农业生态系统中的氮素营养循环及调节
农业生态系统中的氮素营养循环及调节
营养循环和物质循环是任何一个生态系统的两个基本过程，对它们的研究具有重要的作用。对农业生态系统中的营养循环的研究，不仅可以使我们了解各种矿质营养的流动过程，对指导我们在农业实践生产过程中的化肥合理施用具有非常重要作用；同时又可以在保持原有产量下，减少资源成本投入、保护环境等等重要意义。
动植物及人类生长发育所必需的营养元素称为营养元素[1]，营养循环即为营养元素的循环，包括了大量元素的循环、微量元素的循环和痕量元素的循环。农业生态系统中的循环则是这些元素在人工农业系统如：农田、牧场、草地等和自然系统中的土壤、水、植物等等之间的循环。可见农业系统中的养分循环是联系土壤、作物、人、畜禽的纽带，是维持农业系统时空上的联系的重要手段，使农业系统具有稳定性和自调力的基础[2]。
氮、磷、钾是肥料的三要素，是农业生产过程中作物极易缺乏的三种营养元素，也是化肥施用量最多的元素；故一直以来，对它们在农业系统中的循环研究也是最多。本文就农业生态系统中的氮营养元素的循环及其调控方法为主作了综述。
1.氮素的循环
氮素是植物的必须营养元素，也是作物产量最重要的养分限制因子。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[3]。
2.氮素在农业生态系统的输入
2.1化肥（有机肥和无机肥）氮素的输入
施肥方式输入氮素营养是农业生态系统中氮素输入的最主要的方式之一；它对增加农田中氮素营养的总量的效果也是最为明显。故农业生产遇到氮素不足时，常以施肥方式来解决。可见，施肥还是调节农业生态系统中氮素平衡的一个重要方式，也是人为进行调控方式之一。1998 年我国化肥平均施用量氮肥中的N已超过225 kg/hm2；而北欧等国家施用要相对低一些，挪威东南农田氮肥施用量为N 110 kg/hm2[4]。
2.2秸秆还田
秸秆还田是又一个可以人为进行调控的氮素输入方式之一，为农业生态系统中的又一个重要氮源。作物根茬以及还田秸干归还的氮是土壤中有机质的重要来源，归还量的计算是根系生物量及还田秸秆生物量各自乘以它们的氮素含量，然后各部分相加。
谭宏伟、周柳强[5]等在对广西农田养分平衡中，研究一些作物的秸秆还田给农田土壤带来了养分（如下表所示），发现秸秆还田能给农田大量的养分。
表1、作物秸秆还田带来的养分
2.3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。生物固氮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 。Galloway 等[6]估计了全球陆地生态中的生物固氮量为N 90~130 Tg/a。生物固氮是一种可以人为调节但又不能完全调控的农业生态系统中氮素自然输入的方式，因而具有独特性。
2.4大气氮沉降
大气氮沉降包括了干沉降和湿沉降两种。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。如雷雨时，空气中的氮气和氧气发生反应生成氮氧化合物溶于水中，并以降雨的形式进入农业生态系统。当然，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。
庄亚辉等[7]研究表明海河流域1990 年的氮沉降为N 42.6 kg/(hm2/a)。挪威东南Auli 河流域农业用地1995 和1996 年氮沉降为N 5.9 kg/(hm2/a)，西南部为N 23 kg/(hm2/a)[4]；瑞典氮沉降范围在N 7～20 kg/(hm2/a)，作为农业用地的哥兰特平原为N 19kg/(hm2/a)[8]；瑞士氮沉降在N 22~51 kg/(hm2/a)[9]；英国大部分地区氮沉降在N 4～35 kg/(hm2/a)范围内，氮沉降量大的地区可达N 40~80 kg/(hm2/a)[10]。
2.5土壤自身的矿化作用
土壤中的各种营养元素总是处于一种矿化和固化一个动态平衡过程之中。土壤的矿化作用释放出氮素，这也是增加土壤氮素的一个来源之一。虽然这种矿化作用是非常的缓慢，但对肥效的提高是非常重要的。早在1972年，Stanford[11]利用好气培养和间歇淋洗建立了一套较为完善的测定土壤氮素矿化过程的技术，以所做试验得出的数据为基础，估算氮素矿化潜力N0和矿化速率常数K，建立累积净矿化氮与时间的数学模型，在用田间观察的土壤水分和温度校正后，进行作物生育期中矿化强度与数量的预报。Richter[12]和Nuscke[13]又在
Stanford的基础上，将土壤氮素矿化过程分成两个组成部分，并用优选法分别求出它们的氮素矿化潜力和矿化速率常数。此外，许多研究者为用可矿化氮准确预报土壤供氮能力，对矿化速率和矿化参数做了大量工作[14~17]。
3.氮素在农业生态系统的输出
许多研究者进行有关肥料氮去向试验时发现除作物吸收的氮量外，肥料氮的损失变化范围在1%~30%之间[18]。淋溶和反硝化被认为是肥料氮从土壤中损失的两个最重要的过程，也是对农业生态系统中氮输出影响较大的一种方式。
3.1作物收获氮素输出
农业系统是一个种养的系统，当到收获季节时，不可避免的会从中带走产物，这也就在无形中造成了氮素的输出。作物收获输出的氮量与生物量、作物体氮素含量有直接关系，也与秸秆还田率有直接的关系，它应该是作物收获量乘以作物的氮含量。
3.2氮的淋失
氮淋失是指土壤中的氮随水向下移动至根系活动层以下，从而不能被作物根系吸收所造成的氮素损失，它是一种累进过程，淋失的氮主要包括来源于土壤的氮和残留的肥料氮，以及当季施入的肥料氮[19]。氮淋失对于农业生态系统显得格外重要，农业生产过程中要尽量减少氮的无效淋失。农业生态系统中氮素淋失主要因素有：降水，灌溉、施肥，土壤特性，植被以及耕作等[20]。一些研究表明：氮的淋失作用在任何类型的农业生态系统的土壤均可以发生，且淋失量和降水有着密切的关系，降水多，淋失量大。
3.3氮的流失
氮的流失，是溶解于径流中的矿质氮，或吸附于泥沙颗粒表面以无机态和有机质形式存在的氮随径流流失。降雨、径流、土壤性质（土壤种类、土壤结构、土壤质地等）、坡面坡度、以及土地植被覆盖情况是影响氮素流失的因素。降雨和径流是土壤氮素流失的主要驱动因素。
3.4气体的挥发损失
硝化－反硝化作用在其生物化学过程中产生NO，NO2，N2O 基NH3等氮氧化物，导致农田氮的损失。它们受多种因素的影响，如土壤温度、土壤湿度、土壤容氧量、土壤类型、结构、空隙、pH 值，以及耕地管理方式如施用化肥的种类和数量、耕种技术、作物系统和灌溉等。据估计，每年由于农业生产排放的N2O 平均为N 3.5（1.8～5.3）Tg/a，每年全球N2O 释放量的24%[21]；加拿大由于农业活动引起的氨挥发占到氨挥发总量的87%[22]。1995 年，荷兰总释放为181×106 kg，氨挥发通量达到3kg/(hm2/a)[23]。目前因人类活动造成的N2O排放70%来源于农业生产，其中肥料氮又是农业土壤中NO排放的主要来源[24,25]；且氨挥发后的重新沉降还会造成土壤酸化和森林退化[26]。
3.5除此之外，还有如营养元素的腐殖化作用，也会造成农业生态系统中氮素损失。
农业生态系统 氮
素
输
入 施肥 生物固氮 秸秆还田 大气沉降 土壤矿化作用
气体挥发
固化作用 收获
氮流失 氮淋失 4农业生态系统中的氮素循环及调节
4.1农业生态系统的氮循环
由上述可知，氮素在整一个农业生态系统中的循环，具体如下图（图1）：
图1：氮素在农业生态系统中的循环过程
将这个循环应用到具体某个农业农田区域时，则可以了解各种输入、输出方式所起的作用。
表2 紫色土典型小流域农田N 素养分收支
朱波、彭奎[27]等对四川丘陵区典型小流域农田生态系统氮素收支情况进行了调查，得出如表2所示数据，从表中可以看出各种输入输出方式对氮素在整个农业系统中的作用。
4.2农业生态系统氮素营养调节
目前，许多学者针对农业生态系统的氮素等营养元素循环已经进行了详尽的研究，如在南美种植一些深根豆科植物既能吸收深层土壤的氮素营养且加上自身吸收固定的氮是一种很好的增加农业生态系统中氮素营养的方式[28,29]。
农业生态系统中氮素的调节主要是使整个农业生态系统能够做到氮素的动态平衡，使得氮素营养的输出和输入能够相一致。往农业生态中增加氮素输入关系到环境问题[30]，故而对氮素的营养调节主要表现在对氮素的输出控制上。对于氮素的输出，则主要通过减少氮素的无效输出来进行控制。对氮素的淋溶损失可以通过改良土壤、合理的种植体制、良好的灌溉体系[31,32]、实行间作、覆盖种植技术、有机肥与无机肥混施及合理恰当的施肥技术等来实现；而反硝化作用造成的氮素挥发损失改善耕作制度和正确合理施用硝态氮肥和氨态氮肥等措施[33]来实现。而收获则可以通过秸秆还田来做到带走的养分最小化，使得氮素的输出减少。
对农业生态系统中的氮素循环的研究，对实现农业的可持续发展具有重要的意义[34]，可以使我们节约资源[35]，保护环境，做到更好更快的发展。