农业生态学发展的背景
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用马尔科夫转移矩阵研究群落发展 用能流图分析生态系统中鸟类种群的能 量制约 利用蒙特卡罗法设计取样方法 利用灰色系统模型预测系统的变化 利用哈密颁函数求生态经济系统（如牧 场）的最优处理等
系统分析方法 在农业生态学研究中的应用
新方法：人工智能、人工神经网络、基因算法、 有限元分析方法等。建立人工智能或人工神经 网络系统后，可从计算机输入的实际样本中总 结出规律，并获得预警预报预测能力，这－方 法已经用于湖泊受多种因素影响下的藻类变动 和黄土高原生态破坏程度的预报。基因算法初 步用于在一定环境条件下的动物行为模式 • 模型的纯数学分析：对 logistic模型、植物生长 模型、种群竞争模型的分析
•
农业与可持续发展研究
国外多集中于生态脆弱带，如撒哈拉以南的农 业灌溉、尼日利亚坡地的农业可持续、巴西亚 马逊河毁林养牛的起因以及西非几内亚稀树草 原的农业可持续问题的研究等 • 我国农业可持续发展研究多集中于解决发展与 环境的关系，特别是生态农业建设方面，如长 江三峡与江汉平原的农业发展以及广东省潮安 县生态农业研究等
农业生态学近年发展的背景
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过去生态学研究的主流范式： 以自然平衡观为基础，发展到以多平衡态、 耗散结构理论和非线性数学为代表的非平衡 范式。自然平衡观与非平衡范式结合开展对 于种群及生态系统的研究 未来主要的生态学研究范式： 生态系统的斑块镶嵌和等级层次特别重要， 这种概念将影响到时间尺度、动态过程、小 尺度非平衡过程和大系统复合稳定等。因此 有人认为等级缀块动态范式(Hierarchical patch dynamic paradigm）将成为未来主要的 生态学研究范式
农业生态学近年发展的背景
生态学研究范式(Paradigm)的变化
Paradigm ——An overall concept accepted by most people in an intellectual community, as a science, because of its effectiveness in explaining a complex process, idea or set of idea. __Webster’s New World Dictionary
农业生态学概要（资金流）
农业生态学概要（调节控制）
社会经济间接调控 法庭判决 市场价格
人工直接调控
自然调控
农业生态学概要（资源）
资源经济第一定律（自有资源定律）：资源 拥有者在资源价格上升幅度大于银行利润率 时，倾向保留资源；在资源价格上升幅度小 于银行利润率时，倾向尽快开发利用资源 资源经济第二定律（公共资源定律）：在一 定经济条件下，公共生物资源会达到一个平 衡的种群水平，这时开发利用该资源的成本 等于其收益。
农业生态学近年发展的背景
中国在社会发展与农业发展过程特别需要农业 生态学，也促进了我国农业生态学的发展 长江洪水 黄河断流 南海赤潮 北京风沙 西北退耕 生态农业 安全食品 加入WTO 节水农业 GMO安全 人多地少 生活质量
农业生态学发展的背景
生态学正从系统描述到对系统自组织 的理解，从对生态危机的预测到主动开 展生态系统调节和系统控制 农业生态系统最显著的特点是在自然 调控之上叠加了人工调控，加上生产和 社会发展的需要，这将使它成为未来生 态学研究的重点领域之一
– 公顷为单位 – 中型实验系统在生物多样件和相互作用方面更接近
实际，有类似小岛屿的生态学条件，且其结构和功 能可被设计 – 1996年5月Ecological Engineering杂志专集介绍了 7 个中到实验系统，最著名的是“生物圈2号”
生态学研究侧重点的变化
Ecological Engineering 一篇文章认为：
– 50～60年代于以种群动态学和生态系统功能为核心 – –
–
–
的研究； 70年代多侧重于生态位和多样性种群群落结构规律 的研究； 80年代重视对于扰和恢复理论的研究，如砍伐、火、 风对生态系统的干扰与恢复研究； 90年代则侧重于生态系统的规模与层次的研究； 2000年后将关注于生态系统自组织问题的研究，而 中型实验系统将日益发挥其重要作用。
•
农业与全球变化
•
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大气中CO2浓度升高、酸雨增加、O3增 加、紫外线加强等对作物，如大豆、三 叶草、小麦的影响 农田和反刍动物的CH4、N2O、SO2等温 室气体的排放规律
农业与生物多样性
• 国外特别是欧洲主要研究生物多样性在 自然景观与农业交错区及纯农区的变化
• 研究自然景观被农田分散，区域中冬油菜等 作物面积变化对昆虫、蝎类、鸟类、草本植 物品种数量的影响规律等
农业生态学 近年研究领域与研究方法综述
骆世明 华南农业大学 热带亚热带生态研究所 广州510642
农业生态学概要
定义：农业生态学是运用生态学和系统 论的原理和方法，把农业生物与其自然 和社会环境作为一个整体，研究其中的 相互联系、协同演变、调节控制和持续 发展规律的学科。农业生态学是生态学 在农业领域的分支。 对象：广义农业生态系统
农业生态系统模式研究
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苏丹：防沙林网研究 秘鲁：山地水平植物带模式 波多黎各：多树种混合模式 越南：高畦深沟模式（酸性硫酸盐土） 中国：小流域综合利用、刀耕火种模式、 坡地利用模式、庭院模式、农牧结合模 式、农林结合模式、南方果沼猪模式、 北方大棚菜猪沼模式等
作物生态学
•
作物品种及农田杂草的生态适应性研究：
• 评价指标：由于农业发展的阶段差异和各地自 然环境及社会经济条件的多样性，农业生态系 统通用评价指标正被评价原则及特定生态条件 下的系统评价指标所替代 • 生态学家对远离平衡态的生态系统以耗散结构 理论和热力学理论为其基础提出了一些通用指 标 ， 如 多 样 性 、 有 序 性 、 熵 、 EXERGY 、 EMERGY和热力学活度指标
农业生态学概要（效益）
基本效益：
– 社会效益：食物供应≥温饱需求 – 经济效益：收益≥成本 – 生态效益：再生速度≥消耗速度
相互关系：
– 矛盾
– 统一
生态效益
经济效益
社会效益
农业生态学近年发展的背景
美国生态学会主席Judy Meyer在美国生态学 会1996年会上提出生态学应从消极的提出警告 与预见危机，走向积极的建设性方向。她提出 生态学前沿领域是生态工程学、生态经济学、 生态设计、产业生态学和环境生态学。 她说：“今天，我们运用生态学知识对未来 农业的展望已大不相同。今天的展望包括免耕、 减少化学农药用量、间作和模拟自然的农业， 生态学的运用正激励着新的生产粮食和纤维的 生产方式。”
• 病虫害综合防治
• 有关新的以菌治虫法、以鸟治虫法、新型害虫诱捕 剂、植物或微生物农药
土壤和植物系统物质平衡研究
养分平衡：施用作物秸秆、城市淮肥、污泥、 腐殖酸、覆盖作物等对土壤肥力、作物产量、 重金属累积及养分流失的影响等，研究中特别 注重土壤呼吸、土壤有机质平衡和农田N、P、 K平衡的测定 • 水分平衡：半干旱地区如撒哈拉、黄土高原近 年开展了农田水分平衡与合理利用的研究；我 国的节水灌溉研究取得了重要成果； • 菌根在土壤植物系统中的作用研究
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系统分析方法 在农业生态学研究中的应用
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农业生态系统研究领域的通用计算机软件 地理信息系统GIS 用于土壤有机质平衡的SOMN 用于植物生态适应性评价的CLIMEX 用于生态系统养分循环的CENTURY 用于作物生产的CERES 利用火进行森林管理的FIRETOOL等
系统分析方法 在农业生态学研究中的应用
• 农业植物与昆虫及真菌的化学相互关系
农业生态环境管理研究
• 健康食品生产
• 近年有关方面研究了有机种植方式对作物品质如胡 萝卜和维生素的影响、消费者对实施无公害食物的 成本承受力以及无公害茶园实施方法等。
• 畜禽粪便处理
• Ecological Engineering杂志为畜禽粪便处理及污水 处理有关的天然湿地和人工湿地系统的应用与设计 出了专辑。美国农业部还制定了人工湿地的设计规 范和指导原则
1929 G. Azzi 在意大利开设农业生态学 课程，1956年出版《农业生态学》 1972年，小田桂三郎，《农田生态学》 1979年，G.W.Cox等，《农业生态学— 世界粮食生产系统的分析》 1983，Miguel A. Altieri, 《农业生态学— 替代农业的科学基础》
农业生态学概要（应用）
信息流：由信源、信道、信宿间的信息流通 构成 环境信息与植物：日长、重力场、光波长 环境信息与动物：候鸟与地球磁场，恒星位 置 植物之间：寄主信号促进发芽（独脚金，列 当） 动植物之间：花的色香味对传粉昆虫 动物之间：昆虫外性激素，蜜蜂语言 自然界信息流没有专用信息通道，效率和可 靠性变化大，速度差异大
• EXERGY指标是以分子中的原子组织有序性为量度 标准，系统中物质平均分子量大、基因多， EXERGY值也大
用实验系统开展生态系统的综合研究
小型实验系统（microcosm）
– 尺度等级从平方厘米到平方米范围 – 在一水族箱中研究竟争条件下2个水生种群的变化
中型实验系统（mesocosm）
– 紫外辐射变化对作物的影响 – 恶性杂草入侵后的蔓延预测等
作物祖先在野生状态下为了生存而在竞争中产 生的性状冗余 • 分子生态学以遗传性状的基因基础与生态环境 的关系为研究核心，揭示了物种生态型、种群 结构、物种进化的规律等
•
– 植物适应土壤缺磷，、偏酸等产生的土壤营养生态型及其遗
传基础的研究也日益受到重视
农业生态学近年发展的背景
农业生态学作为应用生态学的一个分 支，其突出特点是自然生态系统被人类 的活动所干扰、调节、控制和驯化，并 列入为人类当前和长远利益眼务的范畴。 因此，农业生态学是干扰生态学、恢复 生态学、生态经济学、生态工程和生态 管理在理论与学科发展方面检验假设、 发现规律、实现调控常涉及的领域。
系统分析方法 在农业生态学研究中的应用
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微分方程为核心的系统动力学模型 偏微分方程为核心的流动与扩散模拟 矩阵为基础的种群模型 用主元分析进行的聚类和因子分析 用线性规划研究生态经济系统的优化配置和可 持续发展 建立专家系统处理非结构化的农村与农业生产 问题
系统分析方法 在农业生态学研究中的应用
农业生态学的发展
生态学正从系统描述到对系统自组织 的理解，从对生态危机的预测到主动开 展生态系统调节和系统控制 农业生态系统最显著的特点是在自然 调控之上叠加了人工调控，加上社会经 济发展的需求，这将使农业生态学成为 未来生态学研究的重点领域之一
参考文献
骆世明，1999，农业生态学近年研究领 域与研究方法综述，生态农业研究，7 （1）：19-22 骆世明等，2001，农业生态学，中国农 业出版社
农业的化学生态学
• 昆虫体外激素 • 植物化感作用
• 理解群落结构和群落演替 • 设计复合植被和间套作模式 • 筛选抗草基因和抗草生物农药
• 美国测定的近l万个水稻品种中347个品种有化感作用，12 个品种的化感作用半径达0.18-0.2m，在该范围内80％～90 ％的杂草被抑制 • 国际水稻研究所鉴定的数百个水稻品种中60个品种有化感 作用
农业生态学概要（学科位置）
土壤学、气象学：农业生态系统的环境部分 作物学、畜牧学、微生物学、林学：农业生态 系统的生物部分 农业环境学：关注环境污染问题，少关注生产 力问题 农业经济学：农业生产、流通的经济问题 耕作学：对象是农田的耕作制度 农业区划：平面布局和划区
农业生态学概要（发展历史）
个体生态学：农业生物最适生长环境的 安排和创造 种群生态学：有害生物的综合治理 群落生态学：恶劣条件下裸地的生态恢 复 生态系统生态：投入产出量的平衡，系 统的循环结构，系统食物链模式 景观生态：流域模式，生态区划等 农业生态学与生态农业建设
农业生态学概要（信息流）
用马尔科夫转移矩阵研究群落发展 用能流图分析生态系统中鸟类种群的能 量制约 利用蒙特卡罗法设计取样方法 利用灰色系统模型预测系统的变化 利用哈密颁函数求生态经济系统（如牧 场）的最优处理等
系统分析方法 在农业生态学研究中的应用
新方法：人工智能、人工神经网络、基因算法、 有限元分析方法等。建立人工智能或人工神经 网络系统后，可从计算机输入的实际样本中总 结出规律，并获得预警预报预测能力，这－方 法已经用于湖泊受多种因素影响下的藻类变动 和黄土高原生态破坏程度的预报。基因算法初 步用于在一定环境条件下的动物行为模式 • 模型的纯数学分析：对 logistic模型、植物生长 模型、种群竞争模型的分析
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农业与可持续发展研究
国外多集中于生态脆弱带，如撒哈拉以南的农 业灌溉、尼日利亚坡地的农业可持续、巴西亚 马逊河毁林养牛的起因以及西非几内亚稀树草 原的农业可持续问题的研究等 • 我国农业可持续发展研究多集中于解决发展与 环境的关系，特别是生态农业建设方面，如长 江三峡与江汉平原的农业发展以及广东省潮安 县生态农业研究等
农业生态学近年发展的背景
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过去生态学研究的主流范式： 以自然平衡观为基础，发展到以多平衡态、 耗散结构理论和非线性数学为代表的非平衡 范式。自然平衡观与非平衡范式结合开展对 于种群及生态系统的研究 未来主要的生态学研究范式： 生态系统的斑块镶嵌和等级层次特别重要， 这种概念将影响到时间尺度、动态过程、小 尺度非平衡过程和大系统复合稳定等。因此 有人认为等级缀块动态范式(Hierarchical patch dynamic paradigm）将成为未来主要的 生态学研究范式
农业生态学近年发展的背景
生态学研究范式(Paradigm)的变化
Paradigm ——An overall concept accepted by most people in an intellectual community, as a science, because of its effectiveness in explaining a complex process, idea or set of idea. __Webster’s New World Dictionary
农业生态学概要（资金流）
农业生态学概要（调节控制）
社会经济间接调控 法庭判决 市场价格
人工直接调控
自然调控
农业生态学概要（资源）
资源经济第一定律（自有资源定律）：资源 拥有者在资源价格上升幅度大于银行利润率 时，倾向保留资源；在资源价格上升幅度小 于银行利润率时，倾向尽快开发利用资源 资源经济第二定律（公共资源定律）：在一 定经济条件下，公共生物资源会达到一个平 衡的种群水平，这时开发利用该资源的成本 等于其收益。
农业生态学近年发展的背景
中国在社会发展与农业发展过程特别需要农业 生态学，也促进了我国农业生态学的发展 长江洪水 黄河断流 南海赤潮 北京风沙 西北退耕 生态农业 安全食品 加入WTO 节水农业 GMO安全 人多地少 生活质量
农业生态学发展的背景
生态学正从系统描述到对系统自组织 的理解，从对生态危机的预测到主动开 展生态系统调节和系统控制 农业生态系统最显著的特点是在自然 调控之上叠加了人工调控，加上生产和 社会发展的需要，这将使它成为未来生 态学研究的重点领域之一
– 公顷为单位 – 中型实验系统在生物多样件和相互作用方面更接近
实际，有类似小岛屿的生态学条件，且其结构和功 能可被设计 – 1996年5月Ecological Engineering杂志专集介绍了 7 个中到实验系统，最著名的是“生物圈2号”
生态学研究侧重点的变化
Ecological Engineering 一篇文章认为：
– 50～60年代于以种群动态学和生态系统功能为核心 – –
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的研究； 70年代多侧重于生态位和多样性种群群落结构规律 的研究； 80年代重视对于扰和恢复理论的研究，如砍伐、火、 风对生态系统的干扰与恢复研究； 90年代则侧重于生态系统的规模与层次的研究； 2000年后将关注于生态系统自组织问题的研究，而 中型实验系统将日益发挥其重要作用。
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农业与全球变化
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大气中CO2浓度升高、酸雨增加、O3增 加、紫外线加强等对作物，如大豆、三 叶草、小麦的影响 农田和反刍动物的CH4、N2O、SO2等温 室气体的排放规律
农业与生物多样性
• 国外特别是欧洲主要研究生物多样性在 自然景观与农业交错区及纯农区的变化
• 研究自然景观被农田分散，区域中冬油菜等 作物面积变化对昆虫、蝎类、鸟类、草本植 物品种数量的影响规律等
农业生态学 近年研究领域与研究方法综述
骆世明 华南农业大学 热带亚热带生态研究所 广州510642
农业生态学概要
定义：农业生态学是运用生态学和系统 论的原理和方法，把农业生物与其自然 和社会环境作为一个整体，研究其中的 相互联系、协同演变、调节控制和持续 发展规律的学科。农业生态学是生态学 在农业领域的分支。 对象：广义农业生态系统
农业生态系统模式研究
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苏丹：防沙林网研究 秘鲁：山地水平植物带模式 波多黎各：多树种混合模式 越南：高畦深沟模式（酸性硫酸盐土） 中国：小流域综合利用、刀耕火种模式、 坡地利用模式、庭院模式、农牧结合模 式、农林结合模式、南方果沼猪模式、 北方大棚菜猪沼模式等
作物生态学
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作物品种及农田杂草的生态适应性研究：
• 评价指标：由于农业发展的阶段差异和各地自 然环境及社会经济条件的多样性，农业生态系 统通用评价指标正被评价原则及特定生态条件 下的系统评价指标所替代 • 生态学家对远离平衡态的生态系统以耗散结构 理论和热力学理论为其基础提出了一些通用指 标 ， 如 多 样 性 、 有 序 性 、 熵 、 EXERGY 、 EMERGY和热力学活度指标
农业生态学概要（效益）
基本效益：
– 社会效益：食物供应≥温饱需求 – 经济效益：收益≥成本 – 生态效益：再生速度≥消耗速度
相互关系：
– 矛盾
– 统一
生态效益
经济效益
社会效益
农业生态学近年发展的背景
美国生态学会主席Judy Meyer在美国生态学 会1996年会上提出生态学应从消极的提出警告 与预见危机，走向积极的建设性方向。她提出 生态学前沿领域是生态工程学、生态经济学、 生态设计、产业生态学和环境生态学。 她说：“今天，我们运用生态学知识对未来 农业的展望已大不相同。今天的展望包括免耕、 减少化学农药用量、间作和模拟自然的农业， 生态学的运用正激励着新的生产粮食和纤维的 生产方式。”
• 病虫害综合防治
• 有关新的以菌治虫法、以鸟治虫法、新型害虫诱捕 剂、植物或微生物农药
土壤和植物系统物质平衡研究
养分平衡：施用作物秸秆、城市淮肥、污泥、 腐殖酸、覆盖作物等对土壤肥力、作物产量、 重金属累积及养分流失的影响等，研究中特别 注重土壤呼吸、土壤有机质平衡和农田N、P、 K平衡的测定 • 水分平衡：半干旱地区如撒哈拉、黄土高原近 年开展了农田水分平衡与合理利用的研究；我 国的节水灌溉研究取得了重要成果； • 菌根在土壤植物系统中的作用研究
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系统分析方法 在农业生态学研究中的应用
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农业生态系统研究领域的通用计算机软件 地理信息系统GIS 用于土壤有机质平衡的SOMN 用于植物生态适应性评价的CLIMEX 用于生态系统养分循环的CENTURY 用于作物生产的CERES 利用火进行森林管理的FIRETOOL等
系统分析方法 在农业生态学研究中的应用
• 农业植物与昆虫及真菌的化学相互关系
农业生态环境管理研究
• 健康食品生产
• 近年有关方面研究了有机种植方式对作物品质如胡 萝卜和维生素的影响、消费者对实施无公害食物的 成本承受力以及无公害茶园实施方法等。
• 畜禽粪便处理
• Ecological Engineering杂志为畜禽粪便处理及污水 处理有关的天然湿地和人工湿地系统的应用与设计 出了专辑。美国农业部还制定了人工湿地的设计规 范和指导原则
1929 G. Azzi 在意大利开设农业生态学 课程，1956年出版《农业生态学》 1972年，小田桂三郎，《农田生态学》 1979年，G.W.Cox等，《农业生态学— 世界粮食生产系统的分析》 1983，Miguel A. Altieri, 《农业生态学— 替代农业的科学基础》
农业生态学概要（应用）
信息流：由信源、信道、信宿间的信息流通 构成 环境信息与植物：日长、重力场、光波长 环境信息与动物：候鸟与地球磁场，恒星位 置 植物之间：寄主信号促进发芽（独脚金，列 当） 动植物之间：花的色香味对传粉昆虫 动物之间：昆虫外性激素，蜜蜂语言 自然界信息流没有专用信息通道，效率和可 靠性变化大，速度差异大
• EXERGY指标是以分子中的原子组织有序性为量度 标准，系统中物质平均分子量大、基因多， EXERGY值也大
用实验系统开展生态系统的综合研究
小型实验系统（microcosm）
– 尺度等级从平方厘米到平方米范围 – 在一水族箱中研究竟争条件下2个水生种群的变化
中型实验系统（mesocosm）
– 紫外辐射变化对作物的影响 – 恶性杂草入侵后的蔓延预测等
作物祖先在野生状态下为了生存而在竞争中产 生的性状冗余 • 分子生态学以遗传性状的基因基础与生态环境 的关系为研究核心，揭示了物种生态型、种群 结构、物种进化的规律等
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– 植物适应土壤缺磷，、偏酸等产生的土壤营养生态型及其遗
传基础的研究也日益受到重视
农业生态学近年发展的背景
农业生态学作为应用生态学的一个分 支，其突出特点是自然生态系统被人类 的活动所干扰、调节、控制和驯化，并 列入为人类当前和长远利益眼务的范畴。 因此，农业生态学是干扰生态学、恢复 生态学、生态经济学、生态工程和生态 管理在理论与学科发展方面检验假设、 发现规律、实现调控常涉及的领域。
系统分析方法 在农业生态学研究中的应用
• • • • • •
微分方程为核心的系统动力学模型 偏微分方程为核心的流动与扩散模拟 矩阵为基础的种群模型 用主元分析进行的聚类和因子分析 用线性规划研究生态经济系统的优化配置和可 持续发展 建立专家系统处理非结构化的农村与农业生产 问题
系统分析方法 在农业生态学研究中的应用
农业生态学的发展
生态学正从系统描述到对系统自组织 的理解，从对生态危机的预测到主动开 展生态系统调节和系统控制 农业生态系统最显著的特点是在自然 调控之上叠加了人工调控，加上社会经 济发展的需求，这将使农业生态学成为 未来生态学研究的重点领域之一
参考文献
骆世明，1999，农业生态学近年研究领 域与研究方法综述，生态农业研究，7 （1）：19-22 骆世明等，2001，农业生态学，中国农 业出版社
农业的化学生态学
• 昆虫体外激素 • 植物化感作用
• 理解群落结构和群落演替 • 设计复合植被和间套作模式 • 筛选抗草基因和抗草生物农药
• 美国测定的近l万个水稻品种中347个品种有化感作用，12 个品种的化感作用半径达0.18-0.2m，在该范围内80％～90 ％的杂草被抑制 • 国际水稻研究所鉴定的数百个水稻品种中60个品种有化感 作用
农业生态学概要（学科位置）
土壤学、气象学：农业生态系统的环境部分 作物学、畜牧学、微生物学、林学：农业生态 系统的生物部分 农业环境学：关注环境污染问题，少关注生产 力问题 农业经济学：农业生产、流通的经济问题 耕作学：对象是农田的耕作制度 农业区划：平面布局和划区
农业生态学概要（发展历史）
个体生态学：农业生物最适生长环境的 安排和创造 种群生态学：有害生物的综合治理 群落生态学：恶劣条件下裸地的生态恢 复 生态系统生态：投入产出量的平衡，系 统的循环结构，系统食物链模式 景观生态：流域模式，生态区划等 农业生态学与生态农业建设
农业生态学概要（信息流）