土壤氮转化机制研究论文

氮循环(Nitrogen Cycle)是描述自然界中氮单质和含氮化合物之间相互转换过程的生态系统的物质循环。 氮在自然界中的循环转化过程。是生物圈内基本的物质循环之一。如大气中的氮经微生物等作用而进入土壤，为动植物所利用，最终又在微生物的参与下返回大气中，如此反覆循环，以至无穷。 基本概念 空气中含有大约78%的氮气，占有绝大部分的氮元素。氮是许多生物过程的基本元素；它存在于所有组成蛋白质的氨基酸中，是构成诸如DNA等的核酸的四种基本元素之一。在植物中，大量的氮素被用于制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，寄生在豆科植物（例如豌豆或蚕豆）的根瘤中。这些细菌和植物建立了一种互利共生的关系，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系。 其它植物利用根系从土壤中吸收硝酸根离子或铵离子以获取氮素。动物体内的所有氮素则均由在食物链中进食植物所获得。 氨 氨来源于腐生生物对死亡动植物器官的分解，被用作制造铵离子(NH4+)。在富含氧气的土壤中，这些离子将会首先被亚硝化细菌转化为亚硝酸根离子(NO2-)，然后被硝化细菌转化为硝酸根离子(NO3-)。铵的两步转化过程被叫做氨化作用。 铵对于鱼类来说有剧毒，因此必须对废水处理植物排放到水中的铵的浓度进行严密的监控。为避免鱼类死亡的损失，应在排放前对水中的铵进行硝化处理，在陆地上为硝化细菌通风提供氧气进行硝化作用成为一个充满吸引力的解决办法。 铵离子很容易被固定在土壤尤其是腐殖质和粘土中。而硝酸根离子和亚硝酸根离子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（主要是腐殖质）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。地下水中硝酸盐含量的提高关系到饮用水的安全，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综合征(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富营养作用，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富营养化问题。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富营养化的水体而采取的。 在无氧（低氧）条件下，厌氧细菌的“反硝化作用”将会发生。最终将硝酸中氮的成分还原成氮气归还到大气中去。 氮气(N2)的转化 有三种将游离态的N2（大气中的氮气）转化为化合态氮的方法： 生物固定 – 一些共生细菌（主要与豆科植物共生）和一些非共生细菌能进行固氮作用并以有机氮的形式吸收。 工业固氮 – 在哈伯-博施法中，N2与氢气被化合生成氨(NH3)肥。 化石燃料燃烧 – 主要由交通工具的引擎和热电站以NOx的形式产生。 另外，闪电亦可使N2和O2化合形成NO，是大气化学的一个重要过程，但对陆地和水域的氮含量影响不大。 由于豆科植物（特别是大豆、紫苜蓿和苜蓿）的广泛栽种、使用哈伯-博施法生产化学肥料以及交通工具和热电站释放的含氮污染成分，人类使得每年进入生物利用形态的氮素提高了不止一倍。这所导致的富营养作用已经对湿地生态系统产生了破坏。 全球人工固氮所产生活化氮数量的增加,虽然有助于农产品产量的提高,但也会给全球生态环境带来压力.,使与氮循环有关的温室效应、水体污染和酸雨等生态环境问题进一步加剧. [思路分析] 氮素是构成生物体的另一种必需元素，自然界中的氮素循环包括许多转化作用。空气中的氮气被固氮微生物及植物与微生物的共生体固定成氨态氮，经过硝化微生物的作用转化成硝态氮，后者被植物或微生物同化成有机氮化物。动物食用含氮的植物，又转变成动物体内的蛋白质。动物、植物、微生物的尸体及排泄物被微生物分解后，又以氨的形式释放出来，这种过程叫做氨化作用。由硝化菌产生的硝酸盐在无氧条件下被一些微生物还原成为氮气，重新回到大气中，开始新的氮素循环。微生物在氮素循环中的几种作用归纳为：固氮作用、硝化作用、同化作用、氨化作用和反硝化作用。 [解题过程] 氮素在自然界中有多种存在形式.其中数量最多的是大气中的氮气,总量约×1015t.除了少数原核生物以外,其他所有的生物都不能直接利用氮气,必须通过以生物固氮为主的固氮作用才能被植物吸收利用,动物直接或间接以植物为食获取氮. 构成氮循环的主要环节是:生物体内有机氨的合成,氨化作用,硝化作用,反硝化作用和固氮作用. 植物吸收土壤中的铵盐和硝酸盐,进而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物,将植物体内的有机氮同化成动物体内的有机氮.这一过程叫做生物体内有机氮的合成. 动植物的遗体,排泄物的残落物中的有机氮被微生物分解后形成氨,这一过程叫做氨化作用. 氨化作用和硝化作用产生的无机盐,都能被植物吸收利用.在氧气不足的条件下,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,这一过程叫做反硝化作用. 大气中的分子态氮被还原成氨,这一过程叫做固氮作用.没有固氮作用,大气中的分子态氮就不能被植物吸收利用. 地球上固氮作用的途径有三种:生物固氮,工业固氮和大气固氮.据科学家估算,每年生物固氮的总量占地球上固氮总量的90%左右,可见,生物固氮在地球的氮循环中具有十分重要的作用. 氮素是农作物从土壤中吸收的一种大量元素,土壤每年因此要失去大量的氮素.大量施用氮素化肥能保证植物的生长需要,使粮食增产,但同时又造成土壤板结和环境污染.所以人们研究生物固氮,通过生物固氮这条途径使土壤中的氮素得到补充,有利于环保和可持续发展.

一块看似肥沃的土地，农民却仍要施用大量的肥料，来维持农产品的产量。土壤之中，到底隐藏着怎样的秘密，让土地“似肥实瘦”？

省农科院土肥所研究员张玉树带领团队采用15N同位素示踪技术，发现通过对土壤的调控，可提高土壤无机氮供应能力，实现氮肥形态与作物氮喜好的耦合，可显著增加作物产量、减少氮肥损失。

在玻璃温室内，张玉树（右一）在讲解土壤氮转化过程。 林霞 摄

“好比说有些人喜欢吃面食、有些人喜欢吃米饭，尽管土壤中存在大量氮素，也需要调控成为不同作物‘喜爱’的氮肥形态，才能让它们尽情吸收。”张玉树说。

基于此，他们根据我省果园、茶园、水田和旱地土壤无机氮供应特征和作物氮素形态喜好，分别制订了基于土壤无机氮供应过程调控的柑橘、茶叶、水稻和马铃薯氮肥减量增效施肥模式4套，累计推广至上百万亩田地中。

为何土壤“似肥实瘦”？

人类对化肥的依赖，可追溯至上世纪60年代初。彼时起，随着化肥的大量施用，粮食产量逐年增加。据联合国粮农组织统计，在全球耕地面积仅增加的条件下，截至2018年末，以小麦、水稻、玉米计的全球粮食年总产量达亿吨，是1961年的倍。

其中的主要推手，便是氮肥。

有研究表明，福建省氮肥利用效率是国外（如日本）先进水平的84%左右，环境影响却高于国外先进水平。

“化肥的过量施用，不仅会造成大量的经济损失，还会对空气、土壤和水体造成污染，给农业可持续发展带来了巨大的环保压力。”张玉树说。如，过量氮肥容易流失，是导致地下水硝酸盐超标的主要原因；过量氮肥还会增加温室气体排放，导致大气中氧化亚氮的浓度不断上升……

2022年5月，《福建省深入打好污染防治攻坚战实施方案》中提出，“十四五”期间，挥发性有机物、氮氧化物重点工程减排量分别达到万吨、万吨。

在“双碳”背景下，如何在氮肥中做文章，实现温室气体减排，是我省面临的重要而又紧迫的任务。“减少氮肥的使用量，又能保证作物该有的营养吸收，即‘喂得少，却吃得饱、长得好’，才是破解此题的关键。”张玉树说。

早在10年前，张玉树就开始关注“氮肥利用效率低”这一问题。

2012年，张玉树赴 泉州市 永春县 桃城镇人民政府挂职副镇长。芦柑，是永春农业发展的支柱产业。挂职伊始他就一心扑在永春县的芦柑园管理调研工作中。

福建土壤以花岗岩发育的红壤为主，有机质含量低，新开垦果园均为很贫瘠的红壤，随着种植年限的延长，土壤颜色会逐渐加深，趋向于黑褐色。在多家芦柑园中，果农却说，老果园与新果园相比，树体相似、产量相近的果树氮肥用量并无二致。“一旦降低施肥量，芦柑的产量与质量就下降了。”

这里产生了一个矛盾。传统的观念认为，颜色越深的土壤，肥力越强。既是如此，为何“肥”土的肥料用量不能减少？

追踪氮素的迁移“足迹”

原来，土壤中的氮95%左右为有机氮，并不能被作物直接吸收利用，要转化为无机氮（铵态氮、硝态氮）才能供作物使用。

张玉树采用15N同位素示踪技术，在微观世界中追踪氮素的流动“足迹”。“从有机氮，到铵态氮，再到硝态氮，只要给土壤中的氮素装上‘追踪器’，就能知道它们跑哪里去了。”

“追踪器”果然给力，清晰地展示了土壤中氮素的轨迹——

有机氮在一定条件下，会转化为无机氮，包括铵态氮、硝态氮，而铵态氮在一定情况下也能变成硝态氮。这些反应又是可逆的，导致这些调皮的“小家伙”根据“心情”变来变去，而它们的“心情”与环境、气候、土壤酸碱度等都有关系。

“这个时候，如果长期过量施氮肥，土壤的酸化程度会增加，有机氮就不‘乐意’转化成无机氮，这下子氮素就没法被植物吸收了。”张玉树说。

如此一来，土壤“似肥实瘦”的原因找到了，竟是因长期过量施氮肥！这会引起果园土壤酸化，降低了土壤有机氮矿化（转化为无机氮）速率。“就是说，土壤中的氮素‘形态转变’，第一步就被卡住了。”这就解释了土壤氮含量很高，却仍需要施用大量氮肥的原因。

必须摸清植物们的喜好，通过一定方法，“引导”土壤中的氮变成作物喜欢的无机氮形态，这样肥沃的土壤就能被利用，里头的氮素就能成为植物的“口粮”，不至于浪费。

为此，张玉树提出了通过增强土壤自身供氮能力来减少氮肥用量的思路，即通过施用酸性土壤调理剂，增强土壤自身供氮能力，从土壤内部挖掘氮肥减量增效空间。“这区别于以往主要通过肥料改性、改进施肥方法和时间等氮肥减量增效技术。”

初步掌握了“氮”密码，但在实践过程中很快又出现了另一个难题。

永春县桃城镇上沙村，双峰山家庭农场坐落于此，这里经营茶果园面积超过200亩。2018年，负责人姚连枝愁上心头，他的果园按照张玉树提供的“方子”治病，但果树长势却仍未好转。

施了调理剂，减施氮肥，为何果树长势还是不行？

张玉树在老姚的果园中安装了不少地下渗漏水采集和气体采集装置。“收集农田渗漏水和气体排放情况，继续使用15N同位素示踪技术，进一步追踪氮素去向。”

结果发现，土壤中的无机氮含量是高了，但在雨季时期，土壤氮素流失量显著增加。“施了调理剂，铵态氮更多转化成硝态氮，而硝态氮极易随水流失。”

因此，他们为雨季中的果园开出“新药方”：施了调理剂，还要配合施硝化抑制剂。

自此起，每年的3—7月，老姚家的芦柑园在施春梢和夏梢肥时，还会配施硝化抑制剂，减少硝态氮流失。同行们发现，老姚家的肥料施少了，但产量比之前的还好！

自此，张玉树团队大力推广基于果园土壤无机氮供应过程调控的柑橘氮肥减量增效施肥模式：在氮肥减量30%的条件下，配施土壤调理剂处理的芦柑和脐橙产量分别增加和；而同时配施土壤调理剂与硝化抑制剂的芦柑和脐橙产量分别增加和。

双峰山家庭农场也成了远近闻名的“领头雁”：每年辐射带动 永春芦柑 种植新技术示范点10个以上，已辐射带动近万亩芦柑种植。目前，该施肥模式在泉州、福州、南平等地柑橘园累计推广26万亩。

减“肥”增产的捷径

自然界中，有些作物主要吸收铵态氮或硝态氮，也因此被分类为喜铵作物或喜硝作物。

所谓“甲之蜜糖，乙之砒霜”。微观世界里的营养吸收，也需要投其所好。张玉树说，只要提高土壤中氮素供应形态与作物喜好的耦合程度，那无论是哪种作物，都能“对症下药”，从而科学提高土壤氮肥利用效率。

因此，他针对水稻、茶叶、马铃薯等作物的氮素形态喜好特征，分别制订了基于土壤无机氮供应过程调控的氮肥减量增效模式。

得益于此，一笔又一笔“生态账”“经济账”很快从四方传来：

水稻氮肥减量增效技术在泉州、三明、福州等地备受农户欢迎；茶叶氮肥减量增效技术在泉州、宁德、南平等地累计推广60万亩；马铃薯氮肥减量增效技术在宁德、三明、福州等地解决了实际问题……在氮肥减施20%~30%的条件下，茶叶、水稻和马铃薯分别平均增产、和以上，每亩新增经济效益从63元到248元不等。

这几年，张玉树团队深挖土壤中的秘密，在氮素的理论世界里尽情遨游——

他们发现了水田土壤独特保氮机制和影响水稻氮吸收的关键过程，明确了有机物料、农药等对土壤无机氮供应的影响，阐明了有机物料长期投入提高土壤无机氮供应能力，提出了通过调节土壤内部氮转化过程来提高土壤供氮能力、调节供氮形态……

随着土壤中氮素的面纱被揭开，更为科学的施肥蓝图也向农户们徐徐展开：畜禽粪便类有机肥、作物秸秆类有机物料等，也能轻松调控土壤无机氮形态；“秸秆还田，变废为宝”，还能阻止水田土壤中的氮“离家出走”；一些除草剂、杀虫剂还能成为喜铵作物的“好帮手”……

围绕“增强土壤无机氮供应能力，提高氮素供应形态与作物氮形态喜好的耦合程度”这一项目研究，张玉树团队与南京师范大学、英国洛桑试验站、德国吉森大学等高校和科研院所开展长期合作研究，取得显著科研成果：共获授权国家发明专利2件，发表论文48篇。同行专家评审认为，该研究成果整体达到同类研究国际先进水平。

他们仍然在探索土壤中氮素秘密的路上，“目前我们调节土壤氮转化过程的手段还不够多，今后还需进一步创新调控技术，提高氮肥利用效率，同时还需进一步监测调控技术对土壤质量的影响”。

那是一道又一道专业且未知的门槛，但并非不可跨越。“路漫漫其修远兮，吾将上下而求索！”（记者 林霞）