氮元素对人的重要性

氮对人的重要性 1 氮对人的重要性 摘要 本文简单介绍了氮在生物圈的循环 并对氮在土壤圈的循环进行了阐释 简析了化肥和有机肥的应用现状 总结了氮元素对人的重要性以及如何改善含 氮物质对人的影响 关键词 氮 氮循环 土壤圈 化肥和有机肥 1 前言 氮元素是自然界最丰富的元素 大气中有 78 的氮气成分 这部分氮元素 主要参与生物圈的氮循环 和人类没有直接的联系 但是在雷雨天气 在雷电 的作用下氮气会和空气中的氢气反应变成可被植物尤其是豆科植物所利用的氨 这种类型的氨被豆科植物的根瘤菌吸收并转化为豆科植物生长所必须的氮 氮 以这种形式进入植物后会在植物体内转化为各种含氮有机物 蛋白质可以说是 含氮元素有机物的代表 动物和人食用了含蛋白质的植物后 氮元素继续以各 种形式进行转化 动物体内有机物含量最高的蛋白质其含有高达 16 的氮元素 人食用了含有蛋白质的植物或者动物后 动植物体内的氮以氨基酸等分子形式 在人体内发挥作用 至此氮元素和人就有了直接的联系 这种联系从人一出生 开始就和人一直维持 从不间断 在这一过程中人也只是氮元素的载体 氮元 素会通过人体继续回土壤 回到大气完成它的循环使命 随着科技的发展和人 们的日益增长的物质需求 人对氮元素的循环影响越来越明显 当然这种影响 也反过来给人们的生产生活乃至环境产生很多问题 然而 人们在处理这些问 题时产生了情绪上的偏差 造成一些不利于人们生产生活的偏激思想产生了 其中典型的例子就是人们对化肥的抵制 这种抵制同时衍生出有机肥以及有机 农作物等等 事实上 抵制是产生了一些效果 使化肥的生产和利用更加科学 合理 但有机这一口号并没有达到人们预期的效果 最关键是人们对此并没有 简单明了的界定 这些现象的产生一方面大多数人对氮元素的循环模式不是很 清晰 另一方面对于自身和氮元素的关系还没有很清晰的认识 再加上对氮污 染的以讹传讹 使得人们越来越抵制和氮元素有关的产品 其实 只要人们能 更全面的了解氮元素以及含氮元素的产品 化肥等产品对人类的贡献绝对超越 人们现在的认可 接下来本文将从以下几个方面简述氮元素与人的关系以及我们该如何看待 化肥等产品和如何看待由此衍生出的 有机 这一概念 2 氮元素的循环 自 200 多年法国科学家拉瓦锡测定空气成分后 接近空气总体 4 5 的惰性 氮对人的重要性 2 气体进入了人们的视野 卢瑟福以及化学家舍勒通过实验都实这种气体不能 维持生命 拉瓦锡在他们基础上命名这种气体为 氮 意思是对生命没有益处 1 虽然氮气对生命没有任何益处 但是氮元素却是生物圈必不可少的重元素 首先 作为生物圈的生产者 植物 它们的主要生长方式是通过光合作用 将太阳能转化为有机物 在转化过程中最重要的工具就是叶绿体 在叶绿体上 有很多的参与反应的酶 这些酶是促使光合作用顺利进行的最关键物质 而这 些酶的主要骨架是蛋白质 蛋白质中最关键的组成元素就是氮元素 氮元素决 定了光合作用进行 另外 植物进行生长繁殖时的遗传决定物质核酸 其关键 影响元素也是氮元素 可以说氮元素的多少是植物生长好坏的决定因素 其次 作为生物圈的消费者 动物 一方面它们体内发挥各种功能的蛋白质是氮元素 的最大需求者 另一方面决定它们遗传的主要物质核酸也离不开氮元素 作为 生物圈的分解者 各种微生物也是利用含氮物质生长繁殖的 它们中的大多数 是分解动植物的动植物所合成的各种含氮类有机化合物 还有少数是直接将无 机含氮化合物如 NH4 NO2 等直接硝化为植物可利用的含氮盐离子 或者在厌 氧条件下直接反硝化为 N2使氮元素返回大气中 由此可见在整个生物圈循环中 氮元素处于无法替代的作用 下面用一张图表示氮元素在生物圈的循环 如图 2 1 图 1 生物圈的氮循环模式图 2 从上图我们可以看出氮在循环过程中大体上分为三种形态 一是在空气中 氮对人的重要性 3 以气体形式参与循环 包括氮气的各种固定 燃烧等产生的氮氧化合物 微生 物硝化和反硝化产生的氮氧化合物以及氮气等气体 这些气体在人类工业化到 来以前是维持平衡的 随着科技进步工业的发展过多的工业化氮气的固定 以 及各种能源的燃烧 汽车等机械设备的尾气排放使得氮元素在的循环有些失衡 二是氮气被固定后以各种盐离子形式进入土壤 有些直接被植物所利用如经固 定菌固定的氮 有些含氮盐进入土壤后需要在土壤内微生物的转化作用下才能 被利用 如 NH4 类的盐需经过微生物的消化作用转变为 NO3 离子类盐才能被植 物所利用 有些是以动植物的腐殖体以及动物排泄物的形式进入土壤 在微生 物的分解作用下转变成可被植物利用的 NO3 离子等类盐 和土壤关系极其密切 的陆上水环境 一般也定义为土壤 在水环境中一些没有被植物利用的含氮类 盐就会进入水中被水中的植物所利用 从而造成水生植物疯长的问题 同时过 量的经微生物分解含氮类盐也会使得水环境的酸碱性改变 如分解产生的酸性 离子会使得水生动植物生存受到影响 三是含氮类物质被植物利用后转化为含 氮类有机物这些有机物一部分被动物所利用并转化为动物体内的有机氮 一部 分被微生物所利用作为微生物生长繁殖的氮元素来源 另外 动植物体内所有 的有机形式的氮最终都会作为分解者的食物来源被分解和转化参与下一过程的 氮循环 上述的几种转化形态中和人类关系最为密切的就是氮气被固定后进入土壤 的循环过程 这一过程是产生人类生长繁衍所需要的所有物质 人类在这一循 环过程中担任的角色也越来越重要 人类的活动在一定意义上已经决定了这一 循环过程的平衡与否 因为人们在这一过程中不仅固定了有益于生产者的含氮 类物质 同时也生产出许多含氮类化合物对生态都有打乱其平衡的影响 这其 中一部分原因是含氮类物质的过量使用 一部分原因是有害含氮类物质的产生 土壤圈 2 的氮循环决定了人类的生存 3 氮在土壤圈的循环 氮元素在整个生物圈循环中最要的一部分就是在土壤中的循环 氮在土壤 的循环中只要包括三步 分别是氮气的固定 含氮盐的转化和利用 有机含氮 物质的分解和利用 氮气的固定是决定生物生存的关键因素尤其是作为生产者的植物 大气中 的氮气是一种惰性气体植物无法利用 只有通过生物固定以及雷电固氮等方式 转化为含氮类盐离子后才能进入土壤被利用 在人类工业化固氮之前 氮气的 固定方式是以生物固氮方式为主 因为植物生长的需要豆科植物经过不断的进 化逐渐形成出能够固氮的根瘤菌结构 工业革命之后人们对于物质资源的需求 不断增加 传统固氮方式生长出的植物果实不能满足人们的需求 通过模拟雷 氮对人的重要性 4 电固氮方式的工业化固氮产生了 其明显的增产效果使得工业固氮爆发式增长 品种也随着工业不断的发展不断更新 如最初的固氮产品硫酸铵 硝酸铵 氨 水等 现在又出现了碳酸氢铵 尿素等 为了提高效果有含氮复合肥以及复混 肥等 2 这些工业化固定的氮都是属于有益于植物生长的有利于促进社会发展 的固氮产品 另外一种由于煤炭 石油等燃烧固定的含氮类物质也会进入土壤 或者水体内 但是这部分含氮类物质会扰乱土壤氮循环的平衡危机动植物的生 存 同时这部分含氮物质也会对其他循环产生影响如碳循环 在一定程度上进 一步影响动植物的生长 氮气被固定后最主要的作用是进入土壤圈被植物所利用 由于氮气固定方 式不同进入土壤的含氮物质被植物利用的途径也有所差异 如经过生物固氮方 式所固定的氮由于已经被固氮菌处理过可以直接被植物吸收和利用 经过雷电 固定的含氮物质 NH4 离子类物质必须经过微生物的硝化作用转化为 NO3 离子类 的盐才能应用于植物的生长 而人工固氮产品因为种类不同被植物利用的途径 也略有不同 如铵类固氮产品一般需要经过土壤中微生物的处理之后才能被利 用 含氮类复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 机含氮有机物的利用被人们提出和应用的越来越多 有机肥的利用过程也是先 经过微生物的分解 分解为各种可以利用的含氮盐离子后才能起到促进植物生 长的作用 有机肥的利用也可以说是含氮有机物在土壤圈循环中被微生物分解和利用 的过程 只是微生物将动植物产生的有机氮分解利之后产生了可以被植物所利 用的副产物 使氮元素在土壤圈循环中多了一种循环途经 从而使得氮循环尽 量趋于平衡 事实上有机含氮物质除了传统意义上的动植物腐殖体等还包括现 代人们生活过程中所制造的生活废弃物 并且这一部分的量越来越大 这就无 形中增加了微生物分解和利用的压力 进而造成氮循环的不平衡 另外 有机 含氮化合物进入水体之后也会在水体中微生物的作用下转变为能被水生植物所 利用的含氮物质 现实生活中的各种含有含氮有机物的废水的排放在一定程度 上加大了水体中微生物分解的程度间接的提高了水体的富营养化 使的有机氮 的分解和利用失去平衡 氮在土壤中的循环尤其是促进植物生长这一环节对人们的发展影响最大 只有不断的提高植物产生有机物质的产量才能满足人们的需求 在具体的增产 增收过程中人们没有很好的控制含氮物质进入土壤中的量从而造成氮在土壤中 的循环有所失衡 进而引发了土壤板结 植物产量减少 水体富营养化等问题 在这些问题产生过程中人们一直在不断的增加化肥的生产和利用 于是所有的 问题被指向化肥 间接的也对工业固氮方式产生排斥 有机肥这种含氮有机物 被认为是工业固氮产品的很好替代者 认为有机肥能够很好的维持氮在土壤圈 氮对人的重要性 5 的平衡循环 4 化肥和有机肥如何抉择 化肥是工业固氮产物最主要的产品 自从它被从实验室合成开始 它在工 农业方面的地位与日俱增 由于它能在很大程度上提高农作物的产量 它的生 产和应用越来越受到人们的重视 在化肥工业中氮肥的需求量最大 不管是植 物枝叶的生长 还是植物果实的生长都需要大量的氮元素的供应 氮元素是合 成叶绿素的主要元素 是果实中氨基酸类或蛋白质类物质的主要元素来源 化 肥的明显的增产效果使得人们对它的使用量不断攀升 在增产的同时化肥的过 度使用最初并没有引起人们的关注 随着过量使用化肥所导致的氮循环失衡 许多问题出现了 如土壤的板结 水体的富营养化 这些问题一方面是因为过 量的使用的化肥使得土壤中的微生物群落减少 土壤的酸碱失衡 进而减少植 物对化肥等含氮物质的吸收和利用 一方面是没有被利用的化肥通过土壤进入 水体造成水体中含氮物质的量升高从而造成水生植物的疯长以及水生动物的死 亡 当然水体富营养化和生活废水以及相关的工业废水的随意排放有关 由于 这方面问题越来越严重 人们开始采用各种措施减少化肥的使用量 或者改变 化肥的种类以及使用使用方式 尽量减少化肥对土壤以及水体等的破坏 人口的不断上升 增加了人们对粮食等农作物的需求 化肥的减少无疑会 对作物产量产生影响 为此 有学者提出大量种植具有根瘤菌结构的豆科植物 利用豆科植物达到固氮增收的目的 既减少了肥料的使用又增加了豆科植物的 产量 然而在澳大利亚实施这一措施的结果是土壤酸化 农作物减产 3 部分 原因是大量固氮菌所固定的氮进入土壤中之后没有被充分利用 氮循环的平衡 出现混乱 过剩的酸性含氮物质在滞留在土壤中反过来使得土壤中有益微生物 减少 从而导致微生物对氮元素的利用造成减产 另外一种呼声最高的思路是大量使用有机肥 并提出有机肥不仅能提供植 物所需要的营养元素 还能增加土壤中的微生物种群 达到改善土壤结构的问 题 从理论上有机肥确实拥有这些效果但是在实际过程中大部分粮食作物还是 采用化肥 因为种子类植物它们需要更多的氮等元素来组成它种子 即使是叶 菜类作物单独施用有机肥的效果依旧不如化肥 目前 有机肥大多是植物秸秆 以及动物的排泄物 这些物质中所含有的有机氮的含量并没有明确统一的标准 它的使用量也没有得到规范 所以在使用中可能会导致氮元素含量不能满足植 物生长的需求 或者使用量过高导致土壤中氮肥过剩 同样会造成氮循环不平 衡所带来的问题 有机肥的生产加工过程采取的方法不统一 一般会采用高温 灭菌以除去有机肥中的有害菌 防止引起植物的各种疾病 但是这种方法并不 能除去有机肥中重金属等污染物这些物质会随着有机肥的使用进入土壤 从而 氮对人的重要性 6 造成植物的减产或生长出含有重金属的植物 因此 有机肥的提出是一个值得 提倡的思路 但是如何规范有机肥却需要很长的路 不论是化肥还是有机肥都是通过增加土壤中的主要元素如氮的含量 从而 作物产量 过多的使用化肥带来的问题使得我们不得不思考如何更好的选择促 进作物生长的添加物 化肥的过量有机肥的不规范是目前最关键的问题 其实 人们应该首先从认识层面上去了解化肥和有机肥 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 另外不管是化肥还是有机肥它在被植 物利用前都需要经过微生物的分解和利用 只是种群上略有差异 所以不管是 化肥还是有机肥只要能在一定范围内维持氮元素在土壤圈的循环平衡 就能促 进作物的增产增收 为此化肥和有机肥都需要不断的改进加工工艺和施用方式 如化肥应可以向复合缓释方向发展 使施用的化肥能在植物的一生中最大化的 被利用 有机肥应在其含量指标上进行规范 在施用方式上需要进一步的统一 5 总结 氮元素是构成人体的必须元素 人们要获得它必须通过食用动植物 而最 根本的来源就是植物 植物中氮元素的来源最基本是土壤 化肥或者有机肥是 目前提高土壤最关键的方法 基于氮元素对人类食物的来源方面的影响 人们 必须改善化肥和有机肥对植物生长的影响 氮元素的各种氧化物是如 NO NO2等是影响我们大气环境的主要物质 这些物质的来源主要包括石油煤 炭能能源的燃烧 汽车等交