第9章农业生态系统污染生态学

1、1. 农业生态系统中主要污染物及来源2. 农药对农业生态系统的污染及防治3. 化肥对农业生态系统的影响4. 重金属在农业生态系统中的迁移、积累特性11.1.有机物类：有机物类：主要有农药(有机氯、有机磷)，酚、油类、多氯联苯及洗涤剂等。这些合成的有机物通过不同的途径进入土壤后，除一部分因挥发作用损失外，另一部分因其较稳定不易分解而在土壤及农作物中积累及残留，造成土壤污染。2.2.无机污染物：无机污染物：主要包括重金属(镉、铅、砷、汞、铬等)、N、P营养物质及放射性物质。2农药洗洁剂苯酚31.1.污水灌溉：污水灌溉：污水作为一项水肥资源对农业的发展起到了一定的作用。不仅解决了农用水的紧张局面，而

2、且污水为农作物生长提供了氮、磷营养物质，是廉价而方便的水肥资源，但过量使用，将导致农业土壤的污染。2. 2. 农药：农药：农药作为防治植物病虫害、消灭杂草和调节植物生长的一类化学药剂，被广泛用于农业生产。43. 3. 肥料：肥料：肥料是农业生产的重要生产条件，它可为农作物生长提供主要必需的营养元素，满足作物生长发育的需要。由于原料、矿石本身含有杂质，使化肥中常含有一些副成分，为重金属、有毒有机化合物以及放射性物质。4.4.污泥农业利用：污泥农业利用：污泥土地利用不仅带来植物正常生长发育所需的多种微量元素和能改良土壤结构的有机质，同时也含有病原菌、寄生虫、重金属及某些难降解的有机毒物。5.5.垃

3、圾堆放及施用：垃圾堆放及施用：在我国垃圾裸露堆放及直接施用农田，是污染物进入土壤的途径之一。51. .农田排水与径流对地表水体的污染：农田排水与径流对地表水体的污染： 农业生产过程中所使用的化肥、农药等污染物通过农田排水和地表径流的方式进入水体造成污染，是农业面源污染的主要类型之一。2.2.渗透对地下水的污染：渗透对地下水的污染： 在目前的农业技术水平和农作物栽培制度下，化肥的利用率在30%-40%之间，其中氮肥的利用率仅30%左右，钾肥大部分被淋失，磷肥主要是被土壤吸附和固定。63. 3. 地膜覆盖引起的农田污染：地膜覆盖引起的农田污染： 农田盖膜技术不仅可以提高土地的利用率，还可以增加农产

4、品的产量，因此这项技术在我国农业生产中广泛使用。71.1.土壤对农药的吸附作用：土壤对农药的吸附作用：进入土壤的农药通过物理吸附、物理化学吸附、氢键结合和配价结合等形式吸附于土壤颗粒表面上，这种吸附不仅可以改变农药的移动性，而且还影响了农药的降解和生物毒性。2.2.土壤中农药的迁移：土壤中农药的迁移：进入土壤中的农药，除了被吸附外，还可通过挥发、扩散的形式迁移进入大气，引起大气污染；或随水迁移、扩散(包括淋溶和水土流失)而进入水体，引起水体污染。83.3.农药在土壤中的降解作用：农药在土壤中的降解作用：化学农药大部分是在人工合成的有机化合物，终究要在各种化学作用与生物化学作用下逐渐分解，最后转

5、化为无机化合物。生物降解：指微生物对农药的分解，微生物降解农药所需的时间往往取决于农药中有效成分的特性、微生物种和土壤性质。农药中有效成分的生物降解是由细菌、放线菌、真菌和高等植物完成的。9非生物降解：土壤中农药的降解受土壤物理和化学性质的影响，如黏土矿物、金属氧化物、金属氢氧化物和金属离子以及土壤有机物质，在农药分解的很多反应中起催化剂的作用。水解式降解：常见于有机氯杀虫剂和均三氯苯类除草剂，其影响因素有：pH、温度、湿度和黏土矿物组成。10光化学降解：指土壤表面接受太阳辐射能和紫外线能而引起的分解，取决于光作用的持续时间、光波长度、化学物质状态、携带物体或溶剂对光的敏感性、溶液pH和水的有

6、无。氧化还原型降解：许多含硫农药常在土壤中被氧化而分解。114.4.农药在土壤中的残留：农药在土壤中的残留：由于各种农药的化学结构、性质的不同，因此，在环境中的分解难易程度不同。农药在土壤中的持续性常用两种概念表示：半衰期：施药后附着于土壤的农药因降解等原因含量减少一半所需的时间。残留期：指土壤中的农药因降解等原因含量减少75%-100%所需时间。125.5.农药在植物体内的代谢和残留：农药在植物体内的代谢和残留：农药进入植物体内主要有两条途径：附着于植物表面的农药，经由植物表皮向作物组织内部渗透；残留于土壤中的农药被植物根系吸收进入植物体内的农药，一部分可通过植物的呼吸作用从气孔中消失，一部

7、分在体内酶的作用下分解代谢，一部分在紫外光照射下进行光化学分解，在植物体内逐渐减少。13农药施入农药后，一部分洒落在作物表面而残留下来，或者是渗入植物体内移动，并随作物一起被人或动物摄取。另一部分农药直接落在土壤中，而土壤中的农药，除挥发和径流损失外，可被农作物直接吸取，在作物体内残留，这是农药进入植物体的主要途径。14植物种类不同对同种农药的吸收和转移是有差异的：花生等作物对艾氏剂和七氯的吸收能力的大小顺序为：花生大豆燕麦玉米蔬菜对农药的吸收能力顺序是： 根菜类叶菜类果蔬类农药被吸收后在植物体内分布的顺序为： 根茎叶果实(通过植物表皮吸收的除外)15农药进入人体的途径161.1.对中枢神经系

8、统的影响：对中枢神经系统的影响：有机磷、DDT及同系物慢性影响时表现为神经系统症状，以神经系统衰弱症状(头昏、头痛、乏力等)占较大比例，植物神经功能紊乱症次之。2.2.致癌、致畸和诱变作用：致癌、致畸和诱变作用：如农药对脱氧核糖核酸能产生损害作用，就可能干扰遗传信息的传递，引起子细胞突变。当致突变物质作用于生殖细胞，使生殖细胞发生变化，就会致畸，若引起体细胞突变，便可能致癌。17害虫综合防治在1966年联合国粮农组织(FAO)给出的定义是“它是一套害虫管理系统，这个系统考虑到害虫的种群动态及其环境，利用所有适当的方法和技术，以尽可能相互配合的方式维持害虫种群达到不引起经济危害水平”。我国提出了

9、“预防为主，综合防治”的植保方针。181.1.农业防治措施：农业防治措施：作物的轮作，防治了害虫种群的建立，改变播种时间避开易于发生危害的高峰期；间种不同作物，避免大面积种植同一作物为害虫提供易于生殖的条件；使用诱集作物，去除病株；加强水肥管理；通过耕翻消灭杂草，越冬昆虫和植物病菌的寄生物；适当控制氮肥施用量，防治虫害；植物进行严格的检疫，防治虫病传播。192.2.生物防治方法：生物防治方法：人类利用或促进各种有益生物(动、植物、微生物)或是它们的产物以达到抑制害虫为目的的一种传统防治方法。3.3.物理防治法：物理防治法：通过物理手段达到消灭害虫的方法。根据害虫的生态习性，使用诱饵、光线、温度

10、等进行诱杀，或采用性引诱素、追踪信息素、聚集信息等诱变害虫，集中歼灭。204.4.农药的合理使用：农药的合理使用：为了不断地适应农业生产和环境保护的需要，将不断地开发和生产出高效、低毒、低残留农药，同时通过提高农药使用技术、改进农药使用剂型、选择最佳施药时间的综合防治措施，减少农药对环境的压力。高效、低毒、低残留农药的利用改进农药剂型合理使用农药211.1.氮素在土壤中的迁移转化：氮素在土壤中的迁移转化：氮肥在土壤中一部分被作物和微生物吸收利用，另外还有一小部分氮肥在土壤中被有机质和粘土矿物所固定。氨的挥发：是土壤表层的氮转入大气的作用的过程，是氮损失的主要途径。22硝化作用：23反硝化作用：

11、反硝化作用是使土壤中的氮返回大气的主要生物过程，一般地，反硝化作用过程中氮氧化物还原的途径为：土壤中反硝化作用发生的基本条件是嫌气的土壤环境、有可分解的有机质、具有代谢能力的细菌、合适的电子供体和末端电子受体的氮氧化物。24土壤中的生物吸收作用：氮肥中的氮素是作物生长的必需元素之一，因此，作物通过根系的吸收作用，在其生长发育过程中吸收大量的氮素，以满足作物的正常生长需要。铵的淋洗：铵不像阴离子那样易被洗掉，但施用化肥的土壤有少量的NH4+被淋洗掉。这说明土壤溶液中NH4+浓度很高时，超过了土壤的吸附能力可随水淋洗入地下水，或随地表水而流失。252.2.磷素在土壤中的迁移转化：磷素在土壤中的迁移

12、转化：机械流失：磷素在土壤中移动性较小，磷肥随水溶而淋失的极少，它的迁移主要是地面径流，随土粒流入水体。化学固定：过磷酸钙施入土壤后遇水发生水解反应，生成CaHPO42H2O和H3PO4，后者又进一步解离出H2PO4和HPO42-离子，导致土壤pH值降低至1-1.5，在这样的酸性条件下，能把土壤中的铁、铝、錳、钙等成分溶解出来，与磷酸根离子反应生成不同溶解度的磷酸盐被固定下来，因此，过磷酸化钙利用率很低。26阳离子代换固定:黏土矿物晶格表层带电荷，因此能吸附阴离子进行交换，磷酸根离子被交换后固定在黏粒表面。生物吸收固定：作物生长需要磷素营养，它吸收土壤中的磷以满足其生长，但微生物中有效磷含量不

13、足，也会与作物争夺土壤中的磷，造成磷的生物固定。271.施肥对土壤理化性质的影响：长期施用化肥对土壤的酸度有较大的影响。2.土壤中其他营养元素效应的变化：施肥不仅可促进土壤中的某些营养元素活化，而且也可使其固定，使之转化为植物体不能利用的形态。3.使用化肥对土壤中有机质的影响：土壤有机质的形成是生命体直接或间接从周围环境中吸取物及矿物质养分并使自身不断成长、死亡、分解的循环往复、周而复始的过程，有机质数量的任何增加意味着无机矿物质养分的投入增加。284.农业生态系统内部结构的变化：由于长期过分依赖化肥的增产效果而忽视农家肥料，特别是过量使用化肥和使用比例失调，使得农业生态系统内部结构受到破坏，

14、农田耕层土壤有机质含量下降，团粒结构破坏并减少，蓄水保肥能力降低，肥效作用下降。5.对生产力的影响：肥料的施入，对土壤中生命元素和有毒元素之间、大量元素和微量元素之间可能产生复杂的直接或间接的相互作用，这种现象对土壤性质、植物生产力和收获物的质量产生明显影响。29施用化肥可提高土壤肥力，改善土壤性质，创造最佳的作物营养状况，改善农产品的质量。过量施用化肥，对有机化合物的代谢产生不利影响，在这种情况下，植物体内可能积累过量的硝酸盐、亚硝酸盐，过量的硝酸盐和亚硝酸盐在植物体内积累一般不会使植物受害，但是这两种化合物对动物和人的机体都是有很大毒性的。30有机蔬菜也靠不住了，存在对有机肥的质疑！蔬菜吃

15、得太新鲜，也会招来麻烦！311.严格执行科学的施肥制度：根据植物的生物学要求、当地的土壤-气候特点和计划的产量水平，确定最佳的施肥量，营养元素比例，肥料形态，施肥日期和方法。2.化肥要和有机肥合理配合使用：在保持土壤有机营养的基础上，化肥效率才能有效地发挥。323.调整“三要素”的比例：在配方施肥的基础上，采取“适氮、增磷、增钾”的施肥技术，使植物的矿质营养处于最佳状态。4.改变施肥技术:提倡发展叶面施肥技术及果木长效肥的使用，减少施肥次数，减少肥料的流失机会。氮素局部施肥可能是减少铵态氮损失的有效方法。33重金属是农业生态系统中一类具有潜在危害的化学污染物，它与其他许多种类的化合物有所不同，

16、主要是由于重金属不能为土壤微生物所分解，相反地生物体可以富集重金属，并且可以把某些重金属转变成毒性更大的甲基化合物。目前在环境污染研究中最引人注目的重金属主要是指汞、镉、铅、铬、砷等元素。341.重金属的物理迁移：土壤溶液中的重金属离子或络离子可随水迁移至地面水体，但更多的是重金属可通过多种途径被包含于矿物颗粒内或被吸附于土壤胶体表面上，随土壤中水分的流动而被机械搬运。2.重金属的物理化学迁移和化学迁移：土壤中的重金属污染物能以离子交换吸附，或络合-螯合等形式和土壤胶体相结合，或发生溶解与沉淀反应。35离子交换吸附：它的发生与土壤胶体微粒带电荷有关；在正常自然环境中的大部分胶体(黏粒矿物、有机

17、胶体、与含水氧化硅等)带负电荷；只有少数胶体，如含水氧化铁、铝，在酸性条件下带正电荷。专性吸附：重金属离子可被水合氧化物表面牢固地吸附。这种吸附不一定发生在带电表面上，亦可发生在中性表面上，甚至在吸附离子带同号电荷的表面上进行。363.重金属的生物迁移：植物可通过根系从土壤中吸收某些化学形态的重金属，迁移到作物的茎叶及籽实中，并在作物体内积累。这一方面可以看作是生物对土壤重金属污染的净化；另一方面也可看作是重金属通过土壤对作物的污染。除植物吸收外，土壤微生物的吸收及土壤动物啃食重金属含量较高的表上，也是重金属发生生物迁移的一种途径。371.1.镉元素镉元素：镉随污水灌溉或污泥利用，进入土壤中，

18、被土壤吸附的镉一般在0-15厘米的土壤表层积累，15厘米以下含量显著减少。镉在土壤溶液中以简单离子或简单络离子形式存在。土壤中镉的迁移除了受土壤类型、性质、pH值、有机质含量等因素影响外，同时受Eh的直接影响。382.2.铅元素：铅元素：土壤中的铅主要是以Pb(OH)2、PbCO3、Pb(PO4)2等难溶形式存在，在土壤溶液中可溶性铅含量极低。土壤中铅的迁移性极弱，难于被植物吸收。因此，进入土壤中的铅主要积累在土壤表层。393.砷元素：砷元素：砷主要以正3价态和5价态存在于土壤环境中。这是因为进入土壤中的水溶性砷很容易与土壤中的Fe3+、AL3+、Ca2+、Mg2+等离子生成难溶性的砷化合物；

19、另一方面，土壤中的砷大部分与土壤胶体相结合，呈吸附状态，且吸附的牢固。基于此，含砷污染物进入土壤后，主要积累于土壤表层，很难向下移动。404.4.汞元素：汞元素：土壤中的汞按其化学形态可分为金属汞、无机化合态汞和有机化合态汞。与其他金属不同，它的重要特点是，在正常的土壤Eh和pH范围内，它能以零价状态存在，在各种汞化合物中，以烷基汞化合物(如甲基汞、乙基汞)的毒性最强。415.5.铬元素：铬元素：土壤中的铬主要是以3价铬和6价铬的形式存在。其中以正3价铬最为稳定，铬离子在土壤中的迁移转化，与土壤的pH、Eh有机质含量及其他化合物的存在有关。含铬废水中的铬进入土壤中，也多转变为难溶性铬，大部分残

20、留于土壤表层。土壤铬被作物吸收转移系数很低，它是重金属元素中最难被吸收的元素之一。421.1.镉元素：镉元素：镉被认为是最有毒有害的重金属之一，土壤中过量的镉，不仅能在植物体内残留，而且也会对植物的生长发育产生明显的毒害。在自然条件下镉一般与锌共存，镉在土壤中较少被吸持，所以易为植物吸收，植物体内镉的常见浓度在0.2-0.8mg/kg之间。432.Pb2.Pb元素：元素：在重金属中铅对植物的生长和产量的危害最小，但其在植物体内的残留累积对动物和人体危害极大；铅不是植物生长发育的必需元素，在重金属中它对植物的危险性较小。铅在植物组织中的累积可导致氧化过程、光合过程和脂肪代谢过程强度减弱。铅亦可促

21、使水的吸收量减少，耗氧量增大，阻碍植物生长，甚至引起植物死亡。443.As3.As元素：元素：微量的砷可以刺激生命过程，大量砷是一种剧毒物质；一般认为，砷不是植物必需的元素，砷进入植物途径，主要是根、叶吸收；低浓度的砷对许多作物与刺激作用。454.4.汞元素：汞元素：土壤一般含汞0.01-1.0mg/kg，受污染土壤有时高达500mg/kg；汞是危害植物生长的元素，当土壤中含汞量过高时，汞不但能在植物体内积累，还会对植物产生毒害；土壤中汞以多种形态存在，亦有无机汞(金属汞、氧化汞、硫化汞等)和有机汞(烷基汞、苯基汞等)。465.5.铬元素：铬元素：一般正常土壤中铬的变化范围在50-1000mg

22、/kg，平均含量范围在20-200mg/kg；铬在植物体内的迁移能力比汞、镉弱得多，几乎在所有生物中都呈微量存在，对动物和人来说，铬是必需的微量元素；但当土壤环境中铬超过一定量时，则对植物产生危害；高浓度的铬对植物产生严重的毒害作用，抑制植物的正常生长发育。47重金属进入人体的途径重金属进入人体的途径481.Cd1.Cd元素：元素：镉是严重的污染元素，它不是人体必需的元素。镉主要通过呼吸道和消化道进入人体，镉在人体的半期为6-18年；镉进入人体与蛋白分子中的疏基结合，可干扰含锌酶，破坏正常反应；镉亦可和金属硫蛋白结合，累积于肾脏，损坏肾小管，出现肾功能障碍，影响VD活性，引发骨骼病变。4950

23、2.2.铅元素：铅元素：铅是人体非必需元素，人体含铅77mg左右，联合国粮农组织和世界卫生组织提出每人每日允许摄入量约为420ug；环境中的铅化合物，主要通过消化道和呼吸道进入人体，液体铅亦可通过皮肤接触进入人体；血液中的铅形成可溶性磷酸铅、甘油磷酸铅等有机铅化合物存在，对人体的不良影响与它对酶的抑制作用有关；过量的铅摄入可引起中枢神经系统损伤，损害骨髓造血系统，引起心血管、胃肠疾病。513.3.汞元素汞元素人体主要是通过消化道、呼吸道及皮肤吸收汞及其化合物；人体含汞量为13mg左右，约70%的汞蓄积在脂肪和肌肉中，没人每日允许最高摄入量为0.04mg；金属态的汞对人体来说，生物活性很低，蒸气汞则会对人体产生明显的毒害；汞类似与镉和铅，易于蛋白质分子中的疏基结合，抑制酶活性；汞的毒性以有机汞化合物毒性最大。524.4.砷元素砷元素科学家经过近20多年研究认为，适量的砷对人体是必需的，故将砷列入生物可能必需元素；砷一般从消化道和呼吸道进入