第五章农业生态系统的物质循环

第五章农业生态系统的物质循环

一、本章学习目标：

重点掌握：农业生态系统养分循环特点及其平衡途径；农业生态系统物质循环造成的环境问题与防治对策

一般掌握：农业生态系统养分循环的一般模式；主要物质的生物地化循环特点；农业生

态系统物质流分析方法

识记：生物地球化学循环、气相型循环与沉积型循环、地质大循环与生物小循环、物质

循环的库与流的概念

二、本章主要内容

生物地球化学循环：各种化学元素和营养物质在不同层次的生态系统内，乃至整个生物圈里，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，就构成了生物地球化学循环，简称生物地化循环。

构成生物有机体的元素：（1）能量元素；（2）大量营养元素；（3）微量营养元素

生物地球化学循环的基本类型

1．生物地球化学循环依据其循环的范围和周期，可分为地质大循环和生物小循环。

（1）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。五大自然圈层是指大气圈、水圈、岩石圈、土壤圈和生物圈。地质大循环具有范围大，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。

（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。生物小循环具有范围小、时间短、速度快等特点，是开放式的循环。

2．生物地球化学循环依据其循环物质的主要贮藏库分类，可分为气相型循环和沉积型循环。

（1）气相型循环：其储存库在大气圈或水圈（海洋）中，即元素或化合物可以转化为气体形式，通过大气进行扩散，弥漫了陆地或海洋上空，在很短的时间内可以为植物重新利用，循环比较迅速。

（2）沉积型循环：许多矿物元素其储存库在地壳里，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，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。

库：物质在运动过程中被暂时固定、贮存的场所称为库。

流：物质在库与库之间的转移运行称为流。

几种主要物质的生物地化循环

（一）碳循环

碳循环主要是指植物通过光合作用将CO2转变成有机物（糖类、蛋白质及类脂化合物等），并通过食物链在生态系统中传递，被植物和动物所消耗，最终通过呼吸作用、发酵作用和燃烧又使碳以CO2形式返回大气中，再加入上述循环的全部过程。

碳的生物小循环有3个层次或途径：

1．在光合作用和呼吸作用之间的细胞水平上的循环；

2．大气CO2和植物体之间的个体水平上的循环；

3．大气CO2→植物→动物→微生物之间的食物链水平上的循环。

温室效应：大气中的二氧化碳(CO2)、甲烷(CH4)、一氧化二氮(N2O)、臭氧(O3)、氯氟碳（CFCs）、水蒸气(H2O)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”，由此产生的效应称为温室效应。

若是温室效应气体浓度不断增加，则将使地表温度增加，进而导致气候的变化，其影响包括：

1. 北半球冬季将缩短，并更冷更湿，而夏季则变长且更干更热，亚热带地区将更干，而热带地区则更湿。

2. 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。

3. 改变植物、农作物之分布及生长力，并加快生长速度，造成土壤贫瘠，作物生长终将受限制，且间接破坏生态环境，改变生态平衡。

4. 海洋变暖，海平面将于2100年上升15~95 cm，导致低洼地区海水倒灌，全世界三分之一居住在海岸边緣的人口将遭受威胁。

5. 改变地区资源分布，导致粮食、水源等的供应不平衡，引发国际之间的经济、社会问题。

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。

（二）氮循环

在农田生态系统中，氮素通过不同途径进入土壤亚系统，在土壤中经各种转化和移动过程后，又不同程度地离开土壤亚系统，形成了“土壤-生物-大气-水体”紧密联系的氮素循环。

1．农业生态系统中氮素来源主要有三条途径：

（1）生物固氮：即通过豆科作物和其他固氮生物固定空气中的氮。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3种类型。

（2）化学固氮：即通过化工厂将空气中的氮合成氨，然后进一步加工，制成各种氮肥。

（3）氮沉降：近几十年来，由于化肥使用增加和化石燃料燃烧造成氮沉降量迅速增加。

2．农业生态系统氮素损失主要有三个方面：

（1）挥发损失（NH3+-N），即由于有机质的燃烧分解或其他原因导致氨的挥发损失；

（2）氮的淋失（NO3--N），主要是硝态氮由于雨水或灌溉水淋洗而损失；

（3）在水田中或土壤通气不良时，硝态氮受反硝化作用而变成游离氮，导致氮素损失。

据近几年来的试验研究资料，我国几种主要氮肥的利用率一般为25%-55％。

人类活动对氮循环的干扰主要表现在：

1. 含氮有机物的燃烧产生的大量氮氧化物（NOx）污染大气。同时，过度耕垦也使土壤氮素肥力（有机氮）下降，土壤整体肥力持续下降；

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。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。

农田氮素控制的途径有以下几个方面：

1. 改进氮肥施用技术（包括分次施肥、氮肥深施、施用缓效氮肥），平衡施肥与测土施肥。不同的氮肥类型和施肥水平对氮肥的流失有一定影响，农田中过度施氮肥往往导致高的N2O排放；

2. 硝化抑制剂，如脒基硫脲、双氰胺等的应用；

3. 合理灌溉，做好水土保持工作，防止水土流失和土壤侵蚀，这是控制农业非点源氮素污染的重要环节。

（三）磷循环

人类对磷循环的影响，主要表现在以下几个方面：

1. 磷矿资源的开采与消耗

2. 磷肥的施用与流失

3. 富营养化与赤潮问题

（1）水体富营养化：其发生过程是，随着水中营养物质（N、P等）含量的增加，导致水生植物（主要是藻类）的急剧、过量生长，水生植物的大量繁殖及其死亡后的分

解，降低了水中溶解氧的含量，从而形成厌氧条件，严重影响鱼类的生存，乃至鱼类的大量死亡。随着富营养化的发展，藻类的种类逐渐减少，尤以硅藻和绿藻为主，转而为以蓝藻为优势种，这种藻类的分解产物往往具有毒性，并给水体带来不良气味。

（2）赤潮：又名红潮，是由海水中某些浮游植物、原生动物或细菌在一定环境条件下，短时间内突发性增殖或富集而引起的一种水体变色的生态异常现象。

（四）水循环

由海洋、河流、湖泊、沼泽、积雪、冰川、地下水、空气水等构成了地球水圈。

全球水资源特征

1．地球上水数量大、分布广，但淡水资源占的比例小，可利用的部分约为总量的0.5%左右。滋育陆地生命的地表水，仅占全球总贮量的万分之一、二。

2．水资源是与人类关系最密切、开发利用得最多的自然资源，生产、生活都离不开水。目前年生产消耗用水3万亿吨，远远超过其他自然资源的用量，包括矿石、森林在内。

3．水是可再生资源，通过循环补给，海水、污水均可经过处理再生，还可以造林拦蓄、人工降雨。

4．世界水资源分布极为不均：淡水绝大部分是冰川、冰帽，80％在南极、10％在格陵兰，水量相当于全球河流年径流量的900 倍，停留时间长，约9500~几百万年，永久冻土层及永冻地下水一般不参加水循环，余下的10％的淡水还集中分布在几大淡水湖中，如贝加尔湖。淡水资源在各洲大陆各国分配也很不均，一些国家具有丰富水资源，而一些国家是无永久性河流的荒漠、半荒漠地区，年径流量只有40毫米。

我国水资源利用特征

1．水源的总供应不能满足总需要。

2．过量开采地表水及地下水，形成地上断流、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。

3．破坏植被导致区域水平衡失调。

4．用水效率低，工农业用水矛盾大。

5．水资源受污染日益严重。

农业生态系统中养分循环的一般模式是由土壤－植物－动物，再回到土壤的养分循环的一般模式。

该模式包括三个主要养分库，即植物库（P）、家畜库（L）和土壤有效养分库（A）。动植物生长所需要的养分是经由土壤→植物→动物→土壤的渠道而流动的。在大多数情况下，许多循环是多环的，某一个组分中的元素在循环中可通过不同途径进入另一个组分。

农业生态系统中养分循环的特点

1. 养分输入率与输出率较高

2. 库存量较低，但流量大，周转快

3. 保持能力弱，容易流失

4. 养分供求不同步

保持农田生态系统养分循环平衡的途径

1．种植制度中合理安排归还率较高的作物及其类型

2．建立合理的轮作制度

3．农、林、牧结合，发展沼气，解决生活能源问题，促使秸秆还田

4．农产品就地加工，提高物质的归还率

物质循环中的环境问题

1．化肥对环境的影响

（1）化肥对土壤的污染

化肥对土壤污染主要是磷肥。磷肥的原料磷矿石含有毒物质如砷、镉、铬、氟、钯等，主要是镉和氟。此外，长期大量地使用氮肥特别是大量施用铵肥，会使土壤逐渐酸化。大量施用氮肥，给土壤引入了大量非主要营养成分或有毒物质，它们对土壤微生物的正常活动有抑制或毒害作用。

（2）化肥对水体的污染

①施肥与水体富营养化

富营养化是指营养物质的富集过程及其所引起的后果，它是一种自然过程，主要指氮、磷的富积。水体富营养化导致水生植物、某些藻类急骤过量增长以及死亡以后腐烂分解，耗去水中溶解的氧，而硅藻、绿藻等可进行光合作用，可产生氧的藻类大量减少，相应供氧减少，使水中脱氧，引起鱼、贝等动物大量窒息死亡，动植物死亡还使水体着色，并发出恶臭。引起富营养化起关键作用的元素是氮和磷。

②施肥与地下水污染

施肥中的营养物质随水往下淋溶，通过土层进入地下水，造成地下水污染。

（3）施肥与大气污染

与大气污染有关的营养元素是氮。氮对大气污染是一种自然现象，但因人类的施肥活动而得到大大加强。施肥对大气的污染主要有NH3的挥发，反硝化过程中生成的NOX、沼气，有机肥的恶臭等。

（4）施肥影响人类健康

施氮过多的蔬菜中硝酸盐含量是正常情况的20～40倍。人或牲畜食用硝酸盐含量高的植物后，硝酸盐在体内转化反应，会产生亚硝酸胺，同时亚硝酸盐容易与血红素中的铁离子结合，导致高铁血红素白血症，使人们出现行为反应障碍、工作能力下降、头晕目眩、意识丧失等症状，严重的还危及生命。饮用水、食物中硝酸盐超过一定含量，人食用后会受到很大毒害。硝酸盐、亚硝酸盐对人体健康具有致癌、致畸、致突变的严重危害性。

2．农药对环境的污染

（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。使大气中有害物质发生各种转化，转化的结果有利有弊，利的方面可使污染物浓度降低（通过降解和消除），弊的方面向其它介质中转化，污染新的介质（土壤、水）或转化为更有害的物质。

在防治作物、森林及卫生害虫、病菌、杂草和鼠类等有害生物而喷洒农药时，有相当一部分农药会直接飘浮在大气中，尤其以飞机喷洒或使用烟雾剂时进入大气的量最多。附着于作物体表的，或落入土壤表层的农药也有一部分被浮尘吸附，并逐渐向大气扩散，或者从土表蒸发进入大气中。由农药厂排放出的废气，也是大气中的农药污染源。曾在美国大平原使用的农药可经过大气环流途经到达南极洲(含农药粉尘随东北信风到达赤道地区，又随赤道气流上升并向南移动，随副热带气流下沉并随中纬西风带向南移动，最后在南极上空随气流下沉而沉降)。

（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对水生生物的影响。农药在水体中极易进行水解，水解速度随水温的升高而加快，经水解常生成低毒物质。大多数磷酸酯类农药水解迅速，有机氯农药则较慢。多数农药在水溶液中还能发生光化学分解。农药在动植物体内积累较多时，就会影响动物体各种代谢而造成中毒死亡。例如在密西西比河流域平原使用了的农药随流水进入墨西哥湾，又伴随洋流运动到达南极附近被海洋中水生生物吸收，最后在企鹅体内毒素累积。

（3）农药对土壤的污染

农药进入土壤后，与土壤中的固体、气体液体物质发生一系列变化：物理、化学和生物化学反应，通过这些过程，土壤中的农药有以下三种归宿：①土壤的吸附作用使药残留于土壤中；②农药在土壤中进行气迁移和水迁移，并被作物吸收；③农药在土壤中发生化学、光化学和生物降解作用，残留量逐渐减少。

首先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。农药在土壤水分和土壤空气中扩散的强弱，依其溶解度和蒸汽压间而不同。农药的迁移一方面使污染源的浓度降低, 对降低污染起一定的积极作用,另一方面向外界迁移,周围界质中污染物浓度增加,又造成一定的污染。这样的作用在迁移过程中相辅相成。只有通过最后农药在土壤中的化学转化与降解作用，消散农药的作用，才使土壤的污染有减轻的程度。同样在

一些化学变化中，新的有毒物质又生成，土壤又受到一次污染。农药在土壤中的作用即繁杂又变化莫测。它对土壤的污染作用机理总的来说是在土壤中残留有毒物质。3．生物浓缩

生物浓缩也称为生物富集，是指生物体从环境中吸收微量农药，并在生物体内积累的现象。农药进入生物体后，可能在一个不长的时间内被分解、解毒或被排出体外。但是，有的农药在生物体内不易被分解或排出，较长期地残留于生物体内，并通过生物食物链，在处于食物链较高位置的生物体内逐渐积存起来。

有机氯类农药有一个极其有害的特性即易溶于脂肪，能通过食物网与食物链在动物体内富集，一旦它进入环境被动植物吸收，通过食物链由低级向高级传递，造成农药在生物体内积累与浓缩。属于金字塔尖端高等动物因农药高度富集而受害。

本章小结

物质是维持生命活动的基础，也是能量的载体。本章介绍了物质循环的基本概念、类型及其基本规律与特征；重点介绍了农业生态系统的碳、氮、磷以及水循环的特点以及物质循环过程带来的环境问题；详细阐述了农业生态系统的养分循环途径、特点及其平衡途径；介绍了农业生态系统物流平衡分析方法和模型。

三、本章思考题

1.生态系统物质循环的主要类型有哪些？

2.农业生态系统碳循环的主要途径有哪些？

3.什么是温室效应？它对农业生产有何利弊？

4.农业生态系统氮素的主要输入和输出途径有哪些？

5.农业生态系统养分循环的一般模式是什么？如何保持农业生态系统的养分平衡？

6.化肥和农药对环境的影响有哪些方面？