氮循環(huán)及生物固氮

1、氮素在自然界中有多種存在形式，其中，數(shù)量最多的是大氣中的氮?dú)?，總量約3.91015 t。除了少數(shù)原核生物以外，其他所有的生物都不能直接利用氮?dú)?。目前，陸地上生物體內(nèi)儲(chǔ)存的有機(jī)氮的總量達(dá)1.110101.41010 t。這部分氮素的數(shù)量盡管不算多，但是能夠迅速地再循環(huán)，從而可以反復(fù)地供植物吸收利用。存在于土壤中的有機(jī)氮總量約為3.01011 t，這部分氮素可以逐年分解成無機(jī)態(tài)氮供植物吸收利用。海洋中的有機(jī)氮約為5.01011 t，這部分氮素可以被海洋生物循環(huán)利用。 構(gòu)成氮循環(huán)的主要環(huán)節(jié)是：生物體內(nèi)有機(jī)氮的合成、氨化作用、硝化作用、反硝化作用和固氮作用。 植物吸收土壤中的銨鹽和硝酸鹽，進(jìn)而將這些無

2、機(jī)氮同化成植物體內(nèi)的蛋白質(zhì)等有機(jī)氮。動(dòng)物直接或間接以植物為食物，將植物體內(nèi)的有機(jī)氮同化成動(dòng)物體內(nèi)的有機(jī)氮。這一過程叫做生物體內(nèi)有機(jī)氮的合成。動(dòng)植物的遺體、排出物和殘落物中的有機(jī)氮被微生物分解后形成氨，這一過程叫做氨化作用。在有氧的條件下，土壤中的氨或銨鹽在硝化細(xì)菌的 氮循環(huán)作用下最終氧化成硝酸鹽，這一過程叫做硝化作用。氨化作用和硝化作用產(chǎn)生的無機(jī)氮，都能被植物吸收利用。在氧氣不足的條件下，土壤中的硝酸鹽被反硝化細(xì)菌等多種微生物還原成亞硝酸鹽，并且進(jìn)一步還原成分子態(tài)氮，分子態(tài)氮?jiǎng)t返回到大氣中，這一過程叫做反硝化作用。 大氣中的分子態(tài)氮被還原成氨，這一過程叫做固氮作用。沒有固氮作用，大氣中的分子態(tài)

3、氮就不能被植物吸收利用。地球上固氮作用的途徑有三種：生物固氮、工業(yè)固氮（用高溫、高壓和化學(xué)催化的方法，將氮轉(zhuǎn)化成氨）和高能固氮（如閃電等高空瞬間放電所產(chǎn)生的高能，可以使空氣中的氮與水中的氫結(jié)合，形成氨和硝酸，氨和硝酸則由雨水帶到地面）。據(jù)科學(xué)家估算，每年生物固氮的總量占地球上固氮總量的90%左右，可見，生物固氮在地球的氮循環(huán)中具有十分重要的作用。 編輯本段氮循環(huán)的意義大氣中的氮，必須通過以生物固氮為主的固氮作用，才能被植物吸收利用。動(dòng)物直接或間接地以植物為食物。動(dòng)物體內(nèi)的一部分蛋白質(zhì)在分解過程中產(chǎn)生的尿素等含氮廢物，以及動(dòng)植物遺體中的含氮物質(zhì)，被土壤中的微生物分解后形成氨，氨經(jīng)過土壤中的硝化細(xì)

4、菌的作用，最終轉(zhuǎn)化成硝酸鹽，硝酸鹽可以被植物吸收利用。在氧氣不足的情況下，土壤中的另一些細(xì)菌可以將硝酸鹽轉(zhuǎn)化成亞硝酸鹽并最終轉(zhuǎn)化成氮?dú)猓獨(dú)鈩t返回到大氣中。除了生物固氮以外，生產(chǎn)氮素化肥的工廠以及閃電等也可以固氮，但是，同生物固氮相比，它們所固定的氮素?cái)?shù)量很少?？梢?，生物固氮在自然界氮循環(huán)中具有十分重要的作用。 編輯本段生物固氮在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用簡介生物固氮在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中具有十分重要的作用。氮素是農(nóng)作物從土壤中吸收的一種大量元素，土壤每年因此要失去大量的氮素。如果土壤每年得不到足夠的氮素以彌補(bǔ)損失，土壤的含氮量就會(huì)下降。土壤可以通過兩條途徑獲得氮素：一條是含氮肥料（包括氮素化肥和各種農(nóng)家肥料）的

5、施用；另一條是生物固氮?？茖W(xué)家在20世紀(jì)80年代推算過，全世界每年施用的氮素化肥中的氮素大約有8*107t，而自然界每年通過生物固氮所提供的氮素，則高達(dá)4*108t。 根瘤菌拌種對豆科作物進(jìn)行根瘤菌拌種，是提高豆科作物產(chǎn)量的一項(xiàng)有效措施。播種前， 將豆科作物的種子沾上與該種豆科作物相適應(yīng)的根瘤菌，這顯然有利于該種豆科作物結(jié)瘤固氮。特別是新開墾的農(nóng)田和未種植過豆科作物的土壤中，根瘤菌很少，并且常常不能使豆科作物結(jié)瘤固氮，更需要進(jìn)行根瘤菌拌種。對比實(shí)驗(yàn)表明，在其他條件相同的情況下，經(jīng)過根瘤菌拌種的豆科作物，可以增產(chǎn)10%20%。 豆科植物做綠肥用豆科植物做綠肥，例如將田箐、苜蓿或紫云英等的新鮮植物

6、直接耕埋或堆漚后施用到農(nóng)田中，可以明顯增加土壤中氮的含量?？茖W(xué)家統(tǒng)計(jì)過，一般地說，1hm2農(nóng)田使用7500kg綠肥，可以增產(chǎn)糧食750kg。如果用新鮮的豆科植物飼養(yǎng)家畜，再將家畜的糞便還田，則既可以使土壤肥沃，又可以獲得更多的糧食和畜產(chǎn)品。 本世紀(jì)初以來全球農(nóng)作物單位面積產(chǎn)量不斷增長，在一定程度上依賴于氮素化肥的施用量不斷增加。農(nóng)作物依賴于施用氮素化肥所獲得的增產(chǎn)實(shí)際上是以消耗能源和污染環(huán)境為代價(jià)所取得的。在大氣中氮?dú)夂拷咏?0%，但這種氮?dú)獠⒉荒苤苯訛楦叩戎参镂绽?。人類自從發(fā)現(xiàn)豆科植物與根瘤菌共生結(jié)瘤固氮現(xiàn)象以來對生物固氮研究已有112年之久，中國對生物的共生固氮現(xiàn)象也進(jìn)行了長達(dá)62年的探索性研究。然而，關(guān)于生物固氮，特別是非豆科農(nóng)作物的生物固氮，還有許多問題有待于進(jìn)一步研究。目前，生物固氮研究已經(jīng)被列為“國際生物學(xué)計(jì)劃”中的重點(diǎn)研究內(nèi)容，各國政府都將其視為重點(diǎn)科技攻關(guān)項(xiàng)目。通過適