农业生态系统第二章农业生态系统 （ agroecosystem）
是人类为满足社会需求,在一定边界内通过干预,利用生物与生物,生物与环境之间的能量和物质联系建立起来的功能整体 。 农业生态系统是一种被驯化了的生态系统,而生态系统又是生物与非生物组分构成的一类特殊的系统 。 在这 一 章,先介 绍 系统
（ system） 的概念,然后引出 生态系统 (ecosystem)和 农业生态系统 的概念 。
一、系统
1.系统的概念系统 （ 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 。
系统论：奥地利,L.V.Bertalanffy,20世纪 30年代信息论； Information theory,美国,C.V.Shanon
控制论,Cybernetics,美国,Nibert Wiener,1948
（ 1） 有两个以上的组分有机结合而成
（ 2） 各组分之间有一定联系系统具有边界
（ 3）各组分以整体形式完成特定功能
2.系统组成的基本条件
（ 1） 系统结构的有序性 。
即各组分是有机结合而成 。 系统具有边界,系统的层次
（ 2）系统的整体性。
（ 3）系统功能的整合性。
系统具有其组分或子系统所没有的功能
3.系统的基本特征
4.系统的结构决定系统的功能凡系统必有结构,结构决定功能,要改变系统的功能必须改变结构 。 这是系统论的基本观点 。
系统的结构,是指系统内各组分之间的数量比例关系及其相互联系 。
管理体制和运行机制 结构？
二、生态系统
1.生态系统的定义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，
称为生态系统。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。
（ 1）环境组分
辐射。短波辐射、长波辐射（热辐射）、宇宙辐射、核辐射。
无机物质
有机物质
土体、水、空气
2.生态系统的基本组分
（ 2） 生物组分生产者（ producers）,是指自养生物，
主要指绿色植物，也包括一些化能合成细菌。
消费者（ consumers ）,是指除了微生物以外的异养生物，主要指依赖初级生产者为生的各种生物。
分解者（ decomposers）,主要是指以动物残体为生的异养微生物。
消费者生产者分解者生物群落能量流化学流气候物理环境生态系统生态系统区别于一般系统的特点生态系统也是系统,因此具有系统的共性 。
生态系统还具有区别于一般系统的个性：
（ 1） 在组成成分方面,不仅包括各种无生命的物理,化学成分还包括有生命的生物成分,
生物群落是生态系统的核心 。
（ 2） 在空间结构方面,生态系统大多与一定的地理组成相联系,具有明显的地域特征 。
（ 3） 在时间变化方面,生态系统中的生物组分具有生长,发育繁殖和衰亡的时间特征,使生态系统具有从简单到复杂,从低级到高级的演变发展规律 。
（ 4） 在内部功能方面,生态系统主要靠三大类群生物 （ 生产者,大型消费者和小型消费者 ） 协调的能量转化和物质循环过程完成 。 这种联结使系统内生物之间,生物与环境之间处于一种动态平衡关系 。
（ 5）在外部关系方面,生态系统具有开放性，通过不断地从外界输入物质和能量，经过转化变为各种输出，从而维系着系统的有序状态。
3.生态系统的结构定义物种结构 species structure
时空结构 space-time structure
营养结构 trophic structure
4.生态系统的功能三大功能能量流动,energy flow
物质循环,nutrient cycle
信息传递,information transfer
5.主要的生态系统类型地球上全部生物极其生活区域称为生物圈 biosphere
一般指大气圈到水圈约 20km的厚度范围 。 有各种各样的生态系统 。
（ 1）以环境为依据来划分陆地生态系统 terestrial ecosystem
又可分为森林生态系统 forest ecosystem,草原生态系统 steppe ecosystem,农田生态系统 field
ecosystem等以植被特征分类的各类型生态系统 。
淡水生态系统 freshwater ecosystem又可分为水体较稳定的湖泊生态系统、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。
海洋生态系统 marine ecosystem又可分为海岸生态系统 coastal ecosystem,河口生态系统、浅海（大陆架）生态系统
shallow sea ecosystem和深海生态系统
ocean ecosystem 。
（ 2） 根据人类干扰程度为依据划分自然生态系统 natural ecosystem
人工驯化的生态系统
semi-natural ecosystem
人工生态系统 artificial ecosystem
三、农业生态系统
1.农业生态系统的定义农业生态系统（ agroecosystem） 是指在人类的积极参与下，利用农业生物种群和非生物环境之间以及农业生物种群之间的相互关系，通过合理的生态结构和高效的生态机能，进行能量转化和物质循环，并按人类的理想要求进行物质生产的综合体。
2.农业生态系统的基本组分
（ 1） 农业生态系统的生物组分农业生态系统的生物组分可以按功能区分为以绿色植物为主的生产者,以动物为主的大型消费者和以微生物为主的小型消费者,然而 占主要地位的生物是经过人工驯化的农业生物 如农作物,家畜,家禽,家鱼,家蚕等,以及与这些农用生物关系密切的生物类群,
如作物病虫,家畜寄生虫,豆科植物的根瘤菌等 。 农业生态系统还增加了一个重要的大型消费者 —— 人 。
其他生物种类和数量一般少于同区域的自然生态系统 。
（ 2） 农业生态系统的环境组分农业生态系统除了具有从自然生态系统继承下来的 自然环境组分 之外,还有 人工环境组分 。 无论是水体,土体,气体甚至辐射,
在农业生态系统中都或多或少受到人类不同程度的调节和影响 。 农业生态系统中的禽舍,
温室,仓库,厂房,住房等生产,加工,贮存和生活设施都会成为系统内生物生活环境的一个组成部分 。 设施中的环境与自然环境相比,温,湿,光,养分等条件都受到较大的改变,而目有独特的特点 。
3.农业生态系统的结构组分结构,component structure
时空结构,space structur and temporal structure
horizontal structure,vertical structure
营养结构：
4.农业生态系统的基本功能能量流物质流信息流价值流 value flow
5.农业生态系统的特点
(1)农业生态系统与自然生态系统的比较在农业生态系统中，由于人类的强烈参与，其结构组成已经发生了较大的变化，
有别于自然生态系统，二者在结构与功能上的差别如下页表：
植物微生物动物气体土体水体自然环境自然生态系统社会经济环境植物微生物动物作为消费者的人土体水体气体 人工环境模式建设技术措施出入调节作为调控者的人评价、诊断、决策、预测自然环境各种信息农业生态系统特征 农业生态系统 自然生态系统净生产力 高 中等营养变化 简单 复杂品种多样性 少 多物种多样性 少 多矿物质循环 开放式 封闭式熵 高 低人 为 调 控 明显需要 不需要时 间 短 长生境不均匀性 简单 复杂物 候 同时发生 季节性发生成熟程度 未成熟（早期演替） 成熟的
Comparison of Natural and Agroecosystems
Gliessman,1998
Natural
Ecosystems
Agro-
ecosystems
Net Productivity Medium High
Trophic Interactions Complex Simple,linear
Species Diversity High Low
Genetic Diversity High Low
Nutrient Cycles Closed Open
Stability (resilience) High Low
Human control Independent Dependent
Temporal Permanence Long Short
Habitat Heterogeneity Complex Simple
（ 2）农业生态系统的特点农业生态系统是被人类驯化了的自然生态系统，因此，它既保留了自然生态系统的一般特点，
又具备很多人类改造、控制、调节、干扰甚至破坏所带来的新特点。新的特点主要表现在：
① 受人类控制。
②净生产力高。
③组成要素简化，自我稳定性较差。
④开放性系统。
⑤同时受自然与社会经济“双重”
规律的制约。
⑥有明显的区域性。
（ 3）农业生态系统养分循环特点
一、有较高的养分输出率与输入率。
二、内部养分的库存量较低，但流量大，周转快。
三、养分保持能力较弱，流失率较高。
四、养分供求同步机制较弱。
The science of agroecology,which is defined as the
application of ecological concepts and principles to
the design and management of sustainable
agroecosystems,provides a framework to assess the
complexity of agroecosystems (Altieri 1995),The idea
of agroecology is to go beyond the use of alternative
practices and to develop agroecosystems with the
minimal dependence on high agrochemical and
energy inputs,emphasizing complex agricultural
systems in which ecological interactions and
synergisms between biological components provide
the mechanisms for the systems to sponsor their own
soil fertility,productivity and crop protection (Altieri
and Rosset 1995).
Agroecosystems
About 40% of terrestrial NPP is directly or indirectly
consumed by humans.
Agroecosystems are ecosystems which are consciously
controlled by humans for the purpose of extraction,They
include managed forests,farms,rangelands,and
aquaculture systems.
While hunting-gathering is sustainable at very low human
densities,it is extremely damaging at high densities,and
cannot be sustained for long,Thus agroecosystems are
absolutely necessary,However,most agroecosystems today
are not sustainable (yields cannot be maintained
indefinitely).
Problems with contemporary agroecosystems:
PESTICIDES
·Pests tend to be r-selected species with rapid growth rates,They therefore
tend to evolve resistance very quickly,Most important insect pest species have
evolved resistance to all major insecticides,The same has happened for weeds and
herbicides,This leads to the "pesticide treadmill",(resistance is not the same as
immunity)
Temporary solution,transfer genes from weeds to crops,This exacerbates the
pesticide treadmill in the long run,
Predatory animals are more K-selected,and cannot evolve resistance to
pesticides quickly enough,
Toxins accumulate at each level in the food chain,and thus have a large effect
on predators,This is the reason for the decline of birds of prey,
Pesticides are present in rainfall samples wherever they have been measured,
Pesticide in rain is a negligible direct health risk for humans,but the effects on
the ecosystem are unknown,
There is great promise in controlling pests by biological and cultural (physical)
controls,The problem is that such controls are more information-intensive,
Agriculturalists must study the life histories of all beneficial and harmful species,
Extension agents must know population biology and community ecology,
FERTILIZER
Because of this,humans control more than half of all nitrogen
fixation,
Anthropogenic nitrogen fixation is extremely energy intensive,
thus affecting the carbon cycle through fossil fuel use,
Nitrates escaping into groundwater have serious health effects
(blue babies)
Nitrogen is the most limiting nutrient in most agroecosystems,
Runoff of N and P into streams causes eutrophication.
Fertilization by N,P,and K causes higher yields,but when
plants are removed,many cations (esp,Ca and Mg) are
removed,This increases the acidity of the soil (big problem
in OK),
SOIL EROSION
Exposing bare soil to the elements and decreasing
infiltration rates causes wind and water erosion,
Conservation Reserve Programs,low-till techniques,
increasing organic matter,and planting of hedgerows
have decreased this problem,
MONOCULTURES
Planting crops in monocultures encourages pests,diseases,
and crop failure,Polycultures allow complementarity,and are
making a comeback.
GENETIC EROSION
The genetic diversity of domestic animals and crop plants
is becoming depleted,Genes for resistance to stress and
disease are lost.
ENERGETICS
Most mechanized agriculture has more
energy input than output.
是人类为满足社会需求,在一定边界内通过干预,利用生物与生物,生物与环境之间的能量和物质联系建立起来的功能整体 。 农业生态系统是一种被驯化了的生态系统,而生态系统又是生物与非生物组分构成的一类特殊的系统 。 在这 一 章,先介 绍 系统
（ system） 的概念,然后引出 生态系统 (ecosystem)和 农业生态系统 的概念 。
一、系统
1.系统的概念系统 （ 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 。
系统论：奥地利,L.V.Bertalanffy,20世纪 30年代信息论； Information theory,美国,C.V.Shanon
控制论,Cybernetics,美国,Nibert Wiener,1948
（ 1） 有两个以上的组分有机结合而成
（ 2） 各组分之间有一定联系系统具有边界
（ 3）各组分以整体形式完成特定功能
2.系统组成的基本条件
（ 1） 系统结构的有序性 。
即各组分是有机结合而成 。 系统具有边界,系统的层次
（ 2）系统的整体性。
（ 3）系统功能的整合性。
系统具有其组分或子系统所没有的功能
3.系统的基本特征
4.系统的结构决定系统的功能凡系统必有结构,结构决定功能,要改变系统的功能必须改变结构 。 这是系统论的基本观点 。
系统的结构,是指系统内各组分之间的数量比例关系及其相互联系 。
管理体制和运行机制 结构？
二、生态系统
1.生态系统的定义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，
称为生态系统。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。
（ 1）环境组分
辐射。短波辐射、长波辐射（热辐射）、宇宙辐射、核辐射。
无机物质
有机物质
土体、水、空气
2.生态系统的基本组分
（ 2） 生物组分生产者（ producers）,是指自养生物，
主要指绿色植物，也包括一些化能合成细菌。
消费者（ consumers ）,是指除了微生物以外的异养生物，主要指依赖初级生产者为生的各种生物。
分解者（ decomposers）,主要是指以动物残体为生的异养微生物。
消费者生产者分解者生物群落能量流化学流气候物理环境生态系统生态系统区别于一般系统的特点生态系统也是系统,因此具有系统的共性 。
生态系统还具有区别于一般系统的个性：
（ 1） 在组成成分方面,不仅包括各种无生命的物理,化学成分还包括有生命的生物成分,
生物群落是生态系统的核心 。
（ 2） 在空间结构方面,生态系统大多与一定的地理组成相联系,具有明显的地域特征 。
（ 3） 在时间变化方面,生态系统中的生物组分具有生长,发育繁殖和衰亡的时间特征,使生态系统具有从简单到复杂,从低级到高级的演变发展规律 。
（ 4） 在内部功能方面,生态系统主要靠三大类群生物 （ 生产者,大型消费者和小型消费者 ） 协调的能量转化和物质循环过程完成 。 这种联结使系统内生物之间,生物与环境之间处于一种动态平衡关系 。
（ 5）在外部关系方面,生态系统具有开放性，通过不断地从外界输入物质和能量，经过转化变为各种输出，从而维系着系统的有序状态。
3.生态系统的结构定义物种结构 species structure
时空结构 space-time structure
营养结构 trophic structure
4.生态系统的功能三大功能能量流动,energy flow
物质循环,nutrient cycle
信息传递,information transfer
5.主要的生态系统类型地球上全部生物极其生活区域称为生物圈 biosphere
一般指大气圈到水圈约 20km的厚度范围 。 有各种各样的生态系统 。
（ 1）以环境为依据来划分陆地生态系统 terestrial ecosystem
又可分为森林生态系统 forest ecosystem,草原生态系统 steppe ecosystem,农田生态系统 field
ecosystem等以植被特征分类的各类型生态系统 。
淡水生态系统 freshwater ecosystem又可分为水体较稳定的湖泊生态系统、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。
海洋生态系统 marine ecosystem又可分为海岸生态系统 coastal ecosystem,河口生态系统、浅海（大陆架）生态系统
shallow sea ecosystem和深海生态系统
ocean ecosystem 。
（ 2） 根据人类干扰程度为依据划分自然生态系统 natural ecosystem
人工驯化的生态系统
semi-natural ecosystem
人工生态系统 artificial ecosystem
三、农业生态系统
1.农业生态系统的定义农业生态系统（ agroecosystem） 是指在人类的积极参与下，利用农业生物种群和非生物环境之间以及农业生物种群之间的相互关系，通过合理的生态结构和高效的生态机能，进行能量转化和物质循环，并按人类的理想要求进行物质生产的综合体。
2.农业生态系统的基本组分
（ 1） 农业生态系统的生物组分农业生态系统的生物组分可以按功能区分为以绿色植物为主的生产者,以动物为主的大型消费者和以微生物为主的小型消费者,然而 占主要地位的生物是经过人工驯化的农业生物 如农作物,家畜,家禽,家鱼,家蚕等,以及与这些农用生物关系密切的生物类群,
如作物病虫,家畜寄生虫,豆科植物的根瘤菌等 。 农业生态系统还增加了一个重要的大型消费者 —— 人 。
其他生物种类和数量一般少于同区域的自然生态系统 。
（ 2） 农业生态系统的环境组分农业生态系统除了具有从自然生态系统继承下来的 自然环境组分 之外,还有 人工环境组分 。 无论是水体,土体,气体甚至辐射,
在农业生态系统中都或多或少受到人类不同程度的调节和影响 。 农业生态系统中的禽舍,
温室,仓库,厂房,住房等生产,加工,贮存和生活设施都会成为系统内生物生活环境的一个组成部分 。 设施中的环境与自然环境相比,温,湿,光,养分等条件都受到较大的改变,而目有独特的特点 。
3.农业生态系统的结构组分结构,component structure
时空结构,space structur and temporal structure
horizontal structure,vertical structure
营养结构：
4.农业生态系统的基本功能能量流物质流信息流价值流 value flow
5.农业生态系统的特点
(1)农业生态系统与自然生态系统的比较在农业生态系统中，由于人类的强烈参与，其结构组成已经发生了较大的变化，
有别于自然生态系统，二者在结构与功能上的差别如下页表：
植物微生物动物气体土体水体自然环境自然生态系统社会经济环境植物微生物动物作为消费者的人土体水体气体 人工环境模式建设技术措施出入调节作为调控者的人评价、诊断、决策、预测自然环境各种信息农业生态系统特征 农业生态系统 自然生态系统净生产力 高 中等营养变化 简单 复杂品种多样性 少 多物种多样性 少 多矿物质循环 开放式 封闭式熵 高 低人 为 调 控 明显需要 不需要时 间 短 长生境不均匀性 简单 复杂物 候 同时发生 季节性发生成熟程度 未成熟（早期演替） 成熟的
Comparison of Natural and Agroecosystems
Gliessman,1998
Natural
Ecosystems
Agro-
ecosystems
Net Productivity Medium High
Trophic Interactions Complex Simple,linear
Species Diversity High Low
Genetic Diversity High Low
Nutrient Cycles Closed Open
Stability (resilience) High Low
Human control Independent Dependent
Temporal Permanence Long Short
Habitat Heterogeneity Complex Simple
（ 2）农业生态系统的特点农业生态系统是被人类驯化了的自然生态系统，因此，它既保留了自然生态系统的一般特点，
又具备很多人类改造、控制、调节、干扰甚至破坏所带来的新特点。新的特点主要表现在：
① 受人类控制。
②净生产力高。
③组成要素简化，自我稳定性较差。
④开放性系统。
⑤同时受自然与社会经济“双重”
规律的制约。
⑥有明显的区域性。
（ 3）农业生态系统养分循环特点
一、有较高的养分输出率与输入率。
二、内部养分的库存量较低，但流量大，周转快。
三、养分保持能力较弱，流失率较高。
四、养分供求同步机制较弱。
The science of agroecology,which is defined as the
application of ecological concepts and principles to
the design and management of sustainable
agroecosystems,provides a framework to assess the
complexity of agroecosystems (Altieri 1995),The idea
of agroecology is to go beyond the use of alternative
practices and to develop agroecosystems with the
minimal dependence on high agrochemical and
energy inputs,emphasizing complex agricultural
systems in which ecological interactions and
synergisms between biological components provide
the mechanisms for the systems to sponsor their own
soil fertility,productivity and crop protection (Altieri
and Rosset 1995).
Agroecosystems
About 40% of terrestrial NPP is directly or indirectly
consumed by humans.
Agroecosystems are ecosystems which are consciously
controlled by humans for the purpose of extraction,They
include managed forests,farms,rangelands,and
aquaculture systems.
While hunting-gathering is sustainable at very low human
densities,it is extremely damaging at high densities,and
cannot be sustained for long,Thus agroecosystems are
absolutely necessary,However,most agroecosystems today
are not sustainable (yields cannot be maintained
indefinitely).
Problems with contemporary agroecosystems:
PESTICIDES
·Pests tend to be r-selected species with rapid growth rates,They therefore
tend to evolve resistance very quickly,Most important insect pest species have
evolved resistance to all major insecticides,The same has happened for weeds and
herbicides,This leads to the "pesticide treadmill",(resistance is not the same as
immunity)
Temporary solution,transfer genes from weeds to crops,This exacerbates the
pesticide treadmill in the long run,
Predatory animals are more K-selected,and cannot evolve resistance to
pesticides quickly enough,
Toxins accumulate at each level in the food chain,and thus have a large effect
on predators,This is the reason for the decline of birds of prey,
Pesticides are present in rainfall samples wherever they have been measured,
Pesticide in rain is a negligible direct health risk for humans,but the effects on
the ecosystem are unknown,
There is great promise in controlling pests by biological and cultural (physical)
controls,The problem is that such controls are more information-intensive,
Agriculturalists must study the life histories of all beneficial and harmful species,
Extension agents must know population biology and community ecology,
FERTILIZER
Because of this,humans control more than half of all nitrogen
fixation,
Anthropogenic nitrogen fixation is extremely energy intensive,
thus affecting the carbon cycle through fossil fuel use,
Nitrates escaping into groundwater have serious health effects
(blue babies)
Nitrogen is the most limiting nutrient in most agroecosystems,
Runoff of N and P into streams causes eutrophication.
Fertilization by N,P,and K causes higher yields,but when
plants are removed,many cations (esp,Ca and Mg) are
removed,This increases the acidity of the soil (big problem
in OK),
SOIL EROSION
Exposing bare soil to the elements and decreasing
infiltration rates causes wind and water erosion,
Conservation Reserve Programs,low-till techniques,
increasing organic matter,and planting of hedgerows
have decreased this problem,
MONOCULTURES
Planting crops in monocultures encourages pests,diseases,
and crop failure,Polycultures allow complementarity,and are
making a comeback.
GENETIC EROSION
The genetic diversity of domestic animals and crop plants
is becoming depleted,Genes for resistance to stress and
disease are lost.
ENERGETICS
Most mechanized agriculture has more
energy input than output.
