湿地氮循环
湿地氮循环过程
硝化细菌
硝化作用： 硝化作用：NH4++O2
NH3(植物吸收的形态 植物吸收的形态) 植物吸收的形态
硝化作用一般发生在氧气供应充足的氧化根 硝化作用一般发生在氧气供应充足的氧化根 氧气供应充足 周围，将氨氮转化为硝态氮，作为负离子， 周围，将氨氮转化为硝态氮，作为负离子，硝 酸根不会被带负电荷的土壤颗粒所固定， 酸根不会被带负电荷的土壤颗粒所固定，因此 它在溶液中的活动性更强。 它在溶液中的活动性更强。如果植物和细菌不 能马上吸收、同化硝酸根， 能马上吸收、同化硝酸根，会随地下水流发生 淋溶损失，或者发生异化氮氧化物还原，最普 淋溶损失，或者发生异化氮氧化物还原， 遍的就是反硝化作用 反硝化作用。 遍的就是反硝化作用。
湿地氮循环过程
1.湿地系统的氮素输入 1.湿地系统的氮素输入
大气沉降：有湿沉降、干沉降和混合沉降3 大气沉降：有湿沉降、干沉降和混合沉降3 湿沉降是指自然界发生的雨 是指自然界发生的雨、 类. 湿沉降是指自然界发生的雨、雪、冰雹等 各种降水过程, 干沉降是指大气气溶胶粒子 各种降水过程, 而干沉降是指大气气溶胶粒子 的沉降过程,混合沉降则是指二者的混合物. 的沉降过程,混合沉降则是指二者的混合物. 生物固氮是大气中的分子态氮在湿地微生 生物固氮是大气中的分子态氮在湿地微生 固氮酶催化还原为氨的过程 物体内由固氮酶催化还原为氨的过程, 物体内由固氮酶催化还原为氨的过程, 包括植 物固氮和微生物固氮, 微生物固氮是生物固氮 物固氮和微生物固氮, 微生物固氮是生物固氮 周念清， 的主体要素（周念清，2010）. 周念清
湿地氮循环
N
湿地氮循环过程
2.湿地生态系统氮素的输出 湿地生态系统氮素的输出 土壤NH 挥发是湿地氮输出的主要途径之一 是湿地氮输出的主要途径之一. 土壤NH3挥发是湿地氮输出的主要途径之一.在 一定条件下, 一定条件下, 特别是微碱性土壤中或土壤中含有 较多的碳酸钙 碳酸钙时 较多的碳酸钙时, 土壤中氨态氮以氨气形态从土 壤中挥发而遭受损失, 土壤中氨挥发主要受水体 壤中挥发而遭受损失, 土壤中氨挥发主要受水体 pH 值的调控. 值的调控.
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湿地中氮的生态效应
NH3
NH3 挥发过程是指土壤中的 4+ 被转化成 3而释放 挥发过程是指土壤中的NH 被转化成NH 到大气中, 从而导致土壤氮损失的过程。 到大气中 从而导致土壤氮损失的过程。在湿地生态系统 中, NH3 挥发过程常常发生在湿地地表或湿地水面与大气 的界面处。 的界面处。 在大气环境中, 也是一种温室气体 温室气体(能够吸收波长为 在大气环境中 NH3也是一种温室气体 能够吸收波长为 10. 53 纳米的辐射 , 因而它对于全球变暖也有着十分重要 纳米的辐射) 自由基发生化学反应生成 的影响; 能够与大气中的·OH自由基发生化学反应生成 的影响 NH3能够与大气中的 自由基发生化学反应 另一种含氮气体NH 又能与不同的化合物(如 另一种含氮气体 2, 而NH2又能与不同的化合物 如O3、 NO、NO2 )反应生成 2、N2 O、NOX 等不同的含氮化合物。 反应生成N 等不同的含氮化合物。 、 反应生成 、 来源：Kurvits T,1998 湿地氮循环
湿地氮循环
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湿地氮循环过程
植物是湿地生态系统的重要组成部分 植物是湿地生态系统的重要组成部分, 氮素是 是湿地生态系统的重要组成部分 植物从土壤中吸收量最大的矿质元素. 通过收割植 植物从土壤中吸收量最大的矿质元素 通过收割植 物可以彻底地从湿地中去除一部分被植物所吸收 的氮素. 的氮素 湿地植物对氮素的吸收持留能力依植物类 型而异, 等研究发现芦苇 芦苇在湿地恢复与保 型而异 Romero 等研究发现芦苇在湿地恢复与保 护中具有重要作用, 它对输入的无机氮吸收量高达 护中具有重要作用 它对输入的无机氮吸收量高达 66% ~ 100%（刘长娥，2008）. （刘长娥， ） N
湿地氮循环
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中国科学院三江平原沼泽湿地
试验根据不同目 的分别布置 4 gN /m2 10 gN /m2 20 gN /m2 3个氮素输入水 个氮素输入水 平(以NH4NO3水 以 溶液的形式, 溶液的形式 在 生长季初期一次 性输入氮素)和空 性输入氮素 和空 白对照, 观测氮 白对照 观测氮 素输入对植物生 产力的影响。 产力的影响。
NH4+
OH-
NH3（挥发） 挥发）
湿地氮循环
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湿地氮循环过程
反硝化气态损失和淋洗是湿地氮输出的另一途径 反硝化气态损失和淋洗是湿地氮输出的另一途径. 气态损失和淋洗是湿地氮输出的另一途径
反硝化作用受土壤的氧化还原反应电位( 反硝化作用受土壤的氧化还原反应电位 Eh) 、 氮素和有机质含量、 水分含量、 氮素和有机质含量、pH 值、水分含量、温度以 及湿地植物等因素的影响.反硝化作用是有记录 及湿地植物等因素的影响 反硝化作用是有记录 的大部分湿地氮损失的主要途径， 的大部分湿地氮损失的主要途径，反硝化作用在 酸性土壤和泥炭地中比较少发生。 酸性土壤和泥炭地中比较少发生。
总氮在不同土壤深度的含量 来源：刘长娥 等，2008
氨氮在不同土壤深度的含量
影响氮循环的因素
3.温度 3.温度
枯落物分解速率在很大程度上取决于温度和 枯落物分解速率在很大程度上取决于温度和 水分, 随着温度的升高, 微生物活动呈指数增长。 水分 随着温度的升高 微生物活动呈指数增长。 微生物可将植物残体中的有机物分解为简单有机 物或无机物, 分解包括碳、 物或无机物 分解包括碳、氮、磷等营养元素和 其它微量元素的释放。 其它微量元素的释放。 硝化作用。 湿地温度制约和影响着硝化作用 湿地温度制约和影响着硝化作用。硝化反应最 适宜的温度为25~ 35℃ , 5℃ 以下和 ℃以上 适宜的温度为 ℃ ℃ 以下和40 则受到抑制（黄益宗， 则受到抑制（黄益宗，1999）。 ）。 N 湿地氮循环
湿地氮循环
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湿地氮循环过程
矿化作用
氮的矿化是指土壤有机碎屑中的氮素, 氮的矿化是指土壤有机碎屑中的氮素, 在土壤 动物和微生物的作用下, 由难以被植物利用的有机 动物和微生物的作用下, 转化为可被植物吸收利用的无机态 无机态( 态转化为可被植物吸收利用的无机态( 主要为铵态 的过程. 氮) 的过程. 矿化过程是湿地氮循环的重要组成环 节, 湿地生态系统中的有机氮依靠微生物的矿化作 用转化为NH 用转化为NH4+ .
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1970-2005年全世界 3的排放量 年全世界NH 年全世界
氮素输入下淡水湿地碳过程变化
近半个世纪以来， 近半个世纪以来，农业生产中化学肥料 的大量应用, 导致陆地生态系统中的氮含 的大量应用 导致陆地生态系统中的氮含 量的相应增加, 量的相应增加 从而影响生态系统中碳的 积累与重新分配, 对陆地生态系统碳循环 积累与重新分配 对陆地生态系统碳循环 过程产生一定的影响。
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湿地氮循环过程
湿地氮循环
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影响氮循环的因素
1.湿地水系统 1.湿地水系统
湿地水系统是氮循环必不可少的重要载体。 湿地水系统是氮循环必不可少的重要载体。 湿地氮的输入大部分通过水源输入 输入大部分通过水源输入, 湿地氮的输入大部分通过水源输入, 主要以河流 径流进入湿地系统, 降水是NO3- 和NH4+ 的重要 径流进入湿地系统, 降水是 补充方式, 因此湿地系统通过水的流动与其毗邻 补充方式, 的陆生或水生生态系统进行物质交换 物质交换。 的陆生或水生生态系统进行物质交换。湿地中的 氮常由无机态转变为有机态, 并被输送到下游生 氮常由无机态转变为有机态, 并被输送到下游生 态系统, 态系统, 具有湿地的流域比没有湿地的流域输送 的有机物多得多（王洋，2006）。 的有机物多得多（王洋，2006）。
湿地氮循环
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1978-2007年我国化肥使用量与粮食产量的关系（万吨） 年我国化肥使用量与粮食产量的关系（万吨） 年我国化肥使用量与粮食产量的关系
氮素输入下淡水湿地碳过程变化
三江平原淡水沼泽湿地自20世纪 年代以来 三江平原淡水沼泽湿地自 世纪50年代以来 世纪 受区内大面积垦殖活动的影响, 一方面是疏干排水 受区内大面积垦殖活动的影响 一方面是疏干排水 影响湿地的水文环境 水文环境, 影响湿地的水文环境 另一方面农业生产中化学肥 料的应用, 料的应用 对区内沼泽湿地水体及土壤环境产生一 定的影响。 定的影响。 中国科学院的宋长春等， 中国科学院的宋长春等，通过野外和室内培养 试验研究, 试图认识氮素输入对沼泽湿地碳的生物 氮素输入对沼泽湿地 试验研究 试图认识氮素输入对沼泽湿地碳的生物 的影响。 累积与分解、生态系统呼吸和活性碳组分的影响 累积与分解、生态系统呼吸和活性碳组分的影响。
湿地中氮的生态效应
N2O
湿地环境中丰富的氮为N 湿地环境中丰富的氮为 2O 的形成提供了丰富的物 质基础, 加之湿地长期或季节淹水的还原环境, 质基础 加之湿地长期或季节淹水的还原环境 极有利 于厌氧微生物的生长和繁殖, 并为土壤中的硝化、 于厌氧微生物的生长和繁殖 并为土壤中的硝化、反硝 化过程提供了动力机制, 因此湿地很可能是大气环境中 化过程提供了动力机制 N2O 的释放源之一。在引起全球变暖的主要温室气体 的释放源之一。 过去的100 a中它对全球温室效应的贡献达到了 中它对全球温室效应的贡献达到了4% 中, 过去的 中它对全球温室效应的贡献达到了 ~ 7%。而且由于 2 O 的寿命是已知温室气体中最长的 的寿命是已知温室气体中最长的 是已知温室气体中最长 。而且由于N (在大气中的平均停留时间为 在大气中的平均停留时间为166a) , 所以它对环境的影 在大气中的平均停留时间为 响是长期的和潜在的（黄益宗，2000）。 响是长期的和潜在的（黄
人为氮和径流氮输入等也是湿地系统氮 人为氮和径流氮输入等也是湿地系统氮 素的重要来源. 素的重要来源 这些氮源主要包括农业非 点源化肥氮、 点源化肥氮、点源工业废水和生活污水排 放等. 放等 氮素的输入能够提高沼泽湿地碳的生 物累积,但过多的氮素输入则引起植物生 物累积 但过多的氮素输入则引起植物生 产力的降低, 产力的降低 并对常年积水沼泽湿地有机 物质的分解有抑制作用（宋长春， 物质的分解有抑制作用（宋长春，2005）。 ）。