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第五章 农业生态系统的物质循环 Chapter 5 Nutrient Cycle in Agroecosystem 物质循环指生态系统的一切物质，包括有机物、无机物、化学元素和水（作为介质）在生物与环境不同组分之间的频繁转移和循环流动。 第一节 农业生态系统物流的一般特点 第二节 水循环 第三节 碳流动 第四节 氮流动 第五节 磷流动 第六节 钾流动 第七节 硫流动 第八节 农业生态系统的养分循环 第九节 污染物对农业生态系统的影响及其利用 第一节 生态系统物流的一般特点 一、生命活动中的营养元素 1. 基本元素： 1% ： C 、 O 、 H 、 N 、 K 2. 大量元素： 0.1-1%: Ca 、 Mg 、 P 、 S 、 Cl 、 Fe 、 Cu 3. 微量元素： 0.1% : Al 、 B 、 Br 、 F 、 I 、 Mn 、 Mo 、 Si 、 Zn 等 二、 物质循环的库与流 1. 库：物质在运动过程中被暂时固定、贮存的场所。（ 1 ）贮存库 (storing sink) ：容积较大，交换慢，一般为 环境库。如土壤库、大气库、水体库等 （ 2 ）交换库 (exchange sink) ：容积小，交换快，一般为 生物库。如植物库、动物库等。2. 流：物质在库与库之间的转移运动状态。生态系统中的能流、物流、信息流使生态系统中各组分联系起来。 三、 物质循环的特征 物质循环在生态系统中是时刻进行的，并与能 量流动紧密结合在一起，它们把各个组分有机 地结合在一起，共同构成及其复杂的能量流动 与物质循环网络系统，从而维持了生态系统的 存在。 物质循环是双向流动，而能量流动则是单向 的，是不可逆的。 1 . 生物量 (biomass) 与现存量生物量：某一时刻，单位面积或体积内积存的有机物质总量。 生物量又可叫现存量 = 生产量 + 减少量。 净生产量 = 总生产量 - 呼吸量。2. 周转率 (turnover ratio,R) 与周转期 (Turnover time,T) R=FI/S=FO/S FI 流入量 FO 流出量 S 库存量 T=1/R 物质更换所需要的时间。 物质在运动过程中，周转率越高，周转期就越短。3. 循环效率（ Efficiency of cycle, EC ）：EC=FC/FI FC 循环物质 , FI 总输入物质 四、 物质循环的类型 1. 物质循环的概念生态系统从大气、水体和土壤等环境中获得营养物质， 通过绿色植物吸收，进入生态系统，被其它生物重 复利用，最后再归还于环境。2. 生物地球化学循环化学元素在生物圈内从环境 - 生物 - 生物 - 环境的流动和 循环。包括：（ 1 ）地质大循环：在五大自然圈进行循环。时间长，范 围广，闭合式 （ 2 ）生物小循环：在生态系统水平上。时间短、范围 小、开放式。 3. 物质循环的类型根据物质的贮存库可分为： （ 1 ）水循环 贮存库：水圈，属液相型循环 （ 2 ）气相型循环 贮存库：大气圈或水圈，以气体的方式参与循环，循环迅 速、完全 代表物质： C 、 O 、 N 、 F （ 3 ）沉积型循环 贮存库：岩石圈和土壤圈，循环缓慢、周期长，不完全 代表物质： S 、 P 、 Ca 、 Na 、 Mg 、 Fe 、 Cu 、 Si过程：岩石、土壤 - 风化 - 植物利用、沉积 - 回到环境 - 风 化、重新利用 4. 农业生态系统物质循环： 农业生态系统是在人类生产活动的干预下，农业生物群体与其周围的自然和社会经济因素彼此联系、相互作用而共同建立起的固定、转化太阳能和其它营养物质，获取一系列农副产品的经过人工驯化的生态系统。第二节 水循环（ water cycle) 一、水循环过程 水是原生质的主要组成成分，是生命活动和生物化学过程赖以进行的介质，水又是调节环境温度的冷却剂水循环是生物地球化学循环中最重要的循环。 水循环主要由四大过程组成：蒸发、水汽运输、降水和径流。 水循环过程水域、冰雪融化 - 大气层 - 降雨 过程：蒸发 - 水汽输送 - 降水 - 径流 全球水循环是由陆地的、海洋的、区域的或局部的许多循环组成的。水循环的水平衡方程为： P=E+T+S+G+R。式中：P为降水，E为蒸发，T为蒸腾，S为土壤水分变化，G为地下水变化，R为地表径流。 二、农田生态系统的水分平衡 输入项：降水 (Rain, R) 、灌溉 (Irrigation, I) 、地下水上升 (underground water up) 输出项：蒸发蒸腾 (Evaporation and transpiration, ET ）、渗漏 (Percolation, P) 、侧漏 (S) 、排水 (Drainage, D) 以及农田持水 (Occupying water) 。 三、水分流、养分流与能流的关系 （一）水循环由日光能驱动：太阳能使冰雪融化，液态水变为气态水进入大气。太阳辐射所引起的大气环流导致水汽的移动及水汽受冷凝结致雨，从而在海洋、大气、陆地、地表水和地下水之间形成循环流动。 （二）生命必需的元素除碳、氧、氮外，多种营养元素是通过水进入生态系统的。其中数量最大的离子形态养分是 Ca2+ ，Na+，K+ ，NO3- ，PO43-，SO42- 和CO32- 。 （三）植物吸收养分必须在水分作为介质，在能量的驱动下才能完成。 第二节 水循环（ water cycle) 一、水循环过程 二、农田生态系统的水分平衡 三、水分流、养分流与能流的关系 四、人类活动对水循环的影响 1. 植被破坏：水土流失、河流洪涝或干枯 2. 兴建大型水利工程：改变流域的水平衡，造成 流域不同部位盐碱化、沼泽化和干旱化 正面效应 ：防洪、发电、航运、灌溉负效应： 改变流域水平衡，局部地下水位升降， 上游水库淤积；水库下游河床下切；改变生物 的栖息环境等。三峡大坝4. 过度开采地下水：造成水位下降、河流干枯、 海水入侵等 3. 围湖造田：地表水蓄水、调洪能力降低，易造 成地区性干旱 （如湿地的减少） 第二节 水循环（ water cycle) 一、水循环的过程 二、农业生态系统的水分平衡 三、水分流、养分流与能流的关系 四、人类活动对水循环的影响 五、 我国水资源开发利用方面存在的问题 （一）现有水利设施不能适应农业和现代化建设的需要。 （二）现有水利工程及田间渠系配套等遗留问题比较多。 （三）水体污染日趋严重。 （四） 地下水的超采严重（如在北方旱区、一些大中城市中），形成地下水位下降和地下水漏斗以及地面下沉现象。 六、农业生态系统的水分管理 （一）植树造林，发挥“绿色水库”作用，扩大土壤的水分库容。 （二）加强农田水利基本建设，提高水分利用率 （三） 改变耕作制度与管理方式，发展节水农业 （四）防治水体污染 （五）加强全流域的水资源保护与统一调度第三节 碳循环（ Carbon cycle) 一、碳的贮存库（ stored sink) 1. 大气圈（ CO2 ）2. 生物圈（有机分子）3. 土壤 ( 有机质）4. 岩石圈（化石燃料和沉积岩）5. 水圈（溶解 CO2 和碳酸钙） 二、碳循环过程 1. 细胞水平上光合作用和呼吸作用2. 个体水平上大气 CO2 和植物之间3. 生态系统水平上 大气 CO2- 植物 - 动物 - 微生物4. 地质大循环 三、农业生态系统中的碳素流动 农业生态系统中碳素流动包括以下几个过程：（1）碳素通过作物的光合作用从大气流向作物。（2）碳素自作物流向土壤。（3）碳素沿食物链向家禽家畜和人体流动，然后由人畜粪便及其遗体等重新进入环境。（4）土壤向大气排放CO2 。（5）土壤向大气排放CH4 。（6）人为施入土壤中的碳量，主要包括有机肥和化肥（尿素）中的碳量。（7）作物收获移出农业生态系统的碳量。 四、人类活动对碳循环的干扰及全球变化对农业生产的可能影响 （一）全球变化是指由于人类活动排放温室气体而产生温室效应导致全球气候变暖、降水量增加、海平面上升，并由此而产生一系列生态和环境变化的总称。 （二）人类活动对大气中二氧化碳浓度的影响 自从人类出现以来，一系列与碳元素有关的经济活动不断加入到碳循环过程中来，这其中最主要的活动是燃烧矿物燃料和砍伐森林。前者的影响是大大加快了岩石圈中有机碳的消耗和二氧化碳的排放，后者则减弱了生物圈同化二氧化碳的能力，其最终结果是打破碳循环原有的平衡，使大气中二氧化碳浓度增加。 Concentration of CO2 Global CO2 increase （三）人类活动对大气中甲烷浓度的影响 甲烷俗称沼气，其浓度在温室气体中占第二位。其增长与世界人口的增长有非常大的相关。甲烷的主要源地是沼泽、稻田及牲畜反刍。 （四）温室效应大气中的二氧化碳、甲烷、一氧化二氮、臭氧、氯氟碳（ CFCs）、水蒸气等可以使短波辐射几乎无衰减地通过，但却可以吸收长波辐射，因此，这些气体有类似温室的作用，故称上述气体为“温室气体”，由此产生的效应称为温室效应。 第四节 氮循环（ Nitrogen cycle) 一、氮的贮存库（ stored sink) 1. 岩石圈 93.8% nitrogen in lithosphere 参与循环很少 2. 大气圈 6.2% molecule in atmosphere 为 N 循环的主要贮存库 二、氮素的输入和输出 1. 输入：生物固氮，工业固氮，高能固氮：闪电、宇宙射线、损石、火山爆发生物固氮：主要有共生固氮作用，自生固氮作用和联合固氮作用三种类型，其中，共生固氮作用贡献最大。 2. 输出：燃烧，挥发反硝化 ， 渗漏 三、氮循环 氮的循环与碳的循环大体相似，但很多环节上都有特定的微生物参加 三、人类活动对氮循环的影响 1. 含氮有机物燃烧产生 NOx 污染大气温室气体 2. 过度耕种使土壤氮素肥力下降 3. 工业固氮抑制生物固氮，造成氮素局部富积和氮循环 失调（水体富营养化）4. 不合理施肥造成氮素流失污染地下水、蔬菜硝酸盐中毒 四、农田氮素控制的途径 1. 改进氮肥施用技术分次施肥、氮肥深施、缓效肥等 2. 平衡施肥和测土施肥 3. 采用硝化抑制剂4. 合理灌溉 5. 做好水土保持工作 第五节 磷循环（ Phosphorous cycle) 一、磷的贮存库及循环过程 1. 岩石土壤圈主要是地壳 2. 磷循环过程生物小循环和地质大循环 二、农业生态系统磷的循环 1. 磷的输入施肥 作物残体 大气沉降 灌溉 2. 磷的输出作物收获土壤侵蚀及淋失 渗漏 三、人类活动对磷循环的影响 1. 磷矿开采与消耗2. 磷肥的施用与流失 3. 生活废水、工业污水排放导致富营养化、赤潮（红潮） eutrophication 、 red tide 赤潮（红潮）第六节 钾循环（ Potassium cycle ） 一、土壤生态系统中的平衡 输入：动植物残体施肥输出：作物收获流失渗漏 二、农业生态系统的钾素利用和管理 1. 作物秸秆回田、施用草木灰2. 施用有机肥和种养绿肥不成土壤钾素 3. 合理耕作促使难溶钾有效化 4. 合理施用钾肥 第七节 硫循环（ Sulfur cycle ） 一、农业生态系统中硫的平衡 1. 输入土壤矿物风化大气硫沉降施用含硫肥料灌溉 2. 输出作物收获流失气态挥发 二、人类活动对硫平衡的影响 1. SO2 气体大量排放燃煤、燃油、燃气、矿治、农业活动 2. 酸雨及其危害 pH 4.5g/cm2 2. 农药污染（ pesticide pollution) 采取措施：（ 1 ）加强农药立法管理（ 2 ）开发高效、低毒、安全的无公害农药和生物 农药