農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)物質(zhì)循環(huán)目錄01物質(zhì)循環(huán)的基本概念02重要的物質(zhì)循環(huán)類型及其特征CONTENTS03農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)養(yǎng)分調(diào)節(jié)與測(cè)土配方施肥01物質(zhì)循環(huán)基本概念物質(zhì)循環(huán)和能量流動(dòng)一樣，是生態(tài)系統(tǒng)的基本功能之一。物質(zhì)既是生命活動(dòng)的物質(zhì)基礎(chǔ)，又是能量和信息的載體，起著雙重作用。能量和物質(zhì)是同時(shí)沿著食物鏈流動(dòng)和傳遞的。但能量流動(dòng)是單方向，是一個(gè)不斷耗散的過(guò)程；而物質(zhì)流動(dòng)則是循環(huán)不滅的。物流和能流相輔相成，密不可分，共同組成了生態(tài)系統(tǒng)完整的功能單位。思考：生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)能流與物流的關(guān)系如何？一、生命活動(dòng)中的營(yíng)養(yǎng)元素

1.能量元素95.99%：C、O、H、N2.大量營(yíng)養(yǎng)元素0.1-1%:Ca、Mg、P、S、K、Na3.微量元素<0.1%:Al、B、Br、F、I、Mn、Mo、Si、Zn等物質(zhì)循環(huán)(materialcycle/cycling)：物質(zhì)在生態(tài)系統(tǒng)中遷移、轉(zhuǎn)化，并與環(huán)境交換的循環(huán)往復(fù)過(guò)程。養(yǎng)分循環(huán)(nutrientcycling)：即生命元素的循環(huán)。生物地球化學(xué)循環(huán)(biogeochemicalcycle)：一般指大尺度生態(tài)系統(tǒng)的物質(zhì)循環(huán)。

1.庫(kù)：物質(zhì)在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中被暫時(shí)固定、貯存的場(chǎng)所。（1）貯存庫(kù)(storingsink)

：容積較大，交換慢，一般為環(huán)境庫(kù)。如土壤庫(kù)、大氣庫(kù)、水體庫(kù)等（2）交換庫(kù)(exchangesink)

：容積小，交換快，一般為生物庫(kù)。如植物庫(kù)、動(dòng)物庫(kù)等。源：產(chǎn)生和釋放物質(zhì)的庫(kù)。如化石燃燒為CO2的源。匯：吸收和固定物質(zhì)的庫(kù)。如海洋或森林為CO2的匯。2.流：物質(zhì)在庫(kù)與庫(kù)之間的轉(zhuǎn)移運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。

生態(tài)系統(tǒng)中的能流、物流、信息流使生態(tài)系統(tǒng)中各組分聯(lián)系起來(lái)。動(dòng)物庫(kù)土壤庫(kù)植物庫(kù)二、物質(zhì)循環(huán)的庫(kù)與流3.庫(kù)與流相互關(guān)系（1）沒(méi)有庫(kù)，環(huán)境資源不能被吸收、固定、轉(zhuǎn)化為各種產(chǎn)物。（2）沒(méi)有流，庫(kù)與庫(kù)之間不能聯(lián)系與溝通，則物質(zhì)循環(huán)阻塞，生物無(wú)以維持，生態(tài)系統(tǒng)也將瓦解。（3）庫(kù)的吸收、固定和貯存的能力，不僅決定于生物種群的特性，也決定于物質(zhì)循環(huán)效率。（4）農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)中，生物種群所具有的捕獲、吸收和轉(zhuǎn)化能量與物質(zhì)的性能和效率，決定了流的數(shù)量和速度，也決定了能量和物質(zhì)在生物種群之間的分配的定量關(guān)系。（5）一個(gè)高效的生態(tài)系統(tǒng)，必須是庫(kù)容量大，流動(dòng)暢通。

1.根據(jù)物質(zhì)循環(huán)的范圍、路線和周期不同，可分為：（1）地質(zhì)大循環(huán)：物質(zhì)或元素經(jīng)生物體吸收作用，從環(huán)境進(jìn)入有機(jī)體內(nèi)，然后生物以殘?bào)w、排泄物等形式返回環(huán)境，進(jìn)入五大自然圈的循環(huán)。特點(diǎn)：在五大自然圈循環(huán)，時(shí)間長(zhǎng)，范圍廣，閉合式。CO2300年，O22000年，水200萬(wàn)年，礦物質(zhì)幾億年。

（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)分解者分解成無(wú)機(jī)態(tài)進(jìn)入環(huán)境，再次為生產(chǎn)者吸收利用。

特點(diǎn)：在一個(gè)系統(tǒng)內(nèi)進(jìn)行，范圍小、時(shí)間短、速度快，是開(kāi)放式的循環(huán)。如10天就可循環(huán)1次。

三、物質(zhì)循環(huán)的類型

2.根據(jù)物質(zhì)貯存庫(kù)可分為：

（1）水循環(huán)貯存庫(kù)：水圈，屬液相型循環(huán)，中心循環(huán)！

（2）氣相型循環(huán)：由于有巨大的大氣儲(chǔ)存庫(kù)，對(duì)于干擾可相當(dāng)快地進(jìn)行自我調(diào)節(jié)。從全球意義上看，這類循環(huán)是比較完全的循環(huán)。

貯存庫(kù)：大氣圈或水圈，以氣體方式參與循環(huán)，循環(huán)迅速、完全

代表物質(zhì)：C、O、N（3）沉積型循環(huán)貯存庫(kù)：巖石圈和土壤圈，循環(huán)緩慢、周期長(zhǎng)，不完全。代表物質(zhì)：S、P、Ca、Na、Mg、Fe、Cu、Si過(guò)程：巖石、土壤-風(fēng)化-植物利用、沉積-回到環(huán)境-風(fēng)化、重新利用。02重要的物質(zhì)循環(huán)過(guò)程及特征水循環(huán)一、水循環(huán)過(guò)程

（一）水循環(huán)的生態(tài)學(xué)意義(1)水是營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的介質(zhì)。物質(zhì)循環(huán)和水循環(huán)不可分割地聯(lián)系在一起，地球上水的運(yùn)動(dòng)把陸地生態(tài)系統(tǒng)和水域生態(tài)系統(tǒng)連接起來(lái)，從而使局部生態(tài)系統(tǒng)與整個(gè)生物圈發(fā)生聯(lián)系，同時(shí)大量的水防止了地球上溫度的劇變。(2)水是物質(zhì)的溶劑。水在生態(tài)系統(tǒng)中起著能量傳遞和利用的作用，絕大多數(shù)物質(zhì)都溶于水，隨水遷移。(3)水是地質(zhì)變化的動(dòng)因之一。其他物質(zhì)的循環(huán)常是結(jié)合水循環(huán)進(jìn)行的，一個(gè)地方礦質(zhì)元素的流失，而另一個(gè)地方礦質(zhì)元素的沉積，往往要通過(guò)水循環(huán)來(lái)完成。

水循環(huán)是生物地球化學(xué)循環(huán)中最重要的循環(huán)。水循環(huán)（二）水循環(huán)的驅(qū)動(dòng)力

生態(tài)系統(tǒng)中的水循環(huán)包括截取、滲透、蒸發(fā)、蒸騰和地表徑流。水循環(huán)的驅(qū)動(dòng)力包括以下三個(gè)方面。

(1)太陽(yáng)能驅(qū)動(dòng)了全球水循環(huán)。在上升環(huán)(uploop)和下降環(huán)(downloop)的共同作用下，川流不息形成了水的全球循環(huán)。大氣水分凝結(jié)的云和以雨、雪為主要形式的大氣降水是全球水循環(huán)的主要輸入部分。

(2)植物在水循環(huán)中的作用是極其巨大的。水分蒸發(fā)對(duì)于植物的生長(zhǎng)、發(fā)育至關(guān)重要。陸地植被每年蒸騰大約55×1012m3的水，幾乎相當(dāng)于陸地蒸發(fā)蒸騰的總量。(3)海洋和陸地在太陽(yáng)光照射下，不斷蒸發(fā)水分。低緯度地區(qū)蒸發(fā)多于高緯度地區(qū)。大氣濕度隨著空氣的流動(dòng)而變動(dòng)。氣流實(shí)際上成為地球上空巨大的“河流”，其中有一部分是以雨的形式降落。

水循環(huán)（三）水循環(huán)的過(guò)程水循環(huán)主要由四大過(guò)程組成：蒸發(fā)、水汽運(yùn)輸、降水和徑流。大循環(huán)：水從海上蒸發(fā)，輸入內(nèi)陸上空，遇冷凝結(jié)以雨雪的形式降落地面，江水在地表形成徑流，匯入江河，注入大海。小循環(huán)：海上和內(nèi)陸水循環(huán)是水的小循環(huán)。生態(tài)系統(tǒng)中的水循環(huán)降雨截留穿透雨蒸騰滲透地表蒸發(fā)地表徑流地下徑流水循環(huán)二、人類活動(dòng)對(duì)水循環(huán)的影響

1.植被破壞：水土流失、河流洪澇或干枯2.興建大型水利工程：改變流域的水平衡，造成流域不同部位鹽堿化、沼澤化和干旱化正效應(yīng)：防洪、發(fā)電、航運(yùn)、灌溉負(fù)效應(yīng)：改變流域水平衡，局部地下水位升降，上游水庫(kù)淤積；水庫(kù)下游河床下降；改變生物的棲息環(huán)境等。3.過(guò)度開(kāi)采地下水：造成水位下降、河流干枯、海水入侵等觀察農(nóng)田水分平衡式，說(shuō)一說(shuō)農(nóng)田水分的輸入項(xiàng)和輸出項(xiàng)有哪些？并談一談如何農(nóng)田節(jié)水？三、農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的水分平衡

輸入項(xiàng)：降水、灌溉

、地下水上升輸出項(xiàng)：蒸發(fā)蒸騰、滲漏

、側(cè)漏

、排水以及農(nóng)田持水。 水循環(huán)

農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的水分管理

（一）植樹(shù)造林，發(fā)揮“綠色水庫(kù)”作用，擴(kuò)大土壤的水分庫(kù)容。（二）加強(qiáng)農(nóng)田水利基本建設(shè)，提高水分利用率（三）改變耕作制度與管理方式，發(fā)展節(jié)水農(nóng)業(yè)（四）防治水體污染（五）加強(qiáng)全流域的水資源保護(hù)與統(tǒng)一調(diào)度節(jié)水農(nóng)業(yè)研發(fā)方向：生物節(jié)水技術(shù)非傳統(tǒng)水源利用技術(shù)旱作節(jié)水技術(shù)與新材料區(qū)域節(jié)水發(fā)展模式水循環(huán)農(nóng)業(yè)節(jié)水的方法管理節(jié)水（節(jié)水規(guī)劃、水工程管理收費(fèi)）工程節(jié)水（水利工程：如防滲區(qū)道、管道輸水等）設(shè)施節(jié)水（灌溉設(shè)施：如噴灌、滴灌、滲灌等）化學(xué)節(jié)水（保水劑、抗蒸發(fā)劑、蒸騰抑制劑等）農(nóng)藝節(jié)水（綜合農(nóng)藝技術(shù)——生物+措施）雨水匯集利用（魚鱗坑、水柜、旱水窖、梯田）目的：減少輸水損失、降低無(wú)效消耗、提高水分生產(chǎn)效率碳循環(huán)一、碳的作用：糖、脂肪、蛋白質(zhì)、核酸都是構(gòu)成生物體的基本物質(zhì)，在它們的分子中都含有碳元素。碳元素大約占生物體干重的49％，是有機(jī)化合物的“骨架”，沒(méi)有碳就沒(méi)有生命。二、碳的貯存庫(kù)：全球碳儲(chǔ)存量2.6×1016t，CO2

和碳酸鹽（石灰?guī)r、珊瑚礁）。

1.巖石圈（化石燃料和沉積巖）2.水圈（溶解CO2

和碳酸鈣）3.大氣圈（CO2

）2.2×1012t4.生物圈（有機(jī)分子）4.5×1011t5.土壤(有機(jī)質(zhì)）碳循環(huán)

三、循環(huán)基本過(guò)程：C循環(huán)是從光合作用固定空氣中CO2開(kāi)始，有三條路徑。

1.陸地生物與大氣之間的C循環(huán)（1）特點(diǎn)：①生物過(guò)程；②屬于氣相循環(huán)

(2)過(guò)程：CO2通過(guò)綠色植物光合作用進(jìn)入生態(tài)系統(tǒng)，和水形成碳水化合物，在系統(tǒng)中流動(dòng)，一部分生物遺體沒(méi)有被分解者分解，轉(zhuǎn)變?yōu)槭秃兔?，這部分“C”暫時(shí)脫離循環(huán)，一經(jīng)開(kāi)采運(yùn)到地面燃燒，仍可產(chǎn)生CO2再返回碳循環(huán)。

2.海洋生物與大氣間的交換①自然過(guò)程，生物不能控制。②海洋溶解的CO2是大氣庫(kù)中CO2的50倍，海洋對(duì)大氣中的[CO2]具有緩沖機(jī)制。3.化石燃料參與C循環(huán)（沉積循環(huán)）①C素經(jīng)化石、石灰?guī)r或油頁(yè)巖等固態(tài)過(guò)程，有相當(dāng)長(zhǎng)一段時(shí)間離開(kāi)了氣相循環(huán)，離開(kāi)了生物圈，進(jìn)入地質(zhì)大循環(huán)。②這是自然界最大一個(gè)庫(kù)。四、農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)中的碳素流動(dòng)

碳素通過(guò)作物的光合作用從大氣流向作物；碳素自作物流向土壤；碳素沿食物鏈向家禽家畜和人體流動(dòng)，然后由人畜糞便及其遺體等重新進(jìn)入環(huán)境；土壤向大氣排放CO2

；土壤向大氣排放CH4

；人為施入土壤中碳主要包括有機(jī)肥和化肥（尿素）；作物收獲移出農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的碳量。討論：人類的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)對(duì)碳循環(huán)的影響？CH4排放量500×106t：水稻種植、生物燃燒、牲畜數(shù)量的迅速增長(zhǎng)；農(nóng)業(yè)碳源：自然生態(tài)系統(tǒng)——人類管理生態(tài)系統(tǒng)

砍伐森林變農(nóng)業(yè)用地農(nóng)業(yè)碳匯：退化土地治理、秸稈還田、改良土壤低碳農(nóng)業(yè)：減少工業(yè)輔助能投入、優(yōu)化農(nóng)業(yè)結(jié)構(gòu)、食物結(jié)構(gòu)、儲(chǔ)存與運(yùn)輸。。。

五、Greenhouseeffects溫室氣體主要包括：二氧化碳(CO2)、甲烷(CH4)、氟氯碳化物、(CFCs)、氧化亞氮(N2O)、六氟化碳(CF6)、全氟碳化物(PFCs)、氫氟碳化物(HFCs)等。溫室效應(yīng)：由于二氧化碳對(duì)來(lái)自太陽(yáng)的短波輻射有高度的通透性，而對(duì)地球反射出來(lái)的長(zhǎng)波輻射有高度的吸收性，導(dǎo)致大氣層低處的對(duì)流層變暖，而高出的平流層變冷，這一現(xiàn)象類似于栽培農(nóng)作物的溫室，故名溫室效應(yīng)。溫室效應(yīng)原因工業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)打破了生物圈中碳循環(huán)的平衡，使大氣中的CO2含量迅速增加。后果氣溫升高，加快極地、冰川融化，海平面上升，威脅人類和生物的生存。措施

減少煤、石油等化石燃料的燃燒，提高能效。開(kāi)發(fā)新的潔凈能源，如核能、太陽(yáng)能、風(fēng)能、水能等。大面積植樹(shù)造林，降低空氣中CO2含量。

科學(xué)家預(yù)測(cè)：如果地球表面溫度的升高按現(xiàn)在的速度繼續(xù)發(fā)展，到2050年全球溫度將上升2-4攝氏度，南北極地冰川將大幅度融化，導(dǎo)致海平面大大上升，一些島嶼國(guó)家和沿海城市將淹于水中，其中包括紐約、上海、東京和悉尼幾個(gè)國(guó)際大城市。實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰、碳中和是一場(chǎng)廣泛而深刻的經(jīng)濟(jì)社會(huì)系統(tǒng)性變革，要把碳達(dá)峰、碳中和納入生態(tài)文明建設(shè)整體布局，拿出抓鐵有痕的勁頭，如期實(shí)現(xiàn)２０３０年前碳達(dá)峰、２０６０年前碳中和的目標(biāo)。碳達(dá)峰.碳中和2020年9月22日第七十五屆聯(lián)合國(guó)大會(huì)二氧化碳排放力爭(zhēng)于2030年前達(dá)到峰值努力爭(zhēng)取2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和討論：溫室效應(yīng)可能對(duì)農(nóng)業(yè)有哪些影響？提高植物生產(chǎn)力（C3植物）作物體內(nèi)C/N比升高，蛋白質(zhì)含量降低，品質(zhì)降低（大豆氨基酸降低2.3%，冬小麥粗蛋白下降12.8%）影響作物水分有效性（氣孔開(kāi)放度小，蒸騰作用減弱，耗水降低；氣溫升高則加快蒸發(fā)速度）土壤肥力：高溫加快土壤有機(jī)質(zhì)的消耗和礦化過(guò)程，肥力下降；豆科作物的固氮能力加強(qiáng)病蟲害：《自然-氣候變化》EliotBarford（2013），農(nóng)作物害蟲2.7km/年速度向兩極邁進(jìn)，真菌、甲蟲、椿、螨蟲、蝴蝶、蛾類向高緯度地區(qū)明顯遷移，病毒、線蟲動(dòng)物向低緯度遷移。氣象災(zāi)害：干旱、炎熱、洪澇、風(fēng)暴、冰雹、霜凍等災(zāi)害氣候明顯加劇增多。海平面上升，農(nóng)業(yè)分布區(qū)萎縮，土質(zhì)劣化。氮循環(huán)（Nitrogencycle)

一、自然界中的氮儲(chǔ)量

N是生物體中不可缺少的元素（氨基酸、葉綠素）。1、巖石圈93.8%,參與循環(huán)很少2、大氣圈6.2%,為N循環(huán)的主要貯存庫(kù)，以N2的單質(zhì)形式存在。在大氣中占79％，總貯量約3.9

1014億噸，但不可被植物直接利用，必須通過(guò)固N(yùn)作用。陸地海洋大氣植物生物量1.1×10-4～1.4×104植物生物量3×102N23.9×109動(dòng)物生物量2×102動(dòng)物生物量1.7×102N2O1.3×103枯枝落葉層1．9×103～3．3×103死亡有機(jī)質(zhì)

NH30.9土壤

可溶性5.3×105NH4+1.8有機(jī)質(zhì)3×105顆粒0.3×104～2.4×104NO21～4不溶性無(wú)機(jī)氮1.6×104N2（溶解的）2.2×107NO3-0.5可溶性無(wú)機(jī)氮

N2O2×102有機(jī)氮1微生物5×102NO3-5.7×105

巖石1.9×1011NO25×102

沉積物4×108NH4+7×103

煤1.2×105

氮循環(huán)（Nitrogencycle)

二、氮素的輸入和輸出1.輸入：生物固氮、工業(yè)固氮、高能固氮三種。生物固氮：共生固氮、自生固氮、聯(lián)合固氮。高能固氮：閃電、宇宙射線、損石、火山爆發(fā)。工業(yè)固氮：400攝氏度，200大氣壓；FritzHaber（德國(guó)）2.輸出：燃燒、揮發(fā)、反硝化、滲漏。三、人類活動(dòng)對(duì)氮循環(huán)的影響

1.火力電廠含氮化合物的大量燃燒、硝酸鹽類工業(yè)生產(chǎn)產(chǎn)生NOx污染大氣，局部濃度高，危害大！2.過(guò)度耕種（氮肥投入）使土壤氮素肥力下降！項(xiàng)目收支量（×104tN）占總收支的比例（%）1952198719521987輸入項(xiàng)

化肥5.91396.40.960.5有機(jī)肥214.0441.031.519.1生物固氮329.9341.748.414.8降水和灌溉水130.5130.519.25.6小計(jì)680.32309.6100.0100.0支出項(xiàng)

作物收獲416.51229.873.458.4化肥氮的損失3.0698.20.533.2有機(jī)肥氮的損失27.956.24.92.7淋洗和徑流120.0120.021.25.7小計(jì)567.42104.2100.0100.0收支盈虧＋112.9+205.4

中國(guó)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的氮素平衡賬四、人類活動(dòng)對(duì)氮循環(huán)的影響

3.水體富營(yíng)養(yǎng)化問(wèn)題：水體中總磷＞20mg/m3，無(wú)機(jī)N＞400mg/m3時(shí)，水處于富營(yíng)養(yǎng)化狀態(tài)(eutrophicwater)4.農(nóng)作物品質(zhì)與硝酸鹽超標(biāo)問(wèn)題（藍(lán)嬰病）5.溫室效應(yīng)問(wèn)題6.大氣氮沉降與酸雨問(wèn)題7.臭氧層破壞問(wèn)題：N2O增加1倍-O3減少10%-紫外線強(qiáng)度20%8.降低土壤質(zhì)量問(wèn)題：土壤板結(jié)、酸化、肥力下降磷循環(huán)（Phosphorouscycle)

一、特點(diǎn)：磷主要存在于巖石、土壤圈，是地殼典型的沉積循環(huán)，以不活躍的地殼作為主要貯存庫(kù)，是一種不完全的循環(huán)。二、循環(huán)途徑：一是沿食物鏈傳遞，并以糞便、殘?bào)w歸還土壤；另一是以枯枝落葉、秸稈歸還土壤。各種含磷有機(jī)化合物經(jīng)土壤微生物的分解，轉(zhuǎn)變?yōu)榭扇苄缘牧姿猁}，可再次供給植物吸收利用，這是磷的生物小循環(huán)。在這一循環(huán)過(guò)程中，一部分磷脫離生物小循環(huán)進(jìn)入地質(zhì)大循環(huán)，其支路也有兩條：一是動(dòng)植物遺體在陸地表面的磷礦化；另一是磷受水的沖蝕進(jìn)入江河，流入海洋。

三、農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)磷的循環(huán)

1、磷的輸入：施肥、作物殘?bào)w、大氣沉降、灌溉。2、磷的輸出：作物收獲、土壤侵蝕、淋失、滲漏。 四、人