1氮循環(huán)概述

1.1氮循環(huán)概念

氮循環(huán)就是指氮?dú)狻o(wú)機(jī)氮化合物、有機(jī)氮化合物在自然界中相互轉(zhuǎn)化過(guò)程的總稱(chēng)[1-2]，包括氨化作用、硝化作用、反硝化作用、固氮作用以及有機(jī)氮化合物的合成等[3]。氮循環(huán)是可以循環(huán)往復(fù)、保持動(dòng)態(tài)平衡的一個(gè)開(kāi)放性的系統(tǒng)。但是由于人們不正當(dāng)?shù)霓r(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)，產(chǎn)生“氮飽和”現(xiàn)象，破壞了氮循環(huán)平衡，造成了嚴(yán)重的面源污染。農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)氮循環(huán)過(guò)程中形成面源污染的主要因素有2個(gè)：一是由于施肥導(dǎo)致的氮素超標(biāo)；二是除正常的氮輸出外，由于自然條件（如降雨量、土壤性質(zhì)）的改變以及人類(lèi)活動(dòng)破壞了氮循環(huán)的平衡。因此，研究氮循環(huán)中形成面源污染的原因，對(duì)治理面源污染具有重要的實(shí)踐指導(dǎo)意義。

1.2氮循環(huán)過(guò)程

分子態(tài)、無(wú)機(jī)結(jié)合氮和有機(jī)結(jié)合氮這3種形式是自然界中氮元素的主要存在形式。自然界中的氮元素，一方面通過(guò)各種固氮作用使氮素進(jìn)入物質(zhì)循環(huán)，另一方面通過(guò)反硝化作用、淋溶沉積等作用使氮素重返大氣，從而使氮循環(huán)處于一種動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)。其循環(huán)過(guò)程如圖1所示。2農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)氮循環(huán)氮循環(huán)不僅是地球化學(xué)循環(huán)的重要組成部分，也是農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)中物質(zhì)循環(huán)最重要最活躍的過(guò)程。為總結(jié)氮素循壞過(guò)程氮損失以及對(duì)環(huán)境的影響，李志博等[4]對(duì)生態(tài)系統(tǒng)中氮的循環(huán)進(jìn)了大量研究，發(fā)現(xiàn)我國(guó)氮肥的利用率僅為30%～35%。朱兆良等[5-7]提出我國(guó)旱地的氮肥損失很大，平均在45%左右。

氮素是植物營(yíng)養(yǎng)三要素中最為重要的。Keeneyetal[8-9]研究表明，農(nóng)作物主要吸收利用硝態(tài)氮和銨態(tài)氮，不同作物吸收的情況不同，若有機(jī)態(tài)、無(wú)機(jī)態(tài)及分子態(tài)氮素物質(zhì)相互轉(zhuǎn)化不能達(dá)到平衡，作物就會(huì)因缺氮抑制其生長(zhǎng)。因此在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中，氮素這一養(yǎng)分的循環(huán)與平衡過(guò)程是影響農(nóng)業(yè)生產(chǎn)水平的主要因素。我國(guó)各地的土壤性質(zhì)各不相同，對(duì)于貧瘠、肥力低的土壤，無(wú)法提供足夠的氮素使得作物更好地生長(zhǎng)，必須人為地施用肥料以補(bǔ)充作物所需的氮素。但是不合理的施用氮肥，會(huì)導(dǎo)致氮肥的損失增加、利用率降低。這也是農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)氮循環(huán)過(guò)程中氮素?fù)p失的主要途徑之一，不僅會(huì)使參與再循環(huán)的氮素?cái)?shù)量逐漸減少，而且還會(huì)對(duì)環(huán)境產(chǎn)生潛在的影響。據(jù)估計(jì)，我國(guó)農(nóng)業(yè)中化肥氮的總損失可達(dá)到45%[5]。氮肥的損失不僅降低了經(jīng)濟(jì)效益，更重要的是會(huì)對(duì)環(huán)境產(chǎn)生負(fù)面影響。

氮循環(huán)是農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)中物質(zhì)循環(huán)的一個(gè)重要組成部分，也是影響土壤肥力的最活躍因素之一。農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中氮循環(huán)過(guò)程的氮素來(lái)源主要有2種途徑：一是生物固氮，即通過(guò)豆科作物和固氮生物固定空氣中的氮；二是化學(xué)固氮，即通過(guò)化工廠將空氣中的氮轉(zhuǎn)化為氨，再制成各種氮肥供農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用。

2.1農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)中氮素的輸入

2.1.1大氣中的氮沉降。以氣態(tài)NO、N2O、NH3為主的干沉降和以NO3-和NH4+及少量可溶性有機(jī)氮為主的濕沉降是大氣氮沉降的2種形態(tài)。除空氣中自有的N2外，工業(yè)生產(chǎn)中煤、石油等燃料的燃燒會(huì)釋放大量的含氮化合物，增加氮沉降。如果氮沉降過(guò)多，在降雨、灌溉過(guò)程中會(huì)增加氮，而其他營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)隨水淋失，從而導(dǎo)致?tīng)I(yíng)養(yǎng)失衡等問(wèn)題。

2.1.2化肥的施用。通過(guò)施化肥向農(nóng)田輸入的氮素是農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)中氮的主要來(lái)源。作物生長(zhǎng)過(guò)程中所需的氮素主要以氨氮和硝態(tài)氮為主。此外，糞肥也是農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)氮素主要來(lái)源。中國(guó)人口多，耕地面積少，要保證人們的溫飽問(wèn)題必須提高單位耕地面積的糧食產(chǎn)量。由于這一迫切需要，單位面積氮肥施用量不斷增加。但是追加過(guò)多氮肥會(huì)引發(fā)諸多環(huán)境問(wèn)題：一是施入過(guò)多氮肥，氮素進(jìn)入土壤后經(jīng)過(guò)反硝化過(guò)程會(huì)釋放NO、N2O等溫室氣體。二是過(guò)量的氮素殘留在土壤中，經(jīng)雨水、灌溉沖洗后，流入河流、湖泊中，造成水體富營(yíng)養(yǎng)化，而且還降低了氮素的利用率。例如稻田超量施肥，其對(duì)氮的吸收不到10%，其余流失于河道、湖泊和近海，成為富營(yíng)養(yǎng)化的暗流[10]。程波、左海軍等[11-12]調(diào)查發(fā)現(xiàn)，在農(nóng)業(yè)集約化較高的地區(qū)，氮素會(huì)通過(guò)徑流和水土流失流入湖泊河流，使水體的營(yíng)養(yǎng)程度提高，造成污染，例如太湖。這不僅造成了氮肥的極大浪費(fèi)和損失，也出現(xiàn)了肥效遞減現(xiàn)象。三是氮素輸入過(guò)多會(huì)破壞營(yíng)養(yǎng)平衡，降低其他營(yíng)養(yǎng)元素吸收效果等。

2.1.3生物固氮。生物固氮是將氮?dú)廪D(zhuǎn)化為氨的過(guò)程，是農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)里一個(gè)重要氮源，以豆科作物和根瘤菌的共生固氮為主，其固氮量可占生物固氮量的1/2[13]。

2.1.4秸稈、農(nóng)田廢棄物堆肥。利用作物秸稈或農(nóng)田廢棄物堆腐，作為肥料施用到農(nóng)田中。堆腐后的秸稈和農(nóng)田廢棄物不僅可以有效地提高土壤有機(jī)質(zhì)，減少水土流失，還可以降低各方面的能耗，減少化肥的施用，從而降低農(nóng)業(yè)生產(chǎn)成本[14-15]，這也是未來(lái)農(nóng)業(yè)資源化發(fā)展的趨勢(shì)。

2.2農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)中氮素的輸出

淋失、流失、農(nóng)田硝化反硝化等氮素?fù)p失是農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)中氮的主要輸出途徑。

2.2.1淋失作用。氮淋失是一個(gè)累積過(guò)程，殘留在土壤中的肥料氮素隨水（雨水和灌溉水）移動(dòng)到作物根系無(wú)法吸收的地方，造成損失（主要是硝態(tài)氮）。影響氮淋失的因素有降雨、灌溉、施肥、土壤特性以及農(nóng)耕技術(shù)等。

2.2.2氮流失。能溶解的礦質(zhì)氮或以無(wú)機(jī)態(tài)和有機(jī)態(tài)形式吸附在土壤顆粒表面的氮隨徑流而流失的過(guò)程稱(chēng)為氮流失。影響氮流失的因素很多，如：徑流、降雨、坡面坡度、植被覆蓋情況、土壤結(jié)構(gòu)與質(zhì)地等。在眾多影響因素中，降雨和徑流是影響氮流失的決定性因素。當(dāng)雨季到來(lái)時(shí)，長(zhǎng)期的降雨或強(qiáng)度降雨均會(huì)導(dǎo)致過(guò)多的雨水量超過(guò)土壤所能承受的水分下滲量，此時(shí)就會(huì)產(chǎn)生地面徑流，對(duì)土壤表層沖刷過(guò)程中造成氮流失[16]。我國(guó)對(duì)植被覆蓋對(duì)營(yíng)養(yǎng)元素流失及減少面源污染方面研究較為成熟。增大植被的覆蓋度，能有效地降低水流速度，從而減少由徑流造成的氮流失。

2.2.3農(nóng)田硝化反硝化過(guò)程。農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)中，由硝化轉(zhuǎn)為反硝化過(guò)程中伴隨著N2、NO、NO2、N2O等氮氧化合物氣體的產(chǎn)生。熊正琴等[17]研究表明，N2O的增溫效果是CO2的320倍、CH4的13倍，在平流層經(jīng)過(guò)光化學(xué)反應(yīng)形成NO造成臭氧層破壞。這就是農(nóng)田中氮的主要流失途徑。在硝化和反硝化過(guò)程中，氮損失量的多少取決于土壤溫度和pH值（溫度過(guò)高或過(guò)低都不利于硝化過(guò)程進(jìn)行，硝化和反硝化過(guò)程分別需要在硝化菌和反硝化細(xì)菌的作用下進(jìn)行反應(yīng)，不同的微生物菌群需要適宜的溫度和pH值，否則就會(huì)影響其反應(yīng)過(guò)程）、土壤的物理性質(zhì)（質(zhì)地、結(jié)構(gòu)等）、施肥狀況、耕作及種植方式、灌溉等因素。