農業生態系統

農業生態系統（agro-ecosystem）

農業生態系統是在一定時間和地區內，人類從事農業生產，利用農業生物與非生物環境之間以及與生物種群之間的關係，在人工調節和控制下，建立起來的各種形式和不同發展水平的農業生產體系。與自然生態系統一樣，農業生態系統也是由農業環境因素、綠色植物、各種動物和各種微生物四大基本要素構成的物質循環和能量轉化系統，具備生產力、穩定性和持續性三大特性。

農業生態系統由農業環境因素、生產者、消費者和分解者四大基本要素構成(見圖[農業生態系統結構模式)。

農業環境因素一般包括光能、水分、空氣、土壤、營養元素和生物種群，以及人和人的生產活動等。生產者指自養型生物，主要是綠色植物，包括各種農作物和人工林木等。它們通過光合作用製成有機物質，除供應本身的生長繁育外，還作為其他異養生物的食物和能量來源。生產者又稱為初級生產者。

消費者包括草食動物、肉食動物、雜食動物、寄生動物和腐生動物等，均為異養型生物。其中草食動物如牛、羊、馬、兔等直接靠攝食植物生存，為初級消費者。因它們具有把植物食料轉化為肉、蛋、奶、皮、毛和骨等產品的功能，又稱為次級生產者。肉食動物則被稱為次級消費者。雜食動物兼具草食和肉食兩重食性。

寄生於動植物體內外的寄生動物和以動物屍體、植物殘體等為食的腐生動物仍屬次級消費者。它們也都是次級生產者。分解者主要指依靠動植物殘體生存、發育、繁殖的各種微生物，包括真菌、細菌和放線菌等。它們能把生物的殘體、屍體等複雜有機物質最終分解成能量、二氧化碳、水和其他無機養分。在農業生產中，食用真菌如蘑菇、香菇、木耳等已被廣泛開發利用。綠色植物的光合產物，通過消費者和分解者的轉化途徑，最後分解為無機物質和熱能返回到農業環境，其中一部分再供綠色植物吸收利用。由此構成一個連續不斷的物質循環和能量轉化系統。其中，除太陽輻射能是一切生態系統能量的基本來源外，在農業生態系統中，常常還由人類以栽培管理、選育良種、施用化肥和農藥以及進行農業機械作業等形式，投入一定的輔助能源，因而增加了可轉化為生產力的能量。農作物的高生產力，在很大程度上是由人類投入的各種形式的輔助能源來維持的。如採集經濟時代每年每公頃作物的干物質產量為 0.4～20千克；不補充化肥、農藥、機械等輔助能量的農業為50～2000千克；而補充投入這些輔助能量的禾穀類農業，其產量可達2000～20000 千克。據計算，大體上作物產量每增加1倍，約需增加投入農用物資10倍。

系統生產力是指一定期間內從農業生態系統所能獲得的生物產量。它是農業生態系統能量轉化和物質循環功能的最終表現。系統生產力的高低，不是僅以系統內某個生物種群或某個亞系統（如種植業）的生產力為衡量標準，而是以農業生態系統的總體生產力來評價，它包括初級生產力、次級生產力以及腐屑食物鏈的生產力。在農田條件下，每年每平方米初級生產的生物產量約為0.1～4千克，平均為0.65千克。次級生產力及腐屑食物鏈的生產力，則視不同生物種群而異。如1頭牛每天消耗飼料（乾草）7.5千克，增重0.9千克；1隻兔每天消耗飼料（乾草）0.1千克，增重0.012千克；人工栽培的食用菌，每天每平方米能生產 0.035千克干蛋白質等。因此，農業生態系統中種植業的初級生產和動物飼養業以至腐屑食物鏈生物的次級生產都應受到重視。

為了提高系統的總體生產力，還需要建立系統內各個生物種群之間相互配合、相輔相成、協調發展的高效能轉化系統。一個生物種群常常只利用整個農業資源的一部分，而不同生物種群的合理組合，則能使系統內物質和能量在其循環、轉化過程中得到多層次、多途徑的利用，通過彼此間的相互調劑、相互補償和相互促進，產生整合作用，其綜合效果往往大於生物種群各個分項效果的總和。這種合理的生態結構，在中國農業生產中隨處可見。如在魚塘中放養草魚、鰱、鱅、鯪、和鯉等多種食性不同的魚種，構成一個多層次的營養結構，由此產生的綜合生態效果，遠遠超過單養某個魚種（見池塘養魚）。高稈和矮稈作物間、套種，可以提高單位面積農田的總光能利用率；禾穀類作物與豆科作物間、套種，可以兼收培養地力和充分利用光能的效果。在稻作－養豬-養魚相結合的生態結構下，用糧飼豬、豬糞餵魚，魚塘泥作稻田肥料，其農、牧、漁業相互促進的綜合生態效果，可超過種稻、養豬、養魚單項生態效益和經濟效益的總和。

系統總體生產力的提高還在很大程度上取決於人類以化學肥料、殺蟲劑、除草劑、殺菌劑和石油燃料等形式投入系統的物質和能量。投入量增加可使農業增產。但並非在任何條件下投入越多，系統總體生產力就越大。不適當地使用化肥會破壞土壤結構；單純使用某一種殺蟲劑或殺菌劑會由於害蟲、病菌產生抗藥性而失去藥效；此外，投入物中還常含有鎘、汞、鉛、鎳等重金屬，一旦被作物吸收之後，通過食物鏈的陸續傳遞和生物濃縮，其濃度可成百倍、成千倍地增加。由此造成的有害物質的富集，不但會嚴重影響動植物的生長發育，使系統的總體生產力降低，而且有害人體健康。

農業生態系統作為一種人工生態系統，同人類的社會經濟領域密切不可分割。大量的農產品離開農業系統，源源不斷地進入社會經濟領域；而大量的農用物資包括化肥、農藥、農業機械等又作為輔助能量，源源不斷地從社會經濟領域投入農業系統。這種物質、能量的投入和產出的數量因不同的物質技術水平和農業經營方式而異，歸根到底受不同的社會經濟條件的制約。由此決定了農業生態系統的社會性，它不僅受自然規律，而且受社會經濟規律的支配。

農業生態系統是在人類的干預下發展的。而人類干預的目的是為了從系統取得儘可能多的產物，以滿足自身的需要。因而，同自然生態系統下生物種群的自然演化不同，一些符合人類需要的生物種群可以提供遠遠高於自然條件下的產量。如自然條件下綠色植物對太陽光能的利用率全球平均約僅0.1%,而在農田條件下，光能利用率平均約為0.4%，每公頃4500～6000千克的稻田或麥田光能利用率可達0.7～0.8%。至於干物質產量，自然草地為5～15噸/（公頃• 年），而人工草地（如禾本科牧草）為10～20噸/（公頃•年），麥類-水稻多熟製為18噸/（公頃•年），麥類-甘薯多熟制可達20.1噸/（公頃•年）。可見農業生態系統比自然生態系統具有較大的高產性能。這種特性也決定了系統需要有物質和能量的不斷補充投入，以保持投入與產出的基本平衡。

農業生態系統的生物種群構成，是人類選擇的結果。通常只有符合人類經濟要求的生物學性狀諸如高產性、優質性等被保留和發展，並只能在特定的環境條件和管理措施下才能得到表現。一旦環境條件發生劇烈變化，或管理措施不能及時得到滿足，它們的生長發育就會由於失去了原有的適應性和抗逆性而受到影響，導致產量和品質下降。人類的選擇還使生物種類減少，食物鏈簡化，系統通過不同生物之間的相互制約和相互促進而進行自我調節能力削弱。所有這些都會導致農業生態系統的不穩定性或波動性。這也說明了必須採取各種技術措施，對系統進行調節、控制，以減少這種波動性。

通過實施一定的農業政策、應用一定的農業經濟手段和農業技術手段進行。目的在於維護生態系統的相對、動態平衡及物質、能量的良性循環，以便有效地利用農業自然資源，持久而穩定地獲得高產和優質的農產品。通常包括直接調節和間接調節兩種方式。

直接調節如種植業、畜牧業、養殖業和林業等產業部門之間的結構調整和產業部門內部，如種植業中糧食作物與經濟作物之間的結構調整，以及進行農田水利建設、土壤改良、營造防護林帶、農業環境治理等。間接調節包括農產品運銷、農業投資、農業科研和農業教育等有關措施。

原始農業生態系統的物質能量主要依靠太陽能以及天然有機物質和礦物質的再利用，除人的勞動外，幾乎沒有補充投入，因而系統生產力極低。傳統農業由於使用畜力農具、人糞尿和實行農作物與綠肥輪栽等，農業生態系統得以從外界獲得輔助能源，生產力大大高於原始農業；但人力操作和自然能源仍佔主導地位，生產力的發展仍受很大限制。現在發展中國家和地區約有60%屬於這種農業生產方式。現代農業的根本特點是各種物質裝備和技術手段的密集投入。這樣就使系統生產力水平由於獲得了大量的輔助能源而達到空前的高度。現今農業發達國家基本實行這種生產方式。

隨著能源危機和環境污染等問題的暴露，現代集約農業的弊端也日益顯現。在這種情況下，世界上許多學者根據生態學的基本原理，對未來農業的發展方向進行了廣泛的探討，提出了各種大同小異的設想。其中主要的有：①有機農業。是一種完全不用或基本不用人工合成的化肥、農藥、生長調節劑和家畜飼料添加劑的生產體系。它盡量依靠作物輪栽、作物秸稈、家畜糞肥、豆科植物、綠肥等獲得肥源，依靠生物方法防治病蟲害，但仍實行機械耕作。②生物農業。是試圖提供生態平衡的環境，從而維持土壤肥力和控制病蟲害，同時僅用適度的能量和資源輸入以維持最適生產力，能夠進行持續生產和自我維持的農業。生物農業要求通過營養物質的循環，使土壤、植物、動物和人類健康直接聯繫起來；通過適宜的耕作措施，避免土壤養分不平衡和減少水土流失, 使所有有機廢物都返回到農田土壤中，保持土壤的層次性；種植業與畜牧業同時發展；作物的生長與當地資源相適應等等。③生態農業。由英國M.K.沃辛頓於 1981年提出。他認為生態農業是生態上低輸入、自我維持、經濟上可行的小型農業系統，旨在對環境不致造成明顯改變的情況下具有最大的生產力。其基本要求包括：作物營養和能量的自我維持；物種的多樣性；凈生產量高，能效率高，經營規模小，經濟上有生命力等。中國有不少學者認為，生態農業是依據農業生態學原理建立的農林牧副漁諸業彼此結合而又各有側重的多樣性生產結構，目的在於使初級生產沿著營養級進行多層利用和多次利用，從而達到較高經濟效益和生態效益。如現今中國農業生產實踐中湧現的農牧型系統、農牧漁型系統、農漁型系統、農林型系統、林牧型系統等。

人類在合理利用太陽輻射能這一基本能量來源的同時，以施用化肥、農藥以及機械作業等方式投入一定的輔助能源，增加系統內可轉化為生產力的能量。通過栽培管理、選育良種和施用化肥、農藥等技術，在提高農業系統生產力方面取得了巨大的成就，為滿足日益增長的世界人口的吃穿需要和社會經濟的持續發展奠定了堅實的基礎。

但是，在農業發展過程中，限於人口的壓力和對自然規律的認識，人類對農業生態系統穩定性和持續性未能給予充分重視。造成當前農業環境質量惡化，農業生態平衡遭到破壞，已在全世界範圍內不同程度地影響了農業生態生產力的發揮和農業的長期發展。

是指農業生態系統中的非生物因素，即指農作物、林木、果樹、畜禽和魚類等農業生物賴以生存、發育、繁殖的自然環境。它包括農田土壤、農業用水、空氣、日光和溫度等。從當前農業生態環境情況上看，土地退化、土壤荒漠化及鹽鹼化、水土流失現象十分嚴重。

農業用水污染及由此導致的農田土壤污染、農藥和化肥污染也時有發生。這一切均嚴重影響著農業的持續發展和糧食的安全。所以，農業環境保護已成為迫在眉睫的重要問題。

農業生態系統一詞最早出現於生態學的研究領域。自美國生態學家坦斯利（A. G. Tansley）1935年提出“生態系統”這一概念以來，它被廣泛應用與生態學的各個領域，“農業生態系統”這一概念也應運而生。生態學界對農業生態系統比較共同的看法是：農業生態系統是人們在一定的時間和空間範圍內，利用農業生物與非生物環境之間，以及生物種群之間的相互作用建立起來的，並在人為和自然共同支配下進行農副產品生產的綜合體，是一個人類調控下的自然－社會－經濟組合而成的複合生態系統（odum，1984；鄒冬生和廖桂平，2002；王東陽，2006；劉文娜，2006），農業生態系統具備任何生態系統都具有三大基本的功能特徵：能量流動、物質循環和信息傳遞，區別於自然生態系統最大的差別就在於它是具有控制意義的界定系統（聞大中，1990）。農業生態系統中的“農業”指包括農、林、牧、副、漁、菌、蟲及微生物的大農業。