15.1 农田生态系统的组成、结构和功能

一、组成成分

农田生态系统的组成成分可分为生物与非生物环境两部分。

1.各种生物

包括各种农作物、杂草、环节动物、软体动物、昆虫、两栖类、爬行类、鸟类、小型兽类和微生物等类群。从各种生物在生态系统中的作用来说,可分为生产者、消费者和还原者三类。

(1)生产者。主要为各种农作物和杂草,它们在农田生态系统中的功能是进行初级生产,即进行光合作用。太阳光能只有通过生产者,才能源源不断地输入生态系统。所以生产者是消费者和还原者的唯一能量来源。

在各种生产者当中,杂草的作用比较复杂。杂草与作物争夺光线、肥料、水分及空间,具有明显的消极作用,从这一角度来说,应该将杂草彻底铲除。但杂草也有积极作用,如田边杂草,既是害虫的隐蔽所,也是各种害虫天敌的栖息地。而且农田中的害虫种类并不多,只是由于作物所提供的优越条件,使得害虫个体数量众多罢了,就种类而论,天敌多于害虫。因此有人主张,应在田边留些杂草,田埂改三面光为一面光或两面光,以利害虫天敌的栖息,有助于抑制害虫。

(2)消费者。属于异养生物,主要由动物组成,它们直接或间接从生产者得到能量。农田生态系统中的消费者根据其食性不同,可分为草食动物、肉食动物、杂食类和寄生者四类。

草食动物又称一级消费者,主要为各种植食性昆虫,即农田害虫。对于各种农田害虫的作用,需要具体分析。大量研究结果表明,农田中需要进行防治的害虫种类并不多,大多数害虫,由于天敌的存在,并不会构成虫灾。恰恰相反,它们的存在,倒能吸引各种天敌终年留在农田中,使天敌能及时发挥作用。因此,不少人认为,对害虫“除早、除小、除了”的提法是片面的。农田生态系统中的草食动物还有软体动物、鼠类和食谷鸟类。其中鼠类数量有日益增长的趋势。

肉食动物主要为肉食性昆虫、蜘蛛类、两栖类、爬行类和鼹鼠、黄鼬等小型兽类。肉食性昆虫、两栖类、鼹鼠等以植食性昆虫为食,称二级消费者或一级肉食者。蛇以两栖类为食,称三级消费者或二级肉食者。

杂食者主要有蚂蚁等。

寄生者是一类特殊的消费者。主要为各种寄生真菌,它们造成各种作物病害。

(3)还原者。又称分解者。属于异养生物,主要是土壤表层和土壤内的各种微生物(腐生细菌、放线菌和霉菌),也包括蚯蚓等低等动物。它们将复杂的动植物有机残体分解为简单化合物,最终分解为无机物质,归还到环境中。

2.非生物环境

分为自然环境和人工环境两方面。

(1)自然环境。主要指阳光、温度、水分、大气和土壤等各种自然环境因子。农田生态系统中的这些因子,已程度不同的受到了人类影响,其中尤以土壤受到的影响最大。

(2)人工环境。主要指水库、人工防护林带、温室等人工创造的环境。这些人工环境的存在,对自然生态因子发生着各种影响。

二、结构

农田生态系统的结构,主要有空间结构、时间结构和营养结构三种结构形式。

1.空间结构

是指生态系统中各个组成成分的空间配置。空间结构表现在水平结构和垂直结构两个方面。

(1)水平结构

农田生态系统的各种生物成分,常表现出不同的水平分布。

各种杂草常因同一农田中生态因子分布的不均匀,而呈现不同的水平分布,如低洼湿地多生长喜湿种类,高地干旱处多生长耐旱的种类;农田边缘多生长喜光种类,农田中间地段多生长耐荫种类等。

动物中的各种昆虫,由于习性等原因,在农田中常呈现随机或聚集分布,以致出现了不同的水平分布格局。

农田生态系统中的其它生物,有不少种类存在着不同水平分布的情况。至于作物,在只种植一种作物的农田生态系统中,水平分布是均匀的。

上述各种生物的不同水平分布,汇总在一起,就形成了农田生态系统的水平结构。

(2)垂直结构

是指各种生物成分在生态系统中的不同垂直分布。其中,作物在地上生长最高,根系入土最深。由于一般农田只种植一种作物,所以农作物通常只有一个层次,只有在不除草的情况下,才会出现作物和杂草两个层次。系统中的各种昆虫,依其生态习性分布于作物、杂草植株的不同部位上,微生物则分布于土壤中作物根系附近。

在农田生态系统中,空间结构反映各种生物成分在空间上的相互关系,同时也反映每个种所处的空间位置。

2.时间结构

随着季节变化而种植不同作物形成的结构,称为时间结构。在农田生态系统中时间结构反映各个种在时间上的相互关系,同时也反映每个种所占的时间位置。

3.营养结构

又称食物链结构。各种作物和杂草是生产者,在食物链上处于第一营养级;植食性昆虫以作物、杂草为食,处于第二营养级;肉食性昆虫和两栖类以植食性昆虫为食,处于第三营养级;如果有蛇存在蛇捕食两栖类,处于第四营养级。再如鼠类以作物为食,处于第二营养级,而鼬以鼠类为食,处于第三营养级。这样,各种生物以营养为纽带,形成若干条链状营养结构,并进而形成食物网的网状营养结构。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。

三、基本功能

1.物质循环

农田生态系统的农作物和杂草将无机物合成为有机物,用以构成自己的组织器官。在作物和杂草生长发育期间,受到草食性昆虫、蜗牛、鼠类和食谷鸟类的损害,这些草食动物将摄取来的有机物,建造自己的躯体。在草食动物取食作物、杂草的同时,肉食动物如两栖类、爬行类(蜥蜴)和肉食性昆虫,又捕食草食性昆虫,黄鼬等也捕食鼠类,这些肉食动物也将摄取来的有机物,建造自己的躯体(两栖类和蜥蜴还捕食少量肉食性昆虫)。这样由作物和杂草所形成的部分有机物,便一级一级地逐级传递着。

在作物收割后,作物所积累的大部分有机物作为人类食物和牲畜饲料,而人、畜的排泄物又回到田间。一部分秸秆被用作厩肥或堆肥,最后也归还到田间土壤中。另一部分秸秆被用作燃料燃烧,其气体元素进入大气,固体元素也回到土壤。留在田间的作物根、茎、残枝落叶、杂草植株、各种消费者的遗体、以及施入田间的厩肥、堆肥和粪尿等有机物,在土壤中被微生物分解成氨、硝酸盐及其它无机物,再供作物和杂草吸收利用。

2.能量流动

作物和杂草通过光合作用,将太阳能转变成化学能,蓄积于有机物中。在作物、杂草生长发育过程中,已有部分能量用于自身的代谢活动,并随着有机物的逐级转移,又有部分能量被消费者消耗。在作物成熟以后,大部分作物的有机物通过收获从田间移走。贮存于粮食中的能量为人畜消耗,贮存于茎叶中的能量,一部分通过燃料燃烧而散失,一部分通过肥料施肥又进入田间土壤,并在土壤微生物的代谢过程中被消耗。至于收获后留在田间的作物茎基、根系中的能量,也同样为微生物的代谢所消耗。

3.信息流动

农田生态系统中的各种生物之间,通过产生和接收形、声、色、香、味、磁、电等信号,以气、水、土转换或传递,形成生物间互相联系的信息网。例如,性成熟的昆虫分泌性外激素,能诱使几十米、几公里、甚至几十公里外的异性个体前来交尾。

4.价值流动

农田生态系统的价值流动是指农业生产投入的生产资料、劳动力等价值,通过生产过程,最后变成产品的价值。这种价值随生产的进行而流动。人们要知道农田生态系统的经济效益,就必须计算其中各个生产过程的价值流动。例如,对作物施肥,是施以有机肥还是化肥?作物收获后,其秸秆是用于燃烧还是用于制取沼气?这当中,由于采取的措施不同,价值流动也随着发生改变。

四、农田生态系统的特点

同各种自然生态系统相比,农田生态系统具有以下两个特点

1.自动调节能力差

一个生态系统,它的生物种类越多,结构越复杂,系统的自动调节能力就越大,稳定性就越强。在各种自然生态系统中,生物种类繁多,空间结构和营养结构复杂,系统的自动调节能力很强,当环境条件发生变化时,能通过系统的自动调节,使整个生态系统迅速得到稳定。而农田生态系统,由于人的控制与支配,组成与结构都很简单,系统的自动调节能力很差,抵御自然灾害的能力很弱,必须在人工精细管理下,才能保持高额稳定的产量,一旦离开人的管理,系统立即严重退化而崩溃。

2.缺乏自我完善能力

自然生态系统虽然不完全封闭但却能自然完善,从这点来说,可称为自我施肥系统。农田生态系统须施入肥料,并将生产量拿出系统之外,它不能自我完善,是一种开放型生态系统。因而农田生态类型是需要不断附加补充物质和能量,才能维持系统的平衡。

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自然生态系统虽然不完全封闭但却能自然完善,从这点来说,可称为自我施肥系统。农田生态系统须施入肥料,并将生产量拿出系统之外,它不能自我完善,是一种开放型生态系统。因而农田生态类型是需要不断附加补充物质和能量,才能维持系统的平衡。