1.2　氮迁移转化研究现状

1.2.1　同位素技术研究进展

同位素检测是使用一定的手段将标记的原子镶嵌到所要研究的对象中，随后用一定的检测手段进行追踪的技术。20世纪70年代时，同位素技术就已开始发展，从单一的氮或氧同位素示踪发展到现在的氮氧双同位素示踪，使该方法更加准确。最早利用15N进行氮污染研究的是Kolh。随后，在地质背景和水环境不同的条件下，同位素技术被广泛应用在了硝酸盐溯源的研究中，并取得了很大的进展。Jarbo等用同位素示踪的方法研究了硝态氮在土壤中的淋溶作用，其结果表明，氮素是从表层土壤淋溶到深层土壤中的，而地下水中硝态氮的污染能力可以用其在土壤剖面中的分布与累积进行表征。Moore等成功地利用氮同位素技术进行了氮源的示踪。而在氮污染源示踪的研究中，Heaton归纳出了3种人为氮来源的δ15N特征值：土壤有机氮矿化形成的δ15N值范围为4.9%～0.9%，无机化肥中的δ15N范围为-4.9%～+0.4%，动物粪便和污水中的δ15N范围几乎高于1%。因为大气氮沉降、化肥、土壤氮以及粪便中的δ15N有着显著差异，所以氮同位素能够成为溯源的示踪剂。然而，有些硝酸盐中的氮同位素数值有着相同的δ15N值，因此，双同位素的方法就得到了很好地应用。

只使用一种同位素进行溯源，在一些污染源交叉的区域无法区分准确的污染源，单独依靠δ15N是无法区分硝酸盐来源的（如肥料与土壤硝态氮，或大气与土壤硝态氮）。不同源汇项的应该由不同的同位素组成，学者们在利用δ15N稳定同位素进行示踪时，加入δ18O稳定同位素的因素，同时进行判断，硝酸盐的来源便可以在一定范围内进行区分。所以，现在许多探索来源的研究中均使用了氮氧双同位素的方法进行来源的识别。Showers等研究奶牛场地下水中的氮污染情况使用的方法就是氮氧双同位素的方法，同时他们还让这种方法与地下水中Cl/Br相结合，查明了畜牧业中养殖的家禽所产生的粪便就是该地区地下水中硝酸盐污染的主要来源。而在我国，Xue等在前人的基础上归纳总结出了常见的硝酸盐δ15N的特征值[图1.1（a）]以及3种中δ18O的特征值[图1.1（b）]。

1.2.2　氮在包气带中迁移转化过程及研究现状

包气带是地面以下潜水面以上的地带，它对人类的生存环境有巨大的影响。包气带是一个开放的体系，有吸收、保持和传递水分的能力并存在多种微生物，大气降水、地表水与土壤水在其中进行着交换。氮素在包气带中的主要存在形式有三种：有机氮、硝酸盐氮（）、氨氮（），主要的转化过程见图1.2，其中，硝酸盐氮离子因为带负电而很难被土壤颗粒所吸附所以是主要的污染物。

全世界范围内，许多国家的包气带和地下水中都存在着污染。美国曾有学者对本国的地下水中的污染进行了调查，结果显示，透水性良好的农灌区一般是含量超标的主要地区，超标率为6%，地下水中的已经成为美国的主要污染物。在我国，对于地下水中污染也有相关的研究。张新钰等人对北京的大石河进行了氮污染的研究，其结果表明，采集的所有水样中有10%的水样超过了我国《地下水环境质量标准》（GB/T 14848—93）。茹淑华等人对河北11个地区7年间的地下水进行采样并对硝酸盐进行了检测，结果显示，7年间硝酸盐含量的变化范围为6.73～9.84mg/L，增幅46.42%。在所调查的区域中，秦皇岛污染情况最严重，以我国饮用水标准（20mg/L）为评判依据，超标率高达40.95%，以Ⅲ类水质为主。可见，河北11个地区的地下水污染情况不容乐观。

土壤中氮元素的几种形态之间以及氮元素与环境间会发生一些复杂的化学或微生物过程，其中主要的过程有矿化作用、硝化作用以及反硝化作用。氮三种形态间的转化基本为生物学转化过程，温度、水分、氧化还原电位等都会对其迁移转化产生影响。

1.2.2.1　矿化作用

土壤中90%的氮为有机氮，但是这些有机氮不能被植物直接吸收。然而在微生物的作用下，有机氮发生矿化作用将有机态的氮转化为无机态的氮，就能被植物吸收进而被其所利用，在这个过程中释放出的氮是作物重要的氮素来源。

不同的土壤质地有不同程度的矿化作用，土壤粒径的大小与氮的有效利用率成反比。所以，沙粒级或粗有机质会更容易被分解。而在一定范围内，土壤的pH值升高，有机质可溶性升高，促进矿化作用的发生，pH值在4.8～5.2间是最为适宜的。其他影响因素中温度及水分的影响作用较为明显。研究表明，25～35℃为矿化作用的最适宜温度，水分则为土壤田间持水量的60%～80%最为适宜。对于二者的共同作用，王常慧曾以内蒙古草原为例探讨了二者对土壤净氮矿化作用的影响，研究表明，矿化作用在高温、干燥的环境下较易发生，而两者的共同作用要比单一作用的影响大。

1.2.2.2　硝化作用

硝化作用是指土壤中的铵态氮在微生物的作用下转化为硝酸盐氮的过程。硝化作用是土壤中氮元素转化的重要环节之一，与矿化、固持作用及氮元素损失均有着重要的关系。

影响硝化作用最主要因素之一是温度。25～35℃是硝化作用最适宜的温度，过低或过高都会导致硝化作用停止。王帘里曾就温度的影响进行过评估，结果表明，相同的温度下，硝化速率与培养时间呈正比关系。pH值是影响土壤硝化作用的另一重要因素。许多研究表明，土壤pH值与硝化速率呈现正相关的关系，pH值5.6时，硝化速率比较低，在pH值5.6～8.0的范围内硝化速率会随着pH值的升高而逐渐增大。Dancer等就pH值对硝化速率的影响进行了研究，结果表明，一定范围内pH值增加1.8，硝化速率却增加了3～5倍。丁洪等对几种不同红壤土的硝化活性进行了研究，证实了不同的红壤土有着不同的硝化活性，并且在研究中使用的红壤土硝化活性均很高，硝化速率分别能达到24.3%和22.5%。

1.2.2.3　反硝化作用

反硝化作用是指在氧气不足的情况下，含氮的物质在反硝化细菌的作用下转化为N2O、NO和N2的过程。

反硝化作用的主导因素是温度，其适宜的温度从5～75℃，范围较广，并且温度在30～67℃的范围内与反硝化速率成正比。反硝化作用属于微生物过程，含水量在一定程度上也会影响反硝化作用的发生。Ryden的研究曾经表明，在土壤中的含水量和硝酸盐含量相同的条件下，温度升高5℃，反硝化速率增加0.09kgN/（hm2·d）。在我国，徐玉裕以五川流域为例针对水分这一因素进行了研究，流域上游含水量比下游高6%，种植在上游的蔬菜地和香蕉地中的反硝化速率均比种植在下游中的土地中高，说明土壤中的反硝化速率与土壤中的水分含量成正比。而在有些旱地中有着不同灌水条件，反硝化作用的损失量和灌水次数有一定的关系，Rolston等的研究结果曾表明，二者是呈现出一定正比例关系。