一、概述
与任何生态系统类型相比，农业生态系统对我们生活的影响可能是最大的，因为它既为人类提供食物和纤维，同时也强烈地影响着人类的生活环境。当今的农业生产在维持其供应能力并减缓环境危害的同时正将重点从最大化转移到更新化和最优化上来。我们以下介绍的研究方法可以用来大规模和长期性地推测美国农业的未来，这种方法通过模拟模型和地理信息系统综合考虑了田间研究信息和过程信息。我们知道，在农业生态系统中存在着大量的相互作用和反馈机制，它们随着气候和管理工作的不同而千变万化，如果不利用这些模型进行推测是相当困难的。在过去的十年里已创建了一些农业生态系统项目，这些项目在农学家们所进行的系统管理方面的不懈努力下，正在为建立农业研究的更完整的系统方法奠定基础。在农业生态系统学领域里，生态学家和农学家的目标正趋向一致。这种综合将有助于解决我们当今所面临的生产与环境问题。
二、农业生态系统
在所有生态系统中，农业生态系统管理的集约性首屈一指，它分布在生产力最高的土地上，约占陆地面积的30%。在环境保护上农民远甚于其他任何团体。由于在农业管理上存在着内在的周期性和长期性干扰，农业生态系统是变化最快的生态系统类型之一。因此，尽管农业生态系统由于其低成本的食物和纤维满足了人类生活的高标准需求，但在同时，它也严重地恶化了我们周围的环境。Paarlberg（1980）认为：未来将证明那些把生态忧虑看作是一种时髦的人是错误的，这一预测千真万确。
对于美国农业来说，我们目前正处于紧要关头。过去我们具有大量的土壤资源，其中有机质形成的养分非常丰富，靠此来维持作物的高水平生产。这些资源经过100 - 200年的利用以后，已逐渐枯竭，相反，化肥的施用量却日益高涨，这相应又降低了农民的边际效益。与此同时，水域的污染不断扩大，地下水枯竭的危险逐步升级，高度集约的农业就是这些污染的主要根源。
于是，我们必须面临这样一个挑战：在能源供应短缺和环境污染增加的情况下，我们还能维持我们的农业吗？如不过分增加消费者的支出还能保证农民的利益吗？在西欧的同行正处理同样的问题，不过他们已经先走一步了。如果我们把不同水平的时空视为一个系统的话，那么，答案也许就在于这个系统的优化上，这与过去大不相同，因为那时是一个似乎资源无限、环境如初的时代，单独的努力就可实现瞬间的最大化。任何农业生态系统都是一个生物组分和包括某些人为控制的非生物组分相互作用的体系，这个体系构成了用于食物和纤维生产的统一整体（生态系统）。农业生态系统是受到主动干扰的生态系统，在人类的参与下，它被迫形成远远不同于原始自然系统的状态。它的现存状态仅仅是初始状态和未来状态演进轨道中的一个点，由于新型管理措施的实施以及气候上的变化，未来状态也随之发生着变化。因此，这个演进轨道也同样捉摸不定。这些长期性的生态变化是难以计量或预测的。
如果把过程研究、模拟模型以及由地理信息系统组织的大型数据库的信息综合起来，将使我们有可能确定农业生态系统的现存状态和发展的路线。我们亦将能够预测现存状态、新型管理措施、变幻莫测的天气模式以及与农业生态系统有关的气候变化所产生的长期效应。能否进行以上这些预测就在于能否解决诸多异常复杂的问题上，根据国家科学评议会的报告（1974），这些问题是：
需要一个明确的、综合的方法，它能综合多种专业学科的观点和方法，也许还要考虑先进学科的完全新颖的概念和方法。必须开展大规模的模拟和建模工作，综合有关这些领域各种不同的知识，寻觅问题的基本必威在线网站首页网址 并预测其未来进程。
现在，很多综合性概念、必要的信息、研究基地以及必要的方法都可以在农业生态系统的研究中加以利用。
我们目前正面临着抉择：我们拥有模型、计算能力和日积月累的经验，这些经验能使我们在真正的系统观内考察我们的农业问题。目前，在许多不同的农业系统类型中，都在进行着长期性的试验研究，这为我们检验一些有关生态系统扰动的假说提供了大量的可利用的数据基础。以下要介绍的方法：是为满足科学家和决策者进行实用预测的需要而提出的，这种方法注重了农业的必威在线网站首页网址 性，在提高农业生产水平的基础上，综合考虑了农业的持久性和环境质量。
三、方法
我们的目标是：理解认识区_农业生态系统的结构与功能，预测因管理措施改变及气候变化所产生大规模、长期性的变化，为满足这一目标，必须同时考虑几种时空水平（图1）。综合性农业生态系统模型可包括有关驱动变量、过程及特性的信息。这种模型的一个主要功能是作为整个研究的概念中心。一般来说，单独过程的研究是由普通到特殊的方式进行的。由于研究人员把精力集中在特定过程上，其它同等重要的过程常常被忽略了。只有利用模型才有可能确定满足提出的目标所必需的信息，并将误差减至最小。在不同的信息之间，有可能重新确定研究方向（图1），也可以设计相应的试验、搜集或整理基础数据。从而，在高层次的综合和具体的试验之间，利用农业生态系统模拟模型可以很方便地产生重要的反馈信息。
过程研究也可以提供一些必要的信息，包括田间管理试验、田间试验性操作、温室试验、室内小气候试验或土壤中详细的化学、物理、微生物特性的研究信息。在过程水平上建立的模型有助于调查者系统地评价用来解释试验结果的各种备用假设。而通过评价代表不同假设的模型模拟准确程度，可以比较研究某些对立性解释。因此，如果需要的话，还必须设计新的试验。大冬现存的有关农业信息都是从过程研究中取得的。这些丰富实用的信息为建立目前农业生态系统的系统框架奠定了基础。根据整体系统模型的需要，还可以吸取和利用最新的基础数据和试验的信息，以便作进一步改善（图1）。
农业生态系统模型一定要在管理措施、气候、土壤和时域较大的变化幅度中得到验证。幸运的是，已进行多年的田间小区试验可提供切合实际的数据。美国农业部农研局试验基地、州试验站、加拿大农业试验基地、加拿大省级研究站以及其它国家相应的研究基地都进行着这类试验（图1）。因此，用来验证农业生态系统模型的信息大多已经具备。然而，这种信息通常不能直接作为基础数据，每一个试验基地并没有搜取所有必要的信息，还需要作出共同的努力，整理这些信息并从目前的试验站中以可用于模型验证的形式搜集信息。
通过综合不同规模的地理信息和时域信息，我们可以评价生物过程在多变的全球气候中所起的作用。农业生态系统在区域或全球水平上的应用下要输入空间上确定的模型变量，这可借助于适当的为处理空间信息而设计的软件系统 - 地理信息系统，通过对地理数据库的组织来完成（图1）。每一种地理数据库都可以实现地图绘制，它们相互叠加形成复合的地理信息系统数据库，这个数据库把土壤、气候、植被和管理信息综合成同一分辨尺度，这可形成相当浓密的多边形地图，每一个多边形代表一组特定的驱动变量。经选定的变量组就可用来驱动农业生态系统模型运行。由每组驱动变量产生的输出落实到相应的多边形上，再利用地理信息系统广泛地预测农业生态系统的特性。为实现在管理与气候上所期望的地理变化，需要调整模型的输入变量，这也可以预测农业生态系统中发生的长期的、大规模的变化，并可能预测这些系统的长期供应能力。
有几个大型地理数据库已经用于大规模地建设工作。其中有土壤保持局（SCS）的土壤数据库、全国土壤普查面积数据库、美国气象局信息数据库、美国农业部资源名录数据库和一些由科学家们自发组建的数据库。
借助于地理信息系统，统计模型和模拟模型都可以用来预测有关农业生态系统的区域性信息。从地面观测站获得的地理信息有助于解释遥感数据。
四、合作
包括农学家和生态学家在内的合作项目已经取得了显著成绩，为农业生态系统研究提供了许多重要信息、新颖思想以及最新观点，瑞典可耕地规划就是一个生态系统水平的研究项目，它始于七十年代中叶，重点研究氮素循环中土壤微生物区系的作用。该项目由农业局和自然科学局投资。Tifton项目接受了国家科学基金会（NSF）和美国农业部农砑局的资助，该项目在研究用于农业生产的整个流域期间，不同学科科学家之间的相互合作获得了明显效果。
马蹄弯地区规划也是一项整体系统研究，它是在佐治亚大学进行的，重点是比较免耕和常规耕作管理的结果。自然科学基金会连续赠款资助这个项目。密执安州立大学在Kellogg生物试验站正进行两项跨学科的农业生态项目，它主要靠国家科学基金拨款 · 其中一项重点研究在常规耕作和免耕玉米生产中的元素循环。另一项是唯一的农业生态系统项目，是国家科学基金会资助的长期生态研究规划中的一个问题。最近开始的有关耕作系统土壤生态学的荷兰规划汇集了来自于不同研究机构和专业学科的训练有素的科学家和农学家，他们的目的是要解决两个问题，一个是养分矿质化过程与植物吸收的同步问题，另一个是经改良的圩田土壤结构的发育问题。大平原规划已将重点从草地生产力的管理效果转移到耕地上来，它依据模拟模型和室内与田间的研究结果，为进行生态系统扰动的长期效应的区域分析打下了基础。这种跨学科性的研究不仅需要国家自然科学基金会、农研局、科罗拉多州立大学实验站的支持，还必须利用来自于美国农业部农研局大平原系统研究单位、科罗拉多州立大学森林与自然资源学院、科罗拉多州立大学农学院的科学家们的专业技能。
上述实例展示了有关农学家和生态学家的相互结合，尤其是在生态系统水平上的结合的进展情况。这种合作既是可能的，又是所希望的。农学家需要的是规划，以解决包括持久性农业在内的问题；生态学家需要的是详尽的过程研究信息和专业知识、现有的长期研究基点以及大型区域数据库，以解决在多层次时空基础上的综合问题。这使我们更增加了对全球性变化以及其它有关开发国际地圈/生物圈规划问题的兴趣。
五、农业科学与生态科学的结合
生态学的研究内容包括生物与其环境（生理生态学）、生物种在种内（种群生态学）和种间（群落生态学）相互作用的研究，以及整个系统内（生态系统学）所有这些水平上相互作用的综合研究。在某些重要的情况下，作为系统组成部分的人类所起的作用已被明确地包括在生态研究中。在那些将狩猎者和采集者或放牧者作为系统成分的研究中，基本的进化理论是需要加以考虑的。随着文明的进步和农业的形成，人类在支配动植物种类的丰度与分布中愈来愈起到更积极的作用，自然选择的作用越来越弱，并逐渐被人类智慧产生的主动控制所代替。人类成为决定重要农业物种特性的主要决策者。生物技术，尤其是遗传工程和基因拼结技术就是这种主动控制的基本体现。但是，人类自身仅是生态系统内参与相互作用的有机体之一，所以，从广义上看，作物与家畜育种过程仍然是自然选择的一部分。尽管自然选择不能控制繁育对象，但它能影响若诸如杂草、害虫、病害和寄生虫等所谓的有害物种。因此，研究这些有害物种种群和群落的生态与进化状况对我们认识它们fc农业生产中的必威在线网站首页网址 大有裨益。
虽然目前更为重视环境质量，但经济学仍然是农业与农业科学的强大推动力。经济发展的研究一般是在某个地区、区域、全国或全球进行的，这样，一些农业措施及其在景观和生态系统中的配置并不完全受气候和土壤状况的限制，而往往由行政范围决定。当我们需要更有效地利用耕地时，这种情况正在缓慢地发生着变化。例如：德威特（1988）建议：欧洲共同体在制订农业经济政策中，应分别考虑“多资助”和“少资助”地区。
农业科学涉及了大批不同的专业学科，其中包括了植物学、动物学、土壤学、社会学及经济学中的很多内容。甚至在某一专业范围内也存在着大量的专业化学科。例如，土壤学是由许多亚学科（化学、物理学、微生物学、肥力及管理）组成的，每一学科还有进一步的专业化领域，需要我们不断地综合平衡这些亚学科以加深对系统的认识。虽然强调应用性，但仍有一些专业领域由于过分地注重理论研究难以应用实际而受到批评（如土壤化学和土壤物理学）。
按古代欧洲人的传统，土壤学被认为是自然科学，调查研究的目的更倾向于根据广泛地观察而形成理论_通过创建美国赠地大学和联邦署，美国农业研究建立了解决农业问题的庞大信息库，却很少注意对农业系统行为作出一些更基本的解释。由于我们跨进了更注意解决持久性、利用效率、污染防治的时代，我们对农业系统的认识将日益取决于对整体系统功能的认识。
在欧洲，土壤学早就对陆地生态学产生了显著影响。生态系统概念对于汉斯 · 詹妮（1941，1958，1961，1980）为土壤发育建立的状态因子方程起到了重要的作用，这个方程明确地把人作为一个驱动变量，为农业生态系统提出的驱动变量 - 过程 - 特性模式提供了依据。奥尔森（1958）在演替和土壤发育研究中获得了优秀成果。美国国际生物学规划针叶林生物群落的最初指导者杰塞尔亦同詹妮一起工作过。威特卡普（1971）把土壤作为生态系统组分的观点可能来源于他在欧洲的学习以及受到范德教授《荷兰冰磷》一书的影响。土壤生物学家与生态学的结合也可能起因于欧洲与美国科学家之间的相互影响。继续同欧洲农业生态学家进行合作将是十分有益的。
生态系统学家越来越注意到土壤在控制生态系统性质及过程中所起到的重要作用。而且，在整个生态系统框架内对土壤基本特征的进一步调查研究将产生新见解。观察土壤剖面并认识理解其发育过程能得到各种生态系统的本质特征。
农业研究正日益采用系统方法，这既促进了学科间的综合，同时也重视专业科学家的研究方向，其方向总是要解决问题并行之有效。而且，从系统方法产生的信息又刺激了关键领域中的基础研究。
为在不受眼前问题影响下完善其基本原理，必须要对农业生态系统的系统分析进行专题探讨。在那些支持应用研究或基础研究、或兼顾的政府部门的资助下，必须加强有一流生态学家和农学家参与的农业生态系统的基础研究。
[Ecology，1989年第70卷，6期］