“氮氮”的忧伤源自哪？它们的危害可不容小觑

氮是许多生物过程的基本元素，是所有生物赖以生存的主要营养物质。它存在于组成蛋白质的氨基酸中，是构成诸如DNA等核酸的四种基本元素之一。氮与生命及各种形式的生命活动紧密联系在一起。那么，“氮氮”的忧伤又从何谈起呢？

“供不应求”的忧伤

氮气占地球大气的78%，然而氮气的化学性质不活泼，常温下很难跟其他物质发生反应，称为“惰性氮”。这种形态的氮对生命直接无效，分子态氮必须通过某种反应转化为其他形态的氮化合物，进入自然界的氮循环后才显示出活性。氮循环将大气、陆地和海洋生态系统链接起来，而整个氮循环中，固氮是一个极为重要的环节。固氮决定生物圈的输入贡献有多少，想要完成氮循环中其他形态的转化，必须有最初的输入量来驱动。

自然界中固氮有两种方法，第一种是生物固氮。土壤中的一些细菌微生物可以在常温常压下固氮，比如鱼腥藻、念珠藻和颤藻等固氮蓝细菌中所含有固氮酶。豆科植物的根部有很多瘤状突起，这是根瘤菌的入侵增殖造成的，根瘤菌可以将空气中游离的氮固定下来，转变为植物所能利用的含氮化合物，供植物生活所需。人类一直想探究的常温常压固氮方法，但目前还无法做到。

自然界中第二种固氮方法称为“高能固氮”，自然界中的闪电、宇宙射线、火山爆发等活动可以将大气中的氮转化为硝酸盐，并通过降水到达地面。此种固氮作用是很弱的，只能一定程度上补充活性氮。

在农业生态中，如果缺少活性氮就会导致土壤肥力下降、土壤有机质耗竭、土壤侵蚀甚至沙漠化；尤其在湿润的热带，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。由于农业生产中农作物对氮的需求远大于生物固氮途径的供应量，科学家研究实现了工业固氮，以H2和N2在催化剂、高温、高压下合成氨。氮肥的发明，才使得农业生产不再因缺少氮而忧伤。

“供过于求”的忧伤

实验结果表明，在大多数地区，施用氮肥可以增加水分利用效率（GPP与蒸腾量的比值，植物生长指标），尤其是在冬季，土壤中残留氮肥的增加对作物的生长起着重要的支持作用。在实际施肥与减半施肥的结果对比中可以发现，随着施肥量的增加，各月的GPP和蒸腾量都增加。然而，从2月份开始，水分利用效率的增长率急剧下降，甚至在5月份达到负值，表明这一时期的肥料用量可能超过了适宜作物生长的含氮量阈值，施肥后经过一段时间的消耗，伴随着作物在夏季生长旺盛期所需肥料的增加，水分利用效率恢复为正值，但仍保持相对较低的增长速度。换言之，这种施肥量可能太多，无法维持较高的水分利用效率。总体而言，适当的施肥可以提高粮食产量和水分利用效率，而过度施肥则会降低水分利用效率，这意味着浪费资源甚至形成氮污染。

何以解忧？

氮既是生命要素又是日益增长的环境污染因子，这是区别于一般污染物的特殊研究对象，可谓“少亦忧，多亦忧，然则何时而乐耶？”

农业生产中氮肥利用率低、损失率高、对环境压力大是一个世界性的问题。针对这一问题，一些人少地多的发达国家，采用了改进施肥技术和方法，以及降低产量目标以减少氮肥施用量等对策。但是，我国人多地少，保证粮食高产、满足人口不断增长对粮食的需求是首要目标。我们希望找到既能获得尽可能高的产量，又能最大限度地减轻对环境的压力的氮肥施用与氮素管理技术。目前，氮肥深施，磷、钾和中微量营养元素等平衡施肥都是可行的方法。此外，7、8月是我国北方大部分地区主要降水季节，容易由于降水而使地表水与地下水衔接，而将地表硝酸盐带入地下水。为防止硝酸盐淋溶污染地下水，这一时期速效氮素化肥的追施宜采取少量多次的形式。

科研人员目前的迫切任务是，尽快研发和改进考虑人类活动的陆面模式，并同高分辨率地球系统模式耦合起来。通过大量的不同情景的数值模拟，加深我们对人类和自然相互作用的认识，从而科学有序地指导人类社会的发展。既要发展生产、合理利用资源、不断提高人们的生活水平，又要努力保护环境、防止环境污染。氮循环和氮污染的平衡之路，还很远很远。