农业生态系统：被简化的农田生态系统
农业生态系统是为了获得食物、纤维或燃料而由人管理的生态系统。和自然生态系统相比，它有以下特点：
- 生物多样性低：常常是单一种植（只种一种作物），杂草、害虫和竞争者都被清除。
- 食物链短：作物 → 人，或作物 → 牲畜 → 人。食物链每上升一级，大约损失90%的能量，所以每公顷地上，吃植物性食物能养活的人比吃肉多。
- 额外投入：化石燃料能量（机械、生产化肥）、水、养分和农药。能量效率 = 输出的食物能量 ÷ 投入的能量；高强度系统投入的能量往往比传统系统多。
- 开放的养分循环：收获会带走养分，所以必须补充。
农业系统有的粗放（每公顷投入少，如游牧），有的集约（投入高、每公顷产量高）；有的是自给型（供自家食用），有的是商品型（用来出售）。
改良作物和牲畜的品种
- 选择育种：挑选有优良性状的亲本（高产、矮秆、抗病、产奶多），连续繁育许多代。
- 高产品种（HYV）：矮秆的小麦和水稻，把更多能量用来长籽粒，施足肥也不会倒伏。
- 基因改造（GM）：把另一个物种的基因转移过来，例如Bt棉花自己能产生杀虫成分；黄金大米能产生维生素A。
- 基因库和种子库保存野生近缘种和古老品种，作为有用基因的来源。
需要注意的问题：遗传多样性下降（许多农场种同一个品种，一种病就会让它们全部遭殃）、每年都要买种子、基因漂移到野生植物，以及关于转基因安全性和企业控制的争论。
绿色革命
绿色革命（20世纪40年代起源于墨西哥，60至70年代传遍亚洲和拉丁美洲）是一整套措施：
- 小麦、水稻和玉米的高产品种种子
- 灌溉（水渠、机井）
- 合成化肥（特别是氮肥）
- 农药和除草剂
- 机械化（拖拉机、脱粒机）
好处：谷物产量大约翻了一番到两番，饥荒变少，粮价下降，印度等国实现了粮食自给。同样的土地产出更多粮食，也减轻了砍伐森林开垦农田的压力。
问题：有水有贷款的富裕农民受益最多；小农户陷入债务；饮食变得只剩几种谷物；地下水下降；土壤有机质减少；污染和害虫抗药性增加。
农业对环境的影响
- 富营养化：过量的硝酸盐和磷酸盐流进湖泊和河流 → 藻类大量繁殖 → 藻类死亡 → 细菌耗尽氧气 → 鱼死亡。
- 盐碱化：在炎热干旱的地方，灌溉水蒸发后把盐分留在表土里，作物难以生长。
- 渍涝和地下水位下降：由过度灌溉和过度抽水引起。
- 水土流失和土壤退化：翻耕、裸露的农田、过度放牧和拆除树篱，会让风和水带走表土；重型机械压实土壤；有机质减少。
- 农药问题：害虫产生抗药性，伤害蜜蜂和其他非目标物种，还会沿食物链发生生物积累和生物放大。
- 生物多样性和栖息地丧失：砍伐森林、开垦湿地、单一种植。
- 温室气体：燃料和毁林产生二氧化碳（CO₂），牛和水田产生甲烷，化肥产生一氧化二氮。
影响农业的社会和经济因素
农民种什么、怎么种，不只取决于土壤和气候：
- 市场和价格：经济作物价格高，农民就会改种它。
- 政府政策：补贴、最低保护价、廉价的电或化肥，可能鼓励人们过度用水或只种一种作物。
- 土地所有权：地块很小或是租来的，就不利于长期养护土壤。
- 获得贷款、技术和知识的机会。
- 饮食和需求：肉类需求上升，需要的土地和水比植物性食物多得多。
- 贸易和超市：对规格统一、价格便宜的农产品的需求。
让农业更可持续
- 轮作和豆科作物（豆类、扁豆、三叶草）能固氮，还能打断害虫的生活周期。
- 病虫害综合防治（IPM）：监测害虫；利用天敌、抗性品种和诱捕器；只在必要时才喷药。
- 保护性耕作/免耕、覆盖作物、覆草、等高耕作和梯田，可以减少水土流失。
- 高效灌溉：用滴灌和喷灌代替漫灌；根据土壤湿度安排浇水。
- 精准农业：用GPS和传感器，只在需要的地方施肥。
- 农林复合和树篱：树木为土壤遮挡风雨，储存碳，还能让野生动物安家。
- 有机农业：不使用合成化肥和农药；产量往往较低，但土壤中的生物更丰富。
目标是可持续集约化：在同样的土地上产出更多粮食，同时造成更少破坏。
动手试试：化肥实验
把水芹或芥菜种子分别种在四杯土里。分别用清水，以及加了一小撮、一中撮、一大撮植物肥料的水浇灌。10天后比较高度：生长先加快，然后趋于平缓（收益递减），肥料太多还会烧根。在3D自由操作的那一步里，找一找既能高产、池塘又保持干净的化肥用量。
重点公式和概念
- 农业生态系统 = 有人投入的、被管理的简化生态系统
- 农业的能量效率 = 输出的食物能量 ÷ 投入的能量
- 绿色革命的“一揽子”措施：高产种子 + 灌溉 + 化肥 + 农药 + 机械
- 富营养化：养分 → 藻类大量繁殖 → 分解 → 缺氧 → 鱼死亡
- 盐碱化：灌溉水蒸发 → 盐分留在表土
例题讲解
1. 解释为什么矮秆的高产小麦适合大量施肥。
肥料会让麦穗变重。传统的高秆小麦会倒伏，籽粒会烂掉。矮而结实的茎能撑住沉重的麦穗，植株也把更多能量用来长籽粒，而不是长秆。
2. 农田下游的河水夏天变绿，鱼大量死亡。请说明事情发生的过程。
雨水把田里过量的硝酸盐和磷酸盐冲进河里。藻类快速生长（水华），挡住了光线。藻类死后，细菌分解它们，耗尽水中溶解的氧气。鱼和其他动物窒息而死。这就是富营养化。
3. 评价印度的绿色革命。
积极方面：小麦和水稻产量成倍增长，避免了饥荒，印度实现了粮食自给。消极方面：好处集中在有灌溉的地区和较富裕的农民；旁遮普的地下水大幅下降；土壤变咸、有机质变少；农药用量上升。总的来说，它让数百万人免于饥饿，但也带来了可持续性问题，今天需要新的方法来解决。
常见错误
- 说化肥总是能提高产量。产量会趋于平缓（收益递减），多出来的肥料大多变成了污染。
- 把盐碱化（灌溉水蒸发后留下盐分）和渍涝（土壤里水太多）弄混。
- 评价绿色革命时只写好处或只写问题。考试答案需要全面、平衡的评价。
- 忘了社会和经济因素。政策、价格和土地所有权对农业的影响不亚于气候。