[科普中国]-生产生态学

生产生态学简述

生产生态学主要探讨生长因素和投入的相对重要性，解释实际产量水平和资源利用效率，分析潜在产量水平与实际产量水平的差异，提出改进的途径。同时可为从作物、农场和区域水平评价生产技术对生态、经济或农业目标的影响提供新的依据，也可为探索持续农业生产系统的新技术提供途径。因此，生产生态学是连接基础科学和应用科学的桥梁，它把生物环境与社会经济科学结合起来。在综合分类基础上，生产生态学是不同学科的综合。1

投入、产出和聚集体水平从生产生态学的角度，投入划分为不可替代投入和可替代投入。不可替代投入（有时称之为一级投入）是指种子、肥料和水，通常为植物吸收或转化形成生物量，是植物生长和代谢所必需的投入。可替代投入（有时称之为二级投入）是指未结合到植物体中，一定程度上可相互替代的，如人力、机械和杀虫（除草）剂等。其中，除草剂可以利用机械和人工除草替代。

产出也可划分为一级产出（如作物的产量或其中一部分）和二级产出（如向环境散发的物质，这些散发的物质包括养分的损失以及积累在土壤中的杀虫剂等）。投入和产出均以货币形式表示。此外，投入也可以单位面积或每单位一级投入来表示，后者多数情况称之为资源利用效率。物质散发同样可以单位面积、每单位一级产出或每单位投入来表示。

聚集体水平是指小区、作物、农田、种植体系、轮作制、农场和区域，根据研究的规模和层面而定。对不同的聚集体水平，可以分析和产生不同的信息。

生产水平一一单位面积的一级产出生产水平是指单位面积的一级产出水平（Rabbmge，1993）。根据生长限定因素、生长限制因素和生长降低因素的概念，明确地把生产水平分为3种，即潜在生产水平、可达到的生产水平和实际生产水平。

生长限定因素是指在所有投入都处于最佳供应的情况下，决定生长潜力和潜在生产水平的因素。如与植株的生理和物候学有关的植物特性及由纬度，季节和生产时间决定的温度、太阳辐射等。

生长限制因素是指必要的非生物的资源如水分和养分等，当这些因子供应有限时，引起植物生长速率的降低。

生长降低因素是指生物因素如杂草、病虫害及非生物因素如污染物等，这些因素降低或阻碍生长。

生产的客观环境客观环境是指：①气候因素：温度、辐射水平和湿度；②影响投入吸收效率的土壤特性、如保水特性、土壤深度、质地结构、pH值、有机质含量等；③影响作物活性的非生物因素，如部分厌氧条件，空气染污物等。因此客观环境很难操纵，且影响潜在生产水平和实现特定生产水平所需的投入。从短期角度看，作物生育不能影响客观环境，而优越的客观环境可定义为使投入更有效地利用，即产投比高。因此，相同或较低的投入水平，在水分、养分限制条件下，良好优越的客观环境的实际生产水平要高于差的客观环境的实际产量。

定向指标探讨一一最佳投入实现特定的产出定向指标的探讨，可以较好地调整投入以实现一定客观环境条件下的特定产量水平。例如，在特定的客观环境和作物轮作条件下，来计算实现某种作物一定产量水平所需的水分、养分和其它投入。在此体系下，投入的量是基于有关作物生长的物理、化学、生理和生态过程中的需要，同时要综合考虑这些投入，因为各种投入是互作的；而投入的最佳组合则取决于生产的目标。

定向指标的探讨是一种工程性的探讨，它不同于计量经济学方面的探讨，在计量经济学中，投入产出的结合与生产功能的确立主要依赖于实践、统计或推断。因此定向指标的应用可以把我们从过去那种过分依赖于统计、趋势或经验分析来预测未来的做法中解放出来。

生产技术一一一整套农艺投入为在一定的客观环境下实现特定的生产水平，我们需要各种投入，例如增产和保产的投入如灌溉、养分和杀虫剂。这些投入及投入的方式决定了生产技术的特点。由于某些投入可以互相替代（如人力、机械、杀虫剂等），因此，在一定的客观环境下的特定生产水平可以通过各种生产技术实现。这样，生产的目标决定着最佳的生产技术。在生产生态学中，对于生产技术描述的详细程度因研究的层面、水平、规模和目标而异，如在区域水平上研究要求的详细程度远比农场水平的要粗略得多，过分细致的研究就显得不那么重要了。

生产活动一一完全由投入生产活动定义为在特定客观环境下，完全由投入一一产出所决定的作物栽培或轮作，投入产出则完全由生产技术和客观环境所决定。当某种特定的生产技术应用于两种不同的客观环境下，产出水平就会不同，这样即可分辩出两种不同的生产活动。

生产方向一一指导投入产出为了系统地探讨土地利用的新途径，生产生态学引入指导产出和投入水平的概念，即生产方向，在特定客观环境下，生产目标包括土地生产力高（即高生产水平）、经济收入高、资源利用效率高（产出/投入比高）、单位产品散发量低、单位面积散发量低和无化学投入（即无化肥和杀虫剂）等。如果生产的基本目标是土地生产力高，那么向潜在生产水平发展即是最终目标，这样就可确定实现这一目标的生产技术。如果主要目标是不应用化学物质（如环境保护的需要），则在其它投入定量以前，要确定产量水平。

生产方向涉及到广泛的价值驱动目标，除了与农业生产过程直接相关的目标以外，也要顾及景观保持和就业维持等目标，这还涉及社会学问题。1

生产生态学的研究链及其方法论体系依其研究尺度从大到小包括4个方面

（1）可持续的生产和保护体系：在建立多功能土地利用和保护体系的框架内，通过设计、管理和优化各等级的农业生产系统，使后者实现真正的高产、优质和可持续。

（2）作物生产和植被发育：阐明作物产量、质量形成的物理、化学、生理过程和决定因子，即植物生产的原理，然后研制综合的技术调节方向，也是对传统作物栽培学与耕作学的拓展和深化。作物产量、质量的形成因素很多，可以分为3个层次：

一是作物生长决定因子，包括特定的环境变量如温度、太阳辐射和作物品种的属性等，这些因素决定作物生长的潜力，而潜力生长能否实现，还受其他因素的制约；

二是生长限制因子，一般包括一些可变（调节）的非生物资源如水分、养分等，当这些因子供应不足时（自然的和人为的原因），成为制约作物生长潜力的限制因子，其最终结果称为可达到的生长；

三是生长损耗因子，即生长阻碍因素，包括病虫草鼠害因素以及人为排放的各种污染物质，这可通过植物保护和环境治理措施得到一定的挽回.

（3）遗传资源与多样性利用：改变传统作物遗传育种学围绕单一目标（产量）而过度利用单一遗传资源、单一性状的循环，树立作物种质资源的保护和可持续利用的意识，立足多样性的遗传和基因资源，挖掘和利用丰富的“绿色基因”资源，当然也不排除利用现代基因工程的转化技术。但要把转基因生物（GMO）的研究和应用放在全球安全的视野下进行，把研究范围拓展到GMO生态安全的领域中。这样可以实现传统农田生态系统的植物农作，到农田生态系统上可种植作物、药物和能源（作物）的分子农作的转变。

（4）生物胁迫、有害生物互作及其管理：不仅仅利用多样性的作物遗传和基因资源,更把特定农业生态系统内的各类生物之间及其与等级生境之间的互作用，如昆虫之间、植物之间和动植物之间的营养和生存依赖关系纳入利用和管理框架中，优化农业生产体系，减少对系统外的无机能源如化肥、杀虫剂、饲料等的依赖，形成可持续的作物保护体系，促进农业生物生产潜力的实现。2

生产生态学在实践中的应用价值产量决定因素和提高产量的措施生产生态学首先强调生产的客观环境，认为产投比的高低与所处的地理位置紧密相关，作物的生产水平因不同区域的客观环境而异，这就为科学地评价生产水平的高低奠定了基础，图1形象地表述了在相同条件下，不同客观环境可能达到的生产水平。而在相同的客观环境下，生产生态学为生产者和研究者如何挖掘潜在生产水平、怎样获得可达到的生产水平、如何保持实际生产水平指明了方向（图2）。生产生态学认为①潜在生产水平由生长限定因素决定，只有当作物得到最适宜的水分和养分，光合辐射、温度和作物的特性得到充分发挥利用，且可以完全抵御生长降低因素影响时，才能实现潜在生产水平；②在水分和养分供应受到限制时，产量水平要低于潜在水平，称之为可达到的生产水平；③实际的生产水平由水分、养分供应状况以及作物抵御生长降低因素或避免这些因素影响的程度决定；④实际产量水平可通过保护产量及提高产量的措施等，来获得可达到的产量；⑤提高产量的措施与不可替代的投入如水分、养分有关，而保护产量的措施一定的程度上是可替代的投入；⑥在特定的区域和品种情况下，生长限定因素及潜在生产水平只间接受到育种和管理措施如播期和株距的影响。

探讨持续农业的技术途径持续发展是带有生态、技术和社会经济范畴的概念，此概念的实施受到环境承载力和社会弹性等不确定性及风险性的阻碍。由于涉及各种范畴和各种不确定性，因此，人为地按着主观确定的持续发展方向努力可能性很小。为使决策者对持续发展问题具有可操作性，就要对各种范畴之间的目标，做出明确的具有价值驱动的优先选择

生产生态学能鉴别那些贡献于各种目标的决定持续发展的生产体系的生产活动。对于任一与土地持续利用有关的目标，在强调生产方向的基础上，注重生产活动的定量化，并形成优化模型。通过对特定的土地持续利用相关目标的优化，提出土地利用方式或途径，为不同聚集体水平的决策者或经营者提供信息。

在探讨土地持续利用的生产活动定量化时，生产生态学注重时间层位和聚集体水平。时间层次决定是否最好的技术措施的应用；聚集体水平则规划土地利用体系。在研究短期的时间层位时，把现有的知识和技术全部优化并应用是不现实的；而目的在于发展途径和长期发展可能性的研究时，必须应用最好的技术措施。对于农场水平，用于生产活动定量化的适宜聚集体通常是作物，而对于区域水平，适宜的聚集体水平则是作物轮作。它要求根据农业、社会一一经济或生态目标来确定作物轮作体系。生产生态学在探讨农业持续发展技术途径的最重要的特点是：一是把生物一一环境和农业的可能性明确分开，并进行系统分析；二是把价值驱动目标和限制因子分离，对土地利用途径进行选择。1