مقدمه ای بر نیتروژن و چرخه آن در خاک

مقدمه ای بر نیتروژن و چرخه آن در خاک

نیتروژن عنصر اصلی تشکیل دهنده پروتئین­ها و اسید­های آمینه در گیاهان است. بر خلاف سایر عناصر غذایی مورد نیاز اکثر گیاهان که منبع آن­ها هوادیدگی کانی­های خاک می­باشد، منبع اولیه نیتروژن موجود در خاک، نیتروژن اتمسفری است. این عنصر محدود­کننده­ترین و پر­مصرف­ترین عنصر غذایی مورد نیاز گیاه بوده و عنصر اصلی تشکیل دهنده پروتئین­ها، اسید نوکلئیک­ها، پورفیرین­ها و آلکالوئید­ها است. جو زمین دارای ۷۸ درصد نیتروژن به صورت N2 می­باشد. این مولکول دو اتمی دارای ساختار پایداری در طبیعت است و این پایداری به قدری بالا است که موجب کم تحرکی آن و واکنش­پذیری اندک آن شده است و تا زمانی­که این نیتروژن با هیدروژن، اکسیژن و یا کربن ترکیب نشود، گیاهان عالی نمی­توانند از آن استفاده نمایند. فرآیند ترکیب نیتروژن با عناصر دیگر، تثبیت نیتروژن نامیده می­شود. در طبیعت، تثبیت نیتروژن توسط ریزجانداران خاص و همچنین به وسیله رعد و برق انجام می­شود، اما معمولاً مقدار نیتروژن تثبیت شده، کم بوده و تمام نیاز گیاهان را به این عنصر حیاتی فراهم نمی­کند.

نیتروژن در خاک به صورت آلی و معدنی موجود بوده و دارای چندین حالت اکسیداسیون از ۳- تا ۶+ می‌باشد. مقدار نیتروژن کل خاک به طور قابل ملاحظه­ای از ۰/۰۵درصد در خاک­های نواحی خشک، تا ۰/۳ درصد در خاک­های مناطق مرطوب و مقادیر بیشتر در خاک­های مناطق نیمه مرطوب تغییر می­کند. در محلول خاک غلظت نیتروژن کمتر است و بخش کوچکی از نیتروژن کل خاک را تشکیل می­دهد. بیشتر ترکیبات آلی نیتروژن مانند اسید­های آمینه در محلول خاک قابل حل هستند. با این حال بیشتر نیتروژن موجود در محلول خاک به شکل ترکیبات معدنی مانند آمونیوم، نیترات و نیتریت می­باشد. این یون­ها توسط تجزیه ماده آلی خاک وارد محلول خاک می­شوند. معمولاً پتانسیلی که در گیاهان در حال رشد برای جذب نیتروژن وجود دارد، از مقدار نیتروژن قابل دسترس بیشتر است. در نتیجه، معمولاً مقدار نیتروژن قابل دستــرس خاک بســـیار کم می­باشد. در بعضی از موارد، ممکن است مقدار ۱۱۰ کیلوگرم در هکتار و یا بیشتر، نیتروژن قابل دسترس در خاک وجود داشته باشد، اما متوسط مقداری که می­تواند در اکثر خاک­ها وجود داشته باشد، کمتر از ۳۳ کیلوگرم در هکتار است. مقدار نیتروژن آلی، بسیار بیشتر و در حدود ۳۳۰۰ کیلوگرم در هکتار می­باشد. می­توان نیتروژن آلی را به عنوان یک مخزن نیتروژن در نظر گرفت که در شرایط معتدل، سالیانه ۱ تا ۵ درصد و در شرایط گرمسیری، بیش از ۵۰ درصد از نیتروژن آن به شکل قابل دسترس در­می­آید. بیشتر ترکیبات آلی در گیاه، حاوی نیتروژن می­باشند. از جمله ترکیبات نیتروژن­دار در گیاه می­توان به اسید­های آمینه، اسید­های نوکلئیک، بسیاری از آنزیم­ها و مواد انتقال دهنده انرژی مانند کلروفیل، ADP و ATP اشاره نمود. در صورت عدم حضور نیتروژن برای ساخت این ترکیبات حیاتی، گیاه قادر به انجام فرآیند­های حیاتی خود نخواهد بود.

گیاهان در حال رشد، برای ساخت سلول­های جدید به نیتروژن نیاز دارند. در فرآیند فتوسنتز، با استفاده از CO2 و H2O، کربوهیدرات­ها تولید می­شوند، اما بدون وجود نیتروژن، تولید پروتئین­ها، اسید­های نوکلئیک، آنزیم­ها و بسیاری از ترکیبات ضروری برای انجام فرآیند­های حیاتی، امکان­پذیر نیست. در صورت کمبود شدید نیتروژن، فرآیند­های رشد و تولید­مثل متوقف می­شوند. یکی از دلایل کاهش رشد گیاهان، کمبود نیتروژن می­باشد. کمبود نیتروژن، بیش از سایر عناصر غذایی در تولید محصولات مشاهده می­شود. بنابراین، سیستم­های کشت محصولات غیر از بقولات نیاز به اضافه کردن نیتروژن به خاک دارند. بسیاری از منابع نیتروژن جهت فراهم کردن نیتروژن مورد نیاز محصول، در دسترس هستند. علاوه بر کود­های غیر­آلی نیتروژن، نیتروژن آلی موجود در کود­های حیوانی و سایر فضولات و نیز تثبیت نیتروژن توسط بقولات، نیتروژن کافی برای تولید مطلوب محصولات را فراهم می­نماید. شناخت رفتار نیتروژن در خاک جهت به حداکثر رساندن قابلیت تولید و سود­رسانی کشاورزی همراه با کاهش اثرات کود نیتروژن بر محیط، ضروری است.

نیتروژن باید در ابتدا از راه­های زیر به شکل قابل استفاده برای گیاه تبدیل شود:

  • تثبیت N2 توسط ریز­جاندارانی که بر روی ریشه بقولات و گونه­های خاصی از گیاهانی که در خانواده بقولات نیستند، زندگی همزیستی دارند .
  • تثبیت N2 توسط ریز­جانداران آزاد­زی یا غیر­همزیست.
  • تشکیل اکسید­های نیتروژن از طریق تخلیه الکتریکی اتمسفر.
  • تولید کود­های حاوی نیتروژن.

     منبع نا­محدود نیتروژن اتمسفر در یک تعادل پویا با تمام اشکال نیتروژن در خاک، آب و موجودات زنده و غیر­زنده قرار دارد.

چرخه نیتروژن

برای مدیریت بهتر مصرف کود­ها و بقایای آلی نیتروژن­دار، آگاهی از چرخه نیتروژن در خاک­های کشاورزی لازم می­باشد. فرآیند­های چرخه نیتروژن در سیستم خاک- گیاه- اتمسفر شامل معدنی شدن (آمونیومی شدن+ نیتراتی شدن)، آلی شدن، جذب و تحلیل، تصعید، نیترات­زدایی، تثبیت، ورود به خاک از طریق بارندگی و آب آبیاری و خروج از خاک از طریق آبشویی می­باشد (شکل الف). منابع تولید نیتروژن در خاک­ها شامل نیتروژن آلی موجود در خاک، بقایای گیاهی و حیوانی اضافه شده به خاک، نیتروژن اضافه شده از طریق بارندگی و آب آبیاری، جذب گاز اتمسفری توسط خاک، تثبیت بیولوژیکی گاز نیتروژن و کود­های شیمیایی نیتروژن­دار می­باشد. راه­های کاهش نیتروژن از خاک، شامل برداشت توسط گیاهان و حیوانات، فرسایش و رواناب سطحی، آبشویی، نیترات­زدایی و تثبیت آمونیوم است.

     در فرآیند معدنی شدن، ابتدا نیتروژن آلی به آمونیوم تبدیل شده و پس از آن، آمونیوم تولید شده توسط ریز­جانداران ویژه به نیتریت و سپس به نیترات تبدیل می­گردد. اکسیداسیون بیولوژیکی آمونیوم به نیترات، نیتراتی شدن نامیده می­شود. از آنجایی­که یون آمونیوم دارای بار مثبت می­باشد، توسط ذرات خاک جذب شده و نسبت به نیتریت و نیترات تحرک کمتری در خاک دارد. در اراضی زراعی، بیشتر نیتروژن معدنی خاک به دلیل فراهم بودن شرایط نیتراتی شدن به شکل نیترات است. در جنگل­ها و چمنزار­ها، نیتروژن معدنی بیشتر به شکل آمونیوم است. نیتراتـی شدن فرآیند اصـلی در تعیین سرنوشت نیتـروژن در خاک محسـوب می­شود. میزان یون آمونیوم و نیترات قابل استفاده در خاک به میزان و نوع کود نیتروژنی مصرفی و سرعت معدنی شدن نیتروژن آلی خاک بستگی دارد. خصوصیات فیزیکی خاک (بافت و ساختمان)، خصوصیات محیطی خاک (دما، رطوبت و تهویه) و خصوصیات شیمیایی خاک (پی­اچ، هدایت الکتریکی، نسبت C/N­، ظرفیت تبادل کاتیونی و ماده آلی) از جمله عوامل مؤثر در نیتراتی شدن نیتروژن در خاک می­باشند.


شکل الف: چرخه نیتروژن درسیستم خاک-گیاه-اتمسفر.

فعالیت­های انسانی تأثیر بسزایی در چرخه نیتروژن در خاک دارند. اکثر محصولات غذایی مانند غلات که توانایی تثبیت نیتروژن اتمسفری را ندارند، نیتروژن مورد نیاز خود را از معدنـی شدن مواد آلـی خاک و یا از کود­های نیتروژنـی اضـافه شده به خاک به­دست می­آورند. کشاورزی مدرن امروزی که وابسته به مصرف بیش از اندازه کود­های شیمیایی و بقایای آلی در خاک بدون توجه به اثرات زیست محیطی آن است، چرخه طبیعی نیتروژن را در خاک بر هم زده اسـت. از آنجـایی­که ذخیـره نیتروژنـی خاک بر طرف­کننده نیاز گیاهی نیست، استفاده نا­صحیح از کود­های نیتروژنی، به ویژه کود­های آمونیومی و بقایای آلی در خاک، به علت وقوع فرآیند نیتراتی شدن و خروج نیتروژن از سیستم­های کشاورزی، اثرات جبران­ناپذیری بر محیط زیست به جا گذاشته است.

فرآیند نیتراتی شدن یکی از عوامل بالقوه و تأثیر­گذار در بالابردن بازده مصرف کود­های نیتروژنی است. با این فرآیند و با تغییر شکل نیتروژن به نیترات، احتمال آبشویی آن به شکل آنیون نیترات و یا خروج آن به شکل گاز افزایش می­یابد. این تغییر شکل همچنین بر روی چگونگی جذب نیتروژن توسط گیاهان و شکلی از نیتروژن که وارد چرخـه نیتروژن می­شود تأثیر­گذار است. یکی از راه­های ورود نیتروژن به خاک، آبیاری با آب­هایی است که حاوی نیتروژن هستند. به عنوان یک نمونه تحقیقاتی، در صورتی­که ۱۰۰۰۰ متر­مکعب در هکتار در سال آب جهت آبیاری استفاده شود، ۲/۶ تا ۲۵۲۴ کیلوگرم در هکتار نیترات به خاک افزوده خواهد شد. به نظر می­رسد که بایستی در محاسبه میزان نیاز کودی، ورود نیتروژن از طریق آب آبیاری نیز منظور گردد. توجه به این مسئله باعث خواهد شد که از مصرف بی­رویه کود­های نیتروژنی خودداری گردد.

نوشته‌های پیشین
استفاده از کودهای بیوزر برای غنی سازی خاک بانک نشا
نوشته‌ی بعدی
منابع و اشکال نیتروژن در خاک

دیدگاهتان را بنویسید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *

Fill out this field
Fill out this field
لطفاً یک نشانی ایمیل معتبر بنویسید.

فهرست