农田生态系统是以农田为基础,由作物为主体的生物成分和以土壤、水分、空气、光热等为主体的非生物成分所组成,发展农业生产为目的人工控制的陆地生态系统。

　　一、农田生态系统的组成

　　农田生态系统的组成成分包括人工生物、生态环境、人工控制等系统。

　　1.人工生物系统。各类作物、绿肥、牧草、人工林木、人工有意识放养于农田的动物。

　　2.生态环境系统。土壤环境(类型、质地、肥力、酸碱度、含盐量)、太阳辐射和大气环境(降水、温度、光照、时间、风、霜冻)、生物环境(农田杂草、病虫害、有益及有害鸟兽)、地质地理环境(地貌、地形、地面水和地下水)。

　　3.人工控制系统。农田水利工程、农田林网工程、设施农业工程(包括保护地、温室、薄膜覆盖、喷灌与滴灌)、农业政策、技术经济水平等。

　　二、农田生态系统的结构

　　农田生态系统的结构从本质上来说,主要是指在一定的环境条件下人们可以有效地控制和建造的农田生物的群落结构和种群结构。前者主要是指农田生物(包括作物、果树、人工林及放养的某些动物)不同物种的合理布局和搭配,用种际效应(互补、互防、相生、相克)来提高农田生态系统的生产力;后者主要研究在同一作物种群内部,由群体密度、叶的方向、叶面积的大小及其分布、叶片的空间配置状态以及同化系统和非同化系统比率等的不同,对光能利用率的影响。因此,农田生态系统的结构不仅具有空间特性,而且具有时间特性,现分别介绍如下。

　　1.平面结构。农田生态系统的平面结构是指在一定的生态区域内,各作物种群和生态类型所占面积的比例与分布的特征。农田生态系统的平面结构和农业生态系统中农、林、牧、副、渔“五业”结构相对应,属于农业生态系统结构的头一个层次,是转化太阳能的基础。农、林、牧、副、渔应该说是一个广泛的行政概念,对应于农田来说应当是“农、林、水、草”。因为畜牧业依靠农林草来提供饲料和饲草,渔业依附“水”面的多少及其利用程度,而“副”在这里主要是指对农牧渔产品的加工、转化、升值。由此可见,平面结构是农田生态系统的主体,实行平面结构控制就是对整个农业生态系统实行宏观控制。

　　2.垂直结构。农田生态系统的垂直结构(立体结构)是指农田中各作物种群在垂直空间(即立面)上的组合分布状况,它不仅包括地上空间,也包括地下空间。其含义是把同一种或不同种类的种群组合成“有机的群体”“复合群体”,利用种际间的相互效应来更大限度地利用自然资源,包括地上资源和地下资源,实现系统的高功能。典型的垂直结构有以下几种。

　　①1-1型结构。这种结构的种群单纯,地上部分和地下部分均分布在同一个层次内。平播单一作物,纯种果园和经济林木等都属于这个类型。其优点是种群单一而集中,适于机械化作业,管理方便。缺点是资源利用层薄,利用系数为1。

　　②1-2型结构。复合群体的地上部分基本上处于同一层次内,地下部分分布在不同层次,扩大了群体的土壤利用层。像谷子X豆子、麦子X豆类等。和1-1型相比,土壤层的利用系数为2,利用比较充分,但地上部分仍处于同一层次内,因而对地上资源利用尚不充分。

　　③2-1型结构。地上部分高矮秆结合,地下部分分布在同一个层次内。其优点是地上部分对光、热、水、气等资源利用比较充分,而对土壤水分和养分的利用不够理想。像玉米X豆类、棉花Ⅹ芝麻均属于这种类型。

　　④2-2型结构。地上高矮秆,地下深浅根相结合。地上和地下部分均不在一个层次内,使两个利用层的利用系数都大于1。这种结构多为林粮间作、果粮间作或果油(经)间作等。这种结构类型,如果安排得当,生产效率高,抗逆能力强,是个比较理想的垂直结构类型。

　　⑤3-2型结构。这一结构与2-2型基本相同,只是地上部分植物和高矮秆作物搭配,组合成三层群体,多在桐、粮间作和枣、粮间作中。其特点是地上利用层次更厚,生物产量更高,尤其在环境恶劣的地区,更应提倡。

　　⑥特殊型结构。除上述五种典型结构以外,还有一些特殊类型,如稻鱼结构、稻萍结构、基塘结构(桑基鱼塘)、果菇结构等。

　　3.时间结构。农田生态系统的时间结构是指农田生物群落的各个种群在时间上的组合和安排。研究时间结构的目的就是通过时间结构工程的机能和设计,使作物的生物学生长规律和环境的自然节律最大限度地保持同步协调一致,以提高系统的综合效益。农田生态系统时间结构的主要类型有如下几种。

　　①种群嵌合型。根据作物的生物学特点,选择不同的播种期,将两个种群套嵌在起所形成的一种结构类型。如冬小麦套播玉米、冬小麦套播花生、玉米套播绿肥等。

　　②种群密集型。就是把种群的幼年阶段用较小的面积集中培育,即育苗。把整个作物生长期分成两个阶段:幼苗生长期和生长发育期。其优点是,使生产场地的有限生长期能得到充分的最大限度的利用,尤其是早春,采用小面积育苗争取了生长时间。

　　③设施型。它是利用人工设施改变1-2个限制因素,使农田生态系统的物质能量转换时间延长,提高系统的产出。这种结构工程的类型很多,如温室育苗,温室或塑料大棚栽培等。

　　④自然“适应”型。就是利用播种期的调整,使作物的生长规律和自然环境节律相统一,达到巧妙利用自然的目的。

　　4.食物链结构。食物链结构单纯,是人工控制的农田生态系统的特点。可在这个简单的食物链上引入新的环节来加强对农副产品的转化和利用,生产出更多的二、三级产品供人类利用。农田生态系统食物链加环一般有以下几种类型。

　　其一,生产环。用非经济产品或部分非经济产品直接生产出经济产品的食物链环节,称其为生产环。其包括高效生产环和一般生产环。

　　高效生产环:上一级生物产品不是人类需要的或暂不能直接利用的,经过新环转化后可变成经济产品。如将蜜蜂引进农田,用花粉生产蜂王浆、蜂蜜等产品。

　　一般生产环:上一级生物产品是人类可以利用或大部分可以利用的,包括部分可食用产品的生物资源,转化成高价值和高能量的产品,如在农田中引入牛、羊、鸡等畜禽,生肉、奶、蛋等产品。

　　其二,增益环。这种食物链环节引进农田生态系统后直接形成的产品,不能或暂不能为人类所利用,但它可增加生产环的效益。如用残渣等养蚯蚓,再用蚯蚓养鸡。一般说增益主要是利用残渣中的营养成分生产高蛋白饲料。同时,它对有机质分解,土壤熟化都有着非常重要的作用。

　　其三,减耗环。此环加入系统后可以减少或抑制系统中耗损环的作用。在农田生态系统中,一切对本系统不利的食物链环节可称为耗损环,如害虫、害兽、杂草等对作物的危害。人类可以采取加入减耗环来较好地解决这个问题,如人工养殖赤眼蜂、瓢虫用以消灭棉铃虫就是很好的一例。

　　其四,复合环。凡增添的食物链环具有两种或两种以上的功能,称之为复合环。如稻田养鸭，既消灭了稻田的害虫和杂草,具有减耗环的作用,又增加了肉蛋产品,有生产环的作用。

　　三、农田生态系统的功能

　　农田生态系统的基本功能:作物通过光合作用,将无机营养物质转变成有机物,将太阳光能转化成生物化学潜能,为人类的生活和农业生产活动提供了基本的物源和能源,加速了整个地球生态系统物流和能流的进程。农田生态系统除了能够给人类提供大量的物质和能量以外,由于它的复杂的生物组成,还具有以下生态效益。

　　1.和森林、草原生态系统相比,农田生态系统的净生产力最高,可亩产吨粮。生产的产品由于人工控制的结果,最适合人类的需要。

　　农作物的秸秆、根系、饼粕等,经用作饲料、沼气原料和食用菌培养基料后还田,是很好的有机肥料,可以显著提高农田肥力,改善土壤的理化性质。

　　2.山区的梯田、台田等在种植农作物后,有良好的水土保持效益。平整深翻的“海绵田”有蓄水保墒的作用。

　　3.作物及其种植方式以及农田防护林网的合理布局对农田小气候有很大影响,同时对改善周围环境也有一定的作用。

　　4.农田生态系统对环境有较强的净化作用,尤其是土壤微生物的净化能力较强。一公顷干燥土壤中微生物的分解净化能力,相当于一个400立方米的活性炭净化站曝气池的处理水平,酚、氰和硫磷等在土壤中只要几天就可以完全分解净化,失去毒性。