农田生态系统

　　农田生态系统是指人类在以作物为中心的农田中，利用生物和非生物环境之间以及生物种群之间的相互关系，通过合理的生态结构和高效生态机能，进行能量转化和物质循环，并按人类社会需要进行物质生产的综合体。它是农业生态系统中的一个主要亚系统，是一种被人类驯化了的生态系统。农田生态系统不仅受自然规律的制约，还受人类活动的影响；不仅受自然生态规律的支配，还受社会经济规律的支配。

　　农田生态系统的组分

　　与自然生态系统一样，农田生态系统也包括生物与环境两大组分。与自然生态系统不同的是，农田生态系统的两大组分都受人为的支配和干预。

　　生物组分

　　农田生态系统的生物，按功能区分可以分成以绿色作物为主的生产者，以动物为主的大型消费者和以微生物为主的小型消费者。然而在农田生态系统中，占据主要地位的生物是经过人工驯化的农作物、人工林木等，其次是一些人工放养于农田的某些动物，以及与这些农业生物关系密切的生物种群，如专食性害虫、寄生虫、根瘤菌等。由于人类有目的地选择与控制，其他的生物种类和数目一般较少，生物多样性显著低于同一地区的自然生态系统。

　　环境组分

　　农田生态系统的环境组分包括自然环境组分和人工环境组分两部分。自然环境组分是从自然生态系统中继承下来的部分，但都不同程度地受到人类的调节与控制，如作物群体内的温度、光照、土壤的理化特性等。人工环境组分主要指对农田生态系统的各种社会资源的投入。如施肥、灌溉、防治病虫害、设施栽培等。人工环境组分是自然生态系统中不存在的，通常以间接的方式对生物施加影响。

　　农田生态系统的基本结构时间结构

　　随着季节变化而种植不同作物形成的结构，称为农田生态系统的时间结构。在农田生态系统中时间结构反映各物种在时间上的相互关系，同时也反映每个物种所占的时间位置。如农田生物类群有不同的生长发育阶段、生态类型和季节分布类型，适应不同季节的作物按人类需求可以实行复种、套作或轮作，占据不同的生长季节，这是当前产业中提高复种指数的有效手段之一。

　　空间结构

　　空间结构是指农田生态系统中各个组成成分的空间配置，又分为水平结构与垂直结构。

　　A 水平结构：是指一定区域内，水平方向上各种农田生物类群的组合与分布，亦即由农田中多种类型的景观单元所组成的农田景观结构。在水平方向上，常因地理原因而形成环境因子的纬向梯度或经向梯度，如温度的纬向梯度、湿度的经向梯度，农田生物会因为自然和社会条件在水平方向的差异而形成带状分布、同心圆式分布或块状镶嵌分布。如农田生产中采用的间作、套种就是典型的水平结构。

　　B 垂直结构：是指农田生物类群在同一土地单元内，垂直空间上的组合与分布。在垂直方向上，环境因子因地理高度、水体深度、土壤深度和生物群落高度而产生相应的垂直梯度，如温度的高度梯度、光照的水深梯度，农田生物也因适应环境的垂直变化而形成立体结构。在农业生产上，人们利用生物在形态上、生态上、生理上的不同而创建复合群体，实行高矮相间的立体种植或深浅结合的立体养殖，以及种养结合的立体种养方式，形成了多种多样的人工立体结构。

　　营养结构

　　又称食物链结构，是指农田生物以营养为纽带而形成的若干条链状营养结构。在农田生

　　态系统中，营养结构反映各种生物在营养上的相互关系，同时也反映每一种生物所占的营养位置。农田生态系统不仅具有与自然生态系统相同的输入、输出途径，还有人类有意识的输入和强化了的输出。有时，人类为了扩大农田生态系统的生产力和经济效益，常采用食物链“加环”来改造营养结构；为了防止有害物质沿食物链富集而危害人类的健康与生存，而采用食物链“解链”法中断食物链与人类的连接从而减少对人类的健康危害。

　　农田生态系统的功能

　　农田生态系统通过由生物与环境构成的有序结构，可以把环境中的能量、物质、信息和价值资源，转变成人类需要的产品。农田生态系统具有能量转换功能、物质转换功能、信息转换功能和价值转换功能，在这种转换之中形成相应的能量流、物质流、信息流和价值流。

　　能量流

　　农田生态系统不但可利用太阳能和其他能源，如风能、水势能等，并可通过食物链在生物间进行传递，形成能量流。为提高生产力，农田生态系统还可利用人力和畜力，以及机械作业中的煤、石油等矿物提供的能量为动力而进行的农机生产、化肥和农药生产、田间排灌、栽培操作等。从而形成辅助能量流。

　　物质流

　　以各种化学元素为基础的物质，如氮、磷、钾、碳、氧、氢等，在农田生态系统中被转换到不同形态的分子中，传递到不同的组分里，形成连续的物质流。农田生态系统物质流中的物质不但有天然元素和化合物，而且有大量人工合成的化合物。

　　信息流

　　每个信息过程都包括产生、传送和接收三个环节。多个信息过程相连就使系统形成信息网。当信息在信息网中不断被转换和传递时，就形成了信息流。自然生态系统中，生物体通过产生和接收形、声、色、气、味、压、磁、电等信号，并以气体、土体、水体为介质，频繁地转换和传递信息，形成一个无形的信息网。与自然生态系统一样，农田生态系统中也有这种信息网存在1。

　　与自然生态系统不同的是，调节农田生态系统的生产者，不但要利用自然信息，还需要利用各种社会信息；不但靠自然过程获得信息，也靠社会渠道(如广播、电视、出版物、计算机网络等)获取信息，从而形成一个有形的人工信息网。

　　价值流

　　价值可在农田生态系统中转换成不同的形式，并且可以在不同的组分间转移。以实物形态存在的农业生产资料的价值，在人类劳动的参与下，转变成生产形态的价值，最后以增值了的产品价值形态出现。价格是价值的表现形式，以价格计算的资金流是价值流的外在表现。

　　农田生态系统的能量流、物质流、信息流和价值流之间相互交织。能量、信息和价值依附于一定的物质形态。物质流、信息流和价值流都要依赖能量的驱动。信息流在较高的层次调节着物质流、能量流和价值流。与人类利益或需求发生关系的物质流、能量流和信息流都与价值变化和转移相联系。

　　农田生态系统的现状

　　目前，我国农田大量使用化肥、农药，对土壤有益的有机肥已很少使用，使土壤有机质含量不断下降。与此同时，粮食产量对化肥的依赖性越来越大，一旦没有化肥，粮食产量必定下降，即使新出现的优良品种也普遍耗水、耗肥。此外，由于工业发展，农田生态系统严重污染，威胁着系统内的所有生物，如我国粮食主产区淮河、长江水域的污染，已对周围生态系统造成极大损害，将来肯定会影响到粮食质量和产量。系统内废弃物资源化也还没有做到，“秸秆还田”虽提倡多年，但各地少有实行。

　　农田生态系统提供着全世界66%的粮食供给，因其具有这种巨大的服务功能价值，才构成人类社会存在和发展的基础。但人类在利用其服务功能的同时，又通过非持续的发展方式导致农田生态系统以史无前例的速度退化，在过去，世界范围内40%的农业用地出现退化(如我国粮食生产基地的东北地区，土壤黑土层的不断丧失)，这不但削弱了农田生态系统提供服务功能的能力，更引发了一系列的环境和生态安全问题，威胁到人类社会的发展。所以，可持续地利用农田生态系统服务功能已受到广泛关注。只有对农田生态系统服务功能、调控机制和驱动力进行深入研究，才能从根本上深刻理解、科学评价、合理调控，才能实现农田生态系统服务功能的可持续性，为人类的生存和社会的可持续发展提供基本保障1。

　　农田生态系统与水土流失

　　农业与水分和土壤，是属于依存关系的范畴。如果没有充足的水源和肥沃的土壤，农业的建立和发展是困难的。这既是农业经济问题，又是自然生态问题(即农业生态经济问题和研究两方面的关系)。水土流失问题，在国际上认为是当代社会面临的主要环境问题之一，而且是世界上的第四危机(即土壤危机)，在我国也不例外地存在这个问题。我国目前的现状是：我国人均径流量为2 700m3，不及世界人均径流量的1/4(世界人均径流量为12 900m3)。北方15个市每天缺水300×104t，京津地区已经达到极为紧张的程度。同时，全国水域污染也非常严重，每天排出污水约1×108t，大部分未经处理而直接排放，全国27条主要河流均已受到不同程度的污染，其中17条河流已经受到严重污染。另外，我国地下水资源已经大量的开发利用，这是由于地表水资源的不足和管理不善所引起的。此外，还有41个城市的地下水已经受到污染，有害物质的含量已经超过饮用水标准。更突出的是我国在用水方面，最大的是农业用水，其次是工业用水，最少的是生活用水。所以农业与水的矛盾最大，水田灌溉方式和旱地速溉方式(喷灌和滴灌等)都是值得研究的重要课题。同时，我国的水利设施(如水库)，已经有20%失去了效益。我国水土流失量也是世界最大的国家之一，据计算为每年56×108t(这是早年的数据，目前有的估算已达100×108t)，水土流失面积达150×104km2；印度每年为70×108～75×108t，美国每年为40×108～45×108t。如我国仅以每年50×108t计算，约占世界总流失量240×108t的1/5(黄河每年流失量为16×108t，长江每年流失量为6×108t)。所流失的养分换算成化肥为每年4 000×104 t，相当于全国化肥的年产量(按商品量计)。

　　上述情况的出现，是和各种类型景观遭到长期和严重破坏的后果分不开的。首先森林生态系统遭受破坏，助长了水土流失的速度、面积和过程。其次，草原生态系统的退化、沙化和碱化，沼泽生态系统和荒原生态系统的乱垦滥开等，都导致了生态平衡的失调和破坏。

　　农田生态系统与环境污染

　　环境污染和水土流失一样，也是国际社会所面临的主要环境问题之一。对于环境影响最深刻和最严重的是人口的增长与工农业的发展。而我国则是兼而有之(人口增长一般是在工农业生产比较落后的国家，工农业发展一般是在发达国家)。同时，我国还是一个历史悠久，具有光辉灿烂文化的文明古国，对于自然界的干扰和破坏，也是比较严重的和长期的。加之近期来，用扩大耕地增加粮食产量，来解决人口迅速增长的困难。所以就大量的毁林开荒、毁草种地、围湖造田，这样更加剧了我国森林、草原、水域和土壤资源的破坏，使我国森林、草原、农田和水域等生态系统的合理分布和平衡状态日益恶化。其结果是资源负荷量下降，在生产和产品两方面，显著减少。维护正常食物链的能力降低，严重影响生态平衡，加剧了恶性循环的局面。环境污染对于农业生产的影响是全面的，污染了的大气、水域和土壤，都能直接影响农作物的生长发育过程。因为大气直接影响作物的光合作用与呼吸作用。水分则由于灌溉而直接被作物所吸收：土壤又是作物生长的场所。

　　农田生态系统与能源

　　能源不足是世界性的问题，我国也不例外，国家有所不同。但是我国的能源问题，毕竟与国外的其他国家有所不同。我国有8亿多农民，据统计，农村每年烧掉3×108t秸秆，7 000×104m3的木材，这相当于每年损失尿素600×104t，磷肥600×104t，造成农业生态的很大破坏，并在农业生态经济方面造成严重的损失。根据美国国家科学院对“薪炭林”的估算，在发展中国家有80%的木材被当作薪材。据云南省和西双版纳州的估算，也有67%的木材被当作薪材。在我国的西北地区，由于森林和其他植被遭到长期的破坏，又无其他能源加以调剂，由于燃料的缺乏，有的农民每天只吃两顿饭，而且两餐同时烹煮成。

　　我国的能源问题，除工业与城市的电力、石油和煤等是极为重要的和亟待解决的问题外；农村能源也是非常重要的，因为它是关系到农民的生活和生产问题。解决农村能源应该是综合的、多种形式的和因地制宜的，如薪炭林、沼气、小水电和其他生态能源(如太阳能、风能等)，绝不能用单一的方式来解决问题2。

　　本词条内容贡献者为:

　　吴俊文 - 博士 - 厦门大学