农业生态系统的物质循环

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）。
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。
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。
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

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.
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
Baidu Nhomakorabea、灌溉
(Irrigation, I)
、地下水上升
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


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
（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55×1012m3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。
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 。
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
蒸腾
截留
穿透雨
地表蒸发
地表 径流
渗透
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) (underground water up)
（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。
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。
动 物 库
植 物 库
土壤库
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。
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。 循环物质（FC） 物质运动过程中，周转率越高，周转期就越短。 占总输入物质 3. 循环效率（Efficiency of cycle, EC）： （FI）的比例， EC=FC/FI 称物质的循环 FC 循环物质 , FI 总输入物质 效率（EC）。
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（%）
区域 全国总计 南方地区 北方地区 东北诸河 西北诸河 黄淮海地区 海河流域 淮河流域 黄河流域 水资源总量 100.0 81.0 19.0 6.9 4.6 7.5 1.5 3.4 2.6 土地面积 100.0 36.4 63.6 13.1 35.4 15.1 3.3 3.5 8.3 人口 100.0 51.7 45.3 9.8 2.1 33.4 9.8 15.4 8.2 耕地面积 100.0 35.9 64.1 19.8 5.8 38.5 10.9 14.9 12.7
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)
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。