氮循环(Nitrogen cycle)和农业物质循环

1、氮循环(Nitrogen cycle) 全球氮素储量（Tg N）陆 地海 洋大 气植物生物量1.110-41.4104植物生物量3102N23.9109动物生物量2102动物生物量1.7102N2O1.3103枯枝落叶层1.91033.3103死亡有机质NH30.9土壤：可溶性5.3105NH4+1.8有机质3105颗粒0.31042.4104NO214 不溶性无机氮1.6104N2（溶解的）2.2107NO3-0.5 可溶性无机氮?N2O2102有机氮1 微生物体5102NO3-5.7105岩石1.91011NO25102沉积物4108NH4+7103煤1.2105氮素循环在农田生态系统中，

2、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 农田生态系统氮素来源农田生态系统氮素来源 生物固氮量与化肥氮量的比较中国美国澳大利亚印度英国新西兰荷兰生物固氮量（104Tt N/年）（A）化肥氮量（104Tt N/年）（B）A / (A + B) 100341.71 396.419.7953.4597.661.51 38413.399.0149.8113.656.948.790.934.986.20.699.35.284.95.8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、。另外，闪电也会将少量氮氧化，形成硝酸，随降雨进入土壤。因此，从增加农业中氮素来看，应当积极种植豆科作物，培育其他固氮生物，努力增产并合理施用化学氮肥，才能更好地满足农业增产对氮素的需要。氮沉降：因大气污染而不断增加大气氮沉降量，过剩的氮沉降将增加NH4+的硝化和NO3-的淋失，加速土壤的酸化，影响树木和作物的生长以及生态系统的功能和生物多样性，对农业生态系统产生危害作用。3. 农田生态系统的氮素损失农田生态系统的氮素损失n氮素损失主要有四个方面：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；

4、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。4.（4）径流（Runoff）人类活动对氮循环的干扰及其对环境的影响 n1. 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；n2. 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；n3. 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。其主要途径包括：n反硝化(Denitrify)；n氨挥发(Volatilization)；n

5、淋失(Leaching)；n地表径流(Runoff)和土壤侵蚀(Corrosion)。磷循环储量圈 层储 量岩石圈 岩石 可开采的磷矿5 101015000土壤圈62000生物圈 陆生生物 淡水生物 海洋生物 人 类18050.3460.40.62水圈 淡水 海洋108110000大气圈0.013全球磷循环存在的问题 n1. 磷矿资源的开采与消耗磷矿资源的开采与消耗n据统计，从1935年至1990年间，磷矿总开采量达3.79109t，相当于5108t磷。1990年全球磷矿开采量为1.5108t，这相当于2107t磷。按这一速度，地球上的磷矿可开采750年。n全球磷矿的年开采量虽然仅为岩石风化而

6、释放的磷量的2倍，但人工开采的磷几乎全部被化学加工成可溶态或迟或早地进入地球化学循环。因此，20世纪以来特别是20世纪70年代以来，岩石圈的磷参与全球生物地球化学循环的潜在速度增长了近百万倍。2. 磷肥的施用与流失磷肥的施用与流失n因为土壤对磷肥有较强的固定作用，磷肥当季利用率只有10%25%左右。而且，施用磷肥虽然补充了有效磷，但土壤中的磷素含量又会因有机质分解及收获物移出农业生态系统而逐渐下降。另一方面，水土流失及肥料淋失又会导致土壤中原有磷素的损失。n另外，由于各养分配合施用比例失衡也导致了磷素的流失。根据有关试验调查统计资料表明，我国农业生产中各种化肥配合施用时氮、磷（P2O5）、钾（

7、K2O）的合理吸收比例大约为1: 0.45: 1，而我国大部分地区的实际氮磷钾施用比例为：1: 0.45: 0.169。n钾肥所占比例严重超标，与氮磷肥的使用比例失调，影响了作物对氮素和磷素的正常吸收，进而造成农田所施氮磷肥流失，污染农田周边地域的水体环境，产生富营养化。有些地区甚至还出现了地下水遭到氮磷污染的后果，使当地人畜饮水困难，对人们的身心健康都构成了威胁。3. 富营养化（富营养化（Eutrophication）、赤潮（）、赤潮（Red tide）等问题等问题n水体富营养化（Eutrophication）的发生过程是，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

8、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。水体富营养化起关键作用的营养元素是氮和磷，由于大多数水体磷是藻类繁殖的限制因子，故磷的作用大于氮。农业生态系统中的养分循环 n一、农业生态系统养分循环的特点一、农业生态系统养分循环的特点 农业生态系统是由森林、草原、沼泽等自然生态系统开垦而成的，在多年频繁的耕作、施肥、灌溉、种植与收获作物等人为措施的影响下，形成了不同于原有自然

9、系统的养分循环特点：n1. 养分输入率与输出率较高养分输入率与输出率较高n2. 库存量较低，但流量大，周转快库存量较低，但流量大，周转快n3. 保持能力弱，容易流失保持能力弱，容易流失n4. 养分供求不同步养分供求不同步农业生态系统的养分循环，通常是在土壤、植物、畜禽和人类这样4个养分库之间进行的，同时，每个库都与外部系统保持多通道的输入与输出流。 农业生态系统物流模型的建立 n农业生态系统物流模型的建立一般根据研究的物流对象（N、P、K等），采用以下几个步骤：n1. 库和流关系库和流关系n物质库主要包括土壤库、作物库、牲畜库和人类库等。物流关系是指上述各个库之间的物质联系。n2. 养分输入、输出项目养分输入、输出项目 n养分输入项目包括：n外来养分化肥、降水、灌溉水输入；n农副产品及人畜废弃物再利用种子、粪便、秸秆（不包括留在田里的根茬）；n区域性富集；n生物固氮。n养分输出项目包括：n目标性输出农畜产品；n非目标性输出流失、淋失、燃烧、反硝化、挥发、人畜消耗。输入项输出项生产性输入生产性输出种子种苗农副产品化肥经济产品人