第4章_种植业生态工程

第四章种植业生态工程张靖大连民族学院环境与资源学院[e-mail]上节课内容1.生态工程的评价方法：斑块和区域尺度上的生态工程设计及生态工程稳定性分析与控制方法。2.生态工程设计方法：生态演替促进法、外来种的引进与控制方法、生态恢复方法。3.生态系统调节和优化方法：结构调整的方法、功能完善的方法、物质循环与能量转化的调整方法。目录第一节种植业生态工程的特点第二节种植业生态工程的设计第三节种植业生态工程中的几种实用技术第四节案例分析从原始农业、传统农业、石油农业到绿色有机农业的发展阶段但化肥、农药等化学物质的长期过量使用，导致土壤退化、重金属残留超标、环境污染愈发严重。种地不养地，耕地越种越薄世界农业从本世纪40年代就步入了“石油农业”阶段，主要标志是机械化；主要特征是以无机能量（机械、燃料、电力、化肥、农药、杀虫剂等）的高投入。“现代农业不等于‘石油农业’，农业循环经济才是现代农业的必由之路。”生态农业种植业生态工程是指人类在同自然合作的前提下，充分利用太阳能和各种自然资源，栽培各种农作物、药用和观赏植物，生产食物、饲料、工业原料以及其他产品的技术与工艺流程。第一节种植业生态工程的特点“生态农业”一词最早是由美国土壤学家W.A.阿尔布雷奇（Albrecht，1971）提出的。他主张完全不用或基本不用化肥、农药、生长调节剂，尽量依靠作物轮作、秸秆还田、施用粪肥、种植豆科作物、绿肥等维持地力，并以生物防治的方法防治病虫害。它强调“低耗”、“低投入”，注重维持、保护资源和环境的可持续性。生态农业的发展历程：1980年美国生态农户在2万～3万户之间，主要是生产蔬菜和水果的专业性农场。20世纪90年代以来，德国的生态种植业迅速发展。据资料统计，生态农庄、村镇已发展到6000个，是世界上生态农场最多、发展最快的国家之一。到2003年底，全国开展生态种植业建设的村、镇、县已达2300多个，其中试点县150个（国家级试点县50个，省级试点县100个）。种植业生态工程的特点：①种植业生态工程既是对自然生态系统的模拟，又是对西方现代种植业的继承。②充分利用太阳能，尽量减少化石能源的投入，建立栽培作物与生态环境相互协调的关系，获取比常规种植业更高的生产力。③充分利用水、土、气、化学元素等自然条件，建成新的少污染的生产体系，把有机废物变成营养源，改善土壤物理、化学性质，提高土壤的蓄水能力和肥力。种植业生态工程的特点（续）：④生产“绿色”食品。由于生态种植业少用或不用化肥、农药、除草剂，因此大大减轻其对水、空气及土壤的污染，这就为种植业的生产提供了较为洁净的生境。⑤强调发挥农业生态系统的整体功能。不局限于单一作物产量或单一产业产值的提高，而要注重整个系统整体功能的完善和发挥。第二节种植业生态工程的设计一、种植业生态工程的设计原则1.近期效益与远期效益结合，经济效益、生态效益与社会效益结合的原则种植业生态工程项目的选择既要注意近期易见效的“短、平、快”项目，又要注意具有长远效益的工程项目，解决好宏观与微观生态环境的调控问题。（林网和农田的关系）2.时间结构与空间结构相结合的原则空间结构包括地上株、茎、叶和地下根系分布，如农作物间作的空间结构。（高粱玉米间作×）时间结构是指各种生物生育期和气候节律的匹配，如农作物套作、轮作形成的时间结构。（玉米和小麦间作）河北省种植业中的枣粮间作、玉米与大豆间作都是较成熟的种植业生态工程模式。3.物质和生物多层次利用的原则根据不同生境为植物生长提供的水、热、土、肥等条件，因地制宜地发展具有区域特色、物质多层次利用、提高生物多样性的可持续发展的作物品种，是种植业生态工程设计中必须考虑的原则之一。4.扬长避短分步建设的原则扬长避短就是寻找当地约束农业发展和影响自然资源开发、转化的生态环境薄弱环节，将其作为突破口进行种植业生态工程建设。例如：盐碱化土地与沙化土地比较起来，治理难度大，投入高，见效慢，故可选择相对易治理的沙化土地作为实施种植业生态工程设计与建设的先期工程。当沙化土地得到治理，有较充裕资金时，则可实施盐碱化土地种植业生态工程的设计与建设。5.注重种群之间的相生相克关系生物之间存在复杂的相生相克关系，在实施种植业生态工程设计时，应充分利用生物之间的相生关系；作物根系的深浅配置有助于水分、养分的互补，避免竞争，如禾本科与豆科的结合。生物相生相克的关系6.充分发挥边缘效应高秆、矮秆作物相间种植，行数比应适宜，这样，矮秆作物生长的空间作为高秆作物通风透光的“廊道”。如玉米与大豆、玉米与花生、玉米与甘薯，常采用4:1或2:1行数比。二、种植业生态工程设计流程图重视系统的自我调节和人为多方面的干预利用自然界存在的生态系统、群落、种群及有机体，通过系统的结构、信息的输入输出，优化并重建生态经济系统。种植业生态工程设计流程图三、种植业生态工程的类型1.农作物系统（1）间作、套作：在同一地块的一个完整生长期间只种一种作物，称为单种。生育季节相近的两种或两种以上作物（包括草本和木本）在同一田块上同时或同一季节成行地间隔种植称为间作。米豆间作套作是指在前作物的生长后期，于其株行间播种或栽植后作物的种植方式。在套作的不同作物间，共生期只占全生育期的一小部分。在农作物系统中，种植业生态工程需两种或两种以上的作物匹配，种植一种作物不能称其为种植业生态工程。间作、套作增产，须采取的相应措施：①适宜的作物搭配•为了减少竞争，在株型方面选择高秆与矮秆、垂直叶与水平叶、圆叶与尖叶、深根与浅根作物搭配等。•在套作的增产措施中关键是：要缓和两者在共生期间的矛盾，减少前作物对后作物的不良影响。间作、套作增产，须采取的相应措施（续）：②合理的种植结构•间、套作时，田间结构就变得较为复杂，除了密度与株行距以外，还涉及到带宽、行比、不同作物排列位置、作物间距等。③采取适宜的栽培技术通过田间管理调节作物的生长发育，促进复合群落协调发展。小麦套晚播向日葵综合高产栽培技术内蒙古巴彦淖尔•一是带型过窄，小麦行数少，不利于机播机收•二是两种作物共生期矛盾突出（在小麦的生育后期，向日葵遮荫郁闭现象严重，造成小麦千粒重下降，品质不高）•三是向日葵生育期过长，易受早、晚霜的威胁该技术中套种向日葵必须选用生育期在100天左右的早熟、矮植、抗病杂交种种植一种诱集天敌的作物在棉花/油菜间作系统中，油菜营养体较大，对棉蚜的天敌瓢虫有一定的诱集作用，且有利于瓢虫的移居、活动和繁殖。在玉米地里间种一些花生、南瓜，其花蜜即可诱来大量的玉米螟寄生性天敌黑卵寄生蜂。更多的例子：种植一种驱避害虫的作物在高粱地里种几丛烟叶，由于高粱粉蚜闻到烟叶散发出来的烟味，不敢前来取食；在棉花地或油菜地里种一些大蒜，大蒜的辛辣味能避蚜虫。种植一种既有毒又为害虫喜食的植物在花生地里均匀地间种300—400株蓖麻，金龟子最喜取食蓖麻的茎和叶，其中含的蓖麻油能使金龟子取食后中毒。每株蓖麻可毒死4—5头金龟子。更多的例子（续）：（2）复种：指在一块地上一年内种、收两季或多季作物的种植方式，或称多熟制。复种常与套作相结合，可充分利用时间，是一种时间结构型的种植业生态工程。1995年我国的复种指数为1.58，比1952年增加27个百分点，大致相当于增加农作物播种面权0.27亿hm2，2003年，我国复种面积达0.53亿hm2。•土地复种指数，也叫种植指数，耕地上全年内农作物的总播种面积与耕地面积之比。是反映耕地利用程度的指标，用百分数表示。•我国南方地区光热资源丰富，宜进行复种型种植业生态工程的设计。（3）轮作：指在同一田地上有顺序地轮种不同作物或轮换不同复种方式的种植方式。轮作可以更新地力，防治病、虫、草害（玉米螟虫）改善土壤肥力和有机质含量（豆科）增加农田生态系统的生物多样性（作物品种）不同类型的作物轮换种植就可以全面而均衡地利用土壤中各种营养元素，充分发挥土壤的生产潜力（4）作物布局：指安排一个地区种植作物的种类、面积、比例和配置地点，是种植业生态工程的宏观格局。作物布局的内容体现在：①作物品种布局②作物种类布局③熟制布局合理的作物布局是充分利用生态条件和生产条件，发挥农作物的生产潜力，取得最大的经济、生态和社会效益的必要保证。2.现代农林复合系统现代农林复合系统是在人地共生思想的指导下，设计多年生木本植物（用材林、经济林、防护林等）和农作物（粮食、油料、蔬菜和其他经济作物）的各种间作模式，使之成为物质循环利用、多级生产、稳定高效的人工复合生态系统。四、种植业生态工程评价怎样评价种植业生态工程设计的合理性与可行性？通常的方法是评价种植业生态工程可行性与效益目标的可行性。评估的方法通常有两种：现金净流量计算法和综合评分法。2.综合评分法：综合评分法是对某一技术措施的多项经济效益进行综合评价的比较数量化方法。1.现金净流量计算法：计算对比项目投资现值和项目实施后所产生的现金净流量（即净效益），这种方法也叫静态效益分析法。五、种植业生态工程设计模式1.复种模式我国主要复种模式可概括为以下几种：◦①豆科作物→稻－小麦◦②豆－稻－稻◦③肥－稻－稻◦④麦＝豆（花生）、稻＝豆（花生）◦⑤小麦（蚕豆）－甘薯（玉米）（“→”表示年间上下茬衔接；“－”表示年内上下茬衔接：“＝”表示年内上下季生物套种；“＋”表示间作）2.间作模式我国主要的间作模式可概括为以下几种：（1）禾本科作物＋豆类作物玉米＋豆类作物是农业生产上广泛运用的一种（2）禾本科作物＋非豆类作物玉米＋薯类，包括玉米与甘薯间作、玉米与马铃薯间作（分布在水肥条件较差的山地和丘陵旱地上）3.套种模式我国的套种模式很多，以棉田套种洋葱模式为例加以说明，洋葱有辛辣昧，可以驱避棉铃虫和红蜘蛛等虫害。4.农林生态工程模式用于农林生态工程的树种，常见的有杉木、梧桐、桑树、橡、油桐、桂、槐、茶、榆、柳、槭、桤木、竹、板栗、核桃、苹果、梨、枣树等，与农作物间作，形成多种模式。5.农村的燃料、饲料、肥料工程关系到农民生产、生活的重大问题，关系到经济发展、资源利用和环境保护的重大问题。（焚烧秸秆）农村的燃料、饲料和肥料正处于互相矛盾的状态。一般平原农区由于农作物秸秆多被烧掉，致使家畜的养殖因饲料匮乏得不到发展。农作物秸籽可以作饲料，也可以作肥料。村民焚烧秸秆现场浓烟蔽日肥料少，下一年的秸秆也少，用地和养地失衡，农田处于入不敷出的亏损状态，形成一个肥料更少，秸秆更少的正反馈环。肥料秸秆土壤肥力+++燃料、饲料和肥料正处于互相矛盾中“三料”工程流图，经过氨化或糖化处理将其转化为饲料农副产物不是单纯地烧掉，而是改为多重利用6.以种植业为中心的生物链工程设计该模式是运用生态规律对山、水、林、田、路进行全面规划以种植业为核心的生态工程生产者消费者分解者以上若干个小循环都是以农田为中心，通过生产者→消费者→分解者的多重循环最后又回归农田，形成一个大的良性循环的农田种植业生态系统。第三节种植业生态工程中的几种实用技术一、沼气的厌氧发酵技术沼气是天然有机质在厌氧环境条件下通过厌氧微生物的分解发酵作用产生的一种混合可燃性气体，其主要成分是CH4、CO2、O2、N2、H2S、CO和水蒸气。它是农村清洁能源的主要组成之一。农村的有机废弃物（秸秆、人畜粪便等）都可作为沼气的原料，将这些原料投入沼气罐和地埋式沼气池，经过发酵、产酸、产CH4三个阶段，即可生成沼气。1.沼气池的构造2.沼气发酵微生物沼气发酵微生物分为不产甲烷微生物和产甲烷菌。不产甲烷的微生物能将复杂的有机物转变为简单的小分子物质。产甲烷菌，甲烷菌是一群非常特殊的微生物，严格厌氧，最适的pH范围为中性或微碱性。它们依靠CO2和氢生长，并以废物的形式排出甲烷。3.沼气发酵的基本条件（1）严格的厌氧环境（2）充足和适宜的发酵原料：C/N比值在20-30:1较为适宜（3）适当的水分：含水量以88%～94%较为适宜（4）适宜的发酵温度：沼气发酵细菌在8～65℃的范围内都能生长活动，产生沼气（5）适宜的酸碱度：发酵的pH范围是6.8～7.5，最佳值是7.0～7.24.沼气