第四章农田复合生态工程 第一节农田生态系统 一、农田生态系统概念 农田生态系统(Farmland)是以农田为基础，由作物为主体的生物成份和以士壤 水分、空气、光热等为主体的非生物成份所组成，以发展农业生产为目标的人工控制的陆地生 态系统。 农田生态系统是由农田及农田所处的地理、气候环境组成的环境系统：农田内以土壤矿物 颗粒为骨架，以水，气为运动介质和土壤微生物及根系活动为中心的土壤库：农田上以农作物 为主体，包括杂草的植物库：以及病虫、鸟、田鼠、野兽、某些人工动物组成的伴生生物所组 成的复杂的多层次的大系统。农田生态系统以太阳能为主要驱动能源，辅之以人工投入能量。 农田生态系统是农业生态系统最重要的子系统。农田生态工程是遵循农田生态学和生态系 统原理，根据自然生态条件和社会经济环境设计和建造的农田生物群落结构和种群结构，利用 种间和种际效应（互补、互防、相生、相克）来提高农田的光能利用率和能量产投比。农田生 态工程的最终目标就是在充分合理利用水、肥、气、热等自然和社会资源的基础上，进行无污 染健康食品的生产，以满足人类发展的需要，使农业生产实现“高产、优质、高效、持续、生 态、安全”发展目标。 二、农田生态系统特征 农田生态系统的形成和发展，从一开始就是在人类的干预和影响下进行的，是人类生产和 经济活动的产物。科学技术和社会经济等因素的变化，直接影响到人对农田生态系统的控制程 度及其演变方向，因此，农田生态系统是一个人工控制的具耗散结构的开放系统。它除具有自 然陆地生态系统的基本属性外，还有自己独特的特征。 农田生态系统具备以下四个基本特征： (一)人工控制土地和农田景观是农田生态系统决定性的特征 土地是农田生态系统的基础，是作物赖以生长的场所，农田生态系统的物质循环，能量转 换和信息传递与土地分不开，农田土地的面积大小，形状及其范围决定着农田系统的边界：农 田质量的好坏、农田土地的利用程度和方式决定着农田生态系统的生产力，并影响着农田的景 观，农田景观实际上是人工土地利用状况的外在表现。可以说，没有土地、没有人对土地的利 用就没有农田，更谈不上农田生态系统。因此，和自然生态系统不同，农田的士地是人类为了 自身的需要而开垦出来的。农田的位置，形状和大小是人类塑造的。土地一旦被开垦成农田， 土地上原有的演替终止，原有的群落植被遭破坏，其演化过程和方向，就会在人工的强烈干预 下，按照人类的要求周期性的进行。农田生态系统的质量好坏很大程度上决定于土地的质量和
1 第四章 农田复合生态工程 第一节 农田生态系统 一、农田生态系统概念 农田生态系统（Farmland ecosystem）是以农田为基础，由作物为主体的生物成份和以土壤、 水分、空气、光热等为主体的非生物成份所组成，以发展农业生产为目标的人工控制的陆地生 态系统。 农田生态系统是由农田及农田所处的地理、气候环境组成的环境系统；农田内以土壤矿物 颗粒为骨架，以水，气为运动介质和土壤微生物及根系活动为中心的土壤库；农田上以农作物 为主体，包括杂草的植物库；以及病虫、鸟、田鼠、野兽、某些人工动物组成的伴生生物所组 成的复杂的多层次的大系统。农田生态系统以太阳能为主要驱动能源，辅之以人工投入能量。 农田生态系统是农业生态系统最重要的子系统。农田生态工程是遵循农田生态学和生态系 统原理，根据自然生态条件和社会经济环境设计和建造的农田生物群落结构和种群结构，利用 种间和种际效应（互补、互防、相生、相克）来提高农田的光能利用率和能量产投比。农田生 态工程的最终目标就是在充分合理利用水、肥、气、热等自然和社会资源的基础上，进行无污 染健康食品的生产，以满足人类发展的需要，使农业生产实现“高产、优质、高效、持续、生 态、安全”发展目标。 二、农田生态系统特征 农田生态系统的形成和发展，从一开始就是在人类的干预和影响下进行的，是人类生产和 经济活动的产物。科学技术和社会经济等因素的变化，直接影响到人对农田生态系统的控制程 度及其演变方向，因此，农田生态系统是一个人工控制的具耗散结构的开放系统。它除具有自 然陆地生态系统的基本属性外，还有自己独特的特征。 农田生态系统具备以下四个基本特征： （一）人工控制土地和农田景观是农田生态系统决定性的特征 土地是农田生态系统的基础，是作物赖以生长的场所，农田生态系统的物质循环，能量转 换和信息传递与土地分不开，农田土地的面积大小，形状及其范围决定着农田系统的边界；农 田质量的好坏、农田土地的利用程度和方式决定着农田生态系统的生产力，并影响着农田的景 观，农田景观实际上是人工土地利用状况的外在表现。可以说，没有土地、没有人对土地的利 用就没有农田，更谈不上农田生态系统。因此，和自然生态系统不同，农田的土地是人类为了 自身的需要而开垦出来的。农田的位置，形状和大小是人类塑造的。土地一旦被开垦成农田， 土地上原有的演替终止，原有的群落植被遭破坏，其演化过程和方向，就会在人工的强烈干预 下，按照人类的要求周期性的进行。农田生态系统的质量好坏很大程度上决定于土地的质量和
作物的生产能力，与人类的技术水平、管理能力密切相关。人类可以根据自己的需要把荒山变 成良田，水田变成早地，早地发育做水田。人类既可以通过科学的管理手段如精耕细作、熟化 培肥土壤，变低产农田为高产农田：也可以因无知和贪婪变高产农田为低产农田，甚至导致次 生盐渍化，沙化，荒漠化，毒性化等。总之，农田的产生、发展、利用、改造和管理都离不开 人的因素，因而从根本上决定了农田生态系统的人工控制特征。 (二)农田作物的个体发有、群落演替的特点 在以人工控制为特征的农田生态系统中，人类同样控制者作物的遗传性，并通过对土地、 种植制度、管理方法的控制来直接影响作物的个体发有、群体结构和群落演替，建立起高效的 人工植被系统，以提高能量和物质的转化效率。这是农田生态系统的中心内容，也是农田生态 系统和自然生态生态系统最基本的区别。 1.构成农田生态系统的生物种类组成和自然生态系统极不相同，其生物要素的主体一作物 (包括果树、蔬菜、桑茶等)是人工长期选育的结果，其遗传性能和方向是根据人类的要求， 在人为强烈干扰下形成的。现有的农作物无论是小麦、玉米、水稻、棉花，还是芝麻、花生、 蚕豆、油菜，以及苹果、梨、桃、蔗、桑、茶等仅仅依靠自然选择和进化是不会形成像现在这 样的形态结构，生理功能和生产能力的。 2.农田生态系统中作物的个体生长、群体结构是人通过播种密度、搭配方式和管理技术来 加以调节和控制的。由于人工控制和选择作物遗传性状的结果，如果没有人为的帮助，它们就 不能够正常的生长和发有，甚至为农田杂草所取代。农田生态系统就可能沿着自然演替的方向 发展，就会受到干扰和破坏，农田就有可能变成荒地而不复存在。 3.人类为了获得更多的农产品，要采取各种行之有效的措施来消除田间杂草、消灭病虫害， 即对农田生态系统中的一切非希望的生物进行强有力的抑制。尤其是化肥、农药等农用化学品 的大量使用，破坏和污染了农田环境，使得小生境减少了，从而使栖息其中的动物和微生物种 类也大大减少，生物多样性受到了严重的破坏。 总之，生态系统中，生物的个体发育、群落演替完全是处于人为因素的强烈干预下进行的。 严格来说，农田生物群落的演替不是真正的演替，而是变迁。正是由于这种人工控制的结果， 农田生态系统中的生物种类相对不多，构成要素少，结构比较简单。其本身自我调节、自我修 复的功能低而不稳定，抵御自然灾害的能力弱，系统生产力受自然因素的影响比较大，这是农 田生态系统的一大特征也是一大弊病 但是，从另一方面来说，由于它的构成要素少，结构简单，自我调节能力弱，却更容易按 人的意志直接加以管理和控制。人类对农田生态系统的改造和调控要比对森林，草原，海洋等 自然生态系统来的简易和有效。也就是说，系统的不稳定程度与人为控制的容易程序取得了统 (三)农田生态系统的物质生产、能流和物流的特点 2
2 作物的生产能力，与人类的技术水平、管理能力密切相关。人类可以根据自己的需要把荒山变 成良田，水田变成旱地，旱地发育做水田。人类既可以通过科学的管理手段如精耕细作、熟化 培肥土壤，变低产农田为高产农田；也可以因无知和贪婪变高产农田为低产农田，甚至导致次 生盐渍化，沙化，荒漠化，毒性化等。总之，农田的产生、发展、利用、改造和管理都离不开 人的因素，因而从根本上决定了农田生态系统的人工控制特征。 （二）农田作物的个体发育、群落演替的特点 在以人工控制为特征的农田生态系统中，人类同样控制着作物的遗传性，并通过对土地、 种植制度、管理方法的控制来直接影响作物的个体发育、群体结构和群落演替，建立起高效的 人工植被系统，以提高能量和物质的转化效率。这是农田生态系统的中心内容，也是农田生态 系统和自然生态生态系统最基本的区别。 1．构成农田生态系统的生物种类组成和自然生态系统极不相同，其生物要素的主体—作物 （包括果树、蔬菜、桑茶等）是人工长期选育的结果，其遗传性能和方向是根据人类的要求， 在人为强烈干扰下形成的。现有的农作物无论是小麦、玉米、水稻、棉花，还是芝麻、花生、 蚕豆、油菜，以及苹果、梨、桃、蔗、桑、茶等仅仅依靠自然选择和进化是不会形成像现在这 样的形态结构，生理功能和生产能力的。 2．农田生态系统中作物的个体生长、群体结构是人通过播种密度、搭配方式和管理技术来 加以调节和控制的。由于人工控制和选择作物遗传性状的结果，如果没有人为的帮助，它们就 不能够正常的生长和发育，甚至为农田杂草所取代。农田生态系统就可能沿着自然演替的方向 发展，就会受到干扰和破坏，农田就有可能变成荒地而不复存在。 3．人类为了获得更多的农产品，要采取各种行之有效的措施来消除田间杂草、消灭病虫害， 即对农田生态系统中的一切非希望的生物进行强有力的抑制。尤其是化肥、农药等农用化学品 的大量使用，破坏和污染了农田环境，使得小生境减少了，从而使栖息其中的动物和微生物种 类也大大减少，生物多样性受到了严重的破坏。 总之，生态系统中，生物的个体发育、群落演替完全是处于人为因素的强烈干预下进行的。 严格来说，农田生物群落的演替不是真正的演替，而是变迁。正是由于这种人工控制的结果， 农田生态系统中的生物种类相对不多，构成要素少，结构比较简单。其本身自我调节、自我修 复的功能低而不稳定，抵御自然灾害的能力弱，系统生产力受自然因素的影响比较大，这是农 田生态系统的一大特征也是一大弊病。 但是，从另一方面来说，由于它的构成要素少，结构简单，自我调节能力弱，却更容易按 人的意志直接加以管理和控制。人类对农田生态系统的改造和调控要比对森林，草原，海洋等 自然生态系统来的简易和有效。也就是说，系统的不稳定程度与人为控制的容易程序取得了统 一。 （三）农田生态系统的物质生产、能流和物流的特点
1.农田生态系统的物质生产。作物从播种到成熟的整个生有期中，播种前后土地全部裸露， 出苗后一段时间内由于植株尚未完全覆盖地表，土地呈部分裸露，使得作物群体截获光的面彩 和时间较短，系统的总生产力就比较低。图4-1表明了各种植物的能量效率。由图可见，森林 的总生产量较多，但净生产量占总生产量的比率最低。与此相反，农田生态系统总生产量都较 低，而净生产率则较高：多年生草构成的草原，总生产量和净生产率均处于中等数值。总的来 看，净生产量在三者之间大致相等。森林的总生产力较高，主要是因为整个生有期叶子非常紧 茂，充分捕获太阳辐射之故：其净生产率低，是因为叶以外的部分，即非光合系统所占的比率 高，呼吸消耗的物质多。耕地则正好相反，其非光合系统所占的比率比森林小，呼吸消耗的物 质少，因而净生产率较高。草原则基本上处于中间状态，即光合生产不高，呼吸消耗也不高。 图4-1各种植物群体能量转化效率（据吉良，1971) *泽生产零 29 0 2.在各项人为措施的作用下，农田生态系统的能流和物流也有若不同的变化规律，从而影 响到整个农田生态系统的生产力水平和质量。 农田生态系统的物质循环和自然生态系统有着本质的不同。人类为了获得产品才去栽培作 物，因此农田所生产的有机物绝大部分必然移出系统之外，营养物质（元素）当然被随之带走， 越是高产农田，这种输出物质就越多。人类为了避免作物产量的降低，就必然要向系统内输入 一定的营养元素，越是高产，越要多输入，只有这样才能满足作物生长的需要，维持农田的养 分平衡。所以说，农田生态系统中的物质途径不是封闭的，相反是开放的。而且，随着科学技 术的发展和工农业现代化水平的提高，农田产量和农产品商品率的此重加大，这种开放程度会 越来越高。 农田生态系统的能流也有者自身的特点：一方面人们可以通过耕作和种植制度的改革、品 种的合理搭配、防护林的营造以及保护地栽培等来不同程度的控制农田小气候，最大限度的利 用太阳光能：另一方面，由于农作物的生物化学潜能大部分随着农产品的输出而移出系统之外， 为了给作物生长创造更加有利的生活环境，提高农田初级生产力，人们不得不向农田生态系统 输入人力、力、种子、肥料和机械等人工辅助能。这种辅助能投入的数量多少，质量好坏以 及效率的高低，往往是农田生态系统质量好坏的重要因素。 3
3 1．农田生态系统的物质生产。作物从播种到成熟的整个生育期中，播种前后土地全部裸露， 出苗后一段时间内由于植株尚未完全覆盖地表，土地呈部分裸露，使得作物群体截获光的面积 和时间较短，系统的总生产力就比较低。图 4–1 表明了各种植物的能量效率。由图可见，森林 的总生产量较多，但净生产量占总生产量的比率最低。与此相反，农田生态系统总生产量都较 低，而净生产率则较高；多年生草构成的草原，总生产量和净生产率均处于中等数值。总的来 看，净生产量在三者之间大致相等。森林的总生产力较高，主要是因为整个生育期叶子非常繁 茂，充分捕获太阳辐射之故；其净生产率低，是因为叶以外的部分，即非光合系统所占的比率 高，呼吸消耗的物质多。耕地则正好相反，其非光合系统所占的比率比森林小，呼吸消耗的物 质少，因而净生产率较高。草原则基本上处于中间状态，即光合生产不高，呼吸消耗也不高。 图 4-1 各种植物群体能量转化效率（据吉良,1971） 2．在各项人为措施的作用下，农田生态系统的能流和物流也有着不同的变化规律，从而影 响到整个农田生态系统的生产力水平和质量。 农田生态系统的物质循环和自然生态系统有着本质的不同。人类为了获得产品才去栽培作 物，因此农田所生产的有机物绝大部分必然移出系统之外，营养物质（元素）当然被随之带走， 越是高产农田，这种输出物质就越多。人类为了避免作物产量的降低，就必然要向系统内输入 一定的营养元素，越是高产，越要多输入，只有这样才能满足作物生长的需要，维持农田的养 分平衡。所以说，农田生态系统中的物质途径不是封闭的，相反是开放的。而且，随着科学技 术的发展和工农业现代化水平的提高，农田产量和农产品商品率的比重加大，这种开放程度会 越来越高。 农田生态系统的能流也有着自身的特点：一方面人们可以通过耕作和种植制度的改革、品 种的合理搭配、防护林的营造以及保护地栽培等来不同程度的控制农田小气候，最大限度的利 用太阳光能；另一方面，由于农作物的生物化学潜能大部分随着农产品的输出而移出系统之外， 为了给作物生长创造更加有利的生活环境，提高农田初级生产力，人们不得不向农田生态系统 输入人力、畜力、种子、肥料和机械等人工辅助能。这种辅助能投入的数量多少，质量好坏以 及效率的高低，往往是农田生态系统质量好坏的重要因素
总之，农田生态系统是一个具耗散结构的开放系统，越是高产农田，开放程度越高，系统 和外界的物质、能量交换越多，高产出必须有高投入，才能维持系统的稳定与平衡。 (四)农田生态系统人工投入技术和劳动等特点 人们对农田生态系统以各种方式投入技术和人力，这是任何自然生态系统中所没有的。概 括起来有：土壤的耕作与管理，如耕翻土地、施肥灌水、中耕锄草；作物管理，如品种选有、 搭配、播种时间及密度等：收获管理，如收制、脱粒、运输、加工、贮藏等许多方面。这些 作，不仅消耗各种形式的能量，而且在更大程度上依赖于社会经济系统和科学技术水平，并且 受政府政策、市场价格等政治经济因素所制约。 综合以上分析，我们可以清楚地看到：农田生态系统区别于自然生态系统的总体特征是， 自然生态系统为生物及其周围环境所组成的结构一一功能二元系统：农田生态系统则是农业生 物一一人为影响下的环境一一人工控制三元结构所形成的结构一一功能一一组织三元系统。除 具有自然属性外，还有经济属性和社会属性
4 总之，农田生态系统是一个具耗散结构的开放系统，越是高产农田，开放程度越高，系统 和外界的物质、能量交换越多，高产出必须有高投入，才能维持系统的稳定与平衡。 （四）农田生态系统人工投入技术和劳动等特点 人们对农田生态系统以各种方式投入技术和人力，这是任何自然生态系统中所没有的。概 括起来有：土壤的耕作与管理，如耕翻土地、施肥灌水、中耕锄草；作物管理，如品种选育、 搭配、播种时间及密度等；收获管理，如收割、脱粒、运输、加工、贮藏等许多方面。这些工 作，不仅消耗各种形式的能量， 而且在更大程度上依赖于社会经济系统和科学技术水平，并且 受政府政策、市场价格等政治经济因素所制约。 综合以上分析，我们可以清楚地看到：农田生态系统区别于自然生态系统的总体特征是， 自然生态系统为生物及其周围环境所组成的结构——功能二元系统；农田生态系统则是农业生 物——人为影响下的环境——人工控制三元结构所形成的结构——功能——组织三元系统。除 具有自然属性外，还有经济属性和社会属性
第二节农田作物生态工程 农田作物生态工程，主要指我国传统意义上的农作物的轮作、间作与套种等措施及其应用， 正是通过不同作物之间的组合，使农田生态系统生物多样性增加、结构复杂、抗逆能力增强， 生产潜力得到更好的发挥。 这些生态工程措施在我国已有悠久的历史，是我国传统农业的精华部分，也是传统农业得 以持续发展的重要保证。但是随着现代化农业的形成和发展，这些行之有效的技术和方法，己 逐渐被遗忘，而取代以单一化的种植方式。单一种植的结果是农田生态系统的生态环境恶化， 自我调节能力差，病虫草害不断发生，化肥农药使用量越来越大，几乎跌入生态恶性循环的死 胡同，己经引起了世界各国的关注。农田作物生态工程正是为了解决这个问题而提出并加以研 究的 一、农田复种概念及意义 (一)复种概念及原理 复种(sequential cropping)是指一年内连续种植两茬(double cropping)或三茬作物((triple cropping)。这是一种以时间互补为主的种植方式。在生长季节比较充裕的地方，通过复种可以 充分利用时间，从而充分利用了光、热、水、土、养分等各种环境因子。 复种大致分为三种：可在上茬作物收获后，直接播种下茬作物：也可在上茬作物收获前， 将下茬作物套种在其株、行间（套作）：此外，还可以用移栽、再生等方法实现复种。 按照一年内在同一田地上种植作物的季数，把一年种植二季作物称为一年二熟，如冬小麦 一夏玉米（符号“一”表示年内复种）：种植三季作物称为一年三熟，如绿肥（小麦或油菜） 早稻一晚稻：两年内种植三季作物，称为两年三熟，如春玉米一冬小麦一夏甘薯（符号“一” 表示年间作物接茬播种)。 耕地复种程度的高低，通常用复种指数来表示，即全年总收获面积占耕地面积的百分比。 公式为： 耕地复种指数(%)=全年作物总收获面积/耕地面积×100 式中“作物总收获面积”包括绿肥、青饲料作物的收获面积在内。根据上式，也可计算粮 田的复种指数以及某种类型耕地的复种指数等。国际上通用的种植指数(cropping index)其含 义与复种指数相同。套作是复种的一种方式，计入复种指数，而间作混作则不计。 复种的中心目的是集约利用时间和土地，提高年光能利用效率。提高光能利用率是提高作 物产量的中心问愿。 研究发现，要通过改变叶光合效率来提高光能利用率是比较困难的，过多地增加一季作物 特别是同一作物群体的叶面积并不可取，反而会带来倒伏、徒长、病害等一系列问题。在这种 情况下，在生长期比较长的地方，应该从光合时间上挖掘潜力。即在其它资源条件许可的情况 5
5 第二节 农田作物生态工程 农田作物生态工程，主要指我国传统意义上的农作物的轮作、间作与套种等措施及其应用， 正是通过不同作物之间的组合，使农田生态系统生物多样性增加、结构复杂、抗逆能力增强， 生产潜力得到更好的发挥。 这些生态工程措施在我国已有悠久的历史，是我国传统农业的精华部分，也是传统农业得 以持续发展的重要保证。但是随着现代化农业的形成和发展，这些行之有效的技术和方法，已 逐渐被遗忘，而取代以单一化的种植方式。单一种植的结果是农田生态系统的生态环境恶化， 自我调节能力差，病虫草害不断发生，化肥农药使用量越来越大，几乎跌入生态恶性循环的死 胡同，已经引起了世界各国的关注。农田作物生态工程正是为了解决这个问题而提出并加以研 究的。 一、农田复种概念及意义 （一）复种概念及原理 复种(sequential cropping)是指一年内连续种植两茬(double cropping)或三茬作物(triple cropping）。这是一种以时间互补为主的种植方式。在生长季节比较充裕的地方，通过复种可以 充分利用时间，从而充分利用了光、热、水、土、养分等各种环境因子。 复种大致分为三种：可在上茬作物收获后，直接播种下茬作物；也可在上茬作物收获前， 将下茬作物套种在其株、行间（套作）；此外，还可以用移栽、再生等方法实现复种。 按照一年内在同一田地上种植作物的季数，把一年种植二季作物称为一年二熟，如冬小麦 －夏玉米（符号“一”表示年内复种）；种植三季作物称为一年三熟，如绿肥（小麦或油菜）－ 早稻－晚稻；两年内种植三季作物，称为两年三熟，如春玉米→冬小麦一夏甘薯（符号“→” 表示年间作物接茬播种）。 耕地复种程度的高低，通常用复种指数来表示，即全年总收获面积占耕地面积的百分比。 公式为： 耕地复种指数（％）＝全年作物总收获面积/耕地面积×100 式中“作物总收获面积”包括绿肥、青饲料作物的收获面积在内。根据上式，也可计算粮 田的复种指数以及某种类型耕地的复种指数等。国际上通用的种植指数（cropping index）其含 义与复种指数相同。套作是复种的一种方式，计入复种指数，而间作混作则不计。 复种的中心目的是集约利用时间和土地，提高年光能利用效率。提高光能利用率是提高作 物产量的中心问题。 研究发现，要通过改变叶光合效率来提高光能利用率是比较困难的，过多地增加一季作物 特别是同一作物群体的叶面积并不可取，反而会带来倒伏、徒长、病害等一系列问题。在这种 情况下，在生长期比较长的地方，应该从光合时间上挖掘潜力。即在其它资源条件许可的情况