浅谈氮循环及氮污染

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摘要　认识自然界氮循环，通过从工业化生产以后氮收支失衡的角度阐述氮污染的原因及危害，以提高人们对氮污染的重视。
关键词　氮循环；氮收支失衡；氮污染
1氮循环的基本知识
在自然界，氮元素以分子态（氮气）、无机结合态和有机结合态三种形式存在，是蛋白质和核酸的重要组成成分，是不可缺少的生命要素之一。施用氮肥是最重要的粮食增产措施之一。
自然界氮循环（Nitrogen Cycle）是描述自然界中单质氮和化合态氮之间相互转换的物质循环。即氮素在大气圈、水圈、生物圈和土壤圈之间的流动。这一循环是开放性的，但极为完善。构成氮循环的主要环节是：生物体内有机氮的合成、氨化作用、硝化作用、反硝化作用和固氮作用。其中空气中含有大约78%的氮气，是庞大的储存库。但是绝大多数生物都不能直接利用分子态氮，只有豆科植物和某些蓝绿藻能够将大气中的氮气转变为硝态氮（硝酸盐），闪电亦可使N2和O2形成NO后进一步化合，从而被土壤吸附、保留并被植物所吸收利用。植物吸收土壤中的铵盐和硝酸盐，然后将这些无机氮同化成植物体内的蛋白质等有机氮。动物直接或间接以植物为食，将植物体内的有机氮同化成动物体内的有机氮。动植物的遗体、排出物和残落物中的有机氮在自然界中经微生物分解、氨化、硝化成简单氮化物，重新被植物利用；土壤中的硝酸盐被反硝化细菌等多种微生物还原成亚硝酸盐，并且进一步还原成分子态氮，分子态氮则返回到大气中，形成自然界的氮循环。
2氮污染
2.1氮失衡的原因
自然界中以氮气形态存在的氮称为惰性氮，对生态环境没有负面影响，在生产工业化以前，氮循环系统中，氮的收支是平衡的，即固氮作用和脱氨作用基本持平。当氮通过化学工业合成或燃烧后，就会被活化，形成氮氧化物和氮氢化物等物质，即加强了固氮作用。氮活化的途径有三：一是人工固氮，将空气中的氮气转化为氨；二是工业生产中燃烧煤、石油、天然气等；三是固氮植物的作用。在循环系统中，氮收支是否平衡会关系到活性氮对人类健康和生存环境积极或消极的影响。氮的过量“活化”，便使自然界原有的固氮和脱氨失去平衡，氮循环被严重扰乱，越来越多的活化氮开始向大气和水体过量迁移，循环开始出现病态，导致全球环境问题。20世纪70年代以来，人类对生态系统中的氮素循环进行了广泛而深入的研究。SCOPE（国际科委环境委员会）将全球氮超载作为一个潜在的环境问题和化学定时炸弹提出。
2.2氮缺乏的危害
氮是植物正常生长发育所必需的营养元素之一，所以也是提高生产能力的主要限制因子。在农业生态中，如果缺少活性氮就会导致土壤肥力下降、产量下降、蛋白质含量降低、土壤有机质耗竭、土壤侵蚀，甚至沙漠化；在湿润的热带，土壤遭受强烈的风化和淋溶，土壤养分贫瘠，土壤氮素和磷素成为受限的营养元素。因此，我们要适当增强土壤中的氮肥力，促进农业的可持续发展，保障粮食安全（足够的热量）和营养安全（提供相应所有必需的养分，包括蛋白质）。
2.3氮污染的危害
（1）由氮转化的氨在微生物的作用下，会形成硝酸盐和酸性氢离子，造成土壤和水体生态系统酸化从而使生物多样性下降。另外，铵对于鱼类有剧毒。
（2）水体中氮素过多导致富营养化。水体富营养化的后果，首先是破坏水资源，降低水的使用价值，直接影响人类的健康，同时提高水处理的成本；其次是导致鱼类及水生动物的大量死亡，破坏水产资源，引发“藻华”和“赤潮”等现象。
（3）温室效应和酸雨。一氧化二氮这种氮氧化物吸收红外线辐射的能力特别强，是二氧化碳的200多倍，是导致温室效应的可怕杀手。氧化亚氮（俗称笑气）除了产生温室效应外，还可以在大气中与臭氧发生化学反应，扰乱臭氧层，增加地表的紫外线强度，危害人体健康。一氧化氮、二氧化氮还是酸雨的成分之一。
（4）NO2-诱发各种疾病乃至致癌。人们一旦从受污染的瓜果蔬菜和饮用水中摄取过量的硝酸盐，高血压、先天性中枢神经系统残疾和非霍金氏淋巴瘤就有可能发生。早在1945年，Comly就报道了婴儿体内由于饮用水中高含量硝态氮而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综合征（Blue-baby Syndrome）；燃烧化石燃料所产生的氮氧化物形成地面臭氧，会引发哮喘。大量医学研究报道证明，肝癌、胃癌等症的发病率也与人体摄入的硝酸盐量密切相关。
（5）社会问题。市政当局必须面临地下水和饮用水中NO3-超标、医疗费用增加等社会问题。在农田附近的农村，饮用水井NO3-含量超标也是一个难题。
3控制氮污染的措施
氮对我国及世界环境造成了多方面影响，我们应采用科学的措施和政策，遏制氮对环境与生态的破坏。我国是农业大国，70%的活化氮来自于农业生产，最根本的方法是合理施肥，提高氮肥利用效率。因此，改革现有耕作制度、推广精确施肥、加强农业技术推广体系建设是关键。在工业生产过程中，提高能源利用率或减少含氮物的生成量，也可对固定排放源采用催化还原、吸收、吸附等技术，控制、回收或利用废物中的氮氧化物，使其达到无害化排放。排放废水时，铵的浓度要进行严密的监控，应在排放前进行硝化处理。另外，监测规模化养殖场，禁止其随意向湖泊、河道中排放氮污染物等。
总之，要掌握生态系统中氮元素在大气-土-水-生物各介质中的分布及流动规律，更好地控制氮污染，使经济、生态和社会三大效益达到最佳的契合点。
4参考文献
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