第八章農業生態系統物質循環與污染控制第一節農業生態系統的物質循環農業：通過培育動物、植物、微生物等生物，為人類提供食品、纖維和其他產品及工業原料的產業。農業資源：一般只與農業生產相關的自然資源：包括土地、氣候、生物、水資源和用于制造肥料的礦產資源等。農業環境：農業生物賴以生存、生長、發育和繁衍后代的自然環境稱為農業生物環境，又稱農業環境。農業環境由自然環境和人工環境復合而成。第一節農業生態系統的物質循環農業生態系統：農業生物與農業環境共同構成了一個生態系統。在農業生態系統中，農業生物的大部分隨收獲物被帶到系統之外，同時還帶走了養分，打斷了物質的循環鏈。農業生態系統的物質高投入1.水資源投入2.養分投入3.農用化學藥劑的投入4.農用塑料制品第二節種植業體系的非點源污染與控制一、化學肥料的環境污染與控制不合理使用化肥會造成土壤污染.土壤退化和水.大氣污染.1.化肥中的有害物質及其土壤污染化肥對環境產生不利影響的途徑之一是通過其本身——主要成分，另外還可通過其所含有的副成分或微量成分以及其轉化物等。化肥中的有害物質（1）重金屬：鎘、鉛、汞等（2）無機非金屬：氟、氮、磷（3）有機化合物：磺胺酸鹽、三氯乙醛等第二節種植業體系的非點源污染與控制2.土壤性質的變化長期大量施肥導致土壤性質的變化和質量下降。施肥對土壤化學相知的影響主要表現在土壤酸化和結構破壞。目前的氮肥主要是銨態氮肥或在土壤中很快轉化為銨態氮的酰胺類肥料，銨離子容易將交換吸附態的鹽基離子置換下來，如果降水量或灌溉量過大，將導致鹽基離子的淋失和土壤酸化。土壤偏畸施肥可能導致其他營養元素的缺乏。第二節種植業體系的非點源污染與控制3.養分流失和地表水污染我國化肥當季利用率氮：30%-35%磷：10%-20%鉀：35%-50%農田N、P進入水域的主要途徑：農田排水、地表徑流、土壤侵蝕、揮發等其中揮發的氮素可通過降雨進入水體。

農用化學物質的淋失引起地面水體N、P營養元素濃度的升高，造成水體富營養化，給環境帶來很大的破壞作用。第二節種植業體系的非點源污染與控制4.養分流失和地下水污染氮肥的過量使用，會導致地下水中NO3-含量的增高施用鉀肥使地下水水化學類型變得復雜化施用磷肥對地下水污染較小

無論是硝氮、銨氮還是酰胺態氮肥，施入土中后，很快就會發生變化。

由于土壤膠體帶負電荷，硝化作用將容易被土壤膠體吸附、保持的NH4+轉化成移動性很強、不易被土壤膠體吸附的NO3-，從而增加了肥料氮在土壤中的移動性，使其容易受雨水、灌溉水的淋溶。第二節種植業體系的非點源污染與控制5.對大氣環境的影響主要對銨態肥中氨的揮發與硝化過程、土壤中硝態氮的反硝化過程有關。硝化過程：6、對作物產量和品質的影響化肥施用不當會影響作物生長和產品品質由于單施單一品種的化肥而忽略有機肥的使用就會使谷物和蔬菜的營養成分的含量降低。由于氮肥施用不當或過量而引起作物貪青倒伏，病蟲害增加，谷物籽實中含水量明顯升高以至于不易貯藏而發生霉變。此外，由于化肥的質量問題如副成分的存在也可能對作物造成污染。7、氮肥施用對蔬菜硝酸鹽積累的影響植物根系從土壤中吸收的硝酸鹽，經過體內硝酸酶作用還原成氨，再轉化成氨基酸等含氮化合物，以維持正常生長代謝的需要。但植物對體內吸收的硝酸鹽，往往由于受到許多環境條件的限制而不能充分加以同化，致使硝酸鹽累積于葉、莖和根中，這種累積對植物本身無害，但卻危害取食的人類和牲畜。8.化學肥料污染環境的原因（1）過多依賴化肥（2）化肥使用失衡和結構不合理一是肥料中氮、磷、鉀的比例不合理；二是肥料中品種構成不合理國產化肥氮、磷、鉀比例：1:0.36:0.07進口化肥氮磷:1：（0.4-0.45）：0.4（3）養分利用效率不高、氮素損失嚴重

肥料中養分結構比例不合理，化肥的肥效沒能很好發揮，是氮肥利用率不高的一個重要原因。此外，氮肥資源配置不合理、施肥技術不適當、農藝措施不配套等也是重要原因。（4）與肥料使用有關的環境問題9.化學肥料的污染控制促進養分資源的再循環和再利用充分利用土壤養分資源發掘生物學潛力、提高養分資源的利用效率改進施肥技術、提高肥料利用率開發化肥新品種、改進化肥的制造方法肥料養分資源的宏觀管理加強生態建設，防止水土流失二、農用化學藥劑的污染與控制農藥是農用化學藥劑的簡稱，它是指用于防治危害農林作物及農林產品的害蟲、螨類、病菌、雜草、線蟲、鼠類等有害生物的化學物質，以及提高這些藥劑的防治效果的各種輔助劑、增效劑等。此外，農藥還包括植物生長調節性物質。農藥本身就是有毒物質,在殺滅病蟲害的同時也帶來了對自然環境的污染和對人體健康的危害.農藥的重要地位

防治病、蟲、草、鼠害，調節農作物生長全世界由于病、蟲、草、鼠害而損失的農作物收獲量相當于潛在收獲量的三分之一，如果一旦停止用藥或嚴重的用藥不當，一年后將減少收成25－40％（與正常用藥相比），兩年后將減少40－60％以至絕產。

我國平均每年挽回糧食2500萬噸、棉花40萬噸、蔬菜800萬噸、果品330萬噸，減少經濟損失約300億元。

R=C-Kt農藥的殘留量與使用量及時間的關系：R－農藥的殘留量；C－農藥使用量；K－取決于農藥品種及土壤性狀等因素的常數；t－時間。農藥的殘留農藥殘留是指田間使用農藥后，在動植物體、土壤和環境中農藥原藥及其有毒的代謝物、降解轉化產物和反應雜質的數量。當農藥的殘留量為原施用量一半時所用的時間稱為半衰期。農藥的半衰期常用來表示農藥的穩定性。半衰期長，農藥穩定，不易降解，容易被植物、動物吸收、通過食物鏈對人體造成毒害。農藥殘毒就是指農藥殘留對人畜的毒性。農作物與食品中殘留農藥的由來1.農田施藥后農藥對作物的直接污染內吸性藥劑被植物根、莖、葉吸收，并隨植物體內水分、養分的輸導而傳播，引起的污染問題比較嚴重。如氟乙酰胺、內吸磷、乙拌磷。對于這類藥劑嚴禁用于煙、茶、蔬菜及稻麥等糧食作物。滲透性強的有機磷（OP）農藥如甲基對硫磷、對硫磷、殺螟松等，在作物上表現出一定程度的深達性。2．作物從污染環境中吸收農藥在田間用藥時，大部分農藥是散落在農田中，有些飄散到大氣中，有些農藥性質穩定、不易降解、殘存的農藥可以被后茬作物吸收。有些報道表明，某些茶區雖已禁用DDT、六六六多年，但采取的茶葉中仍可檢測出較高含量的DDT和六六六以及代謝產物。水生植物從污染水質中吸收農藥的能力比陸生植物從土壤中吸收能力強。3．生物富集與食物鏈生物富集與食物鏈是促使食品含有農藥的重要原因。生物富集，又稱生物濃縮，是指生物體從生活環境中不斷吸收低劑量農藥，并逐漸在體內積累的能力。食物鏈，動物吞食有殘留農藥的作物或生物體后，農藥在生物體間轉移的現象。如：在農田噴灑有機氯殺蟲劑毒殺芬后，撒落在農田的農藥污染了附近水域，使水中含有1PPB，經過一段時間后，在水中生長的藻類植株貯存量達0.1～0.3PPM（濃縮100～300倍）；取食藻類的小魚體內含量達3PPM（與水相比3000倍）；取食小魚的大魚體內含量達8PPM（與水相比8000倍）；食魚性水鳥體內含量則高達39PPM（與水相比39000倍）。生物富集與食物鏈可使農藥的殘留濃度提高至數百至數萬倍。農藥對環境的影響1、農藥對水體的影響（1）進入水體的途徑:a.農田施藥后，由于地表水的流動、降雨或灌溉流入溝渠和江河，從而污染水體b.水體中有害生物的防治用藥污染水體c.農藥生產廠的廢水排放d.河流洗滌施藥工具（2）水體中農藥的遷移和轉化揮發水解光解氧化還原生物降解生物體吸收和富集底泥吸附和解吸2、農藥對大氣的影響（1）進入大氣的途徑：a.地面或飛機噴施農藥b.農藥施用后，土壤、水體和葉面的揮發c.農藥生產廠的廢氣排放（2）大氣中農藥的遷移和轉化向高層擴散、飄移光化學分解氧化水解干濕沉降3、農藥對土壤的影響（1）進入土壤的途徑：a.施藥后農藥直接落入土壤b.作物上的農藥因風吹雨淋落入土壤c.浸種、拌種、毒谷等施藥方式使農藥直接進入土壤d.農藥生產廠廢氣的干濕沉降e.廢水向土壤的排放f.農藥運輸過程中的事故泄露（2）農藥在土壤中的遷移和轉化吸附淋溶地表徑流降解與轉化揮發4、農藥對生物的影響（1）農藥在環境中的生物富集（2）對昆蟲的影響（蜜蜂）1、害蟲的再猖獗2、次要害蟲的上升3、防治對象產生抗藥性害蟲的再猖獗是指使用某些農藥后，害蟲密度在短時期有所降低，但很快出現比未施藥的對照區增大的現象。次要害蟲的上升次要害蟲上升是指使用某些農藥后，農田生物群落中原來占次要地位的害蟲，由原來的少數上升為多數，變為為害嚴重的害蟲。4、農藥對生物的影響（3）對水生生物的影響（4）對鳥類的影響（5）農藥在作物上的殘留（6）農藥對人類的危害急性中毒慢性中毒5、農藥污染的控制現有農藥的安全使用加強農藥管理，實行農藥登記制度現有農藥的合理使用，低毒高效農藥的研制（植物源天然產物農藥）改進劑型和施藥技術有害生物的綜合防治我國禁用的農藥1.六六六、DDT：高殘留農藥，1983年停產。2.毒殺芬：有機氯類農藥，用量大，分解慢，高殘留，易積累中毒，影響人體健康。3.二溴氯丙烷：致突變、致癌作用；對男性會毒害精子，引起不育。4.殺蟲脒：致癌，1990年起三年內停止生產，1993年起停止在農業上使用。5.二溴乙烷：致癌、精子（卵子）遺傳失常。6.除草醚：高毒除草劑，對動物有致畸、致突變、致癌作用，多數國家已禁止使用，我國2000年12月31日停產．2001年12月31日停止銷售。7.敵枯雙：致畸作用。8.氟乙酰胺：劇毒，二次中毒。嚴禁在農業上使用，嚴禁作為殺鼠劑銷售和使用。9.艾氏劑、狄氏劑：高殘留。10.汞制劑：慢性毒性。11.氟乙酸鈉：劇毒殺鼠劑，易發生二次中毒，造成豬、狗、貓死亡，市場上銷售的氣體系鼠劑針劑，便含有氟乙酸鈉。12.氟乙酰胺：急性劇毒殺鼠劑，易發生重復中毒，且無警戒氣味，不僅禁止在農作物上使用，也不準做殺鼠劑銷售和使用。13.砷鉛類14.甘氟、毒鼠硅15.甲胺磷、甲基對硫磷、對硫磷、久效磷、磷胺，2007年1月1日起全面禁用。限制性使用的農藥：在水稻田禁用擬除蟲菊酯類農藥。（又決定試驗）；在果樹、蔬菜、茶葉、中草藥材上不得使用和限制使用的農藥有：甲拌磷、甲基異柳磷、特丁硫磷、甲基硫環磷、治螟磷、內吸磷、克百威、涕滅威、滅線磷、蠅毒磷、硫環磷、地蟲硫磷、氯唑磷、苯線磷14種高毒農藥；禁止氰戊菊酯、三氯殺螨醇在茶樹上使用；停止仲丁威作為衛生用殺蟲劑的登記；自2002年6月1日起，禁止氧化樂果在甘藍上登記；丁酰肼，限制使用作物為花生。農藥廢棄物污染現狀

農藥廢棄物包括被禁止使用但仍有庫存的農藥、過期失效的農藥、假劣農藥、農藥施用后剩余的殘液、盛裝農藥容器的沖洗液、農藥包裝物(瓶、桶、袋)、被農藥污染的外包裝物或其他物品等。

凡是生產和使用農藥的國家，都難免要產生農藥廢棄物，而我國是最大的農藥使用國，農藥廢棄物污染更為嚴重。據中國農藥信息網報道，經過調查研究表明，農民施藥后對清洗噴霧器的沖洗液處理方式為：44.7%的人直接倒入溝渠中，41%的人直接倒入地里，14.4%的人倒在水源（主要指水井）邊。在處理農藥包裝瓶或包裝袋時，有65.2%的人隨便扔在田間地頭或河里，約3.2%的人燒掉。聯合國糧農組織的資料顯示，世界上約有50萬噸農藥廢棄物，其中亞洲約有20萬噸。報道中還指出，江西省常年農藥用量，在4-5萬噸，每畝農田上殘留的農藥包裝物為5-10個，每年丟棄的農藥包裝物在2億個以上。

據此推算，如果按我國每年用藥量46萬噸計算，每年產生的農藥包裝物為18.4－23億個。據《技術開發與貿易機會》報道，我國每年的農藥包裝廢棄物約有32億個。由此可見，農民施藥過程中出現的農藥廢液及農藥包裝物，已經成為農藥廢棄物管理的重點。這些廢棄物如果不加強控制與管理，勢必對人類的健康造成潛在的危害及環境污染。所以，農藥廢棄物的安全處理對人類的生存環境至關重要。三、農用塑料制品的污染與控制農用塑料制品中主要是農膜對土壤質量和植物的生長有一定的影響。長期存在于土壤中的殘膜可嚴重影響作物根系的生長發育、水肥運移，致使作物減產。另外，為增加薄膜彈塑性的添加劑鄰苯二甲酸-2-異丁酯等化學物質，隨水溢出后滲入土壤，對植物根系產生毒害。農膜的殘麼碎片還會隨農作物的秸稈和飼料進入農家，牛、羊等家畜誤食后，可能導致胃腸功能失調，造成危害。四、農業系統中的溫室氣體排放（一）甲烷（CH4）甲烷是一種重要的溫室氣體，單分子的溫室效應效率是CO2的70倍。它主要來自于地表，可分為人為源和自然源。人為源包括天然氣泄漏、石油煤礦開采及其它生產活動、熱帶生物質燃燒、反芻動物、城市垃圾處理場、稻田等。自然源包括天然沼澤、濕地、河流湖泊、海洋、熱帶森林、苔原、白蟻等。甲烷的產生和消除的領域主要包括廢物處理、農業、燃料逸出性排放、與能源相關或無關的工業、土地變化和林業等。

全球甲烷排放源約為5.35(4.10-6.60)億噸/年,其中自然源1.60(1.10-2.10)/年,人為源3.75(3.00-4.50)億噸/年，人為源約占70％。在各種排放源中，稻田排放量約占總排放量的11%，反芻動物排放量約占總排放量的15%，生物質燃燒約占8%。可見農業生態系統是大氣甲烷的重要來源。（一）甲烷1、水稻田（1）稻田甲烷排放機理水稻田甲烷的釋放量，實際上是產甲烷菌利用田間植株根際部位的有機物質轉化成甲烷的數量出去水稻田根際部位甲烷氧化菌對甲烷氧化的量。（2）甲烷在土壤中產生分兩步微生物在稻根上或稻根內產生H2H2被轉移到根際土壤，并由其中生長的產甲烷菌轉化成CH4（一）甲烷（3）稻田甲烷釋放規律①日變化：產甲烷菌兩個最佳活性溫區：37℃、53℃中午和下午，CH4釋放率高②季節性變化：稻田甲烷排放的兩個高峰期：分蘗期花期到成熟期之間（孕穗期）（4）影響稻田甲烷釋放的因素a.土壤類型b.溫度c.pH值d.水分e.施肥（一）甲烷（一）甲烷2、畜牧業（反芻動物）反芻動物食入飼料后，首先在瘤胃中對其進行厭氧發酵，瘤胃中的微生物把碳水化合物和其它植物纖維發酵成可繼續分解和消化利用的物質，同時產生甲烷。（二）一氧化二氮（N2O）1、N2O的排放機制農業生態系統排放的N2O主要是由土壤中微生物活動產生的硝化作用反硝化作用（二）一氧化二氮（N2O）（2）影響土壤N2O釋放的因素a.土壤pH值b.溫度c.施肥d.有機質e.土壤濕度和氧分壓

（三）二氧化碳CO21、CO2的排放機制土壤呼吸2、減少CO2釋放的措施a.減少礦物、生物質燃燒是關鍵b.農業上：擴大綠色植被面積、提高林木覆蓋率，提高光能利用率來減少CO2的排放量第四節環境污染的生物修復一、生物修復的概念和分類生物修復又稱污染生物凈化，是指利用植物、微生物對環境中的污染物質進行吸收、富集、降解和轉化，去除污染物質毒害作用的過程。根據生物修復主體的不同，分為植物修復、微生物修復和動物修復根據生物修復的特點，分為原位生物修復和易位生物修復二、生物修復特點優點：投資費用省，對環境影響小，能有效降低污染物濃度，適用于在其他技術難以應用的場地，而且能同時處理受污染的土壤和地下水。缺點：1、不能降解所有污染物;2、污染物濃度過低,無法正常降解;三、微生物修復微生物進行生物修復作用的實質，是利用分解環境污染物為其提供碳源、氮源或能源的過程，或者在自身進行代謝活動的同時，對污染物質進行生物化學的轉化過程。機理：降解作用：共代謝作用去毒作用生物氧化-還原生物積累和生物吸附四、植物修復通過自然生長植物或遺傳工程培育植物系統及其根際微生物來吸收、移去、揮發或穩定環境污染物。植物修復分為以下幾種：植物提取：忍耐、吸收和積累污染物植物鈍化：植物穩定化植物揮發植物的空氣凈化植物分解根系過濾植物在土壤修復中應用（1）植物對金屬去除

①植物固定：植物通過根系過濾、固定和鈍化使重金屬吸附于植物地下部分表面,從而降低生物有效態,達到減輕污染效果.植物根際微環境發揮重要作用.

②植物揮發：利用植物吸取、積累、揮發作用而減少重金屬在土壤富集,揮發出土壤表面和植物的過程.

③植物吸收（抽提）：利用一些專性植物（超累積植物）根系對特定污染物(有機物和重金屬)吸收特性,將污染物吸收并在植物地上部分積累,再通過收獲地上部分而減少污染物。