土壤和植物中的铵

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1、土壤和植物中的铵、硝态氮李生秀王朝辉西北农林科技大学资源与环境科学系，陕西杨陵712100　　一、自然界中的氮素和作物需要的氮素　　氮在自然界以固态、液态和气态广泛存在，总量很大，地圈、水圈、气圈和生物圈都是其存在的场地[1]。　　地圈中的固态氮素主要以NH4+形式存在于岩石和矿物的晶体晶格中，虽然相对含量不高，但庞大的地圈质量使其成为地球中最大的氮库。地圈中的氮素总量为1×1023g，占地球全部氮素的98%。这部分氮素很难风化利用[2，3]。　　地球周围大气圈中的氮素占大气质量的78%，以气态氮存在，是地球上的第二大氮库，总量为3

2、.9×1021g，占全部氮素的1996[2，3]。这部分氮素主要以分子态存在，而由三个共价键结合起来的氮分子有着明显的惰性，很难和其他元素化合而形成氮的化合物。正因为这样，我国清末化学启蒙者徐寿，第一次翻译英文Nitrogen时，将其译成“淡气”，意思是冲淡了空气中的氧气[4]。这种惰性不但使其难与其他元素化合，也使其难以被植物直接利用。要使其被植物利用必须打破其共价键，形成氮素化合物，而这需要很大的能量。自然界中有一些微生物或低等植物有着特殊的本领，能利用化学能或生物能把空气中的氮素固定下来，供给高等植物利用。这些微生物有的和植物

3、共生，有的则独立生活。共生的典型是根瘤菌与豆科作物[5]，蓝绿藻与红萍[6]；自生者则有土壤中的自生联合固氮微生物（Free-livingassociativenitrogenfixers）[7]等。这些微生物在固定空气中游离氮素时，也要消耗大量能量，豆科作物产量之所以不如谷类作物高，固氮时消耗了大量的同化产物（碳水化合物）是一个重要原因。　　含氮总量2.3×1019g的水圈中的氮素主要以液态存在；生物圈中的氮素含量较少（3.5×1015g），气圈和水圈中的氮素至少是其106倍[2，3]。　　自然界中既然有这么多的氮素，为什么还会发

4、生氮素缺乏、需要施用氮肥呢？原因就在于作物需要的多，而生长作物的介质供应的少。　　就作物的营养成分来看，氮并不是最多的。需求最多的营养元素是碳、氢、氧。碳、氧各约占植物干重的45%，氢占6%，这三种元素占植物总干重的96%以上。氮的需求量位于这些元素之后，居第四，仅占1.5%[8]。但是碳来自空气中的二氧化碳，空气中的二氧化碳浓度现已达到350μl/L，比起工业革命以前增加了100多μl/L。二氧化碳是一个重要温室效应气体，它的浓度增加会引起增温效应，导致全球气候变暖。人们担心的不是它的浓度不高，而是它的浓度太高会对环境引起了不良后

5、果[9]。氧和氢来自水，对它们的改善主要不是投入肥料，而是靠降水或灌水。这样一来，氮就成了作物需求最多、需要供应的主要营养元素。也正因为这样，氮在植物营养三要素中，位居首位。氮虽然只占作物干重的1.5%，但这是一个平均值，不同作物含量不一。栽培作物对氮的需求量一般都高于这一数值。每生产1t籽棉约需5Okg氮素[10]，1t水稻需要22.2kg氮素[11]，1t小麦约需30kg氮素，而油菜约需35.4kg氮素[12]。　　作物吸收的氮素主要来自它们生存的介质--土壤之中。地圈中的氮素总量虽多，但很难风化；地圈中的岩石也不是植物生长的主

6、要基地，农作物无法由其中获取这一元素。大气圈中的氮素只能被少数植物通过微生物固定而利用，绝大多数植物没有这一本领。水圈中的氮素对满足水生植物生长的需要有着重要意义，但对陆生植物无能为力，而栽培的作物主要是陆生植物。生物圈中的氮素含量较少，又广泛地分布于海洋、陆地，甚至大气之中。由于这些原因，土壤本身存在的氮素并不多。特别重要的是，土壤中的氮素并不能被作物全部利用，作物能利用的仅是其中一小部分，这就是土壤中存在的铵、硝态氮。虽然现代研究已经肯定，一些有机氮素，如简单的氨基酸、酰胺等也能被作物利用，但其数量很少，又会被微生物转化成其他形

7、态，难以在土壤长期存留；作物对其吸收也远不如无机氮容易。迄今的研究证明，这些有机氮只能使作物存活，而不能使其丰产。由于这些原因，氮素的缺乏就成了一个普遍问题。土壤的氮素来源虽多（包括生物固定、大气的干湿沉降[13]和土壤有机物质的分解），但主要是存在于土壤有机质中的氮素。按美国人的粗略估计，土壤每年供应的能被作物利用的氮素大致相当2%的有机物质中矿化出自来的氮素。依此估计，土壤缺氮就非常严重了。以我国为例，我国土壤中有机质含量不高，除东北黑土外，其他土壤的有机质含量只有1%左右[14，15]。如有机质含量按1%计算，年矿化量按2%计

8、算，有机质中的氮素（有机质中的含氮量）按10%计算，那么667m2耕层土壤中（20cm厚的土层）就只有3kg氮素了；如果被作物全部吸收利用，也只能生产100kg左右的粮食。这种估计虽然粗略，但大致符合实际情况。在不施肥旱地上进行的试验