氮素的生物地球化学循环

• 在对湖泊中氮素循环的研究中确定其中氮 素的输出与输入，及不同因素的影响，从 而确定氮素在循环中的数量关系，确定实 际测量中所采取的取样时间，测量方法。 在实际操作中，要考虑生物对氮素生物地 球化学循环的影响。取样点具有代表性， 采用模拟的方法确定氮素的输出量。
长江流域氮的生物地球化学循环 及其对输送无机氮的影响
• 氮的循环：氮在流域内的循环主要通过下 列途径，即农作物从土壤中通过收获输出 氮，经过人和动物的食物链，转化为粪便， 粪便再通过施肥回到土壤中。其中假定50 ％的粪便通过施肥返回到土壤中，25％通 过降水径流输出，25％仍然以粪便形式储 存在流域内。

• 有关各种作物产量的数据均取自《中国统 计年鉴》。农作物从农田输出氮量由如下 公式可以得出：农作物输出氮量一农作物 产量X氮的含量。 在农作物输出氮中，农作 物产量包括籽粒和秸秆，各种作物的氮含 量列于表2。粪便中的含氮量由如下公式可 以得：粪便含氮量一人和动物数量×单个 人和动物的粪便量×粪便含氮量。
• 研究地点与方法 • 选择长江大通站为控制站点进行定量计算和研 究。大通站(东经117。37’，北纬30。46’)。位于 安徽省贵池市梅龙镇，是长江潮汐的影响上界， 不受潮汐影响。该站点是中国水文监测网的重 要站点之一，其流域集水面积1．71×106km2， 约占整个长江流域面积的95％，径流量约占整 个长江径流量的90%，基本代表长江的输送情 况。长江流域氮的生物地球化学循环的计算基 于长江大通站所控制的流域面积，流域内各省 (市)所属面积占各省总面积
• 氮输入的另一因素是生物固氮量，包括植 物固氮和微生物固氮2部分。 物固氮量=作 物种植面。大气沉降氮量是氮输入的另一 来源，每年大气干沉降氮量约占大气湿沉 降氮量(降水沉降氮量)的一半，可通过计算 湿沉降氮量来得到大气沉降氮量。湿沉降 氮量=年均降水量。
• 氮的输出：氮在流域内的输出包括氮的反硝化、 氨氮挥发和河流径流输出氮。可设定年均氮肥 施用量的5％为反硝化的估计值，这与一般反 硝化量计算中所采用的平均数据是大体相近的。 气态氨挥发可分为2部分：施用化肥氨挥发和 生产化肥氨挥发。平均气态氨挥发量的计算采 用的是王文兴等人的研究方法一目，即将主要 人为源分为3类：畜禽源、化肥施用源和人类 粪便源，根据各地区氮肥施用量及各种氮肥的 百分比组成，即可算得各地区氮肥施用的挥发 量。在氮的输出中，河流往流输出溶解态无机 氮量一年平均径流量×年平均无机氮浓度。
总结
• 对某个生态系统中氮素的生物地球化学循 环的研究，首先要清楚氮素在此系统中发 生的主要反应。氮循环主要涉及固氮作用 、 硝化作用和反硝化作用三个过程。根据其 自然状况分析氮素的输出与输入，根据质 量守恒定律建立等式。。
• 在对氮素循环的研究中，还可以充分利用新技术进行跟 踪。 • 宏基因组学通过直接从环境样品包含的全部微生物的遗传组成及其群落功能。 • 微区分析：利用各种微束或探针技术来直接（原位）分 析在光学显微镜下所选的微区物质的化学成分分析。 • 同位素示踪技术是从外面加入与生物体内的元素或物质 完全共同运行的示踪物，用以追踪生物体内某元素或某 物质的运行或变化的一种方法。示踪物，可利用元素的 同位素本身或用同位素置换该物质成分某元素的标记化 合物，按不同目的，关于同位素可利用放射同位素或稳 定同位素。
• 考虑水草的 氮素的数据处理 • 水生植物对氮素的作用为,对氨氮硝氮的吸 收、对氨氮有机氮的吸附、 水生植物的反 硝化、 水生植物的氨化和硝化等过程。本 文中,假设水生植物氨化硝化产生的氨氮硝 氮被植物本身全部吸收或吸附,没有进入水 体。
三、湖泊氮素的生物地球化学循环
• 湖泊水体中氮素来源较多，可概括为点源、面 源和内源，已有较多文献进行了相关报道
• 在工作初期可以通过当地水利局了解逛荡河的 各种水温参数，比如宽度，流域状况等。
二、逛荡河氮元素生物地球化学循 环
• 不考虑大气中氮素的干沉降,并且河流水体 无显著的气态有机氮和氨氮的挥发, 在这种 情况下, 河流水体中的氮素从上游流至下游 的过程中, 主要的环境生物- 地球化学过程 行为有沉积物中水溶性有机氮和氨氮的释 放、 水体悬浮物中有机氮和氨氮的沉降再 悬浮、 水生植物对氮素的吸收吸附、 有机 氮的氨化、 氨氮的硝化、 硝氮的反硝化。
• 湖泊生态系统中氮素的输出方式有三种．首先， 藻类、高等水生植物、底栖动物等将氮素转化 为自身生物量，经人工捞取或收获后离开湖泊 生态系统．其次，氮素以气体(如N20、N2等) 形式退出湖泊系统．再次，氮素通过沉积作用 进入沉积物并固定下来．
• 氮素在沉积物一水界面的交换
• 氮素在沉积物一水界面的交换是水体中氮 素迁移转化的主要过程之一，对湖泊的营 养状态和水质都有要影响。进人沉积物的 氮素主要是有机氮,它在沉积物中的浓度主 要依赖于初级生产力,并和有机碳强烈相关
关于逛荡河氮的生物地球化学 循环
一、逛荡河
• 莱山区有条逛荡河，发源于凤凰山脚下。 它东流经过午台、宋家庄、于家滩等村， 北折入黄海。约摸算来，有二十里左右。 这是条季节性河流，汛期和枯水期流量相 差较大，导致河床松垮逛荡，故名“逛荡 河”。
• 由于近些年的治理工作，逛荡河整体污染不严 重，流域面积小，流程长度短，有的河段水草 分布少，有的河段水草分布较多。根据逛荡河 的自然状况况，我们可以通过恰当的模拟和实 测, 并根据河流水体中水污染物的质量平衡原 理,可以定量分析水污染物的环境生物地球化 学过程行为。
• 在不考虑沉积物的释放和悬浮物的沉降再 悬浮,总氮减少唯一途径是反硝化,因此,可以 通过恰当模拟确定氮素的反硝化量。由于 氮素的反硝化唯一前提物是硝氮, 因此可以 根据反硝化量来确定反硝化消耗掉的硝氮 量。在确定氮素的反硝化量和反硝化消耗 掉的硝氮量后,可以根据有机氮和无机氮质 量平衡方程, 确定氮素在环境生物- 地球化 学过程各种行为的定量关系。
主要研究方法
• 同位素标记15N示踪技术。15N标记的化合物可计算 氮素在食物网中进行的迁移和转化速率、测定硝化 速率等。 • 分子生物学技术。随着现代分子生物学的发展，各 种分子生物学工具越来越广泛地应用于微生物群落 结构和功能的研究，使得人们能够突破这些限制， 在基因水平研究微生物的群落结构以及环境变化所 带来的影响． • 建立人工生态系统。为了便于控制实验条件，建立 人工生态系统如中宇宙、微宇宙等来模拟自然界中 氮素的迁移转化，还可以与微型传感器等其他技术 联用来检测氮素流通量。
• 氮素在湖泊生态系统食物链中的迁移转化。湖泊中 的动物、植物、微生物等构成湖泊生态系统的食物 链，各种生物通过同化吸收或选择性捕食，使得氮 素在营养级中自下而上进行传递。选择东太湖和梅 梁湾的底泥和水体构建微宇宙进行硝化一反硝化作 用研究。本实验中发现，在太湖藻型湖区和草型湖 区的沉积物和水体中都进行了剧烈的硝化作用，且 藻型湖区的硝化作用进行程度强于草型湖区．湖泊 的营养状态影响其生态结构；食物链中的生态群落 组成同样也会影响氮素的生物地球化学循环．本实 验中藻型湖区的营养水平异于草型湖区，其相对应 的微生物生态结构的差异性必然会影响硝化作用、 反硝化作用等进程．
• 湖泊氮素的生物地球化学循环中微生物参与的 重要过程
• 在氮素的生物地球化学循环过程中，生物转化 比非生物转化更重要．微生物是氮循环的驱动 泵，一方面使氮循环不被中断，另一方面维持 生态系统的氮素平衡．在没有人为活动干扰的 湖泊中，微生物在氮素的输入和向大气释放过 程中起着非常重要的作用。例如硝化反硝化， 固氮作用，氨化作用。
• 任何进入河流水环境的物质都有一个源- 流汇过程, 环境物质的环境生物- 地球化学过 程涵盖了源的部分内容及流和汇的全部内 容。因此, 对水污染的环境生物- 地球化学 过程展开定量分析至为重要。因此只有定 量地分析了各类水污染物环境生物- 地球化 学过程各部分物质变化的绝对量和平均速 率,才能了解环境物质的部分来源, 物理生化 过程和最终归宿, 才能为环境保护工作提供 一个科学基础。
• 氮的输入：氮在流域内的输入包括无机化 肥施用氮、生物固氮和大气沉降氮。无机 化肥施用氮是最主要的输入因素。无机化 肥施用氮是最主要的输入因素，所采用的 相关数据来自《中国统计年鉴》，其中普 遍施用的尿素约占化肥施用总量的38．6％， 施用的碳铵约占化肥施用总量的55％。所 有肥料均按照氮的含量折算成纯氮。
• 不考虑水草的氮素的数据处理 • 氮素的环境生物-地球化学过程为,沉积物的氨 氮释放、 沉积物总氮(氨氮和有机氮)释放、 沉 积物- 水界面对氨氮和有机氮的吸附解吸、 沉 积物- 水界面的氨化-硝化-反硝化、 悬浮物中 有机氮和氨氮的沉降再悬浮、 水体中氮素的 氨化-硝化-反硝化等过程。首先, 我们确定水流 从 A - B, 水体反硝化值，N反硝化。模拟水样中, 氮素唯一去除途径是反硝化, 因此根据模拟水 样中总氮平衡原理, 我们有, N 反硝化 =CA*Q*TCA24h后*Q*T
• 水样的环境生物- 地球化学过程模拟。模拟的意义 是可以计算反硝化的量。 • 逛荡河水生植物较少的河段可以不用考虑植物对氨 氮的吸收。在此河段取两个断面A和B，分别测量水 样的 NO2- --N、 NO3 --N 及NH3 -N 浓度值。在AB 河 段之间,取若干个柱状沉积物样品,测量 T N、 NH3 -N、 释放通量, 取平均值。将上游A 断面水样一分为二, 一份立即测量或立即固定,另一份进行模拟。模拟时 室温与河流水温相同, 并缓慢振荡, 使瓶中泥沙始终 保持悬浮状态。24h 后再测量或固定水生植物生长 不显著的河段。水生植物生长显著的AB 河段应每季 测量水生植物的种类和干湿重。此外还有水温参数 的测量
• 的比例进行加权转化，并假定氨循环的各 计算因子在各省是按面积平均分配的。具 体计算方法是将各省所在长江流域的面积 除以各省总面积，再乘以相应指标因子， 最后各省因子之和为长江流域总和。长江 流域各省组成及各省所属面积占各省总面 积的比例见表1。
• 研究方法 • 氮在流域内的生物地球化学循环包括氮的输入、输 出，和氮在流域内的平衡(即氮在流域内的储存)。 氮的输入量=无机化肥施用氮总量+生物固氮量+大 气沉降氮量；氮的输出量=氮反硝化量+氨氨挥发量 +河流径流输出氮量。氮的平衡=氮的输入量—氮的 输出量=氮的储存=氮在土壤中的累积+氮在粪便中 的累积+氮的其它累积(包括地下水+地表水+森林等)。 在此假定流域内的粮食输入等于输出。本文利用氮 的这种生物地球化学循环模型来探讨长江流域近30 年来(1 968～1 997年)氮的生物地球化学循环过程与 变化趋势，及其对长江溶解态无机氮输送的影响。