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氮循環,是指氮在自然界中的循環轉化過程,是生物圈內基本的物質循環之一。土壤中通過氮的獲取和損失進行著反覆循環。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。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。在無氧(低氧)條件下,厭氧細菌最終將硝酸中氮的成分還原成氮氣歸還到大氣中去。這一過程即為氮循環。氮的循環過程是氮素不斷進行生物、生物化學、化學、物理、物理化學變化的過程,也是不斷進行氮素形態變化的過程。在農田土壤系統中,氮循環是物質循環的基礎並影響和控制其它物質或養分循環過程。因此,目前氮素在土壤中的轉化和去向已成為科學研究的焦點之一。

1 氮循環 -概述

氮是自然界中的豐富元素,主要以氮氣(N2)的形式存在於大氣中,以有機氮的形式存在於沉積物中,以溶解氮的形式存在於海水中。這三種氮的量的變動都很小。其他形態的氮則不停地進行著複雜的流動和交換,而且受人類活動的強烈影響。自然界中氮的分佈和氮的流動交換情況見表1和表2。   

2 氮循環 -生態系統中的氮循環  

氮氣佔大氣總體積的78%以上。氮在大氣中主要以氮的分子態存在,還以氨(NH3)、一氧化氮(NO)、 二氧化氮(NO2)等氮的化合態的形式存在。這些化合態的氮在雲、氣溶膠粒子、雨滴中轉化為銨(NH嬃)和硝酸根(NO婣),隨降水降落地面。大氣中的N2和 O2可在雷電作用下反應生成NO婣。土壤和水體中某些細菌和微生物也可吸取大氣中的氮,並把它和氫結合成為氨。這樣生成的氨以及大氣中降落的銨類化合物在微生物的硝化作用下,最終變為硝酸鹽。硝酸鹽很容易被植物根系吸收,在植物體內合成多種有機化合物如蛋白質。然後通過食物鏈的傳遞成為動物體的蛋白質。動、植物死亡后,殘體被微生物分解,氮又以氨的形式回到土壤和水體中。動物排出的糞便含尿素和氨,尿素也可被微生物轉變為氨。

土壤中的硝酸鹽在微生物的反硝化作用下還原為氮和氧化亞氮 (N2O)而逸入大氣中。氨也可由於揮發而進入大氣。土壤中的硝酸鹽和氨極易溶於水,所以很容易隨地表徑流和地下水排入水體中。

3 氮循環 -氮循環中的主要作用

固氮作用——三條途徑:
閃電、宇宙射線、火山爆發活動等的高能固氮,形成氨或硝酸鹽,隨降雨到達地面,為8.9kg/hm2·a。
工業固氮(化肥的製造),目前全世界已達1×108噸。
生物固氮(最重要途徑),為100~200kg/km2·a。
氨化作用——由氨化細菌而後真菌的作用將有機氮分解成為氨與氨 化合物。
硝化作用——氨化合物被亞硝酸鹽細菌和硝酸鹽細菌氧化為亞硝酸鹽和硝酸鹽。
反硝化作用——也稱脫氨作用,反硝化細菌將亞硝酸鹽轉變成大氣氮,回到大氣庫中。

4 氮循環 -人類活動的干預  

自然界中氮循環自然界中氮循環

指人為的固氮作用,即化學氮肥的生產和應用,大規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,估計約佔全球年總固氮量的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,反硝化作用產生並排入大氣的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後,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,對此目前還不很清楚。   

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,是發生光化學煙霧和酸雨的一個重要原因。

5 氮循環 -氮污染及其防治

1氮失衡的原因

自然界中以氮氣形態存在的氮稱為惰性氮,對生態環境沒有負面影響,在生產工業化以前,氮循環系統中,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;二是工業生產中燃燒煤、石油、天然氣等;三是固氮植物的作用。在循環系統中,氮收支是否平衡會關係到活性氮對人類健康和生存環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,循環開始出現病態,導致全球環境問題。20世紀70年代以來,人類對生態系統中的氮素循環進行了廣泛而深入的研究。SCOPE(國際科委環境委員會)將全球氮超載作為一個潛在的環境問題和化學定時炸彈提出。

2氮缺乏的危害

氮是植物正常生長發育所必需的營養元素之一,所以也是提高生產能力的主要限制因子。在農業生態中,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,土壤養分貧瘠,土壤氮素和磷素成為受限的營養元素。因此,我們要適當增強土壤中的氮肥力,促進農業的可持續發展,保障糧食安全(足夠的熱量)和營養安全(提供相應所有必需的養分,包括蛋白質)。

3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系統酸化從而使生物多樣性下降。另外,銨對於魚類有劇毒。

(2)水體中氮素過多導致富營養化。水體富營養化的後果,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「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彆強,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殘疾和非霍金氏淋巴瘤就有可能發生。早在1945年,Comly就報道了嬰兒體內由於飲用水中高含量硝態氮而影響嬰幼兒血液中的氧濃度並導致高鐵血紅蛋白症或藍嬰綜合征(Blue-baby Syndrome);燃燒化石燃料所產生的氮氧化物形成地面臭氧,會引發哮喘。大量醫學研究報道證明,肝癌、胃癌等症的發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。

4.控制氮污染的措施

氮對中國及世界環境造成了多方面影響,我們應採用科學的措施和政策,遏制氮對環境與生態的破壞。中國是農業大國,70%的活化氮來自於農業生產,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、加強農業技術推廣體系建設是關鍵。在工業生產過程中,提高能源利用率或減少含氮物的生成量,也可對固定排放源採用催化還原、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控,應在排放前進行硝化處理。另外,監測規模化養殖場,禁止其隨意向湖泊、河道中排放氮污染物等。

6 氮循環 -氮循環原理


氮循環原理氮循環原理

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