Chapter+4+Community+Ecology-par117-use农业生态

发布于:2021-07-27 05:07:52

Chapter 4 Community EcologyPart 1 群落生态学
1

Hierarchy 生物层次
?Individuals ?Populations
individuals of one species in one place

?Communities
populations in one place, interacting

?Ecosystems
– community + physical environment
2

3

Contents
1. Definition of Community 群落的定义 2. Community composition 群落的组成 3. Spatial, Temporal and Trophic Structure 群落的空间、时间及营养结构

4. Succession and disturbance 演替与干扰
5. Biodiversity and Conservation 生物多样性及其保护 6. Global biomes 世界群落类型 (自学)
4

群落生态

热带雨林 Tropical Rain Forest

5

群落生态

温带草原 Temperate Grassland

6

群落生态

冻原 Tundra

7

1. Definition of Community
群落的定义

8

What’s Community?
C100, E168

Definition ? An assemblage of species populations that occur together in the same place at the same time. 生物群落是指在某一时间一定地段或生境中所有生 物种群的集合。
? Collections of species which occur together in some common environment or habitat ? Biological part of an ecosystem 生态系统中的所有生物构成一个生物群落。
9

群落生态

热带草原 Tropical Savanna

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How to name a community?
a) One way a community can be identified is from the form of the environment or habitat in which it occurs.
Some communities take their names from physical features; this is the case for rock pools, lakes and sand dunes.

Tropical rainforest 热带雨林
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b) Other communities are recognized by the dominant species in the association. 群丛命名法
These are usually the largest or most abundant plant species present: e.g. deciduous oak wood, cypress(柏树) swamp

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Chinese vegetation classification 中国植被分类
? Association: The basic unit, Collection of populations co-existing in a given habitat. 群丛:具有相似种类组成,结构和外貌的同类群落,是植 物群落分类的基本单位 ? 主要分类单位分三级:群丛(基本单位)、群系(中级单 位)和植被型(高级单位)
植被型组(vegetation type group) 植被型(vegetation type) 植被亚型(vegetation subtype) 群系组(formation group) 群系(formation) 亚 群系(subformation) 群丛组(association group) 群丛(association) 亚群丛(subassociation)

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? 群丛的命名方法:我国*惯于采用联名法,即将 各个层中的建群种或优势种和生态指示种的学名 按顺序排列。
? 在前面冠以Ass.(Association的缩写),不同 层之间的优势种以“-”相联 ? 如: Ass. Larix gmelini-Rhododendron dahurica-Phyrola incarnata(兴安落叶松-杜鹃红花鹿蹄草群丛)。从该名称可知,该群丛乔木 层、灌木层和草本层的优势种分别是兴安落叶松、 杜鹃和红花鹿蹄草。
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2. Community Composition 群落的组成

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种类组成的调查方法——种-面积曲线图(最小面积法)

2.1 survey of the species components in a community: species-area curve (minimal area method)

C107

? to define minimal area as the area enclosing at least 95 percent (or some other large proportion) of the total species found. 通常,采用最小面积法来统计一个群落或一个地 区的生物种类名录。最小面积指能包括组成群落 的大多数物种(95%)的面积。
物种数

样方面积

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Plant ecologists often used the species-area curve to estimate the minimum size of a quadrat (斑块) necessary to adequately characterize a community. This is done by plotting the curve (usually on arithmetic axes, not log-log or semilog axes), and estimating the area after which using larger quadrats results in the addition of only a few more species. This is called the minimal area.

通过绘制种—面积曲线来确定最小面积的大小。 具体作法是:逐渐扩大样地面积,随着样地面积的增大,样地内 植物的种数也在增加,但当物种增加到一定程度时,曲线则有 明显变缓的趋势,通常把曲线陡度开始变缓处所对应的面积, 作为最小面积。
物种数

样方面积

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? Those communities with greater species richness (the number of different species,物 种丰富度) have larger species minimal area.
组成群落的物种越丰富,群落的最小面积越大
– 热带雨林,50×50㎡ – 常绿阔叶林,20×20㎡ – 针叶林及落叶林,10×10㎡ – 灌丛, 5×5 或 10×10㎡

– 草地, 1×1 或 2×2㎡

(我国云南西双版纳的热带雨林,最小面积为2500M2)

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2.2 Analysis of the components in community 群落的种类组成的性质分析(----物种质量分析)
? dominant species 优势种 ? constructive species 建群种 ? subdominant species 亚优势种 ? companion species 伴生种 ? rare species 偶见种

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? Dominant species: the species that can control
the community structure and environment

对群落的结构和群落环境的形成有明显控制作 用的植物种称为优势种

它们通常是那些个体数量多、生物量高、生活能力较强, 即优势度较大的种。群落的不同层次可以有各自的优势 种,比如森林群落中,乔木层,灌木层,草本层和地被 层分别存在各自的优势种。
荷木(茶科荷木属,Schima spp.)

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Forest-rubber-tea integrated agroecosystem 橡茶间作

paddy rice-duck system 稻田养鸭

?

Constructive species:dominant species in dominant layer
优势层的优势种常称为建群种。比如森林群落中,乔木 层、灌木层、草本层常有各层的优势种,而乔木层的优 势种即为建群种。如:鼎湖山的荷木和锥栗

? 生态学上的优势种对整个群落具有控制性影响,如果把群落中的 优势种去除,必然导致群落性质和环境的变化;但若把非优势种 去除,只会发生较小的或不显著的变化,因此不仅要保护那些珍 稀濒危植物,而且也要保护那些建群植物和优势植物,它们对生 态系统的稳态起着举足轻重的作用。
在森林群落中,乔木层中的优势种既是优势种,又是建群种;而灌木层中 优势种就不是建群种,原因是灌木层在森林群落中不是优势层。
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锥栗(Castanea henryi (Skam)
Rehd. et Wils.) 壳斗科。

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? Subdominant :the number and role are smaller than that of dominant species, however they can play a certain role in controlling community quality and environment. 亚优势种:指个体数量与作用都次于优势种,但在决 定群落性质和控制群落环境方面仍起着一定作用的 植物种。
? 大针茅草原中的小半灌木冷篙在有些情况下成为亚 优势种 冷蒿
针茅

(过度放牧)

(凹)

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? companion species :the common species and company with dominant species and do not play main role on community
伴生种:为群落的常见种类,它与优势种相伴存 在,但不起主要作用。如:狼把草(菊科鬼针属, Bidens tripartita L. )以伴生种参与某些群落的组成

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? Rare species : species that are very uncommon or scarce. 偶见种 :在群落中出现频率很低的种类,多是由于种群本身 数量稀少的缘故. 如常绿阔叶林区域分布的钟萼木或南亚热带 雨林中分布的观光木,这些物种随着生境的缩小濒临灭绝,应 加强保护。 ? 偶见种也可能偶然地由人们带入或随着某种条件的改变而侵入 群落中,也可能是衰退的残遗种,如某些阔叶林中的马尾松。 有些偶见种的出现具有生态指示意义,有的还可以作为地方性 特征种来看待。

– 指示种、特征种
Castanopsisconcinna (Champ.exBenth.) 华南锥为原生性森林的偶见种 A.DC.濒危种,国家Ⅱ级重点保护野生植,分布: 随森林环境的破坏而绝迹 广东的阳江、阳春;香港;广西防城。
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同一个植物种群在不同的群落中可表现为
不同的群落成员型。

羊草/大针茅草原 (排水畅通)

冷 蒿(过度放牧) 针茅草草高1米(凹)
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2.3 Species composition in agroecosystems
Principles for the farming design 农业生态系统的物种结构设计原则

Species composition of cropping, forestry, animal husbandry, aquaculture and related processing industries 农林牧副渔的组合结构 Integrated agriculture structure 大农业结构
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Principles for the farming design
(1) Each system should have one dominant species Rice ecosystem----rice Aquatic ecosystem----fishery animals

Increase other species without influencing the yields of dominant species. Each species occupies a completely unrelated or otherwise unoccupied niche in the system, leading to 30 niche complementarity.

Principles for the farming design

(2) make use of the competition and complementarity between species (3) Increase the ratio of primary producers in the system, and enhance the efficiency of solar energy utility

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Principles for the farming design

? (4) Consider the social and economic factors?

Example: The price of ginger this year?
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2.3 Species composition in agroecosystems
Principles for the farming design 农业生态系统的物种结构设计原则

Compound species composition of cropping, forestry, animal husbandry, aquaculture and related processing industries 农林牧副渔的组合结构 Integrated agriculture structure 大农业结构
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(1) Cropping integrated with animal husbandry 种植业与养殖业相结合的组分结构

Animal foodstuff comes from forage crops 饲料作物 (e.g. corn, bean, clover苜蓿、ryegrass黑麦草); Animals (e.g. cattle, pigs, chickens, fish) prove a lot of organic fertilizer for crops.

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(2) Cropping integrated with forestry
种植业与林业相结合的组分结构
Combine crops with perennial woody plants:
crop-tree intercropping 农林间作 tree -medicinal herb intercropping 林药间作
Trees: paulownia 泡桐、 jujube 枣树、 polar 杨树、 fir 杉木、

fruitree果树等
Crops: wheat 小 麦 、 rice 水 稻 、 corn 玉 米 、 cotton 棉 花 、

peanut花生、rape油菜、bean大豆等。

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(2) Cropping integrated with forestry
种植业与林业相结合的组分结构

e.g. Coastal crop shelter forests 沿海农田防护林
paulownia-crop intercropping 河南、安徽的桐农间作 Chinese fir-crop intercropping 江苏的稻麦与池杉间作 rubber-tea intercropping 热带地区的胶茶间作 eucalyptus-pineapple intercropping 桉树与菠萝间作

Pine-gineseng intercropping 松-人参间作
paulownia-peony intercropping 泡桐间作

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paulownia-crop intercropping 桐粮间作

池杉+小麦

Chinese fir- wheat

38

Forest-rubber-tea integrated agroecosystem

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eucalyptus-pineapple intercropping

桉树与菠萝间作

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(3) Cropping integrated with fishery
种植业与渔业相结合的组分结构

e.g. Paddy rice –fish 稻田养鱼
Dike pond system

基塘系统

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源自:李文华

投资回报
种子197 1950 投入 559 3316 鱼 570 6199 鱼苗 饲料 化肥农药 稻田养鱼 常规稻作 收入 19397 净收入 16081 稻 投入 1613 1823 种子210 化肥农药

投入产出比 投资利润率
1:5.8 1:7.0 485% 599.9%

13198

稻 净收入 12760 10937

劳动力机会成本
务工 稻田养鱼 常规稻作

稻田养鱼

常规稻作

净收 入/元

6300

3216

2188
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(4) Livestock breeding integrated with fishery
养殖业与渔业相结合的组分结构

e.g. duck-fish-pig system 鱼塘养鸭, 塘边养猪

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低洼地的基塘系统循环

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2.3 Species composition in agroecosystems
Principles for the farming design 农业生态系统的物种结构设计原则

Species composition of cropping, forestry, animal husbandry, aquaculture and related processing industries 农林牧副渔的组合结构 Integrated agriculture structure 大农业结构
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Integrated agriculture structure 大农业的组分结构
Integrated agriculture is system-oriented multicomponent agriculture (including cropping, forestry, animal husbandry, aquaculture and related processing industries).

It emphasize the interactions between components, and create a complex biological-social-economic system.

大农业是种植业、林业、牧业、渔业及其延伸的农产品加工业、农产品贸
易与服务业等密切联系协同作用的耦合体,各产业间的相互作用及结构的整体性 是建立农业循环经济产业链的基础。
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48

山东省五莲县综合生态农业模式结构

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3. Spatial, Temporal and Trophic Structure 群落的空间、时间及营养结构

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Community Structure
? Spatial Structure 空间结构
---- Horizontal Structure 水*结构 ----Vertical Structure 垂直结构

? Temporal Structure 时间结构 ? Trophic Structure 营养结构
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3.1 Vertical Structure 垂直结构
? Vertical structure: Spatial stratification(成层)of the communities

垂直结构——生物在垂直分布 上的分化和成层现象。

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Vertical Structure in Terrestrial Communities 陆地群落的分层

? Stratification of the terrestrial communities: determined largely by life form of the plants, including their size, branching, and leaves, which influences and is influenced by the vertical gradient of light (光照梯度).

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Forests
? The structure of a well-developed forest has up to 5 LAYERS, 6 in a TROPICAL RAIN FOREST:
– Canopy- the primary site of energy fixation through PHOTOSYNTHESIS which has a major influence on the rest of the forest depending on the amount of sunlight that penetrates to lower layers. 林冠层:受阳光的充分照射,树冠得到全部光照
– Understory- generally consists of TALL SHRUBS and understory TREES, and younger trees, some of which are the same species as those in the canopy. Species that are unable to TOLERATE SHADE will die; others will eventually grow to reach maturity after some of the older trees in the canopy die or are harvested. 下木层:阳光透过林冠后逐步消减,由高大乔木或灌木组成,能耐荫。

– Shrub layer- a layer of small to medium SHADE TOLERANT SHRUBS. 灌木层:阳光透过林冠后逐步消减,只有10%的光到达灌木层,为中度耐 荫植物。
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Emergents 外露层

Canopy 林冠层

Understory 下木层 Shrub layer 灌木层
Herb or ground layer

草本层 Forest floor 地被层
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–Herb or ground layer-the nature of this layer will depend on the soil moisture and nutrient conditions, the slope position, the density of the canopy and understory, and the aspect of the slope, all of which vary from place to place throughout the forest. 草本层:位于灌木层之下,一般由草本植物和低矮的半灌木构成。
–Forest floor - the site where DECOMPOSITION takes place and where nutrients are released from DECAYING ORGANIC MATTER for reuse by the forest plants. 地被层:覆盖于地表的植物残落物、苔藓及匍匐草本植物组成。

Tropical rain forest also may have a sixth layer:
– Emergents - emergents are trees that rise above the general canopy. 外露层:位于林冠层之上

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水分因子

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Vertical Structure in Aquatic Communities
? The vertical structure of aquatic communities: determined by light penetration and profiles of temperature and oxygen. 主要与光照、温度、食物和溶氧量有关
Four general layers are recognized: o Epilimnion (light layer) - a layer of freely circulating water, found in the summer in well-stratified (成层的) lakes.
表水层:分层湖泊的最上水层.

o Metalimnion - a layer characterized by a thermocline—a very steep and rapid decline in temperature.
变温层:温度陡然变化

o Hypolimnion- a deep, COLD layer of dense water about 4oC, often low in oxygen.
均温层:冷,低氧

o Bottom mud - a layer of bottom mud.
淤泥层:底层

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The following two structural layers are roughly based on light penetration (透光):
– LIGHT ZONE: an upper layer roughly corresponding to the epilimnion which is dominated by autotrophic(自养) phytoplankton(浮游植物) and is the site of photosysthesis(光合作用).

– BOTTOM ZONE:a lower layer roughly corresponding to the hypolimnion and bottom mud where decomposition is most active.

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表水层

变温层

均温层 底层

60

Intertidal zonation

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Changes in light quality with depth: (a) the rich colors on a shallow coral reef; (b) the blue of the deeper reef.

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Applications in Agriculture

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Vertical Structure in Agriculture
Intercropping and relay cropping make full use of the environmental resources via the utilization of community stratification: ? Solar energy. ? Water and nutrition. ? Ecological effect of organisms to improve agroecosystem environment (e.g. rubber-tea cropping system). ? The beneficial interaction between organisms to 64 prevent diseases and insects.

Ecological basis for vertical structure: 立体结构的生态学基础

(1)complement for the resource use between species (space, time, nutrient…) (2)complement for system stability (antidisaster, pests and diseases reduction, habitat improvement, increase of soil fertility…
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? 1-1: a single crop.单一作物 ? 1-2: cereal crop and bean intercropping; wheat and broad bean intercropping
谷子与豆类间作,小麦与蚕豆间作

? 2-1: peanut-sugarcane; wheat- sweet potato
花生与甘蔗、小麦与甘薯

? 2-2: paulownia-wheat; rubber tree-tea
泡桐与小麦,橡胶与茶树

? 3-2: fruit tree and crops with different heights.
木本林果与高矮不同的作物间作

? other agroecosystems: paddy rice and fish…
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68

69

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A. Terrain variation and vertical structure
地形变化垂直结构

e.g. Sichuan, Yunnan Plateau 四川、云南高原 Low hot belt : sugarcane 甘蔗, vegetables, tropical fruit trees,
medicinal herbs

Middle warm belt:grain, oil, pigs, sericulture养蚕, tobacco High cold belt:sheep、fir、hemlock铁杉

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低热层:甘蔗、冬春季蔬菜、热带性果树、药材等 中暖层:发展粮、油、生猪、蚕桑、烤烟等 高寒层:细毛羊、冷杉、铁杉等
高 寒 层

中 暖 层

低 热 层

图3.5 川滇高原随海拔变化的农业生态系统的结构

72

图3.6 四川省米易县农业综合开发示意图
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e.g. The agricultural production in Qiuxi Village
广东潮州市官塘区秋溪乡的农业生产布局 (见下图) Top of the hill: timber forest Middle of the hill: cash trees, fruit trees Foot of the hill: fruit trees; vegetable, rice; fish
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广东省潮州市官塘区秋溪乡农业生产分布(骆世明等,1987)
广东潮州市官塘区秋溪乡的农业生产布局, 坡顶用材林,坡腰经济林、 果树,坡脚果树, 旱地蔬菜、旱粮,水田水稻,低洼地养鱼等

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水保林 forestry 果园 orchard

防风林 Shelterforest

梯田 terrace
稻田 paddy rice 基塘 dikepond 高畦深沟 dike-ditch

小流域上多样的生态系统 the diverse ecosystem in a watershed area
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水保林 forestry 马尾松、煽、 桉树、油茶、 黄榄、黑榄

果园 orchard 香蕉 banana 蔬菜 vegetable

农户

龙眼、 荔枝芒 10-20m2 沼气池 果

鱼塘 fish pond

稻田 rice

广东省高州县谢鸡村在流域中的模式布局

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Agroecosystems in hilly and mountainous areas 丘陵山地生态农业模式

山顶戴帽——种树

山腰系带——种果
78

山脚穿鞋——种植作物、养鱼等

这种山坡地立体综合利用模式在华南丘陵地区较为普遍,即在山 顶上种林,山腰上种果,山塘边种草,山塘中养鱼。山坡地上林 79 果防止水土流失,塘边种草喂鱼。

B. Vertical Structure of Woody Community (Agroforestry systems) 木本群落内的垂直结构(农林业系统)

Crop-tree intercropping

农林间作
80

? Agroforestry is an integrated approach of using the interactive benefits from combining trees and shrubs with crops and/or livestock. ? 农林业系统的定义:同一土地单元或农业 生产系统内既包含木本植物又包含农作物 或动物的一种土地利用系统。
81

P81

(1) Paulownia-cereal intercropping (桐粮间作): 华北*原已达300多万公顷。分布在河南、山东等地。 有几种类型:以农为主、以桐为主、桐粮并重等。

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paulownia-cereal intercropping 桐粮间作

Even type

Paulownia crop

Shelterbelt type

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(2)Jujube tree-crop intercropping 枣粮间作:华 北、西北等地,尤其在河北、山东较多。有枣树为 主、枣粮并举、农作物为主等类型。

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(3) Rubber-tea intercropping 林胶茶复合经营: 在热带地区(云南、海南等)。防护型立体结构,具有良好的环境 (减少水土流失,减少病虫害等)和经济效应。如海鸥农场茶叶作 为绿色食品,效益很好。

胶--茶间作生态农业模式

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(4) Tree-medicine herb intercropping 林药间作
? Southern hilly areas : Intercropping Chinese fir杉木 with rhizoma coptidis黄连/ konjac魔芋/ Gastrodia elata天麻/ notoginseng三七/ pepper胡椒/ cinnamon肉桂/coffee bean咖 啡/coco可可… ? The north China plain : Intercropping paulownia 泡桐with peony芍药/ fritillaria贝母/ Radix isatidis板蓝根/ honeysuckle 金银花…

? The northeast : Intercropping pinus 松树/fir杉树 with ginsin人参/ Platycodon grandiflorum桔梗等;三北农牧区: diversiform-leaved poplar and liquorice 胡杨间作甘草… 86

C. Vertical structure of crop communities 作物群体内的垂直结构(农田立体模式)

potato /maize

这种模式可充分利用空间生态位和时间生态位以及资 源生态位,获得良好的生态效益和多重的经济效益。

87

? (1)intercropping two varieties of the same species 同一作物不同品种的 间作

88

89

? (2)intercropping different crop species 不同农作物的 间作

韭菜/花生 (leak-peanut)

90

Main intercropping types in China
Intercropping type
Maize||Bean 玉米豆类 Maize||Tuber crops 玉米||薯类 Maize||Peanut 玉米||花生

Region
Maize production regions North China, southwest and northwest regions Southwest and North China
Hexi corridor, North Yan Bei, northern Shanxi, the northeast, Hetao, etc.

Wheat||Maize 小麦||玉米

河西走廊、雁北、陕北、东北、河套等地 Spring wheat||Bean 春小麦||豆类 Northeast region

Cotton||Melon 棉花||瓜类
Cotton||Peanuts 棉花||花生 Early (late) rice|| Sweet potato 早稻(晚稻)||甘薯

North China
The cotton area of Huanghuaihai plain黄淮海棉 区 Paddy field of south China 华南水田
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Sugarcane||Bean 甘蔗||豆类 South China

大豆

玉米

40cm

42cm

30cm

42cm

40cm

Maize/Soybean Intercropping(2 : 2)

92

Peanut grows normally intercropping with maize in the iron deficient soil

花生单作则缺铁黄化,而与玉米间作则生长正常
93

固氮 碳源

pH 4.0
质子 磷酸酶

植物铁载体 PS 可溶性磷

pH 7.5

可溶性铁、 锌、铜、锰

难溶有机 无机磷

螯合态金 属元素

94

Beneficial and adverse interaction of different crops

不同作物种类的相生相克关系
Crop Beneficial interaction

Spring wheat 春小麦 Maize玉米
Pea bean菜豆 Potato马铃薯 Castor bean 蓖麻 Kenaf红麻 Tea tree茶树

Soybean大豆, sesame芝麻, melon瓜类, castor bean 蓖麻 Chickpea鹰嘴豆,castor bean 蓖麻
Castor bean蓖麻,potato马铃薯, pea豌豆, melon瓜 类, sunflower向日葵, flax亚麻 Barley大麦 Maize玉米, pea bean 菜豆, chick bean鹰嘴豆 Green bean绿豆,black bean黑豆,sesame芝麻,melon 瓜类
paulownia

泡桐

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Crop Spring wheat 春小麦 Buckwheat 荞麦 Barley 大麦 Winter rye 冬黑麦 Sunflower 向日葵 Chickpea鹰嘴豆

Adverse interaction Flax亚麻 Maize玉米 Pea bean菜豆, chickpea 鹰嘴豆, clover 苜蓿 Winter wheat 冬小麦 Maize玉米, pea bean菜豆, chickpea鹰嘴豆 Potato马铃薯, castor bean 蓖麻, melon 瓜类, pea bean菜豆, sunflower 向日 葵,maize玉米, sesame芝麻

Mulberry桑树

Cereal crop 谷子

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? (3) Paddy rice –fish, paddy rice-duck 稻田养鱼,稻田养鸭

97

paddy rice-duck system 稻田养鸭

用网围田

98

paddy rice-duck system 稻田养鸭

鸭与稻同生共长,鸭子全天 候地在稻田中吃草、吃虫、施 肥、中耕等活动。
99

paddy rice-duck system 稻田养鸭

刺激水稻, 减少甲烷排放 减少病虫草害 草、虫

粪便

100

paddy rice-duck system 稻田养鸭

充分利用鸭子的功能,不施任 何化肥和农药,生产有机稻米 101

林下养鸡 林果为鸡提供了一个庇护的生活环境,鸡在果园中可 吃虫、吃草,鸡粪又可作为林果的肥料。二者互惠互利。

102

Phyto-animal systems 林牧立体模式
用网围园,茶园养鸭

茶树健康生长 鸭子在果园中吃草、吃虫,施肥, 改善果园生态环境。 鸭茶共作,不施农药、不施 化肥,生产有机茶叶。 *要注意茶园面积与放养鸭子数量的适宜比例。
103

林下养珍禽生态农业模式 问题:如果果园养殖的动物数量太多,则会吃光果园 中的杂草,使地面裸露,易造成水土流失。因此,该模 式一定要合理使用。

104

Phyto-animal systems 林牧立体模式

杨树+牛 Lac-tree coexistent systems

105

D. Vertical Aquaculture (vertical aquatic structure in water) 水体立体模式(水体内的垂直结构)
Water surface

Duck, goose

duckweed浮萍, lotus莲藕, water chestnut 菱角, seaweed水草

Pig, chicken

silver carp鲢鱼, feedstuff饲料 bighead carp鳙鱼 grass carp草鱼, bream鳊鱼 feces 粪便

carp 鲤鱼, crucian鲫鱼
Vertical Aquaculture
106

Vertical Aquaculture

水面养鸭、养鸡以及塘 边养猪,鸭粪、鸡粪、猪粪 可作为水塘中鱼的饵料。

Duck-fish systems
107

Vertical Aquaculture

Fish-Chicken agroecosystem of Wen’s Group 新兴温氏集团的鱼塘上养鸡模式
108

Vertical Aquaculture (Dike-Pond System) 水体立体模式(基塘系统)

基面种桑
桑叶养蚕

水面养鱼

蚕沙、蚕蛹等

鱼粪肥塘

Mulberry tree-silkworm system 桑基鱼塘

109

Mulberry treesilkworm system

桑基鱼塘
最早形成于明末清初 南海县的九江,顺德 县的龙山、龙江,高 鹤县的坡山等地。
蚕 蚕茧 蚕沙 废水 蚕蛹 剿丝厂 大气 桑叶

桑树

无机养分

浮游植物

浮游动物

鱼塘
溶解有机物 养分 废屑

塘基

110

沉积养分

Mulberry tree-silkworm system in low lands 低洼地的桑基鱼塘

111

Changes of Dike-Pond System 基塘系统的变化
随着社会经济、人们生活需求的变化,基塘 生态农业模式也正在不断地演变。
sugarcane dike-fish pond
mulberry dikefish pond fruit dike-fish pond 果基鱼塘
vegetable dike-fish pond菜基鱼塘

蔗基鱼塘
banana dike-fish pond

桑基鱼塘

flower dike-fish pond花基鱼塘 various crops-fish pond 杂基鱼塘

蕉基鱼塘

112

flower dike-fish pond 花基鱼塘
banana dike-fish pond

蕉基鱼塘

113

Dike-pond systems in lowland 低洼地的基塘系统循环

水浮莲, 凤眼莲等

莲藕

鸭 甘蔗 草 果 花 鱼

dike pond system

基塘系统

114

Vertical Aquaculture (Dike-Pond System) 水体立体模式(基塘系统)

杂基鱼塘

115

高畦深沟系统 Dike-Ditch System

116

3.2 Horizontal structure 水*结构
? Horizontal structure is the pattern of vegetation across the landscape.
群落在水*方向上分化形成不同的生物小型组合,称 为群落的水*结构

117

? It is less predictable than vertical structure due to the variability in the physical environment, and dispersal and other biotic factors that interact to affect the distribution of organisms.
?导致水*结构复杂性主要有三方面的原因: a.环境异质性 b.亲代的扩散分布*性 c.种间相互作用的结果
118

119

Tropical savanna and grazers in Kenya 120

Influences of natural environment on horizontal structures

不同自然条件对水*结构的影响

121

Farming systems of different regions in different climate conditions
Temperature & water

One crop a year double cropping

triple cropping

122

我国不同气候类型与作物布局的关系(朱忠义, 1992)
气候 类型 范围 ≥10℃ 天数 (d) 主要种植作物 熟制

黑龙江省北部、 寒温带 <105 早熟春小麦、马铃薯 一年一熟 内蒙古东北部 东北和内蒙古大 106- 春小麦、大豆、玉米、 中温带 一年一熟 部分、新疆北部 180 甜菜等 黄河中下游大部 冬小麦、棉花、玉 181二年三熟或 暖温带 分地区和新疆南 米、水稻、花生、苹 225 一年二熟 部 果、梨等 稻麦两熟或双季稻、 秦岭、淮河以南,226- 甘薯、玉米、甘蔗、 一年二熟到 亚热带 青藏高原以东 365 茶叶、柑橘、香蕉、 三熟 龙眼、荔枝等 滇、粤、台的南 宜橡胶、咖啡、椰子 一年三熟或 热带 365 123 部和海南省 等热带作物 四熟

Indica rice

Japonica rice

Influences of agricultural location on horizontal structures 农业区位对水*结构的影响

125

1、Natural location (自然区位)——由于地理位置、自然环 境所决定的位置优势。 2、Economic location(经济区位)——由于交通、市场、技 术、资金、信息等所决定的空间位置优势。 区 位

自 然 区 位

资 源 区 位

交 通 区 位

市 场 区 位

技 术 区 位

信 息 区 位

文 化 区 位

人 缘 区 位

Theory of “The Thünen rings ” (1926)
杜能的农业经济区位理论-德国学者,1926年提出
The Thü nen model of agricultural land, created before industrialization, made the following simplifying assumptions: (1)The city is located centrally within an "Isolated State." (2)The Isolated State is surrounded by wilderness. (3)The land is completely flat and has no rivers or mountains. (4)Soil quality and climate are consistent. (5)Farmers in the Isolated State transport their own goods to market via oxcart, across land, directly to the central city. There are no roads. (6)Farmers behave rationally to maximize profits.

杜能假设这样一个与世隔绝的孤 立国:
(1)在农业自然条件一致的*原上,农产品能够 实现销售的唯一市场是中心城市。 (2)农产品农产品的唯一运输工具是马车。 (3)农产品的运费与重量及运输距离成正比。 (4)农作物的经营以获取最大利润为目的。根 据这样的假设,杜能为孤立国推断出围绕中心城 市的六个同心圈层,每个圈层分别有不同的最 适农业生产结构(见下图)。
128

“The Thünen rings ” (1926)
? Transport cost depends on the distance from the market and different kind of products. The gain from farming per unit area (locational rent) decreases with increasing distance from the market. The minimum price of a commodity is calculated by locational rent, transport costs and fixed production costs - the profit is then the difference between the costs and the fixed market price. Idealized pattern of agricultural land use zones in von Thünen?s model : Thü nen's model: the black dot represents a city; 1 (white) dairy and market gardening; 2 (green) forest for fuel; 3 (yellow) grains and field crops; 4 (red) ranching; the outer, dark green area represents wilderness where agriculture is not profitable

The Thü nen rings
杜能圈层: (1)鲜活农作圈:紧靠城市,生产蔬菜、 牛奶、鲜花等 (2)林业圈:生产林木,用于薪柴、建筑、 家具,用量大 (3)轮作农业圈:黑麦-黑麦-马铃薯-大麦 -苜蓿-豌豆 (4)谷物农作圈:谷物、畜产品,经营比 较粗放 (5)三圃式农作圈:谷物-牧草-休闲 (6) 畜牧圈:以牲畜及乳制品供应市场 (7)自然区域:以休闲、狩猎为主的灌 木林带 Johann Heinrich von Thü nen

杜能的农业区位理论

生产集约度理论:
越靠*中心城镇,生产集约 程度越高。如果用单位土地投入

的劳动力来衡量生产的集约程度,
则越靠*中心城镇,单位土地投 入的劳动力越多。 生产结构理论: 易腐烂变质、不耐贮藏和单位重量价格低的农产品在 靠*城市的区域生产,反之亦然。

杜能的农业圈理论说明了农业布局不但取决于自然条件, 而且取决于离城市的距离。

城市化程度高,农副产品集散地 观光休闲、生态园林、 集约化、专业化、设施化,科技园、示范区、 旅游农业,蔬菜、规模饲养、 名特优农产品 规模化种植、 “三高”农业、绿色产品,观光旅游 粮食基地 林果基地 特产基地、生态旅游

Isolated farms

In a town all kinds of land are used for building

Old industrial sites

Modern industrial sites

总结:群落的水*结构在农业上的应用
?群落的水*结构有利于相继利用不同地段的自然条 件,使生态系统获得较大的生产力。 ?在农田生态系统中群落的水*结构就是通常所说的 作物布局,根据具体环境特点(土壤状况)以及各 种作物的生长*性和生态适应性,合理安排,适宜

搭配。
135

3.3 Temporal structure 时间结构
Temporal structure is the timing of the appearance and activity of species.
环境因素都有周期性的变化,因而,生物群落结构亦显示 出相应的时间序列。由自然环境因素的时间节律所引起群 落各物种在结构上相应的周期变化称为群落的时间结构。

136

? Daily changes

? Seasonal changes: the variable appearance of communities due to seasonal changes

随着气候季节性交替,群落呈现不同的外貌, 即季相。

? Yearly changes

137

? Example: Many desert plants and animals are dormant most of the year. They emerge, or germinate, in response to seasonal rains. Other plants stick around year round, having evolved adaptations to resist drought.

138

Tropical dry forest in the Galapagos Islands during the wet and dry seasons.
139

Temperate deciduous broad-leaved forest 温带落叶阔叶林

140

Phytoplankton in a temperate lake 温带湖泊的浮游植物群落
Winter:Diatom(硅藻) dominant

Summer: Blue-green algae (蓝绿藻) dominant
Autumn: Green algae (绿藻)and green-yellow algae (黄绿藻) are dominant

141

农业生态系统的时间结构是指在生态 系统内合理安排各种生物种群,使它 们的生长发育及生物量积累时间相错 有序,充分利用当地自然资源的一种 时序结构。

142

Temporal structures of agroecosystems strongly depend on seasonal changes and growth periods of crops
Temporal structure arrangement by combing ? long growth period crops with short growth period ones 长短 生育期搭配 ? early, middle and late varieties 早、中、晚品种搭配 ? sun crops and shade tolerant crops with sequence in time 喜 光作物与耐荫作物时序交错 ? grainy crops with leafy/root crops 籽粒作物和叶类块根类作物 交错 ? green organisms and non-green organisms 绿色生物与非绿 色生物交错,设置控制措施延长生长季节,化学催熟,假植移 栽等。如稻萍鱼中几种鱼混养,分期投放,分批捕捞,实现周 143 年养鱼,也是得益于巧妙的时间结构。

时间结构调节方法regulation

作物套作 (relay) intercropping
小 麦 套 玉 米 麦 、 棉 、 绿 肥 间 套 作 作 物 与 蔬 菜 套 种

轮作、轮养 rotation 动 物 的 轮 养 、 套 养 草 食 动 物 的 轮 牧
144

果 农 套 作

作 物 的 轮 作

稻 鱼 轮 作

农业生态系统时间结构调节方法

Relay intercropping 套种
? is a kind of intercropping in which two or more crops grow simultaneously during part of the life cycle of each; that is, a second crop is planted before the first crop matures.
将不同物种的不同生育时期安排在同一地块。

? make full use of space, nutrients and other resources to expand output.

145

e.g. In North China, relay intercropping of winter wheat and corn/peanuts/cotton… can make full use of resources of light and heat after wheat harvest to obtain stably high yield.冬小麦与玉米 或花生或棉花套作
wheat小麦
maize玉米 wheat小麦

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

month

33

20

20

27

20

20

27

Distance 距离 cm

146 wheat-maize relay intercropping 小麦玉米套种示意图

常 规 稻 作 传 统 鸭 稻

―一稻两鸭”关键技术研究与集 成
返青期 插秧 10天 孕穗期 抽穗期 乳熟期

早稻50天左右 晚稻40天左右

水稻收割 10天左右 20天左右 10天左右 7天

围网放鸭

大鸭上田

套 养

围网放鸭

第二批小鸭下田

大鸭上田

第二批鸭上田

轮 养
围网放鸭 大鸭上田 第二批小鸭下田 第二批鸭上田 147

南方耕作制度:
早稻-晚稻-冬种(冬种:蔬菜、马铃薯等) 蔬菜-蔬菜-蔬菜

蔬菜-水稻-蔬菜等

148

3.4 Trophic structure 营养结构 (Food chains & Food Webs)

149

Trophic Structure

? Trophic structure is the pattern of movement of energy and matter through an ecosystem. ? It is the result of compressing a community food web into a series of trophic levels.

150

(1) Food chains(食物链)
A food chain is a linear sequence of links showing how each living thing gets its food. Energy flows among different organisms along the food chains. e.g. grass ---> grasshopper --> mouse ---> snake ---> hawk .定义:生产者所固定的能量和物质,通过一系列取食和被食

的关系在生态系统中传递,各种生物按其食物关系排列的链状 顺序称为食物链。 例子:植物汁液 蝉 螳螂 黄雀 浮游植物 浮游动物 草食性鱼类 肉食性 鱼类
Food chain vary in length from three to six or more levels.

一般食物链都是由3-6个环节构成的。

151

Trophic Levels 营养级
A trophic level refers to the organisms position in the food chain. Autotrophs are at the base. They are called producer Organisms that eat autotrophs are called herbivores or

primary consumers.
An organism that eats herbivores is a carnivore and a

secondary consumer.
A carnivore which eats a carnivore which eats a herbivore is a tertiary consumer, and so on.
152

Consumers get their energy from the carbon bonds made by the producers. Another word for a consumer is a heterotroph 异养生物. Based on what they eat, we can distinguish between 4 types of heterotrophs
Consumer Herbivores 草食动物 Carnivores 肉食动物 Omnivores 杂食动物 Detritivores 腐食动物 Trophic Level Food Source

2

plants

3

animals

all levels

plants & animals

---------------

detritus
153

Trophic Levels
营养级(trophic levels)

? 一个营养级是指处于食物链某一环节上的所有生物种 的总和。 例如: ? 作为生产者的绿色植物和所有自养生物都位于食物链 的起点,共同构成第一营养级。 ? 所有以生产者(主要是绿色植物)为食的动物部属于 第二营养级,即植食动物营养级。 ? 第三营养级包括所有以植食动物为食的肉食动物。以 此类推,还可以有第叫营养级(即二级肉食动物营养级) 和第五营养级。
154

? Together, these groups make up a FOOD CHAIN ? E.g., grass, rabbit, eagle

Carnivore

Herbivore

Producer

155

Food chains

156

Problems
? Too simplistic ? ? No detritivores

? Chains too long

157

? Rarely are things as simple as grass, rabbit, hawk, or indeed any simple linear sequence of organisms. ? More typically, there are multiple interactions, so that we end up with a FOOD WEB.

158

(2) Food web 食物网
Interconnected food chains form a food web.
?It is also a means of showing how energy and materials flow

through a ecosystem of species as a result of these feeding
relationships. 食物链彼此交错连结,形成的一个网状结构。

159

A food web shows all the possible eating relationships in a community.

160

Trophic Structures in Agriculture

161

Adding new food chain components 食物链的加环
Adding new food chain components may make full use of substances and energy in ecosystems and may promote ecological efficiency and production. 按照物质循环和能量转化的一般规律,可以在原有食物链中通过 引入新的链环,延长或完善食物链组合,可增加第二级和第三级 产品,还可使有害的链环受到抑制,提高资源利用效率。----食

物链的加环 (adding new food chain components/enclosing rings for food chains)
162

163

The role of enclose rings/adding new food chain components 食物链加环的作用
? Enhance the stability of agroecosystems ? Increase the utilization of agricultural products and byproducts
20%~30% as food directly Agro-products 70%~80% as by-products

? Increase the utilization and transformation rate of energy

164

? Increase the utilization and transformation rate of energy

Green manure 绿肥 只利用物质,而能量浪费 Foodstuffs for cattle 肉牛饲料——能量利用率8%

苜蓿 clover

Foodstuffs for pigs 猪饲料——能量利用率20% Foodstuffs for cows 乳牛饲料——能量利用率65%
165

Types of added food chain rings 食物链加环的类型
Increasing beneficial rings
Compounding rings

生产环
Production rings

增益环 这种食物链 环节,本身 转化产品并 不能直接为 人类需求, 而是加大了 生产环的效 益。

减耗环 通过引入 一个新的 环节或增 加一个已 有的环节, 从而减少 生产耗损, 增加系统 生 产力。

复合环 具有两种 以上功能 的食物链 环节。复 合环的加 入把几个 食物链串 联在一起, 增加系统 产出。

加工环
Processing rings

Decreasing the loss rings

在原有的食 物链中加入 一个或几个 新的环节, 能够将非经 济产品转化 为经济产品。 它又可分为 一般生产环 和高效生产 环。

将农副产 品加工成 半成品或 成品出售, 或在此基 础上进行 二次或三 次利用, 或农-工贸一体化。
166

Ⅰ 生产环 Production rings
The introduced new components to the food chain which is a part of production, is called production ring. 在食物链中加人能够将非经济产品转化为人们直接 利用的经济产品的环节,称为生产环。

例如牛、羊、猪,可以将秸秆、糠麸、饼粕、菜叶和田间 废弃的杂草,以及饲料粮转化为肉、蛋、奶、毛、皮等, 属一般生产环。
蚕和蜜蜂属高效生产环。它们能将人们不需要或不能直接 取得的生物产品转化为高值经济产品。 167

食物链加环实例
农作物 生产 引入 蜜蜂 秸秆、秕糠、饼粕、 菜叶、粮食等 加工篮、筐、 箩等 人类食用 粪便 沼气

种食用菌
沼渣 蚯蚓、蝇蛆

牛、马、猪、羊、鸡、鹅 加工肉 制品 加工奶 制品 加工皮 毛制品
168

市场、销售、贸易

II 减耗环 decreasing the loss rings
Some loss rings compete with production rings f or substances and energy and damage the organisms which are the components of the production rings and decreasing the output of useful material in the ecosystem. 这类环节的引人可以减少生产损耗。 例如捕食性天敌的引入,可减轻害虫的危害。

广东省电白县引进澳洲瓢虫,成功地控制了木麻黄防
护林带的吹绵介壳虫;

吉林省放养寄生蜂防治松毛虫获得良好效果。

169

食物链加环实例
农作物 生产 引入 蜜蜂 人类食用 引入害虫 天敌 粪便 沼气

种食用菌
沼渣 蚯蚓、蝇蛆

秸秆、秕糠、饼粕、 菜叶、粮食等 加工篮、筐、 箩等

牛、马、猪、羊、鸡、鹅 加工肉 制品 加工奶 制品 加工皮 毛制品
170

市场、销售、贸易

III 增益环 increasing beneficial rings to production Some added rings may not directly produce any products of direct use to man but can increase benefits to another production ring.
这类环节虽不提供人类直接消费的产品,但可以 扩大生产环节的增产效果。
例如利用猪、鸡粪便养蚯蚓和蝇蛆,再以蚯蚓、蝇蛆作为 猪、鸡的生物蛋白质饲料,促进猪、鸡转化饲料效率的提 高。蚯蚓和蝇蛆起着增加饲养猪、鸡的效益,故称之为增 益环。
171

食物链加环实例
农作物 生产 引入 蜜蜂 人类食用 引入害虫 天敌 粪便 沼气

种食用菌
沼渣 蚯蚓、蝇蛆

秸秆、秕糠、饼粕、 菜叶、粮食等 加工篮、筐、 箩等

牛、马、猪、羊、鸡、鹅 加工肉 制品 加工奶 制品 加工皮 毛制品
172

市场、销售、贸易

IV 复合环(多功能环) Compounding rings

The added rings have tow or more functions. 即兼有两种以上功能的环节。
? 如稻田养鱼、鸭,鱼、鸭既有减耗作用,又可以 生产鱼、蛋产品。 ? 食用菌和沼池微生物引人食物链后,也具有多种 功能。食用菌既生产各种菇类食品,又生产菌糠 饲料;沼气池既产生沼气,又较好地保存了有机 质和各种养分,使沼渣沼液成为农作物速缓兼备 173 的有机肥料。

食物链加环实例
农作物 生产 引入 蜜蜂 人类食用 引入害虫 天敌 粪便 沼气

种食用菌
沼渣 蚯蚓、蝇蛆

秸秆、秕糠、饼粕、 菜叶、粮食等 加工篮、筐、 箩等

牛、马、猪、羊、鸡、鹅 加工肉 制品 加工奶 制品 加工皮 毛制品
174

市场、销售、贸易

(5)加环特例——“加工环 ”Processing rings
? Product processing is related to the output and input of the food chain or ecosystem. 农产品的加工是物理、化学过程,并不是生
物学过程,本不属于食物链的范畴。

? A ring of raw product processing is added to food chain to convert some ineffective outputs into useful materials and increase the economic benefits through by-products and to save some substances and energy contained in the waste.但通过加工环节后,既可以提高物质回收率,保持养分的循环*衡,
提高资源利用率和 经济效益。

175

食物链加环实例
农作物 生产 引入 蜜蜂 人类食用 引入害虫 天敌 粪便 沼气

种食用菌
沼渣 蚯蚓、蝇蛆

秸秆、秕糠、饼粕、 菜叶、粮食等 加工篮、筐、 箩等

牛、马、猪、羊、鸡、鹅 加工肉 制品 加工奶 制品 加工皮 毛制品
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市场、销售、贸易

Principles of adding rings to food chains 食物链加环遵循的原则
? Not the longer, the better 食物链加环并非 越长越好,关键是要尽早从链条中获取更多的 产品。根据十分之一法则,链条越长,营养级 层次越多,沿食物链耗损的能量也就越多,而 且太长、太复杂的食物链在实际应用中也有许 多技术与经济方面的问题。 ? Consider the integrated benefits.食物链加 环要讲究综合效益。不同食物链类型在社会效 益、经济效益、生态效益方面的表现不同。例 如,目的在于净化环境的食物链,可能具有较 高的生态环境效益,但经济效益却不一定高。 因此,加环应当结合当地、当时的具体情况进 行。

177


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