氮循环

发生的部位

氮循环发生在大气、土壤与生物之间，之所以重要，是因为氮是构建蛋白质与核酸所必需的，然而大多数生物无法直接利用构成大气主要成分的氮气。

每个阶段都有各自的发生部位。固氮作用发生在花生、大豆等豆科植物的根瘤内、土壤中自由生活的细菌体内，以及闪电时的空气中。

硝化作用与氨化作用发生在通气良好的表层土壤，那里的细菌与真菌能获得氧气。同化作用先在根毛细胞进行，随后在植物与动物细胞内完成。

反硝化作用集中在积水的土壤与缺氧的淤泥中，这就是为什么淹水的稻田比干燥的田地更快流失硝酸盐。

输入与输出

• 输入：来自大气的氮气，由细菌或闪电固定。
• 输入：死亡生物、粪便与尿液，把蛋白质与尿素带回土壤。
• 中间产物：由固氮作用与氨化作用产生的铵离子。
• 中间产物：亚硝酸根离子，是硝化作用第一步的短暂产物。
• 输出给植物：根部吸收的硝酸根离子，用于构建氨基酸、蛋白质、叶绿素与核酸。
• 输出到大气：由反硝化细菌释放的氮气。

步骤

1. 闪电固氮：闪电的能量使空气中的氮气与氧气结合成氮氧化物，溶于雨水后以硝酸盐的形式进入土壤。
2. 细菌固氮：固氮细菌，例如豆科植物根瘤中的根瘤菌与土壤中自由生活的固氮菌，把氮气转化为铵化合物。
3. 硝化作用第一步：亚硝化单胞菌等硝化细菌把铵离子转化为亚硝酸根离子。
4. 硝化作用第二步：硝化杆菌等硝化细菌把亚硝酸根离子转化为硝酸根离子，这是植物最容易吸收的形式。
5. 同化作用：根毛细胞通过主动运输吸收硝酸根与铵离子，植物用它们构建氨基酸、蛋白质、叶绿素与核酸；植物被吃掉后，这些化合物便传递给动物。
6. 氨化作用：分解者（主要是细菌与真菌）分解死亡生物、粪便与尿素中的蛋白质，把氨与铵离子重新释放回土壤。
7. 反硝化作用：反硝化细菌，尤其在积水缺氧的土壤中，把硝酸根离子转化回氮气，氮气返回大气，完成整个循环。

为何重要及如何受控制

由于氮必须先经过细菌处理，植物才能利用，氮循环把大气、土壤生物、植物与动物连结在一起。若没有固氮细菌与硝化细菌，被锁在大气中的氮将无法被几乎所有生物利用。

循环的平衡由土壤条件决定。氧气有利于硝化作用与氨化作用，因此翻耕、排水与松土能提高作物可利用的硝酸盐。

积水会带走氧气并有利于反硝化作用，使土壤失去硝酸盐。所以农民会与豆科植物轮作、施加堆肥或厩肥为氨化作用提供原料，并为田地排水以把硝酸盐留在根区。

未被吸收的过量硝酸盐肥料会淋溶进入河流与湖泊，滋养藻类并引起富营养化，因此氮循环也与同一章节的污染课题相连。

如何考查

你可能被要求说出氮循环各阶段负责的细菌类型、解释为何常种植豆科植物以改善土壤肥力，或追踪一个氮原子从大气进入蛋白质再返回大气的路径。

图解题会给出一个未标注、以字母标示箭头的循环图，要求说出每个箭头所代表的过程及负责的生物。论述题常要求解释人类活动（如清除豆科植物、过量施肥或淹没田地）如何改变土壤中的硝酸盐含量。

得分点在于准确命名：固氮作用写根瘤菌，硝化作用的两个步骤写亚硝化单胞菌与硝化杆菌，并指出反硝化作用会移除硝酸盐。只写“细菌”而不写类别，得分会低于写出具体类群。

常见误解

考试风格例题

题目。一位农民连续三年在同一块田种植玉米，发现产量逐年下降。

第四年他改种花生（一种豆科植物），并在收成后把植株翻耕入土。次年的玉米长得更好。

(a) 说出花生根瘤中的细菌名称，并说明它们进行的过程。(b) 参照氮循环，解释为何把花生植株翻耕入土能提高玉米产量。

(c) 后来这块田在暴雨后积水。解释这会如何影响土壤的硝酸盐含量。

参考答案。(a) 根瘤菌，进行固氮作用，把空气中的氮气转化为铵化合物。

(b) 玉米每年都从土壤中吸收硝酸根离子，重复种植使土壤氮素耗尽。花生根部的根瘤与蛋白质中含有已固定的氮。

植株翻耕入土后，分解者通过氨化作用分解蛋白质，释放铵离子。硝化细菌再把铵转化为亚硝酸盐，进而转化为硝酸盐，玉米通过主动运输吸收硝酸盐以构建氨基酸与蛋白质，生长因此改善。

(c) 积水的土壤缺乏氧气。反硝化细菌在这种条件下大量繁殖，把硝酸根离子转化为氮气逸散到大气中，因此土壤的硝酸盐含量下降。

来源:SRC-DSKP-EN

常见问题