专题文章
活性氮是什么？和我有什么关系？
活性氮是一种新出现的环境问题，根据Gerald May （Ithaca Gratiot Co.的密西根州立大学推广部学者）和Natalie Rector （Marshall Calhoun Co.的密西根州立大学推广部学者）的说法。他们在MSU（密西根州立大学）的《养猪季刊》中针对最近的问题进行了解释。
氮（N）对于所有植物和动物的生长来说都是重要的元素，是合成蛋白质所必需的元素，同时对其它生理功能也很重要。在我们的环境中，N有多种存在形式。N2是其惰性的气体形式，这种形式非常稳定，构成了地球大气的70％，但这种形式无法为植物或动物的生长所利用。
环境中的N还有许多其它形式，包括氨（NH3）、铵根（NH4）、亚硝酸根（NO2）和硝酸根（NO3）、一氧化氮（NO）和二氧化氮（N2O）等等，这些形式统称为活性N或Nr。氮在环境中的这些形式之间是相关的，并且在不断转变。认识并管理这些转变对于农业的未来有着重要的影响（见图 1）。
摘自 ‘植物对氮素的利用’, 普度大学
N2经转换成NH3和NH4（氨和铵）之后，N就可以被生命利用。自然条件下，N2到氨的这种转化可通过两种过程实现：
- N2可由豆科植物（三叶草、苜蓿、豆、豌豆）根瘤中的细菌转化为NH4，并且
- 可经闪电中释放的高能量转化为NH4。（Vitousek等人，1997）。
20世纪早期，出现了哈勃（或哈勃-巴希）流程，可将N2转化为NH3，人们开始利用这个流程来开展氮肥的商业性生产。每个流程都需要大量的投入，要么是细菌方面的投入，要么是能量方面的投入，才能完成这种转化。
化石燃料的燃烧释放燃料中含有的固定氮，并且提供了将N2转化为NH3所需的高温。N从生物圈中释放也使环境中的Nr增多，例如林地的砍伐（Vitousek等人，1997）
氮素循环
商业性N肥出现之前，农民依靠闪电、作物残留、动物粪便和豆科植物的固氮作用来提供植物生长所需的氮素。豆科植物固定的N一部分经动物和人类消费过程转移。其余部分则留在地里，要么作为作物残留以有机氮的形式，要么以硝态氮的形式留在地里。土壤、河边和湿地当中有反硝化细菌，这种细菌在厌氧条件下会把一部分NO2和NO3转化回惰性状态（N2），少量转化为N2O（Vitousek等人，1997；Killpack and Bucholtz，1993）。
随着人类活动的增加，包括化石燃料的燃烧、开辟耕地以及商业性化肥的生产，已造成环境中Nr的显著增加。人类活动造成活性氮释放量增加之前，环境中Nr的量在反硝化过程的作用下处于良好平衡状态。人类活动对反硝化过程起到了正、负两方面的影响作用，然而具体影响的程度如何，如今尚不十分明了（Vitousek等人，1997）。总之最终的结果是，环境中活性氮的水平已经显著升高。
氮肥用量的增加
图 2显示了1960至2008年间美国商业性肥料用量增加的情况。磷肥的形式为P2O5，钾肥形式为K2O，这两种肥料的用量自1990年代初以来一直保持不变。这两种肥料能够与土壤颗粒结合在一起 - 磷的结合能力又比钾强 - 假如没有全部被当年作物利用，那么其余的部分会留在根区，可供下一季作物利用。
USDA ERS（美国农业部经济研究局）
同期当中，N用量增加了300％以上。与P2O5和K2O的情况不同，N如果不能被当年作物利用的话，那么就会与有机质结合，经地表水的冲刷淋溶而损失，或挥发到空气中，从而无法被下一季作物利用。美国的肥料应用情况非常具有代表性，可说明世界其它种植地区的情况。全球范围内每年投入的大量商业性肥料造成了环境中活性氮的富集。
活性氮增加有什么关系？
N的转化与释放量的这种增加对我们日常生活的方方面面都产生了积极的影响。氮在农业中的应用使得农民能够满足不断增长的人口对食品、纤维和房屋的需求。事实上化石燃料为我们日常生活的各种例行方面提供了能源，例如为我们的居室供热。考虑到这些例行方面的重要性，要想限制环境中Nr的水平是非常困难的。Nr的增加造成了环境方面的担忧。
硝酸根，NO3，长期以来一直是影响地下水水质的一个问题。已发现地下水硝酸根水平升高会直接导致蓝婴症的发病率增加，这是影响6月龄以内婴儿健康的一种疾病，一些老年病也会增多。美国环保署（EPA）规定的饮用水安全标准为每升水10mg硝态氮（EPA，2009）。1998年，EPA报告的水文地质背景当中40％的水样NO3水平超过10mg/L的标准，而饮用水超标的比例仅为1％（EPA, 1998）。
多余的Nr会随排水系统、有机物和表土侵蚀排到河流湖泊当中。这会造成河流、湖泊和排水口附近的海域富营养化，发生藻类暴发（EPA, 20111）。一氧化氮（NO）和二氧化氮（NO2）统称为NOx，它们会造成烟雾，与儿童及成人的哮喘有关（EPA, 20112）。
一氧化二氮（N2O）不仅是一种温室气体，它还会造成酸雨（EPA, 2010）。
已发现氨沉积与森林成长过程的一些不良变化有关（Pitcairn等人，1998）。
US EPA（美国环保署）正在国家和地区的水平上研究Nr的正面和负面影响。该署已着手开发国家生态系统服务指南。该指南将于2011年公布，其中将确定受活性氮影响的生态系统和驱动因素（EPA, 20111）。
农业的角色是什么？
农业被认为是多余Nr的主要来源，因此必须对农业进行考察，以便制定解决方案。考虑到N投入成本的持续增加，解决这个问题可能会在生产者、农业和环境当中产生共赢效果。
能够减少农业生产Nr排放的措施包括：
- 选择作物吸收的正确时机提供N源
- 避免N肥的表面施撒，尤其在土壤pH高和天气炎热/干燥的情况下
- 不要在秋季施加氮肥供下季作物之用
- 充分利用过去的耕作经验所能够提供的一切氮源，相应减少购买N比例
- 非种植季节提高覆盖作物的应用，保持根区养分
- 减少粪肥储藏过程的氨损失
- 探索改善土壤持氮的新技术
- 通过采用保护措施来减少表土损失并保持根区养分
- 单胃动物日粮的配方根据氨基酸水平而不是总蛋白含量来计算，并结合采用更多的合成氨基酸。
环境中的Nr是一个新出现的问题。因为农业要想实现持续的单产提高就必须依赖于氮，因此需要对农业领域的这个问题进行监控，同时探索Nr的环境影响。
2006年，US EPA组建了科学顾问委员会活性氮委员会。2011年1月该委员会公布了最新报告的草案（164页），其中包括该委员会的建议。如果您想阅读该报告，请点
这里。
引用文献
EPA, 1998. Environmental Protection Agency National Water Quality Inventory: 1998 Report to Congress.
EPA, 2009. Environmental Protection Agency National Primary Drinking Water Regulations.
EPA, 2010. Greenhouse gas emissions.
EPA, 20111. Nitrogen Research.
EPA, 20112. Nitrogen oxides emissions.
Killpack, S.C. and D. Buchholz, 1993. Nitrogen in the environment.
Pitcairn, C.E.R., I.D. Leith, L.J. Sheppard, M.A. Sutton, D. Fowler, R.C. Munro, S. Tang and D. Wilson, 1998. The relationship between nitrogen deposition, species, composition and nitrogen concentrations in woodland flora in the vicinity of livestock farms, Environmental Pollution, 102 Suppl.1 41-48.
Purdue University, Dept. of Hort. and Landscape Arch. Utilization of Nitrogen by Plants.
USDA - Economic Research Service. Fertilizer Use.
Vitousek, P.M., J.D. Aber, R.W. Howarth, G.E. Likens, P.A. Matson, D.W. Schindler, W.H. Schlesinger and D.G. Tilman, 1997. Human Alteration of the Global Nitrogen Cycle: Sources and Consequences. Ecological Applications, 7（3）: 737-750.
