揭秘物质循环中最难的N循环 || AP环境科学难点

在环境科学的学习过程中，物质循环（碳、氮、磷与水循环）是一个非常依赖于同学们化学基础的热门考点，而其中氮循环（Nitrogen Cycle）既包含着N?、NH?、NH??、NO??等多种化学物质，同时也包含着固氮作用（Nitrogen fixation），硝化作用（Nitrification），反硝化作用（Denitrification）等多种反应过程，同时其在生物体内也存在着互相的转化，是四个物质循环中最难的一个。

今天老师就用N循环示意图，带大家梳理一下氮循环的内容，盘点在循环中重要的反应过程。

图1.N循环示意图

空气中的氮

理解氮（Nitrogen, N）循环首先需要理解地球上主要的氮储存在什么地方。氮素主要以氮气(Atmospheric nitrogen, N?)的形式存在(图1中①所在的位置)，在呼吸的空气中，氧气并不是最主要的成分，反而氮气占据着78%，占空气成分的绝大部分。

但是动物对于氮气是没有吸收能力的，它只是呼吸中的过客。同时这也意味着氮气是非常稳定的气体，它不太容易参与到生命体的反应中去，因此它经常被用作膨化食品的填充气体，像是薯片包装都是鼓鼓的，里面正是充入了氮气。

土壤中的氮

虽然氮气是不能够被生物直接吸收的，但是氮元素对于生命体非常重要，在之前的推文中我们曾提到N元素是生命体蛋白质的重要组成元素。

那么N元素是如何被植物吸收的呢？在很多植物的根部存在着一种与植物共生的细菌-固氮菌（N-fixation bacteria），这些细菌可以将空气中的N?转化为氨气（Ammonia，NH?，图1中③位置），被称为固氮作用（图1中②的位置）。

图2.植物根系上的固氮菌

而NH?非常活泼，可以与水等物质反应生成铵根离子（Ammonium，NH??，图1中④的位置），落入土壤中。NH??已经是植物可以吸收的状态，但是植物除了吸收NH??以外，还喜欢吸收硝酸根离子（Nitrate，NO??，图1中⑥位置）。

NO??又是如何形成的呢，在土壤中存在着一种硝化细菌，可以将NH??转化为NO??，这个作用被称为硝化作用（Nitrification，图1中⑤位置）。

生物界中的氮

当NH??与NO??被植物吸收后，在植物体内开始组成含氮有机物，使得植物得以生长。而植物作为生产者，是食物链中的最低端，自然界中还会存在着消费者，它们以植物为食，将植物体内的含氮有机物吸收，转换成自身所需要的有机大分子，这个过程称为同化作用（Assimilation，图1中⑧位置）。

但无论是植物还是动物，最后都难逃死亡的命运，在生命体死亡之后，分解者出现，将已经合成的大分子含氮物质分解掉，形成NH??，重新回到土壤之中，这个作用被称为矿化作用与氨化作用（Mineralization and Ammonification，图1中⑨位置）。

氮循环的完成

最后含氮物质会不会回到空气当中呢？在N循环中还有最后一步，土壤中除了硝化细菌还存在着一种反硝化细菌，它可以将植物辛辛苦苦固定转化成的NO??，重新转换成N?，释放到大气中，被称为反硝化作用（Denitrification，图1中⑦位置）。

硝化细菌与反硝化细菌都是在土壤中广泛存在的细菌，但硝化细菌是好氧细菌，在氧气充足的情况下土壤中进行硝化过程；而反硝化细菌是厌氧细菌，在氧气匮乏时，土壤中进行反硝化过程。

至此氮元素经历自然界的各个位置，完成了氮的自然循环。

接下来可以尝试一下考试的真题：

图3.真题2016 MCQ 36

根据上文的内容，应该选择A选项。

但随着科学技术的发展，人类也逐渐开始介入进N循环的过程。仅仅靠固氮菌的作用，对于植物生长无疑是杯水车薪，在现代农业的绿色革命中，农业种植过程中需要经历施肥这一步，以保证植物充足的养分。而肥料中就含有大量的N元素，但它们的来源依然是N?，其利用了一个获得的诺贝尔化学奖的反应方程式——N?+3H?→2NH?，成功增加了植物可以吸收的N元素，使得现代农业得以发展。

在AP环境科学考试的内容要求中，需要了解N循环中不同含氮物质所处的位置，含N物质何时进入到生物圈，以及转换过程的名称与其作用。

图4.大纲对N循环掌握的要求

最后给大家分享一个更直观的N循环示意图，可以帮助同学们快速抓住N循环中的重点。