农业生态系统的氮素循环研究进展

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1、李志博等：农业生态系统的氮素循环研究进展5农业生态系统的氮素循环研究进展李志博，王起超，陈静中国科学院东北地理与农业生态研究所，吉林长春130012摘要：在自然和人为作用的双重驱动下，地球表面氮素的生物地球化学过程及其环境效应成为当前全球变化中区域研究的重要内容。探讨了氮素循环各个过程及其数量特征，对氮素循环模型进行了介绍，并对当前生态系统中氮素循环的研究热点进行了简要的论述。关键词：农业生态系统；氮素循环；进展中图分类号：S153.6+1文献标识码：A文章编号：1008-181X（2002）04-0417-05李志博等：农业生

2、态系统的氮素循环研究进展5全球环境变化是人类面临的重大而紧迫的环境问题。在自然和人为作用的双重驱动下，地球表面氮素的生物地球化学过程及其环境效应则是当前全球变化中区域研究的重要内容。为了估计和预测氮素循环的变化和对全球生命维持系统的影响，自20世纪70年代以来对生态系统中的氮素循环进行了广泛和深入的研究。SCOPE（国际科委环境委员会）[1]将全球氮超载作为一个潜在的环境问题和化学定时炸弹提出,并在1998～2001年的科学规划中列出了“氮的循环和转化”、“陆地－海洋营养盐流动”等项目。IGBP(国际地圈与生物圈计划)和IPCC

3、（政府间气候变化委员会）的许多核心项目都把氮素循环作为主要研究内容。在1998年荷兰召开了第一届以氮为主题的国际会议，全面探讨了有关氮的生物地球化学循环及其环境影响，并决定定期举行[2]。赫尔辛基委员会和奥斯陆－巴黎委员会制定和发起减少氮的总传输计划，挪威、瑞典、芬兰和荷兰等国家都积极响应，开展了大量研究[3~7]。挪威于1992年制定了多学科项目“氮——从山地到峡谷”，集中研究了各种来源氮的过程和效果问题[3]；瑞典开展了减少农田氮淋溶和向波罗的海的传输[4~7]。另外，NinaF.Caraco等[8]对世界35条主要河流氮的

4、传输进行了研究，晏维金[10]等对长江流域氮的生物地球化学循环进行了研究。农业生态系统中的氮素循环是指，氮素通过不同途径进入农业生态系统，再经过许多相互联系的转化和移动过程后，又不同程度地离开这一系统，这一循环是开放性的，它与大气和水体等外界环境进行着复杂的交换[11]。氮素在农业生态系统循环过程中会引起一系列的环境问题：氮淋溶造成水体硝酸盐污染和湖泊的富营养化；由于淋溶作用，引起土壤中矿物质亏损；氮还是一种重要的农田中非点源污染物。为建立农业生态系统中氮素平衡的模型，研究其循环规律,需要对氮素的输入输出等各个过程进行研究，明确

5、农业生态系统中氮素的来源和去向及其数量特征。1农业生态系统的氮素输入1.1大气氮沉降大气氮沉降包括干湿沉降两种，干沉降主要以气态NO，N2O，NH3以及(NH4)2SO2粒子和吸附在其它粒子上的氮，其沉降速率取决于气象条件，其过程取决于风速、空气动力阻力和大气中气体与颗粒的化学、物理性质有关的表面性质等因素；湿沉降主要是NO3－和NH4+，以及少量的可溶性有机氮。氮沉降来源除大气中N2外，工农业生产活动，化石燃料（特别是煤、石油）燃烧所排放的大量氮氧化物，起了巨大的作用。大气氮沉降会对生态系统产生一定的环境影响效应。大量的氮沉降

6、会增加NO3-和其它营养元素的淋失，会导致营养失衡、土壤酸化和生态系统退化等一系列的生态环境问题。目前，有关氮沉降影响的研究主要集中于沉降速率大于N10kg/(hm2×a)的地区。庄亚辉等[12]研究表明海河流域1990年的氮沉降为N42.6kg/(hm2×a)。挪威东南Auli河流域农业用地1995和1996年氮沉降为N5.9kg/(hm2×a)，西南部为N23kg/(hm2×a)[4]；瑞典氮沉降范围在N李志博等：农业生态系统的氮素循环研究进展57～20kg/(hm2×a)，作为农业用地的哥兰特平原为N19kg/(hm2×a

7、)[5]；瑞士氮沉降在N22~51kg/(hm2×a)[13]；英国大部分地区氮沉降在N4～35kg/(hm2×a)范围内，氮沉降量大的地区可达N40~80kg/(hm2×a)[14]。1.2化肥（包括粪肥）氮素输入通过施肥输入的氮素是农业生态系统最主要的氮源，化肥中水溶性氮占很高的比例。作物主要吸收氨和硝态氮，施用氨态氮后，在土壤中很快成为NO3－。随着人口增长对粮食增产的迫切需要，单位面积平均氮肥输入量基本上是逐年增加的。1998年我国化肥平均施用量已超过N225kg/hm2；而北欧等国家施用要相对低一些，挪威东南农田氮肥施

8、用量为N110kg/hm2[4]。另外，施用粪肥也是农田氮素输入的重要途径。1.3生物固氮生物固氮（将氮气还原为氨）是农业生态系统另一个重要的氮源，也是地球化学中氮素循环的一个重要的环节，以豆科植物和根瘤菌的共生固氮为主,可占生物固氮量的1/2[15]。Gall