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