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。Keeneyetal[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。#p#分页标题#e# 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WolfemL、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。 3.2.2土地的不合理利用。人类利用土地进行的活动（主要是农业生产）是直接导致土壤肥力变化的因素。在农业种植集中、氮磷肥大量施用的农业区中，农田土壤中氮磷的流失是造成水体富营养化的主要因素。此外，不适当的土地利用方式会导致土壤侵蚀及氮磷流失，形成面源污染[21]。 3.2.3农耕技术和种植模式。耕作和种植模式的不同会影响硝态氮的累积和流失情况。一般传统的耕作和单一种植模式，养分随地表径流流失比轮作种植多。因为轮作种植模式能有效地改善土壤结构，从而促进养分循环。程杰等[22]指出，垄沟种植模式较地膜覆盖和传统种植模式硝态氮累积量低，说明该种植方式能有效地改善由于硝态氮流失形成面源污染的现象。 3.2.4污水灌溉。我国水资源缺乏是亟待解决的问题。利用污水灌溉不仅某种程度上缓解了水资源短缺的问题，还可以补充农田作物生长所需的氮、磷等主要营养元素。农民对污水处理及灌溉技术的知识了解较少，常直接以生活污水或附近工业废水作为灌溉水。但是，污水未经过处理就进行灌溉，污水中的氮、磷等物质含量较高、灌溉后会使农田作物及地下水中的氮素等严重超标，形成面源污染[23-24]。而且污水中的有毒有害物质也会带入到农田中，造成灌溉区地下水、土壤及作物污染。 3.2.5生活和工业污水的排放。城市和农村乡镇的生活污水和生活垃圾中含有大量氮素，其中主要是氨态氮，其次是有机氮。由于人们的环境保护意识较差，生活污水随意、长期排放，造成大量的含氮物质流入湖泊河流形成面源污染。随着工业的发展，越来越多的工业废水排出。大多数工业（如石化、印染、制药、医院等）废水中都含有大量的氮素。如造纸业废水全氮含量超过20mg/L。有机氮、氨氮所占比例较大，此外还伴随着亚硝酸盐氮和硝酸盐氮。 3.3氮循环过程造成面源污染的途径 硝态氮、亚硝态氮和氨氮是地表水和土壤表面稳定存在的氮污染物。这3种形态的氮污染物通过土壤下渗在土壤中富集，造成污染。在此过程中产生污染的途径如下：一是通过灌溉渗入。通过灌溉，氮污染物随水渗入到土壤下层，到达地下水，造成污染。当今越来越多地利用污水灌溉，这样不仅把残留在土壤中的含氮污染物冲入地下，也将污水中的污染物带入了地下，造成二次污染。二是地表水下渗，生活污水和工业废水排入河流、湖泊，不仅污染地表水，还成为地下水的污染源。降雨造成的淋失，使得含氮化合物随农田径流进入到地表水。进而地表水中的含氮化合物继续渗入到地下水，从而影响了地下水水质。 3.4氮循环过程中氮素流失对环境的影响 农业生态系统氮循环是循环往复的过程。由于循环过程中氮的流失，导致再循环时可以提供给土壤和作物利用的氮素会出现逐次递减的现象，导致土壤肥力、农业生产水平、甚至蛋白质含量的下降，最终使得土壤有机质越来越贫乏，逐步形成土壤侵蚀等。其实氮素的流失主要来自于土壤氮素硝化反硝化过程。硝化作用是土壤为生物将铵态氮转化为硝态氮的过程。在硝化过程中虽然有效减少了铵态氮的损失，但是硝态氮的含量却急剧增加，在淋失过程中造成过多的硝态氮被水分带走流入河流、湖泊造成水体污染，从而加剧了水体富营养化，藻类大量生长消耗水中氧气导致水生生物死亡。近年来，世界各地地下水中硝态氮的污染程度和范围均呈不断增加的趋势。中国地下水硝酸盐污染问题也日趋严重。通过对中国北方、杭州市城区、陕西省陕北和关中地区以及环渤海地区的地下水测定表明，其硝酸盐含量超过WHO标准率分别为54.0%、40.5%、25.2%和34.1%[25-26]，直接影响工业供水和人畜饮用水安全，给人类健康和水产养殖带来威胁。我国是农业大国，几乎各地农田都有蔬菜种植地。研究发现[27]，蔬菜地土壤硝态氮的残留量较大，蔬菜收获后硝态氮大量残留于土壤剖面中，其中50%以上的氮素残留于0～1m的土壤剖面中。这也是导致地下水硝酸盐污染和水体富营养化的主要原因之一。反硝化是将硝态氮转化为以NO、N2O、N2气态氮为主的过程，这些气体排放到空气中形成污染，造成温室效应及酸雨等环境问题。 4氮流失造成面源污染的防控措施 4.1合理正确施用化肥，提高肥料利用率 人们长期采用最大产量施肥量进行农业生产，以求获得高产量。但是，过量的施用氮肥将会造成硝态氮大量淋溶和累积。因此，需要向农民推广科学的施肥技术，根据目标产量、农作物的需肥规律等进行合理施肥。如实施化肥和有机肥合理搭配，氮磷钾肥有机配施，从而改善作物的营养环境，以提高农作物对肥料的利用率，从而达到减少土壤氮素大量往深层土壤下移和进入水体的趋势。此外，正确选择氮肥种类也是至关重要的。硝酸铵最易增加径流中氮的含量，施用尿素较碳铵能显著降低径流中氮的流失量。在普通氮肥中配施脲酶抑制剂、硝化抑制剂可明显延缓氮在土壤中的转化，降低土壤中硝态氮含量，减轻硝态氮的流失[28]。#p#分页标题#e# 4.2发展和推广清洁无害农药 禁止使用剧毒农药，淘汰高毒、不易降解的有机氯农药，减少有机磷农药的使用；推广使用生物农药。根据农药的特性，农药在农作物中的残留规律，制定农药安全使用标准，规定农作物的安全收获期和农药在食品中的允许残留量等。在改进农药的制剂类型及喷洒技术上，尽可能减少农药在使用过程中的挥发、漂移，提高农药的利用率，从源头上减少农药对生态环境的污染。同时，加强生物防治技术的开发研究[29]。 4.3规范农用薄膜的使用 目前我国使用的地膜多为聚乙烯农膜，化学性质稳定，不易分解和降解，容易造成土壤环境污染。一是采用“一膜多用”、旧膜反复利用的方法，生产可降解的薄膜，可在作物成熟或收获后能被光或生物降解成对土壤和作物无害的物质，不会造成污染。二是在技术条件允许的条件下，可以利用天然产物和秸秆类纤维生产的农用薄膜来取代部分农用塑料薄膜。三是加强农田残膜回收，集中处置，实现农业生产农膜的清洁使用[30]。 4.4建立污水处理系统 对总氮含量高的城市污废水进行2~3级处理，采用适宜的处理技术进行除氮，使污废水中的有机氮氨化转化为氨氮，氨氮进行硝化作用转化为NO2、NO3，进而进行反硝化作用转化为N2和N2O而返回大气圈[31]，将无法利用的污水进行处理，用于灌溉甚至可以用于水产养殖，合理并资源化的利用再循环水。近几年，国内较多地研究短膜生物反应器、好氧颗粒污泥、硝化菌或其他低温菌与膜生物反应器结合等技术来处理污水。 5结语 在土壤受到侵蚀后，径流与泥沙带走了土壤中的养分。土壤养分流失不仅与灌溉方式、渗漏形式、土壤性质等多种因素有关，也与土地利用方式密切相关。应增加地面覆盖，防止水土流失，进而对养分产生保蓄作用。在开荒过程中，由于破坏原有的植被覆盖，降低了地表覆盖率。减少土壤侵蚀和保蓄土壤养分，改善植被是根本措施。应推行清洁生产，将清洁生产的理论付诸于实践，发展新型技术、产品等来改善农业生产中的缺陷，从而减少农业污染物的产生，降低生产和服务过程对人类和环境的危害。向农民推广科学合理的施肥技术，在原施肥量与产量的关系中，找出问题所在，按照目标产量、不同作物需肥特性及吸收养分的特征合理的规划计算施肥量，达到在高效利用肥料的同时获得高产量、提高经济效益、提高农民生活水平、促进农村经济发展的目的。