“氮氮”的忧伤
2020/5/2 8:00:00 中科院之声

     氮是许多生物过程的基本元素，是所有生物赖以生存的主要营养物质。它存在于组成蛋白质的氨基酸中，是构成诸如DNA等核酸的四种基本元素之一。氮与生命及各种形式的生命活动紧密联系在一起。那么，“氮氮”的忧伤又从何谈起呢？

    

     自然界中的氮循环(图片来自网络)

     “供不应求”的忧伤

     氮气占地球大气的78%，然而氮气的化学性质不活泼，常温下很难跟其他物质发生反应，称为“惰性氮”。这种形态的氮对生命直接无效，分子态氮必须通过某种反应转化为其他形态的氮化合物，进入自然界的氮循环后才显示出活性。氮循环将大气、陆地和海洋生态系统链接起来，而整个氮循环中，固氮是一个极为重要的环节。固氮决定生物圈的输入贡献有多少，想要完成氮循环中其他形态的转化，必须有最初的输入量来驱动。

     自然界中固氮有两种方法，第一种是生物固氮。土壤中的一些细菌微生物可以在常温常压下固氮，比如鱼腥藻、念珠藻和颤藻等固氮蓝细菌中所含有固氮酶。豆科植物的根部有很多瘤状突起，这是根瘤菌的入侵增殖造成的，根瘤菌可以将空气中游离的氮固定下来，转变为植物所能利用的含氮化合物，供植物生活所需。人类一直想探究的常温常压固氮方法，但目前还无法做到。

    

     (图片来自网络)

     自然界中第二种固氮方法称为“高能固氮”，自然界中的闪电、宇宙射线、火山爆发等活动可以将大气中的氮转化为硝酸盐，并通过降水到达地面。此种固氮作用是很弱的，只能一定程度上补充活性氮。

    

     (图片来源网络)

     在农业生态中，如果缺少活性氮就会导致土壤肥力下降、土壤有机质耗竭、土壤侵蚀甚至沙漠化；尤其在湿润的热带，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。由于农业生产中农作物对氮的需求远大于生物固氮途径的供应量，科学家研究实现了工业固氮，以H2和N2在催化剂、高温、高压下合成氨。氮肥的发明，才使得农业生产不再因缺少氮而忧伤。

    

     (图片来源网络)

     “供过于求”的忧伤

     但是我们知道，生活中不如意的事总是很多，忧伤就像地鼠一样永远打不完。氮的过量“活化”，使得自然界原有的固氮和脱氨失去平衡，氮循环被严重扰乱，越来越多的活性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。中科院大气所在读博士生梁晶晶与合作者近期在Advances in Atmospheric Sciences(《大气科学进展》)上发表的研究结果表明，目前的氮肥施用水平对环境污染有着潜在的威胁。

     研究人员利用包含动态氮循环过程模块的陆面模式在中国进行了区域尺度模拟试验。作者进行了不同施肥量的敏感性试验，以探究农田施肥量对土壤固碳、耗水量以及氮素淋溶损量的影响。文章作者梁晶晶指出，与施肥量减半的试验结果相比，采用实际施肥量的试验可以提高GPP(总初级生产力，指植物光合作用固碳的能力) 1.97%，增加蒸腾量0.43%，并提高5.35%的氮素淋溶损量(水污染指标)。

     实验结果表明，在大多数地区，施用氮肥可以增加水分利用效率(GPP与蒸腾量的比值，植物生长指标)，尤其是在冬季，土壤中残留氮肥的增加对作物的生长起着重要的支持作用。在实际施肥与减半施肥的结果对比中可以发现，随着施肥量的增加，各月的GPP和蒸腾量都增加。然而，从2月份开始，水分利用效率的增长率急剧下降，甚至在5月份达到负值，表明这一时期的肥料用量可能超过了适宜作物生长的含氮量阈值，施肥后经过一段时间的消耗，伴随着作物在夏季生长旺盛期所需肥料的增加，水分利用效率恢复为正值，但仍保持相对较低的增长速度。换言之，这种施肥量可能太多，无法维持较高的水分利用效率。总体而言，适当的施肥可以提高粮食产量和水分利用效率，而过度施肥则会降低水分利用效率，这意味着浪费资源甚至形成氮污染。

    

     2001-2014年农田地区，实际施肥与施肥减半(红线)，以及施肥减半与不施肥(黑线)之间(a)GPP，(b)蒸腾作用和(c)水分利用效率变化的百分比的季节变化

     氮污染对环境能造成哪些危害呢？首先是破坏水资源，水体中氮素过多会导致富营养化，造成“赤潮”现象，降低水的使用价值和导致鱼类等水生动物死亡。其次是对地球大气的破坏，N2O(俗称“笑气”)可以和臭氧发生化学反应，消耗臭氧从而增加到达地面的紫外线辐射。N2O同时也是一种温室气体，其单分子增温潜势是CO2的200多倍，加速全球变暖。最后，亚硝酸根(NO2-)可以诱发各种疾病甚至致癌，而硝酸根(NO3-)是其来源。近年来，不少地区的地下水中检出NO3-有明显上升的趋势，非常值得关注。

    

     澳大利亚悉尼海岸红藻泛滥爆发赤潮。(图片来源：中国广播网)

    

     赤潮造成鱼类大量死亡(图片来自网络)

     何以解忧？

     氮既是生命要素又是日益增长的环境污染因子，这是区别于一般污染物的特殊研究对象，可谓“少亦忧，多亦忧，然则何时而乐耶？”

     农业生产中氮肥利用率低、损失率高、对环境压力大是一个世界性的问题。针对这一问题，一些人少地多的发达国家，采用了改进施肥技术和方法，以及降低产量目标以减少氮肥施用量等对策。但是，我国人多地少，保证粮食高产、满足人口不断增长对粮食的需求是首要目标。我们希望找到既能获得尽可能高的产量，又能最大限度地减轻对环境的压力的氮肥施用与氮素管理技术。目前，氮肥深施，磷、钾和中微量营养元素等平衡施肥都是可行的方法。此外，7、8月是我国北方大部分地区主要降水季节，容易由于降水而使地表水与地下水衔接，而将地表硝酸盐带入地下水。为防止硝酸盐淋溶污染地下水，这一时期速效氮素化肥的追施宜采取少量多次的形式。

     科研人员目前的迫切任务是，尽快研发和改进考虑人类活动的陆面模式，并同高分辨率地球系统模式耦合起来。通过大量的不同情景的数值模拟，加深我们对人类和自然相互作用的认识，从而科学有序地指导人类社会的发展。既要发展生产、合理利用资源、不断提高人们的生活水平，又要努力保护环境、防止环境污染。氮循环和氮污染的平衡之路，还很远很远。

     参考文献：

     1. Liang, J., Z.-L. Yang, X. Cai,P. Lin, H. Zheng, and Q. Bian, 2020: Modeling the impacts of nitrogen dynamicson regional terrestrial carbon and water cycles over China with Noah-MP-CN.Adv. Atmos. Sci. , 37(7), https://doi.org/10.1007/s00376-020-9231-6.

     2. 高拯民，张福珠，环境中氮循环与氮污染研究现状与展望，环境科学丛刊

     3. 刘全凤，浅谈氮循环及氮污染，现代农业科技

     来源：中国科学院大气物理研究所

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