مقدمه
خاک، ذخیره اولیه تمام عناصر غذایی را که برای گیاهان فراهم می نماید، از مواد مادری خود به ارث می برد. هوادیدگی سنگ ها با گذشت زمان، مجدداً منبع قابل دسترس بیشتر عناصر غذایی را تأمین می نماید. اما هوادیدگی سنگ ها، به ویژه هوادیدگی سنگ های آذرین، در تأمین نیتروژن قابل دسترس نقش زیادی ندارد. سنگ های آذرین، حاوی غلظت های بسیار کمی از این عنصر می باشند.
سنگ های رسوبی، حاوی نیتروژن بیشتری هستند. تقریباً تمام نیتروژن خاک از گیاهان و حیوانات منشأ می گیرد، اما آنها منابع ثانویه محسوب می شوند. جو، منبع اولیه نیتروژن می باشد. احتمالاً نیتروژن اصلی خاک، به وسیله رعد و برق، تثبیت شده و توسط آب باران وارد خاک می گردد. در سال، تنها 11-5 کیلوگرم نیتروژن در هکتار از این طریق وارد خاک می شود که این مقدار در مقایسه با نیاز گیاه بسیار کم می باشد. 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، عمده ترین ذخایر نیتروژنی خاک برای گیاهان و ریزجانداران به شمار می روند. تقریباً 95 درصد از کل نیتروژن در خاک به شکل ترکیبات آلی می باشد و مقدار کمی از این عنصر به شکل معدنی در خاک یافت می شود.
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 می شود.معمولاً لایه سطحی یک خاک زراعی حاوی 2000 تا 6000 کیلوگرم در هکتار نیتروژن آلی می باشد.
نیتروژن آلی، در ساختار پروتئین ها و دیگر مولکول های پیچیده قرار دارد. بخش زیادی از آن به شکل گروه های آمین که اجزاء تشکیل دهنده اسیدهای آمینه و قندهای آمینه هستند، وجود دارد. بقیه آن به شکل حلقه و یا زنجیره هایی، به کربن پیوند می یابد. 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 می کنند. دو الکترون باقیمانده با یون هیدروژن دیگری پیوند برقرار می نمایند. به این ترتیب، یک مکان دارای بار مثبت به وجود می آید. این مکان های دارای بار مثبت با سطوح دارای بار منفی رس پیوند برقرار کرده و از این طریق موجب پایداری ساختمان خاک می گردند. این پیوند، همچنین سبب پایداری ترکیب آلی شده و آن را نسبت به تجزیه مقاوم تر می نماید.فعالیت میکروبی، به تدریج سبب تجزیه ماده آلی می شود.
گروه آمین
هنگامی که پیوند کربن با نیتروژن شکسته می شود، 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 می شود. اما این مولکول به سرعت یک یون هیدروژن را جذب نموده و به یون آمونیوم تبدیل می گردد. این فرآیند آزاد شدن یونهای آمونیوم از مواد آلی در حال تجزیه، آمونیومی شدن نامیده می شود.
نیتروژن معدنی
آمونیوم، نیترات ، نیتریت و آمونیاک، اشکال مهم نیتروژن معدنی در خاک می باشند و حاصل تجزیه هوازی ترکیبات آلی بوده و یا از طریق کودهای نیتروژنی به خاک افزوده می‌شوند. سه شکل اول نیتروژن، 2 تا 5 درصد از نیتروژن کل خاک را شامل می شوند. آمونیوم به علت دارا بودن بار مثبت می تواند با سایر کاتیون های موجود در مکان های تبادلی خاک مبادله شده و یا توسط کانی های رسی، تثبیت گردد. سایر گونه های نیتروژن غیرآلی، نیتریت و نیترات هستند که فرآورده های نیتراتی شدن آمونیوم محسوب می شوند. نیترات، پایدارترین 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 می کند.
نیتریت
نیتریت محصول حد واسط نیتراتی شدن می باشد. معمولاً در خاک های 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 آنجایی که 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 می کند. نیتریت معمولاً به سرعت به نیترات تبدیل می شود، به طـوریکه مهمترین گونه های غیرآلی نیتروژن در آب خاک، آمونیوم و نیترات هستند. بر خلاف آمونیوم، یون های نیترات در طبیعت به صورت آنیونی وجود دارند و در نتیجه توسط کانی های رسی با بار منفی جذب نمی شوند. بنابراین نیترات تمایل به آبشویی به داخل آب های زیرزمینی، رودخانه ها و دریاچه ها دارد.
آمونیوم
یکی دیگر از رایجترین اشکال نیتروژن غیرآلی در خاک ها 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 رس های با بار منفی، بیشتر یون های آمونیوم بر روی سطوح کمپلکس های رسی جذب می شوند و سپس به صورت آمونیوم تبادلی در می آیند. بعضی از یون های آمونیوم آزاد در معرض نیتراتی شـــدن قرار می گیرند و در خاک های با تهویه مناسب به یون های نیترات تبدیل می شوند.
گاز آمونیاک توسط اعمال فشار و یا سرد شدن تبدیل به آمونیاک مایع می شود. برخی از کودهای نیتروژنی مانند سولفات آمونیوم از آمونیاک تولید می شوند. به طور کلی، آمونیوم فقط تحت شرایط غیرهوازی پایدار است. یون های آمونیوم به سرعت با کانی های رسی دارای بار منفی واکنش داده و با فلزات و ترکیبات آلی تشکیل کمپلکس می دهند.ماهیت کاتیونی آمونیوم موجب جذب و نگه داشت آن توسط کانی های خاک می شود. این فرآیند از آبشویی آمونیوم به لایه های پایینتر خاک جلوگیری می کند. وقتی که آمونیوم در فضـاهای بین لایه ای رسهای نوع انبساط پذیر قرار می گیرد، حبس می شود. به این فرآیند تثبیت آمونیوم گفته می شود.
تاثیر پی اچ برتولید آمونیوم و آمونیاک
در pH برابر با 26/9، غلظت های برابری از آمونیوم و آمونیاک در خاک تولید میشود. در خاک های با پی اچ بالاتر از 26/9، تولید آمونیاک بیشتر است. با این حال در بیشتر خاک ها و آب دریاچه ها و رودخانه ها مقدار پی اچ پایینتر از 26/9 است، از این رو آمونیوم پایداری بیشتری دارد.
