5．5．4　氮循环

1．氮的属性

氮是氨基酸、蛋白质和核酸的重要成分，是构成一切生命体的重要元素之一。氮主要以氮气（N₂）的形式存在于大气中，约占大气体积的78%，总量约38×10⁶亿t。氮是不活泼元素，一般很难和其他物质化合，气态氮也不能直接被一般绿色植物利用。因此，大气中氮的贮存量对于生态系统来说意义不大，必须通过固氮作用将氮与氧结合成为亚硝酸盐和硝酸盐，或与H结合成NH³，才能为大部分生物所利用，参与蛋白质合成，才能进入生态系统，参与循环。

2．氮循环及其主要特点

自然界中的固氮作用有高能固氮、生物固氮和工业固氮三条途径。高能固氮是指通过闪电、宇宙线、陨星、火山活动等的固氮作用，其所形成的氨或硝酸盐随着降水到达地球表面。据估计，高能固氮每年可固氮8．9kg/hm²，其中2/3为氨，1/3为硝酸盐形态。生物固氮每年可达100～200kg/hm²，约占地球上每年固氮量的90%。生物固氮的机理目前尚未完全明确，能固氮的生物有自生固氮和共生固氮两大类。自生固氮生物能利用土壤中的有机物或通过光合作用来合成各种有机成分，并能将分子氮变成氨态氮。共生固氮生物在独立生活时，没有固氮能力，当它们侵入豆科等宿主植物并形成根瘤后，从宿主植物吸收碳源和能源即能进行固氮作用，并供给宿主以氮源。豆科根瘤共生固氮可给共生豆科植物提供其所需氮的50%～100%。在农业生态系统中固氮植物约有200种，非农业的植物、细菌、蓝绿藻等能固氮的约有12000种。少数高等植物如赤杨、杨梅等也有固氮能力。固氮生物广泛分布于自然界中，甚至海藻和地衣中也有共生的固氮菌。工业固氮是随着近代工业的发展而发展起来的，随着石油工业的迅速发展，人们逐渐转入以气体、液体燃料为原料生产合成氨，氨经一系列氧化可生成多种多样的化肥。目前，全世界工业固氮能力已超过1×10⁸t/a。

被固定的氮，主要以硝酸盐形式存在，被绿色植物吸收后转化为氨基酸，合成蛋白质。这样，环境中的氮就进入了生态系统。草食动物摄食后利用植物蛋白质合成动物蛋白质。动植物死亡后体内的有机态氮经微生物的分解作用，转化为无机态氮，形成硝酸盐重新被植物所利用，继续参与循环，也可经反硝化作用形成N₂，返回到大气中（图5-7）。这样，氮又从生命系统中回到无机环境中去。

硝酸盐的另一循环途径是从土壤中淋溶，然后经过河流、湖泊，最后到达海洋，并在海洋中沉积。在向海洋的迁移过程中，氮素还会参与生物循环，或部分发生沉积，积累于储存库中，这样就暂时离开了循环。这部分氮的损失由火山喷放到空气中的气体来补偿。

氮循环中的四种基本生物化学过程如下。

（1）固氮作用（nitrogen fixation）。它是固氮生物（或高能）将大气中的氮固定并还原成氨的过程，由固氮微生物（或高能）完成。

（2）氨化作用（ammonification）。它是将蛋白质、氨基酸、尿素以及其他有机含氮化合物转变成氨和氮化合物的过程。由氨化细菌、真菌和放线菌完成。如许多动物、植物和细菌可把氨基酸分解成氨。

图5-7　生态系统中的氮循环

（3）硝化作用（nitrification）。它是将氨化物和氨转变成亚硝酸盐、硝酸盐的过程。第一步从氨离子氧化为亚硝酸盐，主要由亚硝酸盐细菌（以Nitrosomonas为主）参与，第二步从亚硝酸盐氧化为硝酸盐，主要由硝酸盐菌（以Nitrobacteria为主）完成。

（4）反硝化作用（denitrification）。又称脱氮作用，指反硝化细菌将硝酸盐还原为N₂、N₂O或NO，回到大气的过程。

在自然生态系统中，各种固氮作用使氮进入物质循环，又通过反硝化作用使氮不断返回大气，从而使氮的循环处于平衡。

3．氮循环与有关环境问题

人类活动的干预效应已给氮循环及其平衡带来了新问题。在20世纪70年代，全世界工业固氮总量已与全部陆地生态系统的固氨量基本相等。现在每年的工农业固氮量已大于自然固氮量。由于这种人为干扰，使氮循环的平衡被破坏，每年被固定的氮超过了返回大气的氮。据报道，每年固定的氮比返回大气中的氮多680万t。这680万t的氮分布在土壤、地下水、河流、湖泊和海洋中。另外，大气中被固定的氮，不能以相应数量的分子氮返回大气，其中一部分形成氮氧化物（NO_x）进入大气，这是造成现在大气污染的主要原因之一。

此外，臭氧层破坏的一个主要原因就是氮氧化物的作用。氮氧化物能与臭氧发生反应生成NO₂和O₂，NO₂再与自由氧反应生成NO和O₂，打破原来臭氧的平衡，使平流层中的臭氧量减少。

在一些大城市上空，进入大气的N₂O与大气中存在的碳氢化合物（HC），在太阳紫外线照射下会发生光化学反应，生成臭氧（O₃）、醛、酮、酸、过氧乙酰硝酸酯（PAN）等具有强氧化性的二次污染物。参与光化学反应过程的一次污染物和二次污染物的混合物所形成的烟雾污染现象叫做光化学烟雾。光化学烟雾会对人的眼睛、鼻子、喉咙、气管和肺部的黏膜等造成严重伤害，使人出现红肿、流泪、喉痛、胸痛和呼吸衰竭乃至思维紊乱、肺水肿等现象。家畜也同时患病，郊区的玉米、蜜柑、烟草、葡萄等作物与林木受到不同程度的危害。1955年洛杉矶发生了一场严重的光化学烟雾污染事件，使当地65岁以上近400人死亡，仅葡萄一项就减产30%，65000公顷的松林约62%受害，29%干枯。橡胶制品老化，汽车和飞机的正常运行都严重受阻。

大量的氮进入河流、湖泊和海洋，使水体出现富营养化（eutrophication）。水体的富营养化对生态系统带来一系列的影响，富营养化水体中蓝藻和其他浮游生物的极度增殖，使湖水变红发蓝，水质混浊缺氧，鱼类等难以生存。这种现象在江河湖泊中称为水华，在海洋中称为赤潮。水中氮化合物的增加对人畜健康亦带来危害，亚硝酸盐与人体内血红蛋白反应生成高铁血红蛋白，使血红蛋白丧失输氧功能而使人中毒。硝酸盐和亚硝酸盐等是形成亚硝胺的物质，而亚硝胺是致癌物质，在人体消化系统中可诱发食道癌、胃癌等。