农业生态学：4农业生态系统的基本功能(物流）

1、6.1能量流动的基本原理 6.2能量流动渠道 6.3能量流动过程 6.4能流模型及能流分析 6.5能流与生态系统生产力,一、物质循环的基本原理和概念 二、水循环 三、碳循环 四、氮循环 五、磷循环 六、硫循环 七、钾循环 八、农业生态系统的养分循环 九、污染物的循环及其对农业生态系统的影响,第四章 农业生态系统的物质循环,定义：生态系统中各元素和化合物沿着特定的途径从生物到环境，在从环境到生物，不断往复循环的过程。,1.生物地球化学循环,（一）物质循环的有关概念,一、物质循环的基本原理和概念,地球系统：大气圈、岩石圈、 生物圈、水圈 （封闭系统？） 物质不灭,2.库和流,库：,流：,物质在循环

2、过程中被暂时固定、贮存的场所。,库：,流：,储存库,交换库,即环境库，容积较大，物质交换活动缓慢。如大气库、土壤库、水体库等。,2.库和流,库：,流：,储存库,交换库,即生物库，容积较小，与外界物质交换活跃。如植物库、动物库、微生物库。,2.库和流,库：,流：,储存库,交换库,物质在库与库之间的转移运动状态。,2.库和流,库与流的相互关系,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。 库的吸收、固定和储存的能力，不仅决定于生物种群的特性，也决定与物质的循环效率。 农业生态系统中，生物种群所具有的捕获、吸收

3、和转化能量与物质的性能与效率，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。 一个高效的生态系统，必须是库容量大，流动畅通。,周转率：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或流入的量占库存总量的分数值。 单位时间交换量 周转率= 库存量 周转期：是库中物质全部更换平均需要的时间，也是周转率的倒数。,3.周转率、周转期,在生物量的周转中，往往用更新率、更新期的概念，其含义同周转率、周转期 如某一森林的现存量为324 t/hm2，年净生产量为28.6 t/hm2，其更新率=28.6324= 0.088,更新期约11.3年。 如某一水体中浮游生物

4、的现存量为0.07 t/hm2，年净生产量为4.1 t/hm2，其更新率=4.10.07=59，更新期只有6.23天。,3.周转率、周转期,循环物质（FC)占总输入物质(FI)的比例,称为物质的循环效率（EC)。 EC = FC/FI 物质循环效率是衡量生态系统功能强弱的重要标志。一般来说，EC值越高，表示该系统的功能越强。,4.循环效率（Efficiency of cycle, EC),（二） 物质循环的基本形式,根据物质循环的范围不同分为地球化学循环（地质大循环）和生物循环（生物小循环）两种基本形式,指化合物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、残体或排队

5、泄物形式将物质或元素返回环境，经过五大自然圈循环后，再被生物利用的过程。 特点：时间长，范围广，是闭合式的循环。 如大气圈中的CO2，约300年循环1次；O2约2000年循环1次,1.地质大循环,水的地质大循环,生态系统环境中的元素或化合物被生物利用后返回环境，不经五大自然圈层的循环，又相继被生物利用的过程。 特点：时间短、范围小，是开放式的循环。,2.生物小循环,Ca的生物小循环,（三）物质循环的类型,总体积约为14亿km3水，分布于海洋、冰川、地下水、内陆湖泊、大气五大水“库”中，咸水占水量97%，3%是淡水，其中34以固体状态固着在两极冰盖和冰川中，只有余下不到1%的水，才是供人类用的液

6、态淡水。,二、水循环,水的大循环,84,77,23,16,7,水的小循环,水分循环平衡: 降雨=植被水+土壤水+地下水+地表水+蒸发腾水,水的小循环,农田生态系统的水分平衡,输入项：降水（Rain, R)、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),水分流、养分流与能流的关系,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。

7、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。 生命必须的元素除碳、氧外，多种营养元素以溶于水的离子形式通过水进入生态系统。 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。,1960年以来对地表径流人工控制能力增长3倍；水库蓄水量达到湖泊和河流的36倍，占将近一半的可利用水资源 水资源利用每10年增加20，1535地区出现过度利用，在21世纪将成为制约全球社会经济发展的主要生态因素,人类活动深刻地改变了水的生物地球化学循环,Vrsmarty and Sahagian 2000,当前水资源过度利用地区,未来50年水资源

8、短缺地区,人类活动对水循环的影响,人类对水循环的影响及水问题,(1)植被破坏,水土流失、河流洪涝或干枯；,(2) 水利工程,如修筑水库，塘堰可扩大自然蓄水量；而湿地破坏、围湖造田又使自然蓄水容积减小，尤其是大量季节性降水因保蓄力削弱而流走，造成短期洪涝灾害，并同时降低了地下水库的补给，也引起严重的土壤和养分流失。 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；生物多样性减少,C G Cao,Aswan Dam 19601970: 竣工 20世纪80年代负面影响渐现,我国湿地正面临严峻的威胁,(3)开采地下水,由于过度开发局部地区的地表水和地下水，用于工、农业及城市发展，不但使地表、

9、地下水贮量下降，出现地下漏斗及地上的断流，造成次生盐渍化；也使下游水源减少，水位下降，水质恶化，沿海出现海水入侵，加重了干旱化和盐渍化威胁。,C G Cao,(4)水体污染,C G Cao,(4)水体污染,1.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。 2.碳的贮存库： 岩石库（化石燃料和沉积岩） 水体库（溶解CO2和碳酸钙） 大气库（CO2） 生物库（有机分子） 土壤库（有机质）,三、碳循环,3. 碳循环,碳的大循环,碳的小循环,生物和大气之间的循环 特点：是一个生物过程；属

10、于气相循环。 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，通过生物的呼吸作用返回大气；一部分生物遗体没有被分解者分解，转变为石油和煤，这部分碳暂时脱离循环，一经开采运到地面燃烧，仍可产生CO2再返回碳循环。 大气中的二氧化碳这样循环一次约需20年。,碳循环基本过程,海洋与大气间的交换 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。 碳盐的形成和分解（沉积循环） 大气中的二氧化碳溶解在雨水和地下水中形成碳酸盐和重碳酸盐。通过不同的成岩过程，又形成为石灰岩、白云石和碳质页岩。在化学和物理作用（风化）下，这些

11、岩石被破坏，所含的碳又以二氧化碳的形式释放入大气中。火山爆发也可使一部分有机碳和碳酸盐中的碳再次加入碳的循环。,碳循环基本过程,（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,碳循环特点,1Tg=1012g;1Pg=1015g,4.农业生态系统中的碳素流动 （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

12、家畜和人体流动，然后由人畜呼吸作用、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）人为施入土壤中的碳（有机肥和化肥等） （7）作物收获移出农业生态系统的碳量。,作业：绘制稻田尺度与一个农业生态系统尺度的 碳循环图,稻田,可以一个农户种养系统为例,人类追加的CO2： 植被破坏： 20亿吨 土壤破坏： 20亿吨 矿物燃烧： 60亿吨,5.人类对碳循环的影响,碳循环失调造成的环境问题温室效应 Greenhouse effect Global warming,碳循环失调造成的环境问题温室效应 Greenhouse effect Global warmi

13、ng,GLOBAL WARMING,Temperature rise:0.50.7 2010: 1 2050:4.5,增温0.50.8，20世纪2040年代和80年代以后出现了明显增暖。,温室气体,温室气体除了二氧化碳(CO2)外，还包括甲烷(CH4)、氧化氮(N2O)和碳氟氯烷(CFC)、臭氧(O3)等。其中CO2的作用约占全部温室气体作用的50%以上,大气中的水蒸气也对温室效应起着重要作用,C G Cao,Greenhouse gas：CO2、CFC、CH4、N2O(近年的浓度变化）,CO2 1750: 280ppm Now: 360ppm,N2O 1750: 280ppb Now: 31

14、4ppb,CH4 1750: 0.7ppm Now: 1.7ppm,CFC,两极冰川融化，生物的栖息地遭到破坏。,国际社会应对全球气候变化挑战的历程,联合国气候变化框架公约(UNFCCC)United Nations Framework Convention on Climate Change,最终目标：稳定温室气体浓度水平 ，以使生态系统能自然适应气候变化、确保粮食生产免受威 胁并使经济可持续发展。 基本原则：公平原则 ，各缔约方应在公平基础上，根据共同但有区别的责任 和各自的能力，保护气候系统，发达国家应当率先采取行动应对气 候变化及其不利影响。 环境和发展领域影响最大涉及面最广意义最深远

15、的国际法律文件,京都议定书的主要内容,发达国家义务： 在2008-2012年内将CO2等温室气体排放量在1990年水平上平均减少5.2% ；向发展中国家提供资金和技术。 发展中国家义务： 编制国家信息通报，其核心内容为提供温室气体排放源和吸收汇的国家清单； 制定并执行减缓和适应气候变化的国家计划,中国减排压力,我国已是世界第二大温室气体排放国 2006年二氧化碳排放量： 世界273.5亿吨1 美国61.2亿吨2（22.4） 中国54.8亿吨3（20.0） 发达国家强烈要求中国承诺具体减排目标； 发展中国家（岛国），呼吁中国减排；,未来15年，中国经济年增长率约10，温室气体 排放总量持续增长，

16、很快是世界最大排放国。 维持目前的发展速度和经济技术水平，中国到 2020年将排放二氧化碳160亿吨。 按照目前国际倡导的减排目标（2050年 /550ppmv），2020年全球排放量为400亿吨。 即使按照现有对中国最有利的减排方案，也只有 104亿吨（26）可以分配给中国。 160 104 54亿吨,中国减排压力,中国的策略： 在发展中应对气候变化 挖掘减排潜力，回应国际减排压力 具体可采取八条途径,八个可能的途径,（1）改善能源结构 （2）提高能源效率 （3）全民节能减排 （4） 植树造林增汇 （5） 转移国内产能 （6） 参与科学争论 （7）增大排放份额 （8） 创新工程技术,改善能源

17、结构,植树造林增汇,按照规划，我国2020年比2005年新增森林面积4600万公顷，高于APEC整体新增2000万公顷的目标。 按我国2020年实现森林面积比2005年增加2000万公顷并且逐年匀速递增作保守计算： 20052020年间我国每年可新增碳汇187万吨，相当于减排二氧化碳685万吨；累计新增加碳汇2.2亿吨，相当于累计减排二氧化碳8.2亿吨。,创新工程技术,创新工程技术,其他给地球“降温”、吸收CO2的生态工程点子 向海洋中抛撒铁屑促进浮游生物生长，使其吸收更多的CO2 将含有硫酸盐化合物的颗粒释放到大气对流层中,以阻止太阳辐射 安置碳收集器; 通过基因工程，可以让树木长得更快，含

18、木质素更少，吸收的二氧化碳更多; 将城市内的摩天大楼变为既能生产水果、蔬菜和谷物，又能产生清洁能源，净化污水“垂直农场”,加强土地利用变化研究-湿地在减缓全球变化中地位,30% of fresh water 40 % of global species 30% of Global soil C : twice as in forest Wetland loss magnifying climate change,稻田生态系统碳过程,水稻,根系,土壤微生物,土壤动物,流失碳,碳排放：CO2、CH4,输入碳,土壤,调控过程,引入其它生物,不同耕作方式,不同水肥管理措施,碳固定,结合农业生态系统碳循

19、环过程，分析农业生态系统温室气体减排的潜力？,加强农业土壤固碳的理论和技术研究,中国总土壤碳库估计: 90Pg; 农业土壤15 Pg;总表层碳库: 38Pg, 农业土壤:5.3Pg; 稻田1.3Pg; 稻田碳密度较大(高于旱地约10tC/ha) 稻田土壤固碳较快, 碳库较自然土壤稳定; 农业土壤具有显著的固碳效应与潜力,1.概况,四、氮循环,2. 氮循环过程,输入：生物固氮、高能固氮、工业固氮 输出：燃烧、挥发、反硝化、渗漏,几个关键氮循环过程,硝化作用：硝化细菌将氨氧化为硝酸的过程。 反硝化作用：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）或一氧化氮（N2O)的过

20、程。反硝化作用使硝酸盐还原成氮气，从而降低了土壤氮素的含量。 氨化作用：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，一部分被转变为硝酸盐。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的微生物称为氨化细菌。,人类对氮循环过程造成了怎样的干扰？,3.人类活动对氮循环的影响,人为的固氮作用使大气库中的N减少，陆地和海洋中N增加，其中主要流向海洋。 氮氧化物的流量和大气圈中的存量在不断增加,人工氮固定成为土壤和水环境主要污染源，导致N2O（温室效应比CO2高2个数量级）排放量指数增长,氮循环：人工固氮能力超过自然过程的总和，生态系统有效氮输入

21、量增加1倍；,人类活动深刻地改变了生态系统物质循环,人工固氮能力和氮肥施用量的增长,Galloway et al. 2002,Mosier and Kroeze, 2001,全球农业系统N2O排放量,(1)水体富营养化 (2)地下水中的N2O-、NO3-具有致癌作用 (3)臭氧层的破坏 (4)光化学烟雾,氮循环失调造成的环境问题,水体富营养化的过程,营养物质进入水体水中微生物滋生 爆发性增长 死亡分解 消耗氧气 氧气不足 厌气分解 产生有毒物质 水体变坏,水体富营养化的危害,水中溶解氧气减少，水生生物无法生存,C G Cao,The ozone holeThis satellite pictu

22、re of the Antarctic ozone hole was taken on October ,1993.There was 15% less ozone over Antarctic in 1993 than a year earlier,leaving the protective shield at less than one-third its normal thickness.,臭氧层破坏,臭氧层破坏危害 （1）对人体健康的影响。 （2）对生态系统的影响。 （3）对空气质量及全球变暖的影响 （4）对材料的影响。,光化学烟雾,C G Cao,五、磷循环(沉积型）,特点：主要贮

23、存在岩石、土壤圈，是典型的沉积循环，是一种不完全循环。 循环途径：磷以不活跃的地壳作为主要贮存库。岩石经土壤风华释放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；另一条是以枯枝落叶、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。,人类活动对磷循环的影响 磷矿开采与消耗：地壳中磷约含纯磷约198亿吨，按现在的

24、消费率计算可持续利用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。 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品质。并导致面源污染。 生活废水、工业污水排放导致富营养化。,六、硫循环（气相型兼沉积型）,硫循环的环境问题,(1)酸雨:酸雨指PH值小于5.6的雨、雾、雪、霜的统称。主要由SO2引起的。 (2)酸雨的危害:土壤酸化、贫瘠化，毒害植物根系，危害生物生长。 (3)水体富营养化,七、 农田养分循环,1.农田养分循环的一般模式 N、P、K等营养元素在人为影响下的运动叫农田养分循环,一般模式是： 土壤植物动物土壤,7.2 几种重要循环的概述 水循环,农业生态系统氮循环,2.农田养分循环特点,有较高的养分输入率和输出率； 系统内部养分的库存量较低，但流量大，周转快； 养分保持能力弱，流失率较高； 养分供求同步机制较弱,3.农业生态系统养分循环的调节,1）调节的基本原则 合理输入； 建立养分再生机制； 强调养分保蓄、供求同步； 充实有机库存； 提高投入效率； 整体优化,3.农业生态系统养分循环的调节,2）调节的具体途径 合理安排归还率较高的作物及其类型，建立合理的轮作制度。各种作物的自然归还率是不同的。 农林牧结合，发展沼气，解决生活能源问题，促使秸秆直接还田或过腹还田； 农产品就地加工，提高物质