氮元素對人的重要性

1、氮對人的重要性摘要：本文簡單介紹了氮在生物圈的循環(huán)，并對氮在土壤圈的循環(huán)進行了闡釋。簡析了化肥和有機肥的應用現(xiàn)狀?？偨Y(jié)了氮元素對人的重要性以及如何改善含氮物質(zhì)對人的影響。關鍵詞：氮；氮循環(huán)；土壤圈；化肥和有機肥1.前言氮元素是自然界最豐富的元素，大氣中有78%的氮氣成分。這部分氮元素主要參與生物圈的氮循環(huán)，和人類沒有直接的聯(lián)系。但是在雷雨天氣，在雷電的作用下氮氣會和空氣中的氫氣反應變成可被植物尤其是豆科植物所利用的氨。這種類型的氨被豆科植物的根瘤菌吸收并轉(zhuǎn)化為豆科植物生長所必須的氮。氮以這種形式進入植物后會在植物體內(nèi)轉(zhuǎn)化為各種含氮有機物。蛋白質(zhì)可以說是含氮元素有機物的代表。動物和人食用了含蛋白

2、質(zhì)的植物后，氮元素繼續(xù)以各種形式進行轉(zhuǎn)化。動物體內(nèi)有機物含量最高的蛋白質(zhì)其含有高達16%的氮元素。人食用了含有蛋白質(zhì)的植物或者動物后，動植物體內(nèi)的氮以氨基酸等分子形式在人體內(nèi)發(fā)揮作用。至此氮元素和人就有了直接的聯(lián)系，這種聯(lián)系從人一出生開始就和人一直維持，從不間斷，在這一過程中人也只是氮元素的載體，氮元素會通過人體繼續(xù)回土壤，回到大氣完成它的循環(huán)使命。隨著科技的發(fā)展和人們的日益增長的物質(zhì)需求，人對氮元素的循環(huán)影響越來越明顯，當然這種影響也反過來給人們的生產(chǎn)生活乃至環(huán)境產(chǎn)生很多問題。然而，人們在處理這些問題時產(chǎn)生了情緒上的偏差。造成一些不利于人們生產(chǎn)生活的偏激思想產(chǎn)生了。其中典型的例子就是人們對化

3、肥的抵制，這種抵制同時衍生出有機肥以及有機農(nóng)作物等等。事實上，抵制是產(chǎn)生了一些效果，使化肥的生產(chǎn)和利用更加科學合理，但有機這一口號并沒有達到人們預期的效果，最關鍵是人們對此并沒有簡單明了的界定。這些現(xiàn)象的產(chǎn)生一方面大多數(shù)人對氮元素的循環(huán)模式不是很清晰，另一方面對于自身和氮元素的關系還沒有很清晰的認識。再加上對氮污染的以訛傳訛，使得人們越來越抵制和氮元素有關的產(chǎn)品。其實，只要人們能更全面的了解氮元素以及含氮元素的產(chǎn)品，化肥等產(chǎn)品對人類的貢獻絕對超越人們現(xiàn)在的認可。接下來本文將從以下幾個方面簡述氮元素與人的關系以及我們該如何看待化肥等產(chǎn)品和如何看待由此衍生出的“有機”這一概念。2.氮元素的循環(huán)自2

4、00多年法國科學家拉瓦錫測定空氣成分后，接近空氣總體4/5的惰性氣體進入了人們的視野。·盧瑟福以及化學家舍勒通過實驗都實這種氣體不能維持生命，拉瓦錫在他們基礎上命名這種氣體為“氮”，意思是對生命沒有益處 氮氣和稀有氣體的來源。雖然氮氣對生命沒有任何益處，但是氮元素卻是生物圈必不可少的重元素。首先，作為生物圈的生產(chǎn)者植物，它們的主要生長方式是通過光合作用將太陽能轉(zhuǎn)化為有機物。在轉(zhuǎn)化過程中最重要的工具就是葉綠體，在葉綠體上有很多的參與反應的酶，這些酶是促使光合作用順利進行的最關鍵物質(zhì)。而這些酶的主要骨架是蛋白質(zhì)，蛋白質(zhì)中最關鍵的組成元素就是氮元素。氮元素決定了光合作用進行。另外，植物進行

5、生長繁殖時的遺傳決定物質(zhì)核酸，其關鍵影響元素也是氮元素?？梢哉f氮元素的多少是植物生長好壞的決定因素。其次，作為生物圈的消費者動物，一方面它們體內(nèi)發(fā)揮各種功能的蛋白質(zhì)是氮元素的最大需求者。另一方面決定它們遺傳的主要物質(zhì)核酸也離不開氮元素。作為生物圈的分解者，各種微生物也是利用含氮物質(zhì)生長繁殖的。它們中的大多數(shù)是分解動植物的動植物所合成的各種含氮類有機化合物，還有少數(shù)是直接將無機含氮化合物如NH4-，NO2-等直接硝化為植物可利用的含氮鹽離子，或者在厭氧條件下直接反硝化為N2使氮元素返回大氣中。由此可見在整個生物圈循環(huán)中氮元素處于無法替代的作用。下面用一張圖表示氮元素在生物圈的循環(huán)。如圖2-1圖1

6、生物圈的氮循環(huán)模式圖 朱兆良. 氮循環(huán):攸關農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、環(huán)境保護與人類健康M. 北京:清華大學出版社,暨南大學出版社,2010從上圖我們可以看出氮在循環(huán)過程中大體上分為三種形態(tài)。一是在空氣中以氣體形式參與循環(huán)，包括氮氣的各種固定，燃燒等產(chǎn)生的氮氧化合物，微生物硝化和反硝化產(chǎn)生的氮氧化合物以及氮氣等氣體。這些氣體在人類工業(yè)化到來以前是維持平衡的，隨著科技進步工業(yè)的發(fā)展過多的工業(yè)化氮氣的固定，以及各種能源的燃燒，汽車等機械設備的尾氣排放使得氮元素在的循環(huán)有些失衡。二是氮氣被固定后以各種鹽離子形式進入土壤，有些直接被植物所利用如經(jīng)固定菌固定的氮，有些含氮鹽進入土壤后需要在土壤內(nèi)微生物的轉(zhuǎn)化作用下才能被

7、利用，如NH4-類的鹽需經(jīng)過微生物的消化作用轉(zhuǎn)變?yōu)镹O3-離子類鹽才能被植物所利用。有些是以動植物的腐殖體以及動物排泄物的形式進入土壤，在微生物的分解作用下轉(zhuǎn)變成可被植物利用的NO3-離子等類鹽。和土壤關系極其密切的陸上水環(huán)境，一般也定義為土壤，在水環(huán)境中一些沒有被植物利用的含氮類鹽就會進入水中被水中的植物所利用，從而造成水生植物瘋長的問題，同時過量的經(jīng)微生物分解含氮類鹽也會使得水環(huán)境的酸堿性改變，如分解產(chǎn)生的酸性離子會使得水生動植物生存受到影響。三是含氮類物質(zhì)被植物利用后轉(zhuǎn)化為含氮類有機物這些有機物一部分被動物所利用并轉(zhuǎn)化為動物體內(nèi)的有機氮，一部分被微生物所利用作為微生物生長繁殖的氮元素來源

8、。另外，動植物體內(nèi)所有的有機形式的氮最終都會作為分解者的食物來源被分解和轉(zhuǎn)化參與下一過程的氮循環(huán)。上述的幾種轉(zhuǎn)化形態(tài)中和人類關系最為密切的就是氮氣被固定后進入土壤的循環(huán)過程，這一過程是產(chǎn)生人類生長繁衍所需要的所有物質(zhì)。人類在這一循環(huán)過程中擔任的角色也越來越重要，人類的活動在一定意義上已經(jīng)決定了這一循環(huán)過程的平衡與否。因為人們在這一過程中不僅固定了有益于生產(chǎn)者的含氮類物質(zhì)，同時也生產(chǎn)出許多含氮類化合物對生態(tài)都有打亂其平衡的影響，這其中一部分原因是含氮類物質(zhì)的過量使用，一部分原因是有害含氮類物質(zhì)的產(chǎn)生。土壤圈2的氮循環(huán)決定了人類的生存。3.氮在土壤圈的循環(huán)氮元素在整個生物圈循環(huán)中最要的一部分就是在

9、土壤中的循環(huán)，氮在土壤的循環(huán)中只要包括三步。分別是氮氣的固定，含氮鹽的轉(zhuǎn)化和利用，有機含氮物質(zhì)的分解和利用。氮氣的固定是決定生物生存的關鍵因素尤其是作為生產(chǎn)者的植物，大氣中的氮氣是一種惰性氣體植物無法利用，只有通過生物固定以及雷電固氮等方式轉(zhuǎn)化為含氮類鹽離子后才能進入土壤被利用。在人類工業(yè)化固氮之前，氮氣的固定方式是以生物固氮方式為主，因為植物生長的需要豆科植物經(jīng)過不斷的進化逐漸形成出能夠固氮的根瘤菌結(jié)構(gòu)。工業(yè)革命之后人們對于物質(zhì)資源的需求不斷增加，傳統(tǒng)固氮方式生長出的植物果實不能滿足人們的需求，通過模擬雷電固氮方式的工業(yè)化固氮產(chǎn)生了。其明顯的增產(chǎn)效果使得工業(yè)固氮爆發(fā)式增長，品種也隨著工業(yè)不斷

10、的發(fā)展不斷更新，如最初的固氮產(chǎn)品硫酸銨、硝酸銨、氨水等，現(xiàn)在又出現(xiàn)了碳酸氫銨、尿素等，為了提高效果有含氮復合肥以及復混肥等2。這些工業(yè)化固定的氮都是屬于有益于植物生長的有利于促進社會發(fā)展的固氮產(chǎn)品。另外一種由于煤炭、石油等燃燒固定的含氮類物質(zhì)也會進入土壤或者水體內(nèi)。但是這部分含氮類物質(zhì)會擾亂土壤氮循環(huán)的平衡危機動植物的生存，同時這部分含氮物質(zhì)也會對其他循環(huán)產(chǎn)生影響如碳循環(huán)，在一定程度上進一步影響動植物的生長。氮氣被固定后最主要的作用是進入土壤圈被植物所利用。由于氮氣固定方式不同進入土壤的含氮物質(zhì)被植物利用的途徑也有所差異。如經(jīng)過生物固氮方式所固定的氮由于已經(jīng)被固氮菌處理過可以直接被植物吸收和利

11、用。經(jīng)過雷電固定的含氮物質(zhì)NH4-離子類物質(zhì)必須經(jīng)過微生物的硝化作用轉(zhuǎn)化為NO3-離子類的鹽才能應用于植物的生長。而人工固氮產(chǎn)品因為種類不同被植物利用的途徑也略有不同，如銨類固氮產(chǎn)品一般需要經(jīng)過土壤中微生物的處理之后才能被利用，含氮類復合肥有些可以直接被植物吸收和利用。在植物利用氮肥方面，有機含氮有機物的利用被人們提出和應用的越來越多，有機肥的利用過程也是先經(jīng)過微生物的分解，分解為各種可以利用的含氮鹽離子后才能起到促進植物生長的作用。有機肥的利用也可以說是含氮有機物在土壤圈循環(huán)中被微生物分解和利用的過程。只是微生物將動植物產(chǎn)生的有機氮分解利之后產(chǎn)生了可以被植物所利用的副產(chǎn)物，使氮元素在土壤圈循

12、環(huán)中多了一種循環(huán)途經(jīng)，從而使得氮循環(huán)盡量趨于平衡。事實上有機含氮物質(zhì)除了傳統(tǒng)意義上的動植物腐殖體等還包括現(xiàn)代人們生活過程中所制造的生活廢棄物，并且這一部分的量越來越大，這就無形中增加了微生物分解和利用的壓力，進而造成氮循環(huán)的不平衡。另外，有機含氮化合物進入水體之后也會在水體中微生物的作用下轉(zhuǎn)變?yōu)槟鼙凰参锼玫暮镔|(zhì)?，F(xiàn)實生活中的各種含有含氮有機物的廢水的排放在一定程度上加大了水體中微生物分解的程度間接的提高了水體的富營養(yǎng)化，使的有機氮的分解和利用失去平衡。氮在土壤中的循環(huán)尤其是促進植物生長這一環(huán)節(jié)對人們的發(fā)展影響最大，只有不斷的提高植物產(chǎn)生有機物質(zhì)的產(chǎn)量才能滿足人們的需求。在具體的增產(chǎn)

13、增收過程中人們沒有很好的控制含氮物質(zhì)進入土壤中的量從而造成氮在土壤中的循環(huán)有所失衡，進而引發(fā)了土壤板結(jié)，植物產(chǎn)量減少，水體富營養(yǎng)化等問題。在這些問題產(chǎn)生過程中人們一直在不斷的增加化肥的生產(chǎn)和利用，于是所有的問題被指向化肥，間接的也對工業(yè)固氮方式產(chǎn)生排斥。有機肥這種含氮有機物被認為是工業(yè)固氮產(chǎn)品的很好替代者，認為有機肥能夠很好的維持氮在土壤圈的平衡循環(huán)。4.化肥和有機肥如何抉擇化肥是工業(yè)固氮產(chǎn)物最主要的產(chǎn)品，自從它被從實驗室合成開始，它在工農(nóng)業(yè)方面的地位與日俱增。由于它能在很大程度上提高農(nóng)作物的產(chǎn)量，它的生產(chǎn)和應用越來越受到人們的重視。在化肥工業(yè)中氮肥的需求量最大，不管是植物枝葉的生長，還是植物

14、果實的生長都需要大量的氮元素的供應。氮元素是合成葉綠素的主要元素，是果實中氨基酸類或蛋白質(zhì)類物質(zhì)的主要元素來源?；实拿黠@的增產(chǎn)效果使得人們對它的使用量不斷攀升，在增產(chǎn)的同時化肥的過度使用最初并沒有引起人們的關注。隨著過量使用化肥所導致的氮循環(huán)失衡，許多問題出現(xiàn)了，如土壤的板結(jié)，水體的富營養(yǎng)化。這些問題一方面是因為過量的使用的化肥使得土壤中的微生物群落減少，土壤的酸堿失衡，進而減少植物對化肥等含氮物質(zhì)的吸收和利用。一方面是沒有被利用的化肥通過土壤進入水體造成水體中含氮物質(zhì)的量升高從而造成水生植物的瘋長以及水生動物的死亡，當然水體富營養(yǎng)化和生活廢水以及相關的工業(yè)廢水的隨意排放有關。由于這方面問題

15、越來越嚴重，人們開始采用各種措施減少化肥的使用量，或者改變化肥的種類以及使用使用方式，盡量減少化肥對土壤以及水體等的破壞。人口的不斷上升，增加了人們對糧食等農(nóng)作物的需求，化肥的減少無疑會對作物產(chǎn)量產(chǎn)生影響。為此，有學者提出大量種植具有根瘤菌結(jié)構(gòu)的豆科植物，利用豆科植物達到固氮增收的目的，既減少了肥料的使用又增加了豆科植物的產(chǎn)量。然而在澳大利亞實施這一措施的結(jié)果是土壤酸化，農(nóng)作物減產(chǎn) 莊亞輝. 元素循環(huán)研究趨向J. 環(huán)境科學學報,1991,11（2）:129-130。部分原因是大量固氮菌所固定的氮進入土壤中之后沒有被充分利用，氮循環(huán)的平衡出現(xiàn)混亂，過剩的酸性含氮物質(zhì)在滯留在土壤中反過來使得土壤中

16、有益微生物減少，從而導致微生物對氮元素的利用造成減產(chǎn)。另外一種呼聲最高的思路是大量使用有機肥，并提出有機肥不僅能提供植物所需要的營養(yǎng)元素，還能增加土壤中的微生物種群，達到改善土壤結(jié)構(gòu)的問題。從理論上有機肥確實擁有這些效果但是在實際過程中大部分糧食作物還是采用化肥，因為種子類植物它們需要更多的氮等元素來組成它種子。即使是葉菜類作物單獨施用有機肥的效果依舊不如化肥。目前，有機肥大多是植物秸稈以及動物的排泄物，這些物質(zhì)中所含有的有機氮的含量并沒有明確統(tǒng)一的標準，它的使用量也沒有得到規(guī)范，所以在使用中可能會導致氮元素含量不能滿足植物生長的需求，或者使用量過高導致土壤中氮肥過剩，同樣會造成氮循環(huán)不平衡所

17、帶來的問題。有機肥的生產(chǎn)加工過程采取的方法不統(tǒng)一，一般會采用高溫滅菌以除去有機肥中的有害菌，防止引起植物的各種疾病。但是這種方法并不能除去有機肥中重金屬等污染物這些物質(zhì)會隨著有機肥的使用進入土壤，從而造成植物的減產(chǎn)或生長出含有重金屬的植物。因此，有機肥的提出是一個值得提倡的思路，但是如何規(guī)范有機肥卻需要很長的路。不論是化肥還是有機肥都是通過增加土壤中的主要元素如氮的含量，從而作物產(chǎn)量。過多的使用化肥帶來的問題使得我們不得不思考如何更好的選擇促進作物生長的添加物?；实倪^量有機肥的不規(guī)范是目前最關鍵的問題。其實人們應該首先從認識層面上去了解化肥和有機肥，二者最根本的目的是增加土壤中的元素含量，主要是氮元素的含量，另外不管是化肥還是有機肥它在被植物利用前都需要經(jīng)過微生物的分解和利用，只是種群上略有差異。所以不管是化肥還是有機肥只要能在一定范圍內(nèi)維持氮元素在土壤圈的循環(huán)平衡，就能促進作物的增產(chǎn)增收。為此化肥和有機肥都需要不斷的改進加工工藝和施用方式。如化肥應可以向復合緩釋方向發(fā)展，使施用的化肥能在植物的一生中最大化的被利用。有機肥應在其含量指標上進行規(guī)范，在施用方式上需要進一步的統(tǒng)一。5.總結(jié)氮元素是構(gòu)成人體的必須元素，人們要獲得它必須通過食用動植物。而最根本的來源就是植物，植物中氮元素的來源最基本是土壤，化肥或者有機肥是目