8.10 氮的生地化循環

因為限於篇幅，本章主要探討碳的循環。但是在全球變遷的討論中，氮的循環是不容忽視的一個環節，本節略作介紹。

氮是空氣中最重要的組成，佔79％。氮不能被生物直接利用，必須轉化成氨（NH₃）、亞硝酸態及硝酸態才能為植物所吸收。從大氣中有三種方式將氮固定（nitrogen fixation）：

(1) 自然界中之光電化學反應，如雷電作用將氮分子固定成為硝酸態。

(2) 以人工合成氮肥。工業上係在高溫450℃及200大氣壓下，將氮與氫合成為氨氣：

(3) 生物固氮作用。許多豆科的植物在根部與真菌或細菌共生，形成根瘤，進行固氮作用，形成NH₃。

由氨往相反的方向，經過硝化作用（nitrification）及脫氮作用（denitrification）可以產生氣態的N₂、N₂O及NO。其中硝化作用係自營性的硝化細菌將NH3轉化成，再化為。可被植物吸收亦可能自土壤中淋溶，流入地下水中。在土壤中缺氧狀態下，細菌可將NO₃^-→NO₂^-→NO→N₂O→N₂，此過程是為脫氮作用。 整個氮循環即由上述的氮固定、硝化作用及脫氮作用所組成。

據估計，陸上生物每年固定氮的量約為100Tg（1Tg＝10¹²g）（Soderlund and Rosswall, 1982），海洋的固定量是5∼10Tg（Carpenter and Capone, 1983）。而近年人類工業肥料的固氮量高達＞80Tg／yr，加上內燃機產生的氧化氮氣體（25Tg／yr）及豆科農作物的固氮量（30Tg），人類活動導致的固氮量已超過自然背景值。而這個現象是1980以後的「新生事務」（圖8-12 ）（Vitoustk, 1994）。據估計，有史以來，工業產製的氮肥，有50％是在1982以後耗用的（Vitousk, 1994）。另方面，人類活動也以其他方式釋放氮，已取代自然界成為干擾氮循環的最大單一因子了。 人類活動的影響，似乎使氮循環的規模成了原來的兩倍，這使得科學家不得不考慮下面幾個問題：

（1）人類大量固定氮是否終將引發空氣中氧化氮的激增？

（2）陸域生態系中氮固定量的增加，是否同時也有助於碳的儲存？

（3）這些人為固定的氮是否可能經由其他途徑取得？是否因此而造成其他問題，例如：對流層中臭氧的增加？水質優養化？

自然生態系中，氮的增加固然有利於生物生產力的增加，但是僅使某些特定的植物受惠，使其成為優勢種，反而妨礙了其他的生物存活，因此，許多生態系中，生產力上昇，但生物多樣性明顯下降。

總結來說，人類活動（氮肥、豆類生產、燃用化石燃料）所造成氮的固定量已經超過所有自然途徑的總和，這些多增的氮改變著大氣化學，水生及陸域生態系，對生物圈形成優養化作用，進而改變了生物社群結構；至於其對全球環境影響的詳細過程則還待進一步研究。