1氮循环概述

1.1氮循环概念

氮循环就是指氮气、无机氮化合物、有机氮化合物在自然界中相互转化过程的总称[1-2]，包括氨化作用、硝化作用、反硝化作用、固氮作用以及有机氮化合物的合成等[3]。

氮循环是可以循环往复、保持动态平衡的一个开放性的系统。但是由于人们不正当的农业生产活动，产生“氮饱和”现象，破坏了氮循环平衡，造成了严重的面源污染。农业生态系统氮循环过程中形成面源污染的主要因素有2个：一是由于施肥导致的氮素超标；二是除正常的氮输出外，由于自然条件（如降雨量、土壤性质）的改变以及人类活动破坏了氮循环的平衡。因此，研究氮循环中形成面源污染的原因，对治理面源污染具有重要的实践指导意义。

1.2氮循环过程

分子态、无机结合氮和有机结合氮这3种形式是自然界中氮元素的主要存在形式。自然界中的氮元素，一方面通过各种固氮作用使氮素进入物质循环，另一方面通过反硝化作用、淋溶沉积等作用使氮素重返大气，从而使氮循环处于一种动态平衡状态。其循环过程如图1所示。

2农业生态系统氮循环

氮循环不仅是地球化学循环的重要组成部分，也是农业生态系统中物质循环最重要最活跃的过程。为总结氮素循坏过程氮损失以及对环境的影响，李志博等[4]对生态系统中氮的循环进了大量研究，发现我国氮肥的利用率仅为30%～35%。朱兆良等[5-7]提出我国旱地的氮肥损失很大，平均在45%左右。

氮素是植物营养三要素中最为重要的。Keeney et al[8-9]研究表明，农作物主要吸收利用硝态氮和铵态氮，不同作物吸收的情况不同，若有机态、无机态及分子态氮素物质相互转化不能达到平衡，作物就会因缺氮抑制其生长。因此在农业生产过程中，氮素这一养分的循环与平衡过程是影响农业生产水平的主要因素。我国各地的土壤性质各不相同，对于贫瘠、肥力低的土壤，无法提供足够的氮素使得作物更好地生长，必须人为地施用肥料以补充作物所需的氮素。但是不合理的施用氮肥，会导致氮肥的损失增加、利用率降低。这也是农业生态系统氮循环过程中氮素损失的主要途径之一，不仅会使参与再循环的氮素数量逐渐减少，而且还会对环境产生潜在的影响。据估计，我国农业中化肥氮的总损失可达到45%[5]。氮肥的损失不仅降低了经济效益，更重要的是会对环境产生负面影响。

氮循环是农业生态系统中物质循环的一个重要组成部分，也是影响土壤肥力的最活跃因素之一。农业生产过程中氮循环过程的氮素来源主要有2种途径：一是生物固氮，即通过豆科作物和固氮生物固定空气中的氮；二是化学固氮，即通过化工厂将空气中的氮转化为氨，再制成各种氮肥供农业生产用。

2.1农业生态系统中氮素的输入

2.1.1大气中的氮沉降。以气态NO、N2O、NH3为主的干沉降和以NO3- 和NH4+及少量可溶性有机氮为主的湿沉降是大气氮沉降的2种形态。除空气中自有的N2外，工业生产中煤、石油等燃料的燃烧会释放大量的含氮化合物，增加氮沉降。如果氮沉降过多，在降雨、灌溉过程中会增加氮，而其他营养物质随水淋失，从而导致营养失衡等问题。

2.1.2化肥的施用。通过施化肥向农田输入的氮素是农业生态系统中氮的主要来源。作物生长过程中所需的氮素主要以氨氮和硝态氮为主。此外，粪肥也是农业生态系统氮素主要来源。中国人口多，耕地面积少，要保证人们的温饱问题必须提高单位耕地面积的粮食产量。由于这一迫切需要，单位面积氮肥施用量不断增加。但是追加过多氮肥会引发诸多环境问题：一是施入过多氮肥，氮素进入土壤后经过反硝化过程会释放NO、N2O等温室气体。二是过量的氮素残留在土壤中，经雨水、灌溉冲洗后，流入河流、湖泊中，造成水体富营养化，而且还降低了氮素的利用率。例如稻田超量施肥，其对氮的吸收不到10%，其余流失于河道、湖泊和近海，成为富营养化的暗流[10]。程波、左海军等[11-12]调查发现，在农业集约化较高的地区，氮素会通过径流和水土流失流入湖泊河流，使水体的营养程度提高，造成污染，例如太湖。这不仅造成了氮肥的极大浪费和损失，也出现了肥效递减现象。三是氮素输入过多会破坏营养平衡，降低其他营养元素吸收效果等。

2.1.3生物固氮。生物固氮是将氮气转化为氨的过程，是农业生态系统里一个重要氮源，以豆科作物和根瘤菌的共生固氮为主，其固氮量可占生物固氮量的1/2[13]。

2.1.4秸秆、农田废弃物堆肥。利用作物秸秆或农田废弃物堆腐，作为肥料施用到农田中。堆腐后的秸秆和农田废弃物不仅可以有效地提高土壤有机质，减少水土流失，还可以降低各方面的能耗，减少化肥的施用，从而降低农业生产成本[14-15]，这也是未来农业资源化发展的趋势。

2.2农业生态系统中氮素的输出

淋失、流失、农田硝化反硝化等氮素损失是农业生态系统中氮的主要输出途径。

2.2.1淋失作用。氮淋失是一个累积过程，残留在土壤中的肥料氮素随水（雨水和灌溉水）移动到作物根系无法吸收的地方，造成损失（主要是硝态氮）。影响氮淋失的因素有降雨、灌溉、施肥、土壤特性以及农耕技术等。

2.2.2氮流失。能溶解的矿质氮或以无机态和有机态形式吸附在土壤颗粒表面的氮随径流而流失的过程称为氮流失。影响氮流失的因素很多，如：径流、降雨、坡面坡度、植被覆盖情况、土壤结构与质地等。在众多影响因素中，降雨和径流是影响氮流失的决定性因素。当雨季到来时，长期的降雨或强度降雨均会导致过多的雨水量超过土壤所能承受的水分下渗量，此时就会产生地面径流，对土壤表层冲刷过程中造成氮流失[16]。我国对植被覆盖对营养元素流失及减少面源污染方面研究较为成熟。增大植被的覆盖度，能有效地降低水流速度，从而减少由径流造成的氮流失。

2.2.3农田硝化反硝化过程。农田生态系统中，由硝化转为反硝化过程中伴随着N2、NO、NO2、N2O等氮氧化合物气体的产生。熊正琴等[17]研究表明，N2O的增温效果是CO2的320倍、CH4的13倍，在平流层经过光化学反应形成NO造成臭氧层破坏。这就是农田中氮的主要流失途径。在硝化和反硝化过程中，氮损失量的多少取决于土壤温度和pH值（温度过高或过低都不利于硝化过程进行，硝化和反硝化过程分别需要在硝化菌和反硝化细菌的作用下进行反应，不同的微生物菌群需要适宜的温度和pH值，否则就会影响其反应过程）、土壤的物理性质（质地、结构等）、施肥状况、耕作及种植方式、灌溉等因素。

3氮循环过程形成面源污染的原因及途径

3.1面源污染的概念

面源污染又称非点源污染，指时间和空间上无法确定监测点，随机发生的污染物质通过不同途径以分散的形式污染受纳体。通过Wolfem L、张维理等[18-19]对面源污染概念的解释，可总结面源污染有以下特点：不确定性、随机性、分散性、不易监测、空间异质性。

3.2氮循环过程形成面源污染的原因

3.2.1肥料的过度使用。现在市场上有很多合成的氮肥，农民使用该肥料可以增加农产品的产量，增加经济收入。但是由于农民的环境意识差，缺乏合理使用肥料的知识，为了获得更大的利益而大量使用氮肥，这导致了多余的氮素在土壤中富集。大量研究表明，中国氮肥的利用率一般在30%～35%，而发达国家平均利用率达50%～60%，比我国高15～30个百分点[20]。由于土壤中的氮不断积累，降低了氮素的利用率。例如农田超量施肥，而作物的吸收量较低，大量的氮素流失于河道、湖泊和附近的海域，从而导致水体富营养化。肥料的过度施用不仅造成氮肥的极大浪费和损失，也出现了肥效越来越低的现象。此外，过量的氮肥进入环境会导致地下水硝酸盐超标、地表水富营养化和向空气中排放出N2O、NH3 等有害气体。