第五章农业生态系统的物质循环资料

氮循环 硫循环
H 2O
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CO2形态的碳才能被植物吸收和利用，才能
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。
呼吸
营养物输入
营养物输出 呼吸 呼吸
第一性生产
有机物 贮存
植 食 动 物
肉 食 动 物
呼吸
分解者
能量流动
土壤库
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。
（三）、周转率与周转期
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=FO/S或FI/S 周转期 （T）：指某 组分的物质全 FI FO 部更换平均需 or R= R= 要的时间。它 S S 是周转率的倒 数。即T=1/R
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。 ①细胞水平上的循环：在光合作用和呼吸作用 之间的循环。
②个体水平上的循环：大气CO2和植物体之间 的循环。
光合作用 大气CO2 呼吸作用 植物体
③食物链水平上的循环：大气CO2──植物 ──动 物──微生物之间的循。
（四）、循环效率
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。
EC=FC/FI
FC FI
循环物质（FC） 占总输入物质 （FI）的比例， 称物质的循环 效率（EC）。
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。
大气圈 CO2
呼 吸 分 解 光 合 作 用 植 物 燃 烧
化石燃料燃烧
生物圈
土壤圈
径流、水土流失携带碳量
水圈
岩石圈 (化石燃料)
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50～60亿吨，
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。
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。
三、农业生态系统物质循环的特点
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。
1、能量和物质的输入与输出量大而且比较迅速。
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。
农业生态系统的物质循环
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）。
400 大 气 （ 中 p C p O m ） 2 浓 度 350 300 250 200 150 100 50 0 1860 1960 1980 2000
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。
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。
光合 植物 动物
大气CO2
残体、尸体、排泄物
分解
微生物
（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 。
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、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 （ 2）造成地表水体的富营养化。 污染地下水，人畜饮用后会造成严重危害。 当水体的总磷＞ 20mg/m3,无机氮的含量＞400mg/m3， （ 3）农作物从土壤中吸收过量的氮素后，易引起 可以认为该水处于富营养化的状态。水体富营养化 ， 各种病虫害 ,并影响作物的品质。 则水生藻类大量繁殖，其死亡后在水中腐烂分解，产 （ 4）作物和蔬菜中硝酸盐的积累可通过食物链进 生大量的CH4、H2S、CO2、NH3等，使水质变坏, 同 入人体和牲畜体内,进而形成亚硝酸盐,严重危害人 时，有机质分解时要消耗水中的大量的溶解氧，当水 畜健康 . O 少于4 mg/L时，会造成鱼类和其他水生生 中的溶解 2 亚硝酸盐在机体内可与仲胺结成亚硝酸胺 -致癌、致突 （ 5）破坏臭氧层。反硝化作用产生的N 物死亡。 2O进入大气 变、致畸形物质。 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。
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175×106t。 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。
气体循环
水分循环
养分循环
污染物循环
光合 作用 与呼 吸作 用相 关的 气体 交换
温室 效应 气体 的释 放与 固定
降 灌 地 水 溉 下 水
有 氮 磷 钾 微 机 量 质 元 素
重 污 化 农 固 金 水 肥 药 体 属 废 弃 物
第二节 几种主要物质的循环
C 碳循环 钾循环 N P K 磷循环 水循环 S
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 38×1016亿t，
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。如土壤为磷的贮存库。
年
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（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。
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、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。
5、农田氮素调控的途径
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。
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。
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： 45.9×106（1977年）～ 100×106t（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7.6×106t。 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
N2
空气
农 业 中 的 氮 素 循 环 示 意 图
生 物 和 化 学 固 氮
挥 发 损 失 氨化作用 合成作用 分 解
NO3流 失
硝化 合成
NO2-
亚硝化 还原 吸 收
NH
3
ห้องสมุดไป่ตู้
有机氨
土壤
植物
动物
生物
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。 （ 4）城市化和集约化农牧业使人畜废弃物的自然 其中，人类的农业活动对氮循环的影响主要是由于不合 再循环受阻。 理的作物耕作方式以及氮肥施用而引起氮素的流失与亏