1.3 農田生態系統基本原理
1.3.1 水熱耦合
農田生態系統是由氣候、土壤、生物等因子共同作用而形成。其中，大氣溫度和降水量占主導地位，對其他因子產生重大影響。農田是在改造自然生態系統的基礎上而來的，不同植被地理背景下農田的生產力或產量受水熱組合影響最大。自然界中擁有最高生產力的是熱帶雨林，約 45 噸/（公頃·年），是在不施肥、不打藥基礎上實現的，因為熱帶雨林的水熱條件最好，元素循環快。在農田中，光照、二氧化碳都不是限制因子，而水熱條件尤其水熱組合，最能反映農田生態狀況。即使有些農田面臨季節性干旱脅迫，我國依然比真正的地中海荒漠區域的農田具有十分有利的條件。我國草原是雨熱同期，而地中海附近、非洲的部分草原，雨熱出現的最佳時期是冬夏季分離的。
水利是農業的命脈，在不同氣候帶上水熱組合決定了生態系統的生產力，生態農田盡量利用天然降水，適度利用客水或地下水，做到“旱能澆、澇能排”。熱，即熱量，地球上的一切熱量來自太陽，熱對植物生長發育乃至群落分布有重要的作用。在不缺少陽光的地方，熱量尤其與水的耦合對農業增產的作用大于化學肥料。生態農田利用自然界的熱量，不進行反季節種植，而是充分利用我國水熱同期優勢，因地制宜發展適合的作物。高溫的夏季雜草生長也很繁茂，如果將雜草作為資源利用起來改良土壤，也是生態農田利用熱量資源的有效途徑之一。為發展人工草地，草原上除了干濕沉降補充一些氮素，其余的營養元素完全靠天然循環，較難提高生產力，可以考慮補充化肥或有機肥，克服養分不足的缺陷。適度利用草原雨熱同期有利因素，及時灌溉，發展人工草地，可以減少放牧壓力；農牧耦合，減少越冬牲畜數量，可以減少經濟損失。
1.3.2 土壤碳氮庫培育
碳表現在土壤中即有機質。目前我國耕地有機質普遍很低，平均為 1%左右。通過有機肥養地，可大幅度提高土壤含碳量。這里的有機肥指自然界中的所有光合產物及其衍生物，不僅僅是傳統理解的人糞尿和動物排泄物。高效生態農業中的有機肥以植物源肥料（如綠肥、秸稈肥、雜草肥）為主。氮是植物光合生長必需的元素。空氣中氮氣含量為 78%，自然界可以利用的氮均來自此。生物固氮、雷電固氮、干濕沉降都可以提供氮源。在種植過程中，用以上培育碳庫的辦法，培育土壤氮庫，通過微生物活動固定空氣中的氮，并活化土壤中的氮。碳與氮之間的比例變化為 10:1～12:1，當土壤含碳量增加到 5%時，意味著20 厘米耕作層中1畝有1.75 噸純氮，這些氮不會像化肥那樣流失。因此，即使不開化肥廠，也能夠滿足作物需要的氮。
由于土壤中的磷和鉀基本不缺，解決了氮的問題，磷、鉀和其他大量元素與微量元素的問題就會迎刃而解。解決這個問題的基本思路是，每年將籽粒帶走的氮雙倍還回土壤，使土壤可利用氮不斷增加。因此，土壤合理的碳氮比對生態農田異常重要。增加土壤碳氮庫的方法有很多，除每年添加有機肥外，秸稈還田、種植或施加綠肥、利用雜草肥等都是很好的辦法。生態農田必須每年添加碳和氮，不能依靠化肥替代。我國農區的農田使用了四五千年沒有退化，就是有機肥養地的結果。只不過過去動力不足，有機肥來源少，農田產量低。如今，這些問題已得到基本解決，通過培育土壤碳氮庫增產技術已非常成熟。
1.3.3 生物多樣性及其維持機制
生態農田具有豐富的生物多樣性，尤其是土壤生物多樣性。農田生物多樣性包括種植物種與養殖物種多樣性。在一個多樣性的農業生態系統中，其穩定性提高，抗自然災害能力加強，同時延長了農產品貨架期，避免集中上市帶來的農產品滯銷。本團隊在 10 畝農田的基礎上發展的弘毅生態農場中，經濟物種有 73 種，包括植物、動物與微生物三大類（徐子雯，2019）。
在這個系統中，害蟲與雜草都變成資源被利用起來。同時還發現，由于土壤健康，農田生態系統健康，植物病害基本消失。害蟲與雜草是普通的物種，它們的作用是辯證的。害蟲會吃作物，但也會給一些蟲媒作物授粉，害蟲是益蟲的食物，害蟲死亡后，其尸體可以參與構造土壤的團粒結構；雜草會與作物爭養料，但也會增加土壤碳、氮等營養。雜草根系及其分泌物對維持土壤中的生物多樣性及保持良好的土壤結構也起到很重要的作用。當然，對于害蟲和雜草，生態農田主要的工作是適當管理它們，不使其造成危害，并變害為寶。
1.3.4 生態位
農田生態系統中的不同物種都有自己的生態位，在時間空間上占據各自的位置，這些物種大部分時間相安無事，只有當生態位重疊時才會發生激烈的競爭或對抗。生態位是生態系統中每種生物生存所必需的生境最小閾值。兩個擁有相似功能生態位、但分布于不同地理區域的生物，在一定程度上可稱為生態等值生物。生態位是與資源利用譜概念等同的，生態位寬度是指被一個生物利用的不同資源的總和。在農田中，因種間競爭，一種生物不可能利用其全部原始生態位，所占據的只是現實生態位。作物的生態位是人為保護的，往往為了高產，進行人工或機械干預，去除競爭者。
土壤表面上下一定高度和深度，是土壤微生物、蚯蚓、線蟲等動物的生態位，一些害蟲的幼蟲也分布在土壤中。利用生態位的空間差異，可以減少雜草控制成本，例如果園下面生草，就是利用喬木與草本的生態位不同；種植高粱也可以控制雜草，因為高粱為高稈作物；利用生態位的時間差異可以控制和利用害蟲及雜草，如誘蟲燈捕殺的往往是夜行害蟲，而益蟲多在白天捕食因而較少受害；夏季的雜草很難在春季生長，因此可以利用夏季高溫多雨生長雜草，混播豆科植物養地，然后種植越冬小麥，提高小麥產量。在北方農田，夏季玉米農田雜草以牛筋草等為主，小麥以播娘蒿為主。
1.3.5 人工生態系統設計
掌握了農田生態因子變化特點、物種組成及其相關關系，人類就可以利用這些生態學知識進行農田生態系統設計，力求獲得較高的產量、生物量或經濟效益。間作套種、林糧互作、藥糧互作等，都是利用生態學原理進行的農田生態系統設計。在農田生態系統設計中，最重要的因素是種子。種子是農業的重要“芯片”，人類無法造出種子。高效生態農業模式杜絕轉基因種子，除為動物生產飼料利用一部分雜交種外，鼓勵農戶自留種子，經過常年生態育種與自留種，產量有增加趨勢。
在生態農田生態系統中，農業再也不是現代化學污染源，不是溫室氣體排放源而是溫室氣體庫，從源頭解決了面源污染問題；農田生態環境大幅度改善；農田生物多樣性將逐漸恢復；農產品不再含有人為添加的有害化學物質（目前圍繞食物鏈合法使用的化學物質高達 5 萬多種）；農產品提供的優質健康能量，使人類重大疾病發生率大幅度下降；農業將成為附加值高的產業，大學生二代、農二代等年輕人進入農業；優良種子資源可以長期保留下去；病蟲草害發生率基本可控，土地越養越肥，耕地生產力得到穩定提高。農藝有人傳承，農村的勞動力可在家門口轉變為鈔票，不必再進城打工出賣勞動力。
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