1、农业生态系统的物流,李 荣 华资源环境学院 生态学系,生态系统的物质循环,物质循环基本规律 几种主要的物质循环 农业生态系统中的养分循环与平衡 物质循环中的农业环境污染,碳、氢、氧、氮；磷、钙、镁、钾、硫、钠；铜、锌、硼、锰、钼等微量元素。,各种化学元素在生态系统中沿着不同的途径，从环境到生物，然后在不同的生物组份之间发生着固定、吸收、释放、迁移、转化，并最终返回到环境中，这个过程称作物质循环(material cycling)。,物质循环（生物地球化学循环）,各种化学元素包括生命有机体所必需的营养物质，在不同层次、不同大小的生态系统内，乃至生物圈里，沿着特定的途径从环境到生物体，从生物体再到
2、环境，不断地进行着流动和循环，构成了生物地环球化学循环(biogeochemical cycle)。生物地球化学循环依据其循环的范围和周期，可分为地质大循环和生物小循环，它们是密切联系、相辅相成的。,物质循环的基本概念和类型,地质大循环是指物质或元素经生物体的吸收作用，进入生物有机体内，然后生物有机体以死体、残体或排泄物等形式将物质或元素返回环境，重新进入大气圈、水圈、岩石圈、土壤圈和生物圈的过程。地质大循环具有范围大、周期长、影响面广等特点。,大气圈中的CO2，通过生物圈中生物的光合作用和呼吸作用，约300年循环一次；大气圈中O2通过生物代谢，约2000年循环一次；水圈（包括占地球表面积71
3、%的海洋）中的水，通过生物圈的吸收、排泄、蒸发、蒸腾，约200万年循环一次；岩石土壤风化出来的矿物元素，循环一次则需要更长的时间，有的长达几亿年。,地质大循环,生物小循环是指环境中元素经生物体吸收，在生态系统中被相继利用，然后经过生态系统中分解者的作用，回到环境后，再为生产者吸收和利用的循环过程。食物链,生物小循环,范围小时间短速度快物质的输入和输出明显开放式的循环体系,库：物质在运动过程中被暂时固定、储存的场所。,库与流,储存库：容积较大与外界物质交换缓慢；非生物成分（环境库）。交换库：容积较小与外界物质交换活跃；生物成分。,流：物质在库与库之间的转移运动状态。,库与流,物质循环的特征,生物
4、（现存）量：在某一特定观察时刻，单位面积或体积内积存的有机物质总量。周转率：指系统达到稳定状态后，某一个组分(库)中的物质在单位时间内所流出的量或流入的量占库存总量的份额。周转期：周转率的倒数，表示该组分的物质全部更换平均需要的时间。,鼎湖山季风常绿阔叶林（成熟林）：地上部现存量：290 t/hm2，年凋落物量：8 t/hm2,元素的性质：化学特性、利用方式（碳、磷等）生物的生长速率：物质吸收、食物网传递（海洋、湿地、森林等）有机物质腐烂的速率：分解者、适宜环境（热带雨林和寒带针叶林）人类活动的影响（开垦农田、砍伐森林、化石燃烧等）,影响物质循环的因素,生物地球化学循环的类型,水循环（ wat
5、er cycle)：水圈是其主要的贮藏库。水循环属液相循环。水循环是地球上太阳能所推动的各种循环中的一个中心循环。没有水循环，生命就不能维持，生态系统也无法启动和运作。,生物地球化学循环的类型,气态循环（gaseous type)： 大气圈是气体循环必经的主要贮藏库。参加这类循环的元素相对地具有扩散性强、流动性大和容易混合的特点。该类循环主要以气体形式进行扩散和传播，循环的周期相对较短，具有明显的全球循环性质和比较完善的循环系统，参与气体循环的物质主要有C、H、O、N等。,生物地球化学循环的类型,沉积型循环（ sedimentary cycle)：它们的主要贮藏库是岩石圈和土壤圈。尽管整体的循
6、环周期长，但是保留在土壤中参与生物小循环的元素能较快地被植物吸收利用。参与沉积型循环的营养元素主要有P、S、Fe、Mn、K、Na、Ca等。,17,水循环与节水,地球的水量估计,全球水循环,降水、蒸发、径流和下渗全球水量平衡陆地和海洋？,生态系统中的水循环,降雨,截留,穿透雨,蒸腾,渗透,地表蒸发,地表径流,地下径流,农业生态系统的水循环,人类活动对水循环的影响,（1 ）植被破坏削弱了降水到达地面后的入渗过程，减小了土壤的库容，导致了水土流失及江河下游的季节性旱涝？,人类活动对水循环的影响,（2）围湖造田以及排干沼泽、冬水田、湿地；建造大坝。,人类活动对水循环的影响,（3）城镇建设造成硬质化地面
7、剧增，替代了植被和土壤下渗与蓄水的功能，造成暴雨后街道成河等城市内涝频频发生。,人类活动对水循环的影响,（4）过度开采地表和地下贮水库，使江河干涸，地下水位出现“漏斗”，海水入侵等异常现象,人类活动对水循环的影响,（5）工业生产“三废”物质排放、生活污水排放，以及农业面源污染等。,农业节水措施,雨水汇集利用工程,梯田,农业节水措施,滴灌,塑料薄膜防渗水,S,碳循环与低碳农业,地球碳库,陆地生态系统的碳循环,生态系统水平,超多研究，如何让碳留存在系统内？,化石燃料,大气中的CO2,生产者,分解者,消费者,光合作用,呼吸作用,分解作用,呼吸作用,分解作用,摄食作用,形成石油、天然气等,形成石油、天
8、然气等,呼吸作用,燃烧作用,碳循环与低碳农业,Atmospheric CO2 1850: 280 ppm 2005: 379 ppm,Atmospheric CH4: 715 ppb 1850 -1774 ppb in 2005,Atmospheric N2O: 270 ppb 1850 -319 ppb in 2005,近五千年来气候变化的研究,0.76 oC since 1850,气温升高海平面身高积雪减少冰盖融化,气候变化谈判,1988年联合国成立气候变化政府间专家委员会 1992年5月联合国通过气候变化框架公约 1992年6月巴西里约热内卢举行的联合国环发大会（地球首脑会议）上通过该公
9、约， 共155国签署。 1994年3月21日公约正式生效。 1992年3月柏林举行第一屆缔约国大会。 1996年7月瑞士日內瓦举行第二屆缔约国大会。 1997年12月日本京都举行第三屆缔约国大会。2009年12月7日到19日缔约方第15次会议在丹麦首都哥本哈根举行。 2015年11月30日到12月11日 巴黎气候大会,地质历史时期地球气温动态,地球变幻莫测,地质历史时期生物对碳的作用,低碳农业,温室效应对农业的影响,对植物光合作用的影响 （C3和C4）对作物水分有效性的影响 （提高水分利用效率和蒸发散）对土壤肥力的影响 （加快养分循环和增加碳库）对农业病虫草害的影响 （有效积温和扩散）对农业耕
10、作制度的影响 （有效积温）对畜牧业的影响 （影响牧草品质和病虫害等）,稻米品质-垩白率,稻米品质-整精米率,稻米品质-结实率,稻米产量,对农业气象灾害的影响,碳足迹(Carbon Footprint)：与一项活动(Activity)以及一件产品的整个生命周期过程所直接与间接产生的二氧化碳排放量。,碳足迹与低碳经济,中国现在总温室气体排放量已超越美国，成为世界第一，但其排放量中，有高达23%是因其为了制造产品满足发达国家所需而出口所产生的排放量若将其因消费所导致的间接温室气体排放量纳入，则其排放量反而是上涨了18%。,低碳经济（Low carbon economy）是指在可持续发展理念指导下，通
11、过技术创新、制度创新、产业转型、新能源开发等多种手段，尽可能地减少煤炭、石油等高碳能源消耗，减少温室气体排放，达到经济社会发展与生态环境保护双赢的一种经济发展形态。低碳农业（Low carbon agriculture）就是在农业可持续发展理念指导下，在农业生产过程中尽量增加对碳的吸收和存储，减少直接和间接碳排放的一种农业实践方式。,碳足迹与低碳经济,氮流与氮效率,氮循环就是指氮气、无机氮化合物、有机氮化合物在自然界中相互转化的过程。,生物体：氨基酸、蛋白质、核酸 氮库：岩石（94%） 大气（6%）生物可利用的氮的形式：NO3-、NO2-、NH4+ 氮循环的主要过程 固氮作用、氨化作用、硝化作
12、用、反硝化作用,固氮作用：闪电、火山爆发、工业、固氮细菌、藻类等将氮气转化为氮的化合物。氨化作用：由氨化细菌和真菌的作用将有机氮分解成为氨和氨化合物，氨溶水成为NH4+，为植物利用。硝化作用：在通气良好的土壤中，氨化合物被亚硝酸盐细菌和硝酸盐细菌氧化为亚硝酸盐和硝酸盐，供植物吸收利用。反硝化作用：反硝化细菌将亚硝酸盐转变成大气氮，回到大气库中。,氮循环的主要过程,Process,Nitrogen in atmosphere,Denitrification by bacteria,Reservoir,Nitrification by bacteria,Pathway affected by hu
13、mans,Natural pathway,Nitrogen in animals (consumers),Nitrogen oxides from burning fuel and using inorganic fertilizers,Volcanic activity,Electrical storms,Nitrogen in plants (producers),Decomposition,Nitrates from fertilizer runoff and decomposition,Uptake by plants,Nitrate in soil,Nitrogen loss to
14、deep ocean sediments,Nitrogen in ocean sediments,Bacteria,Ammonia in soil,全球氮循环,Nitrogen inAtmosphereReservoir,Nitrogen inAtmosphereReservoir,生态系统氮循环,Electrical stormsproduce nitrate,Ammonia& nitrate,Nitrogen-fixingbacteria inlegume rootsand soil,Ammonia& nitrate,Uptakebyplants,Producers,Consumers,W
15、astes,Dead bodies,Soil bacteria anddetritus feeders,Ammonia& nitrate,Dentitrifyingbacteria,Nitrogen inAtmosphereReservoir,Reservoirs,Processes/Locations,TrophicLevels/Organisms,全球氮循环,农田生态系统氮素平衡示意图,人类对氮循环的影响,氮肥施用量,人类对氮循环的影响,化肥施用量变化,人类对氮循环的影响,我国每公顷施肥量,人类对氮循环的影响,氮利用效率变化,氮污染,蓝藻、绿藻、硅藻和浮游动物等大量繁殖；氧气少、有异味、有
16、毒。,氮污染,农作物品质和农作物抗病性（水稻）分蘖期施用氮肥过多，地上部生长过旺，根系生长缓慢，很多分蘖因无根供养而形成无效分蘖，造成瘪粒。生长期氮素过多，水稻植株生长茂盛但软弱，株形相对增高，造成早期下部荫蔽，下部湿度和温度相对提高，通风不好，给病虫害提供条件，易发病虫害。氮肥过多，水稻体内大量积累硝态氮引起中毒，下部叶片枯死早，根易老化，无效分蘖的茎杆就会倒伏，带来严重减产。肥施过多，大米中蛋白质含量增加，导致品质不好口感差。,影响碳循环,氮循环-碳循环,影响植物与微生物关系,豆科、红萍、蓝藻等的多样性,影响植物与微生物关系,水晶兰类菌根（寄生）、外生菌根、内生菌根、丛枝菌根,牛肝菌属、鹅
17、膏属和口蘑属,内囊霉科,球囊霉属,红菇属,影响植物生长,NO、N2O、NH3 和HNO3形成酸雨，引起植物落叶死亡,影响生物多样性,David Tilman 明尼苏达州,European quackgrass,温室效应问题N2O 在人为对温室效应的贡献中占6 %。在相同数量下，N2O 的全球增温潜能（GWP）是CO2 的320倍，是CH4 的13 倍。臭氧层破坏问题N2O不仅是一种温室气体，而且它还可长期滞留在平流层中，能催化臭氧的分解，破坏臭氧层。降低土壤质量问题长期大量施用化学氮肥，可引起土壤板结，破坏土壤的团粒结构，导致土壤酸化和肥力下降。,其它问题,大力推广包括生物固氮的耕作制度推广应
18、用环境友好的新型氮肥肥料加强农业生态系统中的氮素循环利用,与固氮植物轮作、间作套种；缓/控释肥料；复合种养体系，作物秸秆还田等，实现生态系统中的氮素物质的循环利用,种植填闲作物 冬种绿肥,提高农业氮素利用效率的措施,全球磷循环,磷循环,沉积型循环,沉积物中的磷（约为土壤和海洋中千倍以上）,陆地,海洋,死有机物,土壤中的无机磷,活有机物,死有机物,深海的磷,活有机物,捕鱼,鸟粪,悬浮在水中随河水带走,摄取,排泄死亡,下,沉,分解,沉积,溶解于水,上升风化,开采,摄取,排泄死亡,上涌,农业生态系统磷循环,人类对磷循环的影响,人类对磷矿资源的开采与消耗农业磷肥的施用与流失家庭污水、工业废水,人类对磷
19、循环的影响,化肥施用量变化,人类对磷循环的影响,我国1960-2012年磷循环变化,Xin Liu et al.,PNAS(2016).,水体富营养化,2014年中国重点湖泊（水库）综合营养状态指数,人类对磷循环影响-水土流失,磷污染,蓝藻、绿藻、硅藻和浮游动物等大量繁殖；氧气少、有异味、有毒。,大力推广新型高效磷肥磷素控释肥、有机无机复合肥、土壤磷素活化剂、VA菌根以及其他微生物菌肥、改性磷肥等，来提高作物的磷素利用效率。采用磷肥高效施用的技术与方法因土配方施用；氮磷钾配合使用；与有机肥配合施用；适期施用选育与推广应用磷高效利用的作物品种加强农业生态系统内的磷素循环,提高农业磷素利用效率的措
20、施,全球磷分布,样地概况,鼎湖山南亚热带季风常绿阔叶林大样地（2005年）,样地概况,个体：71336 物种：210,香楠 5996 黄果厚壳桂 4478 鼎湖钓樟 1302黄杞 737藜蒴 264毛稔 97乌榄 9观光木 1,氮磷与多度,磷含量,氮含量,全球钾循环,全球钾循环,钾-生物小循环,土壤钾中98%以上难溶,人类对钾循环影响-钾矿开采,人类对钾循环影响-焚烧,人类对钾循环影响-水土流失,采用钾肥高效施用的技术与方法 因土配方施用；氮磷钾配合使用；与有机肥配合施用；适期施用加强农业生态系统内的钾素循环 秸秆还田、灰渣还田等加强水土保持建设,提高农业钾素利用效率的措施,硫流与酸雨,硫在地
21、壳中含量较高，是第十大元素。硫的重要贮存库是岩石圈，但它也在大气圈中停留和运行。 硫的来源除了沉积岩的风化外，还有化石原料（煤、石油等）的燃烧，火山喷发和有机物的分解。,硫循环,陆地,海洋,沉积物（CaSO4,FeS2）,溶解的SO42-,SO2,H2S,S,CaSO4,FeS2,死有机物,活有机物,SO42-,降水SO2,SO42-,扩散,海浪SO42-,大气,上升，分化,SO2,FeS2,死有机物,活有机物,SO42-,H2S,S,分解,化肥工业SO42-,摄取,扩散,火山活动H2S ,SO2,SO42-,植物摄取SO2,SO42-,降水SO2,SO42-,化石燃烧,SO2,H2S ,SO
22、2,SO42-,土壤硫循环,土壤矿物的风化分解,大气的硫沉降作用,含硫肥料的施用,地下水上升带硫进入,灌水中含硫化合物的输入,作物收获移走,硫的气态挥发,随水土的流失,农业生态系统中的硫素平衡,分布于土壤、淡水、咸水、温泉和硫矿中,硫细菌,人类活动对硫平衡的影响与酸雨危害,燃煤：煤中含S量一般在0.5%-5%之间，我国南方煤含S量在3%-5%之间，属于高硫煤。燃油：天然气、原油中S含量多达1%。全球20世纪80年代燃油、天然气的SO2释放量为1107 t/年数量级。矿冶：如铝矿、锌矿、铜矿等。全球因矿冶的SO2排放估计在7106-1107 t/年，约占全球SO2总排放的10%左右。农业活动导致
23、硫的挥发：微生物分解产生H2S、COS、(CH3)2S、CS2和 CH3SH,人类活动对硫平衡的影响,酸雨危害,硫酸型、硝酸型、混合型,酸雨产生的生态问题,土壤酸化土壤盐基离子的大量淋失 Ca2 、Mg2+、K+、Mn2+、Na+、SO42.、NO3. 和Cl. 等离子土壤中的Al 离子大量释放促进土壤中有毒重金属元素的活化对土壤中酶和微生物的影响,酸雨产生的生态问题,酸雨对农作物产量和品质的影响蔬菜比谷类作物敏感。酸雨对森林生态系统的影响 土壤盐基离子的大量淋失；土壤中的Al 离子大量释放。酸雨对水生生态系统的影响 酸雨导致水体酸化直接影响水体中浮游生物、大型水生植物、 附着藻类的生长发育，
24、改变整个水生生态环境。酸雨对人体健康的影响 刺激皮肤，引起哮喘等多种呼吸道疾病；使土壤中的有害金属被冲刷带入河流.,酸雨危害,酸雨的防治措施,关闭污染严重企业提高能源利用率 脱硫脱氮发展煤炭替代能源植物净化系统,有毒有害物质,各种有毒污染物质一旦进入生态系统，便立即参与物质循环，在循环过程中性质稳定、易被生物体吸收和生物大分子结合的毒物沿着食物链逐级富集、浓缩。 食物链的浓缩作用(food chain concentration)又称生物学放大作用(biological magnification)，是指有毒物质沿食物链各营养级传递时，在生物体内的残留浓度不断升高，愈是处在高营养级的生物，其体
25、内有毒物质的残留浓度愈高的现象。重金属、持久性有机污染物,生物放大作用,难降解高毒性半挥发性长距离迁移性；寂静的春天,持久性有机污染物修复,生物修复技术植物、微生物或原生动物等的吸收、转化、清除或降解POPs。焚烧技术技术和成本要求很高。物理方法吸收法、洗脱法、萃取法、蒸馏法和汽提法等。化学方法光催化氧化法、超临界水氧化法、湿式氧化法、电化学法、微波、放射性射线等高新技术以及声化学氧化法等。,重金属污染,重金属系指密度在4.0以上的约60种元素或密度在5.0以上的45种元素。环境污染方面所说的重金属主要是指生物毒性较强的汞(Hg)、镉(Cd)、铅(Pb)、铬(Cr)、 锌(Zn)、铜(Cu)、
26、钴(Co)、镍(Ni)、锡(Sn) 等污染物。砷、硒虽然是非金属，但它们的毒性以及某些性质与重金属相似，所以将砷、硒列入重金属污染物范围内。,重金属污染,大多数重金属在土壤中相对稳定，但是大量的重金属进入土壤后，会逐渐对土壤的理化性质、土壤生物特性和微生物群落结构产生不良影响，进而影响土壤生态结构和功能的稳定。重金属通过食物链或其它直接间接途径进入人体后，不易排泄，逐渐蓄积，当超过人体的生理耐受阈值，就会引起生理功能改变，导致急慢性疾病或产生远期危害。,汞循环,重金属修复,生物修复技术超富集植物改变重金属元素在土壤中的存在形态钝化或者变成可溶态淋洗出来采取综合的农业生态措施因地制宜,复习题,生态系统中物质的源、汇和周转率；物质循环的主要类型；比较气体型循环与沉积型循环的特点和差异；人类活动对生态系统物质循环的干扰及其后果。,谢谢大家！,
