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第四章 农业生态系统的物流

第四章 农业生态系统的物流. 1 ．物流也和能流一样，是 生态系统的基本功能 之一。 2 ．有机体和生态系统为了生存与发展，除了不断输入能量外，还须不断输入物质， 因此物质既是生命活动的物质基础，又是能量和信息的载体，起着双重作用 。 3 ．能量和物质是同时沿着食物链流动和传递的。但能量流动是单方向的，是一个不断耗散的过程；而 物质流动则是循环的 。

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第四章 农业生态系统的物流

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  1. 第四章 农业生态系统的物流 1．物流也和能流一样，是生态系统的基本功能之一。 2．有机体和生态系统为了生存与发展，除了不断输入能量外，还须不断输入物质，因此物质既是生命活动的物质基础，又是能量和信息的载体，起着双重作用。 3．能量和物质是同时沿着食物链流动和传递的。但能量流动是单方向的，是一个不断耗散的过程；而物质流动则是循环的。 生态系统中的生产者通过根系从土壤中吸收矿物质和水分，由叶片吸收CO2，以太阳能为动力合成有机物质，然后沿着食物链移动。在每次物质转移中都有物质丢失，但丢失的部分都将回到环境，被植物重新吸收.利用。因此物质是可以循环的，并且是周而复始地被利用。 主目录 主菜单 退出

  2. 第四章 农业生态系统的物流

  3. 第四章 农业生态系统的物流 §4－1 基本概念和原理 §4－2 几种重要物质的循环 §4－3 物质循环的环境问题 §4－4 农业生态系统养分循环与平衡 主目录 主菜单 退出

  4. §4－1 基本概念和原理 一、生物地球化学循环（Biogechemical cycles） 二、物质循环的库（pool)、流（Flow） 三、周转率与周转期 四、循环效率 主目录 主菜单 退出

  5. §4-1-1 生物地球化学循环 一、生物地球化学循环（Biogeochemical cycles） （一）概念： 各种化学元素，包括原生质中必不可少的营养物质，在生态系统乃至生物圈里，沿着特定的途径从周围环境到生物体，再从生物体到环境，不断地进行流动和循环，这些不同的循环途径就构成了生物地球化学循环。 Cycling of Matter (biogeochemical cycles): the continual flow of matter between the nonliving environment & living organisms

  6. Ⅱ Nutrient Cycles • nutrient: any atom, ion, or molecule an organism needs to live, grow, or reproduce. • macronutrients needed in relatively large amountse.g., C, O, H, N, P, S, K, Ca, Mg, Fe • micronutrients needed in relatively small amountse.g., Na, Zn, Cu, Cl, • nutrient cycles (= biogeochemical cycles) involve continual flow of nutrients from nonliving (air, water, soil, rock) to living organisms (biota) & back again. • nutrient cycles driven directly or indirectly by solar radiation & gravity. • Major cycles: hydrologic (water), carbon, oxygen, nitrogen, phosphorus and sulfur.

  7. unavailable available General model of biogeochemical cycling organic inorganic

  8. §4-1-1 生物地球化学循环 （二）类型： 1．根据物质循环的范围、路线和周期不同，可分为：地质大循环和生物小循环。

  9. §4-1-1 生物地球化学循环 （1）地质大循环：物质和元素经生物体的吸收作用，从环境进入有机体内，然后生物以死体、残体、排泄物等形式返回环境，进入五大自然圈的循环。 • 大气圈 • 水 圈 • 五大自然圈 土壤圈 • 岩石圈 • 生物圈 返回 主目录 主菜单 退出

  10. §4-1-1 生物地球化学循环 特点：时间长、范围广，影响面广，具有全球性质，是闭合性循环。 ①大气中的CO2通过生物圈的光合和呼吸作用约400年循环一次。 ②O2通过生物代谢，约2000年循环一次。 ③水圈（包括占地球表面71%的海洋）中的水，通过生物圈的吸收、排泄、蒸腾，每200万年才循环一次。 ④至于由岩石土壤圈风化出的矿物元素循环一次则需要更长的时间，甚至要经过几亿年。 返回 主目录 主菜单 退出

  11. §4-1-1 生物地球化学循环 （2）生物小循环： 是指环境中元素经生物体吸收，在生命系统中被相继利用，然后经分解者分解成无机态进入环境，再次为生产者吸收利用。 特点：在一个系统内进行，范围小、时间短、速度快，是开放式的循环。 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。

  12. §4-1-1 生物地球化学循环 2．根据循环主要是与大气圈，还是与岩石土壤或水圈联系划分（根据物质在五大自然库的库存量的主次、大小和固定的时间长短） （1）气体型（Gaseous types）: 其贮存库在大气中。元素或化合物可以转化为气体形式，通过大气进行扩散，弥漫于陆地或海洋上，在很短时间内又可被植物重新利用。如C、N、O等由于有巨大的大气储存库。对于干扰可相当快地进行自我调节。因此，从全球意义上看，这类循环是比较完全的循环。 返回 主目录 主菜单 退出

  13. §4-1-1 生物地球化学循环 （2）沉积型（Sedimentary types） 其贮存库在地壳里。经风化作用从陆岩石缓慢释放的某些化合物或元素被植物吸收，参与生命物质的形成并沿食物链运转，然后动植物有机体经微生物的分解作用又将元素返回环境，除一部分保持在土壤中供植物吸收利用外，一部分以溶液或沉积物状态随流水进入海洋，经沉降，淀积和成岩作用变成岩石，当岩石被抬升并遭受风化作用时，该循环才算完成。这类循环是是缓慢的，倾向于不完全的循环，并且容易被局部干扰所破坏。如P、S、Ca、I、K、Na等循环。

  14. The types of biogeochemical cycle生物地球化学循环的类型 • 气体型循环Gaseous cycles • 贮存库是大气和海洋 • 有气体形式的分子参与循环过程 • 循环速度快，例如CO2、N2、O2等 • 沉积型循环Sedimentary cycles • 贮存库是岩石、土壤和沉积物 • 没有气体形式的分子参与循环过程 • 循环速度慢，时间以千年计算，例如P、Ca、Mg等 • 水循环Water cycle • 水的全球循环过程 • 生态系统中所有的物质循环都离不开水循环的推动

  15. §4-1-1 生物地球化学循环 二、物质循环的库(Pool)、流（Flow） 1．流(flow) 生态系统中的能量和物质不是静止不动的，而是不断地流动着。 能量和物质通过食物链形成的转移运动状态，称为流。 生态系统中主要的流有物质流、能量流和信息流。 农业生态系统要获得高的生产力，就要使系统内的能量和物质的流量大，流速快且畅通无阻。

  16. §4-1-2 物质循环的库与流 2．库（pool） 生态系统中能量和物质在运动过程中被暂时固定、贮存的场所，称为库。 生态系统的各组分都是物质循环的库。 农业生态系统中主要有植物库（农作物、蔬菜、果树、林木、牧草等），动物库（畜、禽，虫等）土壤库、大气库和水体库。 库存（S）---库在某一时刻所贮存的某一化学元素的数量。 物质循环的库在生物地球化学循环可分为两大类： 贮存库：（Reservoir pool）容积大，活动缓慢；一般为环境库。 交换库：（Exchange pool）容积小，与外界进行物质交换比较活跃；一般为生物成分。

  17. §4-1-2 物质循环的库与流 4．库与流的作用及相互关系 （1）没有库，环境资源不能被吸收，固定，转化为各种产物。 （2）没有流，库与库之间不能联系与沟通，则物质循环阻塞，生物无以维持，生态系统也将瓦解。 （3）库的吸收，固定和贮存的能力，不仅决定于生物种群的特性，也决定于循环。 （4）农业生态系统中，生物种群所具有的捕获、吸收和转化能量与物质的性能和效率，决定了流的数量和速度，也决定了能量和物质在生物种群之间的分配的定量关系。 （5）一个高效的生态系统，必须是库容量大，流动畅通。 返回 主目录 主菜单 退出

  18. 物质循环的基本概念Pools and Flux rates • Pool库： • 贮存一定数量元素的某种生态系统组分称为该元素的库 • 生态系统中各组分都是物质循环的库 • 植物库、动物库、土壤库、水体库等 • 流通率：单位时间、单位面积/体积的物质转移量 Flux rates: The flux of nutrient per unit area or per unit volume per unit time • 周转率：流通率/库中营养物质总量 Turnover rates = Flux rates/Total nutrient • 周转时间：库中营养物质总量/流通率 Turnover times = Total nutrient/Flux rates

  19. 流通量、周转率与周转时间是相对于库而言的 生产者库 流通率：20单位/天 周转率：20/100=20% 周转时间：100/20=5天 消费者库 流通率：4单位/天 周转率：4/50=8% 周转时间：50/4=12.5天 物质在库间的流通

  20. §4－2 几种重要物质的循环 一、碳循环 二、氮循环 三、磷循环 四、水循环 五、硫循环 主目录 主菜单 退出

  21. 一、碳循环

  22. 1. Carbon cycle balanced

  23. Carbon cycle

  24. Carbon cycle • Photosynthesis and respiration: 1017g C/year • Photosynthesis reversed by respiration • Anaerobic conditions and bacteria convert some organic carbon into methane: cattle and rice paddies • CO2 dissolves in oceans, lakes and streams links terrestrial and aquatic ecosystems • Oceans contain about 50 times as much CO2 as the atmosphere • Carbonate forms a buffer in aquatic systems • Carbonate compounds, after CO2 dissolves in water it forms carbonic acid, precipitate and form sediments • Sedimentation removes about 1% of the annual cycling of carbon

  25. （一）碳的贮存库（stored sink) 1. 大气圈（CO2） Carbon dioxide in atmosphere 2. 生物圈（有机分子） Organic molecule in organism 3. 土壤(有机质） Organic matter in soil 4. 岩石圈（化石燃料和沉积岩） Fossil fuels and sedimentary rock in lithosphere 5. 水圈（溶解CO2和碳酸钙） dissolved Carbon dioxide and calcium carbonate

  26. 表1 地球上碳库存的估算

  27. 碳循环过程 （二）The Procedure of Carbon Cycle C Cycle是从光合作用固定空气中的CO2开始的。 1．大气库与生物组分之间的循环 （1）特点：①这是一生物过程 ②属于气相循环 主目录 主菜单 退出

  28. 碳循环过程 (2) 碳循环过程 CO2通过绿色植物的光合作用进入生态系统，CO2和水形成CH2O，然后在系统中流动，其流动途径：①沿食物链传递：这种过程是最理想的，C一直在生态系统的生物组分中。②生物的呼吸作用，使CO2返回到大气。 返回 主目录 主菜单 退出

  29. 碳循环过程 • 2．大气与海洋间的交换 • （1）特点：①这是一自然过程，生物不能控制。②海洋溶解的CO2是大气库中CO2的50倍，因而海洋对大气中的[CO2]具有缓冲机制。 • （2）过程： • 3．沉积循环： • （1）特点：①这是一自然过程——这种途径C素经化石、石灰岩或油页岩等固态过程，有相当长一段时间离开了气相循环，离开了生物圈，进入了地质大循环。②这是自然界最大一个库。 • （2）过程 返回 主目录 主菜单 退出

  30. 碳循环过程 4．人类活动的干预 在空气中，[CO2]≈0.04％，但自第二次工业革命（1850年）后，人类大量砍伐森林、开采化石燃料，从而将几百万年前被光合作用固定的C通过燃烧又释放到大气中。据统计每年燃烧矿石释放到大气中的CO2约50－60亿吨，虽然大部分被海洋吸收而缓冲，但仍有1／4保留在大气中，使大气[CO2]逐年上升。过去一百年，280mol.mol-1→355 mol.mol-1。 虽然[CO2]的升高有利于光合作用的增强，但由于CO2对红外线有强烈的吸收作用，因此CO2的增加也将导致全球近地表温度的升高，产生“温室效应”。这对全球的气候、大气环境、降雨……等都将产生一系列不利于人类的影响。

  31. Carbon Cycle

  32. （三）碳循环过程的不同水平层次 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

  33. （五） 温室效应 • 温室效应（ Greenhouse effects）：大气中对长波辐射具有屏蔽作用的温室气体浓度增加使较多的辐射能被截留在地球表层而导致温度上升 • 温室气体：二氧化碳(CO2)、甲烷(CH4)、氧化亚氮(N2O)、六氟化碳(SF6)、氟氯碳化物 (CFCs)、氢氟碳化物(HFCs)等 • 温室效应的影响 • 海平面上升，淹沒陆地 • 全球气候经常发生暴雨或干旱 • 土地沙漠化，生态环境改变

  34. （五） 温室效应 人类活动对温室气体的影响 (1) 对CO2浓度的影响 燃烧和植被破坏 (2) 对CH4的影响 主要源地：年排放500Tg 沼泽地（115Tg)、 稻田(110Tg)及 牲畜反刍(80Tg)

  35. （五） 温室效应 温室效应对农业生态系统的的影响 (1) 温室气体 CO2、CH4、N2O、臭氧、氟氯烃（CFCs)等 (2)温室效应（ greenhouse effect) (1) 种植制度的变化 （2）对作物产量的影响 （3）对水分布的影响 （4）病虫害和生物多样性的影响

  36. GREENHOUSE EFFECT Incoming sunlight warms the surface of the Earth and is radiated back to atmosphere. Greenhouse gases absorb some of this heat, trapping it in the atmosphere.

  37. Greenhouse effect Elevated atmospheric temperature correlates with elevated CO2 over both short and long time scales.

  38. Greenhouse Effect

  39. Greenhouse Effect

  40. Greenhouse Effect • Increasing Carbon Dioxide levels and increasing temperature

  41. Greenhouse Effect The green house effect would be profound. Increased temperature leads to: • movement of plant communities northward • Cause organisms migrate in order to seek optimal temperature, or adapt to the change, or face extinction. This movement include tropical diseases. • melting of polar icecaps: loss of significant land areas in the United States • Ocean expand→ raising sea levels →result in large scale change to the global climate • melting of permafrost

  42. Melting Polar Icecaps→ Elevate sea level

  43. Melting of Permafrost

  44. Contemporary Changes in Atmospheric Trace Gases Contemporary records of atmospheric composition show concentrations of major greenhouse gases increasing at rates substantially greater than those recorded in ice cores.

  45. Complex relationships between cholera and climate. Changes in climate affect physical parameters (precipitation and water temperature) that result in cascading effects that can increase the abundance of cholera-causing bacteria and the incidence of the disease.

  46. §4-2-1 碳循环 • （六）农业生态系统的碳流的问题 • 1．养分循环的两种控制： • 1）生物控制：通过食物链控制 • 2）人为控制：通过食物输入、产品输出等控制 • 2．农业生态系统的良性循环要求促进和保护生物控制 • 这就面临两个选择：动植物残体的去向 • （1）肥料：提高地力（以有机物形式返回土壤） 返回 主目录 主菜单 退出

  47. §4-2-1 碳循环 （2）燃料：以CO2形式返回大气→土壤有机质数量不足→ 土壤微生物C源不足→土壤有机质含量↓ →地力衰退。 燃料 发展中国家，因人口多耕地少，大量砍伐森林 耕地 沙漠化（Negro） 毁林的结果 地力下降、广种薄收 因此必须提供辅助能源为生活能源，同时大力控制人口数量解决粮食，耕地问题。 返回 主目录 主菜单 退出

  48. §4-2-2 氮循环 • 二、氮循环 • （一）概况 • 1．N是生物体中Aa、protein 、Chl-、 DNA、RNA中不可缺少的元素。 • 2．N的主要库存是大气――主要是气态循环。以N2的单质形式存在。在大气中占79％，总贮量约48106亿吨，但不可被植物直接利用，必须通过固N作用。 返回 主目录 主菜单 退出

  49. Nitrogen cycle氮循环 • 氮的重要性 • 氮库：大气、土壤、陆地植被 • 生物可利用的氮的形式：NO32-、NO22-、NH4+ • 氮循环的主要过程 • 固氮作用 • 氨化作用 • 硝化作用 • 反硝化作用

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