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1、第八章农业生态系统的调控与优化设计,农业生态系统是一个人工管理的生态系统，既有自然生态系统的属性，又有人工管理系统的属性。它一方面从自然界继承了自我调节能力，保持一定的稳定性；另一方面它在很大程度上受人类各种技术手段的调节。充分认识农业生态系统的调控机制及调控途径，有助于建立高效、稳定、整体功能良好的农业生态系统，有助于利用和保护农业资源，提高系统生产力。,生态系统的稳态 生态系统与其组成成分（种群或有机体）具有自我保持和自我调控，使自身内部保持稳定的能力，这种能力称为稳态（homeostasis）。稳态是控制论术语，在这里用来表示生态系统抵抗各种干扰和维持内部的稳定状态的能力。生态系统可以通
2、过多种稳态机制，保持自身的稳定性，主要是各种正、负反馈机制相互作用的结果。任何稳态机制的作用都是有一定限度的，良好的稳态控制决定于系统中生物种类的多样性、能流物流途径的复杂性。,生态系统的稳态 生态系统与其组成成分（种群或有机体）具有自我保持和自我调控，使自身内部保持稳定的能力，这种能力称为稳态（homeostasis）。稳态是控制论术语，在这里用来表示生态系统抵抗各种干扰和维持内部的稳定状态的能力。生态系统可以通过多种稳态机制，保持自身的稳定性，主要是各种正、负反馈机制相互作用的结果。任何稳态机制的作用都是有一定限度的，良好的稳态控制决定于系统中生物种类的多样性、能流物流途径的复杂性。,第一
3、节 农业生态系统的信息流一、农业生态系统中的自然信息流 信息系统包括：信源、信道、信宿 1 环境与动植物的信息关系：如 日照时间长短-植物生殖发育信号 月亮和恒星的位置-候鸟飞行方向的信号 地球的磁场和重力-植物生长方向的信号 阳光与植物水分与根系和叶片的激素调控2.植物与植物间的信息 如植物产生的次生代谢物质（化感作用）如 水稻对稻田杂草化感作用 3.植物与动物间的信息：如 玉米受螟虫袭击时释放吲哚和萜烯类物质吸引天敌 4.动物与动物间的信息：如蜜蜂的舞蹈、蚂蚁的触角、海豹的尿作为领域界限。,二、农业生态系统中的人工信息流 1.访自然信息：如利用人工光源或暗室控制植物的花期，利用人工合成昆虫
4、信息素进行害虫预测预报和诱捕虫等。2.人工采集和生成的信息 如农民根据作物的长势长相判断栽培措施；利用灯光诱杀害虫等；利用气象卫星进行天气预报等。3.社会信息：如人类利用广播、电视、邮电、出版物等进行信息的传递等。三、自然信息和人工信息的比较,第二节 农业生态系统的资金流 一、资金流 资金流（又称价值流:在农业生态系统中输入含一定劳动的社会资源，经过劳动生产，成为新的产品输出，新产品含有更高的价值，并在销售之后得到实现，这就形成了资金流。农业生态系统的资金流:在现实生活中，社会资源的输入要用一定的资金按价格购买，产品的输出也按价格换回一定的资金，这样就形成了农业生态系统的资金流。二、资金流与能
5、物流的关系 1.相偶联的关系：通过价格来偶联，方向相反如购买种子、肥料-投入物质、能量，付出了资金 销售农产品-输出了物质、能量，得到了资金 2.独立关系如经营者与财政金融部门的资金来往，当价格不合理，进行调节如进口收税，出口补贴，生产相对过剩，价格低，销售补贴；生产不足，价格高，消费补贴。,3.单独的能物流 如公共资源的利用和保护，并未伴随有资金的流入与流出，从而导致成本外滩和收益外泄，易出现经济外部性问题，脱离了社会经济规律的制约。三、农业生产过程的经济外部性 1经济的外部性问题：经济的外部性问题即经济核算中忽略了在系统外部的，由全社会和全球承受的成本和收益。经济的外部性可分为成本的外部性
6、（成本外摊），和收益的外部性（收益外泄）。（1）成本外摊是指生产系统在生产的过程中，消耗了自然资源成本和利用了自然环境成本，但没有在系统的成本核算中得到反映的现象。（2）收益外泄是指系统在生产过程中增殖了自然资源，改善了自然环境，但没有在系统的经济核算中得到反映的现象。（3）时间关联的外部性：一种外部性是和时间有关的外部性问题。如前人植树，后人乘凉,2.经济的外部性的 解决途径(1)在行政上，明确资源的所有权和使用权，划定保护区；(2)通过 资源与环境的法规建设，禁止有害环境的行为；(3)通过教育提高全民的环境和生态意识；(4)采用必要的经济手段。通过征收排污费，对破坏环境的罚款，对公用资源的
7、使用实行征税，补贴保护资源和保护环境的工作，奖励对生态环境改善作出贡献的个人和单位。3.解决经济外部性的高斯（Coase）理论：这个理论实质上是证明通过产权的确定可以使经济的外部问题内部化。高斯的理论证实：在市场充分发育和交易成本足够低的条件下，不管产权界定给谁，经济外部性问题都可以通过资源的产权确定来解决，而且产权的确定会同时使资源利用的社会总效益达到最大。,第三节农业生态系统的调节控制农业生态系统调控机制的基本特点 1.兼有中心式调控和非中心式调控两种机制。2.农业生态系统的调控层次。（1）从自然生态系统继承的非中心式调控机制是农业生态系统的第一层调控。这个层次的调控通过生物与其环境、生物
8、与生物的相互作用，生物本身的遗传、生理、生化机制来实现。（2）由直接操作农业生态系统的农民或经营者充当调控中心的人工直接控制构成第二层调控。这个层次的人直接调度系统的重要结构与功能。农业生产技术是这个层次的主要调控形式之一。（3）农业生态系统调控机制的第三个层次是社会间接调控。这一层次通过社会的财政系统、金融系统、工交系统、通讯系统、行政系统、政法系统、科教系统等影响第二层次的农民或经营者的决策和行动，从而间接调控了农业生态系统,一、自然调控机制,农业生态系统的自然调控机制是从自然生态系统中继承下来的生物与生物、生物与环境之间存在的反馈调控、多元重复补偿稳态调控机制。如光温对作物生长发育的调节
9、作用；昼夜节律对家畜家禽行为的调节作用；林木的自疏现象；功能组分冗余（通常指通过多重备份来增加系统的可靠性。）现象；反馈现象等多种自我调节机制。,（一）反馈机制 农业生态系统具有多种正负反馈机制，能在不同的层次结构上行使功能控制。,1在个体水平上，通过正负反馈，使得个体与环境、个体与群体之间保持一定的协调关系。（白唇鹿在低密度时，雌鹿怀孕率为93%，而且60%是双胞胎，7%是三胞胎；在高密度时，怀孕率为78%，而且只有18%是双胞胎，没有三胞胎。）（蛋壳是既节约材料又能抗压得最优薄壳结构，其原理已经为建筑学所吸收；蜜蜂建成的六角形蜂巢已经被这么是最省材料的结构。）2种群之间，捕食者与被捕食者之
10、间的数量调节也是一种反馈机制。,3在群落水平上，一方面生物种群间通过相互作用，调节彼此间种群数量和对比关系，同时又受到共同的最大环境容纳量的制约。4在系统水平上，交错的群落关系、生态位的分化、严格的食物链量比关系等等，都对系统的稳态机制起积极作用。,生态系统的反馈调节机制及其作用是有一定限度的。系统在不降低和不破坏其自动调节能力的前提下所能忍受的最大限度的外界压力（临界值），称为生态阈值。外界压力包括自然灾害、不利环境因素的影响等自然力，也包括人力的获取、改造和破坏。生态容量也是一类生态阈值，指的是某种物质（通常指有害物质）的最大容纳量，即系统通过自净作用维持稳定状态的能力。生态容量的大小，取
11、决于有毒、有害物质的性质以及生态系统本身的抗毒自净能力。,（二）多元重复补偿,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破坏的情况下，另外一个或两个组分可以在功能上给予补偿，从而相对地保持系统的输出稳定不变。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。（植物的种子和动物的排卵数大大超过环境中可能容纳的下一代数目）,生态系统中的反馈控制和多元重复往往同时存在，使系统的稳定性得以有效地保持下去。这些自然调控相对人为调控来说，往往更为经济、可靠和有效，对保护生态环境更为有利。
12、,二、人工调控机制,人工调控是指农业生态系统在自然调控的基础上，受人工的调节与控制，人工调节遵循农业生态系统的自然属性，利用一定的农业技术和生产资料加强系统输入，改变农业生态环境，改变农业生态系统的组成成分和结构，以达到提高农业生产、加强系统输出的目的。农业生态系统的调控途径可分为经营者的直接调控和社会间接调控两种。,（一）经营者的直接调控,1.生境调控 生境调控就是利用农业技术措施改善农业生物的生态环境，达到调控目的。它包括对土壤、气候、水分、有利有害物种等因素的调节，其主要目的是改变不利的环境条件，或者削弱不良环境因子对生物种群的危害程度。,调节土壤环境，可通过物理、化学和生物等方法进行。
13、传统的犁、耙、耘、起畦，以至排灌、建造梯田等同于物理方法，它们改善耕层结构，协调水、肥、气、热的矛盾。化肥、除草剂和土壤改良剂的使用，能够改善土壤中营养元素的平衡状况，属于化学方法。而施用有机肥、种植绿肥、放养红萍、繁殖蚯蚓等措施属于生物方法，它们既能改善土壤的物理性状，又能改善士壤中营养元素的平衡状况，有利于提高土壤肥力。,调节气候环境，表现在区域气候环境的改善上，可通过大规模绿化和农田林网建设，人工降雨、人工驱雹、烟雾防霜等措施来得以实现。局部气候环境的改善，可通过建立人工气候室和温室、动物棚舍、薄膜覆盖、塑料大棚、地膜覆盖，施用地面增温剂等方法实现。,调节水分的方法很多；如修水库，打机井
14、，建水闸，田间灌排、喷灌、滴灌、施用叶面抗蒸腾剂等方法都可以直接改善水分供应状况。通过土壤耕作，增施有机肥料，改良土壤结构，也可以增强土壤的保水能力。,2.输入输出调控,农业生态系统的输入包括肥料、饲料、农药、种子、机械、燃料、电力等农业生产资料；输出包括各种农业产品。输入调控包括输入的辅助能和物质的种类、数量和投入结构的比例。输出调控包括调控系统的贮备能力，使输出更有计划；或对系统内的产品加工，改变产品输出形式，使生产加工相结合，产品得到更充分的利用，并可提高产品的经济值；同时，控制非目标性输出，如防止因径流、下渗造成的营养元素的流失。,3.农业生物调控,农业生物调控是在个体、种群和群落各水
15、平上通过对生物种群遗传特性、栽培技术和饲养方法的改良，增强生物种群对环境资源的转化效率，达到调控目的。,个体水平的调控，其主要手段包括品种的选用和改良，以及有关物种的栽培和饲养方法。如优良品种的选育，杂种优势的利用，遗传工程手段，生长期间整枝打顶、疏花疏果、激素喷施等措施调节生长。,种群水平的调控，主要是建立合理的群体结构和采取相应的栽培技术，调节作物种植密度、牧畜放养密度、水域捕捞强度、森林砍伐强度等，从而协调种群内个体与个体、个体与种群之间的关系，控制种群的动态变化，保持种群的最大繁荣和持续利用。,群落水平的调控，是调控农业生物群落的垂直结构、平面结构、时间结构和食物链结构，以及作物复种方
16、式、动物混养方式、林木混交方式等，建立合理的群落结构，以实现对资源的最佳利用。,4.系统结构调控,农业生态系统的结构调控是利用综合技术与管理措施，协调农业内部各产业生产间的关系，确定合理的农、林、牧、渔比例和配置，用不同种群合理组装，建成新的复合群体，使系统各组成成分间的结构与机能更加协调，系统的能量流动、物质循环更趋合理。在充分利用和积极保护资源的基础上，获得最高系统生产力，发挥最大的综合效益。从系统构成上讲，结构调控主要包括以下三个方面：,（1）确定系统组成在数量上的最优比例。如用线性规划方法求农林牧用地的最佳比例。（2）确定系统组成在空间上的最优联系方式。要求因地制宜、合理布局农林牧生产
17、，使生态位原理进行立体组合，按时空二维结构对农业进行多层配置。（3）确定系统组成在时间上的最优联系方式。要求因地制宜找出适合地区优先发展的突破口，统筹安排先后发展项目。,（二）社会的间接调控,1财贸金融系统的间接调控2工交通讯系统的间接调控3科技文教系统的间接调控4政法管理系统的间接调控,是指农业生态系统的外部因素，包括财经金融、公交通讯、科技文献、政法管理等通过经营者对生态系统产生调节作用的有关社会机制。,第四节 生态平衡,一、生态平衡(ecological equilibrium)指在一定时间内，生态系统中生物与环境之间以及生物与生物之间通过相互制约、相互渗透、相互影响维持着某种协调状态。
18、表现为生态系统中各物种类组成、种群数量、食物链营养结构的协调状态；能量和物质的输入与输出基本相等；物质贮存量恒定；信息传递畅通；生物群落与环境之间达到高度的相互适应和同步协调。这些因素作用的结果，使生物与生物、生物与环境或各对应力量之间，各自保持一定的状态，达到正负相当、协调吻合。,在自然生态系统中，顶极群落是群落发展到最稳定的阶段。这是因为生态系统在发展过程中，由于生物和环境以及生物各成分之间的相互作用，使物种组成和数量相对稳定而彼此协调，结构愈趋复杂而组合更为合理，营养级次达到最高而食物链网更为多样化和完备而达到的成熟阶段。这时生物系统与其环境系统之间，以及生物系统内部各种群之间的关系达到
19、全面协调的相对稳定状态。由于顶极群落的结构和功能的复杂性和协调性，因而对环境的效应也最大，从而使环境质量达到最完善和良好状态。由此可见，一个自然系统发展到顶级群落的阶段，是标志生态平衡的相对稳定阶段，这使它具有最大的维持生态平衡的能力。,二、生态平衡的保护,1生态平衡的动态性和相对性,自然界的系统总是向稳定状态（动态平衡）发展，它的组成、结构和能量、物质循环趋向于长时间地基本上保持一样。然而，由于它本身内部矛盾以及外界自然的、特别是人类活动的因素的影响，稳定状态总是很难达到，而且经常处于动态变化之中、因此，平衡是相对的，而动态变化是绝对的。,打破旧的平衡，建立新的平衡，是生态系统发展变化的一般
20、规律。因此，也需要正确看待这一问题，并不是所有的生态平衡被打破都是坏事，尤其在农业生态系统中，人类总是不断在利用和改造自然，从低级平衡走向高级平衡。但必需注意到打破旧平衡后，要尽快建立新的平衡，否则就可能发生一系列不易预测的变化，并往往导致很难预料的后果。,2.生态系统对生态平衡的调节能力,生态系统具有一种内部的自动调节的能力，以保持自己的稳定性。这种调节能力有赖于成分的多样性和能量流动，以及物质循环途径的复杂性。一般在成分多样、能量流动和物质循环途径复杂的生态系统中，较易保持稳定，当系统的一部分发生障碍时，就可被其它部分调节所补偿。相反成分单纯、结构简单的生态系统，内部调节的能力就小。对剧烈
21、的生态变化比较脆弱。,生态系统自我调节的能力决定于生态阈值。阈值的大小决定于生态系统的成熟性，系统越成熟，表示它的种类组成越多，营养结构越复杂，因而稳定性越大，则对外界的压力或冲击的抵抗力越大，即阈值高。相反，一个简单的系统，则阈值低。正由于生态系统在阈值以下具有一定的调节能力，因此我们强调生态平衡在自然资源利用上，是要求合理地利用资源，其开发量必须在生态阈值以下，以保证其能永续生产和使用。,3生态平衡失调的标志,生态系统的自我调节和补偿能力是有限的，当外界干预因素超过系统的生态阈值时，其自动调节能力将明显下降或消失，引起生态平衡的失调。表现为生态系统的结构和功能遭受破坏，严重时甚至导致崩溃。
22、生态平衡失调的主要标志表现在结构和功能上。,（1）生态失调结构上的标志,一级结构缺损。生态系统的一级结构是指组成系统的一级成分，如生产者、消费者和分解者等。一级结构缺损是生态系统缺损一个或几个组分，使平衡状态遭到破坏或崩溃。二级结构受损。二级结构指生态系统中各组分及其特征，如生物种类、种群数量及群落层次结构等。二级结构受损表现为生物种类减少、种群数量下降、群落层次结构遭受破坏等。,（2）生态失调功能上的标志,能量流动受阻。指能量在生态系统内某个营养级上受到阻碍，表现为初级生产力下降和各级消费者之间的食物链关系被破坏或消失。物质循环中断。指物质循环在生产者、消费者和分解者中某一环节中断，或输人与
23、输出比例失调，导致生态系统平衡被破坏。,生态危机：生态危机是指生态环境被严重破坏，使人类的生存与发展受到威胁的现象。生态危机是生态失调的恶性发展结果。主要由人类盲目和过度的生产活动所引起。生态危机一旦形成，在较长时期内难以恢复。因此，当它还处在潜伏状态时就应该提醒人们警觉起来。生态平衡的破坏主要是人为造成的，也将随着人类社会的发展而被克服和消除。,4.保持生态平衡的途径,（1）增加组成成分的多样性 农业生态系统是组成成分多、生物种群结构复杂、食物链长并联结成网，能量转化、物质循环途径多的农业生态结构，其抵御自然灾害的能力强、较稳定。稳定性是指生物种群在遇到生态环境较大幅度变化时由于生物种群的反
24、馈作用，经过一段时间后使之恢复原状的能力。合理的农业生态系统应该是农、林、牧、副渔业多种组分构成的多种物质循环和能量转化渠道的多样性结构。,（2）不超越生态阈值,生态系统的自我调节能力是有一定限度的，在界限范围内生态系统通过自我修补进行调节，超过这一界限，调节就不起作用，从而使系统受到改变、伤害以致破坏，这个限度称为阈限值。一般系统越成熟，种类组成越多，营养结构越复杂，该系统对外界压力或冲击力量的抵抗力也越大，阈限值越高。,（3）生态环境的人为调控,生物与环境是协同进化的，人为控制生态环境，使生物与其生存环境处于相互协调的平衡之中，对保持生态平衡非常重要。如人工经营森林、草地或通过营造防护林、
25、水源林，半干旱地区种草、种灌木林等；改造中低产田进行农田基本建设和兴修水利，扩大灌溉面积，合理轮作，增加豆科作物，把多灾田变成旱涝保收田。农村山、水、田、林、路综合治理，为农业的发展创造较佳的生态环境促进农业生态系统的能量转化，建立良好的物质循环体系。,三、生态系统健康评估健康的生态系统应该有以下特征：1、不存在失调症状2、具有良好的回复能力和自我维持能力3、对邻近的其他生态系统没有危害4、对社会经济的发展和人类的健康有支持推动作用。五、生态系统健康因子对于农业生态系统来说，影响生态系统健康的主要因子有：1、人类活动：过度开垦、放牧2、农药、化肥、重金属及环境污染化合物3、生物技术：转基因4、
26、生态入侵5、其他：偶发性自然灾害，如地震、泥石流。,四、生态系统的重建,通常意义的保护生物多样性只是强调对现存生物多样性的保护，这是远远不够的，因为，在许多地区，尤其是具有悠久开发历史的我国，原始状态的生态系统已所存无几，它们大部分遭到长期人类活动的影响而发生了不同程度的变化、损伤，甚至毁灭。在这种情况下，单纯地保护已经不能使这些被损害的生态系统得以恢复，而需要采取各种恢复或重建生态系统的措施。由此，一个重要的生态学分支重建生态学便应运而生，重建生态学有以下两个十分不同的发展途径：,1.第一类型的重建生态学是试图重新建造真正的过去的生态系统，尤其是那些曾遭到人类改变或滥用而毁灭或变样的生态系统
27、。在重建中强调选择正确的种类组合，并尽力重建原来的生态系统。在这里，重建意味着原来系统结构与种类组成的重新建造，其重要价值在于维持当地重要的基因库。,2.第二类型的重建生态学是对于那些由于人类活动已全然毁灭的复合系统和多样的生境，代之以次生的系统。在这里，重建生态学的目的是要建立一个符合于人类经济需要的系统。重建所采用的种类可以是、也可以不是原来的种类，所采用的植物或动物种也不一定很适合于环境，但具有高的经济价值。也可以采用各种先进的工程措施以加速生态系统的建立。也许，只有这种把重建自然的需要与人类的经济需要结合起来的途径才是恢复地球陆地植被的最有效方法。,建立具有丰富生物多样性的人工生态系统
28、，或通过丰富人工生态系统的生物多样性；合理的多种类的间作、混作、套种、轮作与多层次（乔、灌、草、水体等）结构配置，或农林牧副渔的多种经营组合，来达到生物多样性与经济需要相结合的目的。农林复合系统十分符合这种重建生态学与丰富生物多样性的原则，近年来得到很大重视与提倡，成为生态农林业的一个主流而迅速发展。这对于我国退比生态系统的恢复重建与优化人工生态系统的组建具有重要意义，也是对丰富生物多样性的高层次综合。,人类对受害生态系统所采用的恢复措施，必须符合生态学规律，必须从生态系统的观点出发，否则，一个措施的使用不当，往往会引起另一种严重后果。,七、农业生态系统模式的优化设计补充 生态补偿机制,作业题一、名词解释经济外部性问题 成本外滩 收益外泄 生态平衡二、简答题1、经济外部性问题的解决途径有哪些？2、农业生态系统的调控机制有哪两种？3、生态平衡失调的标志有哪些？4、保持生态平衡的途径有哪些？5、影响生态系统健康的主要因子有哪些？6、健康的生态系统应该具有哪些特征？,
