「氮氮」的憂傷

氮是許多生物過程的基本元素，是所有生物賴以生存的主要營養物質。它存在於組成蛋白質的胺基酸中，是構成諸如DNA等核酸的四種基本元素之一。氮與生命及各種形式的生命活動緊密聯繫在一起。那麼，「氮氮」的憂傷又從何談起呢？

自然界中的氮循環（圖片來自網絡）

「供不應求」的憂傷

氮氣佔地球大氣的78%，然而氮氣的化學性質不活潑，常溫下很難跟其他物質發生反應，稱為「惰性氮」。這種形態的氮對生命直接無效，分子態氮必須通過某種反應轉化為其他形態的氮化合物，進入自然界的氮循環後才顯示出活性。氮循環將大氣、陸地和海洋生態系統連結起來，而整個氮循環中，固氮是一個極為重要的環節。固氮決定生物圈的輸入貢獻有多少，想要完成氮循環中其他形態的轉化，必須有最初的輸入量來驅動。

自然界中固氮有兩種方法，第一種是生物固氮。土壤中的一些細菌微生物可以在常溫常壓下固氮，比如魚腥藻、念珠藻和顫藻等固氮藍細菌中所含有固氮酶。豆科植物的根部有很多瘤狀突起，這是根瘤菌的入侵增殖造成的，根瘤菌可以將空氣中游離的氮固定下來，轉變為植物所能利用的含氮化合物，供植物生活所需。人類一直想探究的常溫常壓固氮方法，但目前還無法做到。

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自然界中第二種固氮方法稱為「高能固氮」，自然界中的閃電、宇宙射線、火山爆發等活動可以將大氣中的氮轉化為硝酸鹽，並通過降水到達地面。此種固氮作用是很弱的，只能一定程度上補充活性氮。

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在農業生態中，如果缺少活性氮就會導致土壤肥力下降、土壤有機質耗竭、土壤侵蝕甚至沙漠化；尤其在溼潤的熱帶，土壤遭受強烈的風化和淋溶，土壤養分貧瘠，土壤氮素和磷素成為受限的營養元素。由於農業生產中農作物對氮的需求遠大於生物固氮途徑的供應量，科學家研究實現了工業固氮，以H2和N2在催化劑、高溫、高壓下合成氨。氮肥的發明，才使得農業生產不再因缺少氮而憂傷。

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「供過於求」的憂傷

但是我們知道，生活中不如意的事總是很多，憂傷就像地鼠一樣永遠打不完。氮的過量「活化」，使得自然界原有的固氮和脫氨失去平衡，氮循環被嚴重擾亂，越來越多的活性氮開始向大氣和水體過量遷移，循環開始出現病態，導致全球環境問題。中科院大氣所在讀博士生梁晶晶與合作者近期在Advances in Atmospheric Sciences（《大氣科學進展》）上發表的研究結果表明，目前的氮肥施用水平對環境汙染有著潛在的威脅。

研究人員利用包含動態氮循環過程模塊的陸面模式在中國進行了區域尺度模擬試驗。作者進行了不同施肥量的敏感性試驗，以探究農田施肥量對土壤固碳、耗水量以及氮素淋溶損量的影響。文章作者梁晶晶指出，與施肥量減半的試驗結果相比，採用實際施肥量的試驗可以提高GPP（總初級生產力，指植物光合作用固碳的能力）1.97%，增加蒸騰量0.43%，並提高5.35%的氮素淋溶損量（水汙染指標）。

實驗結果表明，在大多數地區，施用氮肥可以增加水分利用效率（GPP與蒸騰量的比值，植物生長指標），尤其是在冬季，土壤中殘留氮肥的增加對作物的生長起著重要的支持作用。在實際施肥與減半施肥的結果對比中可以發現，隨著施肥量的增加，各月的GPP和蒸騰量都增加。然而，從2月份開始，水分利用效率的增長率急劇下降，甚至在5月份達到負值，表明這一時期的肥料用量可能超過了適宜作物生長的含氮量閾值，施肥後經過一段時間的消耗，伴隨著作物在夏季生長旺盛期所需肥料的增加，水分利用效率恢復為正值，但仍保持相對較低的增長速度。換言之，這種施肥量可能太多，無法維持較高的水分利用效率。總體而言，適當的施肥可以提高糧食產量和水分利用效率，而過度施肥則會降低水分利用效率，這意味著浪費資源甚至形成氮汙染。

2001-2014年農田地區，實際施肥與施肥減半（紅線），以及施肥減半與不施肥（黑線）之間（a）GPP，（b）蒸騰作用和（c）水分利用效率變化的百分比的季節變化

氮汙染對環境能造成哪些危害呢？首先是破壞水資源，水體中氮素過多會導致富營養化，造成「赤潮」現象，降低水的使用價值和導致魚類等水生動物死亡。其次是對地球大氣的破壞，N2O（俗稱「笑氣」）可以和臭氧發生化學反應，消耗臭氧從而增加到達地面的紫外線輻射。N2O同時也是一種溫室氣體，其單分子增溫潛勢是CO2的200多倍，加速全球變暖。最後，亞硝酸根（NO2-）可以誘發各種疾病甚至致癌，而硝酸根（NO3-）是其來源。近年來，不少地區的地下水中檢出NO3-有明顯上升的趨勢，非常值得關注。

澳大利亞雪梨海岸紅藻泛濫爆發赤潮。（圖片來源：中國廣播網）

赤潮造成魚類大量死亡（圖片來自網絡）

何以解憂？

氮既是生命要素又是日益增長的環境汙染因子，這是區別於一般汙染物的特殊研究對象，可謂「少亦憂，多亦憂，然則何時而樂耶？」

農業生產中氮肥利用率低、損失率高、對環境壓力大是一個世界性的問題。針對這一問題，一些人少地多的發達國家，採用了改進施肥技術和方法，以及降低產量目標以減少氮肥施用量等對策。但是，我國人多地少，保證糧食高產、滿足人口不斷增長對糧食的需求是首要目標。我們希望找到既能獲得儘可能高的產量，又能最大限度地減輕對環境的壓力的氮肥施用與氮素管理技術。目前，氮肥深施，磷、鉀和中微量營養元素等平衡施肥都是可行的方法。此外，7、8月是我國北方大部分地區主要降水季節，容易由於降水而使地表水與地下水銜接，而將地表硝酸鹽帶入地下水。為防止硝酸鹽淋溶汙染地下水，這一時期速效氮素化肥的追施宜採取少量多次的形式。

科研人員目前的迫切任務是，儘快研發和改進考慮人類活動的陸面模式，並同高解析度地球系統模式耦合起來。通過大量的不同情景的數值模擬，加深我們對人類和自然相互作用的認識，從而科學有序地指導人類社會的發展。既要發展生產、合理利用資源、不斷提高人們的生活水平，又要努力保護環境、防止環境汙染。氮循環和氮汙染的平衡之路，還很遠很遠。

參考文獻：

2. 高拯民，張福珠，環境中氮循環與氮汙染研究現狀與展望，環境科學叢刊

3. 劉全鳳，淺談氮循環及氮汙染，現代農業科技

來源：中國科學院大氣物理研究所