07农业生态系统的物质循环.pptx

1、原因要点：改善了环境条件；提高了初级生产产品的利用率；加强了生态系统的物质循环；增强了生态系统的稳定性。,内容回顾,农业生态系统能量流动的途径农业生态系统的能量生产,人工辅助能第四条路径,初级生产次级生产,“桑基渔塘生态系统” 具有较高生产力的原因？,结构：挖低填高，低作塘，高作基，塘与基所占面积相近。利用“基”种植桑、蔗、果树等经济植物或粮食作物水稻，并于塘边建猪舍，利用塘养鱼，形成“种桑养蚕、蚕沙养鱼、鱼粪肥塘、塘泥肥桑”和“以粮促猪、以猪促鱼、以鱼促稻”的良性循环系统。,第七章 农业生态系统的物质循环,第一节 物质循环基本规律,第二节 几种主要物质的循环,第三节 农业生态系统养分循环与平

2、衡,第四节 农业物质循环中的环境污染,一、物质循环的类型,二、物质循环的基本概念与特征,第一节 物质循环基本规律,三、物质循环的调节,物质循环（material cycle）,又称生物地球化学循环(biogechemical cycles)，地球上的各种化学元素和营养物质在自然动力和生命动力的作用下，在不同层次的生态系统内，乃至整个生物圈里，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。,生态系统内的各种化学元素及其化合物在生态系统内部各组成要素之间及其在地球表层生物圈、水圈、大气圈、岩石圈和土壤圈等各圈层之间，沿着特定的途径从环境到生物体，再

3、从生物体到环境，不断进行反复循环变化的过程。,一、物质循环的类型,地质大循环生物小循环,气相型循环(gaseous cycle)沉积型循环（sedimentary cycle）,范围大，周期长，影响面广没有物质的输出 与输入，是闭合式的循环。,范围小、时间短、速度快等特点，是开放式 的循环,可转化为气体，通过大气进行扩散，具有明显全球性，属完全性循环，循环时间短，如C、N的循环,储存于地壳，经风化、开采等释放出来参与循环，然后在微生物的作用下返回环境，返回的一部分经沉降、淀积和成岩作用变成岩石而暂时离开循环。如P、S、K的循环，循环速度慢。,生物小循环,地质大循环（生物地球化学循环）,物质循环

4、,二、物质循环的基本概念与特征,库与流生物量周转率与周转期循环效率,库（pool）,物质在运动过程中被暂时固定、储存的场所。,生态系统中各组分都是物质循环的库，如植物库、动物库、土壤库等。各库又可以分为许多亚库，如植物库可分为作物、林木、牧草等亚库。,（一）库与流,储存库交换库,容积大，物质交换活动缓慢，一般为非生物成分，即环境成分,容积小，与外界物质交换快，一般为生物成分,源（source）,汇（sink）,产生来源,产生和释放物质的库,吸收和固定物质的库,消耗去处,流（flow）,物质在库与库之间的转移运行。,生物量（biomass）,在某一特定观察时刻，单位面积或体积内积存的有机物总量构

5、成生物量。,它可以是特指的某种生物的生物量，也可以指全部植物、动物和微生物的生物量。,（二）生物量,生物量与生产力是不同的概念。某一特定时刻的生物量是一种现存量（standing crop），生产力则是某一时间内由活的生物体新生产出的有机物质总量。,生产力=生物量+减少量,周转率(turnover rate),系统达到稳定状态后，某一组分(库)中的物质在单位时间内流出的量(FO)或流人的量(FI)占库存总量(S)的分数值。,（三）周转率与周转期,FO,S,R=,or,R=,FI,S,周转期(turnover time),某一组分的物质全部更换平均需要的时间，以周转率的倒数表示。,循环效率(tu

6、rnover efficiency),循环物质与输入物质的比例，称为物质的循环效率。,（四）循环效率,当生态系统中某一组分的库存物质，一部分或全部流出该组分，但并未离开系统，并最终返回该组分时，系统内发生了物质循环。,EC=FC/FI,FC,FI,循环物质（FC）占总输入物质（FI）的比例，称物质的循环效率（EC）。,一、水循环,二、碳循环,三、氮循环,第二节 几种主要物质的循环,四、磷循环,五、钾循环,六、硫循环,一、水循环,物质循环的核心,水是很好的溶剂，是流动、移动的载体，起着溶解运输养分的作用，营养物质的循环和水不可分割地联系在一起；水在生态系统中起着能量传递和利用的作用；水是地质变化

7、的动因，如侵蚀、异地沉积等。,水循环的主要方式-降水与蒸发地球表面水循环就是蒸发凝结降水蒸发周而复始的过程。,平衡一个地区降水量与蒸发量的差值溶解和携带大量营养物质，使他们从一个生态系统搬运到另一个生态系统，这对补充某些生态系统营养物质不足起到重要作用，有时也会导致营养物质过剩。,地表径流：经土壤或地被物吸收及在空气中蒸发后余下的，在地表流动的那部分天然降水。,农业生态系统中的水循环,二、碳循环,绝大部分碳以碳酸盐形式储存在岩石中；生物可直接利用的是大气和水中的CO2 ，大气、海洋是碳储存库；CO2是C循环核心，绿色植物固定CO2构成全球生产基础，有机体干重的45%是碳，森林也是是碳的重要储存

8、库。,2019/7/3,,22,光合作用和呼吸作用之间的细胞水平上的循环,大气CO2和植物体之间的个体水平上的循环,植物动物微生物之间的食物链水平上的循环,大气中的碳通过海洋生态系统溶解，经过地质年代后形成石灰岩和珊瑚礁,碳以动植物有机体形式深埋地下，在还原条件下，形成化石燃料,碳循环的基本途径,2019/7/3,,23,“碳源” ,“碳汇” ,碳源：土壤、岩石、生物体、生产生活等。 碳汇：森林、湿地、草地、海洋等。,大气中的温室气体（如二氧化碳）像一层厚玻璃，使地球变成一个大暖房。如果没有大气，地表平均温度将会是-23，实际地表平均温度15，提高了38；大气中温室气体（如二氧化碳）浓度过度增

9、加，阻止地球热量散失，使地球发生可感觉到的气温升高，这就是著名的“温室效应”,不为人知的宽带网络排放CO2,一年的排放量-每周观看1部电影1年的CO2排放量为：5kg(365/7)260kg,每传输1MB的流量要排放：1gCO2,传输一部高清电影的CO2排放量- 一张清晰电影光盘的容量为：5G 下载这部电影的CO2排放量为：5GB1g/MB5kg,三、氮循环,土壤库,大气库,生物库,水库,四、磷循环,磷循环起始于岩石的风化，终止于水中的沉积。在生物圈内，磷的大部分只是单向流动，形不成循环。磷资源也因而成为一种不能再生的资源。,原生质合成,PO43-,水分流失,沉积型循环,沉积物中的磷（约为土壤

10、和海洋中千倍以上）,陆地,海洋,活有机物,死有机物,土壤中的无机磷,活有机物,死有机物,深海的磷,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,上涌,排泄死亡,五、钾循环,土壤钾素是植物必需的营养元素之一,六、硫循环,经氧化形成SO42-,使地壳和岩浆中的硫以H2S、硫酸盐和SO2的形式排入大气,H2S,硫被氧化为SO2进入大气,一、养分循环的一般模式,二、养分循环特征,第三节 农业生态系统养分循环与平衡,三、保持养分循环平衡的途径,农业生态系统物质循环的核心是养分循环。明确农业生态系统养分循环过程，输入与输出及其平衡状态，便能基本上把握农

11、业生态系统的物质循环。,饲料,饲草的放牧,一、养分循环的一般模式,二、养分循环特征,养分循环的一般模式：三个贮存库-农业植物库、农业动物库、土壤库，养分在库之间按一定的路径进行转移。农田养分的输入与输出输入：肥料的施用（主要来源），降水、灌溉等带入（受水量多少、养分高低影响），生物固氮（氮素的主要来源）等；输出：产品副产品输出，流失、淋失、蒸散、氨挥发和反硝化作用等。,三、养分循环平衡,原始农业：类似于自然生态系统，养分平衡传统农业：自给自足，养分基本平衡现代农业：输出多，养分亏缺严重,农业生态系统的养分平衡是通过养分的净流入量和净流出量来测算的。,生产100kg粮食需消耗土壤中纯N1.52k

12、g，P2O51-1.5kg，K2O2-3kg。虽有较多化肥投入，但流失、淋溶及挥发等损失较多，造成农业生态系统严重养分亏缺。,自然归还率：因不能收获而归还的，如根茬、落叶、落花等理论归还率：可以归还但不一定能归还的，如茎秆、荚壳等禾本科的自然归还率较低，油菜较高；不同作物的N、P、K的理论归还率不同，如麦类分别为25%-32%，23%-24%，73%-79%。,1、种植制度中合理安排归还率高的作物类型,保持养分循环平衡的途径：,乔灌草结合：保护环境，减少水土流失；提供燃料，促进秸秆还田，发展畜牧业，尤其是草食动物养殖，沼气可利用农业废弃物为原料，沼气作燃料，沼渣、沼水作肥料。,2、农林牧相结合

13、，解决燃料、饲料、肥料问题，扩大物质循环，维持养分平衡。,棉花：输出的纤维含N不足1%，其余营养元素存在于茎、叶、铃壳、棉籽中，将棉籽榨油，棉籽壳养菇，棉籽饼及茎叶粉碎后作饲料，变粪肥后还田，不仅增加系统产出，还促进农田养分平衡。油料作物：油饼还田,3、农副产品就地加工，残渣还田，提高归还率,利用非耕地上植物叶子直接作肥料，或通过放牧，以畜禽粪尿移入农田；利用水生植物富集水体中养分，直接移入农田或作饲料后以畜粪返回农田；商品肥料的输入、城肥下乡、河泥上田等。,4、养分的区域性富集还田,一、农业面源污染,二、化肥污染,三、农药污染,第四节 农业物质循环中的环境污染,四、废弃物污染,一、农业面源污

14、染,点源污染：有明显的排污口或排污管道面源污染：没有明确排污口，主要借助降雨和地表径流的冲击（刷）作用将土壤颗粒、有机物、肥料、农药或地表堆积物带入水体，引起水污染。农业面源污染：发生在农业区域里的面源污染，是面源污染的主要形式。,到2020年，我国农业要实现“一控两减三基本”，即控制农业用水总量；减少化肥、农药使用量，化肥、农药用量实现零增长；基本实现畜禽养殖排泄物资源化利用，病死畜禽全部实现无害化处理；基本实现农作物秸秆资源化利用，秸秆露天焚烧现象得到有效控制；基本实现农业投入品包装物及废弃农膜有效回收处理。,农业面源污染攻坚战：一控两减三基本,十八大以来的主要精神,生态文明建设绿水青山就

15、是金山银山,1、分散性和隐蔽性2、随机性和不确定性3、不易监测性,农业面源污染特点：,农业面源污染产生的原因：,1、种植,二、化肥污染,1983-2005年我国化肥施用量（折纯万吨）与单位农作物播种面积施肥量（公斤/亩）,2006年我国农用化肥施用量(折纯)4766万吨我国单位播种面积化肥用量为400kg hm-2 ，是世界平均水平3倍，发达国家防止水体污染安全上限值225kg hm-2 氮肥当季利用率仅为30%左右，磷肥20%,我国农田化肥氮在当季作物收获时的去向及其对环境的影响,2006年我国农田化肥氮通过损失进入环境的数量达到508.9万吨,三、农药污染,2006年我国农药使用量达146

16、万吨，其中高毒农药占70我国农药单位面积用量为世界平均水平的2倍，有效利用率只有30左右，比发达国家低20个百分点大部分农药在土壤、流水、空气中流失,三、项目的主要技术模式,四、废弃物污染,2006年我国出栏猪6.8亿头，牛0.6亿头，羊3.3亿只，家禽101.8亿只目前全国畜禽粪便年排放量超过40亿吨，是工业有机污染物的4.1倍畜禽粪便进入水体的流失率为2-8% ，液体排泄物则可能达到50%畜禽粪便发酵产生大量有害气体污染大气，畜禽养殖场中检测出的有害气体有近200种饲料添加剂导致畜禽粪便中Cu、Zn普遍较高，进而通过有机肥进入食物链,2006年我国农用塑料薄膜用量176.2万吨，其中地膜9

17、5.9万吨，农膜年残留量高达45万吨,全国农村每年产生生活污水约80多亿吨，生活垃圾约1.2亿吨,农田面源污染防治工程技术路线,生态拦截净化,藕塘生态净化,拦截沟渠,养殖业废水处理的基本方法与步骤,国内外所用的工艺流程大致相同，即固液分离-厌氧消化-好氧处理。1、固液分离 通过固液分离可使液体部分的污染物负荷量大大降低；其次，通过固液分离可防止较大的固体物进入后续处理环节，防止设备的堵塞损坏等。 固液分离技术一般包括：筛滤、离心、过滤、浮除、沉降、沉淀、絮凝等工序。,2、厌氧处理 养殖场高浓度的有机废水，采用厌氧消化工艺可在较低的运行成本下有效地去除大量的可溶性有机物，COD去除率达85%90

18、%，而且能杀死传染病菌，有利于养殖场的防疫。 较为常用的有以下几种：厌氧滤器（AF）、上流式厌氧污泥床（UASB）、复合厌氧反应器（UASBAF）、两段厌氧消化法和升流式污泥床反应器（USR）等。厌氧消化即沼气发酵技术已被广泛地应用于养殖场废物处理中。,3、好氧处理 是利用好氧微生物处理养殖废水的一种工艺。好氧生物处理法可分为天然好氧处理和人工好氧处理两大类。,畜禽粪便干湿分离堆沤池,人工湿地,干湿分离堆沤池,厌氧池,沉淀池,单户污水处理设施,Company Logo,,广泛应用于养殖废水的厌氧处理，能源部门推行的沼气工程主要应用该反应器。,UASB反应器,UASB反应器示意图,UASB反应器

19、结构形式,封闭式UASB,敞开式UASB,好氧生物处理法,常用的好氧生物处理法有以下几种：1、活性污泥 2、生物滤池 3、生物接触氧化4、序批式活性污泥（SBR）,活性污泥(activesludge)是微生物群体及它们所依附的有机物质和无机物质的总称。微生物群体主要包括细菌，原生动物和藻类等。其中，细菌和原生动物是主要的二大类。活性污泥主要用来处理污废水。,Company Logo,活性污泥法的基本流程,生物滤池：由碎石或塑料制品填料构成的生物处理构筑物，污水与填料表面上生长的微生物膜间隙接触，使污水得到净化。 生物滤池有很多种类，其中又可分为普通生物滤池、高负荷生物滤池、塔式生物滤池等。,发酵床生态养殖,沼气工程处理,畜禽粪便收集站,畜禽粪便集中处理,本节小结,物质循环的基本概念几种主要物质的生物地球化学循环农业生态系统中的养分循环平衡农业面源污染,本章重点,物质循环的相关基本概念农业面源污染的控制,