生态系统的物质循环概述

一般将产生和释放物质的库（即输出大于输入）又称为源(source)， 而将吸收和固定物质的库（即输入大于输出）称为汇（sink）。
➢ 贮存库（reservoir pool）：容积较大，交换慢，一般为环境库。如土
库 壤库、大气库等。 ➢ 交换库（exchange pool）：容积小，交换快，一般为生物库。如植物 库、动物库等。
（5）破坏植被导致区域水分平衡失调。
（6）水资源受污染使本就稀少的淡水资源更加紧缺。
二、碳的地质大循环
1. 碳在全球的分布与循环
碳是生命的骨架，也是能量传递的载体。地球上的碳 在大气、生物体、土壤和水圈及岩石圈中都有分布，岩石 圈是碳的最大贮存库，其次是海洋圈。
图6-3 碳的地质大循环简图（亿t）
（1）含氮有机物的燃烧产生的大量氮氧化物污染大气，一些氮氧化物是 温室气体的成分之一；
（2）发展工业固氮，忽视或抑制生物固氮，造成氮素局部富集和氮素循 环失调；
（3）城市化和集约化农牧业使人畜废弃物的自然再循环受阻； （4）过度耕垦使土壤氮素含量特别是有机氮含量下降，土壤整体肥力持
续下降。
四、磷的地质大循环
0.9 1.8 1-4 0.5 1
（引自Soderlund和Svensson，1975）
自然界的氮素循环可分为3个亚循环，即元素循环、自养循环和异养循环。反 硝化和固氮是氮素循环中2个重要的流 。
图6-4 全球氮的地质大循环简图（1012gN/年） （参照Schlesinger，1997）
2. 人类活动对氮的地质大循环的干扰及其对环境的影响
农业生态系统的优化设计目标之一就是提高物质在系统内的循环转化效率， 使系统的循环效率越接近1越好。

3. 物质循环的类型
（1）按循环经历途径与周期分类 生物地球化学循环依据其循环的范围和周期，可分为地质大循 环(Geological cycle)和生物小循环(Small biological cycle) 。
及高山雪水大量融化，减少了固态水的库存，增加了海水水 量，海平面上升。
（2）过量开采地表水及地下水，造成了地上断流、地 下漏斗、水位下降、下游水源减少、海水入侵、 河流干枯、地面下沉等一系列问题。
（3）围湖造田及排干沼泽、湿地等，使地表的蓄水、调洪、供水功能 减弱，引起地区性的旱涝加剧。
（4）兴建大型的水库、排灌工程，改变了整个流域的水分平衡和水环 境，区域生态系统发生相应演替。
（4）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。循环物质（FC）与 输入物质（FI）的比例，称为物质的循环效率（EC）。
EC=FC/FI 物质循环效率是衡量生态系统功能强弱的重要标志，一般来说，EC值越 高，表示该系统的机能越强。
一、 农业生态系统养分循环与输入输出一般模式
生物小循环的过程是与生物接邻的环境（土壤、水、大气）中元素经生物体吸收，在 生态系统中被生产者、各级消费者相继利用，然后经过分解者的作用，回到环境后，很快 再为生产者吸收、利用的循环过程。
对陆地生态系统而言，生物小循环一般只涉及到土壤圈与生物圈，其中生物库又可 分为植物亚库、动物亚库和微生物亚库，土壤库又可分为土壤有机亚库、土壤速效亚库和 土壤矿物亚库。因微生物主要以土壤有机质为食，二者可视为一体。
• 沉积型循环（Sedimentary types cycles） ：许多矿物元素从陆地岩石 中释放出来，为植物所吸收，并沿食物链转移。然后动植物残体或排泄物 经微生物的分解作用，将元素返回环境。除一部分保留在土壤中供植物吸 收利用外，一部分以溶液或沉积物状态进入江河。如磷、硫、碘、钙、镁 、铁、锰、铜、硅等元素属于此类循环。这类循环是缓慢的、非全球性， 并且容易受到干扰，成为“不完全”的循环，
1. 磷的分布与循环
地球上的磷大量存在于岩石、土壤和海水中，生物体的磷数量较小。 自然界中的无机磷主要以磷酸盐类形式存在。土壤中的磷绝大部分是无机 态，有机态磷平均只占土壤磷的10％左右。
农业中的磷肥来自于含磷岩矿中的磷酸盐，经天然风化或化学分解之 后，变为不同溶解程度的磷酸盐，供给作物吸收利用。磷矿可开采部分数 量约相当于现有生物体含磷量的1－10倍，但在世界的分布很不均匀。
（2）按物质循环主要存在形式分类
根据不同的化学元素、化合物在五个物质循 环库中存在的形式、库存量的大小和被固定时间 的长短，分为气相型循环(Gaseous types cycles) 和沉积型循环(Sedimentary types cycles)。
• 气相型循环（Gaseous types cycles） ：储存库在大气圈或水圈（海洋 ）中，通过大气进行扩散，弥漫了陆地或海洋上空，这样在很短的时间内 可以实现大气库和生物库直接交换，为生物重新利用，循环比较迅速。 如碳、氮、氧、水蒸气、氯、溴、氟等属于此类循环。
五、钾的地质大循环
钾是植物体内非常活泼的元素，是多种酶的活化剂， 它具有促进植物光合作用、碳水化合物代谢、蛋白质合成和 共生固氮等生理功能。
钾的地质大循环与磷的过程相似，均为沉积型循环。
图6-6 钾的地质大循环简图（亿t/年）
第三节 农业生态系统中的养分循环与平衡
一、农业生态系统养分循环与输入输出一般模式 二、农业生态系统中氮循环模式与特点 三、农业生态系统中磷与钾的循环模式与特点 四、农业生态系统养分循环特点 五、有机质在农田养分平衡中的作用与利用 六、农业生系统养分循环的系统分析
（2） 生物量与现存量
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成生物 量（biomass）。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。
生物量又可称为现存量（standing crop）
生物量（现存量）=生产量-减少量 净生产量=总生产量-呼吸量
（3）周转率与周转期
表6-2 地球上水的组成及数量
类型 海洋咸水
淡水 地下水 冰雪水 地表与大气水 湖泊与湿地水 河流水 大气水
占地球总量的比例（%）
94 6 4.3 1.7 0.03 0.029 0.000 15 0.001
资料来源：杨道富，2005
总水量（亿km3）
13.028 4
0.831 6
0.595 98
0.235 62 4.158×10-3 4.019 4×10-3 2.079×10-5 1.386×10-4
植物生物量 动物生物量 死亡有机质 可溶性颗粒 溶解N2 N2O NO3NO2 NH4+
海洋
3×102 1.7×102 5.3×105 （0.3-2.4）×104 2.2×107 2×102 5.7×105 5×102 7×103
大气
N2 N20 NH3 NH4+ NO2 NO3有机氮
3.9×109 1.3×103
表6-3 全球氮素的分布与储量（Tg，1 Tg＝1×1012g）
陆地
植物生物量 动物生物量 枯枝落叶层 土壤有机质 无机氮 微生物氮 岩石 沉积物 煤
（1.1-1.4）×104 2×102
（1.9-3.3）×103 3×105 1.6×104 5×102
1.9×1011 4×108 1.2×105
2. 人类活动对碳的地质大循环的干扰
矿物燃料 砍伐森林
三、氮的地质大循环
1. 氮素分布与循环
研究结果表明，全球氮素储量最多的是岩石库，占总氮量的94％，难 以参与循环，其次是大气，煤碳等化石燃料中也含有大量的氮。大气中的 氮约占总氮量6％，以分子态的氮存在，不能为大多数生物直接利用。
氮气只有通过固氮菌和蓝绿藻等生物固氮、闪电和宇宙线的固氮以及 工业固氮的途径，形成硝酸盐或氨的化合物形态，才能被生物利用。
2. 全球水的循环
水的地质大循环可分为大循环和小循环2种途径（图6-1）。
图6-1 水的地质大循环简图（1012t/年） （背景图仿 Ricklefs Robert E，2004）
图6-2 生态系统中的水循环
3. 人类活动对水的地质大循环循环的干扰
（1）温室效应造成的影响 由于温室效应造成了全球气候变暖，两极的冰盖、冰川
周转率(R)：系统达到稳定状态后，某一组分（库）中的物质在单位时间内 所流出的量（FO）或流入的量（FI）与库存总量（S）的比值。
周转率(R)=FI/S= FO/S 周转期(T)：物质更新所需要的时间。
周转期(T)=1/R 物质的周转率用于生物的生长称为更新率(refresh rate)。 不同生物的更新率相差悬殊 。
表6-4 全球各圈层中磷的分布与储量（×106t）
圈层
储量
圈层
岩石圈
生物圈
岩石
5×1010
陆地生物
可开采的磷矿 15000
淡水生物
水圈
海洋生物
淡水
108
人类
海洋
110000
土壤圈
62000
大气圈
（引自骆世明，2001）
储量
1805 0.34 60.4 0.62
0.013
磷循环属于较简单的沉积型循环，缓冲力较小。
二、生态系统内能流与物流的关系
生态系统内同时存在着能流与物流，它们相伴而行，相辅 相成，且不可分割。
能流是物流的动力，物流是能流的载体。任何生态系统的存在和发展，都 是能流与物流同时作用的结果，二者有一方受阻都会危及生态系统的存在和延 续。
物质也好，能量也好，不管它们的形态发生怎样的变化，都遵循着“物质 不灭、能量守恒”的原则。
图6-5 全球磷的地质大循环简图（亿t/年） （参照骆世明，1987）
如何减少水土流失，将磷素保留在生物小循环之内，是农业生态系统控制磷 素循环的关键所在。
2. 人类活动对磷循环的干扰
（1）磷矿资源的开采与消耗
赤潮
（2）磷肥的施用与流失