1氮循環(huán)概述

1.1氮循環(huán)概念

氮循環(huán)就是指氮氣、無機氮化合物、有機氮化合物在自然界中相互轉(zhuǎn)化過程的總稱[1-2]，包括氨化作用、硝化作用、反硝化作用、固氮作用以及有機氮化合物的合成等[3]。氮循環(huán)是可以循環(huán)往復、保持動態(tài)平衡的一個開放性的系統(tǒng)。但是由于人們不正當?shù)霓r(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動，產(chǎn)生“氮飽和”現(xiàn)象，破壞了氮循環(huán)平衡，造成了嚴重的面源污染。農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)氮循環(huán)過程中形成面源污染的主要因素有2個：一是由于施肥導致的氮素超標；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)）的改變以及人類活動破壞了氮循環(huán)的平衡。因此，研究氮循環(huán)中形成面源污染的原因，對治理面源污染具有重要的實踐指導意義。

1.2氮循環(huán)過程

分子態(tài)、無機結(jié)合氮和有機結(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，一方面通過各種固氮作用使氮素進入物質(zhì)循環(huán)，另一方面通過反硝化作用、淋溶沉積等作用使氮素重返大氣，從而使氮循環(huán)處于一種動態(tài)平衡狀態(tài)。其循環(huán)過程如圖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)最重要最活躍的過程。為總結(jié)氮素循壞過程氮損失以及對環(huán)境的影響，李志博等[4]對生態(tài)系統(tǒng)中氮的循環(huán)進了大量研究，發(fā)現(xiàn)我國氮肥的利用率僅為30%～35%。朱兆良等[5-7]提出我國旱地的氮肥損失很大，平均在45%左右。

氮素是植物營養(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，若有機態(tài)、無機態(tài)及分子態(tài)氮素物質(zhì)相互轉(zhuǎn)化不能達到平衡，作物就會因缺氮抑制其生長。因此在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中，氮素這一養(yǎng)分的循環(huán)與平衡過程是影響農(nóng)業(yè)生產(chǎn)水平的主要因素。我國各地的土壤性質(zhì)各不相同，對于貧瘠、肥力低的土壤，無法提供足夠的氮素使得作物更好地生長，必須人為地施用肥料以補充作物所需的氮素。但是不合理的施用氮肥，會導致氮肥的損失增加、利用率降低。這也是農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)氮循環(huán)過程中氮素損失的主要途徑之一，不僅會使參與再循環(huán)的氮素數(shù)量逐漸減少，而且還會對環(huán)境產(chǎn)生潛在的影響。據(jù)估計，我國農(nóng)業(yè)中化肥氮的總損失可達到45%[5]。氮肥的損失不僅降低了經(jīng)濟效益，更重要的是會對環(huán)境產(chǎn)生負面影響。

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)過程中氮循環(huán)過程的氮素來源主要有2種途徑：一是生物固氮，即通過豆科作物和固氮生物固定空氣中的氮；二是化學固氮，即通過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釋放大量的含氮化合物，增加氮沉降。如果氮沉降過多，在降雨、灌溉過程中會增加氮，而其他營養(yǎng)物質(zhì)隨水淋失，從而導致營養(yǎng)失衡等問題。

2.1.2化肥的施用。通過施化肥向農(nóng)田輸入的氮素是農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)中氮的主要來源。作物生長過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)氮素主要來源。中國人口多，耕地面積少，要保證人們的溫飽問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。但是追加過多氮肥會引發(fā)諸多環(huán)境問題：一是施入過多氮肥，氮素進入土壤后經(jīng)過反硝化過程會釋放NO、N2O等溫室氣體。二是過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，其對氮的吸收不到10%，其余流失于河道、湖泊和近海，成為富營養(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)，氮素會通過徑流和水土流失流入湖泊河流，使水體的營養(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和損失，也出現(xiàn)了肥效遞減現(xiàn)象。三是氮素輸入過多會破壞營養(yǎng)平衡，降低其他營養(yǎng)元素吸收效果等。

2.1.3生物固氮。生物固氮是將氮氣轉(zhuǎn)化為氨的過程，是農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)里一個重要氮源，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]，這也是未來農(nóng)業(yè)資源化發(fā)展的趨勢。

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損失是農(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。氮淋失是一個累積過程，殘留在土壤中的肥料氮素隨水（雨水和灌溉水）移動到作物根系無法吸收的地方，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)耕技術等。

2.2.2氮流失。能溶解的礦質(zhì)氮或以無機態(tài)和有機態(tài)形式吸附在土壤顆粒表面的氮隨徑流而流失的過程稱為氮流失。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。當雨季到來時，長期的降雨或強度降雨均會導致過多的雨水量超過土壤所能承受的水分下滲量，此時就會產(chǎn)生地面徑流，對土壤表層沖刷過程中造成氮流失[16]。我國對植被覆蓋對營養(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)田硝化反硝化過程。農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)中，由硝化轉(zhuǎn)為反硝化過程中伴隨著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)過光化學反應形成NO造成臭氧層破壞。這就是農(nóng)田中氮的主要流失途徑。在硝化和反硝化過程中，氮損失量的多少取決于土壤溫度和pH值（溫度過高或過低都不利于硝化過程進行，硝化和反硝化過程分別需要在硝化菌和反硝化細菌的作用下進行反應，不同的微生物菌群需要適宜的溫度和pH值，否則就會影響其反應過程）、土壤的物理性質(zhì)（質(zhì)地、結(jié)構等）、施肥狀況、耕作及種植方式、灌溉等因素。