氮循环

氮的化学符号是N，它是一种无味、无色的元素。氮存在于我们脚下的土壤、我们饮用的水中以及我们呼吸的空气中。氮气约占大气的78%，是地球上最普遍的元素。包括我们在内的所有生物都需要氮。氮不足会阻碍植物生长，从而降低食物产量。然而，过多的氮对植物也有害。尽管氮对我们的食物供应至关重要，但过多的氮对环境也是有害的。

氮：为什么它很重要？

了解维持生命所需的各种成分的微妙平衡至关重要，而氮在环境中的地位也不例外。缺乏氮的植物生长缓慢、变黄，并结出较小的果实和花朵。为了促进作物生长，农民可能会在作物上施用含氮肥料。科学家预测，如果没有氮肥，我们可能会损失三分之一对我们的食物供应和其他用途至关重要的农产品。然而，我们必须了解植物生长所需的氮含量，因为过量会污染溪流并危害水生生物。

生命如何依赖氮？

氮是核酸的关键组成部分。DNA和RNA是其中的一部分。脱氧核糖核酸是一种自我复制的物质，构成染色体的大部分，并在几乎所有生物体中作为遗传信息的载体。所有活细胞都含有核糖核酸，这是一种核酸，作为DNA的信使，DNA是所有生物分子中最重要的一种，对所有生命都至关重要。遗传信息，或组装生物体的指令，由DNA携带。氮不足会导致植物无法产生氨基酸，而氨基酸是许多活细胞、肌肉和组织的必需构建块。没有氨基酸，植物就无法产生植物细胞生存所需的独特蛋白质。当可用的氮不足时，植物的生长会受到负面影响。氮过量的植物会产生过多的生物量（有机物），如叶子和茎，但根系不足。在极端情况下，从土壤中吸收了极高水平氮的植物可能会毒害食用它们的牲畜。

什么是富营养化，它是否可以避免？

此外，多余的氮可能会从土壤中浸出或渗入地下水源，或作为地表径流进入水生系统。这些过剩氮的积累可能导致一种称为富营养化的状况。当水因过多的氮而变得丰富时，就会导致富营养化，从而加速藻类和植物的生长。由于过量的氮，湖泊甚至可能变成鲜绿色或其他颜色，并伴有刺激性浮游植物藻类的“水华”。

浮游植物死亡后，水生微生物会分解它们。分解会降低水中溶解氧的含量，这可能导致“死亡区”，那里的氧气不足以支持大多数生命形式。缺氧会导致死亡区内的生物死亡。淡水湖泊和河流将农业径流（肥料溢出）中的营养物质带入海洋的沿海地区也可能经历这些死亡区。

富营养化是否可以停止？

是的。水资源管理者可以采用多种策略来减少藻华和水体富营养化的有害影响。为了阻止藻华，他们可以采取其他措施，例如使用除草剂（用于杀死不需要的植物生长）或杀藻剂（用于杀死藻类），将多余的营养物质从湖泊和易受影响的沿海地区转移，并减少农业肥料中使用的营养物质的数量或组合。然而，找到过剩氮源的来源通常可能很困难。

一旦湖泊发生富营养化，逆转它要困难得多。杀藻剂可能很昂贵，而且它们无法解决导致藻类生长的过剩氮或其他营养物质。生物修复是一种有意改变水生生态系统的食物链以降低或调节浮游植物数量的方法，这也是一种潜在的补救措施。例如，水管理者可以引入消耗浮游植物的生物，通过这样做，这些物种可以帮助降低浮游植物的水平。

什么是氮循环？

生物和非生物，如大气、土壤、水、植物、动物和微生物都参与氮循环。为了在循环的各个阶段中移动，氮必须改变其形式。氮在用作肥料时也可能以各种形式存在，例如氨（NH₃），然后可以进一步加工生产另一种肥料硝酸铵（NH₄NO₃）。氮在大气中以气态（N₂）存在，但在土壤中以氮氧化物（NO）和二氧化氮（NO₂）的形式存在。

现在我们将回顾氮循环的五个步骤：固定或挥发、矿化、硝化、同化和反硝化。由于土壤微生物将氮气（N₂）转化为挥发性氨（NH₃），因此在此图中，固定过程被称为挥发。淋溶是某些氮化合物（如硝酸盐或NO₃）在逃离土壤并可能污染水源后溶解在水中的过程。

第一阶段：氮固定

在此阶段，氮从大气转移到土壤。地球大气层中存在大量的氮气（N₂）。然而，植物无法直接利用这种氮，因为它必须先经过转化。N₂必须经过一个称为氮固定的过程才能被植物利用。固定将大气中的氮转化为植物根系可以吸收的形式。

当闪电提供能量使N₂与氧气反应生成氮氧化物NO和二氧化氮NO₂时，少量的氮可以被固定。雨雪随后会将这些形式的氮带入土壤。用于制造肥料的商业技术也可以固定氮。通过将大气氮与氢混合，这种氮固定过程会产生氨（NH₃），这是一种可以添加到土壤中并被植物利用的氮形式。此技术使用极高的温度和压力。

大部分氮是土壤微生物自发固定的。一些细菌附着在植物根部，形成有益的共生伙伴关系，对植物和细菌都有好处。作为回报，细菌从光合作用中获得能量，以换取细菌将氮固定为植物所需的形态。为了植物的生长，固定的氮随后被输送到植物中需要它来构建植物组织的其他区域。没有这种共生相互作用，其他细菌可以在土壤或水中固定氮。这些细菌还可以产生生物可以利用的氮形式。

第二阶段：矿化

此阶段发生在土壤中。当氮从粪便或植物部分等有机物质中转移出来时，就会产生植物可以利用的无机氮形式。植物最终会耗尽养分，死亡并分解。在氮循环的第二阶段，这一点变得至关重要。当微生物接触到动物粪便或腐烂的植物或动物残骸等有机废物时，它们就开始将有机物转化为植物可以利用的氮形式。这个过程被称为矿化。所有栽培植物从土壤中获取它们所需的氮，除了豆科植物（豆荚会裂成两半的植物，如扁豆、豆子、豌豆或花生）。如前所述，豆科植物通过在其根瘤中发生的固定作用获取氮。

氨（NH₃）是矿化过程产生的初始氮形式。土壤中的NH₃然后与水结合生成NH₄，即铵。当植物不通过上述共生固氮关系获取氮时，它们可能会利用储存在土壤中并可供使用的铵。

第三阶段：硝化

硝化，第三阶段，也发生在土壤中。硝化过程将矿化过程中在土壤中产生的氨转化为亚硝酸盐（NO₂）和硝酸盐（NO₃）。食用植物的动物和植物都可以利用硝酸盐。某些土壤细菌可以将氨转化为亚硝酸盐。虽然植物和动物不能直接利用亚硝酸盐，但其他细菌可以将亚硝酸盐转化为硝酸盐，后者则可以。这种反应为参与此过程的微生物提供能量。我们正在讨论的细菌是亚硝化单胞菌和硝化杆菌。亚硝化单胞菌将氨转化为亚硝酸盐，而硝化杆菌将亚硝酸盐转化为硝酸盐。硝化对植物来说是一个关键过程，因为它会产生易于植物通过根系吸收的过量氮。

第四阶段：同化

第四阶段的氮循环是同化，也称为反向矿化。这两个系统协同工作来控制土壤中的氮含量。与植物一样，土壤中的细菌需要氮作为燃料来源。当植物残骸分解后的氮含量不足时，这些土壤细菌就会从土壤中获取氮。当微生物消耗铵（NH₄₊）和硝酸盐（NO₃）时，这些形式的氮就不再可供植物使用，这可能导致氮亏缺，即氮的缺乏。因此，同化作用将氮锁定在细菌中。然而，同化作用是至关重要的，因为它将氮固定或同化在微生物中，这有助于控制和平衡土壤中的氮含量。

第五阶段：反硝化

在反硝化过程中，氮循环的第五阶段，微生物将硝酸盐转化为大气氮（N₂），将氮释放回大气中。因此，土壤的总体氮含量会减少，因为氮气被释放到大气中，而这正是我们故事的起点。

生命中对氮的需求

生态系统中的氮循环对于维持健康、高产的生态系统以及最佳的氮平衡至关重要。植物产生生物量（生物物质）的能力取决于氮的可用性。了解植物-土壤氮循环的工作原理可以帮助我们更好地决定种植哪些作物以及在哪里种植，以便我们拥有充足的食物供应。此外，通过更好地理解氮循环，我们可以减少因土壤过度施肥造成的污染。有些植物可能比其他植物更擅长从肥料中吸收氮或其他养分，如磷。它们甚至可以充当“缓冲带”或过滤器，防止过多的肥料进入水道。Haycock和Pinay的一项研究发现，一片覆盖着某种草（Lolium perenne L.）的河边区域能够截留高达84%的硝酸盐，并将其阻挡在河流之外。当用作缓冲带时，杨树（Populus italica）在冬季保留了进入地下水流的硝酸盐的99%。

正如你所见，当土壤缺氮时，植物会受损，这可能会造成危害，因为过量的氮会损害植物甚至牲畜。海洋生物因死亡藻华分解而窒息，这导致我们的供水因过量的氮和其他营养物质而被污染的严重问题。农民和社区必须合作，提高作物吸收更多养分的能力，并安全处理动物粪便废物。还必须保留能够吸收氮径流并防止其进入水体的天然植物缓冲带。但是，由于留下的吸收过剩营养物质的植物越来越少，我们目前砍伐树木为道路和其他建筑让路的做法加剧了这个问题。我们需要进行更多研究，以找到能在沿海地区茁壮成长并吸收过剩氮的最佳植物物种。我们还需要为过多的氮进入水生环境的问题找到更多的解决方案或预防措施。通过努力更全面地理解氮循环以及地球相互关联的自然系统中运作的其他循环，我们可以更好地理解如何更好地保护地球宝贵的自然资源。