气候变暖、氮沉降、酸雨、生物多样性减少等全球变化现象是当前人类面临的最为重要的生态问题[1-2]。它使得极端天气现象频繁出现、土地退化与荒漠化加剧、森林面积急剧减小等[3-4]，并进一步改变生态系统的结构和功能，威胁人类社会的健康与安全[5-6]。在众多全球变化类型中，氮沉降(大气中的氮元素在一系列生物化学作用下以NHx(NH3、RNH2和和NOx的形式降落到陆地和水体的过程)由于影响土壤的理化性质、土壤酶活性和微生物活性、凋落物分解和森林的碳吸存等[7-9]，受到了很多生态学者的极大重视[10-11]。

氮素是控制大多数陆地生态系统中植物生长和初级生产的关键限制性营养元素[12-13]，近几十年来，大范围的人类活动和工业生产使得活性N的数量增加了一倍以上[14]，而中国是世界氮沉降最严重的区域。大气氮沉降能够提高贫瘠生态系统中土壤养分和作物产量，在促进地上植被净初级生产和改变群落结构与功能方面发挥了重要作用[15]，但是，长期的氮沉降会引起土壤大面积酸化、水体面源污染和N2O排放增加等一系列环境问题并对经济的可持续发展造成负面影响，同时也威胁到粮食安全和生态安全，因此，氮沉降不止是个环境问题，更是关乎整个人类社会经济可持续发展的科学问题。提高土壤氮素利用效率，并对氮肥进行科学有效的管理和调控，是减少氮肥对环境造成负面影响的重要突破口，而揭示氮素在土壤中的转化和循环过程，阐明其关键过程和机制是对氮素管理和调控的重要基础。

微生物是驱动土壤生源要素生物地球化学循环的引擎。氮循环是土壤生态系统元素循环的核心之一[16]，微生物在氮循环过程中的作用逐渐被人们所熟知(包括固氮作用、硝化作用、反硝化作用和矿化作用)，近十年以来，随着生物地球化学循环研究方法与分子生态学技术(变性梯度凝胶电泳、末端限制性片段长度多态性、克隆测序及实时荧光定量PCR等技术)的广泛结合，使得对氮循环的机制和过程有了重要的认识，如新的硝化微生物类群-氨氧化古菌的发现，以及对其在不同生态系统中作用机制和生理生态适应过程的了解，还有在硝化微生物多样性及其作用机理研究方面都与分子生态学手段密切相关，极大的推进了对氮循环的认识，本文就氮循环的几个关键过程所取得的研究进展进行综述，以期为氮循环关键过程的了解和氮素的管理与调控提供理论依据。

1 固氮作用

空气中约80%的N2不能被植物直接利用，而固氮微生物能够将N2转化为植物可利用的因此将微生物的这种能力称之为生物固氮，生物固氮是生态系统中氮素的主要来源，陆地生态系统每年由生物固氮输入的氮素约为1.1亿吨，占植物所需氮量的3/4，可见生物固氮是陆地生态系统最大规模的天然固氮厂，在生态系统氮循环和平衡中发挥了巨大作用，由于其高效的固氮作用，始终是生物固氮研究的焦点之一。

大脑通过观察、触摸，以及实践经验得到的一种能思考物体形状、结构、大小、轻重、质地、位置关系的思维能力。

生物固氮分为，共生固氮、自生固氮和联合固氮三种体系，其中，共生固氮由于其占到了生物固氮总量的60%以上，因此一直是生物固氮研究的重点，在共生固氮方面，自1890年Frank首次将豆科植物根部结瘤的细菌称之为根瘤菌后，大部分的根瘤菌资源被先后发现和逐步认识，世界上有豆科植物大约20000种，其中大部分都能与根瘤菌共生而发挥巨大的生物固氮作用，据统计，仅2013年1月到2014年7月一年多内，仅在国际著名期刊IJSEM ( International Journal of Systematic and Evolutionary Microbiology)上发表的关于新的根瘤菌固氮微生物就有近20种[17]，截至目前，发现的大部分根瘤菌都归属于α和β变形菌纲的13个属。除此之外，能与植物形成共生固氮关系的固氮细菌还有，弗兰克氏放线菌与蓝细菌，弗兰克氏放线菌能与8个科中21个属的近200种非豆科植物共生，同时发现弗兰克氏放线菌在纯培养条件下在根瘤中具有相当的固氮活性，因此，弗兰克氏放线菌具有自身固氮微生物的特征[18]。另外，蓝细菌与某些植物或部分地衣结合也能发挥共生固氮作用，如念珠藻或鱼腥藻与裸子植物苏铁共生形成苏铁共生体，红萍与鱼腥藻形成的红萍共生体等，随着固氮微生物的相继发现，对宿主与固氮微生物间的固氮机制也开展了大量研究，发现根瘤菌与豆科植物之间的信号传递、相互识别、基因表达调控对根瘤的形成有着复杂的联系，例如，根瘤菌只有与豆科植物根部结成根瘤且生活在根瘤内才能将大气中的N2固定为植物所需的氮素，而豆科植物如何与根瘤菌进行分子识别最终结成具有共生固氮的根瘤，研究人员对其进行了大量研究，发现根瘤菌能够产生结瘤因子、(I、III、IV)型分泌蛋白、IAA和多糖等信号分子，同时豆科植物也会产生类黄酮、甜菜碱、葫芦巴碱以及其他的化学诱导剂[19]，当豆科植物分泌上述化学诱导物质时，会诱导根瘤菌产生结瘤因子，当植物根部识别结瘤因子后，会导致根毛变形、表皮细胞破裂、形成侵染线、根瘤原基开始形成，根瘤菌从侵染线中释放进入根瘤原基细胞中，根瘤原基开始发育成根瘤最终形成共生固氮体[20-21]。随着分子生物学和新技术的迅速发展，逐步认清了调控结瘤因子产生重要生理反应的基因，根毛侵染线的形成也与一些关键基因的调控密切相关，如MtNFP 基因的缺失会形成无效或畸形的侵染线，野生型中华苜蓿根瘤菌如果MtLYK3/HCL 缺失突变体就不会产生正常的侵染线[22]，许多 exopolysaccharides基因和 lipopolysaccharide基因的调控有助于根瘤的形成。21世纪以来，根瘤菌的全基因组测序工作陆续完成，截止到2013年5月，根瘤菌目共包括14科80属，其中已完成测序的有179个菌株，涉及12个科(http://www.ncbi.nlm.nih.gov/genomes/MICROBES/microbial_ taxtree.html)，此外也对宿主植物大豆、苜蓿、鹰嘴豆等进行了全基因组测序[23-25]，这为进一步促进宿主植物与根瘤菌的分子互作机理和基因表达研究提供了科学数据。

2 硝化作用

何西何北交换眼神，何东是不是被刺激的不正常了，人想跟你结的时候，你不结，人不想结的时候，你非结。这时何西一看表：“不好了，快到点了…。”三人匆匆往咖啡厅赶。

固氮作用、硝化和反硝化作用作为氮循环的关键环节而备受关注，氮循环中在厌氧条件下硝酸盐也可以异化还原成铵(dissimilatory nitrate reduction to ammonium, DNRA)，但是该过程却较少报道，主要归因于传统分析方法很难鉴别硝酸盐异化还原成铵过程的产物和调控机理，且在厌氧条件下反硝化作用更容易发生(因为硝酸盐异化还原成铵过程将还原为所需的自由能比反硝化作用将还原为N2O和N2的自由能高)，但是在浓度极低和更强还原势条件下，该过程更易发生[47]。该过程将环境中的还原为被植物直接利用的因此提高了环境中的氮素利用率，DNRA能够为厌氧氨氧化提供反应底物导致厌氧氨氧化过程快速进行，两者耦合反应加快了环境中氮素的流失，研究表明DNRA受到多种环境因子的影响，如碳源、氮源、温度、pH等。碳源是影响DNRA的关键环境因子之一，韦宗敏等以琥珀酸钠、柠檬酸钠、酒石酸钾钠为碳源，对比研究了不同碳源对微生物硝酸盐异化还原成铵过程的影响发现，以琥珀酸钠和柠檬酸钠为碳源, 初始浓度为 20 mmol·L-1时，DNRA的产铵率最高，以酒石酸钾钠为碳源则在初始浓度为 30 mmol·L-1时最高[48]，可见不同碳源条件下DNRA的反应速率是不一的；由于对细胞的毒害作用，使得成为DNRA的最佳氮源，但研究发现，高浓度的不利于DNRA反应速率的提高，如在沉积物中发现，浓度的提高将使DNRA 过程去除 的效率由 52%降至4%[49]；胡晓婷等对长江口青草沙水库沉积物硝酸盐异化还原过程对温度敏感性研究发现，温度为10℃时DNRA 的反应速率为0.09～0.25 μmol N·kg-1·h-1，而当温度分别为20℃和30℃时 反应速率为0.09～0.23 和0.1～0.18 μmol N·kg-1·h -1)，均比 10℃时降低了4.2%[50]，可见DNRA反应速率随温度升高而降低，此外，韦宗敏在珠江口沉积物培养实验中也得到类似的结果[51]；韦宗敏对珠江口沉积物培养实验后发现，当pH为7时，DNRA 的反应速率最高，发现DNRA在pH为6～10之间均有发生，殷士学在淹水土壤中研究发现，当pH为5～8时硝酸盐异化还原成铵过程也能进行，可见不同条件下，DNRA 的反应速率与pH具有一定的关系[52]。

3 反硝化作用

中国草地占国土面积的40%以上，作为陆地生态系统的重要组成部分，其在生物多样性维持、碳循环、氮动态，净初级生产力、畜肉生产等诸多方面扮演重要角色。草地生态系统的氮循环主要集中在3个方面，其一，草地生态系统中的植物通过吸收土壤中的有效氮素和生物固定的有效氮来完成自身生物量的合成，其中部分生物量被植食性动物获取后，以畜产品的形式带出了草地生态系统，此外，也通过粪便、尸体和尿液等形式回馈给草地。其二，未被获取的植物生物量，作为枯枝落叶被微生物分解成不同形式的氮素参与到循环过程中。最后，还有部分有效氮通过自身挥发也最终参与到生态系统氮素循环中来。

土壤中的铵(氨)在硝化细菌的作用下，转化为硝酸盐的过程为硝化作用，该过程与土壤中的和含量密切相关，受到微生物和环境因素的综合影响。在整个氮素循环中，硝化作用是连接固氮与反硝化作用的中心环节，决定着氮素对植物的有效性，同时也与过量氮素的投入导致的土壤酸化、硝酸盐淋溶和N2O排放密切相关，因此，硝化作用作为氮素循环的中心环节受到广泛关注。硝化作用分为两个关键过程，即第一阶段的氨氧化过程(铵态氮在硝化细菌和微生物及环境因子的综合作用下被氧化为亚硝态氮)和第二阶段的硝化过程(亚硝态氮被氧化为硝态氮)，氨氧化过程作为硝化过程的中心步骤，在不同环境中受到不同细菌的参与，一直以来，人们认为只有氨氧化细菌参与氨氧化作用，但是，2004年研究人员将海洋古菌进行全基因组测序发现了有类似细菌编码氨单加氧酶的结构基因amoA、amoB和amoC[26]，2005年分离提纯了第一株氨氧化古菌，才打破了人们对氨氧化过程的传统认识，随后相关学者对氨氧化古菌的分布环境、遗传信息和生理生态功能展开了广泛的研究，例如，研究发现氨氧化古菌广泛分布与海洋、湖泊、土壤等生态系统，而且数量也远多于氨氧化细菌[27]。Gubry-Rangin 2011[28]年利用高通量测序对英国47个土样的氨氧化古菌的多样性进行了分析，发现氨氧化古菌的多样性随pH的增加而显著增加，其基因amoA也随pH的变化而变化，这为认识氨氧化古菌和氨氧化细菌生态位分离提供了线索，之后随着稳定性同位素探针技术、PCR扩增技术和同位素示踪技术的广泛应用，发现氨氧化古菌可以存在于低氮、强酸和高温条件下，而氨氧化细菌存在于高氮、中性和碱性条件下，由此可见两种细菌具有完全不同的生态位，在不同的环境中各自发挥功能。

4 厌氧氨氧化及硝酸盐异化还原成铵作用

最后，来看百姓需求方面。非农土地的扩张，致使一些地方农业耕地在减少。而且今年多数农产品价格呈持续下跌走势。其中山东大蒜价格惨跌，市场行情波动大，山东蒜农亏损严重。今年大蒜收购价只有每斤0.8元左右，创下近10年最低价，而成本却是每斤2块，每斤净亏1.2元，按每亩地2000斤产量算，农户每亩大蒜要亏损2400元左右。谭经理表示，今年小麦、玉米、水稻价格即使不跌也不会大涨，所以百姓对农作物投资积极性比较低。

硝化作用除了受微生物的作用外，也受到环境因子的综合作用，主要包括温度、水分、pH和氮素供给等，例如，Breuer等[29]的研究发现，适当的土壤增温能显著提高硝化作用速率，同时发现14～26℃是硝化作用最适的温度范围；Ingwersen等[30]在温带云杉林森林生态系统的研究发现，土壤硝化速率在5～25℃时随温度升高而显著增加；Mahendrappa等[31]对美国南北部地区的土壤硝化速率与最适温度的关系进行了研究，发现美国北部的土壤硝化速率的最适温度2～25℃，而南部为35℃，可见不同生态系统硝化速率的响应温度不同，但都在适当的温度内增温能显著增加其速率。水分是一切生物生存的必要物质，而硝化作用的过程也无一列外的有水分参加，而水分的含量会影响硝化速率，如Breuer等[29]研究发现，硝化速率会随着水分含量的增加而降低；也有研究发现，不同的土壤含水量具有不同的硝化速率[32]。土壤pH和氮素条件是决定氨氧化细菌和氨氧化古菌存在的重要环境因素，有研究发现，低氮、高温和强酸条件下，氨氧化古菌(AOA)是硝化作用的主要驱动者[33]，而在强碱、高氮条件下，氨氧化细菌(AOB)是硝化作用的主导者，综上可见，环境因素能够主导微生物的生理生态功能，进而对整个硝化作用产生影响。

5 氮循环在草地生态系统的研究概况

自盖伊昂等首次将反硝化作用确定为生物过程以来，相关学者对其过程进行了广泛而深入的研究。反硝化是氮循环过程中的重要环节，直接影响着环境中氮的可利用性，硝化-反硝化作用的耦合发生，是控制生态系统中氮素变化的最关键因素，反硝化作用是指在厌氧条件下，微生物通过一系列复杂的作用过程将环境中的硝酸盐转化为亚硝酸盐最终转化为N2O或N2的过程，反硝化作用分为四个步骤，即在硝酸盐还原酶的作用下将硝酸盐还原为亚硝酸盐，在亚硝酸盐还原酶的作用下将亚硝酸盐还原为NO，在NO还原酶的作用下将NO还原为N2O，最终在N2O还原酶作用下将N2O还原为N2。其反应过程为反硝化作用是由一系列反硝化微生物参与的复杂过程，而这些微生物广泛分布于细菌、真菌和古细菌中，而放线菌和酵母菌中也发现有反硝化作用的微生物[34-35]，传统观点认为，反硝化细菌发生在严格的厌氧环境下，但是自发现许多微生物具有周质型还原酶且能在厌氧条件下表达时，人们对反硝化作用的认识才发生了革命性的突破，因此，关于好氧反硝化细菌的研究逐渐成为了热点，同时发现了副球菌属(Paracoccus)、假单胞菌属(Pseudomonas)、克雷伯菌属(Klebsiella)、根瘤菌属(Rhizobium)、产碱杆菌属(Alcaligenes)和芽孢杆菌属(Bacillus)等好氧反硝化细菌[36-37]。基于通量和反硝化活性测定，国内外对影响反硝化作用和N2O排放量大小的环境因素已有大量研究，目前认为影响反硝化作用的环境因素主要有，温度、水分、pH、氧气含量和氮素含量等。例如，温度是影响反硝化速率的重要因素，温度过高和过低都会影响反硝化速率，在适宜温度范围内随温度升高反硝化速率加强，Stanford等研究发现在土壤温度为15～35℃内，温度与反硝化速率正相关，而超过这个温度范围其速率都会受温度影响[38]；Keeney等研究发现在粉砂壤土中温度为15℃时，随温度升高反硝化速率加快，直到60～67℃时达到最大速率[39]；Klemedtsson等[40]发现反硝化作用的最适温度在5～75℃。酸性土壤中可利用的无机碳和无机氮要比中性和碱性低得多，因此在酸性土壤中反硝化速率要低于中性和碱性环境，Cuhel等研究发现，在适当pH范围内，反硝化速率随pH升高而升高[41]这一发现也与上述观点相吻合。

近年来由于厌氧氨氧化过程作为氮循环中的重要环节，以引起了有关学者的极大关注，它是指在厌氧细菌缺氧条件下，将环境中的作为电子受体，将氧化为N2的过程[42]，即厌氧氨氧化过程最初是上世纪90年代从废水处理装置中发现的[43]，这一发现表明，厌氧氨氧化过程可利用硝化过程中的将氧化为N2，因此该反应对含有氨氮的废水处理具有重要意义。厌氧氨氧化过程可能会对全球N循环过程产生影响，有研究发现，海洋中的厌氧氨氧化过程能够在一定程度上解释有关全球氮循环过程中的不平衡问题[44]，在黑海低氧水区，经过厌氧氨氧化作用损失的N素达到了20～30%以上[45]。通过16S rRNA、稳定性同位素探针技术、荧光原位杂交等技术对厌氧氨氧化的反应机理研究发现，NH2OH是厌氧氨氧化过程中最快代谢掉的产物，同时发现，此过程不仅能氧化N2H4和NH2OH , 还能把和NO还原为 N2O[46]。此外，也发现目前参与厌氧氨氧化过程的5个属的细菌均属于浮霉状目的细菌，这说明，参与此过程的细菌主要是浮霉状目的细菌。

影响草地氮素转化的因子有很多，如植物、土壤动物和土壤微生物等生物因子，温度、降水和干扰等非生物因子。已有研究发现，土壤温度和水分显著影响氮素矿化速率，当温度升高时速率会明显加快[53]。土壤有机质含量也会影响氮素的转化速率，Delgado[54]和Barret[55]研究发现，在干旱半干旱草原中，氮素的固定与土壤有机质含量成正相关。此外相关学者还在草地中进行了氮添加实验，Zhang等[56]通过氮添加实验对比了羊草( Leymus chinensis) 和黄囊苔草( Carex korshinskyi)对氮添加的响应特征，发现两者存在不同的响应阈值，也有发现表明，氮素添加能够显著调节羊草种群密度和生物量的增加[57]。土壤酶在氮素循环中也具有重要意义，相关学者常用生物固氮酶、硝化酶和氨同化酶来指示土壤氮素循环[58]，这些酶的活性也易受土壤本身及外界环境影响而不断变化，其活性的改变影响着土壤和大气氮的循环。目前，有关生物炭对土壤氮循环的研究已成为关注的热点，研究主要集中在生物炭对土壤 N2O 排放[59-60]、氮肥利用率[61]、土壤硝化速率[62]、 的吸的吸附[65]和土壤微生物氮素固持作用的影响等方面[66]。由于不同的草地所处的地形、气候、水文、太阳辐射不同，形成了不同的土壤基质和养分含量(有效氮、pH、孔隙度、含水量、有机质含量、微生物类群均有所差异)[67]，因此，在不同的草地生态系统中有关氮循环的研究也有很大分歧。

6 总结与展望

氮循环是整个陆地生态系统生物地球化学循环的重要组成部分，各循环过程相互偶联构成了一个极其复杂的反应循环体系，虽然氮循环关键过程都有不同程度的报道，并取得了丰硕的研究成果，但关于各环节之间偶联关系的研究较少。未来应加强同一反应体系中固氮作用、硝化作用、反硝化作用、厌氧铵氧化和硝酸盐异化还原成铵等过程耦合机制的研究，同时，探索整个循环过程中涉及的物理、化学、环境和生物等因素的影响，开发和构建氮循环模型，掌握各反应体系氮循环动态变化，实现对氮循环的有效监测，为氮素的调控和管理提供科学依据。

其次，关于氮循环关键过程中通量(NO2、N2O、N2)的贡献仍不够清楚，土壤—土表—大气3界面之间氮素通量很难量化。未来应从传统的定性研究转为定量观测，从不同时间和空间尺度量化各过程通量大小的贡献，同时阐明环境因子和生物因子对氮通量的影响，并确定各过程中的主导因子和生态机理，从而为氮循环的管理和调控提供理论依据。

本研究所采用的规范化健康教育是根据患者的病情与实际情况等，通过有计划、有组织且有目的采取护理干预措施，帮助患者正确理解所患疾病，掌握更多的健康知识与自我护理技巧等，从而增强患者对治疗与护理的配合度，促进其战胜疾病的信心，有利于疾病恢复。此次研究结果显示，观察组患者对疾病知识掌握的优秀率为78.89%，明显高于对照组的40.00%，差异有统计学意义（P＜0.05）；观察组患者的护理依从率为97.77%，高于对照组的73.89%，差异有统计学意义（P＜0.05）。表明将规范化健康教育运用在神经内科患者护理中的效果比较理想，能有效提升患者对健康知识的掌握程度，提高治疗依从性。

最后，应加强氮循环与碳循环和磷循环之间关联研究。C、N、P是构成生命的最基本元素，也是陆地生态系统化学元素循环的最重要组成部分，应分析碳循环和磷循环对氮循环的影响及三者之间的偶联关系，并了解不同C、P 含量下氮的循环情况，同时关注土壤微生物在三大循环中的作用。

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