备课素材：氮素的形态、转化及其作用-2024-2025学年高二上学期生物人教版选择性必修2

氮素的形态、转化及其作用 先看一道试题： 氮在自然界以多种形式存在，主要有氮气、氮氧化物、铵态氮、硝酸根离子、亚硝酸根离子，以及各种含氮有机化合物等。下列说法正确的是（ ） A. 植物从土壤中吸收含氮类无机盐，可用来合成蛋白质、脂质、纤维素等物质 B. 往农田中适当地施加氮肥与物质循环是不相矛盾的 C. 硝酸盐或亚硝酸盐在生物群落与无机环境之间循环往复即为氮循环 D. 硝化细菌能通过硝化作用合成有机物，属于生态系统中的生产者 答案：B 解析： 物质循环指组成生物体的C、H、O、N、P、S等元素，都不断进行着从无机环境到生物群落，又从生物群落到无机环境的循环过程。 A、脂质中的脂肪、纤维素不含N，植物从土壤中吸收含氮类无机盐，不能合成某些脂质、纤维素，A错误； B、由于农产品源源不断地自农田生态系统输出，其中的N元素部分不能都归还土壤，故往农田中适当地施加氮肥与物质循环是不相矛盾的，B正确； C、物质循环指的是元素的循环，故氮循环是指含N元素在生物群落与无机环境之间的循环，C错误； D、硝化作用是指硝化细菌将氨转变为硝酸盐，硝化细菌是通过化能合成作用将无机物合成有机物，D错误。 故选B。 此题考查了氮循环及土壤中氮素形态与转化。教材没有提到。 那么，自然界氮循环是怎样的?土壤中氮素形态有哪些？如何转化？ 氮（N）是天然湿地生态系统中最重要的组成成分和一种重要的生态影响因子，其主要来源有径流输入、大气沉降和生物固氮。天然湿地中N的迁移和转化主要发生在湿地演替带，演替带是生物地球化学活动比较强烈的缓冲区，常被视为湿地的N源、N汇和N转化器。演替带中N衰减主要是通过反硝化、厌氧氨氧化和湿地植被吸收等方式进行。 空气中含有大约78%的氮气，占有绝大部分的氮元素。氮是许多生物过程的基本元素；它存在于所有组成蛋白质的氨基酸中，是构成诸如DNA等的核酸的四种基本元素之一。在植物中，大量的氮素被用于制造可进行光合作用供植物生长的叶绿素分子加工，或者固定，是将气态的游离态氮转变为可被有机体吸收的化合态氮的必经过程。一部分氮素由闪电所固定，同时绝大部分的氮素被非共生或共生的固氮细菌所固定。这些细菌拥有可促进氮气氢化成为氨的固氮酶，生成的氨再被这种细菌通过一系列的转化以形成自身组织的一部分。某一些固氮细菌，例如根瘤菌，寄生在豆科植物（例如豌豆或蚕豆）的根瘤中。这些细菌和植物建立了一种互利共生的关系，为植物生产氨以换取糖类。因此可通过栽种豆科植物使氮素贫瘠的土地变得肥沃。还有一些其它的植物可供建立这种共生关系。 其它植物利用根系从土壤中吸收硝酸根离子或铵离子以获取氮素。动物体内的所有氮素则均由在食物链中进食植物所获得。 氮素是植物需要较多的营养元素，对植物的生长、产量及品质都具有重要意义，是其生长发育过程中必需的大量营养元素之一。氮肥不仅可以显著影响植株的株高、叶片数、根长、生物量等农艺性状，还对植物生长具有重要的生理作用。土壤中氮素形态可分为无机态和有机态，土壤空气中也含有氮。 土壤氮素的形态 1.有机态氮  1)水溶性有机氮 水溶性有机氮主要是一些比较简单的游离态氨基酸、胺盐及酰胺类等化合物，它们分散在土壤溶液中很容易水解，迅速释放出NH₄⁺，成为植物的有效氮源。 2)水解性有机氮 水解性有机氮是在酸、碱或酶作用下能水解成简单的易溶性氮化合物的有机物，主要有蛋白质、多肽类、核蛋白类和氨基糖类。蛋白质及多肽类是土壤中数量最多的含氮化合物，主要存在于微生物物体内，水解后分解成多种氨基酸，进而释放NH₄⁺。核蛋白水解生成蛋白质和核酸，核酸水解生成核苷酸、磷酸、核糖或脱氧核糖和有机碱。有机碱最终分解成CO2、H2O及NH3。由于有机碱中的氮呈杂环态结构，氮不易被释放出来，故在植物营养上属于无效性氮。氨基糖为葡萄糖胺，来自核酸类物质，在生物酶作用下，先分解成尿素一类的中间产物，然后转化为氨基糖。 3)非水解性有机氮  非水解性有机氮主要是指杂环态氮化物、糖与铵的缩合物及木质素类物质等复杂结构的含氮有机化合物。这些含氮化合物结构复杂，不溶于水，用酸、碱处理也不能水解，对植物是无效的。 2.无机态氮  土壤中无机态氮数量很少，铵态氮（NH₄⁺）和硝态氮（NO₃⁻）是土壤中无机氮的主要形态，有时也可能有亚硝态氮（NO₂⁻），但数量极少，而且很快转化为硝态氮。NH₄⁺和NO₃⁻均易溶于水，能直接被植物吸收利用。在通气不良的土壤中，NO₂⁻积累超过一定浓度时，会对植物产生毒害。NH₄⁺虽然是水溶态的，但可以被负电胶体吸附而免于流失，其中一部分可以被黏粒矿物固定。被固定的NH₄⁺不能被植物利用，也很难转化迁移。 3.气态氮  土壤空气与大气含氮量大体相当，氮气只有经过微生物的固定才能转化为植物氮源，尤其是豆科植物根瘤中的共生固氮菌和嫌气性固氮菌活动旺盛，其固氮能力较强，土壤生物固氮是植物吸收氨素的重要来源之一。 土壤氮素的转化 1）有机氮的矿化‌：在微生物的作用下，含氮化合物逐步分解，最终产生铵盐的过程‌。2‌）无机氮的生物固定‌：土壤中的铵态氮、硝态氮和某些简单的氨基态氮通过微生物和植物吸收同化，成为生物有机质的组成部分，称为无机氮的生物固定。3‌）氨的挥发‌：氨可能从土壤中挥发到大气中‌。NH₄⁺→NH34‌）硝化作用‌：在富含氧气的土壤中，铵根离子首先被亚硝化细菌转化为亚硝酸根离子，然后被硝化细菌转化为硝酸根离子。 亚硝化细菌将NH₄⁺→NO₂⁻ 硝化细菌将NO₂⁻→NO₃⁻ 5‌）反硝化作用‌：在缺氧条件下，硝酸根离子被反硝化细菌还原为氮气，最终释放到大气中‌。 6）硝酸还原作用‌：硝酸根离子在植物或微生物的作用下被还原为亚硝酸根离子或氨‌。 土壤氮素的作用 1）植物生长的必需营养元素 氮素是植物生长发育的必需元素，参与蛋白质、核酸等生物大分子的构成，对植物的生长、产量及品质具有显著影响。氮肥的合理施用可以显著增加植物的叶绿素含量，提高超氧化物歧化酶的活性，从而增强植物的光合作用和抗病能力。 2）土壤肥力与结构氮素的动态转化影响土壤的肥力和结构，通过调节土壤中的碳氮比，促进有机物的分解和养分的矿化，同时影响土壤团聚体的形成和稳定性，对土壤的物理性质和水分保持能力有重要作用。 3）环境调控与健康 氮素管理对防止环境污染至关重要，合理控制氮素输入可以减少水体富营养化和温室气体排放。土壤氮素的形态和含量是评估土壤健康的重要指标，与土壤的生物多样性和生态系统服务功能密切相关。 4）农业可持续性 高效利用和管理土壤氮素是实现农业可持续发展的关键，通过优化施肥策略、利用有机肥料、改进耕作制度等措施，可以提高氮素利用效率，减少氮素损失，提升农业生产效率，同时保护和改善环境质量。 学科网（北京）股份有限公司 $$