1、第四章 农业生态系统的功能,淮安生物工程高等职业学校,第四章 农业生态系统的功能 第一节 农业生态系统的能量流动,一、能量流动的基本规律 (一)能量 1、能量：在物理学上指的是物质具有作功的能力。 一般把能分为两种存在形式：潜能和动能。 潜能是静态能量，它是存在于物体内部的化学能量，具有作功的潜在能力。 动能则与物体本身的质量、运动速度和相对位置有关，动能是物理学上所主要讨论的能量形式。 2、形态：日光能、化学能、动能、热能 3、单位：度量卡或千卡、 焦耳,(二) 能量来源 1.太阳能：占 99% 以上 2.辅助能：生态系统中除太阳能以外的一切其它能量输入称为辅助能。 (1)自然辅助能：如 地
2、热能、潮汐能、核能等占 1% (2)人工辅助能：人畜力、燃料、电力、肥料、农药等 生物辅助能：来自生物有机体或生物有机物的能量。 工业辅助能包括直接辅助能和间接辅助能,潮汐畜力风能煤矿,畜力,畜力,潮汐,风能,煤矿,(三) 能量流动的基定律 1、热力学第一定律-能量守恒：进入农业生态系统的太阳能和辅助能，不会自行消灭，而是以严格的当量比例，由一种形式转换成另一种形式。 即 E=Q+W。E表示系统内能的变化，Q表示系统吸热或放热，W表示自身做功或系统对外做功。 2、热力学第二定律-能量递减：进入农业生态系统的能量在不同营养级之间转换时，上一营养级的能量只能部分地被下一营养级生物有效利用。,(四)
3、能量流动的特征 1 .能流是单向流动 2 .能流是能量不断递减的过程 3. 能量流动的途径和渠道是食物链和食物网,四、农业生态系统的生物生产（重点）,（一）生产力的概念、物质生产力的概念 单位时间内、单位面积上生产的有机物质的多少称为生态系统的生产力。是任何生态系统基本的数量特征，其大小标志着能量转化效率和物质循环效率的高低，是生态系统功能的具体体现。 衡量生产力高低的两个指标：一是总物质生产量 指包括呼吸和消耗在内的同化总量；二是净物质生产量 指除去呼吸消耗后，以生物有机体组织或贮藏物质的形式体现出的生产量，如植物干物质生产量、产量，动物产品数量等。,2、初级生产和次级生产 (1)初级生产：
4、是指自养生物把太阳辐射能转化为化学能，把无机物质转化为有机物质的生产。 又称第一性（次）生产。 初级生产者：包括绿色植物和化能合成细菌等。 (2)次级生产：指动物、微生物直接或间接利用初级生产的产品进行的物质生产。 是生态系统的第二性生产。 次级生产者:大农业中的畜牧水产业和虫、菌业生产都属次级生产。,光能自养型（硫化细菌）,（二）初级生产力与光能利用率低的原因（掌握） 1、漏光损失影响光能利用率 2、光饱和限制造成光能浪费 3、呼吸消耗造成光合产物的耗损 4、光能利用率受环境条件及生理状况的限制 （三）提高农业初级生产力的途径（重点掌握） 1、因地制宜，增加绿色植被覆盖，充分利用太阳辐射能，
5、增加系统的生物量通量或能通量，增强系统的稳定性。,2、适当增加投入，保护和改善生态环境，消除或减缓限制因子的制约。 3、改善植物品质特点，选育高光效的抗逆性强的优良品种。 4、加强生态系统内部物质循环，减少养份水分制约。 5、改进耕作制度,提高复种指数,合理密植,实行间套种,提高栽培管理技术。 6、调控作物群体结构，尽早形成并尽量维持最佳的群体结构。,（四）次级生产在农业生态系统中的地位和作用 1.转化农副产品，提高利用价值 2.生产动物蛋白质，改善食物构成。 3.促进物质循环，增强生态系统功能。 4.提高经济价值。 （五）初级生产与次级生产的关系 1.次级生产依赖初级生产。 2.合理的次级生
6、产促进初级生产。 3.过度放牧破坏初级生产，使草原退化。,（六）提高次级生产力的途径（重点掌握） 1.改善次级生产者的构成，使初级产品得到多次转化 发展食草动物 充分利用水面等非耕地，开发非耕地生产能力 充分利用腐生食物链进行物质生产 有效利用分解能 2.协调饲养量和饲料量的关系，提高转化效率 3.选择和生产优质饲料 4.科学的饲养技术 5.控制家畜的非生产性消耗,第二节 农业生态系统的物质循环 物质循环：指生态系统的一切物质在生物与环境不同组分之间的频繁转移和循环流动。包括有机物、无机物、化学元素和水（作为介质） 生物地球化学循环：各种化学元素和营养物质，在不同层次、不同大小的生态系统内，乃
7、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 。 而那些生命必需元素和无机化合的移动，则称之为养分循环。 养分循环一词被更多地称做矿质养分循环或矿质循环，而不用于碳、氧、水等这样一些生命必需的、非矿质的元素成分或化合物的循环。,一、生态系统物流的一般特点 （一）生命活动中的营养元素 1. 基本元素： 1% ： C 、 O 、 H 、 N 、 K 2. 大量元素：0.1-1%Ca 、Mg 、P 、S 、Cl 、Fe 、Cu 3. 微量元素： 0.1% : Al 、 B 、 Br 、 F 、 I 、 Mn 、 Mo
8、 、 Si 、 Zn 等 （二） 物质循环的库与流 1. 库：物质在运动过程中被暂时固定、贮存的场所。 （ 1 ）贮存库 (storing sink) ：容积较大，交换慢，一般为 环境库。如土壤库、大气库、水体库等 （ 2 ）交换库 (exchange sink) ：容积小，交换快，一般为 生物库。如植物库、动物库等。 2. 流：物质在库与库之间的转移运动状态。 能流、物流、信息流使生态系统中各组分联系起来。,（三） 物质循环的特征 （一般了解） 物质循环在生态系统中是时刻进行的，并与能 量流动紧密结合在一起，它们把各个组分有机 地结合在一起，共同构成及其复杂的能量流动与物质循环网络系统，从而
9、维持了生态系统的存在。 物质循环是双向流动，而能量流动则是单向 的，是不可逆的。,（四）物质循环的类型 . 基本形式： 生物地球化学循环化学元素在生物圈内从环境 - 生物 - 生物 - 环境的流动和 循环。包括： （）地质大循环：在五大自然圈（大气圈、水圈、岩石圈、土壤圈、生物圈）进行循环。 特点：时间长，范 围广，闭合式。 （）生物小循环：在生态系统水平上。 特点：时间短、范围 小、开放式。(如下图) . 物质循环的类型：根据贮存库可分为： （）水循环： 贮存库：水圈，属液相型循环,生物小循环是指环境中的物质或元素经初级生产者吸收作用，继而被各级消费者转化和分解者还原，并返回到环境中；其中大
10、部分很快又被初级生产者再次吸收利用，如此不断进行的过程。,生物小循环的特点是：历时短，范围小，而且呈开放式循环 地质大循环的特点是：历时长，范围大，而且呈封闭式循环,生物小循环,（）气相型循环： 贮存库：大气圈或水圈，以气体的方式参与循环，循环迅速、完全。 代表物质： C 、 O 、 N 、 F （ 3 ）沉积型循环： 贮存库：岩石圈和土壤圈，循环缓慢、周期长，不完全 代表物质： S 、 P 、 Ca 、 Na 、 Mg 、 Fe 、 Cu 、 Si 过程：岩石、土壤风化 植物利用、沉积 回到环境 风 化、重新利用,. 农业生态系统物质循环：,二、几种重要的物质的循环 （一）水循环： 1、水循
11、环过程：从全球范围看，水循环主要由四大过程组成：蒸发、水汽输送、降水、径流。 对一个地区而言，降水进入陆地生态学系统后将发生以下一系列过程： 植被截流：这使部分降水随后蒸发汽化，部分养分随淋洗液进入土壤； 蒸发蒸腾：水分进入再循环； 入渗：即降水渗入地下； 渗流：入渗的水渗流到土壤深层直至地下水中 滞留：即多余的水停蓄于地表洼陷处； 坡面流：即水分沿地面向低处流动； 壤中流：水分在土层内顺坡向流动并引起地下水运动 径流：将水最终导入河流入海。,2、农田生态系统的水分平衡： 输入项：降水() 、灌溉() 、地下水上升() 输出项：蒸发蒸腾 (ET ）、渗漏 (P) 、侧漏 (S) 、排水 (D)
12、 以及农田持水 (O) 。,3、水分流、养分流与能流的关系 （1）水循环由日光能驱动：太阳能使冰雪融化，液态水变为气态水进入大气。太阳辐射所引起的大气环流导致水汽的移动及水汽受冷凝结致雨，从而在海洋、大气、陆地、地表水和地下水之间形成循环流动。 （2）生命必需的元素除碳、氧、氮外，多种营养元素是通过水进入生态系统的。 其中数量最大的离子形态养分是 Ca2+ ，Na+，K+ ，NO3- ，PO43-，SO42- 和CO32- 。 （3）植物吸收养分必须在水分作为介质，在能量的驱动下才能完成。,4、人类活动对水循环的影响 (1) 植被破坏：水土流失、河流洪涝或干枯,(2)兴建大型的截留、蓄水、引水
13、、灌溉工程 (3)过度开采地表和地下贮水库 (4)围湖造田：地表水蓄水、调洪能力降低，易造 成地区性干旱 （如湿地的减少）,5、我国水资源开发利用方面存在的问题 （1）现有水利设施不能适应农业和现代化建设的需要。 （2）现有水利工程及田间渠系配套等遗留问题比较多。 （3）水体污染日趋严重。 （4） 地下水的超采严重（如在北方旱区、一些大中城市中），形成地下水位下降和地下水漏斗以及地面下沉现象。,6、农业生态系统的水分管理 （1）植树造林，发挥“绿色水库”作用，扩大土壤的水分库容。 （2）加强农田水利基本建设，提高水分利用率 （3） 改变耕作制度与管理方式，发展节水农业 （4）防治水体污染 （5
14、）加强全流域的水资源保护与统一调度,(二)碳循环:全球循环也是典型的气相循环 1、碳的贮存库 (1) 大气圈（ CO2 ） (2) 生物圈（有机分子） (3) 土壤 ( 有机质） (4) 岩石圈（化石燃料和沉积岩） (5) 水圈（溶解 CO2 和碳酸钙） 2、碳循环过程 (1) 细胞水平上：光合作用和呼吸作用 (2) 个体水平上：大气 CO2 和植物之间 (3) 生态系统水平上：大气 CO2- 植物 - 动物 - 微生物 (4) 地质大循环：如下图,3、农业生态系统中的碳素流动 农业生态系统中碳素流动包括以下几个过程： （1）碳素通过作物的光合作用从大气流向作物。 （2）碳素自作物流向土壤。
15、（3）碳素沿食物链向家禽家畜和人体流动，再由人畜粪便及其遗体等重新进入环境。 （4）土壤向大气排放CO2 。 （5）土壤向大气排放CH4 。 （6）人为施入土壤中的碳量，主要包括有机肥和化肥（尿素）中的碳量。 （7）作物收获移出农业生态系统的碳量。,4、人类活动对碳循环的干扰及全球变化对农业生产的可能影响 （1）全球变化是指由于人类活动排放温室气体而产生温室效应导致全球气候变暖、降水量增加、海平面上升，并由此而产生一系列生态和环境变化的总称。 （2）人类活动对大气中二氧化碳浓度的影响 （3）人类活动对大气中甲烷浓度的影响 （4）温室效应：大气中的二氧化碳、甲烷、一氧化二氮、臭氧、氯氟碳（ CF
16、Cs）、水蒸气等可以使短波辐射几乎无衰减地通过，但却可以吸收长波辐射，因此，这些气体有类似温室的作用，故称上述气体为“温室气体”，由此产生的效应称为温室效应。,（三）氮循环:是一种极其复杂的气相循环 1、氮的贮存库 (1) 岩石圈 ：93.8% 参与循环很少 (2) 大气圈 ：6.2%为 N 循环的主要贮存库 2、氮素的输入和输出 (1) 输入：生物固氮，工业固氮，高能固氮：闪电、宇宙射线、损石、火山爆发 生物固氮：主要有共生固氮作用、自生固氮作用和联合固氮作用三种类型，其中，共生固氮作用贡献最大。 (2) 输出：燃烧，挥发反硝化 ，渗漏,3、氮循环 氮的循环与碳的循环大体相似，但很多环节上都
17、有特定的微生物参加,4、人类活动对氮循环的影响 (1) 含氮有机物燃烧产生 NOx 污染大气温室气体 (2)过度耕种使土壤氮素肥力下降 (3) 工业固氮抑制生物固氮，造成氮素局部富积和氮循环 失调（水体富营养化） (4) 不合理施肥造成氮素流失污染地下水、蔬菜硝酸盐中毒 5、农田氮素控制的途径 (1) 改进氮肥施用技术：分次施肥、氮肥深施等 (2) 平衡施肥和测土施肥 (3) 采用硝化抑制剂 (4) 合理灌溉 (5) 做好水土保持工作,（四）磷循环：是一种典型的沉积循环 1、磷的贮存库及循环过程 (1) 岩石土壤圈主要是地壳 (2) 磷循环过程生物小循环和地质大循环 2、农业生态系统磷的循环
18、(1) 磷的输入：施肥、残体、大气沉降、灌溉 (2) 磷的输出：作物收获、土壤侵蚀及淋失、渗漏 3、人类活动对磷循环的影响 (1) 磷矿开采与消耗 (2) 磷肥的施用与流失 (3) 生活废水、工业污水排放导致富营养化、赤潮（红潮）,（五）钾循环 1、土壤生态系统中的平衡 输入：动植物残体施肥 输出：作物收获流失渗漏 2、农业生态系统的钾素利用和管理 (1) 作物秸秆回田、施用草木灰 (2) 施用有机肥和种养绿肥不成土壤钾素 (3) 合理耕作促使难溶钾有效化 (4) 合理施用钾肥,（六） 硫循环：通常看做是一种沉积循环 硫大量贮存于岩石圈、水圈及土壤中，但有少量以气态及气溶胶形态存在于大气圈，并
19、与陆地及水体交换频繁。 1、农业生态系统中硫的平衡 (1) 输入：土壤矿物风化大气硫沉降施用含硫肥料灌溉 (2) 输出：作物收获流失气态挥发 2、人类活动对硫平衡的影响 (1) SO2 气体排放：燃煤油气、矿治、农业活动 (2) 酸雨及其危害 pH 5.6 对植物、土壤、水体、湖泊、建筑物等产生 负面影响,三、农业生态系统的养分循环,（一）养分循环特点（掌握） 1.有较高的养分输入率和输出率 2.系统内部养分的库存量较低，但流量大，周转快 3.养分保持能力弱，流失率较高 4. 养分供求同步机制较弱,(二)养分循环的一般模式 1.农业生态系统的养分循环主要在土壤、植物、畜禽和人这四个养分库之间进
20、行，同时，每个库都与外系统保持多条输入与输出流。 2.土壤是农业生态系统的养分的主要贮存库，土壤接纳、保持、供给和转化养分的能力，对整个系统的功能和持续性至关重要。 3.农业生态系统及其各养分库的输入与输出，养分库存量及其随时间的变化，各养分库及相应的输入输出对整个系统养分再循环和收支平衡的贡献，都通过定量化的养分循环模型而表现出来。,（三）农田生态系统养分平衡 1.农田养分的输入包括：化肥、有机肥、降水和灌溉水的输入。 对于氮素很重要的是生物固氮和雷电固氮。 2.农田养分的输出包括：收获物的输出及其淋失、流失、反硝化、蒸散和氨的挥发。 养分的淋失量包括渗漏至根系活动层以下的数量和侧向渗漏至系
21、统水平界之外的数量。,(四)土壤有机质与农田养分循环 1. 有机质的作用（掌握） （ 1 ）是各种养分的载体 （ 2 ）为土壤微生物提供生活物质 （ 3 ）具有吸附阳离子的能力 （ 4 ）保蓄水分、提供抗旱、抑制线虫等 2 农田土壤有机质的积累与分解 （ 1 ）积累： 根茬、落叶、秸秆还田、畜肥、生物遗 体、排泄物等 （ 2 ）分解： 土壤微生物要求土壤有机质保持一定的碳 氮比 20-25 ： 1,(五)农田养分循环的调节 1. 调节的原则 （ 1 ）多样化的养分输入 （ 2 ）建立养分循环再生机制 （ 3 ）提高土壤肥力和保持养分，减少养分流失 （ 4 ）系统的整体优化 2. 调节的途径（掌
22、握） （ 1 ）建立合理的轮作制度：用养结合 （ 2 ）农林牧相结合，发展沼气，促使秸秆回田 （ 3 ）措施优化：有机无机结合、 N 、 P 、 K 比例协调、 少免耕、覆盖等 （ 4 ）废弃物回收利用,四、污染物对农业生态系统的影响及其利用 与生物地球化学循环有关的全球型的生态环境问题有：温室效应，臭氧层破坏，酸雨，污染，土地退化。 1、有毒污染物在食物链上的浓缩 食物链的浓缩作用 ( 生物学放大作用）：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，愈是上面的营养级，生 物体内有毒物质的残留浓度愈高的现象。,2 、主要污染物的危害及其防治 (1) 重金属污染： Hg 、 C
23、d 、 Pb 、 As 、 Cu 、 Zn 、 Fe 、 Mn 等密度 4.5g/cm2 (2) 农药污染: 采取措施： 加强农药立法管理 开发高效、低毒、安全的无公害农药和生物 农药 加强综合管理 是改进用药技术,(3) 畜禽粪便污染易造成富营养化、含有病原微生物等 处理措施： 作肥料，作饲料，作培养料， 作燃料。 (4)固体废弃物污染如垃圾、污泥等 处理措施： 填埋，焚烧， 资源化处理（如作肥料）作燃料 (5)其他：氟污染兽药和饲料添加剂污染污水,、污染物的回收利用 (1)垃圾焚烧发电 (2)畜禽粪便发酵后还田 (3)部分重金属回收利用等 第三节 农业生态系统的信息传递 第四节 农业生态系统的价值转换 （课后自习）,
