第四章 农业生态系统的结构与功能

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降至地表的水，径流量多少，渗透量多少，视 植被、土壤性质、降水强度、地形、地势等因 素而变化。如以裸地径流量100%计算，则草 地截留5-13%，森林截留10-30%。植物截留 的水一部分蒸发进入大气，一部分沿植被缓慢 流入土壤。
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生物圈的水循环平衡依靠全球性的蒸发和降水来调节。

由于地球表面的差异、太阳辐射强度等因素的影响 ，使水的分布和降水极不均匀，从而形成地区性的 气候、植被、土壤、动物的差异。每一区域的水分 平衡受降水量、径流量、蒸发量、植被截留量以及 自然蓄水量的影响。


由于二氧化碳可吸收太阳辐射中的红外线，二氧化 碳浓度的升高将会提高地面温度，导致全球气候变 暖，这就是所谓的温室效应 温室效应虽然有利于增强植物的光合作用，但将导 致：
1.大气环流减弱，从海洋到大陆的水汽输送减少，陆地降 水量减少而蒸发量增加，干旱加重，直接影响农业生产 2.使极地冰盖层融化，导致海平面上升，陆地面积将受到 威胁，粮田将会被大量淹没 3.温室作用对作物生长造成不良影响，谷类作物株高降低 ，不育小穗增加，干物质产量和经济产量降低
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1.细胞水平上的循环：光合作用和呼吸作用 2.个体水平的循环：大气二氧化碳与植物之间的循 环 3.食物链水平上的循环
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海洋中的浮游植物每年固定的碳的总量与陆地上大约相等 地球表面和近地表面的碳贮存量巨大，主要以无机沉积物 和有机沉积物的形式存在，无机沉积物中磷酸盐最多，90 %左右，有机沉积物主要是以油页岩、煤、石油等形式存 在。碳的总贮存量只有千分之几在生物圈进行循环。
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一 农业生态系统的层次结构是对不同农业生态系统的 、时间结构
一种分类方法，就某一个具体的现实系统而言，系 根据各种资源的时间节律和农业生物的生长发育 统的边界已经确定，则边界内的元素都是系统的内 规律，从时间上合理搭配各种类型的农业生物，使自 容或组分，因此系统的组分种类及其量比关系、营 然资源和社会资源得到最有效的利用，形成农业生态 养结构、时间结构和空间结构才是农业生态系统结 系统随着时间推移而表现出来的不同结构。 构的具体内容。 二、空间结构 1.水平结构 2.垂直结构
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几种重要物质的循环 1.碳循环 2.氮循环 3.水循环 4.磷循环 5.有毒物质的富集
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碳是构成有机体的基本成分，生物体的碳来自于空 气或水中溶解的二氧化碳 通过植物的光合作用，二氧化碳被固定在有机物质 中，并在食物链中传递，在生态系统进行循环，这 是碳的生物小循环 远古时期的生物有机体深埋于地下，经过地质作用 和地质变迁，形成化石燃料（煤、石油、天然气） ，在人类开采利用这些化石燃料时，再以二氧化碳 的形式进入大气，从而形成碳的地质大循环
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农业生态系统的功能是指系统中的物质流动、物质 循环、信息传递及价值转换的过程、特点及其转化 效率 一、能量流动 二、物质循环 三、信息传递 四、价值转换
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能量是生态系统的原动力，生态系统中各种生物的 生理状况、生长发育行为、分布和生态作用，主要 由能量需求状况的满足程度所决定。 对生物体而言，能量的主要形式为辐射能、生物化 学能、机械能和热能


以寄生的方式取食活的有机体而构成的食物链 如：大豆→大豆兔丝子；牛→蚊子→蜘蛛，马 →马蛔虫。
混合食物链
构成食物链的各环节中，既有活食性生物，又
有腐食性生物

同一食物链中，常因食性和生活习性不相同而有多种生物 ，如动物、植物、微生物。

同一生态系统中往往有多条食物链，它们长短不同，营养
级数目不同。 不同的生态系统所包含的各种类型的食物链的比重不同。 任何生态系统中的各类食物链总是协同作用。
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概念：各种化学元素，包括生命有机体所必需的营 养物质，在不同层次、不同大小的生态系统内，乃 至生物圈内，沿着特定的途径，从环境到生物，从 生物到生物，从生物再回到环境，不断地进行这流 动和循环 特点： 1.物质不灭，循环往复 2.物质循环和能量流动相辅相成 3.物质循环的生物富集 4.各物质循环过程相互联系
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1.初级生产 生态系统中的能量流动开始于绿色植物通过光合作 用对太阳能的固定，这是生态系统第一次固定能量 2.次级生产 异养生物吸收和利用初级生产量转化为自身的营养 和能量的过程 3.分解 生态系统的分解过程是死亡有机体的逐步降解 分解者将无机元素从有机物之中释放出来，称为矿 化（与光合作用无机营养元素的固定是相反过程）
指生物在食物链上所处的位置，食物链上的每
一个环节就称为一个营养级。

捕食食物链 腐食食物链


寄生食物链
混合食物链



草牧食物链， 从绿色植物开 始，再到草食 动物，肉食动 物，食物链成 员有自小到大 ，从弱到强的 趋势，这与捕 食能力有关。 如：青草→兔 子→狐狸→老 虎。

又叫碎屑食物链，主要以死的动植物有 机体或生物排泄物为食物，通过腐烂、 分解，将有机物质分解为无机物质的食 物链。 如：植物残体→蚯蚓→鸡；植物残体→ 真菌。
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大气中的氮只有被固定为无机氮化合物（主要是硝 酸盐和氨）以后，才能被生物利用。而生物固氮消 耗低能源，开发生物固氮的资源对农业生态系统的 氮素输入，提高生物产量具有重要意义。工业固氮 需要耗费大量的能源，极高的温度、压力，还可能 造成环境污染
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生态系统中的水循环是水的循环途径，生态系统的 水循环包括截取、渗透、蒸发、蒸腾和地表径流。 在循环中植物吸收的水分大部分通过叶片蒸腾返回 大气参与再循环。 水从进入生命系统到离开生命系统回到环境的循环 构成生物小循环；水从水域开始，再回到水域而终 止构成水的地质大循环

农业生态系统的碳流动:碳通过作物光合作用从大气 进入作物；作物与土壤的碳交换（作物从土壤吸收 有机质，根系向土壤分泌有机物）；碳随有机物沿 着食物链流动；作物、动物、人类的呼吸将碳返还 大气；碳随着植物残体、人畜粪便及其遗体等重新 进入土壤环境；人为施入土壤中的碳；作物收获移 出农业生态系统的碳
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生态系统的结构是指生态系统组分在空间、 时间上的配置及组分间的能量物流顺序关系。
生态系统的结构是功能的基础，只有具有
合理的结构才能产生高效的功能。

系统的结构：
构成系统的组分
系统组分在时间、空间上的分布
组分之间的联系方式和特点
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农业生态系统的结构主要指农业生态系统中的构成
要素即农、林、牧、副、渔各业以及各业内部的组
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生物地球化学循环根据路径不同，可分为气相型循 环和沉积型循环 气相型循环的贮存库在大气圈或水圈中，元素或者 化合物可以转化为气体形式，通过大气进行扩散， 弥漫在陆地或海洋上空，在较短的时间内又可为植 物所利用，循环速度比较快。 沉积型循环发生在岩石圈，元素以沉积物的形式通 过岩石的风化作用和沉积物本身的分解作用转变成 生态系统可用的物质，沉积循环是缓慢的、非全球 的、不显著的循环。
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能量流动：生态系统的能量输入、传递、转化和丧 失的过程。
绿色植物通过光合作用，将太阳能转化为本身体内的化学 能，固定在植物有机体内的化学能再沿着食物链，从一个 营养级传递到另一个营养级，实现了能量在生态系统内的 流动转化。


特点： 单向流动，逐级递减
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能量在流动转化过程中严格遵守热力学定律 1.热力学第一定律又称能量转化与守恒定律 2.热力学第二定律即能量在转化过程中总存在着衰 变现象，即总有一部分能量从浓缩的、较有序的形 态，变为稀释的、不能利用的形态。 热力学第一定律强调了农业生产上千方百计地固定 更多的太阳能的重要意义。热力学第二定律强调在 生态系统的存在与发展中，必须不断地输入能量和 物质，以维持能量的消耗，同时也要注意改善系统 的结构和功能，提高能量转化效率。
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生态系统内，生物与生物之间，或生物与环境之间 ，通过营养食性关系联结起来的结构，称为营养结
构。食物链和食物网是营养结构的基本单元，是物
质、能量、信息流通的主要渠道。


食物链及其类型
食物链的特点
食物网
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食物链
指生物与生物之间，或生物与环境之间，通过
营养关系所联系联结成链状序列。

营养级
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大气中的氮通过三个途径进入生态系统由植物吸收利 植物从土壤中吸收硝酸盐、铵盐等含氮化合物，与
用：自然固氮（闪电、宇宙射线等大气因素将氮转化 体内的含碳化合物生成氨基酸，氨基酸再构成蛋白 为硝酸盐或铵盐等）、生物固氮（固氮菌、蓝绿藻等 质，再与其它化合物一起建造生物有机体，氮进入 的生物固氮）、工业固氮（氮肥厂生产的铵盐、硝酸 生产者体内，有机氮通过动物取食进入食物链，在 盐和尿素等） 不同营养级之间进行转化，动植物残体和排泄物等 含氮有机物经土壤微生物分解为二氧化碳、水和氨 返回环境，氨又可被植物再利用，进入新的循环， 这就是氮的生物小循环。
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进入生物圈的有机态氮有三个途径离开生态系统 1.因有机物的燃烧而挥发 2.因土壤通气不良，硝态氮经反硝化作用而变成游 离氮或氮氧化物挥发 3.灌溉，水蚀、风蚀、雨水淋洗等造成流失，进入 水体或大气。
氮在全球范围内的循环就构成了氮的地质大循环

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氨化作用：动植物的遗体、排出物和残落物中的有 机氮被微生物分解后形成氨，这一过程就叫做氨化 作用 硝化作用：在有氧的条件下，土壤中的氨或铵盐在 硝化细菌的作用下最终氧化成硝酸盐 反硝化作用：氨化作用和硝化作用产生的无机氮， 都能被植物吸收利用。在氧气不足的条件下，土壤 中的硝酸盐被反硝化细菌等多种微生物还原成亚硝 酸盐，并进一步还原成分子态氮，分子态氮则返回 大气中


概念 食物链之间交错纵横，彼此相连，构成一种网状结构，
这就是食物网。

食物网的本质
是生态系统中有机体之间一系列反复地吃与被吃的相互
关系，这种现象在自然界中极为普遍，它不仅维持着生态 系统的相对平衡，并推动着生物的进化，成为自然界发展 演变的动力。




（1）农业生态系统的食物链上各营养级的生物成 员是人类按生产目的安排的 （2）农业生态系统中食物链上的各生物成员的生 长发育也受到人为控制 （3）农业生态系统的营养结构简单，食物链简短 而且种类很少 （4）营养结构对无机物转化为有机物非常充分合 理
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地球上的各种化学元素（包括原生质的所有的各种 元素）在生物圈里沿着特定途径从环境到生物体， 再从生物体回到环境，不间断地运动着，这些层次 不同的循环称为生物地球化学循环，是生物圈中生 物有机体与非生物环境之间物质交换的过程，是生 态系统内部化学元素的交换。
生物地球化学循环是物质循环的基本形式，根据物质 循环的范围不同，又可分为地质大循环和生物小循环
成要素之间的配置方式，能量和物质在各成分或组
分要素间的转移、循环途径。

生态系统的结构包括层次结构、营养结构和时空结 构
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农业生态结构是一个多层次的复合大系统，它由许 多子系统或亚系统组成，划分农业生态系统的层次 结构的方法很多，根据系统占据的区域范围大小和 物种组成来分，可将农业生态系统分成不同的层次 结构。 1、区域宏观结构 2、农林牧副渔综合发展结构 3、农田生态系统结构 4、种群水平上的生产结构
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根据水循环发生的范围可把水循环分成几类 1.海陆间循环（大循环） 2.陆地水循环 3.海上水循环
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我们知道，地球上的水资源数量是有限的，但是为 什么没有用完呢？ 因为地球上的水处在不断循环运动中 在太阳能及地球重力的作用下，水在陆地、海洋和 大气间通过吸收热量或放出热量，以固、液、气三 态的转化形成了总量平衡的循环运动。 森林能涵养水源、增加蒸发和下渗、减少地表径流 、促进水的良性循环，被称为“绿色天然水库”。 大量砍伐树木会破坏当地水的良性循环，使水资源 减少或枯竭。
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地质大循环是指物质或化学元素经生物体的吸收作 用，从环境进入生物有机体，然后生物有机体又以 死体、残体和排泄物等形式返回环境，进入大气圈 、水圈、岩石圈、土壤圈、生物圈等五大自然圈层 的物质循环。 生物小循环是指环境中的化学元素经生物体吸收并 在生态系统中被相继利用，然后经分解者的作用， 再被生产者吸收、利用的物质循环。