人類與環境的相互聯繫（二）氮循環 (The nitrogen cascade)

人類與環境的相互聯繫（二）氮循環 (The nitrogen cascade)
花蓮縣立宜昌國中理化科林建義教師/美國Stony Brook University王瑜君物理學博士責任編輯

思考問題：

1. 為了提高農業生產量，肥料的使用不可避免，我們如何降低肥料使用對環境可能造成的影響呢？

2. 觀察一下你居住的鄉鎮市中的河川或湖泊，是否也有優養化的問題？你可以有那些作為來減緩這些現象？

圖1：氮循環以及對環境的影響 (圖片來源：《全球環境展望4》p. 371)

(上圖可點擊放大)

人類活動對環境造成多重影響的另一個典型例子，是從礦石燃料燃燒過程中以及化肥使用過程中釋放的活性氮(reactive nitrogen, 簡稱Nr)。活性氮的排放量從1860年以來已經增長了10倍。使用化肥的好處是提高了糧食產量，從而滿足了日益增長的人口的糧食需求，和日益增長的人均食品消耗量的需求。

許多因素都可以影響到氮肥的使用量，如土壤濕度、施用化肥的時機、勞動力、土壤品質和類型、耕作系統以及主要宏觀養分(氮(N)、磷(P)、鉀(K))的可獲得性。人們認識到，如果要提高非洲的糧食產量，就需要提高土壤的品質和肥沃度，增加土壤肥沃度的部分措施是施加無機肥。但是在其他區域，卻有大量的氮流失到環境中，而這種情況在某種程度上正是由於施肥的數量和時機不正確造成的。

活性氮可以對許多陸地和水生生態系統及大氣層造成不良影響，如圖1所示。例如，因為燃燒化石燃料和施用肥料，流失到大氣層中的氮會增加對流層臭氧濃度，導致大氣層能見度下降及增加沉降物的酸性。沉積後的氮將提高土壤酸性、降低生物多樣性、污染地下水並導致近海海域的優養化。一旦這些氮重新排放進 大氣層，它又將造成氣候變化和同溫層臭氧量下降。

只要這些氮在環境中保持活性狀態，上述影響就將持續存在，只有當活性氮存儲很長時間之後，或者轉化到非活性（non-reactive）狀態，才能停止上述影響。解決單獨一種環境影響的政策措施只能避免一種污染物，我們需要採用兼顧多種聯繫和影響的方案，從而徹底避免活性氮的產生。

在植物中，大量的氮素被用於製造可進行光合作用供植物生長的葉綠素分子。

加工，或者固定，是將氣態的游離態氮轉變為可被有機體吸收的化合態氮的必經過程。一部分氮素由閃電所固定，同時絕大部分的氮素被非共生或共生的固氮細菌所固定。這些細菌擁有可促進氮氣和氫化和成為氨的固氮酶，生成的氨再被這種細菌通過一系列的轉化以形成自身組織的一部分。某一些固氮細菌，例如根瘤菌 (Rhizobia)，寄生在豆科植物（例如豌豆或蠶豆）的根瘤中（圖2和圖3）。這些細菌和植物建立了一種互利共生的關係，為植物生產氨以換取糖類。因此可通過栽種豆科植物使氮素貧瘠的土地變得肥沃。還有一些其它的植物可供建立這種共生關係。

圖二(左圖)：蠶豆花。圖三(右圖)：蠶豆莢果。(圖片來源：http://zh.wikipedia.org/wiki/%E8%A0%B6%E8%B1%86)

銨離子（NH₄⁺）很容易被固定在土壤尤其是腐植質和粘土中。而硝酸根離子（NO₃⁻）和亞硝酸根離子（NO₂⁻）則因它們自身的負電性而更不容易被固定在正離子的交換點（主要是腐植質）多於負離子的土壤中。在雨後或灌溉後，流失（可溶性離子譬如硝酸根和亞硝酸根的移動）到地下水的情況經常會發生。

圖4：2005年北京動物園中水系發生的優養化 (圖片來源：http://zh.wikipedia.org/wiki/File:Water_blooms.JPG)

地下水中硝酸鹽含量的提高關係到飲用水的安全，因為水中過量的硝酸根離子會影響嬰幼兒血液中的氧濃度並導致高鐵血紅蛋白症或藍嬰症候群（Blue-baby Syndrome）。如果地下水流向溪川，富硝酸鹽的地下水會導致地面水體的優養化，使得藍藻菌和其它藻類大量繁殖，導致水生生物因缺氧而大量死亡。雖然不像銨一樣對魚類有毒，硝酸鹽可通過富營養作用間接影響魚類的生存。氮素已經導致了一些水體的優養化(eutrophication)問題（圖4）。從2006年起，在英國和美國使用氮肥將受到更嚴厲的限制，磷肥的使用也將受到了同樣的限制。這些措施被普遍認為是為了治理恢復被優養化的水體而採取的。








參考資料：
1. 英文維基百科：Climate change feedback （http://en.wikipedia.org/wiki/Climate_change_feedback）
2. 中文維基百科：氮循環 （http://zh.wikipedia.org/wiki/%E6%B0%AE%E5%BE%AA%E7%92%B0）
3. 中文維基百科：優養化 （http://zh.wikipedia.org/wiki/%E6%B0%B4%E5%8D%8E）
4. United Nations Environment Programme 2007: Global Environment Outlook – environment for development (GEO-4). （中文版：聯合國環境規劃署2007：《全球環境展望4 ——旨在發展的環境》），第八章。（http://www.unep.org/geo/GEO4/report/GEO-4_Report_Full_CH.pdf）