氮循環示意圖產生器
產生帶標註的氮循環示意圖，箭頭上寫明固氮、氨化、硝化、同化和脫氮作用，有簡版、土壤、水族箱和海洋等版本。給生態學和土壤學使用。
氮循環示意圖範例
四張氮循環示意圖分別是全過程標註、簡明循環圖、帶根瘤的土壤局部放大，以及空白學習單。每張都是依所附提示詞實際生成的圖，點選即可載入該提示詞並修改。
帶標註的氮循環示意圖：從大氣到土壤，再回到大氣
從頂端的N₂方框開始，以逆時針方向看：沿左側往下，經過土壤中的三個方框，再沿右側往上。
- 1
固氮作用
豆科植物根瘤中的細菌與土壤中獨立生活的細菌，把N₂轉變成銨離子（NH₄⁺）。
- 2
硝化作用
硝化細菌先把銨離子氧化成亞硝酸鹽（NO₂⁻），再把亞硝酸鹽氧化成硝酸鹽（NO₃⁻）。
- 3
同化作用、攝食、氨化作用
根吸收銨離子與硝酸鹽，動物吃下植物，分解者再把排遺轉變回銨離子。
- 4
脫氮作用
脫氮細菌把硝酸鹽中的氮以N₂的形式送回大氣。
簡易版、土壤、魚缸、海洋：不同場景的氮循環示意圖
化學反應在哪裡都一樣；圖上在它周圍畫什麼，取決於氮在哪裡流動。
簡易氮循環示意圖（手繪畫法）
大氣中的氮、固定它的細菌、利用它的植物與動物、把它送回來的分解者，以及經由脫氮作用回到大氣。手繪時：頂端畫一朵雲，中間畫一條橫越的地面線，左邊畫植物，中間畫動物，右邊畫分解者，箭頭以逆時針方向走。要求「五個標註」，就會省略亞硝酸鹽和根瘤特寫。
氮循環流程圖
化合物畫成方框，過程畫成帶標註的箭頭，不畫背景：N₂ → NH₄⁺ → NO₂⁻ → NO₃⁻ → 回到N₂。化學與微生物學課程可加上氮的氧化數（N₂ 0、NH₄⁺ −3、NO₂⁻ +3、NO₃⁻ +5），這樣硝化作用就讀作氧化，脫氮作用讀作經過NO與N₂O的還原。
固氮作用與根瘤菌示意圖
剖開的豆科植物根瘤：根瘤菌住在植物細胞裡，植物提供醣類，細菌提供氨。固氮酶遇到氧會被破壞，所以根瘤會製造能結合氧的豆血紅素，讓內部呈粉紅色。程度需要的話，還可以加上反應式：N₂ + 8 H⁺ + 8 e⁻ + 16 ATP → 2 NH₃ + H₂ + 16 ADP + 16 Pᵢ。
土壤與農業的氮循環
畫一塊農田而不是草地，並畫出人類造成的輸入與流失：哈柏法製造的肥料、輪作中的豆科作物、隨收成被帶走的氮、往下淋溶到地下水的硝酸鹽、從糞肥逸散的氨，以及積水土壤釋出的一氧化二氮。這是農學與環境科學用的版本。
魚缸氮循環與硝化菌示意圖
魚的排泄物和吃剩的飼料釋出氨；主要住在過濾器裡的細菌把氨氧化成亞硝酸鹽，再氧化成硝酸鹽。氨和亞硝酸鹽在低濃度下就對魚有毒；硝酸鹽的毒性低得多，靠部分換水和水草移除。新缸要幾週才能養出足夠的細菌，常畫成氨、亞硝酸鹽、硝酸鹽依序出現高峰的曲線圖。
海洋氮循環示意圖
陽光照得到的表層海水中，束毛藻等藍綠菌固定N₂；氮隨著死亡的浮游生物下沉；在深層釋出銨離子並被硝化；在缺氧的水體與沉積物中，氮經由脫氮作用與厭氧氨氧化回到N₂。可以要求在側邊標出深度分層。
氮循環的各個過程與作用
帶標註的氮循環示意圖通常要在箭頭上標出的過程、每個過程發生了什麼，以及由誰完成。除非你要求精簡，這就是預設的標註組合。
| 過程 | 發生了什麼 | 由誰完成 |
|---|---|---|
| 固氮作用 | 氮氣（N₂）轉變成氨（NH₃）或銨離子（NH₄⁺） | 豆科植物根瘤中的根瘤菌、藍綠菌、固氮菌屬等獨立生活的土壤細菌 |
| 閃電固氮 | 閃電的能量固定少量大氣中的氮 | 沒有生物參與，屬於非生物過程 |
| 工業固氮 | 氮氣與氫氣反應生成用於肥料的氨（哈柏法） | 肥料工廠 |
| 同化作用 | 植物以根吸收銨離子與硝酸鹽，合成蛋白質與核酸 | 植物，以及以植物為食的動物 |
| 氨化作用 | 分解者分解生物遺體與排遺，釋出銨離子 | 細菌與真菌 |
| 硝化作用（第一步） | 銨離子被氧化成亞硝酸鹽（NO₂⁻） | 亞硝化單胞菌等亞硝酸菌，以及氨氧化古菌 |
| 硝化作用（第二步） | 亞硝酸鹽被氧化成硝酸鹽（NO₃⁻） | 硝化桿菌等硝酸菌 |
| 脫氮作用 | 硝酸鹽被逐步還原成氮氣，回到大氣 | 缺氧土壤與水體中的假單胞菌、梭菌等細菌 |
| 厭氧氨氧化 | 在無氧條件下，銨離子與亞硝酸鹽反應生成氮氣 | 缺氧水體與沉積物中的浮黴菌門細菌 |
不同階段要求標出的過程不同。國中自然通常只需固氮、硝化、植物吸收與脫氮；高中生物與大學課程還要加上氨化作用、硝化作用的兩個步驟、厭氧氨氧化與工業固氮。指定需要的標註，就只畫那些。
氮循環示意圖是什麼？
氮循環示意圖呈現氮在大氣、土壤與生物之間如何流動：固氮細菌把氮氣轉變成銨離子，硝化細菌把它轉變成硝酸鹽，植物吸收利用，脫氮細菌再把它送回大氣。每個箭頭都標出對應的過程。
重點
- 氮氣約占大氣的78%，但植物無法直接利用。N₂的兩個原子以參鍵相連，必須先被固定成氨或銨離子，植物與浮游植物才能吸收。
- 固氮主要靠細菌完成。根瘤菌生活在豌豆、菜豆、三葉草等豆科植物的根瘤中；藍綠菌與固氮菌屬（Azotobacter）等獨立生活的土壤細菌也能固氮，閃電也能在沒有生物參與下固定少量氮。
- 硝化作用由兩類微生物完成。亞硝酸菌（如亞硝化單胞菌）把銨離子氧化成亞硝酸鹽，另一類硝酸菌（如硝化桿菌）再把亞硝酸鹽氧化成硝酸鹽。兩個步驟都需要氧氣。
- 脫氮作用讓循環閉合。在積水的土壤、沉積物等缺氧環境中，假單胞菌等脫氮細菌把硝酸鹽還原成氮氣，同時釋放少量溫室氣體一氧化二氮（N₂O）。
- 人類活動已使全球固氮量增加一倍。哈柏法生產的肥料與化石燃料燃燒所固定的氮，已相當於所有自然來源的總和；流失的多餘氮會造成湖泊、河川與近海的優養化。
硝化作用與脫氮作用有什麼不同？
硝化作用把銨離子轉變成硝酸鹽，讓氮以植物能吸收的形式留在土壤中；脫氮作用把硝酸鹽轉變成氮氣，把氮從土壤帶走、送回大氣。硝化作用需要氧氣，脫氮作用發生在缺氧的地方。
| 硝化作用 | 脫氮作用 | |
|---|---|---|
| 物質轉變 | 銨離子（NH₄⁺）→亞硝酸鹽（NO₂⁻）→硝酸鹽（NO₃⁻） | 硝酸鹽（NO₃⁻）→亞硝酸鹽與氣態氮氧化物→氮氣（N₂） |
| 氧氣 | 需要（好氧） | 不需要（厭氧） |
| 發生場所 | 通氣良好的土壤與水體 | 積水土壤、沉積物、湖泊與海洋的缺氧層 |
| 微生物 | 亞硝化單胞菌，接著是硝化桿菌 | 假單胞菌、副球菌、芽孢桿菌等 |
| 微生物的能量來源 | 氧化銨離子或亞硝酸鹽，獲得的能量很少，所以生長緩慢 | 分解有機物，以硝酸鹽代替氧氣 |
| 對土壤的影響 | 以植物可吸收的硝酸鹽形式把氮留在土壤中 | 使土壤中的氮流失 |
| 需要留意的影響 | 硝酸鹽流入河川與飲用水 | 溫室氣體一氧化二氮（N₂O） |
把硝化作用畫成兩個箭頭：銨離子到亞硝酸鹽、亞硝酸鹽到硝酸鹽；把脫氮作用畫成一個從硝酸鹽回到大氣的箭頭。把硝酸鹽到大氣的箭頭標成「硝化作用」，或跳過亞硝酸鹽直接連接銨離子與硝酸鹽的圖，是最先要檢查的錯誤。
關於氮循環示意圖的常見問題
帶標註的氮循環示意圖應該包含哪些內容？
標準內容是大氣中的氮氣、根瘤與土壤中的固氮細菌、銨離子、亞硝酸鹽與硝酸鹽、植物、動物與分解者，以及連接它們的固氮作用、同化作用、氨化作用、硝化作用與脫氮作用箭頭。這是預設內容；要求減少標註，就只畫你要的那些。
魚缸裡的氮循環是怎麼運作的？
魚的排泄物和剩下的飼料釋出氨，過濾器與底砂中的硝化菌把氨轉變成亞硝酸鹽，再轉變成硝酸鹽，換水和水草再把硝酸鹽移除。氨和亞硝酸鹽即使濃度很低也會傷害魚，所以新缸要先「養水」幾週，直到細菌的處理能力跟得上。魚缸裡的氮是隨飼料進來的，而不是來自空氣。
氮循環的過程依序是怎樣的？
固氮作用、硝化作用、同化作用、氨化作用與脫氮作用。細菌把N₂固定成銨離子；硝化細菌把銨離子先轉變成亞硝酸鹽，再轉變成硝酸鹽；植物吸收硝酸鹽與銨離子，動物以植物為食；分解者把排遺與遺體中的氮以銨離子形式歸還；脫氮細菌再把硝酸鹽轉變成N₂。氮在回到大氣之前，可以在土壤與生物之間往返許多次。
植物為什麼不能直接利用空氣中的氮？
因為N₂的兩個原子以參鍵相連，植物沒有能打開它的酵素。只有部分細菌與古菌擁有固氮酶，能把N₂還原成氨，而且每固定一分子N₂至少要消耗16分子ATP。
豆科植物根瘤裡的細菌在做什麼？
它們替植物固氮。根瘤菌受到豌豆、菜豆、大豆、三葉草等植物根部吸引，侵入根部形成根瘤，在根瘤裡把氮氣轉變成植物能利用的形式。所以種菜與種田時種豌豆或三葉草，也是為了替土壤補充氮。
固氮作用和硝化作用是同一件事嗎？
不是。固氮作用把氮氣轉變成氨或銨離子；硝化作用把銨離子轉變成亞硝酸鹽，再轉變成硝酸鹽。固氮把空氣中的氮帶進生物界，硝化作用改變已經在土壤裡的氮的形態。負責的微生物也不同：根瘤菌與固氮菌屬負責固氮，亞硝酸菌與硝酸菌負責硝化。
什麼是氨化作用？
氨化作用是分解者釋出銨離子的過程。生物死亡或排出廢物後，其蛋白質與核酸中的氮屬於有機氮；細菌與真菌把它們分解，以氨或銨離子的形式釋出，供植物吸收或被硝化細菌氧化。
人類活動如何影響氮循環？
主要透過肥料與化石燃料燃燒，兩者使每年被固定的氮量增加一倍。沒被利用的肥料硝酸鹽流入河川湖泊，造成優養化，過度繁殖的生物耗盡水中的溶氧；燃燒產生的氮氧化物加劇酸雨，一氧化二氮則加劇氣候變遷。
能畫一張給國中生看的簡單氮循環圖嗎？
可以。要求簡明循環圖，就只保留重點：空氣中的氮、在土壤中固氮的細菌、利用氮的植物與動物，以及把氮歸還土壤的分解者。國中階段通常五個標註以內就夠了。
工具怎麼確保氮循環的箭頭方向正確？
內建了學科層面的要求。每張圖都被要求依教科書的標準畫法繪製：各過程依真實順序排在一個封閉的循環上，以標出過程名稱的箭頭連接，每個標註拼寫正確。列印前請對照你的課本核對術語，在畫布上可以就地修改任何標註。
這裡產生的氮循環圖可以用在生態學課堂或報告裡嗎？
可以，產生的氮循環圖歸你所有，可用於生態學與環境科學學習單、簡報、報告與學位論文。依模型不同最高可匯出 4K。
產生後能替各個過程改名，或翻譯氮循環圖的標註嗎？
可以。畫布能辨識每一個標註，你可以把「氨化作用」改成「礦化作用」，把硝酸鹽寫成 NO₃⁻，翻譯整套標註，或替箭頭換色，都不必重新產生整張圖。
資料來源
- Biogeochemical Cycles — Biology 2e, section 46.3 — OpenStax
- The Nitrogen Cycle: Processes, Players, and Human Impact — Nature Education (Scitable)
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