蒋高明 郭立月

农田生态系统基本原理

1.3.1 水热耦合

农田生态系统是由气候、土壤、生物等因子共同作用而形成。其中，大气温度和降水量占主导地位，对其他因子产生重大影响。农田是在改造自然生态系统的基础上而来的，不同植被地理背景下农田的生产力或产量受水热组合影响最大。自然界中拥有最高生产力的是热带雨林，约 45 吨/（公顷·年），是在不施肥、不打药基础上实现的，因为热带雨林的水热条件最好，元素循环快。在农田中，光照、二氧化碳都不是限制因子，而水热条件尤其水热组合，最能反映农田生态状况。即使有些农田面临季节性干旱胁迫，我国依然比真正的地中海荒漠区域的农田具有十分有利的条件。我国草原是雨热同期，而地中海附近、非洲的部分草原，雨热出现的最佳时期是冬夏季分离的。

水利是农业的命脉，在不同气候带上水热组合决定了生态系统的生产力，生态农田尽量利用天然降水，适度利用客水或地下水，做到“旱能浇、涝能排”。热，即热量，地球上的一切热量来自太阳，热对植物生长发育乃至群落分布有重要的作用。在不缺少阳光的地方，热量尤其与水的耦合对农业增产的作用大于化学肥料。生态农田利用自然界的热量，不进行反季节种植，而是充分利用我国水热同期优势，因地制宜发展适合的作物。高温的夏季杂草生长也很繁茂，如果将杂草作为资源利用起来改良土壤，也是生态农田利用热量资源的有效途径之一。

为发展人工草地，草原上除了干湿沉降补充一些氮素，其余的营养元素完全靠天然循环，较难提高生产力，可以考虑补充化肥或有机肥，克服养分不足的缺陷。适度利用草原雨热同期有利因素，及时灌溉，发展人工草地，可以减少放牧压力；农牧耦合，减少越冬牲畜数量，可以减少经济损失。

1.3.2 土壤碳氮库培育 

碳表现在土壤中即有机质。目前我国耕地有机质普遍很低，平均为 1%左右。通过有机肥养地，可大幅度提高土壤含碳量。这里的有机肥指自然界中的所有光合产物及其衍生物，不仅仅是传统理解的人粪尿和动物排泄物。高效生态农业中的有机肥以植物源肥料（如绿肥、秸秆肥、杂草肥）为主。在暖温带湿润地区，当生态农田有机质提高到 5%时，即使不施肥，作物周年产量也能超过 1 吨（小麦-玉米周年产量）（Liu et al.，2016）。

氮是植物光合生长必需的元素。空气中氮气含量为 78%，自然界可以利用的氮均来自此。生物固氮、雷电固氮、干湿沉降都可以提供氮源。在种植过程中，用以上培育碳库的办法，培育土壤氮库，通过微生物活动固定空气中的氮，并活化土壤中的氮。碳与氮之间的比例变化为 10:1～12:1，当土壤含碳量增加到 5%时，意味着 20 厘米耕作层中有 1.75 吨/亩纯氮，这些氮不会像化肥那样流失。因此，即使不开化肥厂，也能够满足作物需要的氮。由于土壤中的磷和钾基本不缺，解决了氮的问题，磷、钾和其他大量元素与微量元素的问题就会迎刃而解。解决这个问题的基本思路是，每年将籽粒带走的氮双倍还回土壤，使土壤可利用氮不断增加。因此，土壤合理的碳氮比对生态农田异常重要。

增加土壤碳氮库的方法有很多，除每年添加有机肥外，秸秆还田、种植或施加绿肥、利用杂草肥等都是很好的办法。生态农田必须每年添加碳和氮，不能依靠化肥替代。我国农区的农田使用了四五千年没有退化，就是有机肥养地的结果。只不过过去动力不足，有机肥来源少，农田产量低。如今，这些问题已得到基本解决，通过培育土壤碳氮库增产技术已非常成熟。

1.3.3 生物多样性及其维持机制

生态农田具有丰富的生物多样性，尤其是土壤生物多样性。农田生物多样性包括种植物种与养殖物种多样性。在一个多样性的农业生态系统中，其稳定性提高，抗自然灾害能力加强，同时延长了农产品货架期，避免集中上市带来的农产品滞销。本团队在 10 亩农田的基础上发展的弘毅生态农场中，经济物种有 73 种，包括植物、动物与微生物三大类（徐子雯，2019）。在这个系统中，害虫与杂草都变成资源被利用起来。同时还发现，由于土壤健康，农田生态系统健康，植物病害基本消失。

害虫与杂草是普通的物种，它们的作用是辩证的。害虫会吃作物，但也会给一些虫媒作物授粉，害虫是益虫的食物，害虫死亡后，其尸体可以参与构造土壤的团粒结构；杂草会与作物争养料，但也会增加土壤碳、氮等营养。杂草根系及其分泌物对维持土壤中的生物多样性及保持良好的土壤结构也起到很重要的作用。当然，对于害虫和杂草，生态农田主要的工作是适当管理它们，不使其造成危害，并变害为宝。

1.3.4 生态位

农田生态系统中的不同物种都有自己的生态位，在时间空间上占据各自的位置，这些物种大部分时间相安无事，只有当生态位重叠时才会发生激烈的竞争或对抗。生态位是生态系统中每种生物生存所必需的生境最小阈值。两个拥有相似功能生态位、但分布于不同地理区域的生物，在一定程度上可称为生态等值生物。

生态位是与资源利用谱概念等同的，生态位宽度是指被一个生物利用的不同资源的总和。在农田中，因种间竞争，一种生物不可能利用其全部原始生态位，所占据的只是现实生态位。作物的生态位是人为保护的，往往为了高产，进行人工或机械干预，去除竞争者。土壤表面上下一定高度和深度，是土壤微生物、蚯蚓、线虫等动物的生态位，一些害虫的幼虫也分布在土壤中。利用生态位的空间差异，可以减少杂草控制成本，例如果园下面生草，就是利用乔木与草本的生态位不同；种植高粱也可以控制杂草，因为高粱为高秆作物；利用生态位的时间差异可以控制和利用害虫及杂草，如诱虫灯捕杀的往往是夜行害虫，而益虫多在白天捕食因而较少受害；夏季的杂草很难在春季生长，因此可以利用夏季高温多雨生长杂草，混播豆科植物养地，然后种植越冬小麦，提高小麦产量。在北方农田，夏季玉米农田杂草以牛筋草等为主，小麦以播娘蒿为主。

1.3.5 人工生态系统设计

掌握了农田生态因子变化特点、物种组成及其相关关系，人类就可以利用这些生态学知识进行农田生态系统设计，力求获得较高的产量、生物量或经济效益。

间作套种、林粮互作、药粮互作等，都是利用生态学原理进行的农田生态系统设计。在农田生态系统设计中，最重要的因素是种子。种子是农业的重要“芯片”，人类无法造出种子。高效生态农业模式杜绝转基因种子，除为动物生产饲料利用一部分杂交种外，鼓励农户自留种子，经过常年生态育种与自留种，产量有增加趋势。

在生态农田生态系统中，农业再也不是现代化学污染源，不是温室气体排放源而是温室气体库，从源头解决了面源污染问题；农田生态环境大幅度改善；农田生物多样性将逐渐恢复；农产品不再含有人为添加的有害化学物质（目前围绕食物链合法使用的化学物质高达 5 万多种）；农产品提供的优质健康能量，使人类重大疾病发生率大幅度下降；农业将成为附加值高的产业，大学生二代、农二代等年轻人进入农业；优良种子资源可以长期保留下去；病虫草害发生率基本可控，土地越养越肥，耕地生产力得到稳定提高。农艺有人传承，农村的劳动力可在家门口转变为钞票，不必再进城打工出卖劳动力。