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1、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
2、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
3、、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
4、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
5、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=F
6、O/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（
7、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。
8、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C
9、O2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
10、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5060亿吨，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
11、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（
12、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381016亿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
13、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175106t。 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： 45.9106（1977年） 100106t（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7.6106t。,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
14、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）
15、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4 mg/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,
16、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51016
