[科普中國]-氮循環(huán)

定義

氮循環(huán)是指氮在自然界中的循環(huán)轉化過程，是生物圈內基本的物質循環(huán)之一，如大氣中的氮經微生物等作用而進入土壤，為動植物所利用，最終又在微生物的參與下返回大氣中，如此反復循環(huán)，以至無窮。

構成陸地生態(tài)系統(tǒng)氮循環(huán)的主要環(huán)節(jié)是：生物體內有機氮的合成、氨化作用、硝化作用、反硝化作用和固氮作用。

植物吸收土壤中的銨鹽和硝酸鹽，進而將這些無機氮同化成植物體內的蛋白質等有機氮。動物直接或間接以植物為食物，將植物體內的有機氮同化成動物體內的有機氮，這一過程為生物體內有機氮的合成。動植物的遺體、排出物和殘落物中的有機氮化合物被微生物分解后形成氨，這一過程是氨化作用。1在有氧的條件下，土壤中的氨或銨鹽在硝化細菌的作用下最終氧化成硝酸鹽，這一過程叫做硝化作用。氨化作用和硝化作用產生的無機氮，都能被植物吸收利用。在氧氣不足的條件下，土壤中的硝酸鹽被反硝化細菌等多種微生物還原成亞硝酸鹽，并且進一步還原成分子態(tài)氮，分子態(tài)氮則返回到大氣中，這一過程被稱作反硝化作用。固氮作用（nitrogen fixation） 是分子態(tài)氮被還原成氨和其他含氮化合物的過程。自然界氮（N2）的固定有兩種方式：一種是非生物固氮，即通過閃電、高溫放電等固氮，這樣形成的氮化物很少；二是生物固氮，即分子態(tài)氮在生物體內還原為氨的過程。大氣中90%以上的分子態(tài)氮都是通過固氮微生物的作用被還原為氨的。由此可見，由于微生物的活動，土壤已成為氮循環(huán)中最活躍的區(qū)域。

基本內容氮（N）是天然濕地生態(tài)系統(tǒng)中最重要的組成成分和一種重要的生態(tài)影響因子，其主要來源有徑流輸入、大氣沉降和生物固氮。天然濕地中N的遷移和轉化主要發(fā)生在濕地演替帶，演替帶是生物地球化學活動比較強烈的緩沖區(qū)，常被視為濕地的N源、N匯和N轉化器。演替帶中N衰減主要是通過反硝化、厭氧氨氧化和濕地植被吸收等方式進行。2

空氣中含有大約78%的氮氣，占有絕大部分的氮元素。氮是許多生物過程的基本元素；它存在于所有組成蛋白質的氨基酸中，是構成諸如DNA等的核酸的四種基本元素之一。在植物中，大量的氮素被用于制造可進行光合作用供植物生長的葉綠素分子

加工，或者固定，是將氣態(tài)的游離態(tài)氮轉變?yōu)榭杀挥袡C體吸收的化合態(tài)氮的必經過程。一部分氮素由閃電所固定，同時絕大部分的氮素被非共生或共生的固氮細菌所固定。這些細菌擁有可促進氮氣氫化成為氨的固氮酶，生成的氨再被這種細菌通過一系列的轉化以形成自身組織的一部分。某一些固氮細菌，例如根瘤菌，寄生在豆科植物（例如豌豆或蠶豆）的根瘤中。這些細菌和植物建立了一種互利共生的關系，為植物生產氨以換取糖類。因此可通過栽種豆科植物使氮素貧瘠的土地變得肥沃。還有一些其它的植物可供建立這種共生關系。

其它植物利用根系從土壤中吸收硝酸根離子或銨離子以獲取氮素。動物體內的所有氮素則均由在食物鏈中進食植物所獲得。

硝化作用產生的氨，一部分被微生物固持及植物吸收，或者被粘土礦物質固定；另一部分通過自養(yǎng)硝化或異養(yǎng)硝化轉變成硝酸鹽，這一過程被稱為硝化作用。1

氨來源于腐生生物對死亡動植物器官的分解，被用作制造銨離子(NH4+)。在富含氧氣的土壤中，這些離子將會首先被亞硝化細菌轉化為亞硝酸根離子(NO2-)，然后被硝化細菌轉化為硝酸根離子(NO3-)。銨的兩步轉化過程被叫做硝化作用。

銨離子很容易被固定在土壤尤其是腐殖質和粘土中。而硝酸根離子和亞硝酸根離子則因它們自身的負電性而更不容易被固定在正離子的交換點（主要是腐殖質）多于負離子的土壤中。在雨后或灌溉后，流失（可溶性離子譬如硝酸根和亞硝酸根的移動)到地下水的情況經常會發(fā)生。地下水中硝酸鹽含量的提高關系到飲用水的安全，因為水中過量的硝酸根離子會影響嬰幼兒血液中的氧濃度并導致高鐵血紅蛋白癥或藍嬰綜合征(Blue-baby Syndrome)。如果地下水流向溪川，富硝酸鹽的地下水會導致地面水體的富營養(yǎng)作用，使得藍藻菌和其它藻類大量繁殖，導致水生生物因缺氧而大量死亡。雖然不像銨一樣對魚類有毒，硝酸鹽可通過富營養(yǎng)作用間接影響魚類的生存。氮素已經導致了一些水體的富營養(yǎng)化問題。從2006年起，在英國和美國使用氮肥將受到更嚴厲的限制，磷肥的使用也將受到了同樣的限制。

在無氧（低氧）條件下，厭氧細菌的“反硝化作用”將會發(fā)生。最終將硝酸中氮的成分還原成氮氣歸還到大氣中去。

氮氣轉化有三種將游離態(tài)的N2（大氣中的氮氣）轉化為化合態(tài)氮的方法：

生物固氮：是指固氮微生物將大氣中的氮氣轉換成氨的過程1，一些共生細菌（主要與豆科植物共生）和一些非共生細菌能進行固氮作用并以有機氮的形式吸收。

工業(yè)固氮：在哈伯-博施法中，N2與氫氣被化合生成氨(NH3)肥。

化石燃料燃燒：主要由交通工具的引擎和熱電站以NOx的形式產生。

另外，閃電亦可使N2和O2化合形成NO，是大氣化學的一個重要過程，但對陸地和水域的氮含量影響不大。

固氮作用由于豆科植物（特別是大豆、紫苜蓿和苜蓿）的廣泛栽種、使用哈伯-博施法生產化學肥料以及交通工具和熱電站釋放的含氮污染成分，人類使得每年進入生物利用形態(tài)的氮素提高了不止一倍。這所導致的富營養(yǎng)作用已經對濕地生態(tài)系統(tǒng)產生了破壞。

全球人工固氮所產生活化氮數量的增加，雖然有助于農產品產量的提高，但也會給全球生態(tài)環(huán)境帶來壓力，使與氮循環(huán)有關的溫室效應、水體污染和酸雨等生態(tài)環(huán)境問題進一步加劇。

人為干預人為的固氮作用，即化學氮肥的生產和應用，大規(guī)模種植豆科植物等有生物固氮能力的作物,以及燃燒礦物燃料生成NO和NO2。人為的固氮量是很大的，估計約占全球年總固氮量的20～30%。隨著世界人口的增多，這一比例將會繼續(xù)上升。

農田大量施用氮肥,使排入大氣的N2O不斷增多。在沒有人為干預的自然條件下，反硝化作用產生并排入大氣的N2和N2O,與生物固氮作用吸收的N2和平流層中被破壞的N2O是相平衡的。N2O是一種惰性氣體,在大氣中可存留數年之久。它進入平流層大氣中以后，會消耗其中的臭氧，從而增加到達地面的紫外線輻射量。這可能會給人體健康帶來有害影響，對此還不很清楚。施用氮肥的農田排出的地面徑流，城市和農村的生活污水都把大量的氮排入河流、湖泊和海洋，常常造成這些水體的富營養(yǎng)化現象。

礦物燃料燃燒時，空氣中和燃料中的氮在高溫下與氧反應而生成氮氧化物(NO和NO2)。大氣受到氮氧化物的污染，是發(fā)生光化學煙霧和酸雨的一個重要原因。

污染防治氮是植物營養(yǎng)的三要素之一，也是人和動物的營養(yǎng)物質成分，空氣中的氣體四分之三是氮氣，但氮的存在形式多樣，它們的轉換和利用都很復雜。我們常見的是化學合成肥料氮，它們進入農田后，一部分與進入土壤中的動植物殘體及人和動物的排泄物中的氮一起，經歷由微生物驅動的各種轉化過程，形成多種含氮氣體。其中有些可直接遷移到水體，過量的氮化物，導致水體氮污染，不僅危害人體健康，而且成為水體富營養(yǎng)化的一個因子。二氧化氮還是一種重要的溫室氣體，進入大氣后增強溫室效應。僅此可見，氮不僅是生命必需的元素，也關系到人類生存環(huán)境。3

氮失衡的原因自然界中以氮氣形態(tài)存在的氮稱為惰性氮，對生態(tài)環(huán)境沒有負面影響，在生產工業(yè)化以前，氮循環(huán)系統(tǒng)中，氮的收支是平衡的，即固氮作用和脫氨作用基本持平。當氮通過化學工業(yè)合成或燃燒后，就會被活化，形成氮氧化物和氮氫化物等物質，即加強了固氮作用。氮活化的途徑有三：一是人工固氮，將空氣中的氮氣轉化為氨；二是工業(yè)生產中燃燒煤、石油、天然氣等；三是固氮植物的作用。在循環(huán)系統(tǒng)中，氮收支是否平衡會關系到活性氮對人類健康和生存環(huán)境積極或消極的影響。氮的過量“活化”，便使自然界原有的固氮和脫氨失去平衡，氮循環(huán)被嚴重擾亂，越來越多的活化氮開始向大氣和水體過量遷移，循環(huán)開始出現病態(tài)，導致全球環(huán)境問題。20世紀70年代以來，人類對生態(tài)系統(tǒng)中的氮素循環(huán)進行了廣泛而深入的研究。SCOPE（國際科委環(huán)境委員會）將全球氮超載作為一個潛在的環(huán)境問題和化學定時炸彈提出。

氮缺乏的危害氮是植物正常生長發(fā)育所必需的營養(yǎng)元素之一，所以也是提高生產能力的主要限制因子。在農業(yè)生態(tài)中，如果缺少活性氮就會導致土壤肥力下降、產量下降、蛋白質含量降低、土壤有機質耗竭、土壤侵蝕，甚至沙漠化；在濕潤的熱帶，土壤遭受強烈的風化和淋溶，土壤養(yǎng)分貧瘠，土壤氮素和磷素成為受限的營養(yǎng)元素。因此，我們要適當增強土壤中的氮肥力，促進農業(yè)的可持續(xù)發(fā)展，保障糧食安全（足夠的熱量）和營養(yǎng)安全（提供相應所有必需的養(yǎng)分，包括蛋白質）。

氮污染的危害（1）由氮轉化的氨在微生物的作用下，會形成硝酸鹽和酸性氫離子，造成土壤和水體生態(tài)系統(tǒng)酸化從而使生物多樣性下降。另外，銨對于魚類來說有劇毒，因此必須對廢水處理且植物排放到水中的銨的濃度進行嚴密的監(jiān)控。為避免魚類死亡的損失，應在排放前對水中的銨進行硝化處理，在陸地上為硝化細菌通風提供氧氣進行硝化作用成為一個充滿吸引力的解決辦法。

（2）水體中氮素過多導致富營養(yǎng)化。水體富營養(yǎng)化的后果，首先是破壞水資源，降低水的使用價值，直接影響人類的健康，同時提高水處理的成本；其次是導致魚類及水生動物的大量死亡，破壞水產資源，引發(fā)“藻華”和“赤潮”等現象。

（3）溫室效應和酸雨。一氧化二氮這種氮氧化物吸收紅外線輻射的能力特別強，是二氧化碳的200多倍，是導致溫室效應的可怕殺手。氧化亞氮（俗稱笑氣）除了產生溫室效應外，還可以在大氣中與臭氧發(fā)生化學反應，擾亂臭氧層，增加地表的紫外線強度，危害人體健康。一氧化氮、二氧化氮還是酸雨的成分之一。

（4）NO2-誘發(fā)各種疾病乃至致癌。人們一旦從受污染的瓜果蔬菜和飲用水中攝取過量的硝酸鹽，高血壓、先天性中樞神經系統(tǒng)殘疾和非霍金氏淋巴瘤就有可能發(fā)生。早在1945年，Comly就報道了嬰兒體內由于飲用水中高含量硝態(tài)氮而影響嬰幼兒血液中的氧濃度并導致高鐵血紅蛋白癥或藍嬰綜合征（Blue-baby Syndrome）；燃燒化石燃料所產生的氮氧化物形成地面臭氧，會引發(fā)哮喘。大量醫(yī)學研究報道證明，肝癌、胃癌等癥的發(fā)病率也與人體攝入的硝酸鹽量密切相關。

（5）社會問題。市政當局必須面臨地下水和飲用水中NO3-超標、醫(yī)療費用增加等社會問題。在農田附近的農村，飲用水井NO3-含量超標也是一個難題。

控制措施氮對我國及世界環(huán)境造成了多方面影響，我們應采用科學的措施和政策，遏制氮對環(huán)境與生態(tài)的破壞。我國是農業(yè)大國，70%的活化氮來自于農業(yè)生產，最根本的方法是合理施肥，提高氮肥利用效率。因此，改革現有耕作制度、推廣精確施肥、加強農業(yè)技術推廣體系建設是關鍵。在工業(yè)生產過程中，提高能源利用率或減少含氮物的生成量，也可對固定排放源采用催化還原、吸收、吸附等技術，控制、回收或利用廢物中的氮氧化物，使其達到無害化排放。排放廢水時，銨的濃度要進行嚴密的監(jiān)控，應在排放前進行硝化處理。另外，監(jiān)測規(guī)?；B(yǎng)殖場，禁止其隨意向湖泊、河道中排放氮污染物等。