夏日的池塘边能闻到一股土腥味，池底冒出的气泡却几乎没人注意。那些气泡里大量是氮气，来自水底缺氧层的反硝化。泥炭沼泽与河口水底，气泡也会持续冒出来。空气里氮气占 78%，生物却常常缺氮，这个矛盾要靠三种方向相反的过程来化解。
空气里的氮气用不上，固氮是先把三键拆开
氮气的两个氮原子由三键相连，键能约 941 千焦每摩尔，绝大多数生物没有本事拆开它。固氮微生物靠固氮酶把氮气还原成铵，这一步把惰性的氮变成生物能用的形态，是整个循环的入口。这一步代价很高，还原一分子氮气要消耗大量能量。
固氮酶遇氧就失活，所以固氮者都给自己造了缺氧小环境：根瘤菌躲在豆科植物的根瘤里，蓝细菌把固氮细胞加厚壁，形成异形胞。陆地生物固氮每年约 6000 万吨氮，海洋约 1.4 亿吨氮，工业固氮另有 1.5 亿吨，走的是高温高压，原理相同，规模已接近自然总量。
硝化分两步走，每一步都要氧
铵先在氨氧化细菌与古菌的作用下变成亚硝酸盐，再由亚硝酸盐氧化细菌变成硝酸盐，两步合称硝化。两类菌各管一段，中间产物亚硝酸盐很少积累，除非第一步快过第二步，那通常意味着氧或底物出了变化，亚硝酸盐积累常被当作缺氧信号。
硝化是好氧过程，在海洋里集中在氧最小层的上缘。那里铵从下方涌上来，氧从上方扩散下来，两条梯度交会，形成一层薄薄的硝化带。这一层消耗氧，也把铵转成硝酸盐，供上层浮游植物使用。这一层只有几十米厚，却决定上层能拿到多少氮。
反硝化在缺氧处把硝酸盐还原成氮气
氧浓度降到每升几微摩尔以下，一些细菌改用硝酸盐呼吸，把硝酸盐一步步还原成氮气。这是固定氮回到大气的唯一大规模通道，也是海洋氮收支里最难测的一项，因为它发生在水柱中间，不在海底。这套酶在氧回来时会立刻停下。
阿拉伯海与东太平洋的缺氧区，反硝化每年损失上亿吨氮。损失与固氮必须长期平衡，否则海洋的可用氮会在几千年内被抽干。海洋硝酸盐的停留时间约 3000 年，这个数字就是平衡的缓冲垫。缺氧区面积随季风与上升流变化，年际差别很大。
厌氧氨氧化是第四条路，最容易与反硝化混在一起
厌氧氨氧化细菌把铵与亚硝酸盐直接合成氮气，不需要有机碳，也不经过硝酸盐还原的中间步骤。它在缺氧水柱与沉积物里广泛存在，估计贡献了海洋氮气损失的三成到五成，量级与反硝化相当。污水处理里的脱氮池，用的就是这条反应。
两者产物都是氮气，靠溶解气体总量分不开。要区分，得用氮 15 标记的铵或硝酸盐做培养，看标记进了哪一侧。培养时若不加抑制剂，两条路会同时跑。本文判断：只报氮气产量的研究，通常说不清是反硝化还是厌氧氨氧化在起作用。
关键数据
三个过程的量级与门槛，可以压成下面几条。
- 大气氮气占 78%。
- 氮气三键键能约 941 千焦每摩尔。
- 陆地生物固氮每年约 6000 万吨氮。
- 海洋生物固氮每年约 1.4 亿吨氮。
- 工业固氮每年约 1.5 亿吨氮。
- 反硝化要求氧低于每升几微摩尔。
- 海洋硝酸盐停留时间约 3000 年。
硝化与反硝化在同一颗粒里耦合，净通量就测不出来
缺氧微区常出现在有氧水体内部：一颗下沉的有机颗粒，外层硝化，内层反硝化，两个过程相隔几十微米。采样瓶混匀后测到的净变化接近零，看起来像什么都没发生，实际通量并不小。微电极能测到毫米级的分布，混匀采样测不到。
本文判断：判断一个水体是氮的源还是汇，要看净收支，不能看单个过程速率。固氮与反硝化同时存在时，两个大数相减得一个小数，误差很容易把符号翻过来，这正是海洋氮收支长期吵不出结果的原因。
参考文献
- Canfield D E, Glazer A N, Falkowski P G. The evolution and future of Earth’s nitrogen cycle. Science, 2010.
- Galloway J N, et al. Nitrogen cycles: past, present, and future. Biogeochemistry, 2004.
- Schlesinger W H, Bernhardt E S. Biogeochemistry: An Analysis of Global Change. 4th ed. Academic Press, 2020.