氮循环 定义 基本内容 生态系统物质循环

定义

氮循环是指氮在自然界中的循环转化过程，是生物圈内基本的物质循环之一，如大气中的氮经微生物等作用而进入土壤，为动植物所利用，最终又在微生物的参与下返回大气中，如此反复循环，以至无穷。

氮循环

构成陆地生态系统氮循环的主要环节是：生物体内有机氮的合成、氨化作用、硝化作用、反硝化作用和固氮作用。

植物吸收土壤中的铵盐和硝酸盐，进而将这些无机氮同化成植物体内的蛋白质等有机氮。动物直接或间接以植物为食物，将植物体内的有机氮同化成动物体内的有机氮，这一过程为生物体内有机氮的合成。动植物的遗体、排出物和残落物中的有机氮化合物被微生物分解后形成氨，这一过程是氨化作用。在有氧的条件下，土壤中的氨或铵盐在硝化细菌的作用下最终氧化成硝酸盐，这一过程叫做硝化作用。氨化作用和硝化作用产生的无机氮，都能被植物吸收利用。在氧气不足的条件下，土壤中的硝酸盐被反硝化细菌等多种微生物还原成亚硝酸盐，并且进一步还原成分子态氮，分子态氮则返回到大气中，这一过程被称作反硝化作用。固氮作用（nitrogen fixation）是分子态氮被还原成氨和其他含氮化合物的过程。自然界氮（N2）的固定有两种方式：一种是非生物固氮，即通过闪电、高温放电等固氮，这样形成的氮化物很少；二是生物固氮，即分子态氮在生物体内还原为氨的过程。大气中90%以上的分子态氮都是通过固氮微生物的作用被还原为氨的。由此可见，由于微生物的活动，土壤已成为氮循环中最活跃的区域。

基本内容

氮（N）是天然湿地生态系统中最重要的组成成分和一种重要的生态影响因子，其主要来源有径流输入、大气沉降和生物固氮。天然湿地中N的迁移和转化主要发生在湿地演替带，演替带是生物地球化学活动比较强烈的缓冲区，常被视为湿地的N源、N汇和N转化器。演替带中N衰减主要是通过反硝化、厌氧氨氧化和湿地植被吸收等方式进行。

空气中含有大约78%的氮气，占有绝大部分的氮元素。氮是许多生物过程的基本元素；它存在于所有组成蛋白质的氨基酸中，是构成诸如DNA等的核酸的四种基本元素之一。在植物中，大量的氮素被用于制造可进行光合作用供植物生长的叶绿素分子加工，或者固定，是将气态的游离态氮转变为可被有机体吸收的化合态氮的必经过程。一部分氮素由闪电所固定，同时绝大部分的氮素被非共生或共生的固氮细菌所固定。这些细菌拥有可促进氮气氢化成为氨的固氮酶，生成的氨再被这种细菌通过一系列的转化以形成自身组织的一部分。某一些固氮细菌，例如根瘤菌，寄生在豆科植物（例如豌豆或蚕豆）的根瘤中。这些细菌和植物建立了一种互利共生的关系，为植物生产氨以换取糖类。因此可通过栽种豆科植物使氮素贫瘠的土地变得肥沃。还有一些其它的植物可供建立这种共生关系。

其它植物利用根系从土壤中吸收硝酸根离子或铵离子以获取氮素。动物体内的所有氮素则均由在食物链中进食植物所获得。

硝化作用

产生的氨，一部分被微生物固持及植物吸收，或者被粘土矿物质固定；另一部分通过自养硝化或异养硝化转变成硝酸盐，这一过程被称为硝化作用。

氨来源于腐生生物对死亡动植物器官的分解，被用作制造铵离子(NH4+)。在富含氧气的土壤中，这些离子将会首先被亚硝化细菌转化为亚硝酸根离子(NO2-)，然后被硝化细菌转化为硝酸根离子(NO3-)。铵的两步转化过程被叫做硝化作用。

铵离子很容易被固定在土壤尤其是腐殖质和粘土中。而硝酸根离子和亚硝酸根离子则因它们自身的负电性而更不容易被固定在正离子的交换点（主要是腐殖质）多于负离子的土壤中。在雨后或灌溉后，流失（可溶性离子譬如硝酸根和亚硝酸根的移动）到地下水的情况经常会发生。地下水中硝酸盐含量的提高关系到饮用水的安全，因为水中过量的硝酸根离子会影响婴幼儿血液中的氧浓度并导致高铁血红蛋白症或蓝婴综合征(Blue-baby Syndrome)。如果地下水流向溪川，富硝酸盐的地下水会导致地面水体的富营养作用，使得蓝藻菌和其它藻类大量繁殖，导致水生生物因缺氧而大量死亡。虽然不像铵一样对鱼类有毒，硝酸盐可通过富营养作用间接影响鱼类的生存。氮素已经导致了一些水体的富营养化问题。从2006年起，在英国和美国使用氮肥将受到更严厉的限制，磷肥的使用也将受到了同样的限制。

在无氧（低氧）条件下，厌氧细菌的“反硝化作用”将会发生。最终将硝酸中氮的成分还原成氮气归还到大气中去。

氮气转化

有三种将游离态的N2（大气中的氮气）转化为化合态氮的方法：

生物固氮：是指固氮微生物将大气中的氮气转换成氨的过程，一些共生细菌（主要与豆科植物共生）和一些非共生细菌能进行固氮作用并以有机氮的形式吸收。

工业固氮：在哈伯-博施法中，N2与氢气被化合生成氨(NH3)肥。

化石燃料燃烧：主要由交通工具的引擎和热电站以NOx的形式产生。

另外，闪电亦可使N2和O2化合形成NO，是大气化学的一个重要过程，但对陆地和水域的氮含量影响不大。

固氮作用

由于豆科植物（特别是大豆、紫苜蓿和苜蓿）的广泛栽种、使用哈伯-博施法生产化学肥料以及交通工具和热电站释放的含氮污染成分，人类使得每年进入生物利用形态的氮素提高了不止一倍。这所导致的富营养作用已经对湿地生态系统产生了破坏。

全球人工固氮所产生活化氮数量的增加，虽然有助于农产品产量的提高，但也会给全球生态环境带来压力，使与氮循环有关的温室效应、水体污染和酸雨等生态环境问题进一步加剧。

人为干预

人为的固氮作用，即化学氮肥的生产和应用，大规模种植豆科植物等有生物固氮能力的作物,以及燃烧矿物燃料生成NO和NO2。人为的固氮量是很大的，估计约占全球年总固氮量的20～30%。随着世界人口的增多，这一比例将会继续上升。

农田大量施用氮肥,使排入大气的N2O不断增多。在没有人为干预的自然条件下，反硝化作用产生并排入大气的N2和N2O,与生物固氮作用吸收的N2和平流层中被破坏的N2O是相平衡的。N2O是一种惰性气体,在大气中可存留数年之久。它进入平流层大气中以后，会消耗其中的臭氧，从而增加到达地面的紫外线辐射量。这可能会给人体健康带来有害影响，对此还不很清楚。施用氮肥的农田排出的地面径流，城市和农村的生活污水都把大量的氮排入河流、湖泊和海洋，常常造成这些水体的富营养化现象。

矿物燃料燃烧时，空气中和燃料中的氮在高温下与氧反应而生成氮氧化物(NO和NO2)。大气受到氮氧化物的污染，是发生光化学烟雾和酸雨的一个重要原因。

污染防治

氮是植物营养的三要素之一，也是人和动物的营养物质成分，空气中的气体四分之三是氮气，但氮的存在形式多样，它们的转换和利用都很复杂。我们常见的是化学合成肥料氮，它们进入农田后，一部分与进入土壤中的动植物残体及人和动物的排泄物中的氮一起，经历由微生物驱动的各种转化过程，形成多种含氮气体。其中有些可直接迁移到水体，过量的氮化物，导致水体氮污染，不仅危害人体健康，而且成为水体富营养化的一个因子。二氧化氮还是一种重要的温室气体，进入大气后增强温室效应。仅此可见，氮不仅是生命必需的元素，也关系到人类生存环境。

氮失衡的原因

自然界中以氮气形态存在的氮称为惰性氮，对生态环境没有负面影响，在生产工业化以前，氮循环系统中，氮的收支是平衡的，即固氮作用和脱氨作用基本持平。当氮通过化学工业合成或燃烧后，就会被活化，形成氮氧化物和氮氢化物等物质，即加强了固氮作用。氮活化的途径有三：一是人工固氮，将空气中的氮气转化为氨；二是工业生产中燃烧煤、石油、天然气等；三是固氮植物的作用。在循环系统中，氮收支是否平衡会关系到活性氮对人类健康和生存环境积极或消极的影响。氮的过量“活化”，便使自然界原有的固氮和脱氨失去平衡，氮循环被严重扰乱，越来越多的活化氮开始向大气和水体过量迁移，循环开始出现病态，导致全球环境问题。20世纪70年代以来，人类对生态系统中的氮素循环进行了广泛而深入的研究。SCOPE（国际科委环境委员会）将全球氮超载作为一个潜在的环境问题和化学定时炸弹提出。

氮缺乏的危害

氮是植物正常生长发育所必需的营养元素之一，所以也是提高生产能力的主要限制因子。在农业生态中，如果缺少活性氮就会导致土壤肥力下降、产量下降、蛋白质含量降低、土壤有机质耗竭、土壤侵蚀，甚至沙漠化；在湿润的热带，土壤遭受强烈的风化和淋溶，土壤养分贫瘠，土壤氮素和磷素成为受限的营养元素。因此，我们要适当增强土壤中的氮肥力，促进农业的可持续发展，保障粮食安全（足够的热量）和营养安全（提供相应所有必需的养分，包括蛋白质）。

氮污染的危害

（1）由氮转化的氨在微生物的作用下，会形成硝酸盐和酸性氢离子，造成土壤和水体生态系统酸化从而使生物多样性下降。另外，铵对于鱼类来说有剧毒，因此必须对废水处理且植物排放到水中的铵的浓度进行严密的监控。为避免鱼类死亡的损失，应在排放前对水中的铵进行硝化处理，在陆地上为硝化细菌通风提供氧气进行硝化作用成为一个充满吸引力的解决办法。

（2）水体中氮素过多导致富营养化。水体富营养化的后果，首先是破坏水资源，降低水的使用价值，直接影响人类的健康，同时提高水处理的成本；其次是导致鱼类及水生动物的大量死亡，破坏水产资源，引发“藻华”和“赤潮”等现象。

（3）温室效应和酸雨。一氧化二氮这种氮氧化物吸收红外线辐射的能力特别强，是二氧化碳的200多倍，是导致温室效应的可怕杀手。氧化亚氮（俗称笑气）除了产生温室效应外，还可以在大气中与臭氧发生化学反应，扰乱臭氧层，增加地表的紫外线强度，危害人体健康。一氧化氮、二氧化氮还是酸雨的成分之一。

（4）NO2-诱发各种疾病乃至致癌。人们一旦从受污染的瓜果蔬菜和饮用水中摄取过量的硝酸盐，高血压、先天性中枢神经系统残疾和非霍金氏淋巴瘤就有可能发生。早在1945年，Comly就报道了婴儿体内由于饮用水中高含量硝态氮而影响婴幼儿血液中的氧浓度并导致高铁血红蛋白症或蓝婴综合征（Blue-baby Syndrome）；燃烧化石燃料所产生的氮氧化物形成地面臭氧，会引发哮喘。大量医学研究报道证明，肝癌、胃癌等症的发病率也与人体摄入的硝酸盐量密切相关。

（5）社会问题。市政当局必须面临地下水和饮用水中NO3-超标、医疗费用增加等社会问题。在农田附近的农村，饮用水井NO3-含量超标也是一个难题。

控制措施

氮对我国及世界环境造成了多方面影响，我们应采用科学的措施和政策，遏制氮对环境与生态的破坏。我国是农业大国，70%的活化氮来自于农业生产，最根本的方法是合理施肥，提高氮肥利用效率。因此，改革现有耕作制度、推广精确施肥、加强农业技术推广体系建设是关键。在工业生产过程中，提高能源利用率或减少含氮物的生成量，也可对固定排放源采用催化还原、吸收、吸附等技术，控制、回收或利用废物中的氮氧化物，使其达到无害化排放。排放废水时，铵的浓度要进行严密的监控，应在排放前进行硝化处理。另外，监测规模化养殖场，禁止其随意向湖泊、河道中排放氮污染物等。