第五章 农业生态系统的物质循环分析ppt课件.ppt

第五章农业生态系统的物质循环 主要内容 生态系统物流的一般特点 几种主要物质的循环 农业生态系统中的养分循环 物质循环中的环境问题 物质循环与能量流动一样 也是生态系统的功能之一 有机体和生态系统为了生存与发展 除了不断输入能量外 还必须不断输入物质 因此 物质既是生命活动的物质基础 又是能量的载体 起着双重作用 能量和物质同时沿着食物链和食物网流动 传递 能量流动是单方向的 而物质流动则是循环的 能量流动 物质循环 第一节生态系统物流的一般特点 一 物质循环的基本概念 一 生物地球化学循环 地球上的各种化学元素和营养物质在自然动力和生命动力的作用下 在不同层次的生态系统内 乃至整个生物圈里 沿着特定的途径从环境到生物体 从生物体再到环境 不断地进行流动和循环 这些不同的循环途径就构成了生物地球化学循环 1 根据物质循环的范围 路线和周期的不同 可将生物地球化学循环分为地质大循环和生物小循环 地质大循环 指物质或元素经生物体的吸收作用 从环境进入生物有机体内 然后生物有机体以死体 残体或排泄物形式将物质或元素返回环境 进入大气 水 岩石 土壤和生物五大自然圈层的循环 特点 时间长 范围广 影响面广 是闭合式的循环 生物小循环 指环境中元素经生物吸收 在生态系统中被相继利用 然后经过分解者的作用回到环境后再为生产者吸收 利用的循环过程 特点 范围小 时间短 速度快 是一种开放式的循环 2 根据循环主要是与大气圈 还是与岩石土壤或水圈联系分为气相型和沉积型 气相型 贮存库是大气和海洋 元素或化合物可以转化为气体形式 通过大气进行扩散 弥漫于陆地或海洋上空 在很短的时间内可以为植物重新利用 例如CO2 N2 O2等 水实际上也属于这种类型 特点 循环速度快 周转率高 流通量大 因此 从全球意义上看 这类循环是比较完全的循环 气相循环把大气和海洋相联系 具有明显的全球性 沉积型 主要贮存库是地壳 贮存在地壳里的矿物元素 经过自然风化和人类的开采冶炼 从陆地岩石中释放出来 为植物所吸收 参与生命物质的形成 并沿食物链转移 然后 由动植物残体或排泄物经微生物的分解作用 将元素返回环境 除一部分保留在土壤中供植物吸收利用外 一部分以溶液或沉积物状态随流水进入江河 汇入海洋 经过沉降 淀积和成岩作用变成岩石 当岩石被抬升并遭受风化作用时 该循环才算完成 特点 循环缓慢 并且容易因局部干扰而失去平衡 成为 不完全 的循环 二 物质循环的库与流 1 物质循环库 库 物质在循环过程中被暂时固定 贮存的场所 生态系统中各组分都是物质循环的库 农业生态系统中的库主要有 植物库 动物库 土壤库 大气库和水体库 5大库 生物地球化学循环中 物质循环的库可归为两大类 贮存库 容积大 物质交换活动缓慢 一般为环境成分 如土壤为磷的贮存库 交换库 容积小 物质交换活跃 一般为生物成分 如植物为磷的交换库 2 物质循环的流 流 指物质在库与库之间的转移运动状态 生态系统有两个主要的流 物流与能流 此外还有信息流 农业生态系统要获得高生产力 就要使系统内的能量和物质流流量多 而且畅通无阻 库与流的关系 没有库 环境资源不能被吸收 固定 转化为各种产物 没有流 库与库之间就不能联系 沟通 生命无以维持 生态系统必将瓦解 一个高效的生态系统必须是库要大 流要畅 周转率 R 指系统达到稳定状态后 某一组分 库 中的物质在单位时间内所流出的量 FO 或流入的量 FI 占库存总量 S 的比值 即R FO S或FI S FO S R or R FI S 周转期 T 指某组分的物质全部更换平均需要的时间 它是周转率的倒数 即T 1 R 三 周转率与周转期 周转率与周转期是衡量物质流动 或交换 效率高低的两个重要指标 物质的周转率用于生物的生长称为更新率 一年生植物当生育期结束时生物的最大现存量与年生长量大体相等 更新率接近1 物质在运动过程中 周转率越高 则周转一次所需的时间越短 例 大气圈中所含的水分一年约更新34次 周转时间只有10 5天 海洋中的硅 周转时间约8000年 一年生植物的更新期 周转期 为1年 四 循环效率 EC FC FI FC FI 循环物质 FC 占总输入物质 FI 的比例 称物质的循环效率 EC 当农业生态系统中某一组分的库存物质 一部分或全部流出该组分 但末离开系统 并最终返回该组分时 系统内发生了物质循环 二 物质循环的基本原理 1 物质不灭定律 物质不灭定律认为 化学方法可以改变物质的成分 但不能改变物质的量 即在一般的化学变化过程中 察觉不到物质在量上的增加或减少 2 质能守恒定律 质能守恒定律认为 世界不存在没有能量的物质质量 也不存在没有质量的物质能量 质量和能量作为一个统一体 其总量在任何过程中都是保持不变的守恒量 三 农业生态系统物质循环的特点 1 能量和物质的输入与输出量大而且比较迅速 2 能量流动和物质循环不单发生于 生物 环境 系统中 而是进行于 生物 环境 社会 系统之中 途径多 变化大 3 可改变物质原有的自然循环过程 与自然生态系统相比 农业生态系统的物质循环带有许多人工调控的特色 第二节几种主要物质的循环 C N P K S H2O 碳循环氮循环磷循环钾循环硫循环水循环 一 碳循环 1 基本概况 碳是构成生命有机体的主要元素之一 又是能量的源泉 碳主要贮藏在大气 生物体 土壤 水圈和岩石圈几个库中 地球上的碳绝大部分以碳酸盐和非碳酸盐沉积物的形式储存在岩石圈中 其次是储存在海洋中 大气圈 生物圈和土壤中的碳量较少 C的来源是CO2 只有CO2形态的碳才能被植物吸收和利用 才能进入碳循环 2 碳循环途径有 1 生物小循环 在生物圈中绿色植物的光合作用是推动碳循环的主要动力 细胞水平上的循环 在光合作用和呼吸作用之间的循环 个体水平上的循环 大气CO2和植物体之间的循环 光合作用 呼吸作用 大气CO2 植物体 食物链水平上的循环 大气CO2 植物 动物 微生物之间的循 2 地质大循环 碳以动植物有机体形式深埋地下 在还原条件下 形成化石燃料 于是碳便进入了地质大循环 当人们开采利用这些化石燃料时 CO2被再次释放进入大气 另一方面 大量的CO2和水反应形成碳酸氢盐和碳酸盐 许多动物 如贝类的壳就含有碳酸盐 这些动物死亡后碳酸盐或成溶解状态 或在风化和地壳运动中被暴露或成为沉积物 各种形式的碳化合物受剥蚀 最终都会产生CO2 大气圈CO2 生物残体 生物有机体 径流 水土流失携带碳量 固定沉积 沉积固定 风化溶蚀 归还 归还 土壤呼吸 有机质分解 CO2固定 交换释放 溶解吸收 岩石圈 化石燃料 生物圈 水圈 土壤圈 呼吸分解 光合作用 植物燃烧 化石燃料燃烧 3 人类活动的干预 第二次工业革命以来 大量化石燃料的燃烧 改变了原有的碳素平衡状态 每年因燃烧放回到大气中的化石燃料碳50 60亿吨 因农业土壤耕作返回大气的碳约20亿吨 1970年估计值 同时由于森林被砍伐 减少了对CO2的固定 因此 尽管海洋能够吸收近2 3的额外碳源 仍然避免不了全球大气CO2浓度的升高 虽然CO2浓度增高有利于植物光合作用的增强 但CO2的 温室效应 将导致全球温度升高和降水分布的改变 过去100年中 1860 1960 大气中CO2浓度由290ppm升高到314ppm 最近20年中 大气CO2浓度平均每年增加1ppm 由314ppm升高到336ppm 4 农业生态系统的碳流的问题 1 养分循环的两种控制 生物控制 通过食物链控制 人为控制 通过食物输入 产品的输出等控制 2 农业生态系统的良性循环要求促进和保护生物控制 这就面临两个选择 动植物的残体的去向 肥料 提高地力 以有机形式返回土壤 燃料 CO2的形式返回大气 土壤有机质数量不足 土壤微生物C源不足 土壤有机质含量下降 地力衰退 二 氮循环 1 基本概况 氮是生命物质的关键组分 是生物体中氨基酸 叶绿素 DNA RNA等不可缺少的元素 地球上的氮素很多 但94 的在岩石圈中 不参与氮循环 其余6 大部分存在于大气中 氮的主要库存是大气 主要是气态循环 以N2的单质形式存在 大气中氮的含量为79 总量约38 1016亿t 氮是一种很不活泼的气体 不能为大多数生物直接利用 只有通过固氮途径 转为硝酸盐或氨的形态 才能为生物吸收利用 2 氮循环的基本过程 1 固氮作用是氮循环 气态循环 的重要机制 地球上固氮作用的途径有三种 生物固氮 工业固氮和高能固氮 大气固氮 生物固氮 每年可固氮175 106t 生物固氮是指固氮微生物将大气中的氮气还原成氨的过程 N2 固氮作用 NH4 食物链 生物固氮是自然生态系统中氮的主要来源 2 工业固氮 45 9 106 1977年 100 106t 1997年 用高温 高压和化学催化的方法 将氮转化成氨的过程 即N2 3H2 2NH3 3 大气固氮 高能固氮 每年可固氮7 6 106t 如闪电等高空瞬间放电所产生的高能 可以使空气中的氮与水中的氢结合 形成氨和硝酸 氨和硝酸则由雨水带到地面 2 生态系统的氮流途径 生物和化学固氮 挥发损失 氨化作用 硝化 亚硝化 分解 分解 流失 吸收 吸收 合成作用 还原 合成 化学合成 反硝化作用 生物遗体分解 N2 NO3 NH3 有机氨 NO2 植物 动物 空气 分解 土壤 生物 农业中的氮素循环示意图 3 人类活动对氮循环的干扰 1 含氮有机物的燃烧产生大量氮氧化物污染大气 2 过度耕垦使土壤氮素肥力 有机氮 下降 3 发展工业固氮 忽视或抑制生物固氮 造成氮素局部富集和氮素循环失调 其中 人类的农业活动对氮循环的影响主要是由于不合理的作物耕作方式以及氮肥施用而引起氮素的流失与亏损 其主要途径包括 反硝化 氨挥发 淋失 地表径流和土壤侵蚀 4 城市化和集约化农牧业使人畜废弃物的自然再循环受阻 4 氮素流失对环境的影响 1 地下水污染 由于施肥不当 农田渗漏水中的NO3 N和NO2 N可污染地下水 人畜饮用后会造成严重危害 2 造成地表水体的富营养化 当水体的总磷 20mg m3 无机氮的含量 400mg m3 可以认为该水处于富营养化的状态 水体富营养化 则水生藻类大量繁殖 其死亡后在水中腐烂分解 产生大量的CH4 H2S CO2 NH3等 使水质变坏 同时 有机质分解时要消耗水中的大量的溶解氧 当水中的溶解O2少于4mg L时 会造成鱼类和其他水生生物死亡 3 农作物从土壤中吸收过量的氮素后 易引起各种病虫害 并影响作物的品质 4 作物和蔬菜中硝酸盐的积累可通过食物链进入人体和牲畜体内 进而形成亚硝酸盐 严重危害人畜健康 亚硝酸盐在机体内可与仲胺结成亚硝酸胺 致癌 致突变 致畸形物质 5 破坏臭氧层 反硝化作用产生的N2O进入大气后会破坏臭氧层 会使皮肤癌的发病率大为提高 同时扰乱动植物的正常生长 5 农田氮素调控的途径 1 改进氮肥施用技术 2 平衡施肥与测土施肥 3 硝化抑制剂的应用 4 合理灌溉 5 做好水土保持工作 防止水土流失和土壤侵蚀 6 合理配合施用有机肥料和化学氮肥 使之既能培肥土壤又能满足作物优质高产的氮素需求 包括分次施肥 氮肥深施 施用缓效氮肥 如眯基硫脲 双氰胺等的应用 三 磷循环 1 基本概况 磷是生命信息元素 是细胞内一切生化作用的能量基础 磷以不活跃的地壳作为主要贮存库 地球上的磷大量存在于岩石 土壤 海水中 据分析 岩石圈中贮磷量为5 1016t 土壤圈中贮磷量为6 2 1010t 土壤中的磷绝大部分是无机态 有机态磷平均只占土壤磷的10 左右 水圈的贮磷量为11 0 1010t 大气圈中贮磷很少 约1 3 104t 主要集中在近地面的悬浮颗粒上 磷循环属典型的沉积循环 2 磷循环的途径 磷循环属于较简单的沉积型循环 在自然界中 土壤中的磷素 一部分溶解于地表水中 一部分则随土壤矿物一起在水土流失中离开土壤 沿着河流汇入海洋 在海洋中的磷素只有小部分被浮游植物吸收 并沿食物链传递 人类在捕鱼过程中可将一部分磷返回陆地 另外 海鸟粪便中的磷也可返回陆地 水土流失中绝大部磷会在海洋中以磷酸盐的形式沉积于海底 被固定形成新的磷酸盐岩石 这部分磷只有在海底岩石重新暴露于地表风化后形成土壤中的速效磷 或者被人工开采后以化肥的形式供给植物 磷循环 phosphoruscycle 沉积型循环 沉积物中的磷 约为土壤和海洋中千倍以上 陆地 海洋 死有机物 土壤中的无机磷 活有机物 死有机物 深海的磷 活有机物 捕鱼 鸟粪 悬浮在水中随河水带走 摄取 排泄死亡 下沉 分解 沉积 溶解于水 上升风化 开采 摄取 排泄死亡 上涌 岩石经土壤风化释放的磷酸盐和农田中施用的磷肥 被植物吸收进入植物体内 含磷有机物沿两条循环支路循环 沿食物链传递 并以粪便 残体归还土壤 以枯枝落叶 秸秆归还土壤 各种含磷有机化合物经土壤微生物的分解 转变为可溶性的磷酸盐 可再次供给植物吸收利用 这是磷的生物小循环 农业生态系统磷的循环 磷肥的输入 土壤磷素侵蚀损失及淋失 磷素损失 植物和动物吸收 磷的输出 生物归还 磷的输入 3 人类活动对磷循环的影响 1 人类对磷矿资源的开采与消耗 据统计 从1935 1990年间 磷矿总开采量为3 79 109t 相当于5 108t磷 1990年全球磷矿开采量为1 5 108t 当于2 107t磷 按此速度地球上的磷矿可开采750年 使磷资源面临枯竭的威胁 2 磷肥的施用与流失 施用磷肥补充有效磷 产品移出农业生态系统又使磷含量下降 同时水土流失 肥料淋失又会导致土壤中磷的损失 3 污染 营养富集一方面 大量施用磷肥 另一方面家庭污水 含磷洗涤剂 工业废水 尤其是农业径流所携带的大量N P等营养物质进入水体后 易造成水体的富营养化 赤潮等环境问题 使渔业资源减少 放射性污染磷矿石 磷肥中含有重金属和放射性物质 长期大量施用磷肥 会使土壤污染 影响农产品品质 四 硫循环 硫是原生质体的重要组分 是半胱氨酸 蛋氨酸等物质的组成成分 它的主要蓄库是岩石圈 1 硫循环途径 硫循环既属于气体型又属于沉积型 即硫循环包括长期的沉积阶段 有机或无机沉积物中 和短期的气体阶段 岩石库中的硫酸盐主要通过生物的分解和自然风化作用进入生态系统 在生物圈中 硫主要经H2S SO2 SO42 等形态参与流通 硫循环 气态循环的重要机制是降雨 有机物中的硫 缺氧条件 硫细菌还原 H2S 大气中 O2 SO2 SO2 水气吸收 酸雨 生态系统 降水 2 农业生态系统中的硫素平衡 农业生态系统中硫的输入途径 土壤矿物的风化分解 大气的硫沉降作用 施用含硫肥料 灌溉水中含硫化合物的输入 海滨地区 海水中的硫在风和潮汐的作用下 通过空气进入土壤 也可通过地下水上升进入土壤 农业生态系统中硫的输出途径 土壤硫随水土流失 硫的气态挥发 作物收获移走 从总体上来说 我国土壤中硫素的输入大于输出 3 人类活动对硫平衡的影响 主要是人类的经济活动导致SO2的大量排放 1 燃煤 20世纪80年代 全球燃煤区排放SO2为7 0 107 8 0 107t 年 占全球人为排放SO2的80 以上 我国1998年SO2为1 5 107t 主要途径 2 燃油 全球80年代排放SO2为1 107t 年 3 矿冶 低价S被氧化成SO2排入到大气中 全球排放SO2为7 0 106 1 0 107t 年 约占总排放量的10 4 农业活动导致硫的挥发 在嫌气条件下 微生物分解有机硫化合物时 产生许多挥发性气体 除了H2S外 还有CS2等 这些气体以扩散方式进入大气 我国三大酸雨区 西南酸雨区 是仅次于华中酸雨区的降水污染严重区域 华中酸雨区 目前它已成为全国酸雨污染范围最大 中心强度最高的酸雨污染区 华东沿海酸雨区 它的污染强度低于华中 西南酸雨区 酸雨及其危害 酸雨 PH值小于5 6的雨 对农业生态系统产生影响 土壤酸化后 可加速土壤中含铝的原生和次生矿物风化而释放大量铝离子 形成植物可吸收的形态铝化合物 植物长期和过量的吸收铝 会中毒 甚至死亡 酸雨能加速土壤矿物质营养元素的流失 改变土壤结构 导致土壤贫瘠化 酸雨还能诱发植物病虫害 土壤酸化对土壤微生物的影响 酸雨可抑制某些土壤微生物的繁殖 降低酶活性 土壤中的固氮菌 细菌和放线菌均会明显受到酸雨的抑制 对历史建筑 文物的影响 酸雨能使非金属建筑材料 混凝土 砂浆和灰砂砖 表面硬化水泥溶解 出现空洞和裂缝 导致强度降低 从而建筑物损坏 建筑材料变脏 变黑 影响城市市容质量和城市景观 被人们称之为 黑壳 效应 五 钾循环 1 概况 钾主要分布在代谢活跃的器官和组织中 是多种酶的活化剂 具有促进N P吸收 促进碳水化合物代谢等功能 钾的化学活性很大 自然界中不存在单质态钾 据推算 地壳中钾的贮量为6 5 1017t 主要存在于岩浆岩和沉积岩中 由于自然界没有气态钾存在 所以大气圈中的钾主要是以尘埃的形式存在 土壤生态系统是钾素的贮库 除了一些根茎类作物外 作物体的钾大多含在茎叶中 籽实中的钾较少 2 钾循环 钾素循环的起点是土体 即土壤矿物内或表面的钾 3 农业生态系统的钾素利用和管理 1 作物秸杆还田及施用草木灰 2 施用有机肥和种养绿肥补充土壤钾素 3 合理耕作促使难溶钾有效化 4 合理施肥与N P K配施 六 水循环 1 基本概况 水是一切生命机体的组成物质 也是生命代谢活动所必需的物质 又是人类进行生产活动的重要资源 水以固 液 气三态存在 地球上水的总体积接近15 108Km3 海洋液态水 约占总水量的97 淡水 约占3 3 4 固态水 在两极的冰盖和冰川中 1 4 陆地水 90 地下水 10 土壤水分 淡水湖泊 河流及大气含水量 地球水 根系利用的水比例很小 2 水循环的主要作用 水是所有营养物质的介质 营养物质的循环和水循环不可分割地联系在一起 水对物质是很好的溶剂 在生态系统中起着能量传递和利用的作用 水是地质变化的动因之一 一个地方矿质元素的流失 而另一个地方矿质元素的沉积往往要通过水循环来完成 3 水循环的意义 维持了全球水的动态平衡 使全球各种水体处于不断更新状态 使地表个圈层之间 海陆之间实现物质迁移和能量交换 影响全球的气候和生态 塑造着地表形态 4 水循环的环节及途径 1 水循环的基本环节降水 包括陆上降水和海上降水 蒸发 包括海上蒸发 陆面蒸发 植物蒸腾 径流 包括地表径流和地下径流 2 水循环的途经 陆地 大气和海洋中的水 形成了一个水循环系统 降水 蒸发 径流这三个环节相连构成了水循环 水域中 水受到太阳辐射而蒸发进入大气中 水汽随气压变化而流动 并聚集为云 雨 雪 雾等形态 其中一部分降至地表 到达地表的水 一部分直接形成地表径流进入江河 汇入海洋 一部分渗入土壤内部 其中少部分可为植物吸收利用 大部分通过地下径流进入海洋 而植物吸收的水分大部分以蒸腾作用的形式散失到大气中参与循环 只有小部分为光合作用形成有机质进入生态系统 再经过生命的呼吸与排泄进入环境 5 人类活动的影响或干预 人类活动不断改变着自然环境 越来越强烈地影响水循环的过程 人类构筑水库 引水 灌溉工程等 改变了水的原来径流路线 引起水的分布和水的运动状况的变化 农业的发展 森林的破坏 引起蒸发 径流 下渗等过程的变化 围湖造田又使自然蓄水容积减小 调洪 供水功能缩小 过度开采地表地下贮水 使江河干涸 地下水位出现 漏斗 海水入侵等异常现象 6 农田生态系统的水分平衡 与自然界水循环不同 由于人类的调控作用 农田生态系统的水分循环明显增加了两个重要分量 即灌溉与排水 农田生态系统的水分平衡 R I U ET P S D O或O R I U ET P S D R 降雨量I 灌水量U 地上水上升的量ET 蒸发量 叶面 地表 P 渗漏S 侧漏D 排水量O 农田持水量 7 农业生态系统的水分管理 1 植树造林 发挥 绿色水库 作用 扩大土壤的水分库 2 加强农田水利基本建设 提高水分利用率 3 改变耕作制度与管理方式 发展节水农业 4 防止水体污染 5 加强全流域的水资源保护与统一调度 第三节农业生态系统养分循环与平衡 一 农业生态系统养分循环的特点 1 农业生态系统有较高的养分输出率与输入率 随着作物收获及产品出售 大部分养分被带到系统之外 同时 作为补偿 又有大量养分以肥料 饲料 种苗等形态被带回系统 2 农业生态系统内部养分的库存量较低 但流量大 周转快 自然生态系统的地表有较稳定的枯枝落叶层以及土壤有机质的积累 形成了较大的有机养分库 并缓慢释放出有效态养分供植物吸收利用 农业生态系统在耕种条件下 有机养分库加速分解与消耗 库存量较自然生态系统大为减少 分解加快 形成了较大的有效养分库 植物吸收量加大 整个土壤养分周转加快 3 农业生态系统养分保持能力弱 容易造成流失 农业生态系统有机库小 分解旺盛 有效态养分投入时多 同时 生物结构较自然生态系统大大简化 植物及地面覆盖不充分 这些都使得大量有效养分不能及时吸收利用 而易于随水流失 4 农业生态系统养分供求容易产生不同步 自然生态系统养分有效化过程的强弱随季节的温湿度变化而消长 自然植被对养分的需求与吸收也适应这种季节的变化 形成了供求同步协调的自然机制 农业生态系统的养分供求受人为的种植 耕作 施肥等措施的影响 供求的同步性差 二 农业生态系统养分循环的一般模式 农业生态系统中养分循环 通常是在土壤 植物 畜禽和人类 4个养分库之间进行的 同时 每个库与外部系统都保持多通道的输入与输出流 土壤是农业生态系统的主要养分贮藏库 土壤接纳 保持 供给和转化养分的能力 对整个生态系统的功能和持续性至关重要 根据研究目的 养分循环模型的边界可有不同 研究农田生态系统可以只包括土壤和植物2个库 研究农牧系统可以只包括土壤 植物和畜禽3个库 研究农村生态系统的养分循环 应把人类作为循环的组成部分考虑 形成更为完整的库流环网络体系 植物库 畜禽库 人类库 矿物库 有效库 有机库 土壤库 干湿沉降物 NH3吸收 肥料 灌溉 地面流入 地下水与岩石 固氮 气态丢失 反硝化 NH3挥发等 风蚀 地面流出 淋失 植物摄取 残茬还田植物淋失 人类消费 饲料饲草 输出收获物 气态丢失 畜产品输出 NH3挥发及流失 挥发及流失 迁出 人类消费 青饲料 种子 固氮 肥料 NH3 畜粪尿 人粪尿 食品 仔畜 固氮 迁入 农业生态系统养分循环的一般模型 三 农田生态系统的养分的输入 输出 输入 施用化肥 有机肥 降水 灌溉 氮素的生物固氮和雷电固氮 输出 收获物的输出 淋失 渗漏 侧漏 流失 地表径流和侵蚀作用 蒸发 反硝化 NH3挥发等 四 农业生态系统的养分平衡 1 农业生态系统的养分平衡 输入 输出量 2 说明效率低 1 2 平衡 实际上还有一些难以估计的输出 1 养分入不敷出 消耗地力 即使短期内可以维持产量 长此以往必将低系统稳定性 输入项 输出项 项目 我国农业生产中的氮素平衡 104t 2 有机质和农田土壤养分盈亏 有机质是各种养分的载体 1 有机质在养分循环中的作用 有机质经微生物分解 能释放出供植物吸收利用的有效氮 有效磷 有效钾等养分 增加土壤速效和缓效养分的含量 为土壤微生物提供生活物质 具有吸附阳离子的能力 有助于土壤中阳离子交换量的增加 提高磷肥肥效 保蓄水分 提高土壤的抗旱能力 抑制有害线虫的繁殖 形成腐殖酸等 与磷酸形成螯合物而提高磷肥肥效 减少铁 铝对磷酸的固定 2 农田土壤有机质的积累和分解 土壤有机质的来源 主要是作物残体 人畜排泄物和土壤生物遗体和排泄物 土壤生物中以微生物数量最大 占78 土壤微生物的生命活动要求土壤保持一定的碳氮比 即C N应为20 25 1 当有机质C N大于20 25 1 微生物的繁殖因缺氮受到限制 有机质分解缓慢 当有机质C N小于20 25 1 特别是15 1以下时 有机质分解迅速 容易引起氮的挥发损失 各种有机物的C N不同 施用有机肥时应注意肥料种类的搭配 一般植物残体C N比大 而人畜粪尿的C N比较小 稻草62 67 1 麦秆98 1 玉米秆63 1 泥炭16 22 1 豆秆37 1 苜蓿18 1 杂草25 45 1 人粪12 13 1 畜粪15 29 1 有机氮与无机氮的合理配比 有利于保持土壤养分平衡 作物产量稳定 3 农田土壤有机质和养分盈亏 由于人们的长期驯化和选育 作物经济系数和收获率一般较高 因而自然归还率较低 作物秸杆作为收获物被移走后 除少部分作饲料和肥料外 大部分用作燃料烧掉 使秸杆中所含的有机质不能还田 全国每年生产秸杆4 567亿t 用作燃料的4 486亿t 占74 其中以西北黄土高原区尤为突出 目前 我国不少地区大约有60 以上的物质被移出系统 使农业生态系统中的腐生食物链受到严重影响 土壤有机质含量下降 土壤肥力下降 抗旱力减弱 农作物产量不高 一般认为土壤全氮含量 0 2 即有可能缺氮 我国大部分耕地的土壤全氮含量都在0 2 以下 这就是为什么我国几乎所有农田都需要施用化学氮肥的原因 我国农田相对严重缺氮的土壤主要分布在我国的西北和华北地区 我国缺磷土壤面积约为10 09亿亩 主要是北方石灰性土壤 东北白浆土 红壤 紫色土和低产水稻土 所谓缺磷土壤一般是指土壤有效磷 P 小于10mg kg的土壤 缺磷土壤面积大于该省区耕地面积75 的省份遍布我国东南西北 这就是磷肥为我国第二大化肥工业的根本原因 我国农田普遍缺碳 土壤中的碳氮比是严重失调 我国农田C N降低 有机质含量下降 五 农业生态系统养分循环的调节 1 合理搭配种植归还率较高的作物及其类型 如种植花生 绿肥 油菜等归率较高的作物 各种作物的自然归还率不同 除自然归还率外还有理论归还 理论归还 指可以归还但并一定归还的总分 如茎杆 荚壳等 如油菜的理论归还率约为50 大豆 麦类和水稻约为40 50 不同作物的N P K养分的归还率 不同作物的N P K养分的理论归还率 2 建立合理的轮作制度 在轮作制度中 加入豆科植物和归还率高的植物 有利于提高土壤肥力 保持养分循环平衡 3 建立良性循环体系 农 林 牧结合 发展沼气 解决生活能源问题 促使秸杆还田 4 农产品就地加工 提高物质的归还率 如花生 大豆 油菜 芝麻榨油后 返回的是油饼 而随油脂输出的仅仅是碳 氢 氧的化合物 氮 磷 钾等营养素可以留在系统内 甘薯加工成粉丝出售 留下粉浆 粉渣可喂猪 换回猪粪返田 5 非耕地区域养分富集转移输入 通过野草青割沤肥将非耕地营养物质转入耕地 通过牲畜放牧以粪便转入耕地 利用池塘 沟渠养水花生 水葫芦 水浮莲等植物 富集水体中的养分 作为牲畜饲料 将粪便转入耕地 6 系统外养分输入补充 科学合理施肥 第四节物质循环中的环境污染 在人类进行工农业生产以及生活活动的同时 会不断产生废物和污染物质 例如 化肥 农药的高投入及不合理使用 未经处理的畜禽粪便 城市垃圾 污泥等的超量使用会使大量的污染物质进入土土壤 水体和大气环境 在农业生态系统中形成一种特殊的物流 这些污染物质的残留量超过农业环境本身的自净能力时 便会导致农业和农村环境质量下降 农业生态系统的结构和功能受损 最终结果是使农 林 牧 渔产品的数量和质下降 造成生态安全与粮食安全问题 一 污染物质在食物链上的浓缩 各种有毒污染物质一旦进入生态系统 便立即参与物质循环 在循环过程中性质稳定 易被生物体吸收的毒物质沿着食物链逐级富集 浓缩 这就是在污染情况下 造成大量有机体死亡的原因 食物链的浓缩作用 生物学放大作用 指有毒物质沿食物链各营养级传递时 在生物体的残留浓度不断升高 愈是处在高营养级的生物 其体内有毒物质的残留浓度愈高的现象 如DDT在生态系统中的富集作 在海水中的0 00005ppm 浮游植物 鱼 河鸥 银鸥0 04ppm1 2418 575 5 污染物沿着食物链积累的三个条件上 污染物在环境中的性质稳定 能够被生物吸收 在生物的代谢过程中不易被分解 典型例子水俣病便是一个有毒物质在食物链上富集的例子 1953年日本九州鹿儿岛的水俣市出现了病因不明的 狂猫症 和人体的 水俣病 成群家猫狂奔乱跳 集体跳入水中 病人感到全身骨痛难忍 直到1965年才查明 此病是由该市60km以外的一家公司排出含汞废水进入水体引起的 汞在水体中沿着食物链逐级富集 水体 硅藻等浮游植物 食硅藻的昆虫 石斑鱼 肉食性鲟鱼和鲶鱼 人或猫 最后鲶鱼体内含汞量达10 20mg kg 最高达50 60mg kg 比原来含汞废水中的汞浓度高1万 10万倍 导致人或猫汞中毒 二 物质循环中的农业环境污染 一 农业面源污染 农业面源污染 指在农业生产活动中 氮素和磷素等营养物质 农药以及其他有机或无机污染物质 通过农田的地表径流和农田渗漏形成的环境污染 主要包括化肥污染 农药污染 畜禽粪便污染等 特点 范围广 随机性大 成分 过程复杂 难以控制 3 化肥对大气的污染 二 化肥对环境的影响 1 化肥对土壤的污染 土壤板结 微生物活性降低 肥力下降 如CI SO42 残留土壤中 与Ca 结合 生成氯化钙 碳酸钙 堵塞土壤孔隙 导致土壤板结 肥力下降 土壤重金属污染和富集 主要是磷肥 磷肥原料矿中除含有P2O5外 还含有钾 钙 锰等 同时也含有毒物质镉 砷 铬 氟等 其中主要是镉和氟 2 化肥对水体的污染 水体富营养化 主要是氮和磷 地下水污染 主要是氮 主要是氮 有NH3的挥发 硝态氮的反硝化作用 生成气态氮 NO N2O 而进入大气 造成污染 三 农药对环境的污染 1 农药对大气的污染2 农药对水体的污染 主要是对水生生物产生影响 3 农药对土壤的污染 农药污染 指