佛山科学技术学院精品资源共享课《农业牛态学》（聂早荣） 第四章农业生态系统的物流 Chapter 4 Nutrient Cycle in Agroecosystem 第一节生物地球化学循环 一、生物地球化循环 (一)物质循环的库、流与周转 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。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。植物库、动物库等。 2、流：物质在库与库之间的转移运动状念。 尘念系统中的能流、物流、信息流使生念系统中各组分联系起来。 3、周转期与周转率 (1)尘物量(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=尘产量+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=1R物质史换所需要的时间。 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，I总输入物质 4、库与流的作用及相互关系 (1)没有车，环境资源不能被吸收，固定，转化为各种产物。 (2)没有流，库与库之间不能联系与沟通，则物质循环阻塞，生物无以维持，生念系统也将瓦 解。 (3)库的吸收，固定和贮存的能力，个仪决定于尘物种群的特性，也决定于循环。 (4)农业生态系统中，生物种群所具有的捕获、吸收和转化能量与物质的性能和效率，决定了 流的数量和速度，也决定了能量和物质在生物种群之间的分配的定量关系。 (5)一个高效的生念系统，必须是库容量大，流动畅通。 (二)生物地球化循环的基本类型 1、物质循环的概念 生念系统从大气、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 1
佛山科学技术学院精品资源共享课《农业牛态学》（聂旱荣） 其它生物重复利用，最后再归还于环境。 2、物质循环的特征 物质循环在生念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树络系统，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。 呼吸作用管养物输入 管养物输出 呼吸作用 呼吸作用 保吸作用 分群者 —◆所陌环 能量流动 (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)尘物小循环：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（根据物质的贮存库分） (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，循环迅速与完全。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、周期长与不完全。 代表物质：S、P、Ca、Na、Mg、Fe、Cu、Si 过程：岩石、土壤—风化一植物利用、沉积—回到环境—风化，重新利用。 4、物质循环的类型（根据物质循环的范围、路线和周期分 (1)地质大循环 时间长达几百年、几千年、几百方年，甚至上亿年。范围广，影响面广，具有全球性质，是闭 合性循环。 (2)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念进入环 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。 5、农业生：念系统物质循环 农业生念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 工驯化的生念系统。 2
佛山科学技术学院精品资源共享课《农业牛态学》（聂旱荣） 衣业生态系统的物质循环 气体循环 水分循环 养分循环 污染物循环 北合作用 温室效应 降 灌地下 有醉钾 微 重农化污 固体 与呼吸作 气体的释 水 溉 水 金药肥水废弃物 用相关的 放与固定 质 元 属 气体交换 衣业生态系统物质循环研究的内容框架 第二节、几种重要物质的循环 一、碳循环(Carbon cycle) (一)碳的贮存库(stored sink) 1、大气圈(C02) 2、尘物圈（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C02和植物之间 3、生态系统水平上 大气C02--植物动物…微生尘物4、 地质大循环 CO2 in Fossil Fuel Atmosphere Burning CO2 in Diffusion Photosynthesis Biomass Decomposition Respiration Biomass Soll Organic Matter CO2 in Aquatic 。ceans Biomass Coal Oil CO2 in Calcareous Lithosphere Sediments Lmestone Dolomite (三)农业生念系统中的碳素流动 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，然后山人畜粪便及其遗体等重新进入环境。 (4)土壤向大气排放C02。 (5)土壤向大气排放CH4。 3
佛山科学技术学院精品资源共享课《农业牛态学》（聂早荣》 (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)作物收状移出农业生念系统的碳量。 (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 1、全球变化 全球变化是指山于人类活动排放温室气体而产尘温室效应导致全球气候变暖、降水量增加、海 平面上升，并山此而产生一系列生态和环境变化的总称。 2、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个断加入到碳循环过程中来，这共中最主 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，共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。 Maur Loa,Hawaii ￥7 0一 ahustion of Fossil Fue车 380 840 0炒】 Land te (hang四 4 3 320 870 75 1985 Year 色0 Souree:Kirk Thoning and Pieter Tans (NOAACMDL) 218501870189019101930195019701990 Concentration of CO, Global CO2 increase 3、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、稻用及牲畜反刍。 4、温室效应 人射的短波糊射 化藏 大气中的二氧化碳、甲烷、一氧化二氮、臭氧、氯氟碳(C℉Cs)、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”，山此产生的效应称为温室效应。 二、氮循环(Nitrogen cycle) 4
佛山科学技术学院精品资源共享课《农业牛态学》（聂旱荣） (一)氮的贮存库(stored sink) l、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二种类型，共中，共生固氮作 用贡献最大。 2、输出：燃烧，挥发反硝化，渗漏。 (二)氮循环 氨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 ·大气中的 一些组留 尿案及动 销技舍综 恩 士度中的数生物 (四)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 (五)农用氮素控制的途径 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 三、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坏中最重要的循环。 水循环主要山四大过程组成：蒸发、水汽运输、降水和径流。 水循环过程 5
佛山科学技术学院精品资源共享课《农业牛态学》（聂旱荣） 水域、冰雪融化一大气层 降雨过程： 蒸发一水汽输送—降水 径流 水蒸气输运 40 71 水 蒸腾 425 海洋 陆地 40返回流 地下水流 全球水循环是山陆地的、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)、农用生态系统的水分平衡 输入项：降水(Rain,R)、灌溉(Irrigation,D、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H持水(Occupying water)。 (三)水分流、养分流与能流的关系 1、水循环山口光能驱动：太阳能使冰雪融化，液念水变为气念水进入大气。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。 3、尘命必需的元素除碳、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,P04,S042和CO32。 4、植物吸收养分必须在水分作为介质，在能量的驱动下才小能完成。 (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、沼泽化和干早化。 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。 6
佛山科学技术学院精品资源共享课《农业牛态学》（聂早荣） 3、围湖造用 地表水蓄水、调洪能力降低，易造成地区性干早（如湿地的减少）。 4、过度开采地下水：造成水位下降、河流干枯、海水入侵等 (五)我国水资源开发利用方面存在的问题 1、现有水利设施不能适应农业和现代化建设的需要。 2、现有水利工程及用间渠系配套等遗留问题比较多。 3、水体污染山趋严重。 4、地下水的超采严重（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)农业生念系统的水分管理 1、植树造林，发挥“绿色水库”作用，扩大土壤的水分库容。 2、加强农用水利基本建设，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、防治水体污染 5、加强全流域的水资源保护与统一调度 7
佛山科学技术学院精品资源共享课《农业牛态学》（聂旱荣） 四、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：尘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。 Ceological uplifting Weathering from rocks Runof Phosphate in solution in soil Animals g to bottom (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、工业污水排放导致官营养化、赤潮（红潮）
佛山科学技术学院精品资源共享课《农业牛态学》（聂早荣） 五、疏循环(Sulfur cycle) (一)农业生念系统中硫的平衡 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。 大气中的s02 降 像 生产者 摄入 消费者 动植物贵体 碎屑。排出物 土壤或水体中的S到 分解者 火山爆发 石油等化 石燃料 (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<5,6对植物、土壤、水体、湖泊、建筑物等产尘负面影响。 化 的化学反应 酸雨 氯复化物和 突然降临的酸雨灾难 9
佛山科学技术学院精品资源共享课《农业牛态学》（聂旱荣） 六、御循环(Potassium cycle) (一)土壤尘念系统中的平衡 输入：动植物残体施肥 输出：作物收获流失渗漏 gt的so网 Loss from soll The Potassium Cycle Animal Crop Plant manures harvest residues and biosolids Mineral fertilizers Runoff an过 erosion Plant Exchangeable uptake potassium oll solution potassium Fixed Mineral Leaching potassium potasslum (二)农业生念系统的御素利用和管理 1、作物秸秆回用、施用草木灰 2、施用有机肥和种养绿肥不成土壤御素 3、合理耕作促使难溶钾有效化 4、合理施用御肥 第三节物质循环的环境问题 与尘物地球化学循环有关的全球型的生念环境问题有：温室效应，臭氧层破坏，酸雨，污染， 土地退化。 一、有毒物质在食物链上的浓集 食物链的浓缩作用（尘物学放大作用）：有毒物质沿食物链各营养级传递时，在生物体内的残 浓度不断升高，愈是上面的营养级，生物体内有毒物质的残浓度愈高的现象。 二、环境污染的种类及其危害 l、重金属污染(heavy metal pollution)Hg、Cd、Pb、As、Cu、Zn、Fe、Mn等毫度>4.5g/cm2 10