蒋高明 郭立月
农田生态系统基本原理
1.3.1 水热耦合
农田生态系统是由多种因素共同作用而形成，其中气候、土壤和生物是重要因素。大气温度和降水量对农田生态系统起着主导作用，对其他因素产生重大影响。农田的生产力受水热组合的影响最为显著，不同植被地理背景下农田的产量受水热条件影响最大。在自然界中，热带雨林拥有最高的生产力，约为每公顷每年45吨，这是在不施肥、不打药的情况下实现的，与热带雨林拥有良好的水热条件和快速的元素循环有关。
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在农田中，光照和二氧化碳通常不是限制因子，而水热条件尤其是水热组合最能反映农田生态状态。即使一些农田面临季节性干旱胁迫，我国的农田条件仍然比真正的地中海荒漠区域更有利。我国的草原在雨热同期，而地中海附近的一些草原地区的雨热出现的最佳时期是冬夏季分离的。
农业的发展离不开水利，水资源和热量组合在不同气候条件下决定了生态系统的生产力。生态农田充分利用天然降水，同时适度利用客水或地下水，以实现“旱能浇、涝能排”的目标。热量来自太阳，对植物生长、发育和群落分布起着重要作用。在充足阳光照射的地方，热量与水的耦合作用对农业增产的贡献大于化学肥料。生态农田利用自然界的热量，因地制宜发展适合的作物，不去进行反季节种植。在夏季高温时，杂草繁茂，将其作为资源利用起来改良土壤，也是生态农田充分利用热量资源的有效途径之一。
为了发展人工草地，需要考虑到草原上氮素的补充以及其他营养元素的自然循环。除了干湿沉降可以补充一些氮素之外，其他营养元素的供应相对困难。因此，可以考虑通过补充化肥或有机肥来克服养分不足的问题，从而提高生产力。另外，可以充分利用草原雨热同期的有利条件，及时进行灌溉来发展人工草地，这样可以减轻放牧压力。通过农牧耦合，减少越冬牲畜的数量也能够减少经济损失。
1.3.2 土壤碳氮库培育
现在土壤中的碳主要以有机物的形式存在。在我国，耕地的有机质含量普遍很低，平均只有大约 1%。通过利用有机肥料进行土壤施肥，可以显著提高土壤中的碳含量。这里的有机肥指的是来自自然界中的所有光合产物以及它们的衍生物，而不仅仅是传统意义上的人粪尿和动物排泄物。高效生态农业中使用的有机肥料主要是以植物为原材料制成的肥料，比如绿肥、秸秆肥、杂草肥等。当生态农田位于暖温带湿润地区，土壤中的有机质含量提高到 5%时，即使不再施肥，作物的周年产量也能超过 1 吨（例如小麦和玉米的周年产量）（Liu et al.，2016）。
氮是植物生长必需的元素。其中，78%的氮气含量来自空气，是自然界中可以利用的氮的来源。生物固氮、雷电固氮和干湿沉降都可以提供植物所需的氮源。在种植过程中，通过培育土壤中的碳库来活化土壤中的氮，并通过微生物的活动固定空气中的氮。碳和氮的比例变化为10:1～12:1。当土壤中的碳含量增加到5%时，20厘米耕作层中便会有1.75吨/亩纯氮，这些氮不会流失，可以满足作物的需要，而无需使用化肥。解决了氮的问题之后，磷、钾和其他大量元素与微量元素的问题也会相应得到解决。解决这些问题的基本思路是，每年将作物带走的氮双倍还回土壤，使得土壤中可利用的氮不断增加。因此，维持土壤的合理碳氮比对于生态农田非常重要。
有许多方法可以增加土壤的碳氮库，比如每年添加有机肥、利用秸秆还田、种植或施加绿肥、以及利用杂草来提高土壤养分含量。生态农田需要每年增加碳和氮的供应，而不能仅依赖化肥。我国农区的农田经过四五千年的耕种依然没有出现退化，这得益于有机肥料的养分补给。过去，有机肥料资源匮乏，动力不足，导致农田的产量低下。然而现在这些问题已经基本得到解决，并且培育土壤的碳氮库增产技术已经非常成熟。
生物多样性是指地球上各种生物种类的丰富程度和多样性。生物多样性的维持机制包括各种生物相互作用，如食物链、共生关系和竞争关系，以及生物栖息地的多样性和稳定性。保护生物多样性对于维持生态系统的平衡和稳定至关重要，因此，需要采取措施来保护濒临灭绝的物种，减少破坏性的人类活动，以及促进可持续的资源利用和环境保护。
农业生态系统中的生物多样性对于农田的健康至关重要，尤其是土壤生物多样性。这种多样性不仅包括各种种植作物和养殖动物，也包括了土壤中的微生物种类。一个生物多样性丰富的农业生态系统能够提高系统的稳定性，增强对自然灾害的抵御能力，同时也延长了农产品的货架期，避免了农产品因集中上市而导致的滞销问题。据徐子雯（2019）的研究结果，在弘毅生态农场的 10 亩农田中发现了包括植物、动物和微生物在内的 73 种经济物种。在这个多样性农场中，害虫和杂草被看做是资源并得到有效利用。同时，由于土壤和农田生态系统的健康，植物疾病几乎消失。
普通的物种，如害虫和杂草，在农田中起着至关重要的作用，尽管它们的作用是有利有弊的。害虫会损害作物，但它们也能为一些需要虫媒作物授粉的植物提供帮助，并且它们同时也是益虫的食物。害虫死后，其尸体可以参与构造土壤的团粒结构；杂草会与作物竞争养分，但同时也有助于增加土壤中的碳和氮等营养成分。此外，杂草的根系和分泌物对维持土壤中的生物多样性和保持优良的土壤结构也起到了重要作用。当然，对于害虫和杂草，生态农田的主要工作是适当管理它们，以免造成危害，并将其变成有益的资源。
1.3.4 生态位
农田生态系统中的不同物种都在时间和空间上占据着各自独特的生态位。这些物种通常相安无事，只有当它们的生态位发生重叠时，才会出现激烈的竞争或对抗。生态位是每种生物在生态系统中生存所需的最小生境阈值。在一定程度上，如果两种生物具有相似的生态位功能但分布在不同地理区域，它们可以被称为生态等值生物。
生态位是指生物种群在生态系统中的一种特定位置，与资源利用谱概念密切相关，生态位宽度指的是一个生物利用的不同资源总和。在农田中，由于种间竞争，一种生物通常无法利用其全部原始生态位，而只能占据实际生态位。作物的生态位往往会受到人为的保护干预，以追求高产，这可能会包括人工或机械的干预措施来去除竞争者。土壤表面和下部一定深度范围内是土壤微生物、蚯蚓、线虫等生物的生态位，同时一些害虫的幼虫也分布在土壤中。通过巧妙利用生态位的空间差异，可以减少杂草控制成本，例如在果园下面生长草就是利用了乔木和草本植物的生态位差异。通过种植高秆作物如高粱也能够控制杂草，因为高粱占据着不同的生态位。生态位的时间差异也可以被利用来控制和利用害虫和杂草，例如诱虫灯通常捕捉夜行害虫，而益虫多在白天捕食，因此不太容易受到影响。夏季的杂草和春季的生长周期相差较大，因此可以利用夏季高温多雨的条件来生长杂草，并在其中混播豆科植物来减少土地的劳作，然后在冬季种植小麦以提高产量。在北方农田中，夏季玉米农田主要有牛筋草等杂草，而小麦农田以播娘蒿为主。
1.3.5 人工生态系统设计
一旦了解了农田生态系统中生态因子的变化特点、物种组成及其相关关系，人类就可以利用这些生态学知识来设计农田生态系统，从而更好地实现高产量、生物量或经济效益的目标。
种植不同农作物、树木和草药来共同生长，以及药材和粮食作物的相互种植等，都是利用生态学原理设计的农田生态系统。在这些设计中，种子是至关重要的因素。种子可以被看作是农业的“基因”，它决定了作物的品质和产量。在高效生态农业模式中，我们避免使用转基因种子，除了用于动物饲料生产的一部分杂交种外，我们鼓励农户保存自己的种子。通过多年的生态育种和自留种子，农作物的产量呈现出增加的趋势。
在生态农田生态系统中，农业已不再是现代化学污染的来源，也不再是温室气体排放源，而是一个重要的温室气体储存库，从根源处解决了面源污染问题。这一转变大幅改善了农田生态环境，逐渐恢复了农田的生物多样性。现在农产品不再含有人为添加的有害化学物质，这对于人类健康具有极大的益处，降低了重大疾病的发病率。农业也已经成为了一个附加值高的产业，吸引了大学生、农二代等年轻人投身其中。有益的种子资源可以长期保留下去，病虫草害的发生率基本得到了控制，土地也越养越肥，耕地生产力得到了稳定提高。这样的农艺传承方式也为农村劳动力提供了更多的就业机会，他们无需再走出家门就可以获得合理的报酬。
