第四章農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的功能2

第四章農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的功能淮安生物工程高等職業(yè)學(xué)校

第四章農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的功能

第一節(jié)農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的能量流動(dòng)

一、能量流動(dòng)的基本規(guī)律

(一)能量

1、能量：在物理學(xué)上指的是物質(zhì)具有作功的能力。

一般把能分為兩種存在形式：潛能和動(dòng)能。

潛能是靜態(tài)能量，它是存在于物體內(nèi)部的化學(xué)能量，具有作功的潛在能力。

動(dòng)能則與物體本身的質(zhì)量、運(yùn)動(dòng)速度和相對(duì)位置有關(guān)，動(dòng)能是物理學(xué)上所主要討論的能量形式。

2、形態(tài)：日光能、化學(xué)能、動(dòng)能、熱能

3、單位：度量卡或千卡、焦耳(二)能量來(lái)源

1.太陽(yáng)能：占99%以上

2.輔助能：生態(tài)系統(tǒng)中除太陽(yáng)能以外的一切其它能量輸入稱(chēng)為輔助能。

(1)自然輔助能：如地?zé)崮堋⒊毕?、核能等?lt;1%

(2)人工輔助能：人畜力、燃料、電力、肥料、農(nóng)藥等

生物輔助能：來(lái)自生物有機(jī)體或生物有機(jī)物的能量。

工業(yè)輔助能包括直接輔助能和間接輔助能潮汐畜力風(fēng)能煤礦畜力畜力

潮汐

風(fēng)能

煤礦

(三)能量流動(dòng)的基定律

1、熱力學(xué)第一定律---能量守恒：進(jìn)入農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的太陽(yáng)能和輔助能，不會(huì)自行消滅，而是以嚴(yán)格的當(dāng)量比例，由一種形式轉(zhuǎn)換成另一種形式。

即ΔE=ΔQ+ΔW。ΔE表示系統(tǒng)內(nèi)能的變化，ΔQ表示系統(tǒng)吸熱或放熱，ΔW表示自身做功或系統(tǒng)對(duì)外做功。。

2、熱力學(xué)第二定律---能量遞減：進(jìn)入農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的能量在不同營(yíng)養(yǎng)級(jí)之間轉(zhuǎn)換時(shí)，上一營(yíng)養(yǎng)級(jí)的能量只能部分地被下一營(yíng)養(yǎng)級(jí)生物有效利用。

(四)能量流動(dòng)的特征

1.能流是單向流動(dòng)

2.能流是能量不斷遞減的過(guò)程

3.能量流動(dòng)的途徑和渠道是食物鏈和食物網(wǎng)

四、農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的生物生產(chǎn)（重點(diǎn)）

（一）生產(chǎn)力的概念

１、物質(zhì)生產(chǎn)力的概念

單位時(shí)間內(nèi)、單位面積上生產(chǎn)的有機(jī)物質(zhì)的多少稱(chēng)為生態(tài)系統(tǒng)的生產(chǎn)力。是任何生態(tài)系統(tǒng)基本的數(shù)量特征，其大小標(biāo)志著能量轉(zhuǎn)化效率和物質(zhì)循環(huán)效率的高低，是生態(tài)系統(tǒng)功能的具體體現(xiàn)。

衡量生產(chǎn)力高低的兩個(gè)指標(biāo)：

一是總物質(zhì)生產(chǎn)量指包括呼吸和消耗在內(nèi)的同化總量；

二是凈物質(zhì)生產(chǎn)量指除去呼吸消耗后，以生物有機(jī)體組織或貯藏物質(zhì)的形式體現(xiàn)出的生產(chǎn)量，如植物干物質(zhì)生產(chǎn)量、產(chǎn)量，動(dòng)物產(chǎn)品數(shù)量等。2、初級(jí)生產(chǎn)和次級(jí)生產(chǎn)

(1)初級(jí)生產(chǎn)：是指自養(yǎng)生物把太陽(yáng)輻射能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能，把無(wú)機(jī)物質(zhì)轉(zhuǎn)化為有機(jī)物質(zhì)的生產(chǎn)。

又稱(chēng)第一性（次）生產(chǎn)。

初級(jí)生產(chǎn)者：包括綠色植物和化能合成細(xì)菌等。

(2)次級(jí)生產(chǎn)：指動(dòng)物、微生物直接或間接利用初級(jí)生產(chǎn)的產(chǎn)品進(jìn)行的物質(zhì)生產(chǎn)。

是生態(tài)系統(tǒng)的第二性生產(chǎn)。

次級(jí)生產(chǎn)者:大農(nóng)業(yè)中的畜牧水產(chǎn)業(yè)和蟲(chóng)、菌業(yè)生產(chǎn)都屬次級(jí)生產(chǎn)。光能自養(yǎng)型（硫化細(xì)菌）

（二）初級(jí)生產(chǎn)力與光能利用率低的原因（掌握）

1、漏光損失影響光能利用率

2、光飽和限制造成光能浪費(fèi)

3、呼吸消耗造成光合產(chǎn)物的耗損

4、光能利用率受環(huán)境條件及生理狀況的限制

（三）提高農(nóng)業(yè)初級(jí)生產(chǎn)力的途徑（重點(diǎn)掌握）

1、因地制宜，增加綠色植被覆蓋，充分利用太陽(yáng)輻射能，增加系統(tǒng)的生物量通量或能通量，增強(qiáng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。2、適當(dāng)增加投入，保護(hù)和改善生態(tài)環(huán)境，消除或減緩限制因子的制約。3、改善植物品質(zhì)特點(diǎn)，選育高光效的抗逆性強(qiáng)的優(yōu)良品種。4、加強(qiáng)生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)部物質(zhì)循環(huán)，減少養(yǎng)份水分制約。5、改進(jìn)耕作制度,提高復(fù)種指數(shù),合理密植,實(shí)行間套種,提高栽培管理技術(shù)。6、調(diào)控作物群體結(jié)構(gòu)，盡早形成并盡量維持最佳的群體結(jié)構(gòu)。

（四）次級(jí)生產(chǎn)在農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)中的地位和作用

1.轉(zhuǎn)化農(nóng)副產(chǎn)品，提高利用價(jià)值

2.生產(chǎn)動(dòng)物蛋白質(zhì)，改善食物構(gòu)成。

3.促進(jìn)物質(zhì)循環(huán)，增強(qiáng)生態(tài)系統(tǒng)功能。

4.提高經(jīng)濟(jì)價(jià)值。

（五）初級(jí)生產(chǎn)與次級(jí)生產(chǎn)的關(guān)系

1.次級(jí)生產(chǎn)依賴(lài)初級(jí)生產(chǎn)。

2.合理的次級(jí)生產(chǎn)促進(jìn)初級(jí)生產(chǎn)。

3.過(guò)度放牧破壞初級(jí)生產(chǎn)，使草原退化。

（六）提高次級(jí)生產(chǎn)力的途徑（重點(diǎn)掌握）

1.改善次級(jí)生產(chǎn)者的構(gòu)成，使初級(jí)產(chǎn)品得到多次轉(zhuǎn)化

⑴發(fā)展食草動(dòng)物

⑵充分利用水面等非耕地，開(kāi)發(fā)非耕地生產(chǎn)能力

⑶充分利用腐生食物鏈進(jìn)行物質(zhì)生產(chǎn)

⑷有效利用分解能

2.協(xié)調(diào)飼養(yǎng)量和飼料量的關(guān)系，提高轉(zhuǎn)化效率

3.選擇和生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)飼料

4.科學(xué)的飼養(yǎng)技術(shù)

5.控制家畜的非生產(chǎn)性消耗

第二節(jié)農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的物質(zhì)循環(huán)

物質(zhì)循環(huán)：指生態(tài)系統(tǒng)的一切物質(zhì)在生物與環(huán)境不同組分之間的頻繁轉(zhuǎn)移和循環(huán)流動(dòng)。包括有機(jī)物、無(wú)機(jī)物、化學(xué)元素和水（作為介質(zhì)）

生物地球化學(xué)循環(huán)：各種化學(xué)元素和營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，在不同層次、不同大小的生態(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)，簡(jiǎn)稱(chēng)生物地化循環(huán)。

而那些生命必需元素和無(wú)機(jī)化合的移動(dòng)，則稱(chēng)之為養(yǎng)分循環(huán)。

養(yǎng)分循環(huán)一詞被更多地稱(chēng)做礦質(zhì)養(yǎng)分循環(huán)或礦質(zhì)循環(huán)，而不用于碳、氧、水等這樣一些生命必需的、非礦質(zhì)的元素成分或化合物的循環(huán)。一、生態(tài)系統(tǒng)物流的一般特點(diǎn)

（一）生命活動(dòng)中的營(yíng)養(yǎng)元素

1.基本元素：>1%：C、O、H、N、K

2.大量元素：0.1-1%Ca、Mg、P、S、Cl、Fe、Cu

3.微量元素：<0.1%:Al、B、Br、F、I、Mn、Mo、Si、Zn等

（二）物質(zhì)循環(huán)的庫(kù)與流

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。

2.流：物質(zhì)在庫(kù)與庫(kù)之間的轉(zhuǎn)移運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。

能流、物流、信息流使生態(tài)系統(tǒng)中各組分聯(lián)系起來(lái)。

（三）物質(zhì)循環(huán)的特征（一般了解）

物質(zhì)循環(huán)在生態(tài)系統(tǒng)中是時(shí)刻進(jìn)行的，并與能量流動(dòng)緊密結(jié)合在一起，它們把各個(gè)組分有機(jī)地結(jié)合在一起，共同構(gòu)成及其復(fù)雜的能量流動(dòng)與物質(zhì)循環(huán)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，從而維持了生態(tài)系統(tǒng)的存在。

物質(zhì)循環(huán)是雙向流動(dòng)，而能量流動(dòng)則是單向的，是不可逆的。（四）物質(zhì)循環(huán)的類(lèi)型

１.基本形式：

生物地球化學(xué)循環(huán)化學(xué)元素在生物圈內(nèi)從環(huán)境-生物-生物-環(huán)境的流動(dòng)和循環(huán)。包括：

（１）地質(zhì)大循環(huán)：在五大自然圈（大氣圈、水圈、巖石圈、土壤圈、生物圈）進(jìn)行循環(huán)。

特點(diǎn)：時(shí)間長(zhǎng)，范圍廣，閉合式。

（２）生物小循環(huán)：在生態(tài)系統(tǒng)水平上。

特點(diǎn)：時(shí)間短、范圍小、開(kāi)放式。(如下圖)

２.物質(zhì)循環(huán)的類(lèi)型：根據(jù)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)生物小循環(huán)是指環(huán)境中的物質(zhì)或元素經(jīng)初級(jí)生產(chǎn)者吸收作用，繼而被各級(jí)消費(fèi)者轉(zhuǎn)化和分解者還原，并返回到環(huán)境中；其中大部分很快又被初級(jí)生產(chǎn)者再次吸收利用，如此不斷進(jìn)行的過(guò)程。生物小循環(huán)的特點(diǎn)是：歷時(shí)短，范圍小，而且呈開(kāi)放式循環(huán)地質(zhì)大循環(huán)的特點(diǎn)是：歷時(shí)長(zhǎng)，范圍大，而且呈封閉式循環(huán)生物小循環(huán)

（２）氣相型循環(huán)：

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

代表物質(zhì)：C、O、N、F

（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

３.農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)物質(zhì)循環(huán)：二、幾種重要的物質(zhì)的循環(huán)

（一）水循環(huán)：

1、水循環(huán)過(guò)程：從全球范圍看，水循環(huán)主要由四大過(guò)程組成：蒸發(fā)、水汽輸送、降水、徑流。

對(duì)一個(gè)地區(qū)而言，降水進(jìn)入陸地生態(tài)學(xué)系統(tǒng)后將發(fā)生以下一系列過(guò)程：

①植被截流：這使部分降水隨后蒸發(fā)汽化，部分養(yǎng)分隨淋洗液進(jìn)入土壤；

②蒸發(fā)蒸騰：水分進(jìn)入再循環(huán)；

③入滲：即降水滲入地下；

④滲流：入滲的水滲流到土壤深層直至地下水中

⑤滯留：即多余的水停蓄于地表洼陷處；

⑥坡面流：即水分沿地面向低處流動(dòng)；

⑦壤中流：水分在土層內(nèi)順坡向流動(dòng)并引起地下水運(yùn)動(dòng)

⑧徑流：將水最終導(dǎo)入河流入海。

2、農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的水分平衡：

輸入項(xiàng)：降水(Ｒ)、灌溉(Ｉ)、地下水上升(Ｕ)

輸出項(xiàng)：蒸發(fā)蒸騰(ET）、滲漏(P)、側(cè)漏(S)、排水(D)以及農(nóng)田持水(O)。

3、水分流、養(yǎng)分流與能流的關(guān)系

（1）水循環(huán)由日光能驅(qū)動(dòng)：太陽(yáng)能使冰雪融化，液態(tài)水變?yōu)闅鈶B(tài)水進(jìn)入大氣。太陽(yáng)輻射所引起的大氣環(huán)流導(dǎo)致水汽的移動(dòng)及水汽受冷凝結(jié)致雨，從而在海洋、大氣、陸地、地表水和地下水之間形成循環(huán)流動(dòng)。

（2）生命必需的元素除碳、氧、氮外，多種營(yíng)養(yǎng)元素是通過(guò)水進(jìn)入生態(tài)系統(tǒng)的。

其中數(shù)量最大的離子形態(tài)養(yǎng)分是Ca2+，Na+，K+，NO3-，PO43-，SO42-和CO32-。

（3）植物吸收養(yǎng)分必須在水分作為介質(zhì)，在能量的驅(qū)動(dòng)下才能完成。

4、人類(lèi)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)興建大型的截留、蓄水、引水、灌溉工程

(3)過(guò)度開(kāi)采地表和地下貯水庫(kù)

(4)圍湖造田：地表水蓄水、調(diào)洪能力降低，易造成地區(qū)性干旱（如濕地的減少）5、我國(guó)水資源開(kāi)發(fā)利用方面存在的問(wèn)題

（1）現(xiàn)有水利設(shè)施不能適應(yīng)農(nóng)業(yè)和現(xiàn)代化建設(shè)的需要。

（2）現(xiàn)有水利工程及田間渠系配套等遺留問(wèn)題比較多。

（3）水體污染日趨嚴(yán)重。

（4）地下水的超采嚴(yán)重（如在北方旱區(qū)、一些大中城市中），形成地下水位下降和地下水漏斗以及地面下沉現(xiàn)象。

6、農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的水分管理

（1）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。

（2）加強(qiáng)農(nóng)田水利基本建設(shè)，提高水分利用率

（3）改變耕作制度與管理方式，發(fā)展節(jié)水農(nóng)業(yè)

（4）防治水體污染

（5）加強(qiáng)全流域的水資源保護(hù)與統(tǒng)一調(diào)度(二)碳循環(huán):全球循環(huán)也是典型的氣相循環(huán)

1、碳的貯存庫(kù)

(1)大氣圈（CO2）

(2)生物圈（有機(jī)分子）

(3)土壤(有機(jī)質(zhì)）

(4)巖石圈（化石燃料和沉積巖）

(5)水圈（溶解CO2和碳酸鈣）

2、碳循環(huán)過(guò)程

(1)細(xì)胞水平上：光合作用和呼吸作用

(2)個(gè)體水平上：大氣CO2和植物之間

(3)生態(tài)系統(tǒng)水平上：大氣CO2---植物---動(dòng)物---微生物

(4)地質(zhì)大循環(huán)：如下圖

3、農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)中的碳素流動(dòng)

農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)中碳素流動(dòng)包括以下幾個(gè)過(guò)程：

（1）碳素通過(guò)作物的光合作用從大氣流向作物。

（2）碳素自作物流向土壤。

（3）碳素沿食物鏈向家禽家畜和人體流動(dòng)，再由人畜糞便及其遺體等重新進(jìn)入環(huán)境。

（4）土壤向大氣排放CO2。

（5）土壤向大氣排放CH4。

（6）人為施入土壤中的碳量，主要包括有機(jī)肥和化肥（尿素）中的碳量。

（7）作物收獲移出農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的碳量。

4、人類(lèi)活動(dòng)對(duì)碳循環(huán)的干擾及全球變化對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的可能影響

（1）全球變化是指由于人類(lèi)活動(dòng)排放溫室氣體而產(chǎn)生溫室效應(yīng)導(dǎo)致全球氣候變暖、降水量增加、海平面上升，并由此而產(chǎn)生一系列生態(tài)和環(huán)境變化的總稱(chēng)。

（2）人類(lèi)活動(dòng)對(duì)大氣中二氧化碳濃度的影響

（3）人類(lèi)活動(dòng)對(duì)大氣中甲烷濃度的影響

☆（4）溫室效應(yīng)：大氣中的二氧化碳、甲烷、一氧化二氮、臭氧、氯氟碳（CFCs）、水蒸氣等可以使短波輻射幾乎無(wú)衰減地通過(guò)，但卻可以吸收長(zhǎng)波輻射，因此，這些氣體有類(lèi)似溫室的作用，故稱(chēng)上述氣體為“溫室氣體”，由此產(chǎn)生的效應(yīng)稱(chēng)為溫室效應(yīng)。（三）氮循環(huán):是一種極其復(fù)雜的氣相循環(huán)

1、氮的貯存庫(kù)

(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)

2、氮素的輸入和輸出

(1)輸入：生物固氮，工業(yè)固氮，高能固氮：閃電、宇宙射線(xiàn)、損石、火山爆發(fā)

生物固氮：主要有共生固氮作用、自生固氮作用和聯(lián)合固氮作用三種類(lèi)型，其中，共生固氮作用貢獻(xiàn)最大。

(2)輸出：燃燒，揮發(fā)反硝化，滲漏3、氮循環(huán)

氮的循環(huán)與碳的循環(huán)大體相似，但很多環(huán)節(jié)上都有特定