第五章農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的物質(zhì)循環(huán)

1、第五章農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的物質(zhì)循環(huán)Chapter 5 Nutrie nt Cycle in Agroecosystem物質(zhì)循環(huán)指生態(tài)系統(tǒng)的一切物質(zhì)，包括有機(jī)物、無機(jī)物、化學(xué)元素和水（作為介質(zhì)）在生物與環(huán)境不同組分 間的頻繁轉(zhuǎn)移和循環(huán)流動。? 第一節(jié)農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)物流的一般特點(diǎn)? 第二節(jié)水循環(huán)? 第三節(jié)碳流動? 第四節(jié)氮流動? 第五節(jié)磷流動? 第六節(jié)鉀流動? 第七節(jié)硫流動? 第八節(jié)農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的養(yǎng)分循環(huán)? 第九節(jié)污染物對農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的影響及其利用第一節(jié)生態(tài)系統(tǒng)物流的一般特點(diǎn)? 一、生命活動中的營養(yǎng)元素1. 基本元素：1% : C、0、H、N、K2. 大量元素：0.1-1%: Ca 、Mg、P、S、Cl

2、、Fe、Cu3. 微量元素：0.1% : Al 、B、Br、F、I 、Mn、Mo、Si 、Zn 等? 二、物質(zhì)循環(huán)的庫與流1. 庫：物質(zhì)在運(yùn)動過程中被暫時固定、貯存的場所。環(huán)境庫。如土壤庫、 大氣庫、生物庫。如植物庫、動物庫(1 )貯存庫(storingsink):容積較大，交換慢，一般為水體庫等(2 )交換庫(exchange sink):容積小，交換快，一般為2. 流：物質(zhì)在庫與庫之間的轉(zhuǎn)移運(yùn)動狀態(tài)。生態(tài)系統(tǒng)中的能流、物流、信息流使生態(tài)系統(tǒng)中各組分聯(lián)系起來。? 三、物質(zhì)循環(huán)的特征物質(zhì)循環(huán)在生態(tài)系統(tǒng)中是時刻進(jìn)行的，并與能量流動緊密結(jié)合在一起，它們把各個組分有機(jī)地結(jié)合在一起，共同構(gòu)成及其復(fù)雜的

3、能量流動與物質(zhì)循環(huán)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，從而維持了生態(tài)系統(tǒng)的存在。物質(zhì)循環(huán)是雙向流動，而能量流動則是單向的，是不可逆的。1 .生物量(biomass) 與現(xiàn)存量生物量：某一時刻，單位面積或體積內(nèi)積存的有機(jī)物質(zhì)總 量。生物量又可叫現(xiàn)存量生產(chǎn)量+減少量。凈生產(chǎn)量=總生產(chǎn)量-呼吸量。2. 周轉(zhuǎn)率(turnover ratio,R)與周轉(zhuǎn)期(Turnover time,T)R=FI/S=FO/SFI流入量FO流出量S庫存量T=1/R物質(zhì)更換所需要的時間。物質(zhì)在運(yùn)動過程中，周轉(zhuǎn)率越高，周轉(zhuǎn)期就越短。3. 循環(huán)效率(Efficiency of cycle, EC)：EC=FC/FI FC循環(huán)物質(zhì)，F(xiàn)I總輸入物質(zhì)? 四

4、、 物質(zhì)循環(huán)的類型1. 物質(zhì)循環(huán)的概念生態(tài)系統(tǒng)從大氣、水體和土壤等環(huán)境中獲得營養(yǎng)物質(zhì)，通過綠色植物吸收，進(jìn)入生態(tài)系統(tǒng)，被其它生物重復(fù)利用，最后再歸還于環(huán)境。2. 生物地球化學(xué)循環(huán)化學(xué)元素在生物圈內(nèi)從環(huán)境-生物-生物-環(huán)境的流動和循環(huán)。包括：(1 )地質(zhì)大循環(huán)：在五大自然圈進(jìn)行循環(huán)。時間長，范圍廣，閉合式2 )生物小循環(huán)：在生態(tài)系統(tǒng)水平上。時間短、范圍小、開放式。3. 物質(zhì)循環(huán)的類型根據(jù)物質(zhì)的貯存庫可分為:(1)水循環(huán) 貯存庫：水圈，屬液相型循環(huán)(2 )氣相型循環(huán)貯存庫：大氣圈或水圈，以氣體的方式參與循環(huán)，循環(huán)迅速、完全代表物質(zhì)：C、O、N、F(3 )沉積型循環(huán)貯存庫：巖石圈和土壤圈，循環(huán)緩慢、

5、周期長，不完全代表物質(zhì)：S、P、Ca、Na、Mg、Fe、Cu、Si風(fēng)化、重新利用過程：巖石、土壤- 風(fēng)化-植物利用、沉積- 回到環(huán)境-4. 農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)物質(zhì)循環(huán)：農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)是在人類生產(chǎn)活動的干預(yù)下，農(nóng)業(yè)生物群體與其周圍的自然和社會經(jīng)濟(jì)因素彼此聯(lián)系、相互作用而共同建立起的固定、轉(zhuǎn)化太陽能和其它營養(yǎng)物質(zhì)，獲取一系列農(nóng)副產(chǎn)品的經(jīng)過人工馴化的生態(tài)系統(tǒng)。取業(yè)生態(tài)茶魏的物質(zhì)wi環(huán)光合件用 溫室數(shù)應(yīng) 與呼吸作 氣體的繹 用彳聯(lián)的 放與同走 氣佈交埶港地下 珞 水無水 比E 農(nóng)藥1金尿徽量元素衣業(yè)生態(tài)系滋質(zhì)福環(huán)硏寬的冋容眶架第二節(jié)水循環(huán)(water cycle)? 一、水循環(huán)過程水是原生質(zhì)的主要組成成分，是

6、生命活動和生物化學(xué)過程賴以進(jìn)行的介質(zhì)，水又是調(diào)節(jié)環(huán)境溫度的冷卻劑 水循環(huán)是生物地球化學(xué)循環(huán)中最重要的循環(huán)。水循環(huán)主要由四大過程組成：蒸發(fā)、水汽運(yùn)輸、降水和徑流。水循環(huán)過程水域、冰雪融化-大氣層-降雨過程：蒸發(fā)_-水汽輸送-_- 降水- 徑流P=E+T+ S+A G-全球水循環(huán)是由陸地的、海洋的、區(qū)域的或局部的許多循環(huán)組成的。水循環(huán)的水平衡方程為： P為降水，E為蒸發(fā)，T為蒸騰，AS為土壤水分變化，AG 為地下水變化，R為地表徑流。、農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的水分平衡其水畳平衡方程為，降水蒸茨蒸聘R+I+U=ET+P+S+D+O II灌低11H_-農(nóng)田含水it變化1輸入項：降水(Rain, R) 、灌溉(I

7、rrigation, I)地下水上升(underground water up)輸出項：蒸發(fā)蒸騰 (Evaporati on and tran spirati on, ET )、滲漏(Percolation, P) 、側(cè)漏(S)、排水 (Drai nage, D) 以及農(nóng)田持水 (Occupy ing water) 地下水上升 潸漏、水分流、養(yǎng)分流與能流的關(guān)系 （一）水循環(huán)由日光能驅(qū)動：太陽能使冰雪融化，液態(tài)水變?yōu)闅鈶B(tài)水進(jìn)入大氣。太陽輻射所引起的大氣環(huán)流導(dǎo)致水汽的移動及水汽受冷凝結(jié)致雨，從而在海洋、大氣、陸地、地表水和地下水之 間形成循環(huán)流動。（二）生命必需的元素除碳、氧、氮外，多種營養(yǎng)元素是

8、通過水 進(jìn)入生態(tài)系統(tǒng)的。其中數(shù)量最大的離子形態(tài)養(yǎng)分是Ca2+，Na+, K , NQ-，PO3-，SQ2-和 CQ2-。（三）植物吸收養(yǎng)分必須在水分作為介質(zhì)，在能量的驅(qū)動下才能完成。第二節(jié)水循環(huán)（water cycle）? 一、水循環(huán)過程?二、農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的水分平衡?三、水分流、養(yǎng)分流與能流的關(guān)系2.興建大型水利工程：改變流域的水平衡，造 沼澤化和干旱化? 四、人類活動對水循環(huán)的影響1. 植被破壞：水土流失、河流洪澇或干枯正面效應(yīng)：防洪、發(fā)電、航運(yùn)、灌溉 負(fù)效應(yīng)：改變流域水平衡，局部地下水位升降 游河床下切；改變生物的棲息環(huán)境等。三峽大壩3.圍湖造田：地表水蓄水、調(diào)洪能力降低，易造成地區(qū)性干旱

9、(如濕地的減少)4.過度開采地下水：造成水位下降、河流第二節(jié)水循環(huán)(water cycle)? 一、水循環(huán)的過程?二、農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的水分平衡?三、水分流、養(yǎng)分流與能流的關(guān)系?四、人類活動對水循環(huán)的影響? 五、我國水資源開發(fā) 利用方面存在的問題（一）現(xiàn)有水利設(shè)施不能適 應(yīng)農(nóng)業(yè)和現(xiàn)代化建設(shè)的需 要。（二）現(xiàn)有水利工程及田間 渠系配套等遺留問題比較 多。（三）水體污染日趨嚴(yán)重。（四）地下水的超采嚴(yán)重 （如在北方旱區(qū)、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 沉現(xiàn)象。? 六、農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的水分管理（一）植樹造林，發(fā)揮綠色水庫”作用，擴(kuò)大土壤的水分庫容。（二）加強(qiáng)農(nóng)田水利基本建設(shè)，提

10、高水分利用率（三）改變耕作制度與管理方式，發(fā)展節(jié)水農(nóng)業(yè)（四）防治水體污染（五）加強(qiáng)全流域的水資源保護(hù)與統(tǒng)一調(diào)度第三節(jié)碳循環(huán)（Carbon cycle）? 一、碳的貯存庫（stored sin k） 1.大氣圈（CQ）2. 生物圈(有機(jī)分子)3. 土壤(有機(jī)質(zhì))4. 巖石圈(化石燃料和沉積巖)5. 水圈(溶解CO2和碳酸鈣)? 二、碳循環(huán)過程1. 細(xì)胞水平上光合作用和呼吸作用2. 個體水平上大氣CO2和植物之間3. 生態(tài)系統(tǒng)水平上大氣CO2-植物- 動物- 微生物4.地質(zhì)大循環(huán)? 二、農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)中的碳素流動農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)中碳素流動包括以下幾個過程：(1 )碳素通過作物的光合作用從大氣流向作物。(

11、2 )碳素自作物流向土壤。(3 )碳素沿食物鏈向家禽家畜和人體流動，然后由人畜糞便及其遺體等重新進(jìn)入環(huán)境。(4 )土壤向大氣排放 CQ。(5 )土壤向大氣排放 CH4。(6 )人為施入土壤中的碳量，主要包括有機(jī)肥和化肥(尿素)中的碳量。(7 )作物收獲移出農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的碳量。? 四、人類活動對碳循環(huán)的干擾及全球變化對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的可能影響(一) 全球變化是指由于人類活動排放溫室氣體而產(chǎn)生溫室效應(yīng)導(dǎo)致全球氣候變暖、降水量增加、海平面上升，并由此而產(chǎn)生一系列生態(tài)和環(huán)境變化的總稱。(二) 人類活動對大氣中二氧化碳濃度的影響自從人類出現(xiàn)以來，一系列與碳元素有關(guān)的經(jīng)濟(jì)活動不斷加入到碳循環(huán)過程中來，這其中最主

12、要的活動是燃燒礦物燃料和砍伐森林。前者的影響是大大加快了巖石圈中有機(jī)碳的消耗和二氧化碳的排放， 后者則減弱了生物圈同化二氧化碳的能力，其最終結(jié)果是打破碳循環(huán)原有的平衡，使大氣中二氧化碳濃度增加。Kjfk Hipaiiiw aiid PWlvr Th tn N,AAurCMILiLConcentration of CO 2MUaJ tnsCESUEZ gGlobal CO 2 increase（三）人類活動對大氣中甲烷濃度的影響 甲烷俗稱沼氣，其濃度在溫室氣體中占第二位。其增長與世界人口的增長有非常大的相關(guān)。 甲烷的主要源地是沼澤、稻田及牲畜反芻。（四）溫室效應(yīng)大氣中的二氧化碳、甲烷、一氧化二氮

13、、臭氧、氯氟碳（CFCs）、水蒸氣等可以使短波輻射幾乎無衰減地通過，但卻可以吸收長波輻射，因此，這些氣體有類似溫室的作用，故 稱上述氣體為溫室氣體”，由此產(chǎn)生的效應(yīng)稱為溫室效應(yīng)。第四節(jié)氮循環(huán)(Nitrogen cycle)? 一、氮的貯存庫(stored si nk)1. 巖石圈 93.8% nitrogen in lithosphere2. 大氣圈 6.2% molecule in atmosphere參與循環(huán)很少為N循環(huán)的主要貯存庫、氮素的輸入和輸出1.輸入：生物固氮，工業(yè)固氮，高能固氮：閃電、宇宙射線、損石、火山爆發(fā)生物固氮：主要有共生固氮作用，自生固氮作用和聯(lián)合固氮作用三種類型，其中，

14、共生固氮作用貢獻(xiàn)最大。2.輸出：燃燒，揮發(fā)反硝化，滲漏? 三、氮循環(huán)氮的循環(huán)與碳的循環(huán)大 體相似，但很多環(huán)節(jié)上都有特 定的微生物參加三、人類活動對氮循環(huán)的影響1. 含氮有機(jī)物燃燒產(chǎn)生 NOx污染大氣溫室氣體2. 過度耕種使土壤氮素肥力下降3. 工業(yè)固氮抑制生物固氮，造成氮素局部富積和氮循環(huán)失調(diào)(水體富營養(yǎng)化)4. 不合理施肥造成氮素流失污染地下水、蔬菜硝酸鹽中毒? 四、農(nóng)田氮素控制的途徑1. 改進(jìn)氮肥施用技術(shù)分次施肥、氮肥深施、緩效肥等2. 平衡施肥和測土施肥3. 采用硝化抑制劑4. 合理灌溉5. 做好水土保持工作第五節(jié)磷循環(huán)(Phosphorous cycle)?一、磷的貯存庫及循環(huán)過程1.

15、 巖石土壤圈主要是地殼2. 磷循環(huán)過程生物小循環(huán)和地質(zhì)大循環(huán)?二、農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)磷的循環(huán)1. 磷的輸入施肥作物殘體大氣沉 降灌溉2. 磷的輸出作物收獲土壤侵蝕及淋失滲漏in 乂Mll 亠 亠 pfvriipi ki tioti % - *r wLh-trttUs r*r片-痊厲棗出Q iW.i idEES血濟(jì)-常工三、人類活動對磷循環(huán)的影響1. 磷礦開采與消耗2. 磷肥的施用與流失eutrophicati on、 red tide3. 生活廢水、工業(yè)污水排放導(dǎo)致富營養(yǎng)化、赤潮（紅潮）赤潮（紅潮）第六節(jié)鉀循環(huán)(Potassium cycle )? 一、土壤生態(tài)系統(tǒng)中的平衡輸入：動植物殘體施肥 輸出

16、：作物收獲流失滲漏Uum 口E屮且 l” ：.jiI he Potassium CycleC rap h-in-e -；tPlantrpsiduesMineral fertilizersblepotasiuiriFixedf u ifih5ii JiriLeechingAnimalrndnui匕巧and biosoiiosRunoff cinderosion?二、農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的鉀素利用和管理1. 作物秸稈回田、施用草木灰2. 施用有機(jī)肥和種養(yǎng)綠肥不成土壤鉀素3. 合理耕作促使難溶鉀有效化4. 合理施用鉀肥第七節(jié)硫循環(huán)(Sulfur cycle )?一、農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)中硫的平衡1. 輸入土壤礦物風(fēng)化大氣硫沉降施用含硫肥料灌溉2. 輸出作物收獲流失氣態(tài)揮發(fā)、人類活動對硫平衡的影響1. S02氣體大量排放燃煤、燃油、燃?xì)狻⒌V治、農(nóng)業(yè)活動2. 酸雨及其危害pH 4.5g/cm22. 農(nóng)藥污染（pesticide pollution）采取措施：（1