平衡氮循环
氮是地球生命不可或缺的基本元素之一，是所有生物生存所需的主要养分之一。尽管氮气 (N₂) 占地球大气体积的约 78%，但大多数生物无法直接利用这种气态形式的氮，必须将其转化为反应性形式。本文探讨了氮对地球生态系统的重要性，并概述了人类活动如何改变氮循环的平衡，可能带来的严重后果。此外，还深入分析了稳定同位素分析的优势，展示其如何为研究硝酸盐在全球氮循环中的迁移提供强有力的数据支持。
全球氮循环
氮在地球生态系统（包括大气圈、生物圈、水圈和地壳）中的运动和转化过程被称为全球氮循环，这是维持地球生命的关键。这一自然循环由氮固定、硝化作用和反硝化作用等过程驱动，这些过程将氮在不同化学形式之间转化，从而支持生命并维持生态平衡。例如，一些特定的生物能够将大气中丰富的氮气 (N₂) 转化为反应性形式（如氨），然后被植物和其他生物利用以促进生长和繁殖。Gruber 和 Galloway 在其 2008 年发表的《自然》论文中描绘了全球氮循环（图 1）1，清晰地展示了将分子氮转化为反应性氮并再次转化回去的主要过程，同时也指出了人类活动向这一脆弱平衡中引入的大量反应性氮物种。
氮循环失衡
全球人口的增长和对粮食生产日益增长的需求，导致人类活动显著加速了天然反应性氮循环。这些活动使反应性氮的输入量约增加了一倍，其中用于养活全球人口的化肥占据了约一半。这种情况将全球氮循环推向了许多专家认为不安全的境地2，活性氮（尤其是硝酸盐）的浓度不仅在地表水中增加，还逐渐渗透到地下水中。
英国兰卡斯特大学的生物地球化学家兼高级讲师 Ben Surridge 博士解释说：“在世界许多地方，地下水实际上已经成为反应性氮物种的储存库，这些氮物种正逐渐释放到地表水中。不幸的是，无论当前土地表面的纠正策略如何，这种情况可能会持续几十年。例如，泰晤士河的硝酸盐浓度在过去 140 多年中持续上升，20 世纪 70 年代初的上升被认为是由于几十年前硝酸盐积累增加而通过地下水系统延迟输送的结果。其他研究也证实了这一点，表明英国的白垩、石灰岩和砂岩含水层中的硝酸盐浓度不断增加，其他国家也面临着类似的挑战4,5。
这种干扰的后果
人类对活性氮循环的干扰带来的影响十分深远，从生物多样性的丧失到土壤酸化，甚至会直接影响人类健康。Ben 进一步解释道：“也许最显著的后果是富营养化，即由于活性氮（或其他自然限制性增长因子）在各种生态系统中的积累引起的过度植物或藻类生长。藻华可能是这种现象最广为人知的指示器，会影响淡水或海洋生态系统，对野生动物、宠物、牲畜，甚至在某些情况下对人类构成威胁。”
2023 年，英国最大湖泊内湖（Lough Neagh）发生的蓝藻（蓝绿藻）爆发就是富营养化造成破坏的一个典型例子，其部分原因归因于农业产生的养分流入。6
藻华的一个关键后果是水体缺氧，即水体中的溶解氧含量降低，这一现象在沿海水域和一些湖泊中尤为显著。Ben 补充说：“已知的缺氧沿海区域数量在过去六十年中呈指数增长，达到 500 多个区域，总面积超过 25 万平方公里7。这些‘死区’对水生生态系统构成了重大风险，包括海洋生物和生物多样性的丧失。其中一个引人注目的例子是墨西哥湾的死区。这一现象自 20 世纪 80 年代以来就被观察到，是由于氮和磷通过密西西比河最终流入沿海地区而引起的。淡水氮循环的干扰也可能导致酸化，破坏水生生态系统，并减少自然生物多样性。
对人类健康的影响
关于活性氮物质，特别是硝酸盐对人类健康的影响，仍存在许多争论。各种关联已被提出，包括与某些癌症的关联，但最受关注的可能是硝酸盐与婴儿高铁血红蛋白症（一种威胁生命的血液疾病）之间的潜在联系。这些担忧已促使制定严格的饮用水硝酸盐含量限制。
知识是关键
因此，为了缓解这些问题并促进健康可持续的生态系统，重新平衡氮循环的努力尤为重要。这只有在我们了解生态系统中反应性氮的具体来源及其影响时才能实现。硝酸盐污染的稳定同位素分析通常是获得这些见解的第一步。自 20 世纪 70 年代以来，硝酸盐的稳定同位素分析已成为可能，但这一技术在 20 世纪 90 年代后期随着 Carol Kendall 博士开发出简单的双同位素图而变得更加主流（图 2）。这一图表允许研究人员快速识别并描述环境样本中硝酸盐的可能来源，详细信息可参见我们的博客《庆祝 Carol Kendall 博士硝酸盐来源双同位素图问世 25 周年》。生成此图表所用的数据来源于全球，但为了在区域或地方层面实施变革，研究本地污染来源尤为重要。这也突显了快速且成本效益高的双同位素分析方法的必要性，有助于解决上述许多挑战。
使用 EnvirovisION 等仪器可以生成硝酸盐的双稳定同位素数据，该系统能够处理大量环境样本。这些数据可用于帮助确定硝酸盐问题区域，并结合 Kendall 图确定这些区域的潜在硝酸盐来源。这些技术还可以提供数据帮助建模未来情景，并设计和实施策略，以试图恢复氮循环的平衡。
参考文献
- Gruber N, Galloway J. An Earth-system perspective of the global nitrogen cycle. Nature. 451, 293–296 (2008). https://doi.org/10.1038/nature06592
- Richardson K, Steffen W, Lucht W, et al. Earth beyond six of nine planetary boundaries. Sci Adv. 2023;9(37). doi:10.1126/SCIADV.ADH2458
- Howden NJK, Burt TP, Worrall F, et al. Nitrate pollution in intensively farmed regions: What are the prospects for sustaining high-quality groundwater? Water Resour Res. 2011;47(11). doi:10.1029/2011WR010843
- Wang L, Stuart ME, Lewis MA, et al. The changing trend in nitrate concentrations in major aquifers due to historical nitrate loading from agricultural land across England and Wales from 1925 to 2150. Science of the Total Environment, The. 2016;542:694-705. doi:10.1016/j.scitotenv.2015.10.127
- DeSimone LA, McMahon PB, Rosen MR. The quality of our Nation’s waters: Water quality in principal aquifers of the United States, 1991-2010. Circular. Published online 2015. doi:10.3133/CIR1360
- EUMETSAT. (2023) Lough Neagh algal bloom. https://user.eumetsat.int/resources/case-studies/loch-neagh-algal-bloom. Accessed July 31, 2024.
- Dai M, Zhao Y, Chai F, et al. Persistent eutrophication and hypoxia in the coastal ocean. Cambridge Prisms: Coastal Futures. 2023;1:e19. doi:10.1017/CFT.2023.7
- Kendall C, McDonnell JJ. Isotope Tracers in Catchment Hydrology. Elsevier; 1998.
