為冗余。生態(tài)農業(yè)生命活動的需要，這種現象稱為冗余。生態(tài)農業(yè)系統(tǒng)須補充冗余。系統(tǒng)須補充冗余。三、穩(wěn)定平衡特征vB 生態(tài)系統(tǒng)中的反饋機制反饋可分為正反饋和負反饋可分為正反饋和負反饋，負反饋在生態(tài)系反饋，負反饋在生態(tài)系統(tǒng)內部維持系統(tǒng)的穩(wěn)定統(tǒng)內部維持系統(tǒng)的穩(wěn)定性方面發(fā)揮著決定性作性方面發(fā)揮著決定性作用。用。同種生物種群間密度的同種生物種群間密度的調節(jié)調節(jié)異種生物種群之間數量異種生物種群之間數量調節(jié)調節(jié)生物與環(huán)境之間的相互生物與環(huán)境之間的相互適應調節(jié)適應調節(jié)四、動態(tài)特征v隨著時間的推移，一種生態(tài)系統(tǒng)可能為另一種生態(tài)系統(tǒng)所取代，這一現象稱為演替。v多熟種植輪作輪作間、套、

5、混作間、套、混作2.1.2 能量流動原理v生態(tài)系統(tǒng)中能量流動的特點能流是變化著的能流是變化著的能流是單向的能流是單向的能流是遞減的能流是遞減的能流的質量是逐漸提高的能流的質量是逐漸提高的2.1.2 能量流動原理v生態(tài)系統(tǒng)能量流動的途徑熱能熱能生產者生產者消費者第二消費者I分解者II太陽太陽III人工人工輔助能輔助能農產品農產品IV2.1.2 能量流動原理v林德曼效率通常從一個營養(yǎng)級到另一個營養(yǎng)級的能量轉化效率不超過通常從一個營養(yǎng)級到另一個營養(yǎng)級的能量轉化效率不超過10%。營。營養(yǎng)級的數量有一定限度，一般不超過養(yǎng)級的數量有一定限度，一般不超過6級。級。v生態(tài)農業(yè)系統(tǒng)的第一性生產力決定系統(tǒng)中能流的

6、強度選擇合適的第一性生產者意味著選擇同化效率高的植物作為生態(tài)系選擇合適的第一性生產者意味著選擇同化效率高的植物作為生態(tài)系統(tǒng)的物種組分。統(tǒng)的物種組分。決定第一性生產水平的核心因素是水分、光輻射和溫度，其次是土決定第一性生產水平的核心因素是水分、光輻射和溫度，其次是土壤養(yǎng)分供給，再次是農業(yè)措施。壤養(yǎng)分供給，再次是農業(yè)措施。合理密植是農業(yè)提高第一性凈生產力的有效途徑。合理密植是農業(yè)提高第一性凈生產力的有效途徑。投入適宜的人工輔助能。投入適宜的人工輔助能。v提高生態(tài)農業(yè)系統(tǒng)中的能量轉化效率即生態(tài)效率一是做好相鄰兩營養(yǎng)級物種的選配和數量控制；一是做好相鄰兩營養(yǎng)級物種的選配和數量控制；二是選擇凈生長效率高

7、的物種；二是選擇凈生長效率高的物種；三是在原有的食物鏈中增加新的環(huán)節(jié)，提高能量轉化率。三是在原有的食物鏈中增加新的環(huán)節(jié)，提高能量轉化率。2.1.3 物質循環(huán)原理vA 養(yǎng)分元素能量元素能量元素構成蛋白的基本元素構成蛋白的基本元素v碳、氫、氧、氮碳、氫、氧、氮v常量元素常量元素大量元素大量元素v鈣、鎂、磷、硫、鉀、鈉鈣、鎂、磷、硫、鉀、鈉v微量元素微量元素極易成為限制因子極易成為限制因子v鐵、硼、鋅、鉬、氯、銅、釩、鈷、鋁、氟、碘、溴、鐵、硼、鋅、鉬、氯、銅、釩、鈷、鋁、氟、碘、溴、硒、硅、鈦、錫、鎵、鍶硒、硅、鈦、錫、鎵、鍶2.1.3 物質循環(huán)原理vB 物質循環(huán)生物地球化學循環(huán)生態(tài)系統(tǒng)從大氣、水

8、、巖石、土壤等環(huán)境中獲得營養(yǎng)物生態(tài)系統(tǒng)從大氣、水、巖石、土壤等環(huán)境中獲得營養(yǎng)物質，通過綠色植物吸收或動物舔食進入生態(tài)系統(tǒng)，在內質，通過綠色植物吸收或動物舔食進入生態(tài)系統(tǒng)，在內部進行重復（反復）利用，最后再歸還于環(huán)境中的過程。部進行重復（反復）利用，最后再歸還于環(huán)境中的過程。生物小循環(huán)是指環(huán)境中元素經生物體吸收，在生態(tài)系統(tǒng)生物小循環(huán)是指環(huán)境中元素經生物體吸收，在生態(tài)系統(tǒng)中被相繼利用，然后經過分解者的作用，再為生產者吸中被相繼利用，然后經過分解者的作用，再為生產者吸收、利用，生物小循環(huán)的時間短、范圍小，是開放式的收、利用，生物小循環(huán)的時間短、范圍小，是開放式的循環(huán)。地質大循環(huán)是指物質或元素經生物體

9、的吸收作用，循環(huán)。地質大循環(huán)是指物質或元素經生物體的吸收作用，從環(huán)境進入生物有機體內，然后生物有機以死體、殘體從環(huán)境進入生物有機體內，然后生物有機以死體、殘體或排泄物形式將物質或元素返回環(huán)境，進入五大自然圈或排泄物形式將物質或元素返回環(huán)境，進入五大自然圈的循環(huán)，該循環(huán)的時間長、范圍廣，是閉合式循環(huán)。的循環(huán)，該循環(huán)的時間長、范圍廣，是閉合式循環(huán)。 2.1.3 物質循環(huán)原理v物質循環(huán)的一般特征物質處于不斷循環(huán)之中物質處于不斷循環(huán)之中物質循環(huán)是個復雜過程物質循環(huán)是個復雜過程v介質多樣：水、空氣介質多樣：水、空氣v涉及的元素眾多涉及的元素眾多v有多種化學作用：氧化、還原、分解、合成有多種化學作用：氧化

10、、還原、分解、合成物質循環(huán)的類型物質循環(huán)的類型v水循環(huán)水循環(huán)v氣相型循環(huán)氣相型循環(huán)v沉積型循環(huán)沉積型循環(huán)2.1.3 物質循環(huán)原理vC 水循環(huán)是物質循環(huán)的核心水循環(huán)的生態(tài)學意義水循環(huán)的生態(tài)學意義v水是所有營養(yǎng)物質的介質水是所有營養(yǎng)物質的介質v水對物質是很好的溶劑水對物質是很好的溶劑v水是地質變化的動因之一水是地質變化的動因之一水循環(huán)的驅動力水循環(huán)的驅動力v太陽能太陽能v植物在水循環(huán)中的作用也是極其巨大的植物在水循環(huán)中的作用也是極其巨大的v海陸的熱力差異海陸的熱力差異v地球內能形成的山川溝壑地球內能形成的山川溝壑2.1.3 物質循環(huán)原理vC 水循環(huán)是物質循環(huán)的核心Living in earth/4

11、/2.1.3 物質循環(huán)原理陸地蒸發(fā)16%陸地降水23%84%7%陸地小循環(huán)海洋小循環(huán)2.1.3 物質循環(huán)原理vD 碳循環(huán)碳循環(huán)的重要意義碳循環(huán)的重要意義v碳循環(huán)是物質循環(huán)的先決過程碳循環(huán)是物質循環(huán)的先決過程v碳循環(huán)出現的后果是全球性的碳循環(huán)出現的后果是全球性的碳循環(huán)的主要過程碳循環(huán)的主要過程v光合作用光合作用v呼吸作用與分解呼吸作用與分解v大氣與海洋間的交換作用大氣與海洋間的交換作用v碳酸鹽的沉積作用碳酸鹽的沉積作用v人類對化石能源的燃燒作用人類對化石能源的燃燒作用分解作用呼吸作用呼吸作用2.1.3 物質循環(huán)原理vD 碳循環(huán)生產者生產者空氣和水中空氣和水中的游離的游離CO2消費者消費者分解者分

12、解者煤、石油和煤、石油和碳酸巖石碳酸巖石光合作用燃燒風化火山活動沉積2.1.3 物質循環(huán)原理vE 氮循環(huán)氮循環(huán)的主要過程氮循環(huán)的主要過程v固氮作用固氮作用自然高能固氮工業(yè)固氮生物固氮v氨化作用氨化作用v硝化作用硝化作用v反硝化作用反硝化作用2.1.3 物質循環(huán)原理vF 磷循環(huán)磷是生物不可缺少的重要元素磷是生物不可缺少的重要元素典型的沉積型循環(huán)典型的沉積型循環(huán)巖石相和溶解鹽相巖石相和溶解鹽相陸地磷損失加劇陸地磷損失加劇陸地水體富營養(yǎng)化嚴重陸地水體富營養(yǎng)化嚴重2.1.4 物種相互作用的基本規(guī)律根據種間相互作用的性根據種間相互作用的性質，可以分為三種類質，可以分為三種類型：型：有益：一方得利或雙方得

13、有益：一方得利或雙方得利利“+”+”有害：至少一方受害有害：至少一方受害“-”-”中性：雙方無明顯的影響中性：雙方無明顯的影響“0”0”2.1.4 物種相互作用的基本規(guī)律類型類型物種物種1 1物種物種2 2主要特征主要特征中性作用中性作用0 00 0互不影響互不影響偏害作用偏害作用0 0- -損人不利己損人不利己競爭作用競爭作用- - -相互有害相互有害寄生作用寄生作用+ +- -損人利己損人利己捕食作用捕食作用+ +- -損人利己損人利己偏利共生偏利共生+ +0 0一方受益一方受益原始合作原始合作+ + +雙方受益雙方受益互利共生互利共生+ + +缺一不可缺一不可負相互作用負相互作用正相互作

14、用正相互作用2.1.4 物種相互作用的基本規(guī)律一、中性作用一、中性作用neutralismneutralism中性作用是自然界中中性作用是自然界中最常見最常見的種間相互作用，它的種間相互作用，它們彼此互不影響。即使發(fā)生，其相互作用也是間們彼此互不影響。即使發(fā)生，其相互作用也是間接的，或偶然的。接的，或偶然的。 例如：沙漠中的鳥蛛與仙人掌例如：沙漠中的鳥蛛與仙人掌http:/ 物種相互作用的基本規(guī)律v二、偏害作用 amensalism在自然界很常見。在自然界很常見。抗生作用和抗生作用和有害的有害的化感作用都屬此類?；凶饔枚紝俅祟?。抗生作用抗生作用是一種微生物產生一種化學物質來是一種微生物產生一

15、種化學物質來抑制另一種微生物的現象。抑制另一種微生物的現象。2.1.4 物種相互作用的基本規(guī)律v有害的化感作用v植物向外界釋放次生代謝物質，促進或抑制同種或其他物種的現象冬黑麥冬黑麥 小麥小麥向日葵向日葵 蓖麻蓖麻 蔥蔥 菜豆菜豆蕪蕪 菁菁 番茄番茄松松 樹樹 云杉云杉玉玉 米米 蘋果蘋果番番 茄茄 黃瓜黃瓜胡胡 桃桃 蘋果蘋果榆榆 樹樹 櫟樹櫟樹胡胡 桃桃 番茄番茄白白 樺樺 松樹松樹胡胡 桃桃 土豆土豆2.1.4 物種相互作用的基本規(guī)律競爭競爭排斥排斥共存共存v三、競爭三、競爭competitioncompetition競爭的可能結果競爭的可能結果個體數目生態(tài)分離2.1.4 物種相互作用的

16、基本規(guī)律v競爭的可能結果一：共存資源利用資源利用物種1物種2重疊區(qū)物種1物種2資源利用資源利用2.1.4 物種相互作用的基本規(guī)律v競爭排斥的實證俄羅斯生態(tài)學家俄羅斯生態(tài)學家G.F. Gause驗證了雙核小草履蟲驗證了雙核小草履蟲Paramecium aurellia在混合在混合實驗培養(yǎng)下取代了大草履實驗培養(yǎng)下取代了大草履蟲蟲Paramecium caudatum。單獨培養(yǎng)混合培養(yǎng)種群密度雙核小草履蟲雙核小草履蟲大 草 履 蟲大 草 履 蟲2.1.4 物種相互作用的基本規(guī)律v競爭排斥原理Competitive Exclusion Principle兩個以上受資源限制的、但具有相同資源利用方兩個以

17、上受資源限制的、但具有相同資源利用方式的種，不能式的種，不能長期長期共存在一起，也即完全的競爭共存在一起，也即完全的競爭者不能共存。者不能共存。2.1.4 物種相互作用的基本規(guī)律v四、寄生parasitism寄生物從宿主（或稱寄主）的體液、組織或已寄生物從宿主（或稱寄主）的體液、組織或已消化物中獲取營養(yǎng)，通常對宿主產生消化物中獲取營養(yǎng)，通常對宿主產生一定一定危害危害的現象。的現象。寄生物一般比宿主小。寄生物一般比宿主小。寄生發(fā)生在體內或體表。寄生發(fā)生在體內或體表。良好適應的寄生物不會殺死其宿主。良好適應的寄生物不會殺死其宿主。2.1.4 物種相互作用的基本規(guī)律v病害（寄生植物、病毒、線蟲、細菌

18、）與作物2.1.4 物種相互作用的基本規(guī)律/News%20From%20the%20Field/Copy%20of%20Copy%20of%20P101013911.JPGv真菌性病害（馬鈴薯晚疫病）2.1.4 物種相互作用的基本規(guī)律v五、捕食predation指某種生物消耗另一種生物的全部或部分身體指某種生物消耗另一種生物的全部或部分身體直接獲得營養(yǎng)以維持自己生命的現象。直接獲得營養(yǎng)以維持自己生命的現象。前者稱為捕食者前者稱為捕食者predator，后者為獵物，后者為獵物prey。2.1.4 物種相互作用的基本規(guī)律v捕食的主要類型動物取食動物

19、動物取食動物動物取食植物動物取食植物同類相食同類相食植物取食動物植物取食動物擬擬寄生寄生捕食者一般比獵物體型大。捕食者一般比獵物體型大。如果捕食者比獵物小很多，如果捕食者比獵物小很多，會出現什么？會出現什么？2.1.4 物種相互作用的基本規(guī)律v擬寄生冬蟲夏草擬寄生行為：雌性金小蜂 Nasonia vitripennis 將卵產入伏蠅 (Phormia regina)的蛹內2.1.4 物種相互作用的基本規(guī)律v六、偏利共生附生植物：地衣、苔蘚、附生植物：地衣、苔蘚、蕨類、蘭科及鳳梨科植蕨類、蘭科及鳳梨科植物，非攀援植物物，非攀援植物;林間的一些動物和鳥類，林間的一些動物和鳥類，以樹木作為掩蔽或筑巢

20、以樹木作為掩蔽或筑巢用，對樹木不造成傷害用，對樹木不造成傷害;有利的化感作用有利的化感作用2.1.4 物種相互作用的基本規(guī)律v有利的化感作用洋蔥洋蔥食用甜菜食用甜菜菜豆菜豆馬鈴薯馬鈴薯小麥小麥豌豆豌豆大豆大豆玉米玉米檸檬、蒜蔥檸檬、蒜蔥其他作物其他作物2.1.4 物種相互作用的基本規(guī)律v七、原始合作cooperation特征：兩種生物在一起生活對彼此有利，但二者并無依特征：兩種生物在一起生活對彼此有利，但二者并無依賴關系。賴關系。寄居蟹與海葵寄居蟹與?？?.1.4 物種相互作用的基本規(guī)律稻田養(yǎng)魚稻田養(yǎng)魚2.1.4 物種相互作用的基本規(guī)律v八、互利共生mutualism特征：種間彼此依賴，特征：

21、種間彼此依賴，生活在一起互相受益，生活在一起互相受益，能直接進行物質交流。能直接進行物質交流。在有其它共生物種時，在有其它共生物種時，種群的增長率、存活率、種群的增長率、存活率、繁殖率更高。繁殖率更高。普遍存在普遍存在v例1兼性互利v固固N N菌與豆科植物根系共菌與豆科植物根系共生形成根瘤生形成根瘤2.1.4 物種相互作用的基本規(guī)律v例2兼性互利v菌根mychorrhizaev右圖顯示了自然菌根著生于樟子松 Pinus 2.1.4 物種相互作用的基本規(guī)律v例3專性互利v地衣Lichens真菌+藻類共生體v經常包括第三個成員：藍藻Cyanobacteriumv真菌的菌絲體為藻類提供受保護的生境，

22、并吸收水分與養(yǎng)分；反過來，藻類為真菌提供能量源碳水化合物。2.1.5 生態(tài)位理論v生態(tài)位（niche）主要指一個生物種在生態(tài)系統(tǒng)中的生活方式及功主要指一個生物種在生態(tài)系統(tǒng)中的生活方式及功能地位。包括四個方面：能地位。包括四個方面：v物種對不同物理與化學條件，如溫度或水分，的耐物種對不同物理與化學條件，如溫度或水分，的耐受度；受度；v物種利用資源的類型與數量，如食物、營養(yǎng)與空間；物種利用資源的類型與數量，如食物、營養(yǎng)與空間；v物種與其他在同一生境中的生物如何相互作用；物種與其他在同一生境中的生物如何相互作用；v物種在生態(tài)系統(tǒng)能量流動與物質循環(huán)中的地位。物種在生態(tài)系統(tǒng)能量流動與物質循環(huán)中的地位。2.1.5 生態(tài)位理論v空間生態(tài)位：