氮素循环：全球固氮量分布情况

三、氮素循环

1.生物氮素循环

生物固氮，在特定生物体系中，通过生物网和食物链的定量观察，可以得出它的固定转化、物质循环与作用。如一块水稻田和一方养鱼池将红萍作为固氮资源与食物链引入就可得出以上结果。从总体而言，生物固氮将大气中N₂固定还原成NH₃，直接或间接进入土壤后被高等植物所利用。植物又被动物所食或人类所用。当动物的排泄物或尸体分解后将固定的氮转回土壤或大气，又被新一代的动植物利用，这就是生物界的氮索循环（图5-8）。

在这循环过程中，细菌的硝化和反硝化作用是一个重要环节。其中亚硝单胞菌属（Nitrosomonas）和硝化杆菌属（Nitrobacter）是土壤中最主要的硝化细菌。硝化作用利用氨离子作为唯一的能源，分两步走，即亚硝细菌在有氧条件下，把氨转化为亚硝酸（）和水，并释放出能量；再由硝化细菌将氧化成硝酸（），也释放出能量，供菌体生活。

当或被还原成气态化合物，如N₂O和N₂时，称之为反硝化作用。土壤中有许多反硝化细菌，如假单胞菌属（Pseudomonas）、硫杆菌属（Thiobacillus）和芽孢菌属（Bacillus）等某些种。它们在无氧条件下，利用硝酸盐类代替O₂，作为有机化合物氧化作用的电子受体，进行无氧呼吸，产生能量并释放出分子N₂。

2.大气氮素循环

大气氮素循环包括矿物贮存氮、大气固氮、工业固氮和生物固氮，它们通过人类和动植物的利用及微生物的分解及反硝化作用重新将氮素释放到生物大气圈中进行再循环，如图5-8所示。根据新近有关资料，大气固氮的年总量约20×10⁶t，通过火山岩浆固氮仅200～300万t，后者正好抵消生物圈岩石分化流失的氮。工业合成氮产量达100×10⁶t，而生物固氮估计约200×10⁶t。(www.xing528.com)

图5-8　氮素循环

在全球生物固氮总量中，农业耕地固氮、林地面积固氮和海洋、江河、湖泊、草原、高原极地生态系统的固氮，三者约各占三分之一。海洋生物固氮量不大，只占总数的百分之几，但海洋的氮素循环比较复杂，因为每年从河流带到海洋的硝酸盐和有机物的总数可能达1亿t，由此可推算出反硝化的速度，以保证海域水体的净化。

C.C.Delwiche曾在他的《氮素循环》（1970年.科学美国人）一文中提到：在大规模生产合成肥料之前，由于自然的固定过程从大气中移去的氮量，几乎被能将有机硝酸盐转成气态氮的生物送回到大气中的数量所抵消。他当时作出的一张氮素循环的平衡图表，每年以9.200万t的速度被引入生物圈（其中工业固氮仅有3000万t），而被反硝化的和各种回到大气中的总量每年仅8.300万t。所差的900万t代表着建立在生物圈中的固定氮的速度，分布在土壤中，地下水库贮存库中、河流、湖泊及海洋中。由于固氮超过了反硝化脱氮作用，过剩的氮化合物出现在某些河流、湖泊之中，就会导致早期伊利湖快速的富营养现象。到2000年，工业生产合成氮已达1亿t，河流湖泊的富营养化现象在我国也已出现。这是当今农业生物科学值得关注的重大问题。