第五章農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的物質(zhì)循環(huán)

第五章農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的物質(zhì)循環(huán)一、 本章學習目標：重點掌握：農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)養(yǎng)分循環(huán)特點及其平衡途徑；農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)物質(zhì)循環(huán)造成的環(huán)境問題與防治對策一般掌握：農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)養(yǎng)分循環(huán)的一般模式；主要物質(zhì)的生物地化循環(huán)特點；農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)物質(zhì)流分析方法識記：生物地球化學循環(huán)、氣相型循環(huán)與沉積型循環(huán)、地質(zhì)大循環(huán)與生物小循環(huán)、物質(zhì)循環(huán)的庫與流的概念二、 本章主要內(nèi)容生物地球化學循環(huán)：各種化學元素和營養(yǎng)物質(zhì)在不同層次的生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)，乃至整個生物圈里，沿著特定的途徑從環(huán)境到生物體，從生物體再到環(huán)境，不斷地進行流動和循環(huán)，就構(gòu)成了生物地球化學循環(huán)，簡稱生物地化循環(huán)。構(gòu)成生物有機體的元素：（1）能量元素；（2）大量營養(yǎng)元素；（3）微量營養(yǎng)元素生物地球化學循環(huán)的基本類型生物地球化學循環(huán)依據(jù)其循環(huán)的范圍和周期，可分為地質(zhì)大循環(huán)和生物小循環(huán)。（1） 地質(zhì)大循環(huán)：指物質(zhì)或元素經(jīng)生物體的吸收作用，從環(huán)境進入生物有機體內(nèi)，然后生物有機體以死體、殘體或排泄物形式將物質(zhì)或元素返回環(huán)境，進入五大自然圈層的循環(huán)。五大自然圈層是指大氣圈、水圈、巖石圈、土壤圈和生物圈。地質(zhì)大循環(huán)具有范圍大，周期長，影響面廣等特點。地質(zhì)大循環(huán)幾乎沒有物質(zhì)的輸出與輸入，是閉合式的循環(huán)。（2） 生物小循環(huán)：指環(huán)境中元素經(jīng)生物體吸收，在生態(tài)系統(tǒng)中被相繼利用，然后經(jīng)過分解者的作用，回到環(huán)境后，再為生產(chǎn)者吸收、利用的循環(huán)過程。生物小循環(huán)具有范圍小、時間短、速度快等特點，是開放式的循環(huán)。生物地球化學循環(huán)依據(jù)其循環(huán)物質(zhì)的主要貯藏庫分類，可分為氣相型循環(huán)和沉積型循環(huán)。（1） 氣相型循環(huán)：其儲存庫在大氣圈或水圈（海洋）中，即元素或化合物可以轉(zhuǎn)化為氣體形式，通過大氣進行擴散，彌漫了陸地或海洋上空，在很短的時間內(nèi)可以為植物重新利用，循環(huán)比較迅速。（2） 沉積型循環(huán)：許多礦物元素其儲存庫在地殼里，經(jīng)過自然風化和人類的開采冶煉，從陸地巖石中釋放出來，為植物所吸收，參與生命物質(zhì)的形成，并沿食物鏈轉(zhuǎn)移。然后動植物殘體或排泄物經(jīng)微生物的分解作用，將元素返回環(huán)境。除一部分保留在土壤中供植物吸收利用外，一部分以溶液或沉積物狀態(tài)進入江河，匯入海洋，經(jīng)過沉降、淀積和成巖作用變成巖石，當巖石被抬升并遭受風化作用時，該循環(huán)才算完成。庫：物質(zhì)在運動過程中被暫時固定、貯存的場所稱為庫。流：物質(zhì)在庫與庫之間的轉(zhuǎn)移運行稱為流。幾種主要物質(zhì)的生物地化循環(huán)碳循環(huán)碳循環(huán)主要是指植物通過光合作用將CO2轉(zhuǎn)變成有機物(糖類、蛋白質(zhì)及類脂化合物等)，并通過食物鏈在生態(tài)系統(tǒng)中傳遞，被植物和動物所消耗，最終通過呼吸作用、發(fā)酵作用和燃燒又使碳以CO2形式返回大氣中，再加入上述循環(huán)的全部過程。碳的生物小循環(huán)有3個層次或途徑：在光合作用和呼吸作用之間的細胞水平上的循環(huán)；大氣CO2和植物體之間的個體水平上的循環(huán)；大氣CO2-植物-動物-微生物之間的食物鏈水平上的循環(huán)。溫室效應(yīng)：大氣中的二氧化碳(CO2)、甲烷(CH4)、一氧化二氮(N2O)、臭氧(O3)、氯氟碳(CFCs)、水蒸氣(H2O)等可以使短波輻射幾乎無衰減地通過，但卻可以吸收長波輻射。因此，這些氣體有類似溫室的作用，故稱上述氣體為，溫室氣體”，由此產(chǎn)生的效應(yīng)稱為溫室效應(yīng)。若是溫室效應(yīng)氣體濃度不斷增加，則將使地表溫度增加，進而導致氣候的變化，其影響包括：北半球冬季將縮短，并更冷更濕，而夏季則變長且更干更熱，亞熱帶地區(qū)將更干，而熱帶地區(qū)則更濕。由于氣溫增高，水汽蒸發(fā)加速，全球雨量每年將減少，各地區(qū)降水形態(tài)將會改變。改變植物、農(nóng)作物之分布及生長力，并加快生長速度，造成土壤貧瘠，作物生長終將受限制，且間接破壞生態(tài)環(huán)境，改變生態(tài)平衡。海洋變暖，海平面將于2100年上升15?95cm，導致低洼地區(qū)海水倒灌，全世界三分之一居住在海岸邊^(qū)的人口將遭受威脅。改變地區(qū)資源分布，導致糧食、水源等的供應(yīng)不平衡，引發(fā)國際之間的經(jīng)濟、社會問題。人體抗病能力降低。生態(tài)系統(tǒng)受損，動物大遷移，生物多樣性降低。氮循環(huán)在農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)中，氮素通過不同途徑進入土壤亞系統(tǒng)，在土壤中經(jīng)各種轉(zhuǎn)化和移動過程后，又不同程度地離開土壤亞系統(tǒng)，形成子'土壤-生物-大氣-水體”緊密聯(lián)系的氮素循環(huán)。農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)中氮素來源主要有三條途徑：（1） 生物固氮：即通過豆科作物和其他固氮生物固定空氣中的氮。生物固氮主要有共生固氮作用、自生固氮作用和聯(lián)合固氮作用3種類型。（2） 化學固氮：即通過化工廠將空氣中的氮合成氨，然后進一步加工，制成各種氮肥。（3） 氮沉降：近幾十年來，由于化肥使用增加和化石燃料燃燒造成氮沉降量迅速增加。農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)氮素損失主要有三個方面：（1） 揮發(fā)損失（NH3+-N），即由于有機質(zhì)的燃燒分解或其他原因?qū)е掳钡膿]發(fā)損失；（2） 氮的淋失（NO3--N），主要是硝態(tài)氮由于雨水或灌溉水淋洗而損失；（3） 在水田中或土壤通氣不良時，硝態(tài)氮受反硝化作用而變成游離氮，導致氮素損失。據(jù)近幾年來的試驗研究資料，我國幾種主要氮肥的利用率一般為25%-55%。人類活動對氮循環(huán)的干擾主要表現(xiàn)在：含氮有機物的燃燒產(chǎn)生的大量氮氧化物（NOx）污染大氣。同時，過度耕墾也使土壤氮素肥力（有機氮）下降，土壤整體肥力持續(xù)下降；發(fā)展工業(yè)固氮，忽視或抑制生物固氮，造成氮素局部富集和氮素循環(huán)失調(diào)；城市化和集約化農(nóng)牧業(yè)使人畜廢棄物的自然再循環(huán)受阻。其中，人類的農(nóng)業(yè)活動對氮循環(huán)的影響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與虧損。農(nóng)田氮素控制的途徑有以下幾個方面：改進氮肥施用技術(shù)（包括分次施肥、氮肥深施、施用緩效氮肥），平衡施肥與測土施肥。不同的氮肥類型和施肥水平對氮肥的流失有一定影響，農(nóng)田中過度施氮肥往往導致高的N2O排放；硝化抑制劑，如脒基硫脲、雙氤胺等的應(yīng)用；合理灌溉，做好水土保持工作，防止水土流失和土壤侵蝕，這是控制農(nóng)業(yè)非點源氮素污染的重要環(huán)節(jié)。（三）磷循環(huán)人類對磷循環(huán)的影響，主要表現(xiàn)在以下幾個方面：磷礦資源的開采與消耗磷肥的施用與流失富營養(yǎng)化與赤潮問題（1）水體富營養(yǎng)化：其發(fā)生過程是，隨著水中營養(yǎng)物質(zhì)（N、P等）含量的增加，導致水生植物（主要是藻類）的急劇、過量生長，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，從而形成厭氧條件，嚴重影響魚類的生存，乃至魚類的大量死亡。隨著富營養(yǎng)化的發(fā)展，藻類的種類逐漸減少，尤以硅藻和綠藻為主，轉(zhuǎn)而為以藍藻為優(yōu)勢種，這種藻類的分解產(chǎn)物往往具有毒性，并給水體帶來不良氣味。（2）赤潮：又名紅潮，是由海水中某些浮游植物、原生動物或細菌在一定環(huán)境條件下，短時間內(nèi)突發(fā)性增殖或富集而引起的一種水體變色的生態(tài)異?，F(xiàn)象。（四）水循環(huán)由海洋、河流、湖泊、沼澤、積雪、冰川、地下水、空氣水等構(gòu)成了地球水圈。全球水資源特征地球上水數(shù)量大、分布廣，但淡水資源占的比例小，可利用的部分約為總量的0.5%左右。滋育陸地生命的地表水，僅占全球總貯量的萬分之一、二。水資源是與人類關(guān)系最密切、開發(fā)利用得最多的自然資源，生產(chǎn)、生活都離不開水。目前年生產(chǎn)消耗用水3萬億噸，遠遠超過其他自然資源的用量，包括礦石、森林在內(nèi)。水是可再生資源，通過循環(huán)補給，海水、污水均可經(jīng)過處理再生，還可以造林攔蓄、人工降雨。世界水資源分布極為不均：淡水絕大部分是冰川、冰帽，80%在南極、10%在格陵蘭，水量相當于全球河流年徑流量的900倍，停留時間長，約9500?幾百萬年，永久凍土層及永凍地下水一般不參加水循環(huán)，余下的10%的淡水還集中分布在幾大淡水湖中，如貝加爾湖。淡水資源在各洲大陸各國分配也很不均，一些國家具有豐富水資源，而一些國家是無永久性河流的荒漠、半荒漠地區(qū)，年徑流量只有40毫米。我國水資源利用特征水源的總供應(yīng)不能滿足總需要。過量開采地表水及地下水，形成地上斷流、地下漏斗、水位下降、下游水源減少、海水入侵、河流干枯、地面下沉。破壞植被導致區(qū)域水平衡失調(diào)。用水效率低，工農(nóng)業(yè)用水矛盾大。水資源受污染日益嚴重。農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)中養(yǎng)分循環(huán)的一般模式是由土壤一植物一動物，再回到土壤的養(yǎng)分循環(huán)的一般模式。該模式包括三個主要養(yǎng)分庫，即植物庫（P）、家畜庫（L）和土壤有效養(yǎng)分庫（A）。動植物生長所需要的養(yǎng)分是經(jīng)由土壤一植物-動物-土壤的渠道而流動的。在大多數(shù)情況下，許多循環(huán)是多環(huán)的，某一個組分中的元素在循環(huán)中可通過不同途徑進入另一個組分。農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)中養(yǎng)分循環(huán)的特點養(yǎng)分輸入率與輸出率較高庫存量較低，但流量大，周轉(zhuǎn)快保持能力弱，容易流失養(yǎng)分供求不同步保持農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)養(yǎng)分循環(huán)平衡的途徑種植制度中合理安排歸還率較高的作物及其類型建立合理的輪作制度農(nóng)、林、牧結(jié)合，發(fā)展沼氣，解決生活能源問題，促使秸稈還田農(nóng)產(chǎn)品就地加工，提高物質(zhì)的歸還率物質(zhì)循環(huán)中的環(huán)境問題化肥對環(huán)境的影響化肥對土壤的污染化肥對土壤污染主要是磷肥。磷肥的原料磷礦石含有毒物質(zhì)如砷、鎘、鉻、氟、鈀等，主要是鎘和氟。此外，長期大量地使用氮肥特別是大量施用銨肥，會使土壤逐漸酸化。大量施用氮肥，給土壤引入了大量非主要營養(yǎng)成分或有毒物質(zhì)，它們對土壤微生物的正?；顒佑幸种苹蚨竞ψ饔??；蕦λw的污染施肥與水體富營養(yǎng)化富營養(yǎng)化是指營養(yǎng)物質(zhì)的富集過程及其所引起的后果，它是一種自然過程，主要指氮、磷的富積。水體富營養(yǎng)化導致水生植物、某些藻類急驟過量增長以及死亡以后腐爛分解，耗去水中溶解的氧，而硅藻、綠藻等可進行光合作用，可產(chǎn)生氧的藻類大量減少，相應(yīng)供氧減少，使水中脫氧，引起魚、貝等動物大量窒息死亡，動植物死亡還使水體著色，并發(fā)出惡臭。引起富營養(yǎng)化起關(guān)鍵作用的元素是氮和磷。施肥與地下水污染施肥中的營養(yǎng)物質(zhì)隨水往下淋溶，通過土層進入地下水，造成地下水污染。施肥與大氣污染與大氣污染有關(guān)的營養(yǎng)元素是氮。氮對大氣污染是一種自然現(xiàn)象，但因人類的施肥活動而得到大大加強。施肥對大氣的污染主要有NH3的揮發(fā)，反硝化過程中生成的NOX、沼氣，有機肥的惡臭等。施肥影響人類健康施氮過多的蔬菜中硝酸鹽含量是正常情況的20?40倍。人或牲畜食用硝酸鹽含量高的植物后，硝酸鹽在體內(nèi)轉(zhuǎn)化反應(yīng)，會產(chǎn)生亞硝酸胺，同時亞硝酸鹽容易與血紅素中的鐵離子結(jié)合，導致高鐵血紅素白血癥，使人們出現(xiàn)行為反應(yīng)障礙、工作能力下降、頭暈?zāi)垦?、意識喪失等癥狀，嚴重的還危及生命。飲用水、食物中硝酸鹽超過一定含量，人食用后會受到很大毒害。硝酸鹽、亞硝酸鹽對人體健康具有致癌、致畸、致突變的嚴重危害性。農(nóng)藥對環(huán)境的污染農(nóng)藥對大氣的污染農(nóng)藥通過各種途徑進入大氣，后在大氣中發(fā)生物理、化學變化。使大氣中有害物質(zhì)發(fā)生各種轉(zhuǎn)化，轉(zhuǎn)化的結(jié)果有利有弊，利的方面可使污染物濃度降低(通過降解和消除)，弊的方面向其它介質(zhì)中轉(zhuǎn)化，污染新的介質(zhì)(土壤、水)或轉(zhuǎn)化為更有害的物質(zhì)。在防治作物、森林及衛(wèi)生害蟲、病菌、雜草和鼠類等有害生物而噴灑農(nóng)藥時，有相當一部分農(nóng)藥會直接飄浮在大氣中，尤其以飛機噴灑或使用煙霧劑時進入大氣的量最多。附著于作物體表的，或落入土壤表層的農(nóng)藥也有一部分被浮塵吸附，并逐漸向大氣擴散，或者從土表蒸發(fā)進入大氣中。由農(nóng)藥廠排放出的廢氣，也是大氣中的農(nóng)藥污染源。曾在美國大平原使用的農(nóng)藥可經(jīng)過大氣環(huán)流途經(jīng)到達南極洲(含農(nóng)藥粉塵隨東北信風到達赤道地區(qū)，又隨赤道氣流上升并向南移動，隨副熱帶氣流下沉并隨中緯西風帶向南移動，最后在南極上空隨氣流下沉而沉降)。農(nóng)藥對水體的污染農(nóng)藥進入水中后，農(nóng)藥在水中的溶解度不高，但可吸附于水中的微粒上，隨地表徑流，進入水體。農(nóng)藥對水體的影響，在一般情況下表現(xiàn)不明顯，而是通過農(nóng)藥的存在直接對水生生物的影響。農(nóng)藥在水體中極易進行水解，水解速度隨水溫的升高而加快，經(jīng)水解常生成低毒物質(zhì)。大多數(shù)磷酸酯類農(nóng)藥水解迅速，有機氯農(nóng)藥則較慢。多數(shù)農(nóng)藥在水溶液中還能發(fā)生光化學分解。農(nóng)藥在動植物體內(nèi)積累較多時，就會影響動物體各種代謝而造成中毒死亡。例如在密西西比河流域平原使用了的農(nóng)藥隨流水進入墨西哥灣，又伴隨洋流運動到達南極附近被海洋中水生生物吸收，最后在企鵝體內(nèi)毒素累積。農(nóng)藥對土壤的污染農(nóng)藥進入土壤后，與土壤中的固體、氣體液體物質(zhì)發(fā)生一系列變化：物理、化學和生物化學反應(yīng)，通過這些過程，土壤中的農(nóng)藥有以下三種歸宿：①土壤的吸附作用使藥殘留于土壤中；②農(nóng)藥在土壤中進行氣遷移和水遷移，并被作物吸收；③農(nóng)藥在土壤中發(fā)生化學、光化學和生物降解作用，殘留量逐漸減少。首先農(nóng)藥通過土壤對它的吸附作用而蓄積在土壤中，農(nóng)藥被土壤吸附后，其移動性和生理毒性也將隨之發(fā)生變化。從某種意義上來說，土壤對農(nóng)藥的吸附作用就是土壤對有毒物質(zhì)的凈化和解毒作用。但這種凈化作用是不穩(wěn)定的，也是有限度的。當吸附的農(nóng)藥被土壤溶液中的其它物質(zhì)重新置換出來時，即又恢復其原來的毒性。隨后，進入到土壤中的農(nóng)藥可以通過水遷移，氣體擴散等方式在環(huán)境各要素之間運行。農(nóng)藥在土壤水分和土壤空氣中擴散的強弱，依其溶解度和蒸汽壓間而不同。農(nóng)藥的遷移一方面使污染源的濃度降低，對降低污染起一定的積極作用，另一方面向外界遷移,周圍界質(zhì)中污染物濃度增加，又造成一定的污染。這樣的作用在遷移過程中相輔相成。只有通過最后農(nóng)藥在土壤中的化學轉(zhuǎn)化與降解作用，消散農(nóng)藥的作用，才使土壤的污染有減輕的程度。同樣在一