农业生态系统的物质循环.ppt

第五章 农业生态系统的物质循环 Chapter 5 Nutrient Cycle in Agroecosystem,主要介绍农业生态系统物质循环的基本概念、几种重要物质的循环过程、养分循环及其特点、污染物对农业生态系统的影响及其利用。,农业生态系统的物质循环,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。 物质循环和能量流动一样，是生态系统的基本功能之一。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，又是能量和信息的载体，起着双重作用。能量和物质是同时沿着食物链流动和传递的。但能量流动是单方向，是一个不断耗散的过程；而物质流动则是循环。 生态系统中的生产者通过根系从土壤中吸收矿物质和水分，由叶片吸收CO2，以太阳能为动力合成有机物质，然后沿着食物链移动。在每次物质转移中都有物质丢失，但丢失的部分都将回到环境，被植物重新吸收、利用。因此物质是可以循环的，并且是周而复始地被利用。,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。 源：产生和释放物质的库。如化石为CO2的源。 汇：吸收和固定物质的库。如海洋为CO2的汇。 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。,动物库,土壤库,植物库,生态系统物流的一般特点,3. 库与流相互关系 （1）没有库，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，生态系统也将瓦解。 （3）库的吸收、固定和贮存的能力，不仅决定于生物种群的特性，也决定于物质循环效率。 （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）一个高效的生态系统，必须是库容量大，流动畅通。,生态系统物流的一般特点,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。,生态系统物流的一般特点,1、生物量 (biomass) ：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) 周转率（R）指系统达到稳定状态后，某一组分中的物质在单位时间内所流出量（FO）或流入量（FI）占库存总量（S）的比值 R=FI/S=FO/S 周转期 T=1/R 物质更换所需要的时间。 物质的周转率用于生物的生长称为更新率。 物质运动过程中，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,循环物质（FC） 占总输入物质 （FI）的比例， 称物质的循环 效率（EC）。,生态系统物流的一般特点,四、 物质循环的类型 （一） 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，再归还于环境。 （二） 物质循环类型： 1.根据物质循环的范围、路线和周期不同，可分为： （1）地质大循环：物质或元素经生物体吸收作用，从环境进入有机体内，然后生物以残体、排泄物等形式返回环境，进入五大自然圈的循环。 特点：在五大自然圈循环，时间长，范围广，闭合式。 （2）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。如10天就可循环1次。,生态系统物流的一般特点,2. 根据物质贮存库可分为： （1）水循环贮存库：水圈，属液相型循环 （2）气相型循环：由于有巨大的大气储存库，对于干扰可相当快地进行自我调节。从全球意义上看，这类循环是比较完全的循环。 贮存库：大气圈或水圈，以气体方式参与循环，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 。,生态系统物流的一般特点,五、 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,水循环,一、水循环过程 （一）水循环的生态学意义 (1)水是营养物质的介质。物质循环和水循环不可分割地联系在一起，地球上水的运动把陆地生态系统和水域生态系统连接起来，从而使局部生态系统与整个生物圈发生联系，同时大量的水防止了地球上温度的剧变。 (2)水是物质的溶剂。水在生态系统中起着能量传递和利用的作用，绝大多数物质都溶于水，随水迁移。 (3)水是地质变化的动因之一。其他物质的循环常是结合水循环进行的，一个地方矿质元素的流失，而另一个地方矿质元素的沉积，亦往往要通过水循环来完成。 水循环是生物地球化学循环中最重要的循环。,水循环,（二）水循环的驱动力 生态系统中的水循环包括截取、渗透、蒸发、蒸腾和地表径流。水循环的驱动力包括以下三个方面。 (1)太阳能驱动了全球水循环。在上升环(up loop)和下降环(down loop)的共同作用下，川流不息形成了水的全球循环。大气水分凝结的云和以雨、雪为主要形式的大气降水是全球水循环的主要输入部分。 (2)植物在水循环中的作用是极其巨大的。水分蒸发对于植物的生长、发育至关重要。生产1g初级生产量差不多要蒸腾500g水。陆地植被每年蒸腾大约551012m3的水，几乎相当于陆地蒸发蒸腾的总量。 (3)海洋和陆地在太阳光照射下，不断蒸发水分。低纬度地区蒸发多于高纬度地区。大气湿度随着空气的流动而变动。气流实际上成为地球上空巨大的“河流”，其中有一部分是以雨的形式降落。,水循环,（三）水循环的过程 水循环主要由四大过程组成：蒸发、水汽运输、降水和径流。 水域、冰雪融化 - 大气层 -降雨 过程：蒸发 -水汽输送 -降水 - 径流,水循环分为大循环和小循环 大循环：水从海上蒸发，输入内陆上空，遇到冷凝结以雨雪的形式降落地面，江水在地表形成径流，汇入江河，注入大海。 小循环：海上和内陆水循环是水的小循环。 水循环在不断更新，估计生物水的周转期为几小时，大气中的水每8-9 d可更新一次，土壤中的水更新一次约需280d，地下水要300年，海洋水全部更新一次需要37000d。,生态系统中的水循环,降雨,截留,穿透雨,蒸腾,渗透,地表蒸发,地表径流,地下径流,水循环,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) 。,水循环,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，多种营养元素通过水进入生态系统。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。,水循环,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。 3、过度开采地下水：造成水位下降、河流干枯、 海水入侵等 三峡大坝,水循环,五、全球水量分布与我国水资源特点 海洋的水量占地球总水量的97%。人类所能利用的淡水只占地球水量的3%。在地球的有限淡水中又有75%被束缚在南北级的冰川和大陆的冰块中，因此实际上只有不足1%淡水可供利用了。 地球表面与大气通过降雨量和蒸发量之间的相互变化来实现水循环平衡的稳定，因为总的蒸发量和总的降雨量是平衡的。在海洋上蒸发量大于降雨量，而陆地上的径流量则弥补了海洋的蒸发量。如果把地球降水量看作是100个单位，那么平均海洋蒸发为84个单位，海洋接受降水为77个单位；在陆地上降雨量大于蒸发量，陆地蒸发为16个单位，接受降水为23个单位。从陆地到海洋的径流为7个单位，这样就使海洋蒸发亏损得到补偿。大气圈中的循环水量为7个单位。水量的全球平衡（图-6-2）。,水循环,水循环,我国水资源特点与农业用水现状 1、我国水资源特点 总量丰富，人均拥有量少 中国水资源总量2.8万亿方（6位）, 2004年为2.4万亿方 人均水资源量 2200 方，仅有世界人均水平的1/4, 居世界109位，世界上13 个贫水国之一。 亩均水资源 1800方，世界平均水平的 2/3。 50%国土面积的“三北”地区，水资源量占全国的20%。人均水资源已大大低于1700方的缺水警戒线.,水循环,水资源时空分布不均匀 我国水资源特点是南多北少， 区域差异明显、北方水资源严重不足 尤其是黄淮海地区。 水资源季节和年度间分布变化大 北方许多地区常常是十年九旱， 北方旱灾面积每年都有2-4亿亩 其中成灾面积达1亿亩左右。,水循环,中国水资源、土地、人口及耕地分布（%）,水资源利用需求不断增长，农业仍是用水大户,水循环,我国1949-2004年工农业用水和生活用水状况 （单位：亿m3）,水循环,中国农业用水量现状,水循环,六、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。,水循环,七、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 节水农业研发方向： 生物节水技术 非传统水源利用技术 旱作节水技术与新材料 区域节水发展模式 虚拟水的开发利用？,水循环,农业节水的方法,管理节水（用水优化） 工程节水（水利工程：如防渗区道、管道输水等） 设施节水（灌溉设施：如喷灌、滴灌、渗灌等） 化学节水（保水剂、抗蒸发剂、蒸腾抑制剂等） 农艺节水（综合农艺技术生物+措施）,目的：减少输水损失、降低无效消耗、提高水分生产效率,第三节 碳循环（ Carbon cycle),一、碳的作用： 糖、脂肪、蛋白质、核酸都是构成生物体的基本物质，在它们的分子中都含有碳元素。碳元素大约占生物体干重的49，是有机化合物的“骨架”，没有碳就没有生命。 三、碳的贮存库stored sink 碳在无机自然环境中存在的形式主要是CO2 CO2和碳酸盐（石灰岩、珊瑚礁）。 1.岩石圈（化石燃料和沉积岩） 2.水圈（溶解 CO2 和碳酸钙） 3.大气圈（ CO2 ） 7*1011t 4.生物圈（有机分子）4.5*1011t） 5.土壤 ( 有机质）,碳循环,三、循环基本过程 C循环是从光合作用固定空气中CO2开始，有三条路径。 1.陆地生物与大气之间的C循环 （1）特点：是一生物过程；属于气相循环 (2) 过程：CO2通过绿色植物光合作用进入生态系统，和水形成碳水化合物，在系统中流动，一部分生物遗体没有被分解者分解，转变为石油和煤，这部分“C”暂时脱离循环，一经开采运到地面燃烧，仍可产生CO2再返回碳循环。,2.海洋生物与大气间的交换 自然过程，生物不能控制。 海洋溶解的CO2是大气库中CO2的50倍，海洋对大气中的CO2具有缓冲机制。 3.化石燃料参与C循环（沉积循环） C素经化石、石灰岩或油页岩等固态过程，有相当长一段时间离开了气相循环，离开了生物圈，进入地质大循环。 这是自然界最大一个库。,碳循环,The Carbon Cycle,Reservoirs,Processes/ Locations,Trophic Levels/ Organisms,CO2 in atmosphere (reservoir),Producers,Consumers,Wastes, Dead bodies,Soil bacteria & detritus feeders,CO2 in atmosphere (reservoir),Consumers,Wastes, Dead bodies,Soil bacteria & detritus feeders,CO2 in atmosphere (reservoir),Wastes, Dead bodies,Soil bacteria & detritus feeders,CO2 in atmosphere (reservoir),Respitation,CO2 in atmosphere (reservoir),Burning of fossil fuels,CO2 in atmosphere (reservoir),Fire,CO2 in atmosphere (reservoir),特点：,（1）碳循环的形式： （2）碳在自然界中的存在形式： （3）碳在生物体内的存在形式： （4）碳进入生物体的途径： （5）碳在生物体之间传递途径： （6）碳进入大气的途径：,CO2；,CO2和碳酸盐；,含碳有机物；,绿色植物的光合作用；,食物链；,生物的呼吸作用 分解者有分解作用 化石燃料的燃烧,四、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）人为施入土壤中碳主要包括有机肥和化肥（尿素）。 （7）作物收获移出农业生态系统的碳量。,五、Greenhouse effects,温室气体主要包括：二氧化碳(CO2)、甲烷(CH4)、氟氯碳化物、(CFCs)、氧化亚氮(N2O)、六氟化碳(SF6)、全氟碳化物(PFCs)、氢氟碳化物(HFCs)等。,温室效应：由于二氧化碳对来自太阳的短波辐射有高度的通透性，而对地球反射出来的长波辐射有高度的吸收性，导致大气层低处的对流层变暖，而高出的平流层变冷，这一现象类似于栽培农作物的温室，故名温室效应。,温室效应,原因,工业生产活动打破了生物圈中碳循环的平衡，使大气中的CO2含量迅速增加。,后果,气温升高，加快极地、冰川融化，海平面上升，威胁人类和生物的生存。,措施,减少煤、石油等化石燃料的燃烧，提高能效。 开发新的洁净能源，如核能、太阳能、风能、水能等。 大面积植树造林，降低空气中CO2含量。,科学家预测：如果地球表面温度的升高按现在的速度继续发展，到2050年全球温度将上升2-4摄氏度，南北极地冰川将大幅度融化，导致海平面大大上升，一些岛屿国家和沿海城市将淹于水中，其中包括纽约、上海、东京和悉尼几个国际大城市。,The carbon dioxide concentration of the atmosphere has shown a steady increase since the Industrial Revolution.,Average global temperatures have also shown a gradual increase during the past century, paralleling the increasing atmospheric carbon dioxide.,CO2 CONCENTRATION AND GLOBAL WARMING,在夏威夷冒纳罗亚观象台收集的空气样本显示大气层中CH4的平均混合比。蓝点表示量度数据，红线和绿线分别表示CH4混合比短期和长期的变化。,溫室效应的影响,1996年联合国气候变化政府间专家委员会(IPCC)评估报告，二氧化碳浓度已从工业革命前的280PPMV增加至1994年的358PPMV。预估2100年时全球平均地面气溫，将比1990年上升1.03.5，海平面將上升1595公分；全球气候与生态环境将产生下列变化： 海平面上升，淹沒陆地。 全球气候经常发生暴雨或干旱。 土地沙漠化，生态环境改变。,联合国气候变化框架公约的发展,1988年联合国成立气候变化政府间专家委员会 1992年5月联合国通过气候变化框架公约 1992年6月巴西里约热内卢举行举行的联合国环发大会（地球首脑会议）上通过该公约，共155国签署。 1994年3月21日公约正式生效。 1992年3月柏林举行第一屆缔约国大会。 1996年7月瑞士日內瓦举行第二屆缔约国大会。 1997年12月于日本京都举行第三屆缔约国大会。1997年12月1日至11日于日本京都举行，共有一百五十九个缔约国及二百五十个非政府组织參加，总人数超过一万人。 主要目的：制定具有法律效力的议定书。 由于会前已提出五种议定书草案，减量幅度从020%，所以会议中意见甚多，各国均寻求彼此可接受的共识。,京都议定书的结京论摘要,管制国家：规定的发达国家（附件一成员及摩洛哥与列支敦斯登，共39個），发展中国家并无减量责任。 管制气体：6种溫室气体CO2、CH4、N2O、HFCs、PFCs与SF6。 管制期限：2008年至2012年回归至1990年水平，平均再降5.2%。 各国減量幅度见附表。,缓解全球温室效应，我国森林贡献重大， “去向不明”的二氧化碳有了着落,针对我国二氧化碳气体排放的问题，北京大学城市与环境系方精云教授领导的研究小组通过近 10 年研究，利用大量的野外实测资料及我国建国 50 年来的森林资源清查资料，研究了中国 50 年来森林植被对二氧化碳“处理”功能的动态变化，发现从 20 世纪 80 年代初到 90 年代末的近 20 年中，我国森林植被净吸收二氧化碳的功能明显增强，净吸收量可达工业排放量的 5% 至 8%，从而为减缓地球大气中二氧化碳浓度的上升速度起到了积极的作用。 碳循环中，释放CO2的库称为源，吸收CO2的称库成为汇。 方精云等人的研究成果也为“二氧化碳去向不明”现象的解释提供了新思路。据测算，人类活动每年释放出的二氧化碳为 70 亿吨，有 30 亿吨至 34 亿吨排放到大气中，20 亿吨被海洋吸收。由于陆地生物圈与大气圈之间碳循环处于平衡状态，因而剩下的 16 亿吨至 20 亿吨二氧化碳则“去向不明”。方精云指出，北半球高纬度陆地生态系统（主要是森林生态系统），是世界环境的“净化器”，对大气中的二氧化碳起到了巨大的吸收、存储作用。,第四节 氮循环（ Nitrogen cycle),一、概况 N是生物体中不可缺少的元素，氮的贮存库（stored sink) 1、岩石圈 93.8% ,参与循环很少 2、大气圈 6.2% ,为N循环的主要贮存库，以N2的单质形式存在。在大气中占79，总贮量约3.91014亿吨， 但不可被植物直接利用，必须通过固N作用。 2.氮素的输入和输出 1 输入：生物固氮、工业固氮、高能固氮三种。 生物固氮：固氮菌与豆科植物共生的根瘤菌和蓝藻等自养和异养微生物，共生固氮、自生固氮、联合固氮三种，共生固氮作用贡献最大。 高能固氮：闪电、宇宙射线、损石、火山爆发。 工业固氮：400摄氏度，200大气压下； 2. 输出：燃烧、挥发、反硝化、渗漏 。,氮循环,三、生态系统中的氮流途径,硝化作用:硝化细菌将氨氧化为硝酸的过程。 1891年.维诺格拉茨基用无机盐培养基成功地获得了硝化细菌的纯培养，证实了硝化作用是由两群化能自养细菌进行的，亚硝化单胞菌将铵氧化为亚硝酸；然后硝化杆菌再将亚硝酸氧化为硝酸。这两群细菌统称硝化细菌。 反硝化作用（denitrification）也称脱氮作用。反硝化细菌在缺氧条件下，还原硝酸盐，释放出分子态氮（N2）或一氧化二氮（N2O）的过程。反硝化作用使硝酸盐还原成氮气，从而降低了土壤中氮素营养的含量，对农业生产不利。农业上常进行中耕松土，以防止反硝化作用。 氨化作用（ammonification）又叫脱氨作用，微生物分解有机氮化物产生氨的过程。产生的氨一部分供微生物或植物同化，一部分被转变成硝酸盐。很多细菌、真菌和放线菌都能分泌蛋白酶，其中分解能力强并释放出NH3的微生物称为氨化微生物。,氮循环,氮循环,大气中的N2,生物固氮：N23H22NH3,氨化作用：含氮有机物NH3,生物圈中，一方面N元素通过固氮作用等作用进入生物群落，另一方面N元素又通过反硝化作用重新返回大气。,Nitrogen in Atmosphere Reservoir,Nitrogen in Atmosphere Reservoir,The Nitrogen Cycle,Electrical storms produce nitrate,Ammonia & nitrate,Nitrogen-fixing bacteria in legume roots and soil,Ammonia & nitrate,Uptake by plants,Producers,Consumers,Wastes, Dead bodies,Soil bacteria and detritus feeders,Ammonia & nitrate,Dentitrifying bacteria,Nitrogen in Atmosphere Reservoir,Reservoirs,Processes/ Locations,Trophic Levels/ Organisms,氮循环,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。 水体富养化：指在人类活动的影响下，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。 水体中总磷20mg/m3，无机N400mg/m3时，水处于富营养化状态(eutrophic water)。 来源：土壤中的N、P营养元素及生产、生活中的污水。 后果：水体中营养过分丰富，水生藻类繁茂，它们死亡后，在水体中腐烂分解，产生大量CH4、H2S、CO2、NH4等，使水质变坏，同时有机质分解时大量消耗水中的溶解O2，少于4mg/升时会造成鱼类和其它水生动物的死亡。,氮循环,五、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、特点：磷主要存在于岩石、土壤圈，是地壳典型的沉积循环，以不活跃的地壳作为主要贮存库，是一种不完全的循环。如图所示。 二、循环途径：磷循属环典型的沉积循环。磷以不活跃的地壳作为主要贮存库。岩石经土壤风化释放的磷酸盐和农田中施用的磷肥，被植物吸收进入植物体内，含磷有机物沿两条循环支路循环：一是沿食物链传递，并以粪便、残体归还土壤；另一是以枯枝落叶、秸秆归还土壤。各种含磷有机化合物经土壤微生物的分解，转变为可溶性的磷酸盐，可再次供给植物吸收利用，这是磷的生物小循环。在这一循环过程中，一部分磷脱离生物小循环进入地质大循环，其支路也有两条：一是动植物遗体在陆地表面的磷矿化；另一是磷受水的冲蚀进入江河，流入海洋。,磷循环（phosphorus cycle）,沉积型循环,沉积物中的磷 （约为土壤和海洋中千倍以上）,陆地,海洋,死 有机物,土壤中的 无机磷,活有机物,死 有机物,深海的磷,活有机物,捕鱼,鸟粪,悬浮在水中随河水带走,摄取,排泄 死亡,下,沉,分解,沉积,溶解于水,上升风化,开采,摄取,排泄死亡,上涌,三、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、淋失 渗漏。 四、人类活动对磷循环的影响 1. 磷矿开采与消耗：地壳中磷约含纯磷约198亿吨，按现在的消费率计算可持续用1750年，考虑P的消费率增长是人口增长的2.76倍，则90年内将耗尽。 2. 磷肥的施用与流失：经常施P使土壤放射性物质增加，影响作物生长和产品质量。 3. 生活废水、工业污水排放导致 富营养化、赤潮（红潮）。,海水富营养化是形成赤潮的物质基础。携带大量无机物的工业废水及生活污水排放入海是引起海域富营养化的主要原因。 所以，必须采取有效措施，严格控制工业废水和生活污水向海洋超标排放，在工业集中和人口密集区域以及排放污水量大的工矿企业，建立污水处理装置，严格按污水排放标准向海洋排放。,赤潮的预防,第六节 钾循环（ Potassium cycle ）,一、生态系统中钾的平衡 输入：动植物残体、施肥 输出：作物收获、流失、渗漏 二、钾循环途径 钾是以地质大循环为主 生物小循环为辅的物质循环。 三、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、施肥、灌溉 2. 输出：作物收获、流失、气态挥发 。 二、硫循环 过程：S在自然界含量并不多，循环既属于气体型又属于沉积型。 （1）沉积型循环：束缚在有机、无机沉积物中的硫通过风化、分解而释放，以盐溶液形式进入生态系统。 （2）气相型循环 缺O2 大气中 水气 降水 有机物中的硫 H2S SO2 稀酸 生态系统 硫细菌还原 氧气,硫循环,不,三、人类干预对环境的影响 （1）燃烧煤和石油每年向大气输送1.47106吨SO2。大气SO20.5 mol.mol-1就会危害农作物。 1952年12月伦敦的毒雾事件，几天内死亡4000人，后陆续死亡上万人，煤烟中的CO、CO2、SO2和大量粉尘经久不散。 （2）SO2的增加造成了酸雨 大气CO2溶解于雨水使正常降雨PH值为5.7左右；由于空气中SO2和氮化物的溶解，改变了降水性质，降雨PH5.5时称为“酸雨”。 酸雨会直接灼烧植物，改变水土的PH值，对初级生产及次级产生影响。酸雨被称为空中“死神”，它使土壤、河湖酸化，动植物受害，鱼类死亡。挪威和瑞典2400个湖泊，因酸雨鱼类死亡了110。加拿大约5万湖泊全部没鱼，称为“水沙漠”，我国西北、四川、广东、上海都记录了酸雨现象。,伦敦烟雾事件,伦敦1952年2月5日到8日，雾大无风，家庭和工厂排出的烟尘经久不散，大气中SO2含量3.8毫克/立方米，烟尘4.5毫克，居民普遍呼吸困难、咳嗽、喉痛、呕吐和发烧，4天内死亡约4000人。,特别注意 以C、N、P、S、H2O为例的物质循环清楚地表明，各种物质在全球范围内以及在生态系统中的循环、流动，越来越多地受到人类活动的干预。干预的结果是加速了物质参与生物圈的过程。这对人类生产、生活是有利的；但另一方面，由此而产生的各种环境问题也必须予以重视。,我国农田养分平衡中的主要问题 1、 作物秸秆无谓焚未能正常还用，是影响我国农田养分平衡的基本原因之一 2、水土流失是我国农田养分不平衡的又一重要原因 3、豆科作物和绿肥牧草的大幅度减少，也是我国农田养分不足的原因之一 4、农田物质投入不足，氮、磷、钾比例失调 5、我国的土壤养分平衡状况区域间差异悬殊,维持农业生态系统物质平衡途径 通过对农业生态系统物质循环现状基本特征的研究分析，维持其循环平衡主要应从以下途径着手： 1.发展农村经济，增加无机物质的投入 2. 积极强化牧业，扩大有机物质的生产转化 3. 加强各类农业技术的推广应用，努力提高农田第一性生产力，以生产富集更多的物质 4. 妥善解决农村生活能源匮乏的状况 5. 改善农业生态环境，减少水土流失，截留物质流失及损失,第八节 污染物对农业生态系统的影响及利用,一 、有毒污染物在食物链上的浓缩 食物链浓缩作用 ( 生物学放大作用） 有毒物质沿食物链各营养级传递时， 在生物体内的残留浓度不断升高， 愈是上面的营养级，生物体内有 毒物质的残留浓度愈高的现象。, 浮游生物 0.04 ppm 刚毛藻 0.08 ppm 网茅 0.33 ppm 螺 0.26 ppm 蛤 0.42 ppm 鱼 1.24 ppm 燕鸥 3.42 ppm 河鸥幼体 55.3 ppm 成体18.5 ppm 秋沙鸭 22.8 ppm 鹭鸟 26.4 ppm 银鸥 75.5 ppm,水体中DTT0.00005ppm,BIOMAGINIFICATION OF DDT,二 、主要污染物的来源与危害 1.重金属污染（ heavy metal pollution) Hg 、Cd 、 Pb 、 As 、 Cu 、 Zn Fe 、 Mn 等浓度 4.5g/cm2 2.农药污染（ pesticide pollution) 危害植物：三种情况 高浓度污染物影响下产生急性危害，使植物叶表面产生伤斑（坏死斑），或直接使叶片枯萎脱落；在低浓度污染物长期影响下产生慢性危害，植物叶片褪绿；还有一种为不可见危害，在低浓度污染物影响