第四章-物质循环全部

物质循环第四章三、农业生态系统中的主要物质循环水循环一、物质流的重要性及其特点二、物质循环的基本概念物质循环的一般模式碳素循环氮循环磷循环四.生态系统中的环境污染问题五.农业生态系统物质循环的调控原则一、物质流的重要性及其特点（一）重要性

1.形成生物体的必需原料2.生物进行生理生化活动的基础3.能量流动的载体（二）特点

1.物质是循环的2.物质是多种多样的3.物质是由元素组成（三）物质元素的分类

1.能量元素：C、H、O、N2.大量元素：Ca、Mg、P、K、Na、S3.微量元素：Cu、Zn、B、Mn、Mo、Al、F、I、Si、Cl二.物质循环的基本概念

（一）生物地球化学循环是物质循环的基本形式生物地球化学循环：地球上的各种化学元素和营养物质在自然动力和生命动力的作用下，在不同层次的生态系统内，乃至整个生物圈里，沿着特定的途径从环境到生物体，再从生物体到环境，不断地进行流动和循环，就构成了生物地球化学循环，简称生物地化循环。

1.地质大循环：时间长、范围广，是闭合式循环2.生物小循环：时间短、范围小，是开放式循环二、物质循环的基本概念（一）生物地球化学循环是物质循环的基本形式

1.地质大循环2.生物小循环（二）物质循环的库与循环类型

1.储存库2.交换库

气体型循环沉积型循环（三）周转率和周转期1.周转率R=Fi/S=F0

/S2.周转期T=1/R三、农业生态系统中的主要物质循环（一）农业生态系统物质循环的一般模式M.J.Frisse,1976年植物库燃烧呼吸收获吸收种子幼苗动物库饲料等土壤库遗留、种子生物固氮吸收流失淋溶挥发呼吸饲料垫土残体排泄物产品呼吸氨化肥料灌溉

模式说明

1.应具体分析各种库的内容和作用

2.物质在库之间的转移沿一定的路径进行，不同生产条件下的路径数量不同，应具体问题具体分析。

3.农业生态系统是一物质输入量和输出量较大的开放系统。

4.不同物质或元素的循环各具特点，在各种库之间完成一次循环所需时间、经历过程不同。

5.各种物质的循环、平衡状况可以定量研究。（二）碳素循环1.地质大循环或生物圈循环（见附图）

(1)陆地植物大气海洋之间的自然交换基本平衡。

海洋与大气之间每年约有1000亿吨的交换量；陆地与大气之间每年约有200—300亿吨的交换量。（2）化石燃料贮存的碳素入不付出。死亡有机物转化成化石燃料的碳素小于10亿吨，人们开采的化石燃料大于50亿吨。（3）大气中的二氧化碳浓度增加。

1860—1960年的100年，大气二氧化碳浓度由290ppm上升到314ppm。1960年以来，以平均每年1ppm的速度增加。碳循环

大气

700陆地植物

450浮游植物

5浮游动物

<5陆地动物死亡有机物3000死亡有机物700煤和石油

10000海洋

100100海洋表层500同化作用402020202525深海345004540水分交换355同化作用呼吸作用净25沉积物20000000<1开采5土壤呼吸25生物圈的碳素循环

10亿吨/年2.农业生态系统的碳素循环植物土壤有机物残体

微生物动物燃烧光合作用其他输入饲料、燃料、肥料呼吸、产品移出系统农业生态系统碳循环模式碳的生物循环

在碳的生物循环中,大气中的二氧化碳被植物吸收后,通过光合作用转变成有机物质,然后通过生物呼吸作用和细菌分解作用又从有机物质转换为二氧化碳而进入大气。碳的生物循环包括了碳在动、植物及环境之间的迁移。自然界自发进行的碳循环，在很长的时期内始终处于一种均衡的状态，使地球的环境基本保持不变。然而人类的行为却在很短的时间内打破了这种平衡。尤其是近二百年来，人类对煤、石油和天然气等含碳能源的大量开采利用，致使更多的二氧化碳被排入大气。本世纪以来，大气测量的众多数据表明，大气中二氧化碳浓度正在呈指数上升。二氧化碳能吸收地表的红外辐射，是一种典型的温室气体。自从100年前瑞典化学家阿伦尼乌斯（SvanteArrhenius）提出大气中二氧化碳丰度的变化会影响地表温度的假说以来，越来越多的科学家致力于大气中二氧化碳与环境关系的研究。时至今日，大量的研究表明，大气中二氧化碳浓度的增长，将继续使全球气候发生变化，从而也给人类社会带来了深远的影响。二氧化碳问题二氧化碳浓度正呈指数上升

虽然许多科学家认为几乎所有工业产生的二氧化碳会被海洋吸收，但实际上海洋对二氧化碳的可能吸收率比人们曾经认为的要低得多。因此，煤、石油和天然气等燃烧释放的大量二氧化碳，很可能将在大气中滞留相当长的时间，这也许会对世界气候产生深远的影响。

斯克里普斯海洋学研究所的CharlesDavidKeeling在夏威夷的莫纳罗亚(MaunaLoa）山顶设置了高精度的气体分析器对二氧化碳进行了连续测量。经过二十年的观测，结果表明二氧化碳浓度有一个年周期，这一周期反映了绿色植物的季节变化。在生长季节由于光合作用，大气中的二氧化碳有减少的趋向；在非生长季节由于植物组织的氧化作用，二氧化碳又返回到空气中。消除季节变化之后，记录到的资料表明，大气中的二氧化碳大致有一个呈指数形式的增加。在刚开始测量时，二氧化碳浓度的上升率约为每年0.7ppm，而到七十年代末期，上升率已达到每年1.4ppm。夏威夷莫纳罗亚大气中二氧化碳浓度的上升情况在图中表现得很明显。季节变化（红色）是由于植物在生长季节的光合作用把二氧化碳从空气中除去，以及在而后的非生长季节通过植物组织的氧化作用又回到大气中。光滑曲线（黑色）表明人工排除了季节效应之后的变化情况。假说

约100年前，瑞典化学家阿伦尼乌斯（SvanteArrhenius）提出了大气中二氧化碳丰度的变化会影响地表温度的假说。据阿伦尼乌斯估计，二氧化碳浓度加倍会使全球增温约9摄氏度。随后，也有一些科学家沿着类似的思路做了论证。但是，大多数科学家对这些意见都不当一回事。理由之一是约在同一时期全球平均温度停止上升；而在其后的二十年里温度甚至略有下降。理由之二是许多科学家认为几乎所有工业产生的二氧化碳会被海洋吸收，因而从大气中消除。理由之三是不同时间不同地点所取空气样品中二氧化碳的测量结果变化很大，以至不可能确定大气中二氧化碳的总量是否正在增加或是正在减少。对全球气候的影响

地球要保持恒定的温度，那么它向外的辐射必须同它吸收太阳的辐射大致平衡。大气中过多的二氧化碳将吸收一部分地表向外的辐射，这部分热量不能脱离大气圈，最终将导致地球表面温度升高。美国科学家Hensen运用数学模式研究了1880～1980年这100年间温度与大气中二氧化碳浓度的关系。在图中，蓝色代表这100年间的气温。而黑色则是模拟的计算结果，其中：仅仅考虑了二氧化碳的影响；考虑了二氧化碳和火山气溶胶的共同影响；考虑了上述两个因素以及假设的太阳发光度有0.2％的改变。从图中可以看出计算的结果能很好的吻合温度的变化，表明这一百年间温度上升与二氧化碳的增多有直接联系。根据Hensen的预测，如果现有大气中二氧化碳的浓度增加一倍，则全球的地表平均温度将增加约2.8摄氏度。对人类社会的影响

科学家们提供的种种研究都说明，二氧化碳正在逐渐地改变着全球气候，无论是对全球气温还是对大气降水，这种效应正愈益明显。因此，很自然地就会影响到人类社会，其后果可能是复杂的，甚至是极其严重的。对世界水资源的影响

波恩大学的Flohn的研究表明：在以北纬40度和南纬10度为中心的两个纬度带，可能出现降水明显减少和温度明显上升的趋势。而在北纬10～20度之间、北纬50度以北地区及南纬30度以南地区的降水将会增多，这些变化对世界水资源的分布可能有明显影响。美国科罗拉多河系的主要流域盆地位于北纬40度左右。目前约有85%的降水被蒸发掉，只有15%的降水流入科罗拉多河。若气温上升摄氏几度，降水减少10%～15%，科罗拉多河的平均流量就要减少50%或更多。即使水库大量贮水来补充流量，也才仅仅满足农业灌溉的需要。地表和地下水供应的重大变化，在世界上其他地区可能也会发生。一些河流的平均流量可能显著增大，从而导致所在地区经常洪水泛滥。而另一些地区的河流，流量会大大减少，又会严重影响农业的灌溉。对雨灌农业的影响

大气中二氧化碳的增加对大范围的雨灌农业影响很复杂，比灌溉农业的影响更难估计。二氧化碳是植物的一种养料，也是光合作用的原料之一。较高的二氧化碳浓度有利于光合作用的进行，使植物生长得更快。许多植物在富二氧化碳的环境里，会部分关闭它们的气孔即叶孔，结果就能减少水分的蒸发。这样，玉米、甘蔗、高粱以及其他一些作物在大气二氧化碳含量增加时，缺水对它们的影响会小一些。也就是说，在高纬度地区，二氧化碳所引起的高温，可以延长作物生长期，这样就有可能扩大雨灌农业区。西南极洲冰源的消退

西南极洲（指零度子午线到180度子午线以西的陆地和冰原部分）是众所关注的焦点，因为大气中二氧化碳含量增加所引起的全球性变暖有可能使全世界的极地冰川融化。广为关注的有关气候变暖的一个可能后果，便是西南极洲冰原的消退问题，因为该冰原的大部分位于海平面以下。海平面以上的冰川面积约200万平方千米。如果这些冰全部进入海洋，海面将升高5～6米，这将使荷兰、孟加拉、美国南部沿海低地的许多沿海城市被海水吞没，还会淹没许多世界上人口密集的河流三角洲地带的大量农田。（三）氮循环1.地质大循环2.农业生态系统氮循环3.调控大气氮素硝酸盐大气固氮亚硝酸盐生物固氮动植物蛋白质动植物废物死有机体反硝化作用氧化亚氮硝酸盐还原氮的地质大循环氨工业固氮生物圈中的N循环

单位106公吨(Delwiche,1970）大气3800000

陆地有机体772活有机体12死有机体760非有机体140地壳14000000海洋水（溶解）20000海洋有机体901活有机体1死有机体900非有机体100沉积物4000000陆地海洋总有机体=1673总非有机体=21820240

农业与非农业环境的生物固氮量估计

(Burns,1974)环境类型农业环境非农业环境陆地海洋全球合计豆科作物稻其他草原山地林地未利用土地冰盖面积（106公顷）25013510153000410049001500149003610051000单位面积固氮量（㎏/公顷）1403051510201总固氮（106T/年）35454.5419.80139.836175.8植物残体动物生物固定燃烧工业固定施肥产品微生物土壤淋溶、流失水蚀、风蚀反硝化饲料添加剂农业生态系统N循环模式（自制）大气固定生物固定农业生态系统中N循环及调控1.输入：三个来源即生物固氮、大气固氮、工业固氮2.输出：有机体燃烧、产品输出、反硝化作用、淋溶流失和挥发3.调控：（1）充分发挥生物固氮的作用（2）发展工业固氮（3）使动、植物残体及排泄物尽量还田（4）控制土壤中N的非生产性消耗中国和世界化肥施用量大量使用化肥，使土壤酸化，土壤的物理性状恶化，特别是氮肥的使用还会导致交换态铝和锰数量的增加，对作物产生毒害作用，影响农产品的产量和品质。化肥也成为水体和大气污染的主要来源。目前化肥过量使用，农作物肥料利用效率降低，残留量加大的问题比较突出。例如我国平均施氮量（纯氮）超过200kg/hm2，而氮肥的利用率为30～40%，损失可达45%。过量使用氮肥引起土壤中硝态氮积累，灌溉或降雨量较大时，造成硝态氮的淋失，导致地下水和饮用水硝酸盐污染；而土壤中氮素反硝化损失和氨挥发损失形成大量的含氮氧化物污染大气。据研究，氮肥使用量与农产品器官硝态氮积累密切相关，氮肥的使用量越高，农产品硝酸盐积累越多，农产品的品质越差。（四）P循环1.地质大循环海洋陆地生物4.0310沉积物27000000生物63074可开采P矿资源10000每年100-200万吨0.61400万吨磷酸盐10万吨磷酸盐地壳8×109G.W.Cox全球磷循环模式（单位1011摩尔）海水400002.农业生态系统中P循环及其调节

在农业生态系统中，P的调节主要是使用P肥，由于工农业生产的发展，世界P肥用量大幅度增长。1955年，全世界消费330万吨，1970年达到810万吨。大量使用P肥，P矿资源面临着枯竭。按含P量8%以上的P矿石计算，全世界约有纯P198亿吨。磷矿石的贮量有限，因此，磷资源的合理利用一直是农业生产中的重要问题。在农业生产中，应注意以下几个方面：（1）开发新的P矿资源。（2）重视多条途径，实现P的再循环，尤其是有机途径。（3）提高肥效，节约P肥，减少流失。（4）注意P肥使用中的环境污染问题。P肥中含有重金属和放射性物质。（五）水循环

1.生物圈中的水循环降水99×103降水324×103蒸发62×

103蒸发361×103径流37

×10337×103大气0.013×106Km3陆地生物中水0.6

×103海洋1350×106地球上总水量分布数量%地表水淡水湖94×1030.009盐湖内海75×1030.008流水0.9×1030.0001地下水土壤水50×1030.005800米地下水3000×1030.31更深地下水3000×1030.31冰川29×1062.15大气9（13）×1030.001海洋980（1350）×10697合计15亿Km3项目占%项目占%极地、冰盖、冰山、冰川77.23江河淡水0.003地表～800米深地下水9.86地球矿物0.001800～4000米地下水12.35动植物和人体0.003土壤水0.17大气0.04淡水湖泊0.35合计100（1）地球上咸水多、淡水少。全球水量15亿Km3，海洋占97%，淡水占3%。（2）淡水中，固态水多，液态水少，能直接利用的少。淡水中，3/4为固态水，分布在两极的冰川。1/4为液态水，其中多为地下水，地下水中只有1%能为植物根系利用。（3）陆地、大气和海洋中的水形成一个循环系统。2.农业生态系统水循环农业生态系统

降水径流水地下水种子、有机肥等蒸发蒸腾地表径流产品输出农业生态系统水分循环模式农业生态系统水分循环特点输入量减少且水质变差。降水和地下水贮量是系统中水分的主要来源，江河湖泊径流水的供给量，不同地区差别较大。降水：基本稳定。但年际间变率大，年内分布不均。由于大气温度升高，二氧化碳浓度增加，降水分布（地区、季节）正发生较大变化，陆地上降水有减少趋势。由于大气污染，酸雨加重。地下水：正过度使用，入不敷出。地下水位下降，开采量大于补给量。地表径流补给地下水量明显减少，渗入土壤的时间、面积均逐渐减少。补给的地下水的水质变差。地表径流水：可利用的地表径流水的量减少，水质变差。输出量增加（1）提高产量，用水量增加。作物每形成1㎏干物质需要蒸发300～800㎏的水。（2）地表径流量增加。三个方面：改变了地表形状，使地表变硬，下渗面积小；增大了河沟某一时期的流量，下渗时间短；森林过度砍伐，固水量减少，径流量增加。（3）其他用水增多。如工业、商业、环境、生活用水等。

水分需求量增加，供给量减少且水质变差。因此，不管我们是否情愿，都将减少用水量，节约用水。中国水资源及其利用水资源总量多，人均资源少：全年降水628㎜，2.8×1012立方米，世界第6位。每耕亩土地1700立方米，相当于世界平均2/3，人均2600立方米，相当于世界人均的1/4，列世界第88位，已被列为世界贫水国之一。人均水资源m3大于100005000～100001000～5000小于1000等级上中低很低时间分布不均：50～70%集中在夏季。地区分布不均：南多北少。地区耕地亿人口亿人均耕地亩人均水量m3耕亩水量m3人均灌溉面积亩粮食单产㎏粮食总产亿㎏南方（中南、华南）6.176.0511500～26001400～23000.8230～2602423北方（华北、|东北）4.872.182.41500～1600270～5300.5～1.0100～200833农业灌溉发展迅速：全国灌溉面积由建国初的2.4亿亩发展到7.2亿亩。不到50%的灌溉面积生产了2/3的粮食。山东省由371万亩（1949年）发展到6700万亩。农业是用水大户：农业用水占全国总用水量的85%，高于美国（48.6%），俄罗斯（59%），意大利（69%），日本（72%）项目总用水量农业用水工业用水城镇生活农村人畜其它数（全国）量（山东）4433330381127529226552.814011.613515%（全国）

（山东）85.983.26.67.891.20.863.23.513.14.5

山东省水资源总量344亿m3，降水量550～950㎜，其中地表水264亿m3，地下水163亿m3（重复计算82.4），人均448m3，亩均326m3，均不足全国的1/5。常年可供水量232亿m3，用水量331亿m3，缺水98亿m3，干旱年份缺175亿m3。3.农业生态系统中水循环的调控（1）保护森林、草地植被，增加对降水的截流量，减少径流。森林可截留夏季雨量的20～30%，草地5～13%，林地径流量比无林地少10%以上。（2）修筑水库、塘坝，增加对降水的蓄积量。（3）防止过量开采地下水，尤其是深层地下水，避免区域性水资源的枯竭。（4）减少有毒物质的排放，防止水域污染。（5）节约用水。农业用水占全部用水量的80%，是用水大户，节水潜力巨大。中国历史上四大著名的水利工程

四川的都江堰，造就了天府之国；新疆的坎儿井，使吐鲁番盆地变成了沙漠的绿洲；陕西的径惠渠，富足秦川八百里；黄河河套灌区，造就了塞外江南。严重干旱小船无法下水世界的水资源危机