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氮是一把双刃剑 Christine Jones, PhD 翻译：柏施泰环境科技有限公司 作者简介：Christine Jones，澳大利亚著名土壤学家，农业咨询师，Carbon for Life网站创始人，Best Environmental Technologies公司顾问。氮是DNA和蛋白质的成分之一，而蛋白质和DNA是所有生命所必须的。在工业革命之前，生命所需的氮有97%都是靠生物所固定的。在上个世纪，由于农业的迅速发展，以及对土壤微生物群落认知的缺乏，使得生物固氮的比例不断减少而用于农业的工业氮不断增多。2013年，澳大利亚种植者在无机氮肥上的花费多达30亿美元（Marino 2014）。全世界每年用在作物和牧草上的氮肥花费超过1000亿美元。施用的氮肥中，能被植物所利用的仅为10%-40%，而其他的60%-90%流失到河流中，挥发到空气中或者是残存在土壤中。无机氮的影响人们往农业土壤中大量施用无机氮肥的同时，也无意间对土壤功能及环境健康产生了负面影响。北美针对农业生产方式对土壤质量的影响做了长期的田间连续监测试验，结果表明，大量无机氮的输入使得土壤碳储量以及土壤持水能力下降；更讽刺的是——这也导致土壤中的氮含量下降 (Khan et al. 2007, Larson 2007)。综合起来，这些因素在大量报道中都被认为是导致全球范围内作物停止增产的根本原因 (Mulvaney et al. 2009)。研究表明，虽然氮是植物生长的必须元素，但是大量施用无机氮肥对土壤和水体是有害的。据美国农业部（USDA）统计，每年美国用于去除饮用水中硝酸盐的消费超过48亿美元，而农田氮流失是导致墨西哥湾大面积“死亡地带”氮污染的最大来源(Ceres 2014)。幸运的是，人们开始意识到这点。近年来发达国家化肥的使用量已经在下降。法国、德国和英国成功地以比20世纪80年代减少了40%-50%的化肥用量维持了作物的产量(Krietsch 2014)。氮素的有效成本效益管理是农业盈利和高产的关键，同时也是建立土壤碳库的关键。土壤中碳的稳定形态（例如腐殖质）在无机氮含量很高的情况下是无法形成的，因为形成腐殖质所必须的微生物活性会受到抑制。生物固氮全球作物和牧草所需的氮有65%是靠生物来固定的，而这还有相当大的上升空间。氮的供给是无穷无尽的，因为地球气体中有80%是氮气。问题的关键是将惰性的氮气转化为可被生物所利用的氮。目前农业上使用的氮大部分源自由1900年发明的哈伯-博施制氮法。这种方法能将大气中的氮与空气中（或化石燃料燃烧所生成）的氢气在高温高压下催化生成氨。哈伯-博施制氮法利用的是非可再生资源，能耗大而且昂贵。幸运的是，由于神奇的酶的作用，空气中的氮气能被各种各样的固氮细菌和古生菌转化为氨，并且全程免费。在理想情况下，新被固定的氨会迅速与氨基酸、腐殖质等有机分子结合。这些稳定的分子对土壤肥力必不可少并且不容易从土壤系统中挥发或流失。另外，我们常常忽略的是，稳定的氮的形成还离不开生物固定的稳定碳源，我们马上就谈到这点。土壤中有何微生物？我们有必要了解并不是只有与豆科植物有关的细菌才能固氮。叶绿素是蛋白质络合物的一部分，因此你看到的绿色植物，都与固氮细菌或古生菌有联系。与根瘤菌不同的是，大部分固氮微生物并不能在实验室中培养出来。因此，从技术上来讲，要研究这些微生物的生态功能是很困难的。利用现代分子生物学的方法可以测定固氮基因（一种固氮酶氧化酶基因）的存在，研究人员在广阔的环境中分离出了大量的自生固氮菌和联合固氮菌。虽然缺乏量化这些微生物到底能固定多少氮素的标准，我们可以确认的是，与休耕一年的土壤相比，在有植物覆盖的土壤中（特别是禾本科植物），固氮微生物的种类和数量的多得多。除了固氮细菌和古生菌外，菌根真菌对于固氮来说也是非常重要的。虽然菌根真菌不能固氮，但是它们转化能量，以液体碳的形式与固氮微生物相联系(Jones 2008)。 它们还将生物固定的氮以有机态的形式传送给植物，例如甘氨酸、精氨酸等氨基酸，以及壳聚糖和谷氨酸盐。菌根真菌所获得和转移的有机氮是一种非常高效的能源。这一过程减少了氮循环中的硝化作用、反硝化作用、挥发作用和淋溶作用。并且以有机态存在的氮能有效防止土壤酸化。液体碳途径虽然氮气是空气中比重最大的成分，但是氮仍是植物生长中最常见的限制因子。其原因之一是，光合作用和土壤功能所必须的碳属于痕量气体，二氧化碳在空气中仅占0.04%。将二氧化碳固定为稳定的土壤有机络合物（含碳和氮）的最有效办法就是通过液体碳途径。生物固氮的过程能促进这一途径的进行。如果植物能够从大气中直接吸收氮气，那么他们的生长会受到含碳量低的表层土的限制。我们如今能在农业上看到类似的情形。当无机氮添加