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第五章农业生态系统的功能-物流•生物地化循环的概念•水循环•气体型循环•沉积型循环•有毒物质的迁移和转化•放射性核素循环•生物地化循环与人体健康§1生物地化循环的概念•生物地化循环•生物地化循环的特点•生物地化循环的类型生物地化循环(biogeochemicalcycle)•矿物元素在生态系统之间的输入和输出，它们在大气圈、水圈、岩圈之间以及生物间的流动和交换称生物地(球)化(学)循环，即物质循环(cyclingofmaterial)。生物地化循环的特点•①物质循环不同于能量流动，后者在生态系统中的运动是循环的；•②生物地化循环可以用库和流通率两个概念来描述。库是由存在于生态系统某些生物或非生物成分中一定数量的某种化学物质所构成的，可分为贮存库和交换库。前者的特点是库容量大，元素在库中滞留的时间长，流动速率小，多属于非生物成分；交换库则容量较小，元素滞留的时间短，流速较大。物质在生态系统单位面积(或单位体积)和单位时间的移动量称流通率。•③生物地化循环在受人类干扰以前一般是处于一种稳定的平衡状态。•④元素和难分解的化合物常发生生物积累、生物浓缩和生物放大现象。生物地化循环的类型•水循环•气体型循环•沉积型循环§2水循环(aquaticcycle)•水循环的意义：水是所有营养物质的介质；水对物质是很好的溶剂；水是地质变化的动因之一。•水循环的途径•人类活动对水循环的影响：空气污染和降水；改变地面，增加径流；过度利用地下水；水的再分布。海水用作农业生产用水•对承受着巨大人口压力而拥有18000km漫长海岸线和20779km2沿海滩涂的我国,发展海水灌溉农业的经济、社会、生态意义可想而知。•海水农业指在沿海盐碱荒地或内陆盐碱地上,种植能用海水直接浇灌的盐生、有经济价值作物的农业。•海水农业开辟了扩大直接利用海水的领域,已作为现代化农业的一个新分支正在兴起,是人类面临自然灾害、生态环境恶化的合理选择与有效对策,也是21世纪农业领域令人注目的发展方向。•海水灌溉农业相当于“海水灌溉耐盐作物业”,包括需要人工增水的滨海湿地的海洋林业。•从大农业系统的结构看,海水农业是农业分支;而海水灌溉农业又是海水农业的分支。海水灌溉农业不但区别于一般陆地农业,而且区别于其他海水农业。海水灌溉农业它区别于其他海水农业的特点有两点:•①海水灌溉农业是用海水或者与淡水混合的水进行灌溉。•世界上的植物能与海水相容的很多,由于地球上的海水是淡水的近百倍,海水植物的数量应该超过淡水植物。•但大多数海水植物直接生活在海水环境中,如海带等藻类,红树林等木本植物,它们无须人工灌溉。•灌溉是指通过渠道和管道把水引进田间以满足作物对水需求的生产活动,包括地面灌溉、地下灌溉和空中灌溉——喷灌、滴灌、人工降雨等。•目前需要和能够用海水灌溉的植物只是植物王国的极小部分。•②海水灌溉农业的生物资源可以是海中植物,也可以是陆上植物,追求的目标是用海水灌溉陆上植物。•因此,简单定义:“海水灌溉农业是以海水资源、沿海滩涂资源和耐盐植物为劳动对象的特殊农业。”•海水灌溉农业明显的特点是海陆两大地理单元的资源交叉组合。•陆地农业的水、土、苗是陆地体系的:海洋农业中的海藻种植、红树林栽培，水、土、苗是纯海洋的;而海水灌溉农业中的水、土是海洋的,植物却是陆生的。•这种资源体系的二元化是海水灌溉农业本质的特征，体现海水灌溉农业节水、产品独特等优点,直接制约着产业分布,限制在沿海岸线的狭长地带,土地高程一般不高于海平面。中国发展海水灌溉农业的重要性•人均土地资源和淡水日益缺乏,海水灌溉农业是合理选择•巨大生态环境价值,决定海水灌溉农业的地位•独特产品使海水灌溉农业具有独特经济价值•海水灌溉农业的成功有可能为内陆盐碱地农业利用开辟道路•自1985年以来,中国大陆每年净增人口1500～1800万,而耕地面积仅占大陆国土的14%,人均耕地不及世界平均数据的1/2,全国有666个县人均耕地低于联合国食物和农业组织确定的0.53hm2警戒线。•耕地的质量不高,分布在平原、盆地的仅占34%。人均土地资源和淡水日益缺乏,海水灌溉农业是合理选择•中国人食物主体是粮食,人均占有量只有400kg,全国还有6000万人口没有完全脱贫。•农业是用水大户,约占用水总量的70%,但我国还有61%的耕地没有水资源保证。•因此,一个拥有大量闲置滩涂和海水的国家选择海水灌溉农业是合乎逻辑的。巨大的生态环境价值,决定了海水灌溉农业的地位•沿海地区生态环境脆弱,土地盐碱化、风沙化严重。原因是地下水位高,矿化度大,随土地毛细管蒸发,水变成蒸汽,而把盐碱留在地表。•如果改地下水地表蒸发为通过植物叶片蒸腾,地下水中的盐分就积聚不到地面上来,耐盐作物植被覆盖了地面,抑制了风沙,腐败的枝叶和根部微生物活动还会提高土壤肥力。•有些耐盐植物如大米草、互花米草等,具有良好的消浪、促淤、护滩作用。•江苏大米草种植两年,使草丛滩面抬高10cm。•射阳县进行互花米草保滩护岸生态工程试验,20km海岸每年可节约护岸工程费用200多万元。独特产品使海水灌溉农业具有独特经济价值•耐盐作物多数品种是陆地农业没有,即便与陆地共有品种性状也有较大区别,所以有独特使用价值。山东师大李法曾教授研究,中国耐盐植物经济价值有8大类型:•①药用76种,如补血草、枸杞、甘草、水麦冬等;•②牧草29种,如滨麦、海边香豌豆、苜蓿等;油脂类19种,如碱蓬、野大豆、月见草等;•③鞣料类16种,如海莲、红树、海桑等;纤维类20种,如芦苇、筛草、罗布麻等;•④芳香油类10种,如海州蒿、薄荷等;•⑤食物类26种,如大叶藻、珊瑚菜、地瓜苗、沙枣、海菖蒲等;•⑥绿化、⑦建材及⑧薪炭类27种,如大米草、芦苇、柽柳、红树、盐桦、海芒果等。•美国亚利桑那州立大学塔可逊环境研究实验室,从800种耐盐植物中筛选出一种海蓬子,可用海水灌溉和漫灌,其种籽含油量占重量的30%,油中含有73%的亚油酸,优于大豆,具有食用、药用价值,油饼还富含40%的蛋白质,是高营养饲料。海水灌溉农业的成功有可能为内陆盐碱地的农业利用开辟道路•除沿海滩涂,我国还有约3.7×107hm2的内陆盐碱荒地,包括咸水湖周边的滩涂。•若解决海水灌溉关键技术和农艺问题,尤其培育出优良抗盐作物,就有可能给内陆盐碱荒地农业利用提供启发和某些通用技术。•或许这种连带的、扩展的经济、社会、生态价值更为可观,有可能为国家扶贫大业做出意外的贡献。中国发展海水灌溉农业的可行性•资源丰富•技术问题已初步解决资源丰富•海水灌溉农业必需的自然资源包括海水、滩涂和耐盐植物,这在我国都不缺乏。•我国有大陆岸线18000km,海岛岸线14000km,沿海滩涂2077900hm2,由于入海江河携带大量泥沙,河口滩涂还以每年2.0～3.0×104hm2的速度继续淤长。根据其对过量盐类适应特点分为：•①聚盐性植物,如海蓬子、海岸灯心草•②泌盐性植物,如柽柳、大米草;•③不透盐或抗盐植物等。盐生植物即是具有适应盐化生境形态和特性的植物区系：根据其生境特点分为：•①沉水类即直接生活于海水中的,如大叶藻属、喜盐草属;•②湿生类即生于海岸滩涂的,如红树林、水麦冬等;•③旱生类即生于盐碱土地的,如假木贼属、猪毛菜属等。•山东师大生物系多年调查,确定我国有盐生植物424种,隶属于66科200属。细胞工程和基因工程培育耐海水和高度耐盐的农作物新品种•利用植物离体培养技术,中国、印度和菲律宾的科学家分离获得耐高浓度盐的水稻突变体。•中科院植物所通过细胞工程技术,筛选培育出可用1/3甚至1/2海水浇灌的蔬菜10余种。•海南大学林栖凤研究小组较早开展海洋植物抗逆基因研究,将红树中的抗盐DNA导入豇豆、番茄和辣椒等蔬菜品种中,获得耐盐性较强,能用海水灌溉的材料。•渗透调节作为一种植物耐盐机制已被公认；代谢改造以提高这些渗透调节物质的生物合成水平是耐盐基因工程的首选策略。•渗透调节物质如脯氨酸、甜菜碱、甘油、山梨醇、甘露醇、肌醇及其衍生物。•盐生植物山菠菜耐盐的相关基因——甜菜碱醛脱氢酶(BADH)ｃDNA最早被Weretilnyk和Hanson克隆,后来又相继从甜菜、大麦、大肠杆菌、高粱、水稻中克隆出BADH基因。•目前BADH基因已经转入烟草、草莓、水稻、小麦、豆瓣菜中,转基因植物的耐盐水平有不同程度的提高。•Tarczynski等将大肠杆菌1-磷酸甘露醇脱氢酶基因(ｍtlD)转化烟草,烟草获得了合成和积累甘露醇的能力,转基因烟草表现出强的耐盐性。•刘俊君等克隆了大肠杆菌的ｍtlD基因和gutD基因，获得分别表达ｍtlD和gutＤ基因的单价转基因烟草,首次证实gutＤ基因的表达能显著提高转基因烟草的耐盐性。•他们将ｍtlD基因和gutＤ基因构建在同一表达载体中,通过农杆菌介导法转化烟草,发现双价转基因烟草比单价转基因烟草的耐盐性强。•中科院遗传所已获得转ｍtlD和gutＤ基因的耐盐草莓,转基因草莓可在0.4%～0.8%盐中生长。•中科院海洋所邢军武经多年观察、试验,筛选并成功培育出一种可在盐碱环境灌溉海水的碱蓬品种,种子含油30%,不饱和脂肪酸占脂肪酸总量的91.8%,人体必需脂肪酸占80%,可用于生产蔬菜、食用油和保健品。•中科院植物所对芹菜、青菜、叶用甜菜、甘蓝、豆瓣菜、番茄、菠菜等18种蔬菜的300个材料进行大规模种质资源筛选,从芹菜、叶用甜菜等植物中筛选出20多个能耐1%NaCl或1/3海水盐度的蔬菜品系,产量达到淡水水培的80%～90%,其中芹菜的一个品系可在1/2海水中正常生长。3.2.3耐盐植物的综合开发•沿海滩涂种植耐盐(海水)植物主要用于生产蔬菜、油料及饲料等(表3-14),目前尚处于试验示范阶段,应进一步加快产业化开发的进程。•碱蓬:•营养成分全,鲜嫩茎叶蛋白质含量占干物质40%,与大豆相似,且茎叶中含有大量人体必需的氨基酸、维生素、胡萝卜素以及Ca、P、Fe、Cu、Zn、Mn、Se等微量元素,许多指标高于螺旋藻。•鲜嫩茎叶有特异海鲜味,口感好,可作为保健蔬菜。•我国沿海居民早有食用碱蓬叶的历史,近年来碱蓬叶出现在高级宴席上,干燥碱蓬叶可制成小包装进入市场。•三角叶滨藜:•具有低脂肪和高维生素Ｃ的特点,微量元素Fe、Mn、Zn、Cu含量丰富。•对该物种引种的生态学、毒理学、营养价值测试和应用的研究表明该植物叶无毒可食,口感好(与菠菜、苋菜类似),烹调中叶绿素不易分解。•北美海蓬子:•A．北美海蓬子生物学特性•北美海蓬子(SalicorniaBigeloviiTorr.)隶属于藜科(Chenopodiaceae)盐角草属(Salicornia),该属在全世界大约有50多个种。北美海蓬子生长于北美温带及亚热带地区的海滨及内陆盐沼中,为一年生双子叶草本植物。北美海蓬子经济开发价值•北美海蓬子可做油料作物(种子与饼粕)、饲料作物(地上部生物量)、蔬菜作物(嫩枝嫩茎)、生物能源作物(燃料)和环境改良作物(覆盖地表、养殖废水处理)等。目前,北美海蓬子已形成了商业化生产,其主要产品有油脂与蔬菜。•海蓬子嫩枝嫩茎部分是一道鲜美多汁、咸咸脆脆的绿色时令蔬菜,也可作为色拉腌菜。北美海蓬子嫩尖富含维生素Ａ、C和矿质元素如Na、K、Ca、Mg以及多种人体所必需的微量元素如I、Fe、Cu、Zn、Mn等。北美海蓬子青嫩时,其肉质梗和籽荚是绿色美味的蔬菜。在欧洲特别是法国和英国,当地居民习惯在海蓬子营养生长期(大约5～7月)将其嫩茎部分从野外采回,或作色拉,或做腌菜。美国国际海蓬子公司与名厨合作,已经研发出10多种不同风格的海蓬子菜谱以及罐头制品。此外,海蓬子嫩尖组织中的皂角甙对于降低血管壁上胆固醇的活性具有明显作用。在欧洲,海蓬子被用作治疗肥胖症的传统草药。海蓬子本身微咸,烹调时不用加盐,鲜嫩可口,别有风味。•北美海蓬子种子中的含油量高达29%,油脂中不饱和脂肪酸含量高达90%,而其中人体所必需的亚油酸含量就达74%,是一种优质食用油脂。据测定不饱和脂肪酸含量在900g/kg,其中亚油酸含量达700g/kg以上,α亚麻酸60g/kg左右；油酸约110g/kg。亚油酸和α亚麻