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氮素循環

自然界的氮及氮素化合物在生物作用下的一系列相互轉化過程。氮素在自然界有多種存在形式,數量最大的是大氣中的氮氣,占大氣體積的79%,總量約3.9×10(億噸。除少數原核生物外,動、植物都不能直接利用土壤及海洋中的無機氮中,只有銨鹽和硝酸鹽可被植物吸收利用,但其量有限,因此地球表面生物量的增長受到可利用氮的限制。

目前,陸地上生物活體中貯存的有機氮總量為110~140億噸,這部分氮的數量雖不算大,但它于迅速再循環中,可反復供植物利用。存在土壤中的有機氮估計為3000億噸,逐年分解為無機氮供植物利用。海洋中有機氮約5000億噸, 海水中還溶有氮約2.2×10(億噸,被海洋生物循環利用。

氮素循環過程中的幾個主要環節是:①大氣中的分子態氮被固定成氨(固氮作用);②氨被植物吸收合成有機氮并進入食物鏈();③有機氮被分解釋放出氨(氨化作用);④氨被氧化成硝酸;⑤硝酸又被還原成氮,返回大氣(脫氮作用)。

氮的兩個原子以3鍵結合,每克分子氮需160千卡能量才能將兩個原子分開。能提供能量進行氮固定的途徑有①生物固氮:自然界存在多種固氮微生物,它們利用化學能或光能將氮還原為氨。這是地球上固定氮的重要途徑;②工業固氮:用高溫、高壓、化學催化的方法,將氮固定為氨;③高能固氮:高空放電瞬間產生的高能,使空氣中的氮與水中的氫或氧結合,產生氨或硝酸,由雨水帶至地表。

植物和微生物吸收銨鹽和硝酸鹽,將無機氮同化為有機氮,動物食用植物,將植物有機氮同化為動物有機氮。動物代謝過程中向體外排泄氨、尿酸、尿素以及其他各種有機氮化合物。另外,動物分泌物和動、植物殘體被微生物分解也釋放氨。

氨或銨鹽在有氧條件下能被氧化成硝酸鹽。硝酸鹽溶于水,易被植物吸收利用,但也易從土壤中淋失,流至河湖及海洋。

硝酸鹽在微氧或無氧條件下,能被多種微生物還原成亞硝酸鹽并進一步還原成分子氮,返回大氣。這種反硝化作用一是造成土壤耕作層的氮肥損失,二是其部分產物(NO及N)能造成環境污染。另外,NO及N上升至同溫層,與臭氧()結合,使濃度降低,從而減弱對太陽光中紫外線的屏蔽作用,將會造成不良后果。

人們為了發展農業生產,除大力增產氮肥外,還必須提高對氮素循環中各個環節的了解,以便在氮肥的使用和管理上,采取合理的措施。

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