07農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的物質(zhì)循環(huán)

1、原因要點(diǎn)：改善了環(huán)境條件；提高了初級(jí)生產(chǎn)產(chǎn)品的利用率；加強(qiáng)了生態(tài)系統(tǒng)的物質(zhì)循環(huán)；增強(qiáng)了生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。,內(nèi)容回顧,農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)能量流動(dòng)的途徑農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的能量生產(chǎn),人工輔助能第四條路徑,初級(jí)生產(chǎn)次級(jí)生產(chǎn),“?；鶟O塘生態(tài)系統(tǒng)” 具有較高生產(chǎn)力的原因？,結(jié)構(gòu)：挖低填高，低作塘，高作基，塘與基所占面積相近。利用“基”種植桑、蔗、果樹(shù)等經(jīng)濟(jì)植物或糧食作物水稻，并于塘邊建豬舍，利用塘養(yǎng)魚(yú)，形成“種桑養(yǎng)蠶、蠶沙養(yǎng)魚(yú)、魚(yú)糞肥塘、塘泥肥

2、桑”和“以糧促豬、以豬促魚(yú)、以魚(yú)促稻”的良性循環(huán)系統(tǒng)。,第七章 農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的物質(zhì)循環(huán),第一節(jié) 物質(zhì)循環(huán)基本規(guī)律,第二節(jié) 幾種主要物質(zhì)的循環(huán),第三節(jié) 農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)養(yǎng)分循環(huán)與平衡,第四節(jié) 農(nóng)業(yè)物質(zhì)循環(huán)中的環(huán)境污染,,一、物質(zhì)循環(huán)的類型,二、物質(zhì)循環(huán)的基本概念與特征,第一節(jié) 物質(zhì)循環(huán)基本規(guī)律,三、物質(zhì)循環(huán)的調(diào)節(jié),物質(zhì)循環(huán)（material cycle）,又稱生物地球化學(xué)循環(huán)(biogechemical cycles)，地球上的各種化學(xué)元素

3、和營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)在自然動(dòng)力和生命動(dòng)力的作用下，在不同層次的生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)，乃至整個(gè)生物圈里，沿著特定的途徑從環(huán)境到生物體，再?gòu)纳矬w到環(huán)境，不斷地進(jìn)行流動(dòng)和循環(huán)，就構(gòu)成了生物地球化學(xué)循環(huán)。,生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)的各種化學(xué)元素及其化合物在生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)部各組成要素之間及其在地球表層生物圈、水圈、大氣圈、巖石圈和土壤圈等各圈層之間，沿著特定的途徑從環(huán)境到生物體，再?gòu)纳矬w到環(huán)境，不斷進(jìn)行反復(fù)循環(huán)變化的過(guò)程。,一、物質(zhì)循環(huán)的類型,地質(zhì)大循環(huán)生物小循環(huán),氣相型循環(huán)(

4、gaseous cycle)沉積型循環(huán)（sedimentary cycle）,范圍大，周期長(zhǎng)，影響面廣沒(méi)有物質(zhì)的輸出 與輸入，是閉合式的循環(huán)。,范圍小、時(shí)間短、速度快等特點(diǎn)，是開(kāi)放式 的循環(huán),可轉(zhuǎn)化為氣體，通過(guò)大氣進(jìn)行擴(kuò)散，具有明顯全球性，屬完全性循環(huán)，循環(huán)時(shí)間短，如C、N的循環(huán),儲(chǔ)存于地殼，經(jīng)風(fēng)化、開(kāi)采等釋放出來(lái)參與循環(huán)，然后在微生物的作用下返回環(huán)境，返回的一

5、部分經(jīng)沉降、淀積和成巖作用變成巖石而暫時(shí)離開(kāi)循環(huán)。如P、S、K的循環(huán)，循環(huán)速度慢。,,生物小循環(huán),地質(zhì)大循環(huán)（生物地球化學(xué)循環(huán)）,物質(zhì)循環(huán),二、物質(zhì)循環(huán)的基本概念與特征,庫(kù)與流生物量周轉(zhuǎn)率與周轉(zhuǎn)期循環(huán)效率,庫(kù)（pool）,物質(zhì)在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中被暫時(shí)固定、儲(chǔ)存的場(chǎng)所。,生態(tài)系統(tǒng)中各組分都是物質(zhì)循環(huán)的庫(kù)，如植物庫(kù)、動(dòng)物庫(kù)、土壤庫(kù)等。各庫(kù)又可以分為許多亞庫(kù)，如植物庫(kù)可分為作物、林木、牧草等亞庫(kù)。,（一）庫(kù)與流,,,,,儲(chǔ)存庫(kù)交換庫(kù),容積

6、大，物質(zhì)交換活動(dòng)緩慢，一般為非生物成分，即環(huán)境成分,容積小，與外界物質(zhì)交換快，一般為生物成分,,源（source）,匯（sink）,產(chǎn)生來(lái)源,產(chǎn)生和釋放物質(zhì)的庫(kù),吸收和固定物質(zhì)的庫(kù),消耗去處,流（flow）,物質(zhì)在庫(kù)與庫(kù)之間的轉(zhuǎn)移運(yùn)行。,生物量（biomass）,在某一特定觀察時(shí)刻，單位面積或體積內(nèi)積存的有機(jī)物總量構(gòu)成生物量。,它可以是特指的某種生物的生物量，也可以指全部植物、動(dòng)物和微生物的生物量。,（二）生物量,生物量與生產(chǎn)力是不

7、同的概念。某一特定時(shí)刻的生物量是一種現(xiàn)存量（standing crop），生產(chǎn)力則是某一時(shí)間內(nèi)由活的生物體新生產(chǎn)出的有機(jī)物質(zhì)總量。,生產(chǎn)力=△生物量+△減少量,周轉(zhuǎn)率(turnover rate),系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)后，某一組分(庫(kù))中的物質(zhì)在單位時(shí)間內(nèi)流出的量(FO)或流人的量(FI)占庫(kù)存總量(S)的分?jǐn)?shù)值。,（三）周轉(zhuǎn)率與周轉(zhuǎn)期,,,,,,,,,,,,,,FO,,,S,R=,,or,R=,FI,,,S,周轉(zhuǎn)期(turnover ti

8、me),某一組分的物質(zhì)全部更換平均需要的時(shí)間，以周轉(zhuǎn)率的倒數(shù)表示。,循環(huán)效率(turnover efficiency),循環(huán)物質(zhì)與輸入物質(zhì)的比例，稱為物質(zhì)的循環(huán)效率。,（四）循環(huán)效率,當(dāng)生態(tài)系統(tǒng)中某一組分的庫(kù)存物質(zhì)，一部分或全部流出該組分，但并未離開(kāi)系統(tǒng)，并最終返回該組分時(shí)，系統(tǒng)內(nèi)發(fā)生了物質(zhì)循環(huán)。,,,,,,,,,,,,,EC=FC/FI,FC,,,,,,FI,循環(huán)物質(zhì)（FC）占總輸入物質(zhì)（FI）的比例，稱物質(zhì)的循環(huán)效率（EC）

9、。,,一、水循環(huán),二、碳循環(huán),三、氮循環(huán),第二節(jié) 幾種主要物質(zhì)的循環(huán),四、磷循環(huán),五、鉀循環(huán),六、硫循環(huán),一、水循環(huán),物質(zhì)循環(huán)的核心,水是很好的溶劑，是流動(dòng)、移動(dòng)的載體，起著溶解運(yùn)輸養(yǎng)分的作用，營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的循環(huán)和水不可分割地聯(lián)系在一起；水在生態(tài)系統(tǒng)中起著能量傳遞和利用的作用；水是地質(zhì)變化的動(dòng)因，如侵蝕、異地沉積等。,水循環(huán)的主要方式----降水與蒸發(fā)地球表面水循環(huán)就是蒸發(fā)－凝結(jié)－降水－蒸發(fā)周而復(fù)始的過(guò)程。,,平衡一個(gè)地區(qū)降水量與蒸發(fā)

10、量的差值溶解和攜帶大量營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，使他們從一個(gè)生態(tài)系統(tǒng)搬運(yùn)到另一個(gè)生態(tài)系統(tǒng)，這對(duì)補(bǔ)充某些生態(tài)系統(tǒng)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)不足起到重要作用，有時(shí)也會(huì)導(dǎo)致?tīng)I(yíng)養(yǎng)物質(zhì)過(guò)剩。,地表徑流：經(jīng)土壤或地被物吸收及在空氣中蒸發(fā)后余下的，在地表流動(dòng)的那部分天然降水。,農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)中的水循環(huán),二、碳循環(huán),絕大部分碳以碳酸鹽形式儲(chǔ)存在巖石中；生物可直接利用的是大氣和水中的CO2 ，大氣、海洋是碳儲(chǔ)存庫(kù)；CO2是C循環(huán)核心，綠色植物固定CO2構(gòu)成全球生產(chǎn)基礎(chǔ)，有機(jī)體干重的4

11、5%是碳，森林也是是碳的重要儲(chǔ)存庫(kù)。,2024/3/19,www.czu.edu.cn,22,,光合作用和呼吸作用之間的細(xì)胞水平上的循環(huán),大氣CO2和植物體之間的個(gè)體水平上的循環(huán),植物─動(dòng)物─微生物之間的食物鏈水平上的循環(huán),大氣中的碳通過(guò)海洋生態(tài)系統(tǒng)溶解，經(jīng)過(guò)地質(zhì)年代后形成石灰?guī)r和珊瑚礁,碳以動(dòng)植物有機(jī)體形式深埋地下，在還原條件下，形成化石燃料,碳循環(huán)的基本途徑,2024/3/19,www.czu.edu.cn,23,,,,“碳源” ↑

12、,“碳匯” ↓,碳源：土壤、巖石、生物體、生產(chǎn)生活等。 碳匯：森林、濕地、草地、海洋等。,大氣中的溫室氣體（如二氧化碳）像一層厚玻璃，使地球變成一個(gè)大暖房。如果沒(méi)有大氣，地表平均溫度將會(huì)是-23℃，實(shí)際地表平均溫度15℃，提高了38℃；大氣中溫室氣體（如二氧化碳）濃度過(guò)度增加，阻止地球熱量散失，使地球發(fā)生可感覺(jué)到的氣溫升高，這就是著名的“溫室效應(yīng)”,不為人知的寬帶網(wǎng)絡(luò)排放CO2,一年的排放量----每周觀看1部電影1年的CO2排

13、放量為：5kg×(365/7)＝260kg,每傳輸1MB的流量要排放：1gCO2,傳輸一部高清電影的CO2排放量---- 一張清晰電影光盤(pán)的容量為：5G 下載這部電影的CO2排放量為：5GB×1g/MB＝5kg,,,,,,,三、氮循環(huán),,,,,土壤庫(kù),大氣庫(kù),生物庫(kù),水庫(kù),四、磷循環(huán),磷循環(huán)起始于巖石的風(fēng)化，終止于水中的沉積。在生物圈內(nèi)，磷的大部分只是單向流動(dòng)，形不成循環(huán)。磷資源也因而成為一種不能再生

14、的資源。,原生質(zhì)合成,,PO43-,水分流失,沉積型循環(huán),沉積物中的磷（約為土壤和海洋中千倍以上）,陸地,海洋,活有機(jī)物,死有機(jī)物,土壤中的無(wú)機(jī)磷,,,,,,活有機(jī)物,死有機(jī)物,深海的磷,,,,,,,,,,,,,捕魚(yú),鳥(niǎo)糞,懸浮在水中隨河水帶走,攝取,排泄死亡,下沉,分解,沉積,溶解于水,上升風(fēng)化,開(kāi)采,攝取,上涌,排泄死亡,五、鉀循環(huán),土壤鉀素是植物必需的營(yíng)養(yǎng)元素之一,,,,,,六、硫循環(huán),經(jīng)氧化形成SO42-,使地殼和巖漿

15、中的硫以H2S、硫酸鹽和SO2的形式排入大氣,H2S,硫被氧化為SO2進(jìn)入大氣,,一、養(yǎng)分循環(huán)的一般模式,二、養(yǎng)分循環(huán)特征,第三節(jié) 農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)養(yǎng)分循環(huán)與平衡,三、保持養(yǎng)分循環(huán)平衡的途徑,農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)物質(zhì)循環(huán)的核心是養(yǎng)分循環(huán)。明確農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)養(yǎng)分循環(huán)過(guò)程，輸入與輸出及其平衡狀態(tài)，便能基本上把握農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的物質(zhì)循環(huán)。,飼料,飼草的放牧,一、養(yǎng)分循環(huán)的一般模式,二、養(yǎng)分循環(huán)特征,養(yǎng)分循環(huán)的一般模式：三個(gè)貯存庫(kù)----農(nóng)業(yè)植物庫(kù)、農(nóng)業(yè)動(dòng)物庫(kù)

16、、土壤庫(kù)，養(yǎng)分在庫(kù)之間按一定的路徑進(jìn)行轉(zhuǎn)移。農(nóng)田養(yǎng)分的輸入與輸出輸入：肥料的施用（主要來(lái)源），降水、灌溉等帶入（受水量多少、養(yǎng)分高低影響），生物固氮（氮素的主要來(lái)源）等；輸出：產(chǎn)品副產(chǎn)品輸出，流失、淋失、蒸散、氨揮發(fā)和反硝化作用等。,三、養(yǎng)分循環(huán)平衡,原始農(nóng)業(yè)：類似于自然生態(tài)系統(tǒng)，養(yǎng)分平衡傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)：自給自足，養(yǎng)分基本平衡現(xiàn)代農(nóng)業(yè)：輸出多，養(yǎng)分虧缺嚴(yán)重,農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的養(yǎng)分平衡是通過(guò)養(yǎng)分的凈流入量和凈流出量來(lái)測(cè)算的。,生產(chǎn)100k

17、g糧食需消耗土壤中純N1.52kg，P2O51-1.5kg，K2O2-3kg。雖有較多化肥投入，但流失、淋溶及揮發(fā)等損失較多，造成農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)嚴(yán)重養(yǎng)分虧缺。,自然歸還率：因不能收獲而歸還的，如根茬、落葉、落花等理論歸還率：可以歸還但不一定能歸還的，如莖稈、莢殼等禾本科的自然歸還率較低，油菜較高；不同作物的N、P、K的理論歸還率不同，如麥類分別為25%-32%，23%-24%，73%-79%。,1、種植制度中合理安排歸還率高的作物

18、類型,保持養(yǎng)分循環(huán)平衡的途徑：,喬灌草結(jié)合：保護(hù)環(huán)境，減少水土流失；提供燃料，促進(jìn)秸稈還田，發(fā)展畜牧業(yè)，尤其是草食動(dòng)物養(yǎng)殖，沼氣可利用農(nóng)業(yè)廢棄物為原料，沼氣作燃料，沼渣、沼水作肥料。,2、農(nóng)林牧相結(jié)合，解決燃料、飼料、肥料問(wèn)題，擴(kuò)大物質(zhì)循環(huán)，維持養(yǎng)分平衡。,棉花：輸出的纖維含N不足1%，其余營(yíng)養(yǎng)元素存在于莖、葉、鈴殼、棉籽中，將棉籽榨油，棉籽殼養(yǎng)菇，棉籽餅及莖葉粉碎后作飼料，變糞肥后還田，不僅增加系統(tǒng)產(chǎn)出，還促進(jìn)農(nóng)田養(yǎng)分平衡。

19、油料作物：油餅還田,3、農(nóng)副產(chǎn)品就地加工，殘?jiān)€田，提高歸還率,利用非耕地上植物葉子直接作肥料，或通過(guò)放牧，以畜禽糞尿移入農(nóng)田；利用水生植物富集水體中養(yǎng)分，直接移入農(nóng)田或作飼料后以畜糞返回農(nóng)田；商品肥料的輸入、城肥下鄉(xiāng)、河泥上田等。,4、養(yǎng)分的區(qū)域性富集還田,一、農(nóng)業(yè)面源污染,二、化肥污染,三、農(nóng)藥污染,第四節(jié) 農(nóng)業(yè)物質(zhì)循環(huán)中的環(huán)境污染,四、廢棄物污染,一、農(nóng)業(yè)面源污染,點(diǎn)源污染：有明顯的排污口或排污管道面源污染：沒(méi)有明確排污口，

20、主要借助降雨和地表徑流的沖擊（刷）作用將土壤顆粒、有機(jī)物、肥料、農(nóng)藥或地表堆積物帶入水體，引起水污染。農(nóng)業(yè)面源污染：發(fā)生在農(nóng)業(yè)區(qū)域里的面源污染，是面源污染的主要形式。,到2020年，我國(guó)農(nóng)業(yè)要實(shí)現(xiàn)“一控兩減三基本”，即控制農(nóng)業(yè)用水總量；減少化肥、農(nóng)藥使用量，化肥、農(nóng)藥用量實(shí)現(xiàn)零增長(zhǎng)；基本實(shí)現(xiàn)畜禽養(yǎng)殖排泄物資源化利用，病死畜禽全部實(shí)現(xiàn)無(wú)害化處理；基本實(shí)現(xiàn)農(nóng)作物秸稈資源化利用，秸稈露天焚燒現(xiàn)象得到有效控制；基本實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)投入品包裝物及廢棄農(nóng)

21、膜有效回收處理。,農(nóng)業(yè)面源污染攻堅(jiān)戰(zhàn)：一控兩減三基本,十八大以來(lái)的主要精神,生態(tài)文明建設(shè)綠水青山就是金山銀山,1、分散性和隱蔽性2、隨機(jī)性和不確定性3、不易監(jiān)測(cè)性,農(nóng)業(yè)面源污染特點(diǎn)：,農(nóng)業(yè)面源污染產(chǎn)生的原因：,1、種植,二、化肥污染,1983-2005年我國(guó)化肥施用量（折純?nèi)f噸）與單位農(nóng)作物播種面積施肥量（公斤/畝）,2006年我國(guó)農(nóng)用化肥施用量(折純)4766萬(wàn)噸我國(guó)單位播種面積化肥用量為400kg hm-2 ，是世界平均水平

22、3倍，發(fā)達(dá)國(guó)家防止水體污染安全上限值225kg hm-2 氮肥當(dāng)季利用率僅為30%左右，磷肥20%,我國(guó)農(nóng)田化肥氮在當(dāng)季作物收獲時(shí)的去向及其對(duì)環(huán)境的影響,,2006年我國(guó)農(nóng)田化肥氮通過(guò)損失進(jìn)入環(huán)境的數(shù)量達(dá)到508.9萬(wàn)噸,三、農(nóng)藥污染,2006年我國(guó)農(nóng)藥使用量達(dá)146萬(wàn)噸，其中高毒農(nóng)藥占70％我國(guó)農(nóng)藥單位面積用量為世界平均水平的2倍，有效利用率只有30％左右，比發(fā)達(dá)國(guó)家低20個(gè)百分點(diǎn)大部分農(nóng)藥在土壤、流水、空氣中流失,三、項(xiàng)目的主

23、要技術(shù)模式,四、廢棄物污染,2006年我國(guó)出欄豬6.8億頭，牛0.6億頭，羊3.3億只，家禽101.8億只目前全國(guó)畜禽糞便年排放量超過(guò)40億噸，是工業(yè)有機(jī)污染物的4.1倍畜禽糞便進(jìn)入水體的流失率為2-8% ，液體排泄物則可能達(dá)到50%畜禽糞便發(fā)酵產(chǎn)生大量有害氣體污染大氣，畜禽養(yǎng)殖場(chǎng)中檢測(cè)出的有害氣體有近200種飼料添加劑導(dǎo)致畜禽糞便中Cu、Zn普遍較高，進(jìn)而通過(guò)有機(jī)肥進(jìn)入食物鏈,2006年我國(guó)農(nóng)用塑料薄膜用量176.2萬(wàn)噸，其中

24、地膜95.9萬(wàn)噸，農(nóng)膜年殘留量高達(dá)45萬(wàn)噸,全國(guó)農(nóng)村每年產(chǎn)生生活污水約80多億噸，生活垃圾約1.2億噸,農(nóng)田面源污染防治工程技術(shù)路線,生態(tài)攔截凈化,藕塘生態(tài)凈化,攔截溝渠,養(yǎng)殖業(yè)廢水處理的基本方法與步驟,國(guó)內(nèi)外所用的工藝流程大致相同，即固液分離-厭氧消化-好氧處理。1、固液分離 通過(guò)固液分離可使液體部分的污染物負(fù)荷量大大降低；其次，通過(guò)固液分離可防止較大的固體物進(jìn)入后續(xù)處理環(huán)節(jié)，防止設(shè)備的堵塞損壞等。

25、 固液分離技術(shù)一般包括：篩濾、離心、過(guò)濾、浮除、沉降、沉淀、絮凝等工序。,2、厭氧處理 養(yǎng)殖場(chǎng)高濃度的有機(jī)廢水，采用厭氧消化工藝可在較低的運(yùn)行成本下有效地去除大量的可溶性有機(jī)物，COD去除率達(dá)85%～90%，而且能殺死傳染病菌，有利于養(yǎng)殖場(chǎng)的防疫。 較為常用的有以下幾種：厭氧濾器（AF）、上流式厭氧污泥床（UASB）、復(fù)合厭氧反應(yīng)器（UASB＋AF）、兩段厭氧消化法和升流

26、式污泥床反應(yīng)器（USR）等。厭氧消化即沼氣發(fā)酵技術(shù)已被廣泛地應(yīng)用于養(yǎng)殖場(chǎng)廢物處理中。,3、好氧處理 是利用好氧微生物處理養(yǎng)殖廢水的一種工藝。好氧生物處理法可分為天然好氧處理和人工好氧處理兩大類。,,,畜禽糞便干濕分離堆漚池,人工濕地,干濕分離堆漚池,厭氧池,沉淀池,單戶污水處理設(shè)施,Company Logo,www.themegallery.com,廣泛應(yīng)用于養(yǎng)殖廢水的厭氧處理，能源部門(mén)推行的沼氣工程主要應(yīng)用該反

27、應(yīng)器。,UASB反應(yīng)器,,,,,,,,,,UASB反應(yīng)器示意圖,UASB反應(yīng)器結(jié)構(gòu)形式,封閉式UASB,敞開(kāi)式UASB,好氧生物處理法,常用的好氧生物處理法有以下幾種：1、活性污泥 2、生物濾池 3、生物接觸氧化4、序批式活性污泥（SBR）,活性污泥(activesludge)是微生物群體及它們所依附的有機(jī)物質(zhì)和無(wú)機(jī)物質(zhì)的總稱。微生物群體主要包括細(xì)菌，原生動(dòng)物和藻類等。其中，細(xì)菌和原生動(dòng)物是主要的二大類?；钚晕勰嘀饕脕?lái)處理污廢

28、水。,Company Logo,活性污泥法的基本流程,生物濾池：由碎石或塑料制品填料構(gòu)成的生物處理構(gòu)筑物，污水與填料表面上生長(zhǎng)的微生物膜間隙接觸，使污水得到凈化。 生物濾池有很多種類，其中又可分為普通生物濾池、高負(fù)荷生物濾池、塔式生物濾池等。,,發(fā)酵床生態(tài)養(yǎng)殖,沼氣工程處理,畜禽糞便收集站,畜禽糞便集中處理,本節(jié)小結(jié),物質(zhì)循環(huán)的基本概念幾種主要物質(zhì)的生物地球化學(xué)循環(huán)農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)中的養(yǎng)分循環(huán)平衡農(nóng)業(yè)面源