第八章 农用生态系统的物质循环与污染控制

第八章农业生态系统物质循环与污染控制第一节农业生态系统的物质循环农业：通过培育动物、植物、微生物等生物，为人类提供食品、纤维和其他产品及工业原料的产业。农业资源：一般只与农业生产相关的自然资源：包括土地、气候、生物、水资源和用于制造肥料的矿产资源等。农业环境：农业生物赖以生存、生长、发育和繁衍后代的自然环境称为农业生物环境，又称农业环境。农业环境由自然环境和人工环境复合而成。第一节农业生态系统的物质循环农业生态系统：农业生物与农业环境共同构成了一个生态系统。在农业生态系统中，农业生物的大部分随收获物被带到系统之外，同时还带走了养分，打断了物质的循环链。农业生态系统的物质高投入1.水资源投入2.养分投入3.农用化学药剂的投入4.农用塑料制品第二节种植业体系的非点源污染与控制一、化学肥料的环境污染与控制不合理使用化肥会造成土壤污染.土壤退化和水.大气污染.1.化肥中的有害物质及其土壤污染化肥对环境产生不利影响的途径之一是通过其本身——主要成分，另外还可通过其所含有的副成分或微量成分以及其转化物等。化肥中的有害物质（1）重金属：镉、铅、汞等（2）无机非金属：氟、氮、磷（3）有机化合物：磺胺酸盐、三氯乙醛等第二节种植业体系的非点源污染与控制2.土壤性质的变化长期大量施肥导致土壤性质的变化和质量下降。施肥对土壤化学相知的影响主要表现在土壤酸化和结构破坏。目前的氮肥主要是铵态氮肥或在土壤中很快转化为铵态氮的酰胺类肥料，铵离子容易将交换吸附态的盐基离子置换下来，如果降水量或灌溉量过大，将导致盐基离子的淋失和土壤酸化。土壤偏畸施肥可能导致其他营养元素的缺乏。第二节种植业体系的非点源污染与控制3.养分流失和地表水污染我国化肥当季利用率氮：30%-35%磷：10%-20%钾：35%-50%农田N、P进入水域的主要途径：农田排水、地表径流、土壤侵蚀、挥发等其中挥发的氮素可通过降雨进入水体。

农用化学物质的淋失引起地面水体N、P营养元素浓度的升高，造成水体富营养化，给环境带来很大的破坏作用。第二节种植业体系的非点源污染与控制4.养分流失和地下水污染氮肥的过量使用，会导致地下水中NO3-含量的增高施用钾肥使地下水水化学类型变得复杂化施用磷肥对地下水污染较小

无论是硝氮、铵氮还是酰胺态氮肥，施入土中后，很快就会发生变化。

由于土壤胶体带负电荷，硝化作用将容易被土壤胶体吸附、保持的NH4+转化成移动性很强、不易被土壤胶体吸附的NO3-，从而增加了肥料氮在土壤中的移动性，使其容易受雨水、灌溉水的淋溶。第二节种植业体系的非点源污染与控制5.对大气环境的影响主要对铵态肥中氨的挥发与硝化过程、土壤中硝态氮的反硝化过程有关。硝化过程：6、对作物产量和品质的影响化肥施用不当会影响作物生长和产品品质由于单施单一品种的化肥而忽略有机肥的使用就会使谷物和蔬菜的营养成分的含量降低。由于氮肥施用不当或过量而引起作物贪青倒伏，病虫害增加，谷物籽实中含水量明显升高以至于不易贮藏而发生霉变。此外，由于化肥的质量问题如副成分的存在也可能对作物造成污染。7、氮肥施用对蔬菜硝酸盐积累的影响植物根系从土壤中吸收的硝酸盐，经过体内硝酸酶作用还原成氨，再转化成氨基酸等含氮化合物，以维持正常生长代谢的需要。但植物对体内吸收的硝酸盐，往往由于受到许多环境条件的限制而不能充分加以同化，致使硝酸盐累积于叶、茎和根中，这种累积对植物本身无害，但却危害取食的人类和牲畜。8.化学肥料污染环境的原因（1）过多依赖化肥（2）化肥使用失衡和结构不合理一是肥料中氮、磷、钾的比例不合理；二是肥料中品种构成不合理国产化肥氮、磷、钾比例：1:0.36:0.07进口化肥氮磷:1：（0.4-0.45）：0.4（3）养分利用效率不高、氮素损失严重

肥料中养分结构比例不合理，化肥的肥效没能很好发挥，是氮肥利用率不高的一个重要原因。此外，氮肥资源配置不合理、施肥技术不适当、农艺措施不配套等也是重要原因。（4）与肥料使用有关的环境问题9.化学肥料的污染控制促进养分资源的再循环和再利用充分利用土壤养分资源发掘生物学潜力、提高养分资源的利用效率改进施肥技术、提高肥料利用率开发化肥新品种、改进化肥的制造方法肥料养分资源的宏观管理加强生态建设，防止水土流失二、农用化学药剂的污染与控制农药是农用化学药剂的简称，它是指用于防治危害农林作物及农林产品的害虫、螨类、病菌、杂草、线虫、鼠类等有害生物的化学物质，以及提高这些药剂的防治效果的各种辅助剂、增效剂等。此外，农药还包括植物生长调节性物质。农药本身就是有毒物质,在杀灭病虫害的同时也带来了对自然环境的污染和对人体健康的危害.农药的重要地位

防治病、虫、草、鼠害，调节农作物生长全世界由于病、虫、草、鼠害而损失的农作物收获量相当于潜在收获量的三分之一，如果一旦停止用药或严重的用药不当，一年后将减少收成25－40％（与正常用药相比），两年后将减少40－60％以至绝产。

我国平均每年挽回粮食2500万吨、棉花40万吨、蔬菜800万吨、果品330万吨，减少经济损失约300亿元。

R=C-Kt农药的残留量与使用量及时间的关系：R－农药的残留量；C－农药使用量；K－取决于农药品种及土壤性状等因素的常数；t－时间。农药的残留农药残留是指田间使用农药后，在动植物体、土壤和环境中农药原药及其有毒的代谢物、降解转化产物和反应杂质的数量。当农药的残留量为原施用量一半时所用的时间称为半衰期。农药的半衰期常用来表示农药的稳定性。半衰期长，农药稳定，不易降解，容易被植物、动物吸收、通过食物链对人体造成毒害。农药残毒就是指农药残留对人畜的毒性。农作物与食品中残留农药的由来1.农田施药后农药对作物的直接污染内吸性药剂被植物根、茎、叶吸收，并随植物体内水分、养分的输导而传播，引起的污染问题比较严重。如氟乙酰胺、内吸磷、乙拌磷。对于这类药剂严禁用于烟、茶、蔬菜及稻麦等粮食作物。渗透性强的有机磷（OP）农药如甲基对硫磷、对硫磷、杀螟松等，在作物上表现出一定程度的深达性。2．作物从污染环境中吸收农药在田间用药时，大部分农药是散落在农田中，有些飘散到大气中，有些农药性质稳定、不易降解、残存的农药可以被后茬作物吸收。有些报道表明，某些茶区虽已禁用DDT、六六六多年，但采取的茶叶中仍可检测出较高含量的DDT和六六六以及代谢产物。水生植物从污染水质中吸收农药的能力比陆生植物从土壤中吸收能力强。3．生物富集与食物链生物富集与食物链是促使食品含有农药的重要原因。生物富集，又称生物浓缩，是指生物体从生活环境中不断吸收低剂量农药，并逐渐在体内积累的能力。食物链，动物吞食有残留农药的作物或生物体后，农药在生物体间转移的现象。如：在农田喷洒有机氯杀虫剂毒杀芬后，撒落在农田的农药污染了附近水域，使水中含有1PPB，经过一段时间后，在水中生长的藻类植株贮存量达0.1～0.3PPM（浓缩100～300倍）；取食藻类的小鱼体内含量达3PPM（与水相比3000倍）；取食小鱼的大鱼体内含量达8PPM（与水相比8000倍）；食鱼性水鸟体内含量则高达39PPM（与水相比39000倍）。生物富集与食物链可使农药的残留浓度提高至数百至数万倍。农药对环境的影响1、农药对水体的影响（1）进入水体的途径:a.农田施药后，由于地表水的流动、降雨或灌溉流入沟渠和江河，从而污染水体b.水体中有害生物的防治用药污染水体c.农药生产厂的废水排放d.河流洗涤施药工具（2）水体中农药的迁移和转化挥发水解光解氧化还原生物降解生物体吸收和富集底泥吸附和解吸2、农药对大气的影响（1）进入大气的途径：a.地面或飞机喷施农药b.农药施用后，土壤、水体和叶面的挥发c.农药生产厂的废气排放（2）大气中农药的迁移和转化向高层扩散、飘移光化学分解氧化水解干湿沉降3、农药对土壤的影响（1）进入土壤的途径：a.施药后农药直接落入土壤b.作物上的农药因风吹雨淋落入土壤c.浸种、拌种、毒谷等施药方式使农药直接进入土壤d.农药生产厂废气的干湿沉降e.废水向土壤的排放f.农药运输过程中的事故泄露（2）农药在土壤中的迁移和转化吸附淋溶地表径流降解与转化挥发4、农药对生物的影响（1）农药在环境中的生物富集（2）对昆虫的影响（蜜蜂）1、害虫的再猖獗2、次要害虫的上升3、防治对象产生抗药性害虫的再猖獗是指使用某些农药后，害虫密度在短时期有所降低，但很快出现比未施药的对照区增大的现象。次要害虫的上升次要害虫上升是指使用某些农药后，农田生物群落中原来占次要地位的害虫，由原来的少数上升为多数，变为为害严重的害虫。4、农药对生物的影响（3）对水生生物的影响（4）对鸟类的影响（5）农药在作物上的残留（6）农药对人类的危害急性中毒慢性中毒5、农药污染的控制现有农药的安全使用加强农药管理，实行农药登记制度现有农药的合理使用，低毒高效农药的研制（植物源天然产物农药）改进剂型和施药技术有害生物的综合防治我国禁用的农药1.六六六、DDT：高残留农药，1983年停产。2.毒杀芬：有机氯类农药，用量大，分解慢，高残留，易积累中毒，影响人体健康。3.二溴氯丙烷：致突变、致癌作用；对男性会毒害精子，引起不育。4.杀虫脒：致癌，1990年起三年内停止生产，1993年起停止在农业上使用。5.二溴乙烷：致癌、精子（卵子）遗传失常。6.除草醚：高毒除草剂，对动物有致畸、致突变、致癌作用，多数国家已禁止使用，我国2000年12月31日停产．2001年12月31日停止销售。7.敌枯双：致畸作用。8.氟乙酰胺：剧毒，二次中毒。严禁在农业上使用，严禁作为杀鼠剂销售和使用。9.艾氏剂、狄氏剂：高残留。10.汞制剂：慢性毒性。11.氟乙酸钠：剧毒杀鼠剂，易发生二次中毒，造成猪、狗、猫死亡，市场上销售的气体系鼠剂针剂，便含有氟乙酸钠。12.氟乙酰胺：急性剧毒杀鼠剂，易发生重复中毒，且无警戒气味，不仅禁止在农作物上使用，也不准做杀鼠剂销售和使用。13.砷铅类14.甘氟、毒鼠硅15.甲胺磷、甲基对硫磷、对硫磷、久效磷、磷胺，2007年1月1日起全面禁用。限制性使用的农药：在水稻田禁用拟除虫菊酯类农药。（又决定试验）；在果树、蔬菜、茶叶、中草药材上不得使用和限制使用的农药有：甲拌磷、甲基异柳磷、特丁硫磷、甲基硫环磷、治螟磷、内吸磷、克百威、涕灭威、灭线磷、蝇毒磷、硫环磷、地虫硫磷、氯唑磷、苯线磷14种高毒农药；禁止氰戊菊酯、三氯杀螨醇在茶树上使用；停止仲丁威作为卫生用杀虫剂的登记；自2002年6月1日起，禁止氧化乐果在甘蓝上登记；丁酰肼，限制使用作物为花生。农药废弃物污染现状

农药废弃物包括被禁止使用但仍有库存的农药、过期失效的农药、假劣农药、农药施用后剩余的残液、盛装农药容器的冲洗液、农药包装物(瓶、桶、袋)、被农药污染的外包装物或其他物品等。

凡是生产和使用农药的国家，都难免要产生农药废弃物，而我国是最大的农药使用国，农药废弃物污染更为严重。据中国农药信息网报道，经过调查研究表明，农民施药后对清洗喷雾器的冲洗液处理方式为：44.7%的人直接倒入沟渠中，41%的人直接倒入地里，14.4%的人倒在水源（主要指水井）边。在处理农药包装瓶或包装袋时，有65.2%的人随便扔在田间地头或河里，约3.2%的人烧掉。联合国粮农组织的资料显示，世界上约有50万吨农药废弃物，其中亚洲约有20万吨。报道中还指出，江西省常年农药用量，在4-5万吨，每亩农田上残留的农药包装物为5-10个，每年丢弃的农药包装物在2亿个以上。

据此推算，如果按我国每年用药量46万吨计算，每年产生的农药包装物为18.4－23亿个。据《技术开发与贸易机会》报道，我国每年的农药包装废弃物约有32亿个。由此可见，农民施药过程中出现的农药废液及农药包装物，已经成为农药废弃物管理的重点。这些废弃物如果不加强控制与管理，势必对人类的健康造成潜在的危害及环境污染。所以，农药废弃物的安全处理对人类的生存环境至关重要。三、农用塑料制品的污染与控制农用塑料制品中主要是农膜对土壤质量和植物的生长有一定的影响。长期存在于土壤中的残膜可严重影响作物根系的生长发育、水肥运移，致使作物减产。另外，为增加薄膜弹塑性的添加剂邻苯二甲酸-2-异丁酯等化学物质，随水溢出后渗入土壤，对植物根系产生毒害。农膜的残麽碎片还会随农作物的秸秆和饲料进入农家，牛、羊等家畜误食后，可能导致胃肠功能失调，造成危害。四、农业系统中的温室气体排放（一）甲烷（CH4）甲烷是一种重要的温室气体，单分子的温室效应效率是CO2的70倍。它主要来自于地表，可分为人为源和自然源。人为源包括天然气泄漏、石油煤矿开采及其它生产活动、热带生物质燃烧、反刍动物、城市垃圾处理场、稻田等。自然源包括天然沼泽、湿地、河流湖泊、海洋、热带森林、苔原、白蚁等。甲烷的产生和消除的领域主要包括废物处理、农业、燃料逸出性排放、与能源相关或无关的工业、土地变化和林业等。

全球甲烷排放源约为5.35(4.10-6.60)亿吨/年,其中自然源1.60(1.10-2.10)/年,人为源3.75(3.00-4.50)亿吨/年，人为源约占70％。在各种排放源中，稻田排放量约占总排放量的11%，反刍动物排放量约占总排放量的15%，生物质燃烧约占8%。可见农业生态系统是大气甲烷的重要来源。（一）甲烷1、水稻田（1）稻田甲烷排放机理水稻田甲烷的释放量，实际上是产甲烷菌利用田间植株根际部位的有机物质转化成甲烷的数量出去水稻田根际部位甲烷氧化菌对甲烷氧化的量。（2）甲烷在土壤中产生分两步微生物在稻根上或稻根内产生H2H2被转移到根际土壤，并由其中生长的产甲烷菌转化成CH4（一）甲烷（3）稻田甲烷释放规律①日变化：产甲烷菌两个最佳活性温区：37℃、53℃中午和下午，CH4释放率高②季节性变化：稻田甲烷排放的两个高峰期：分蘖期花期到成熟期之间（孕穗期）（4）影响稻田甲烷释放的因素a.土壤类型b.温度c.pH值d.水分e.施肥（一）甲烷（一）甲烷2、畜牧业（反刍动物）反刍动物食入饲料后，首先在瘤胃中对其进行厌氧发酵，瘤胃中的微生物把碳水化合物和其它植物纤维发酵成可继续分解和消化利用的物质，同时产生甲烷。（二）一氧化二氮（N2O）1、N2O的排放机制农业生态系统排放的N2O主要是由土壤中微生物活动产生的硝化作用反硝化作用（二）一氧化二氮（N2O）（2）影响土壤N2O释放的因素a.土壤pH值b.温度c.施肥d.有机质e.土壤湿度和氧分压

（三）二氧化碳CO21、CO2的排放机制土壤呼吸2、减少CO2释放的措施a.减少矿物、生物质燃烧是关键b.农业上：扩大绿色植被面积、提高林木覆盖率，提高光能利用率来减少CO2的排放量第四节环境污染的生物修复一、生物修复的概念和分类生物修复又称污染生物净化，是指利用植物、微生物对环境中的污染物质进行吸收、富集、降解和转化，去除污染物质毒害作用的过程。根据生物修复主体的不同，分为植物修复、微生物修复和动物修复根据生物修复的特点，分为原位生物修复和易位生物修复二、生物修复特点优点：投资费用省，对环境影响小，能有效降低污染物浓度，适用于在其他技术难以应用的场地，而且能同时处理受污染的土壤和地下水。缺点：1、不能降解所有污染物;2、污染物浓度过低,无法正常降解;三、微生物修复微生物进行生物修复作用的实质，是利用分解环境污染物为其提供碳源、氮源或能源的过程，或者在自身进行代谢活动的同时，对污染物质进行生物化学的转化过程。机理：降解作用：共代谢作用去毒作用生物氧化-还原生物积累和生物吸附四、植物修复通过自然生长植物或遗传工程培育植物系统及其根际微生物来吸收、移去、挥发或稳定环境污染物。植物修复分为以下几种：植物提取：忍耐、吸收和积累污染物植物钝化：植物稳定化植物挥发植物的空气净化植物分解根系过滤植物在土壤修复中应用（1）植物对金属去除

①植物固定：植物通过根系过滤、固定和钝化使重金属吸附于植物地下部分表面,从而降低生物有效态,达到减轻污染效果.植物根际微环境发挥重要作用.

②植物挥发：利用植物吸取、积累、挥发作用而减少重金属在土壤富集,挥发出土壤表面和植物的过程.

③植物吸收（抽提）：利用一些专性植物（超累积植物）根系对特定污染物(有机物和重金属)吸收特性,将污染物吸收并在植物地上部分积累,再通过收获地上部分而减少污染物。