揭开地球消失的氮的谜团|研究

导  读

根据一项4月发表在《科学》（Science）杂志上的研究，土壤和植物中的氮多达四分之一会从岩床中渗出。 

作者：Doug Main

翻译：叶柏镛 

审校：张哲 

来源：环球科学（2018年9月25日）

原文链接：https://www.scientificamerican.com/article/mystery-of-earths-missing-nitrogen-solved/  

 沉积岩，诸如位于科罗拉多大峡谷的沉积岩，含有惊人的高浓度氮元素。图片来源：Paul Rojas Getty Images

专家过去曾认为土壤中几乎所有的氮元素都直接来自大气，微生物的分解或溶解在雨水中。但是事实证明科学家们一直忽视了氮元素的另一种主要来源，该元素对植物生长至关重要：根据一项4月发表在《科学》（Science）杂志上的研究，土壤和植物中的氮多达四分之一会从岩床中渗出。 

除去一些零散的研究，研究带头人，加利福尼亚大学戴维斯分校的全球生态学家Benjamin Z. Houlton说:“学术界从来没有审视过基岩的作用。”这一发现对理解地球的氮循环具有深远的意义；它也可以修改气候模型。Houlton说，这一发现表明某些地区的植物可能比先前认为的生长得更快更大，因此可以吸收更多的二氧化碳。

红杉森林生长在富氮的土壤和岩石上，这有助于解释为什么它们长得如此巨大。图片来源：Bob Pool Getty Images

随着全球气温上升，计算植物能吸收多少的温室气体二氧化碳变得越发重要。其吸收的精确值仍未确定，但Houlton指出植物可以提供“再多一点点的缓冲……来储存我们的碳污染。” 

先前的研究已经检测了组成地幔（地壳下面的一层）的沉积物中氮的多少以及火山爆发释放氮气到大气（其组成的78%为氮气）的平衡。从20世纪70年代开始，一些研究表明，几种类型的沉积岩含有来自沉积在古代海底的早已死亡的植物、藻类和动物的氮元素。少数论文表明氮元素可能在某些地方渗入土壤中。但是科学家并没有跟进这些发现，而且认为岩石风化释放的氮量是微不足道的。Houlton说：“它并没有进入我们认为的氮循环范式。” 

Houlton和同事于2011年在《自然》（Nature）杂志发表了一项研究，发现加利福尼亚州部分地区的沉积岩上的森林土壤含有比火成岩（火山岩）上的区域多50%的氮含量。他们还发现生长在沉积岩上的树木的氮含量高达42%。虽然研究表明氮元素在一些特定的区域从岩石中进入土壤和植物中，但它并未说明这是世界范围内一个重要的现象。 

由于加利福尼亚州包含了绝大部分地球的岩石类型，在Houlton等人的最新研究中，他和同事将其作为一个模型地质系统。他们测量了近1000个加州和其他来自全球的样本的氮水平。然后，他们开发了一个计算机模型来计算地球岩石分解和氮释放到土壤中的速度。 

通过风化过程释放的氮元素最终以沉积在岩石礁石中进而组成海床的形式进入海洋。板块运动抬升岩石，它们分解和释放氮元素，再被植物和动物吸收，然后再一次被储存于岩石中——周而复始。风化作用包含物理分解和化学溶解，前者当岩石向上推进以及经受风雨侵蚀时会加速，后者会发生在诸如酸性雨水和岩石中的化合物反应时。 

位于纽约州米尔布鲁克的卡瑞生态系统研究所生物地球化学家William Schlesinger（没有参与这项研究）说，他曾经测出岩石中含有大量的氮，但没有“从中得出什么结论”。他认为这不是一种广泛或重要的土壤养分来源。但是Schlesinger告诫不要过度解释新发现的意义，要注意的是通过合成肥料进入土壤的氮量远大于来自岩石的分解量。他认为该发现应该纳入氮和碳的全球模型，并补充说，“我认为它不会改写我们对气候变迁的理解。” 

然而，这项发现解释了某些土壤中高氮含量的谜团。Houlton说：“我们的研究有助于解决氮含量观测结果和模型预测间的差距。”这些结果就观测加拿大和俄罗斯的大量、富氮且覆盖在沉积地层上的森林而言尤为重要。 

Houlton说，这项新的研究使用相对保守的手段测量了岩石中的氮含量，实际氮含量可能比他团队的计算值要高。他说：“当然，人类和我们的观察活动显著增加了侵蚀量，这将促使氮元素通过风化作用释放，而在我们的研究中还未考虑到这一点。”

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