农田生态系统养分循环cycling of soil nutrient in agroecosystem

养分元素在土壤⇌植物（作物）→草食动物（初级消费者）→肉食动物（次级消费者）→土壤之间的往复传输过程（见图）。
养分循环是农业生态系统最主要的功能之一。对保证农业生产的持续运行具有重要的意义。随着农业生产中化学肥料的投入不断增加，现代农业虽不再完全依靠养分的重复利用。但是随着现代农业生产水平的提高，却日益显示出养分再循环的重要性。
养分循环的基本特点 在农田生态系统中，作物是“生产者”。为了生产，作物除去需要能量供给外，还需要一定的物质（养分）供应。CO₂主要由大气供应，其他的养分主要由土壤供给。作物从土壤中吸收养分是农田生态系统养分循环最重要的传递过程，否则就没有农业。
农田生态系统的生产是为人类服务的。在人类食用作物产品时，养分又从作物进入人类的食物链；以作物产品饲养食草家畜（初级消费者），从而使作物中的养分进入动物体内，而人类和动物从作物中摄取的养分，一部分又以粪尿等排泄物（有机肥料）的形式重新返回土壤，从而完成养分循环的一个周期。并如此周而复始地不断进行下去。

农田生态系统中的养分循环

农田生态系统的养分循环与天然存在的生态系统的养分循环的不同之点在于前者产品有相当大的部分为人类（包括动物）消费，而天然生态系统的生物产品绝大部分都回归土壤。所以，农田生态系统每经过一次循环周期，必然有相当数量的养分脱离系统而损失。
农田土壤养分平衡基本类型 有3种类型，即养分盈余型、养分亏缺型和养分平衡型。
养分盈余型的特点是，土壤养分有所积累。在大多数情况下，表现为土壤养分供应能力的提高；养分亏缺型的特点是，土壤养分不断被作物消耗，如不采取相应措施，最终将导致土壤养分的耗竭；养分平衡型的特点是，土壤养分含量基本不变。但施肥引入的养分，其有效性较高，因而有效养分可能有所增加。
土壤养分是否平衡，主要取决于土壤养分的获得和土壤养分的支出状况。
土壤养分的收入 主要有施入的肥料，包括有机肥料和化学肥料；生物固氮，即豆科作物和某些微生物固定的氮素，以及由降水等干湿沉降物带入土壤的养分。
土壤养分最主要的收入是肥料。其中有机肥料中的养分属于养分再循环。
生物固氮在养分循环中的贡献，因地而异。以中国豆科绿肥作物为例，产量在22 500千克/公顷左右时，其固氮量大约为45～90千克/公顷。大豆和花生等收籽作物的固氮量大约也在此范围内，通常可为下茬作物提供N 15～22.5千克/公顷。此外，水稻土中的蓝藻也有一定的固氮能力，固氮量在22.5～30千克/公顷；稻田放养绿萍，也是氮素来源之一。
雨水带入土壤的养分，主要是氮和硫，而磷、钾含量一般很低(表1)。数据表明，由雨水带入农地的氮大约是15～22.5千克/(公顷·年)，硫为15～30千克/(公顷·年)。

表1 中国南方降雨中的养分含量[kg/(hm²·yaer)]

地 区	浙江金华	闽北山区	云南内陆
年降雨量(mm) N P K S	1 321～1 663 18～24 1.2～2.25 0.6～0.9 13.5～27.0	1 551～1 647 3.75～10.5 0.015～0.045 2.1～4.8 19.5～28.5	947～1 075 4.5～13.5 0.03 3.75～4.50 15.0～22.5

土壤养分的支出 主要有作物取走的养分及损失的养分。其中作物取走的养分是主要的支出。表2列出了主要粮食作物每吨干物质带走的养分数量。被作物带走的养分，其中有一部分可以以有机肥料的形式归还土壤。被人类（包括动物）食用的部分，也有相当数量的养分以排泄物的形式回归土壤。显然，在这一循环过程中，会有相当数量的养分被损失。

表2 主要作物养分带出量 (kg/t干物质)

作 物		N	P	K	Ca	Mg	S
小麦	籽 草	20 7	4 0.8	5.5 8	0.6 3.5	1.5 0.9	1.5 1
玉米	籽 草	20 10	2 4	12 5	2 1	0.2 0.6	- -
水稻	籽 草	18 4	4 1	5 10	3 -	1.6 -	- -

土壤养分主要通过3种途径而损失：挥发损失、淋洗损失和径流及侵蚀损失（水蚀和风蚀）。这3种途径可以是单独存在，也可以是同时存在。
挥发损失 主要是土壤中氨、分子态氮、氧化态氮以及可能有微小数量的有机氮等含氮物质以气态从土壤中逸向大气中。氨态氮的挥发损失量和土壤pH值有很大关系，在酸性土壤中氨态氮损失较少，但在碱性土壤及石灰性土壤中，气态氨挥发损失可以达到很高的数量。在尿素集中表施的条件下，由于尿素水解所造成的暂时性局部土壤pH值升高，即使在酸性土壤中，也会大大增加氨态氮的损失。在水田中，田面水的pH值对氨挥发损失具有重要作用。
在渍水土壤中进行的反硝化作用是导致分子态氮(N2,N2O)挥发损失的主要原因。在渍水土壤中，在施入大量新鲜有机物的初期，土壤又处于水分饱和条件下，也可能出现H₂S的挥发损失。
淋洗损失 从土壤中淋失的养分量，首先取决于土壤的渗漏水量(根据降雨量和灌溉水量与径流量、蒸发量、蒸腾量等之差求得，也可直接测得)。通常，降水量大的地区，其养分淋失量高于降水量小的地区。养分的淋失量与土壤性质有关。例如，质地粘重的土壤可减少土壤养分的淋洗损失。石灰性土壤可以很好吸持铵态氮，从而使铵免遭淋洗损失。但酸性土壤，由于有大量交换铝存在，土壤吸持铵态氮的能力很小，土壤中未被吸持的铵有可能因雨水的淋洗而损失。
养分的淋洗损失还与养分自身的性质有关。例如，无机氮的淋洗损失量较大，其中NO-3态氮较NH₄⁺态氮更易淋洗损失，而磷素的淋洗损失量则很小。钾则介于氮磷两者之间。
迳流及侵蚀损失 土壤因径流、风蚀、水蚀而损失的养分量可以达到惊人的程度。养分损失量通常随土壤侵蚀量的增大而增多。
土壤平均侵蚀量可由下式计算：

A=R·K·L·S·C·P

式中 A为平均土壤侵蚀量；R为降雨侵蚀量，它是降雨动能和30分钟降雨强度的乘积；K为土壤易侵蚀度，即单位R的土壤侵蚀量；L、S为田块的坡度和坡长；C为轮作和土地管理措施；P为抗侵蚀措施。
根据侵蚀量可以估算出养分的损失量。