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2024.07.25
世界是一个相互联系的整体，有其内在的一套自然规律，循环运转，生生不息。当我们把一个事物当做一个系统或者作为一个系统的一部分考虑的时候，很多问题就会迎刃而解，或者问题就变成了资源。
生态系统是活的有机体及其无机环境之间相互作用的完整系统。生态系统的组成包括生产者（植物和光合细菌）、消费者（人和动物）、分解者（微生物）和环境四部分。农业生态系统以人类的活动为中心，在一定条件下，以农作物、家畜、鱼类、林木、昆虫、微生物等农业生物为基础，与气候、土壤、水等相结合的非闭合能量、物质转化的体系。其中，人类的活动是否遵从了其系统本身的规律决定了这个系统的运转效率及其可持续性。
农业生态系统能量流动
四、农业生态系统的物质循环
生物有机体是一种特殊的物质形态，但最终也是由各元素的物质构成的，有机体在生命活动中，大约需要3040种物质元素，可分为三类：①能量元素（基本元素），包括碳、氢、氧、氮，是构成蛋白质、碳水化合物和脂肪三大主要物质的组成元素，是生物体内能量最多的元素；②大量元素，包括能量元素和钙、磷、钾、硫、钠等，是有机体内含量最多的元素，也是生命必需的；③微量元素，包括铜、锌、硼、锰、钼、铁、铝、铬、硅、碘等，它们在生物体内含量较少，但却是生命必不可缺的，是生命活动的催化剂。
生物地球化学循环
各种元素，在生物圈里沿着其特定的途径。从环境到生物，从生物到生物，再从生物到环境，这些不同情况的循环途径成为生物地球化学循环，它是物质循环的基本形式，其又分为地质大循环和生物小循环两种。地质大循环是指物质（元素）经生物利用，从环境进入生物有机体，生物有机体的排泄物和尸体又回到环境中，这些物质经过雨水侵蚀，水土流失，又流到江河湖海中，淤积于水底，逐渐形成岩石。由于地质运动，水底岩石裸露到陆地上，再经过风化把物质元素释放到环境中，被植物有机体吸收，在进入新的循环，这就是地质循环。地质循环的周期久远，可以以亿年来计的。生物小循环是指环境中的元素经过生物有机体呼吸、传递，进入生物有机体，而生物学排泄物和尸体又经过微生物的分解成无机物，然后，又被有机体吸收利用，如此往复循环，这就是生物小循环。作为人为参与的农业生态系统，我们是希望物质尽可能少的流失，而是以生物小循环的形式在本块土地上循环，以此形成相对可持续的发展。地质大循环与生物小循环相辅相成，他们构成了生物地球化学循环。
依据不同物质循环运行的形态不同，可以分为两大类型：①气态型物质循环，指物质循环转化过程主要贮存库在大气圈或水圈，以气态或液态存在，其特点是流动性大，周转率高，周转周期短。水、碳、氮的循环就是此类型。②沉积型循环，其物质以地壳作为贮存库，通过岩石风化或沉积物本身的分解作用，转变为可供生物利用的营养物质，它一经沉积，移动性小，一旦受局部性干扰容易造成不平衡。比如我们土壤磷、钾、钙、镁、铁、铜、锌等矿质元素，容易在某些地区出现缺乏或不平衡。然而，大家别忘了，我们土壤的前身也是岩石，它本身就含有说不清的矿质元素，而往往处于非活化状态，而不能被植物利用，这也是保护营养流失掉的一条途径，可以随着土壤的不断改良，植物生长的需求，而逐渐释放。因此，我们要充分了解自己农田土壤的各种物质元素含量背景，做好各元素的平衡管理，减少流失，补充缺乏。
水循环、碳循环、氮循环
1、水循环
这三种物质的循环属于气态型循环。其中水循环是生态系统中最基本的循环。它不仅影响其他循环的进行，也影响各种环境和生物因素的变化。很多循环以水循环为媒介或基础，可以说，没有水和水循环，物质生物地球化学循环就不能存在，生态系统功能不能进行，生命也不能维持。水循环是全球性的，太阳能把大气、海洋、大陆连成一个巨大的水系统。水是生物圈中最丰富的化合物。水分循环的主要贮存库为水库（河流、湖泊、海洋、冰川等）、土壤库（以地下水和土壤耕层保持的水分形式存在）、大气库、植物库和动物库（生物含水量）。水循环主要途径是地球表面与大气通过降雨和蒸发之间的相互变化。
地球上所有的水是一个整体，一处污染，整体受损，我们要保护水资源。尤其当前水资源紧张，农业用水更为堪忧。从农业耕作的角度看，要发挥生态系统各元素的功能增加水在本系统中的贮存量，比如，改良土壤提高土壤保水性，增加植被覆盖率提升植物库贮水等。
2、碳循环
碳对于生物体生命活动具有十分重要的意义，碳元素占生物体干重的49%。有碳作为主要元素参与的有机物，也是生态系统主要的能量载体。碳来自于大气，通过植物的光合作用进入农业生态系统，同时伴随着太阳能的贮存。植物形成的有机物被动物或人类采食，未被消化分解的有机物回到土壤形成有机质，滋养土壤中的生命体，最终被微生物分解，再被植物吸收利用，从而往复循环。
前面我们分析过，生态系统的能量如果不是被下一级的生命体吸收，就是以热的形式的在空气中耗散掉，从而逸出生态系统，而能量循环是单向的。因此，生态农业中，我们想要有好的产出，我们一方面要尽可能增加植物覆盖（包含“杂草”）来提高碳和能量的固定，另一方面要珍惜系统内能量体（有机物），提高利用率。比如植物秸秆和动物粪便含有大量的有机物，我们应该通过堆肥、覆盖或直接还田的形式来培肥土壤，让土壤中的生物利用这些有机物，丰富农田生物多样性，这就是把能量留在了农田里，土壤也就成了碳库和能量库。而如果你把秸秆焚烧掉，焚烧之后的草木灰虽然也是一种很好的肥料，但是这样一来就只有非常少量的矿物质回到了土壤，大量的含碳有机物质在焚烧中变成了二氧化碳，重新回到了大气里面，也就是说能量的部分全部浪费掉了。
从碳循环的角度，看不同作物有机种植的难度：从碳循环的角度来看，水稻的有机种植是几乎是所有作物里面最容易的。第一点：水稻我们人类利用的只是谷粒的部分。其余的部分都是可以还田的，这样一亩水稻还田的干有机物质的量可以达到几百公斤，所以水稻田的土壤改良只要把这块田的稻杆全部还田了，稻田的土壤就会越来越肥沃。而且水稻通常冬天休耕，这时候种上一季绿肥，不仅仅能够增加土壤有机质，还可以起到补充氮肥的作用。
3、氮循环
氮是生物体叶绿体、氨基酸、蛋白质、遗传物质等不可缺少的重要元素。氮的主要贮存库是大气，空气中氮含量为78%，但不能被绝大多数的生物直接利用，必须通过固氮微生物和蓝绿藻等生物固定，闪电和宇宙线的固氮，以及工业固氮途径，以硝酸盐或氨化合物形态，才能被生物利用。植物从土壤中吸收含氮化合物（或者固氮菌，如豆科植物），一部分以根或残茬还给土壤，其余进入食物链为其他生物消耗，最后成为废弃物或死物归还给土壤，最后通过微生物变成有效氮，再为植物所利用，如此在生态系统内往复循环。固氮植物对于对于自然界氮素平衡起着重要的作用。开发生物固氮资源，对增加农业生态系统的氮素输入，提高其生产力具有重要意义。通过工业固氮方法生产氮素化肥，需要消耗大量资源，且污染环境。因此，利用生物固氮（如种植豆科绿肥）来增加农业生态系统的氮素，是既廉价又无害的好方法。
磷等矿质元素循环
1、磷循环
土壤全磷是指土壤中各种形态磷元素的总和。我国土壤的全磷含量从第二次全国各地土壤普查的资料来看（1998），大致在0.44~0.85g·kg-1的范围内，最高可达1.8g·kg-1，低的只有0.17g·kg-1，分布规律是从南往北逐渐增加。北方石灰性土壤全磷含量则较高。土壤全磷含量的高低受土壤母质、成土作用和耕作施肥的影响很大。一般而言，基性火成岩的风化母质含磷多于酸性火成岩的风化母质。我国黄土母质全磷含量比较高，一般在0.57~0.70g·kg-1之间。另外，土壤中磷含量与土壤质地和有机质含量也有关系，黏土含磷多于砂土，有机质含量高的土壤含磷也多。
土壤中磷素的形态多样，相互之间不断转化，对磷肥的肥效和供磷能力产生影响。土壤中磷素按其化学结构分为有机态磷和无机态磷，分别占全磷含量20%~50%和50%~80%；按其溶解度可分为水溶性磷、枸溶性磷和难溶性磷，植物能够利用的前两种属于土壤中的速效磷，其含量仅约占土壤全磷的1%。因此，提高土壤中磷的有效性，是一项重要的满足植物磷需求的手段。
图：植物利用磷的形态相互转化
现行农业大量使用化学磷肥，不仅威胁磷资源的威胁，而且磷矿石、磷肥中往往含有重金属会污染土壤；同时磷素随水土流失进入水域后，会造成水体富营养化，影响水生生物的生长，减少鱼类资源。
2、其他矿质元素循环
矿质元素的循环属于沉积型循环，以地壳为贮存库，循环周期长，利用率低，利用手段与磷相似。人们对农业生产矿质元素的管理应本着尽量提高系统内对矿质元素的贮存和利用效率，必要时找到安全的矿粉资源进行补充。