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1、农林复合原理与技术Agroforestry,西北农林科技大学资源环境学院,王进鑫 李 明,水土保持与荒漠化防治工程系,环境,生态,农业,1,农林复合原理与技术Agroforestry 西北农林科技大,第二章 基本原理(Fundamental),农林复合经营作为一种土地利用方式，其规划设计、结构配置和模式优化、可持续经营管理等实践过程同样也离不开科学的理论指导，这些理论涉及系统论、生态学、生理生态学、景观生态学、系统工程学以及经济学、农村社会学等相关学科和领域。,系统论与系统工程学,社会经济学原理,生态学原理,生态系统工程学原理,2,第二章 基本原理(Fundamental)农林复合经营作为,第
2、一节 系统论原理(Systems theory),构成一个系统必须具备3个条件：具有组成系统的多种要素；要素之间相互作用，形成一个有机的整体；组成要素的有机整体各具特定功能。,系统的基本特性：,目的性,有序性,集合性,层次性,相关性,整体性,3,第一节 系统论原理构成一个系统必须具备3个条件：系统的基本,生态系统学原理及其应用,概念(Definition)：生态系统是指一定时间、某一空间内所有生物(包括动、植物和微生物)及其环境(包括光、热、水、土、气候、地貌等)，通过各组成要素间的物质循环和能量流动以及信息传递而形成的相互依存、相互制约、具有统一功能的综合体。,系统的基本特性：,组成成分方面
3、,动态平衡特性,开放性,结构特性,系统演替,组分间相互作用,4,生态系统学原理及其应用概念(Definition)：系统的基,生态系统的组成成分,无机物有机化合物气候因素生产者 (producer)消费者 (consumer)分解者 (还原者)(decomposer),六大组成成分,生产者：自养生物，主要是各种绿色植物，也包括蓝绿藻和一些能进行光合作用的细菌。消费者：异养生物，主要指以其他生物为食的各种动物。分解者：异养生物，把复杂的有机物分解成简单无机物，包括细菌、真菌、放线菌和动物等。,非生物成分,生物成分(生物群落),三大功能群,5,生态系统的组成成分无机物六大组成成分非生物成分生物成分
4、 三,生态系统学原理及其应用,概念(Definition)：生态系统是指一定时间、某一空间内所有生物(包括动、植物和微生物)及其环境(包括光、热、水、土、气候、地貌等)，通过各组成要素间的物质循环和能量流动以及信息传递而形成的相互依存、相互制约、具有统一功能的综合体。,系统的基本特性：,组成成分方面,动态平衡特性,开放性,结构特性,系统演替,组分间相互作用,6,生态系统学原理及其应用概念(Definition)：系统的基,生态系统学原理及其应用,I 结构与功能原理：,结构决定功能，功能是系统结构的反映。,W代表整体功能，Pi为第i组分的功能，n为系统组分数目。,乔灌结合的防护林系统,7,生态系
5、统学原理及其应用I 结构与功能原理：结构决定功能，功能,生态系统学原理及其应用,II 生态位(niche)原理概念,Grinnell于1917指出生态位表示栖息地再划分的空间单位，定义其为是指物种的生物群落中的地位和作用。,生态位（ecological niche)是指一个种群在生态系统中，在时间空间上所占据的位置及其与相关种群之间的功能关系与作用。,Elton(1927) 关系,Dice(1952) 空间,8,生态系统学原理及其应用II 生态位(niche)原理概念,生态系统学原理及其应用,II 生态位原理生态位的重叠与竞争,i 生态位完全重叠,假设：环境已充分饱和,9,生态系统学原理及其应
6、用II 生态位原理生态位的重叠与竞争,生态系统学原理及其应用,II 生态位原理生态位的重叠与竞争,i 生态位完全重叠,ii 生态位包含,假设：环境已充分饱和,10,生态系统学原理及其应用II 生态位原理生态位的重叠与竞争,生态系统学原理及其应用,II 生态位原理生态位的重叠与竞争,i 生态位完全重叠,ii 生态位包含,iii 生态位部分重叠,假设：环境已充分饱和,11,生态系统学原理及其应用II 生态位原理生态位的重叠与竞争,生态系统学原理及其应用,II 生态位原理生态位的重叠与竞争,i 生态位完全重叠,ii 生态位包含,iii 生态位部分重叠,假设：环境已充分饱和,iv 生态位邻近,v 生态
7、位完全分开,12,生态系统学原理及其应用II 生态位原理生态位的重叠与竞争,生态系统学原理及其应用,II 生态位原理生态位的重叠与竞争,i 生态位完全重叠,ii 生态位包含,iii 生态位部分重叠,假设：环境已充分饱和,iv 生态位邻近,v 生态位完全分开,13,生态系统学原理及其应用II 生态位原理生态位的重叠与竞争,生态系统学原理及其应用,II 生态位原理生态位测度(measure),i 生态位宽度,任何一个有机体单位对资源利用的多样化程度,Pia表示物种i利用资源a的比例；n为资源状态数,ii 生态位体积,iii 生态位重叠,iv 生态位距离,14,生态系统学原理及其应用II 生态位原理
8、生态位测度(mea,生态系统学原理及其应用,II 生态位原理生态位测度,求： (1) A、B物种分别对于生态要素1和2的生态位宽度及归一化生态位宽度(2) A、B物种的整体生态位宽度及归一化的整体生态位宽度(3) A、B物种分别对于生态要素1和2的生态位重叠度及整体重叠度,15,生态系统学原理及其应用II 生态位原理生态位测度物种生态,生态系统学原理及其应用,II 生态位原理生态位格局,Shagar和Patten(1972)提出以生态位位置、生态位宽度及种群在最适生境的丰富度作为描述混合种群内各物种间相互关系的生态位格局,16,生态系统学原理及其应用II 生态位原理生态位格局Shag,生态系统
9、学原理及其应用,II 生态位原理生态位格局（例）,沈泽昊, 方精云. 2001. 基于种群分布地形格局的两种水青冈生态位比较研究. 植物生态学报, 25(4): 302-308.,17,生态系统学原理及其应用II 生态位原理生态位格局（例）沈,生态系统学原理及其应用,III 食物链原理,大鱼吃小鱼，小鱼吃麻虾，麻虾吃泥巴,i 加环,ii 减耗,iii 交换链,18,生态系统学原理及其应用III 食物链原理大鱼吃小鱼，小鱼吃麻,生态系统学原理及其应用,IV 种间竞争与互补关系原理,dx/dt=rx(1-p),逻辑斯蒂增长模型(Logistic growth model),19,Ln(K-N)/N
10、)=a-rt,生态系统学原理及其应用IV 种间竞争与互补关系原理dx/dt,生态系统学原理及其应用,IV 种间竞争与互补关系原理（例）,20,生态系统学原理及其应用IV 种间竞争与互补关系原理（例）20,生态系统学原理及其应用,IV 种间竞争与互补关系原理（例）,双方受益型,单方受益型,双方受损型,损益互存型,Mead等(1980)提出利用土地当量值(LER)来表示,21,生态系统学原理及其应用IV 种间竞争与互补关系原理（例）双方,生态系统学原理及其应用,V 种间他感作用原理,种间作用方式：物理机械作用、生物物理作用和生物化学作用,渗透、挥发、淋洗,萜类化合物和酚类化合物,根、叶、果实为主,
11、生物化学关系又称为他感作用，是指供体植物通过分泌生化活性物质对受体植物产生毒害作用或促进作用。,22,生态系统学原理及其应用V 种间他感作用原理种间作用方式：渗透,生态系统学原理及其应用,V 种间他感作用原理（例）,23,生态系统学原理及其应用V 种间他感作用原理（例）23,生态系统学原理及其应用,V 种间他感作用原理（例）,他感作用随受体植物种类和生长发育阶段也有所变化,Luo S. 2013. Allelopathy in South China Agroecosystems. Allelopathy. 145-157.,我国在这方面的研究尚处于起步阶段，有待进一步拓宽和深入。,24,生态
12、系统学原理及其应用V 种间他感作用原理（例）原料介质对象,生态系统学原理及其应用,VI 边缘效应原理,Beeher(1942)在鸟类研究中发现，在群落交错地带鸟的数量比邻近群落的多,一是边缘效应带的群落结构复杂,二是边缘效应使边缘地带常具有较高的生产力,三是边缘效应以强烈竞争开始，以和谐的共生结束,两个或多个不同生物地理群落交界处的复杂结构，不同生境的各类共生种群密度变化较大、某些物种特别活跃、生产力亦相应较高的现象称为边缘效应。,25,生态系统学原理及其应用VI 边缘效应原理Beeher(194,生态系统学原理及其应用,VI 边缘效应原理,i 加成效应,ii 协合效应,iii 富集效应,生态
13、位扩宽,新有机整体的协同作用,向边缘区域移动,26,生态系统学原理及其应用VI 边缘效应原理i 加成效应ii 协,生态系统学原理及其应用,VI 边缘效应原理（例）,在混交林中，不同混交树种其混交边缘行林木生长量有的高于纯林，有的低于纯林。可见，树种间关系是否适应决定着边缘效应的正负效应。,东北地区东部山坡地，选择红松、落叶松、云杉、水曲柳等树种进行带状混交，形成较大的边缘地带，实践证明，不仅森林病虫害明显减少，而且获得了较高产量，实现了长短结合。,黑龙江省宝清县兴国村的稻苇鱼鹅貂生物循环系统。,27,生态系统学原理及其应用VI 边缘效应原理（例）在混交林中，不,生态系统学原理及其应用,VII
14、生物多样性与稳定性原理,生物多样性是指在一定时间和一定地区所有生物（动物、植物、微生物）物种及其遗传变异和生态系统的复杂性总称。,它包括基因多样性、物种多样性和生态系统多样性三个层次。,森林生态系统,草地生态系统,农田生态系统,荒漠生态系统,恢复力稳定性,抵抗力稳定性,28,生态系统学原理及其应用VII 生物多样性与稳定性原理生物多样,生态系统学原理及其应用,VII 生物多样性与稳定性原理（例）,东北地区野生人参濒临绝迹，但通过林参复合系统进行人参的人工栽培，有助于保存人参的基因，因而为维护生物多样性作出贡献。,29,生态系统学原理及其应用VII 生物多样性与稳定性原理（例）东,生态系统学原理
15、及其应用,VIII 生态场理论,物理学中的场是指力的作用空间和范围,生态干涉力的作用空间范围即为生态场,生态干涉力是生物内部、生物与环境之间相互作用存在的内在原因,应用种植密度,影响植物种群密度的因素主要有： 种群的结构和繁殖特性； 光、温度、水分、大气、土壤等物理环境因子； 种内和种间因素。,30,生态系统学原理及其应用VIII 生态场理论物理学中的场是指力,生态系统学原理及其应用,VIII 生态场理论（例）,合理密植可以使植株充分利用光、水、肥等资源，是提高玉米产量的重要环节。但生产中有不少农民习惯随意性种植，有时同一品种的田间密度（每667平方米）甚至相差近2000株。种得太稀难以高产、
16、高效；种得太密易造成的空秆、秃尖，遇到不良环境条件还会出现倒伏、病害重等情况，同样会造成减产。那么，究竟该怎样确定玉米的合理种植密度呢？玉米的种植密度受品种特征、肥力水平和播期等多种因素制约，其中最主要的因素是品种特征。一般情况下，平展型玉米品种单株生产能力强，但不耐密植，适宜种植密度为每667平方米30003500株；耐密型玉米品种主要靠群体优势发挥增产潜力，适宜种植密度为每667平方米40005000株；半紧凑型玉米品种的单株生产能力和耐密性介于平展型和紧凑型之间，适宜种植密度为每667平方米35004000株。除了株型外，植株高度、生育期长短、果穗大小等因素也对种植密度有一定影响，所以生
17、产中要参考种子包装袋上推荐的适宜密度进行种植。灌溉条件好，土壤肥力高，保水保肥性能好，管理水平高的高产田应密些；灌溉条件差或没有灌溉条件，土壤肥力低，保水保肥性能差，管理水平差的沙荒地、旱地等低产田应稀些。播种晚的生育期短、单株生产力低的早熟品种由于植株体相对较小，单株所需面积小，宜密些；播种早的生育期长、单株生产力高的中、晚熟品种由于植株体相对较大，单株所需面积大，应稀些。,合理密植可以使植株充分利用光、水、肥等资源，是提高玉米产量的重要环节。种得太稀难以高产、高效；种得太密易造成的空秆、秃尖，遇到不良环境条件还会出现倒伏、病害重等情况，同样会造成减产。那么，究竟该怎样确定玉米的合理种植密度
18、呢？,一般情况下，平展型玉米品种单株生产能力强，但不耐密植，适宜种植密度为每667平方米30003500株；耐密型玉米品种主要靠群体优势发挥增产潜力，适宜种植密度为每667平方米40005000株；半紧凑型玉米品种的单株生产能力和耐密性介于平展型和紧凑型之间，适宜种植密度为每667平方米35004000株。,31,生态系统学原理及其应用VIII 生态场理论（例）合理密植可以,生态系统学原理及其应用,VIII 生态场理论（例）,合理密植可以使植株充分利用光、水、肥等资源，是提高玉米产量的重要环节。但生产中有不少农民习惯随意性种植，有时同一品种的田间密度（每667平方米）甚至相差近2000株。种得
19、太稀难以高产、高效；种得太密易造成的空秆、秃尖，遇到不良环境条件还会出现倒伏、病害重等情况，同样会造成减产。那么，究竟该怎样确定玉米的合理种植密度呢？玉米的种植密度受品种特征、肥力水平和播期等多种因素制约，其中最主要的因素是品种特征。一般情况下，平展型玉米品种单株生产能力强，但不耐密植，适宜种植密度为每667平方米30003500株；耐密型玉米品种主要靠群体优势发挥增产潜力，适宜种植密度为每667平方米40005000株；半紧凑型玉米品种的单株生产能力和耐密性介于平展型和紧凑型之间，适宜种植密度为每667平方米35004000株。除了株型外，植株高度、生育期长短、果穗大小等因素也对种植密度有一
20、定影响，所以生产中要参考种子包装袋上推荐的适宜密度进行种植。灌溉条件好，土壤肥力高，保水保肥性能好，管理水平高的高产田应密些；灌溉条件差或没有灌溉条件，土壤肥力低，保水保肥性能差，管理水平差的沙荒地、旱地等低产田应稀些。播种晚的生育期短、单株生产力低的早熟品种由于植株体相对较小，单株所需面积小，宜密些；播种早的生育期长、单株生产力高的中、晚熟品种由于植株体相对较大，单株所需面积大，应稀些。,32,生态系统学原理及其应用VIII 生态场理论（例）合理密植可以,生态系统学原理及其应用,IX 物质循环和能量流动原理,生态系统中的流与库,生态系统中的能量和物质通过食物链形式的转移运动状态称为流。,系统
21、内的能量和物质在运动过程中被吸收后，暂时被固定、贮存的场所称作“库”。,33,生态系统学原理及其应用IX 物质循环和能量流动原理生态系统中,生态系统学原理及其应用,IX 物质循环和能量流动原理,A气相型,B沉积型,C、N、O,P、S、I、Ca、K、Na、微量元素,必需元素C、H、O、N、P,大量元素Ca、Mg、K、Na、S,微量元素Cu、Zn、B、Mn、Co、Fe、Al、F、I、Si,34,生态系统学原理及其应用IX 物质循环和能量流动原理A气相型,生态系统学原理及其应用,IX 物质循环和能量流动原理,周转率：某一个组分(库)中的物质在单位时间内所流出的量(FO)或流入的量(Fi)占库存总量(
22、s)的比值。,周转时间,循环效率：循环物质(FC)占总输入物质(Fi)的比例,周转率=(周转量/库存总量)/时间,周转时间=1/周转率,35,生态系统学原理及其应用IX 物质循环和能量流动原理周转率：某,生态系统学原理及其应用,IX 物质循环和能量流动原理,农林复合系统相比自然生态系统,开放新,多样性,人工干预性,复合农林业系统正是具有物质循环的多样性、开放性和人工干预性等特点，使得比单一的经营能更有效地进行物质的多层次多途径利用，这样，不仅能提高资源的利用率，改善环境质量，而且能获得良好的经济效益。例如：林一菇复合系统采取措施加快微生物的分解过程，加快了营养物质的循环过程，提高了物质循环效率
23、。,36,生态系统学原理及其应用IX 物质循环和能量流动原理农林复合系,生态系统学原理及其应用,IX 物质循环和能量流动原理（例）,37,生态系统学原理及其应用IX 物质循环和能量流动原理（例）37,生态系统学原理及其应用,IX 物质循环和能量流动原理,热力学第二定律,热力学第一定律,38,生态系统学原理及其应用IX 物质循环和能量流动原理热力学第二,生态系统工程原理,按系统工程的原理和方法，调整生态系统组成成分的空间位置、时间顺序、数量比例，进行仿真模拟、分析评价，提出结构优化、功能高效、生产力高的生态系统方案，这种方案的设计和实施，我们称之为生态系统工程。,不论设计人工生态系统还是改造自然
24、生态系统，都必须根据生物的适应性和环境的适宜度来判断生态界面的有效作用，注意空间上的多层结构和时间上的连续排序，使之各适其所，相得益彰，发挥生态系统的整体功能，有效利用环境资源，提高物能转化、积累、分解和再生产的速率，以取得最大的经济效益、生态效益或社会效益。,39,生态系统工程原理按系统工程的原理和方法，调整生态系统组成成分,生态系统工程原理,生态系统工程设计的步骤概括如下,(1)设计的目的(确定设计的对象);(2)收集整理、分析基本资料(包括生物、非生物环境和社会、经济资料);(3)确定系统的组成结构;(4)综合仿真模拟;(5)检验、比较模拟设计的有效性;(6)汇总修正;(7)提出生态系统
25、工程方案。,40,生态系统工程原理 生态系统工程设计的步骤概括如下 (1)设计,景观生态学原理,景观是指由相互作用的拼块或生态系统组成的，以相似的形式重复出现的，具有高度空间异质性的区域。,景观生态学：以整个景观为对象，以景观学理论框架为依托，并依据生态系统理论和生物地理理论，来研究景观的结构和功能、景观动态以及相互作用机理、景观的科学规划和有效管理。,基本原理景观结构与功能、生物多样性、物种流动、养分再分布、能量流动、景观变化与景观稳定性等,41,景观生态学原理景观是指由相互作用的拼块或生态系统组成的，以相,社会经济学原理,投资可行性原理（原则）供求关系原理产量产值原理短期效益、中期效益和长期效益相结合原理风险最小原理,42,社会经济学原理投资可行性原理（原则）42,谢谢！,43,谢谢！43,
