منابع و اشکال نیتروژن در خاک
منابع نیتروژن در خاک
خاک، ذخیره اولیه تمام عناصر غذایی را که برای گیاهان فراهم می‌نماید، از مواد مادری خود به ارث می‌برد. هوادیدگی سنگ‌ها با گذشت زمان، مجدداً منبع قابل دسترس بیشتر عناصر غذایی را تأمین می‌نماید. اما هوادیدگی سنگ‌ها، به ویژه هوادیدگی سنگ‌های آذرین، در تأمین نیتروژن قابل دسترس نقش زیادی ندارد. سنگ‌های آذرین، حاوی غلظت‌های بسیار کمی از این عنصر می‌باشند. سنگ‌های رسوبی، حاوی نیتروژن بیشتری هستند. تقریباً تمام نیتروژن خاک از گیاهان و حیوانات منشأ می‌گیرد، اما آن‌ها منابع ثانویه محسوب می‌شوند. جو، منبع اولیه نیتروژن می‌باشد. احتمالاً نیتروژن اصلی خاک، به وسیله رعد و برق، تثبیت شده و توسط آب باران وارد خاک می‌گردد. در سال، تنها ۱۱-۵ کیلوگرم نیتروژن در هکتار از این طریق وارد خاک میشود که این مقدار در مقایسه با نیاز گیاه بسیار کم می‌باشد. هر چند، در برخی از نواحی ممکن است نیتروژن بیشتری از اتمسفر وارد خاک شود.
اشکال نیتروژن در خاک
نیتروژن آلی
مواد آلی خاک به ویژه ترکیبات هومیک، عمده‌ترین ذخایر نیتروژنی خاک برای گیاهان و ریز‌جانداران به شمار می‌روند. تقریباً ۹۵ درصد از کل نیتروژن در خاک به شکل ترکیبات آلی می‌باشد و مقدار کمی از این عنصر به شکل معدنی در خاک یافت میشود. بخشی از ترکیبات آلی حاوی نیتروژن در برابر تجزیه میکروبی مقاوم بوده و نیمه عمری در حدود صد و حتی هزار سال دارند و بخش دیگر در طی چند روز تا چند هفته توسط ریز‌جانداران به دی اکسیدکربن و نیتروژن معدنی تبدیل میشود. معمولاً لایه سطحی یک خاک زراعی حاوی ۲۰۰۰ تا ۶۰۰۰ کیلوگرم در هکتار نیتروژن آلی می‌باشد. نیتروژن آلی، در ساختار پروتئین‌ها و دیگر مولکول‌های پیچیده قرار دارد. بخش زیادی از آن به شکل گروه‌های آمین که اجزاء تشکیل دهنده اسید‌های آمینه و قند‌های آمینه هستند، وجود دارد. بقیه آن به شکل حلقه و یا زنجیره‌هایی، به کربن پیوند می‌یابد. نیتروژن در یک گروه آمین، با یک کربن و دو اتم هیدروژن پیوند کووالانسی دارد. شش عدد از هشت الکترون در لایه بیرونی در این سه پیوند شرکت می‌کنند. دو الکترون باقی‌مانده با یون هیدروژن دیگری پیوند برقرار می‌نمایند. به این ترتیب، یک مکان دارای بار مثبت به وجود می‌آید. این مکان‌های دارای بار مثبت با سطوح دارای بار منفی رس پیوند برقرار کرده و از این طریق موجب پایداری ساختمان خاک می‌گردند. این پیوند، همچنین سبب پایداری ترکیب آلی شده و آن را نسبت به تجزیه مقاوم‌تر می‌نماید.
فعالیت میکروبی، به تدریج سبب تجزیه ماده آلی میشود. هنگامی‌که پیوند کربن با نیتروژن شکسته میشود، معمولاً یک گروه آمین، هیدروژن دیگری را جذب می¬نماید. گروه آمینی که بر اثر جذب یک هیدروژن، قبلاً دارای یک بار مثبت بوده است، به یک یون آمونیوم تبدیل شده و وارد محلول خاک می-گردد. اگر گروه آمین دارای بار مثبت نباشد، یک مولکول آمونیاک آزاد میشود. اما این مولکول به سرعت یک یون هیدروژن را جذب نموده و به یون آمونیوم تبدیل می‌گردد. این فرآیند آزاد شدن یون‌های آمونیوم از مواد آلی در حال تجزیه، آمونیومی شدن نامیده میشود.
نیتروژن معدنی
آمونیوم، نیترات ، نیتریت و آمونیاک، اشکال مهم نیتروژن معدنی در خاک می‌باشند و حاصل تجزیه هوازی ترکیبات آلی بوده و یا از طریق کودهای نیتروژنی به خاک افزوده می‌شوند. سه شکل اول نیتروژن، ۲ تا ۵ درصد از نیتروژن کل خاک را شامل می‌شوند. آمونیوم به علت دارا بودن بار مثبت می‌تواند با سایر کاتیون‌های موجود در مکان‌های تبادلی خاک مبادله شده و یا توسط کانی‌های رسی، تثبیت گردد. سایر گونه‌های نیتروژن غیرآلی، نیتریت و نیترات هستند که فرآورده‌های نیتراتی شدن آمونیوم محسوب می‌شوند. نیترات، پایدار¬ترین شکل نیتروژن اکسید شده خاک است و به علت پایداری نسبی آن، اکثر ترکیبات نیتروژنی تمایل دارند به نیترات تبدیل شوند. نیترات به علت دارا بودن بار منفـی در خاک جذب نشده و به راحتی همراه آب در خاک حرکت میکند.
نیتریت محصول حد واسط نیتراتی شدن می‌باشد. معمولاً در خاک‌های زراعی، اکسید شدن یون نیتریت به نیترات توسط نیتروباکتر، نسبت به تبدیل یون آمونیوم به نیتریت توسط باکتری نیتروزموناس، با سرعت بیشتری انجام میشود. به همین علت غالباً غلظت یون نیتریت در خاکها ناچیز است. اما هرگاه مقادیر بالایی از ترکیبات حاوی یون آمونیوم به خاکها اضافه شود، از آنجایی‌که یون آمونیوم برای نیتروباکتر سمی است، ممکن است فرآیند تبدیل شدن یون نیتریت به نیترات متوقف شده و غلظت نیتریت در خاک افزایش یابد. یون نیتریت نیز همانند نیترات به علت داشتن بار منفی، در خاک جذب نشده و به راحتی همراه آب در خاک حرکت میکند. نیتریت معمولاً به سرعت به نیترات تبدیل میشود، به طـوری‌که مهم‌ترین گونه‌های غیرآلی نیتروژن در آب خاک، آمونیوم و نیترات هستند. بر خلاف آمونیوم، یون‌های نیترات در طبیعت به صورت آنیونی وجود دارند و در نتیجه توسط کانی‌های رسی با بار منفی جذب نمی‌شوند. بنابراین نیترات تمایل به آبشویی به داخل آب‌های زیر‌زمینی، رودخانه‌ها و دریاچه‌ها دارد.
یکی دیگر از رایج‌ترین اشکال نیتروژن غیرآلی در خاکها آمونیاک حاصـل از فرآیند آمونیومی شدن است. آمونیاک به عنـوان یـک گاز در آب خاک حل و تبدیل به آمونیوم میشود. واکنش آن به صورت زیر است:
-NH3 + H2O → NH4+ + OH
مقدار آمونیوم در محلول خاک بستگی به فشار جزئی آمونیوم دارد. در فشارهای جزئی بالاتر میزان آمونیوم بیشتری در محلول خاک وجود داشته و در فشارهای جزئی پایین‌تر مقدار آمونیوم کمتری در محلول خاک وجود دارد. در حضور رس‌های با بار منفی، بیشتر یون‌های آمونیوم بر روی سطوح کمپلکس‌های رسی جذب می‌شوند و سپس به صورت آمونیوم تبادلی در می‌آیند. بعضی از یون‌های آمونیوم آزاد در معرض نیتراتی شـــدن قرار می‌گیرند و در خاک‌های با تهویه مناسب به یون‌های نیترات تبدیل می‌شوند. گاز آمونیاک توسط اعمال فشار و یا سرد شدن تبدیل به آمونیاک مایع میشود. برخی از کودهای نیتروژنی مانند سولفات آمونیوم از آمونیاک تولید می‌شوند. به طور کلی، آمونیوم فقط تحت شرایط غیر-هوازی پایدار است. یون‌های آمونیوم به سرعت با کانی‌های رسی دارای بار منفی واکنش داده و با فلزات و ترکیبات آلی تشکیل کمپلکس می‌دهند. ماهیت کاتیونی آمونیوم موجب جذب و نگهداشت آن توسط کانی‌های خاک میشود. این فرآیند از آبشویی آمونیوم به لایه‌های پایین‌تر خاک جلوگیری می¬کند. وقتی که آمونیوم در فضـا‌های بین لایه‌ای رس‌های نوع انبساط‌پذیر قرار می‌گیرد، حبس میشود. به این فرآیند تثبیت آمونیوم گفته میشود. در pH برابر با ۹/۲۶، غلظت‌های برابری از آمونیوم و آمونیاک در خاک تولید میشود. در خاک‌های با پی‌اچ بالاتر از ۹/۲۶، تولید آمونیاک بیشتر است. با این حال در بیشتر خاکها و آب دریاچه‌ها و رودخانه‌ها مقدار پی‌اچ پایین‌تر از ۹/۲۶ است، از این رو آمونیوم پایداری بیشتری دارد.
