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人类与环境的相互联繫(二)氮循环 (The nitrogen

2020-06-16


人类与环境的相互联繫(二)氮循环 (The nitrogen

图1:氮循环以及对环境的影响 (图片来源:《全球环境展望4》p. 371)

(上图可点击放大)

人类活动对环境造成多重影响的另一个典型例子,是从矿石燃料燃烧过程中以及化肥使用过程中释放的活性氮(reactive nitrogen, 简称Nr)。活性氮的排放量从1860年以来已经增长了10倍。使用化肥的好处是提高了粮食产量,从而满足了日益增长的人口的粮食需求,和日益增长的人均食品消耗量的需求。

许多因素都可以影响到氮肥的使用量,如土壤湿度、施用化肥的时机、劳动力、土壤品质和类型、耕作系统以及主要宏观养分(氮(N)、磷(P)、钾(K))的可获得性。人们认识到,如果要提高非洲的粮食产量,就需要提高土壤的品质和肥沃度,增加土壤肥沃度的部分措施是施加无机肥。但是在其他区域,却有大量的氮流失到环境中,而这种情况在某种程度上正是由于施肥的数量和时机不正确造成的。

活性氮可以对许多陆地和水生生态系统及大气层造成不良影响,如图1所示。例如,因为燃烧化石燃料和施用肥料,流失到大气层中的氮会增加对流层臭氧浓度,导致大气层能见度下降及增加沉降物的酸性。沉积后的氮将提高土壤酸性、降低生物多样性、污染地下水并导致近海海域的优养化。一旦这些氮重新排放进 大气层,它又将造成气候变化和同温层臭氧量下降。

只要这些氮在环境中保持活性状态,上述影响就将持续存在,只有当活性氮存储很长时间之后,或者转化到非活性(non-reactive)状态,才能停止上述影响。解决单独一种环境影响的政策措施只能避免一种污染物,我们需要採用兼顾多种联繫和影响的方案,从而彻底避免活性氮的产生。

在植物中,大量的氮素被用于製造可进行光合作用供植物生长的叶绿素分子。

加工,或者固定,是将气态的游离态氮转变为可被有机体吸收的化合态氮的必经过程。一部分氮素由闪电所固定,同时绝大部分的氮素被非共生或共生的固氮细菌所固定。这些细菌拥有可促进氮气和氢化和成为氨的固氮酶,生成的氨再被这种细菌通过一系列的转化以形成自身组织的一部分。某一些固氮细菌,例如根瘤菌 (Rhizobia),寄生在豆科植物(例如豌豆或蚕豆)的根瘤中(图2和图3)。这些细菌和植物建立了一种互利共生的关係,为植物生产氨以换取糖类。因此可通过栽种豆科植物使氮素贫瘠的土地变得肥沃。还有一些其它的植物可供建立这种共生关係。

人类与环境的相互联繫(二)氮循环 (The nitrogen人类与环境的相互联繫(二)氮循环 (The nitrogen
图二(左图):蚕豆花。图三(右图):蚕豆荚果。(图片来源

铵离子(NH4+)很容易被固定在土壤尤其是腐植质和粘土中。而硝酸根离子(NO3−)和亚硝酸根离子(NO2−)则因它们自身的负电性而更不容易被固定在正离子的交换点(主要是腐植质)多于负离子的土壤中。在雨后或灌溉后,流失(可溶性离子譬如硝酸根和亚硝酸根的移动)到地下水的情况经常会发生。

人类与环境的相互联繫(二)氮循环 (The nitrogen

图4:2005年北京动物园中水系发生的优养化 (图片来源


地下水中硝酸盐含量的提高关係到饮用水的安全,因为水中过量的硝酸根离子会影响婴幼儿血液中的氧浓度并导致高铁血红蛋白症或蓝婴症候群(Blue-baby Syndrome)。如果地下水流向溪川,富硝酸盐的地下水会导致地面水体的优养化,使得蓝藻菌和其它藻类大量繁殖,导致水生生物因缺氧而大量死亡。虽然不像铵一样对鱼类有毒,硝酸盐可通过富营养作用间接影响鱼类的生存。氮素已经导致了一些水体的优养化(eutrophication)问题(图4)。从2006年起,在英国和美国使用氮肥将受到更严厉的限制,磷肥的使用也将受到了同样的限制。这些措施被普遍认为是为了治理恢复被优养化的水体而採取的。








参考资料:
1. 英文维基百科:Climate change feedback (http://en.wikipedia.org/wiki/Climate_change_feedback)
2. 中文维基百科:氮循环 (http://zh.wikipedia.org/wiki/%E6%B0%AE%E5%BE%AA%E7%92%B0)
3. 中文维基百科:优养化 (http://zh.wikipedia.org/wiki/%E6%B0%B4%E5%8D%8E)
4. United Nations Environment Programme 2007: Global Environment Outlook – environment for development (GEO-4). (中文版:联合国环境规划署2007:《全球环境展望4 ——旨在发展的环境》),第八章。(http://www.unep.org/geo/GEO4/report/GEO-4_Report_Full_CH.pdf)


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