نقش نیتروژن در گیاهان

نیتروژن (ازت) یکی از مواد مغذی موردنیاز برای رشد و نمو و تکثیر گیاهان است. علیرغم اینکه نیتروژن یکی از فراوان‌ترین عناصر موجود روی کره‌ی زمین است؛ ولی احتمالاً کمبود نیتروژن در گیاهان یکی از عمده‌ترین مشکلات تغذیه‌ای است که گیاهان را در همه جا تحت‌تأثیر قرار داده است. باید توجه داشت که نیتروژن موجود در جو و پوسته‌ی زمین مستقیماً در دسترس گیاهان قرار نمی‌گیرد.

نیتروژن در گیاهان

بافت‌های بالایی گیاهان سالم (بافت‌هایی که بالاتر از سطح زمین قرار دارند) دارای ۳-۴ درصد نیتروژن هستند. در مقایسه با سایر مواد مغذی این میزان غلظت نیتروژن بسیار زیاد است. کربن، هیدروژن و اکسیژن مواد مغذی دیگری هستند که در برنامه‏‌های مدیریت حاصل‌خیزی نقش قابل‏‌توجهی ندارند ولی در غلظت‌های بالایی وجود دارند.

نیتروژن برای گیاه بسیار حیاتی است. زیرا نیتروژن یکی از عناصر اصلی کلروفیل است. کلروفیل ترکیبی شیمیایی در گیاهان است که با استفاده از انرژی خورشید، آب و دی‌اکسیدکربن قند تولید می‌کند. این فرایند فتوسنتز نام دارد. علاوه براین نیتروژن یکی از عناصر اصلی آمینواسیدها، یعنی واحدهای ساختاری پروتئین‌ها، است. گیاهان بدون وجود پروتئین‌ها پژمرده می‌شوند و از بین می‌روند. برخی از پروتئین‌ها به‌عنوان واحدهای ساختاری در سلول‌های گیاهی عمل می‌کنند؛ درحالی‌که برخی دیگر به‌عنوان آنزیم عمل می‌کنند و فعل‌وانفعالات بیوشیمیایی حیاتی را امکان‌پذیر می‌سازند. نیتروژن یکی از مؤلفه‏‌های ترکیبات انتقال انرژی همچون ATP (آدنوزین تری‏‌فسفات) است. ATP باعث می‌شود سلول‌ها انرژی حاصل از متابولیسم را ذخیره کنند و از آن استفاده کنند. در پایان باید خاطرنشان کرد که نیتروژن یکی از عناصر مهم اسیدهای نوکلئیک همچون DNA است. DNA ماده‌ی ژنتیکی است که باعث رشد و تکثیر سلول‌ها و در نهایت رشد کل گیاه می‌شود. بدون وجود نیتروژن زندگی به آن صورتی که می‌شناسیم وجود نخواهد داشت.

نیتروژن خاک

نیتروژن موجود در خاک به سه صورت وجود دارد: ترکیبات نیتروژن آلی، یون‌های آمونیوم (+NH4) و یون‌های نیترات (-NO3). در زمان‌های مشخص ۹۵-۹۹ درصد از نیتروژن بالقوه‌ی موجود در خاک به‌صورت نیتروژن آلی است: در بقایای گیاهان و حیوانات، مواد ارگانیک نسبتاً پایدار خاک یا ارگانیسم‌های زنده‌ی خاک شامل میکروب‌ها همچون باکتری‌ها. این نوع نیتروژن به‌طور مستقیم در دسترس گیاهان نیست بلکه مقداری از آن می‌تواند از طریق میکروارگانیسم‌ها به صورت‌های قابل‌استفاده تغییر یابد. ممکن است میزان ناچیزی از نیتروژن آلی در ترکیبات آلی محلول همچون اوره در دسترس گیاهان قرار گیرد.

میزان زیادی از نیتروژنی که در دسترس گیاهان قرار دارد، نیتروژن غیرآلی است و به‌صورت +NH4 و -NO3 است که اغلب نیتروژن معدنی نامیده می‌شود. یون‌های آمونیوم متصل به ذرات خاک کمپلکس/گنجایش تبادل کاتیونی (CEC) را به‌صورت منفی انباشته می‌کنند و رفتاری همانند سایر کاتیون‌های موجود در خاک دارند. یون‌های نیترات به ذرات جامد خاک متصل نمی‌شوند؛ زیرا این یون‌ها بارهای منفی را حمل می‌کنند ولی در آب خاک به‌صورت محلول وجود دارند یا تحت شرایط خشک به‌صورت نمک‌های انحلال‌پذیر رسوب می‌شوند.

منابع طبیعی نیتروژن خاک

نیتروژن موجود در خاک که درنهایت به مصرف گیاه می‌رسد، از دو منبع حاصل می‌شود: مواد معدنی حاوی نیتروژن و مخزن عظیم نیتروژن موجود در جو زمین. نیتروژن موجود در مواد معدنی خاک به‌صورت مواد معدنی تجزیه‌شده آزاد می‌شود. به‌طورکلی این فرایند بسیار کند است و نقش اندکی در تغذیه‌ی نیتروژنی بیشتر خاک‌ها دارد. ولی بااین‌حال، در خاک‌های غنی از +NH4 -خاک رس- (که به‌صورت طبیعی یا از طریق تثبیت +NH4 با اضافه کردن آن به‌عنوان کود) ممکن است میزان نیتروژنی که از طریق جزء معدنی تأمین می‌شود؛ در برخی سال‌ها بیشتر باشد.

منبع عمده‌ی نیتروژن خاک نیتروژن موجود در اتمسفر است. این نیتروژن به شکل N2 خنثی وجود دارد و باید قبل از ورود به خاک و استفاده توسط گیاه تغییر کند. میزان این نوع نیتروژن اضافه‌شده به خاک رابطه‌ی مستقیمی با فعالیت طوفان تندری دارد؛ ولی احتمالاً خاک اغلب مناطق از طریق این منبع سالیانه مقداری بیشتر از ۲۲ کیلوگرم نیتروژن در هکتار دریافت نمی‌کنند.

باکتری‌هایی همچون باکتری‌های ریزوبیوم (گره‏دار) که ریشه‌ی گیاهان را آلوده می‌کنند و از گیاهان بنشن (حبوبات) انرژی زیادی دریافت می‌کنند، می‌توانند سالیانه نیتروژن بیشتری را تثبیت کنند (گاهی بیش از ۱۱۰ کیلوگرم نیتروژن در هکتار). زمانی که میزان نیتروژن تثبیت‌شده توسط باکتری ریزوبیوم بیشتر از میزان مصرف میکروب‌ها شود، گیاه میزبان نیتروژن را برای مصرف آزاد می‌کند. به‏ همین دلیل است که حبوبات گره‏‌دار (well-nodulated) اغلب به افزایش کود نیتروژن پاسخ نمی‌دهند. زیرا این گیاهان قبلاً از طریق باکتری نیتروژن کافی دریافت کرده‏‌اند.

چرخه نیتروژن

نیتروژن می‌تواند بسیاری از تغییرات خاک را تحمل کند. این تغییرات در سیستمی به‌نام چرخه‌ی نیتروژن دسته‏‌بندی می‌شوند و ازنظر پیچیدگی در درجات مختلف قرار دارند. چرخه‌ی نیتروژن برای درک مدیریت تغذیه و کوددهی مناسب است. فرایندهای مربوط به چرخه‌ی نیتروژن به‌کندی صورت می‌گیرند و میکروارگانیسم‌ها مسئول انجام این فرایندها هستند. با گرم‌تر شدن خاک سرعت انجام این فرایندها افزایش می‌یابد. زمانی‌که دمای خاک کمتر از ۱۰ درجه سانتی‌گراد باشد، فرایندهای چرخه‌ی نیتروژن به‌کندی و به‌ندرت صورت می‌گیرند.

تبدیل نیتروژن غیرآلی به نیتروژن آلی و برعکس بخش اصلی و به عبارتی قلب چرخه‌ی نیتروژن است. همان‌طور که میکروارگانیسم‌ها رشد می‌کنند، +NH4 و -NO3 را از نیتروژن غیرآلی خاک جدا می‌کنند، یک آبگیر نیتروژن فراهم می‌کنند و در فرایند تثبیت نیتروژن غیرآلی را به نیتروژن آلی تبدیل می‌کنند. وقتی این ارگانیسم‌ها از بین می‌روند و توسط ارگانیسم‌های دیگر تجزیه می‌شوند، +NH4 اضافی می‏‌تواند آزاد شود و در فرایند کانی‌سازی به آبگیر نیتروژن غیرآلی بازگردد. همچنین زمانی‌که میکروارگانیسم‌ها ماده‏ای را تجزیه می‌کنند که نیتروژن آن بیشتر از میزان مصرف نیتروژن در یک زمان باشد، نیتروژن می‌تواند کانی‌سازی شود. برخی از مواد غنی از نیتروژن عبارت‌اند از: بنشن‏‌ها و کودهای کشاورزی.

تثبیت و کانی‌سازی از طریق اغلب میکروارگانیسم‌ها انجام می‌شود و زمانی‌که خاک گرم و مرطوب (کاملاً با آب اشباع نشود) باشد فرایند تثبیت و کانی‏‌سازی سریع‌تر است. میزان نیتروژن غیرآلی فراهم‏‌شده برای محصولات زراعی به میزان کانی‌سازی صورت گرفته و تعادل بین کانی‌سازی و تثبیت بستگی دارد.

معمولاً یون‌های آمونیومی (+NH4) که توسط گیاهان بلندتر تثبیت یا جذب نمی‌شوند، از طریق فرایند نیتراته شدن (شوره‌گذاری) به‌سرعت به یون‌های -NO3 تبدیل می‌شوند. این یک فرایند دو مرحله‏‌ای است که در طول آن‌ها باکتری‌های نیتروزوموناس +NH4 را به نیتریت (-NO2) تبدیل می‌کنند و سپس باکتری‌های دیگر یعنی نیتروباکترها NO2 را به -NO3 تبدیل می‌کنند. این فرایند نیازمند خاکی است که به‏ خوبی تهویه شده (هواخورده) باشد و در فصل رشد گیاهان وقتی باکتری -NO3 بیشتری نسبت به +NH4 در خاک پیدا می‌کند، نیتراته شدن سریع‌تر اتفاق می‌افتد.

چرخه‌ی نیتروژن دارای چندین مسیر است که در طول آن نیتروژن فراهم‏‌شده برای گیاه می‌تواند در خاک کاهش یابد. معمولاً نیترات نیتروژن خاک بیشتر از نیتروژن آمونیومی کاهش می‌یابد. مهم‌ترین مکانیسم‌های کاهش نیتروژن عبارت‌اند از: لیچینگ (آب‌شویی)، نیتروژن‏‌دهی، تبخیر (فرارزدایی) و محصول‌زدایی.

نیتروژن نیتراتی بسیار انحلال‌پذیر است؛ به‌طوری‌که هنگام تراوش اضافی آب در خاک نیتروژن نیتراتی به‌آسانی فروشسته (آب‌شویی) می‌شود. این می‌تواند یک مکانیسم کاهشی عمده در خاک‌های بافت درشت (بیشتر خاک‌های ناتراوا) باشد؛ خاک‌هایی که تراوایی آن‌ها بسیار آهسته است.

این خاک‌ها به‌راحتی اشباع می‌شوند و زمانی‌که میکروارگانیسم‌ها اکسیژنِ آزاد موجود در خاک خیس را تخلیه می‌کنند و برخی با تجزیه‌ی -NO3 آن را به دست می‌آورند. در این فرایند که نیترات‌زدایی نام دارد، -NO3 یا به اکسید نیتروژن گازی یا گاز N2 تبدیل می‌شود و تنها یکی از این دو گاز در دسترس گیاه قرار دارد. زمانی که خاک گرم شود و بیش از چند روز اشباع باقی بماند، نیترات‏‌زدایی می‌تواند باعث کاهش زیاد نیتروژن شود.

معمولاً کاهش نیتروژن +NH4 رایج نیست و عمدتاً از طریق تبخیر اتفاق می‌افتد. یون‌های آمونیوم اساساً مولکول‌های آمونیاک خشک (NH3) همراه با یک یون اضافی هیدروژن (+H چسبیده به نیتروژن) هستند. زمانی که این هیدروژن اضافی به‌وسیله‌ی یون دیگری همچون هیدروکسیل (-OH) برداشته شود، مولکول باقی‌مانده یعنی NH3 می‌تواند تبخیر شود. این مکانیسم در خاک‌هایی با pH بالا که حاوی مقادیر زیادی یون‌های -OH هستند بسیار مهم است.

محصول‏‌زدایی نشان‌دهنده‌ی یک کاهش است؛ زیرا نیتروژن بخش‌های دروشده‌ی محصول کاملاً از زمین برداشته می‌شود. نیتروژن موجود در بقایای محصول در چرخه‌ی مجدد (بازچرخ) به سیستم بازمی‌گردد و به‌جای کاهش یافتن بهتر تثبیت می‌شود. در نهایت اغلب نیتروژن باقی‌مانده کانی‏‌سازی می‌شود و ممکن است دوباره مورد مصرف قرار گیرد.

نیازهای نیتروژنی گیاه و جذب آن

گیاهان نیتروژن را به‌صورت یون‌های +NH4 و -NO3 از خاک جذب می‌کنند؛ ولی به دلیل اینکه نیتراته‌شدن در خاک‌های کشاورزی بسیار گسترده است، اغلب نیتروژن به‌صورت نیترات جذب گیاه می‌شود. همان‌طور که ریشه‌ی گیاهان آب را جذب می‌کند، نیترات نیز آزادانه به سمت ریشه‌ی گیاه حرکت می‌کند. زمانی‌که نیترات وارد گیاه شد -NO3 به NH2 تبدیل می‌شود و برای تولید ترکیبات پیچیده‏‌تر همگون‌سازی می‌شود. به دلیل اینکه گیاهان به مقادیر بسیار زیادی از نیتروژن نیاز دارند، یک سیستم ریشه‌ای گسترده برای جذب نامحدود نیتروژن نیاز است. ممکن است گیاهانی که دارای ریشه‏‌های محدود هستند علائم کمبود نیتروژن را از طریق فشرده‌سازی نشان دهند؛ حتی زمانی‌که نیتروژن کافی در خاک وجود داشته باشد.

مصرف نیتروژن در محصولات مختلف

بیشتر گیاهان در طول زندگی خود به‌طور مداوم نیتروژن را از خاک می‌گیرند. معمولاً با افزایش اندازه‌ی گیاه تقاضا برای نیتروژن نیز افزایش می‌یابد. زمانی‌که نیتروژن کافی در دسترس گیاه باشد، گیاه به‌سرعت رشد می‌کند و شاخ و برگ سبز و شاداب بیشتری تولید می‌کند. فراهم‌سازی نیتروژن کافی باعث می‌شود تا محصولات یک‌ساله همچون ذرت به‌جای تأخیر در رشد، کاملاً رسیده شوند. معمولاً گیاهی که دچار کمبود نیتروژن باشد کوچک است و رشد کندی دارد؛ زیرا این گیاهان نیتروژن لازم برای ساخت کافی مواد بنیادی و ژنتیکی را ندارند. این گیاهان به دلیل نداشتن کلروفیل کافی اغلب سبز کم‌رنگ یا مایل به زرد هستند. برگ‌های پیرتر دچار بافت‏‌مردگی می‌شوند و می‌میرند؛ زیرا گیاه نیتروژن را از بافت‌های کم‌اهمیت‌تر و پیر به‌سوی بافت‌های جوان‌تر و حیاتی حرکت می‌دهد.

از طرف دیگر زمانی‌که نیتروژن بیشتر از نیاز در دسترس گیاهان قرار گیرد باعث رشد سریع گیاه می‌شود و پروتوپلاسم گیاه بسیار سریع گسترش می‌یابد. در نتیجه این گیاهان نمی‌توانند مواد حفاظتی کافی را در دیواره‌ی سلولی بسازند. این گیاهان نسبتاً ضعیف هستند و مستعد آسیب‌های مکانیکی هستند. افزایش کاه‌شدگی گیاه و ظهور دانه‏‌های کوچک نمونه‏‌هایی از تأثیرات افزایش بیش‌ازحد نیتروژن هستند.