农业生态系统的物质循环课件.ppt

农业生态学,Agroecology,第六章 农业生态系统的物质循环,生态系统的物质循环概述 主要物质的生物地化循环 农业生态系统中的养分循环与平衡 人类干扰物质循环导致的重大环境问题分析,第一节 生态系统的物质循环概述,一、物质循环的概念及特征 二、生态系统内能流与物流的关系,一、物质循环的概念及特征,物质循环也称生物地球化学循环（Biogeochemical cycles），是指化学元素沿着特定的途径在生态系统的环境组分和生物组分间不断循环流动的过程。,1.物质循环的概念,几乎所有的化学元素都能在生物体中发现，但在生命活动过程中，大约只需要30-40种化学元素。根据生物的需要程度，这些元素可分为大量营养元素(macronutrients)和微量营养元素(micronutrients)。,表6-1 常见大量营养元素与微量营养元素,库(pool):物质在运动过程中被暂时固定、贮存的场所。流(flow):物质在库与库之间循环转移的过程。,2.描述物质循环的特性指标概述,（1）库与流,一般将产生和释放物质的库（即输出大于输入）又称为源(source)，而将吸收和固定物质的库（即输入大于输出）称为汇（sink）。,贮存库（reservoir pool）：容积较大，交换慢，一般为环境库。如土壤库、大气库等。交换库（exchange pool）：容积小，交换快，一般为生物库。如植物库、动物库等。,库,在某一特定观察时刻，单位面积或体积内积存的有机物总量构成生物量（biomass）。它可以是特指的某种生物的生物量，也可以指全部植物、动物和微生物的生物量。生物量又可称为现存量（standing crop）生物量（现存量）=生产量-减少量 净生产量=总生产量-呼吸量,（2）生物量与现存量,周转率(R)：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）与库存总量（S）的比值。周转率(R)=FI/S=FO/S 周转期(T)：物质更新所需要的时间。周转期(T)=1/R 物质的周转率用于生物的生长称为更新率(refresh rate)。不同生物的更新率相差悬殊。,（3）周转率与周转期,当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，但并未离开系统，并最终返回该组分时，系统内发生了物质循环。循环物质（FC）与输入物质（FI）的比例，称为物质的循环效率（EC）。EC=FC/FI 物质循环效率是衡量生态系统功能强弱的重要标志，一般来说，EC值越高，表示该系统的机能越强。农业生态系统的优化设计目标之一就是提高物质在系统内的循环转化效率，使系统的循环效率越接近1越好。,（4）循环效率,（1）按循环经历途径与周期分类 生物地球化学循环依据其循环的范围和周期，可分为地质大循环(Geological cycle)和生物小循环(Small biological cycle)。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，进入五大自然圈层的循环。,3.物质循环的类型,地质大循环特点：具有范围大，周期长，影响面广等特点。地质大循环几乎没有物质的输出与输入，是闭合式的循环。生物小循环：指环境中元素经生物体吸收，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，很快再为生产者吸收、利用的循环过程。生物小循环特点：范围小、时间短、速度快等特点，是开放式的循环。,（2）按物质循环主要存在形式分类 根据不同的化学元素、化合物在五个物质循环库中存在的形式、库存量的大小和被固定时间的长短，分为气相型循环(Gaseous types cycles)和沉积型循环(Sedimentary types cycles)。,气相型循环（Gaseous types cycles）：储存库在大气圈或水圈（海洋）中，通过大气进行扩散，弥漫了陆地或海洋上空，这样在很短的时间内可以实现大气库和生物库直接交换，为生物重新利用，循环比较迅速。如碳、氮、氧、水蒸气、氯、溴、氟等属于此类循环。沉积型循环（Sedimentary types cycles）：许多矿物元素从陆地岩石中释放出来，为植物所吸收，并沿食物链转移。然后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进入江河。如磷、硫、碘、钙、镁、铁、锰、铜、硅等元素属于此类循环。这类循环是缓慢的、非全球性，并且容易受到干扰，成为“不完全”的循环，,生态系统内同时存在着能流与物流，它们相伴而行，相辅相成，且不可分割。能流是物流的动力，物流是能流的载体。任何生态系统的存在和发展，都是能流与物流同时作用的结果，二者有一方受阻都会危及生态系统的存在和延续。物质也好，能量也好，不管它们的形态发生怎样的变化，都遵循着“物质不灭、能量守恒”的原则。,二、生态系统内能流与物流的关系,一、水的地质大循环二、碳的地质大循环 三、氮的地质大循环 四、磷的地质大循环 五、钾的地质大循环,第二节 几种主要物质的生物地化循环,一、水的地质大循环1.水的分布,在自然界中，水以固态、液态和气态形式分布于岩石圈、水圈、大气圈、土壤圈和生物圈几个贮藏库中。地球总水量中海洋咸水约占总水量的94%，淡水约占总水量的6%。陆地淡水以冰雪、地下水、地表水和大气水等形式存在，形成淡水亚库。,资料来源：杨道富，2005,表6-2 地球上水的组成及数量,2.全球水的循环,图6-1 水的地质大循环简图（1012t/年）（背景图仿 Ricklefs Robert E，2004）,水的地质大循环可分为大循环和小循环2种途径（图6-1）。,图6-2 生态系统中的水循环,3.人类活动对水的地质大循环循环的干扰,（1）温室效应造成的影响 由于温室效应造成了全球气候变暖，两极的冰盖、冰川及高山雪水大量融化，减少了固态水的库存，增加了海水水量，海平面上升。,（2）过量开采地表水及地下水，造成了地上断流、地 下漏斗、水位下降、下游水源减少、海水入侵、河流干枯、地面下沉等一系列问题。,（3）围湖造田及排干沼泽、湿地等，使地表的蓄水、调洪、供水功能减弱，引起地区性的旱涝加剧。（4）兴建大型的水库、排灌工程，改变了整个流域的水分平衡和水环境，区域生态系统发生相应演替。（5）破坏植被导致区域水分平衡失调。（6）水资源受污染使本就稀少的淡水资源更加紧缺。,1.碳在全球的分布与循环,二、碳的地质大循环,碳是生命的骨架，也是能量传递的载体。地球上的碳在大气、生物体、土壤和水圈及岩石圈中都有分布，岩石圈是碳的最大贮存库，其次是海洋圈。,图6-3 碳的地质大循环简图（亿t）,2.人类活动对碳的地质大循环的干扰,矿物燃料 砍伐森林,1.氮素分布与循环,三、氮的地质大循环,研究结果表明，全球氮素储量最多的是岩石库，占总氮量的94，难以参与循环，其次是大气，煤碳等化石燃料中也含有大量的氮。大气中的氮约占总氮量6，以分子态的氮存在，不能为大多数生物直接利用。氮气只有通过固氮菌和蓝绿藻等生物固氮、闪电和宇宙线的固氮以及工业固氮的途径，形成硝酸盐或氨的化合物形态，才能被生物利用。,表6-3 全球氮素的分布与储量（Tg，1 Tg11012g）,（引自Soderlund和Svensson，1975）,自然界的氮素循环可分为3个亚循环，即元素循环、自养循环和异养循环。反硝化和固氮是氮素循环中2个重要的流。,图6-4 全球氮的地质大循环简图（1012gN/年）（参照Schlesinger，1997）,2.人类活动对氮的地质大循环的干扰及其对环境的影响,（1）含氮有机物的燃烧产生的大量氮氧化物污染大气，一些氮氧化物是 温室气体的成分之一；（2）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；（3）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）过度耕垦使土壤氮素含量特别是有机氮含量下降，土壤整体肥力持 续下降。,1.磷的分布与循环,四、磷的地质大循环,地球上的磷大量存在于岩石、土壤和海水中，生物体的磷数量较小。自然界中的无机磷主要以磷酸盐类形式存在。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。农业中的磷肥来自于含磷岩矿中的磷酸盐，经天然风化或化学分解之后，变为不同溶解程度的磷酸盐，供给作物吸收利用。磷矿可开采部分数量约相当于现有生物体含磷量的110倍，但在世界的分布很不均匀。,表6-4 全球各圈层中磷的分布与储量（106t）,（引自骆世明，2001）,磷循环属于较简单的沉积型循环，缓冲力较小。,图6-5 全球磷的地质大循环简图（亿t/年）（参照骆世明，1987）,如何减少水土流失，将磷素保留在生物小循环之内，是农业生态系统控制磷素循环的关键所在。,2.人类活动对磷循环的干扰,（1）磷矿资源的开采与消耗（2）磷肥的施用与流失（3）生活废水、工业污水导致富营养化、赤潮。,赤潮,富营养化,富营养化湖水&正常湖水,钾是植物体内非常活泼的元素，是多种酶的活化剂，它具有促进植物光合作用、碳水化合物代谢、蛋白质合成和共生固氮等生理功能。钾的地质大循环与磷的过程相似，均为沉积型循环。,五、钾的地质大循环,图6-6 钾的地质大循环简图（亿t/年）,第三节 农业生态系统中的养分循环与平衡,一、农业生态系统养分循环与输入输出一般模式二、农业生态系统中氮循环模式与特点 三、农业生态系统中磷与钾的循环模式与特点 四、农业生态系统养分循环特点 五、有机质在农田养分平衡中的作用与利用六、农业生系统养分循环的系统分析,一、农业生态系统养分循环与输入输出一般模式,生物小循环的过程是与生物接邻的环境（土壤、水、大气）中元素经生物体吸收，在生态系统中被生产者、各级消费者相继利用，然后经过分解者的作用，回到环境后，很快再为生产者吸收、利用的循环过程。对陆地生态系统而言，生物小循环一般只涉及到土壤圈与生物圈，其中生物库又可分为植物亚库、动物亚库和微生物亚库，土壤库又可分为土壤有机亚库、土壤速效亚库和土壤矿物亚库。因微生物主要以土壤有机质为食，二者可视为一体。动植物生长所需要的养分是经由土壤植物动物微生物土壤的渠道而流动的。,图6-7 农业生态系统的养分循环一般模式图,图6-8 农田生态系统内的氮素循环与平衡图（参考沈亨理，1996）,二、农业生态系统中氮素循环模式与特点,1.农业生态系统氮素循环与平衡一般模式,大气库是农业生态系统的氮素主要源，输入到农业系统的生物小循环的途径主要有四条：生物固氮(bio-fixation)化学固氮 闪电固氮 氮沉降,2.农业生态系统的氮素主要输入途径,自然界的自发固氮数量巨大，其中90是由微生物完成的。从提高农业生态系统氮素循环及利用效率角度来看，应当积极种植豆科作物，培育其它固氮生物，合理施用化学氮肥，才能更好地实现系统的增产增效。,3.农业生态系统氮素主要输出途径,农业生态系统的氮素输出的途径很多，但从服务于人类角度看，非生产目标性的损失主要有四个方面：挥发损失（NH4+-N）（燃烧、分解等）氮的淋失（NO3-N 和NH4+-N）径流损失（NO3-N 和NH4+-N）反硝化作用,依据农业生态系统氮素循环与平衡的特点，目前农业生态系统中可采取以下针对性措施控制系统氮素无效输出，提高其循环效率：平衡施肥和测土施肥，充分发挥生物固N的作用；改进施肥技术，包括分次施肥、氮肥深施，减少挥发损失；施用缓效氮肥；使用硝化抑制剂，如脒基硫脲、双氰胺等；合理灌溉，消除大水漫灌等方式造成的深层淋失；防止水土流失和土壤侵蚀，消除和减少土壤耕层氮素径流损失。,4.农业生态系统中提高氮素利用效率的主要措施,秸秆综和利用：秸秆特别是豆科作物的秸秆中含有一定的氮素，从合理利用氮素和能源来考虑，以作物秸秆作燃料是不经济的。利用作物秸秆比较有效的办法，作饲料、以牲畜粪尿和作物秸秆发展沼气，沼气发酵后的残余物再作肥料。由此可见，从植物秸秆动物饲料能源原料优质肥料植物养料，这样的物质循环途径，充分利用了植物有机物质和氮素，为培肥土壤和增加畜产品创造了有利条件。,1.磷与钾素循环与输入输出模式图,三、农业生态系统中磷与钾的循环模式与特点,图6-9 农田生态系统内的磷素与钾素循环与平衡图,磷的系统外输入主要有化肥输入、有机肥输入与风化3种途径。土壤中全磷含量虽较高，约占土壤干重的0.03-0.35（以P2O5计），但主要呈不溶态，风化速度较慢。能被植物利用的速效磷含量很低。,2.农业生态系统中的磷素循环与平衡的特点,活的有机体和死亡的有机体中的有机磷在循环中占有极其重要地位，有机磷易于转变为有效磷为植物利用，而且生物体及残茬的有机物能够促进土壤沉积态磷的有效化。磷的固定即有效性无机磷无效化的过程，包括胶体代换吸附固定、化学固定和生物固定。土壤中的磷只有在中性条件下有效性才最高。,（1）钾的主要输入途径：矿物风化、作物残茬回田、有机肥以及钾肥施用。（2）钾的主要输出途径：作物产品的输出、侵蚀和土壤固定 保持农田生态系统钾素的生物小循环的循环效率，减少无效输出的核心是要注重秸秆的还田。,3.农业生态系统中钾素循环与平衡的特点,秸秆利用效率提高途径：尽量将作物秸秆还田及施用草木灰；适当种植绿肥，如富钾植物如水花生、红萍等；通过土壤耕作等措施促使土壤中难溶性钾有效化；因地制宜，合理施用钾肥，并注意工业废渣的利用；合理施肥与灌水，减少淋失。,农业生态系统是由森林、草原、沼泽等自然生态系统开垦而成的，在多年频繁的耕作、施肥、灌溉、种植与收获作物等人为措施的影响下，形成了不同于原有自然系统的养分循环特点：养分输入率与输出率较高 库存量较低，但流量大，周转快保持能力弱，容易流失 养分供求不同步,四、农业生态系统养分循环的特点,（1）有机质是各种养分的载体，经微生物分解能释放出供植物吸收利用的有效N、P、K等，增加土壤速效和缓效养分的含量；（2）有机质能够为土壤微生物提供生活物质，促进微生物活动，加速微生物的矿化作用；,五、有机质在农田养分平衡中的作用与利用,1.有机质的作用,（3）有机质经过微生物作用能够转变成为腐殖质，从而增加土壤中腐殖质和腐殖酸的含量，改善土壤物理状况；（4）有机质具有和硅酸盐同样的吸附阳离子的能力，对于磷、钾、铁等易于固定的离子保持在缓效性状态有重要作用；（5）有机质的还田与覆盖，一方面有吸附水分作用，同时还能减少土壤水分的无效蒸发，因此具有一定的保水抗旱作用。,有机质主要包括粪、尿、土肥、堆肥、厩肥、秸秆及脱落物、根茬等。充分挖掘有机肥源 合理轮作，创造不同类型的有机质并安排归还率高的作物选择适宜的秸秆还田方式 农林牧结合，发展沼气 农产品就地加工，提高物质的归还率,2.有机质的开发途径,（1）单纯依靠有机肥的作用是不能实现农田养分完全循环与平衡的，需要与无机肥配合使用；（2）机肥在制造与施肥过程中可能存在一定程度的大气、土壤环境污染，特别是在大型养殖场周边有地下水硝酸盐污染的检出；（3）在有机质的还田过程中要注意适当的氮素等其它营养元素的补充。,3.有机质利用中需要注意的问题,1.农业生态系统养分循环的系统分析的作用2.农业生态系统养分循环的系统分析方法及案例 要了解某种养分在各库中的平衡状态，必先求出该养分的净流入量和净流出量。当流入与流出量相等时，说明该种养分处于平衡状态。当通过系统边界的输入与输出量相等时，则该系统处于稳定状态。当某种养分的输出大于（或小于）输入量时，说明这个系统中该种营养元素处于减少（或积累）状态。,六、农业生态系统养分循环的系统分析,以在河北省栾城县进行的农田氮素循环与平衡分析为例，说明养分循环系统分析的方法与步骤：（1）确定评价对象与对象所在系统边界。（2）明确系统的库和流联系，绘出物流图。,图6-10 栾城县农田生态系统内的氮素输入输出简图（kg/hm2）,本案例重点是研究具体农田或耕地系统，因此将一般生物小循环所包括的人亚库、畜禽亚库排除在分析之外，通过对作物亚库和土壤亚库的各项输入输出统计后，画出物流图（图6-10）。,（3）根据流程图列出养分平衡表，将评价对象定量化。,表6-5 栾城县冬小麦-夏玉米耕地生产系统氮平衡输入项及组（kg/hm2）,栾城农田氮平衡研究案例中，依据田间测定得出氮素输入、输出各项具体数据如下（表6-5、6-6和6-7）。,表6-7 栾城县冬小麦-夏玉米耕地生产系统土壤界面氮平衡（kg/hm2）,表6-6 栾城县冬小麦-夏玉米耕地生产系统氮平衡输出项及组成（kg/hm2）,4.系统的物质循环效率与平衡分析与评价（1）对输入与输出的结构分析（2）输入输出强度及物质转化效率分析（3）输入输出平衡分析（4）与其它系统进行比较分析，诊断出该系统的优缺点,一、化肥对环境的污染二、农药对环境的污染三、温室效应四、水体富营养五、生物放大现象,第四节 人类干扰物质循环导致的重大环境问题分析,1.化肥对土壤的污染 化学肥料对土壤污染主要是磷肥。磷肥的原料磷矿石，除富含P2O5外，还含有其他无机营养元素为钾、钙、锰、硼、锌等，同时也含有毒物质如砷、镉、铬、氟、钯等，主要是镉和氟，含量因矿源而有很大差异。2.化肥对水体的污染 施肥与水体富营养化施肥与地下水污染3.施肥与大气污染,一、化肥对环境的污染,化肥污染,1.农药对大气的污染 农药通过各种途径进入大气，后在大气中发生物理、化学变化。2.农药对水体的污染 农药进入水中后，农药在水中的溶解度不高，但可吸附于水中的微粒上，随地表径流，进入水体。农药对水体的影响，在一般情况下表现不明显，而是通过农药的存在直接影响水生生物。,二、农药对环境的污染,农 药,农药污染,农 药,3.农药对土壤的污染 农药通过土壤对它的吸附作用而蓄积在土壤中，农药被土壤吸附后，其移动性和生理毒性也将随之发生变化。从某种意义上来说，土壤对农药的吸附作用就是土壤对有毒物质的净化和解毒作用。但这种净化作用是不稳定的，也是有限度的。当吸附的农药被土壤溶液中的其它物质重新置换出来时，即又恢复其原来的毒性。随后，进入到土壤中的农药可以通过水迁移，气体扩散等方式在环境各要素之间运行。,大气中的二氧化碳(CO2)、甲烷(CH4)、一氧化二氮(N2O)、臭氧(O3)、氯氟烃（CFCs）、水蒸气(H2O)等可以使短波辐射通过，但却可以吸收长波辐射，对地球有保温效果，类似温室的作用，故称上述气体为“温室气体”（greenhouse gas）。温室气体产生的增温效应称为温室效应（图6-11）。,三、温室效应,1.温室效应的概念及产生,温室效应原本是一个自然过程，在人类大规模的干预之前，碳元素 在岩石圈、水圈、生物圈、土壤圈和大气圈间循环流动，处于相对平衡状态。,图6-11 温室效应发生过程（引自王宏燕，2008）,表6-8 主要温室气体的大气浓度、年增长速率,相同质量的气体比较，CH4的相对增温效应是CO2的55倍，但因CO2在空气中含量高，因此CO2的增温效应是最主要的，贡献在50%左右。,（1）由于气温增高，水汽蒸发加速，全球雨量每年将減少，各地区降水形态将会改变。（2）改变植物、农作物之分布及生长力，并加快生长速度。（3）病虫害发生变化。,2.温室效应对环境及农业的影响,Green Earth,（4）海洋变暖，海平面将于2100年上升 1595 cm，导致低洼地 区海水倒灌。（5）改变地区资源分布，导致粮食、水源等的供应不平衡。（6）人体抗病能力降低。（7）生态系统受损，动物大迁移，生物多样性降低。,水体富营养化(eutrophication)：在人类活动的影响下，生物所需的氮、磷等营养物质大量进入湖泊、河口、海湾等缓流水体，引起藻类及其他浮游生物迅速繁殖，水体溶解氧量下降，水质恶化，鱼类及其他生物大量死亡的现象。,四、水体富营养化,1.水体富营养化概念及产生,图6-12 水体富营养化演替过程(Mark B.Bush，2003),（1）藻类在水体中占据的空间越来越大，同时衰死藻类沉积塘底，使鱼类活动的空间越来越小。（2）藻类及水体微生物过度生长繁殖，它们呼吸作用和死亡的有机体的分解作用消耗大量的氧，在一定时间内使水体处于严重缺氧状态，严重影响鱼类的生存。,2.水体富营养化的危害,（3）随着富营养化的发展，藻类种类逐渐减少，并由以硅藻和绿藻为主转为以蓝藻为主，而蓝藻有不少种有胶质膜，不适于作鱼饵料，其中有一些种属或其分解物是有毒的。对鱼类产生毒害作用，并给水体带来不良气味。,生物体从周围环境吸收某些元素或不易分解的化合物，这些污染物在体内积累，并通过食物链向下传递，在生物体内的浓度随生物的营养级的升高而升高，最终使生物体内某些元素或化合物的浓度超过了环境中浓度并造成毒害的现象，叫做生物放大作用，又叫生物富集作用，也叫生物浓缩。,五、生物放大现象,很多物质主要存在于岩石圈，通过火山爆发等原因进入大气圈、水圈和土壤圈，进而进入生物圈。而加入人类干预后这些物质进入生物圈的途径就变成了以下三条：大气圈土壤圈生物圈；水圈（废水）生物圈；土壤圈（污染物）生物圈。人类的干预活动增加了这些物质从岩石圈向生物圈的转移的途径和速度，导致生态系统中的生物放大过程进程加快加大，严重时会造成物种灭绝，危害人类健康甚至导致死亡。难分解的物质进入生物体内，其浓度随着食物链逐级增加这一过程对人类来说是调控难度比较大，因此减轻生物放大带来的危害要从减少源头输入进行。,思考题,1.生态系统物质循环的主要类型有哪些？试从地质大循环角度反思人类对物质循环的干扰。2.什么室温效应？它对农业生产有何利弊？3.农业生态系统氮素、磷素与钾素的主要输入与输出途径有哪些？如何提高其循环效率？4.土壤有机质的主要作用是什么？5.化肥与农药可能带来哪些环境问题？,第六章 农业生态系统的物质循环,生态系统的物质循环概述 几种主要物质的生物地化循环 农业生态系统中的养分循环与平衡人类干扰物质循环导致的重大环境问题分析,第一节 生态系统的物质循环概述,一、物质循环的概念及特征 二、生态系统内能流与物流的关系,一、物质循环的概念及特征,物质循环也称生物地球化学循环（Biogeochemical cycles），是指化学元素沿着特定的途径在生态系统的环境组分和生物组分间不断循环流动的过程。,1.物质循环的概念,几乎所有的化学元素都能在生物体中发现，但在生命活动过程中，大约只需要30-40种化学元素。根据生物的需要程度，这些元素可分为大量营养元素(macronutrients)和微量营养元素(micronutrients)。,表6-1 常见大量营养元素与微量营养元素,库(pool):即物质在运动过程中被暂时固定、贮存的场所。流(flow):即物质在库与库之间循环转移的过程。,一、物质循环的概念及特征,2.描述物质循环的特性指标概述,（1）库与流,生物库,大气库,流,流,一般将产生和释放物质的库（即输出大于输入）又称为源（source），而将吸收和固定物质的库（即输入大于输出）称为汇（sink）。（森林：碳汇，氧源）,一、物质循环的概念及特征,2.描述物质循环的特性指标概述,生物库,大气库,流,流,（1）库与流,贮存库（reservoir pool）和交换库（exchange pool）,在海洋生态系统中，水体中含有大量的磷，但与外界交换的磷量仅占总库存的很小部分，这时海洋水体库是磷的贮存库；浮游生物与动植物体内含有磷量相对少得多，与水体库交换的磷量占生物库存量比例高，则称生物库是磷的交换库。,（1）库与流,周转率(R)是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）与库存总量（S）的比值。物质的周转率用于生物的生长称为更新率(refresh rate)。,一、物质循环的概念及特征,（3）周转率与周转期,1年生植物当生育期结束时现存量与年生长量大体相等，故其更新率接近1，更新期为1年。森林的现存量很大而生产量很小。如某一森林的现存量为324T/hm2，年净生产量为28.6T/hm2，其更新率=28.6/324=0.088，更新期约为11.3年。浮游生物的现存生物量往往很低，但年生产量较高。如某一水体中的浮游生物的现存量为0.07t/hm2，年净生产量为4.1 t/hm2，其更新率=4.1/0.07=59，更新期只有6.32d。,一、物质循环的概念及特征,（3）周转率与周转期,当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，但并未离开系统，并最终返回该组分时，系统内发生了物质循环。循环物质（FC）与输入物质（FI）的比例，称为物质的循环效率（EC）。EC=FC/FI 农业生态系统的优化设计目标之一就是提高物质在系统内的循环转化效率，使系统的循环效率越接近1越好。,一、物质循环的概念及特征,（4）循环效率,（1）按循环经历途径与周期分类 生物地球化学循环依据其循环的范围和周期，可分为地质大循环(Geological cycle)和生物小循环(Small biological cycle)。,一、物质循环的概念及特征,3.物质循环的类型,地质大循环,物质和元素经生物体的吸收作用，从环境进入有机体内，然后生物以死体、残体、排泄物等形式返回环境的循环。特点：时间长、范围广，具有全球性质的闭合性循环。大气中的CO2通过生物圈的光合和呼吸作用约400年循环一次。O2通过生物代谢，约2000年循环一次。水圈（包括占地球表面71%的海洋）中的水，通过生物圈的吸收、排泄、蒸腾，每当200万年才循环一次。岩石土壤圈风化出的矿物元素循环一次则需要更长的时间，甚至要经过几亿年。,生物小循环,是指环境中元素经生物体吸收，在生命系统中被相继利用，然后经分解者分解成无机态进入环境，再次为生产者吸收利用。特点：在一个系统内进行，范围小、时间短、速度快，是开放式的循环。,生态系统内同时存在着能流与物流，它们相伴而行，相辅相成，且不可分割。能流是物流的动力，物流是能流的载体。任何生态系统的存在和发展，都是能流与物流同时作用的结果，二者有一方受阻都会危及生态系统的存在和延续。物质也好，能量也好，不管它们的形态发生怎样的变化，都遵循着“物质不灭、能量守恒”的原则。,二、生态系统内能流与物流的关系,一、水的地质大循环二、碳的地质大循环 三、氮的地质大循环 四、磷的地质大循环 五、钾的地质大循环,第二节 几种主要物质的生物地化循环,一、水的地质大循环,1.水的分布,资料来源：杨道富，2005,表6-2 地球上水的组成及数量,2.全球水的循环,图6-1 水的地质大循环简图（1012t/年）（背景图仿 Ricklefs Robert E，2004）,一、水的地质大循环,水的地质大循环可分为大循环和小循环两种途径（图6-1）,3.人类活动对水的地质大循环循环的干扰,一、水的地质大循环,（1）温室效应造成的全球气候变暖。（2）过量开采地表水及地下水，造成了地上断流、地下漏斗、水位下降、下游水源减少、海水入侵、河流干枯、地面下沉等一系列问题。,（3）围湖造田以及排干沼泽、湿地等，使地表的蓄水、调洪、供水功能 减弱，引起地区性的旱涝加剧。（4）兴建大型的水库、排灌工程，改变了整个流域的水分平衡和水环境，区域生态系统发生相应演替。（5）破坏植被导致区域水分平衡失调。（6）水资源受污染日益严重，使本就稀少的淡水资源更加紧缺。,1.碳在全球的分布与循环,图6-2 碳的地质大循环简图（亿t）,二、碳的地质大循环,2.人类活动对碳的地质大循环的干扰,二、碳的地质大循环,人类活动可以从多个方面干扰碳循环，从而产生一系列环境问题。其中，最主要的活动是燃烧矿物燃料和砍伐森林。,1.氮素分布与循环,表6-3 全球氮素的分布与储量（Tg，1 Tg11012g）,（引自Soderlund和Svensson，1975）,三、氮的地质大循环,自然界的氮素循环可分为3个亚循环，即元素循环、自养循环和异养循环。反硝化和固氮是氮素循环中两个重要的流。,图6-3 全球氮的地质大循环简图（1012gN/年）（参照Schlesinger，1997）,三、氮的地质大循环,2.人类活动对氮的地质大循环的干扰及其对环境的影响,三、氮的地质大循环,（1）含氮有机物的燃烧产生的大量氮氧化物污染大气，一些氮氧化物是温室气体的成分之一；（2）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；（3）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）过度耕垦使土壤氮素含量特别是有机氮含量下降，土壤整体肥力 持续下降。,1.磷的分布与循环,表6-4 全球各圈层中磷的分布与储量（106t）,（引自骆世明，2001）,四、磷的地质大循环,磷循环属于较简单的沉积型循环，缓冲力较小。如何减少水土流失，将磷素保留在生物小循环之内，是农业生态系统控制磷素循环的关键所在。,图6-4 全球磷的地质大循环简图（亿t/年）（参照骆世明，1987）,四、磷的地质大循环,2.人类活动对磷循环的干扰,四、磷的地质大循环,（1）磷矿资源的开采与消耗（2）磷肥的施用与流失,钾是植物体内非常活泼的元素，是多种酶的活化剂，它具有促进植物光合作用、碳水化合物代谢、蛋白质合成和共生固氮等生理功能。钾的地质大循环与磷的过程相似，均为沉积型循环。,图6-5 钾的地质大循环简图（亿t/年）,五、钾的地质大循环,一、农业生态系统养分循环与输入输出一般模式,第三节 农业生态系统中的养分循环与平衡,图6-6 农业生态系统的养分循环一般模式图,二、农业生态系统中氮素循环模式与特点,图6-7 农田生态系统内的氮素循环与平衡图（参考沈亨理，1996）,1.农业生态系统氮素循环与平衡一般模式,大气库是农业生态系统的氮素主要源，输入到农业系统的生物小循环的途径主要有四条：生物固氮(bio-fixation)化学固氮 闪电固氮 氮沉降,二、农业生态系统中氮素循环模式与特点,2.农业生态系统的氮素主要输入途径,自然界的自发固氮数量巨大，其中90是由微生物完成的。从提高农业生态系统氮素循环及利用效率角度来看，应当积极种植豆科作物，培育其它固氮生物，合理施用化学氮肥，才能更好地实现系统的增产增效。,3.农业生态系统氮素主要输出途径,二、农业生态系统中氮素循环模式与特点,农业生态系统的氮素输出的途径很多，但从服务于人类角度看，非生产目标性的损失主要有四个方面：挥发损失（NH4+-N）氮的淋失（NO3-N 和NH4+-N）径流损失（NO3-N 和NH4+-N）反硝化作用,依据农业生态系统氮素循环与平衡的特点，目前农业生态系统中可采取以下针对性措施控制系统氮素无效输出，提高其循环效率：平衡施肥和测土施肥，充分发挥生物固N的作用；改进施肥技术，包括分次施肥、氮肥深施，减少挥发损失；施用缓效氮肥；使用硝化抑制剂如脒基硫脲、双氰胺等；合理灌溉，消除大水漫灌等方式造成的深层淋失；防止水土流失和土壤侵蚀，消除和减少土壤耕层氮素径流损失。,二、农业生态系统中氮素循环模式与特点,4.农业生态系统中提高氮素利用效率的主要措施,1.磷与钾素循环与输入输出模式图,三、农业生态系统中磷与钾的循环模式与特点,图6-8 农田生态系统内的磷素与钾素循环与平衡图,磷的系统外输入主要有化肥输入、有机肥输入与风化3种途径。土壤中全磷含量虽较高，约占土壤干重的0.03-0.35（以P2O5计），但主要呈不溶态，风化速度较慢。能被植物利用的速效磷含量很低。,三、农业生态系统中磷与钾的循环模式与特点,2.农业生态系统中的磷素循环与平衡的特点,活的有机体和死亡的有机体中的有机磷在循环中占有极其重要地位，有机磷易于转变为有效磷为植物利用，而且生物体及残茬的有机物能够促进土壤沉积态磷的有效化。磷的固定即有效性无机磷无效化的过程，包括胶体代换吸附固定、化学固定和生物固定。土壤中的磷只有在中性条件下有效性才最高。,三、农业生态系统中磷与钾的循环模式与特点,（1）钾的主要输入途径：矿物风化、作物残茬回田、有机肥以及钾肥施用。（2）钾的主要输出途径：作物产品的输出、侵蚀和土壤固定 保持农田生态系统钾素的生物小循环的循环效率，减少无效输出的核心是要注重秸秆的还田。,三、农业生态系统中磷与钾的循环模式与特点,3.农业生态系统中钾素循环与平衡的特点,农业生态系统是由森林、草原、沼泽等自然生态系统开垦而成的，在多年频繁的耕作、施肥、灌溉、种植与收获作物等人为措施的影响下，形成了不同于原有自然系统的养分循环特点：养分输入率与输出率较高 库存量较低，但流量大，周转快保持能力弱，容易流失 养分供求不同步,四、农业生态系统养分循环的特点,（1）有机质是各种养分的载体，经微生物分解能释放出供植物吸收利用的有效N、P、K等，增加土壤速效和缓效养分的含量；（2）有机质能够为土壤微生物提供生活物质，促进微生物活动，加速微生物的矿化作用；,五、有机质在农田养分平衡中的作用与利用,1.有机质的作用,（3）有机质经过微生物作用能够转变成为腐殖质，从而增加土壤中腐殖质和腐殖酸的含量，改善土壤物理状况；（4）有机质具有和硅酸盐同样的吸附阳离子的能力，对于磷、钾、铁等易于固定的离子保持在缓效性状态有重要作用；（5）有机质的还田与覆盖，一方面有吸附水分作用，同时还能减少土壤水分的无效蒸发，因此具有一定的保水抗旱作用。,有机质主要包括粪、尿、土肥、堆肥、厩肥、秸秆及脱落物、根茬等。充分挖掘有机肥源 合理轮作，创造不同类型的有机质并安排归还率高的作物选择适宜的秸秆还田方式 农林牧结合，发展沼气 农产品就地加工，提高物质的归还率,五、有机质在农田养分平衡中的作用与利用,2.有机质的开发途径,（1）单纯依靠有机肥的作用是不能实现农田养分完全循环与平衡的，需要与无机肥配合使用；（2）机肥在制造与施肥过程中可能存在一定程度的大气、土壤环境污染，特别是在大型养殖场周边有地下水硝酸盐污染的检出；（3）在有机质的还田过程中要注意适当的氮素等其它营养元素的补充。,五、有机质在农田养分平衡中的作用与利用,3.有机质利用中需要注意的问题,1.农业生态系统养分循环的系统分析的作用2.农业生态系统养分循环的系统分析方法及案例 要了解某种养分在各库中的平衡状态，必先求出该养分的净流入量和净流出量。当流入与流出量相等时，说明该种养分处于平衡状态。当通过系统边界的输入与输出量相等时，则该系统处于稳定状态。当某种养分的输出大于（或小于）输入量时，说明这个系统中该种营养元素处于减少（或积累）状态。,六、农业生态系统养分循环的系统分析,以在河北省栾城县进行的农田氮素循环与平衡分析为例，说明养分循环系统分析的方法与步骤：（1）确定评价对象与对象所在系统边界。（2）明确系统的库和流联系，绘出物流图。,图6-9 栾城县农田生态系统内的氮素输入输出简图（kg/hm2）,六、农业生态系统养分循环的系统分析,本案例重点是研究具体农田或耕地系统，因此将一般生物小循环所包括的人亚库、畜禽亚库排除在分析之外，通过对作物亚库和土壤亚库的各项输入输出统计后，画出物流图（图6-9）。,（3）根据流程图列出养分平衡表，将评价对象定量化。,表6-5 栾城县冬小麦-夏玉米耕地生产系统氮平衡输入项及组（kg/hm2）,六、农业生态系统养分循环的系统分析,栾城农田氮平衡研究案例中，依据田间测定得出氮素输入、输出各项具体数据如下（表6-5、6-6和6-7）。,表6-7 栾城县冬小麦-夏玉米耕地生产系统土壤界面氮平衡（kg/hm2）,六、农业生态系统养分循环的系统分析,表6-6 栾城县冬小麦-夏玉米耕地生产系统氮平衡输出项及组成（kg/hm2）,4.系统的物质循环效率与平衡分析与评价（1）对输入与输出的结构分析（2）输入输出强度及物质转化效率分析（3）输入输出平衡分析（4）与其它系统进行比较分析，诊断出该系统的优缺点,六、农业生态系统养分循环的系统分析,化肥对环境的污染农药对环境的污染温室效应水体富营养生物放大现象,第四节 人类干扰物质循环导致的重大环境问题分析,1.化肥对土壤的污染 化学肥料对土壤污染主要是磷肥，磷肥的原料磷矿石，除富含P2O5外，还含有其他无机营养元素为钾、钙、锰、硼、锌等，同时也含有毒物质如砷、镉、铬、氟、钯等，主要是镉和氟，含量因矿源而有很大差异。2.化肥对水体的污染 施肥与水体富营养化施肥与地下水污染3.施肥与大气污染,一、化