مطالب مفید

1.تثبیت به وسیله ریزومها و سایر میکروارگانیزمهایی که روی ریشه بقولاتها و بعضی از گیاهان غیر بقول زندگی همزی دارند.

2.تثبیت به وسیله میکروارگانیزمهای آزادزی خاک و احتمالا ارگانیزمایی که روی برگهای گیاهان حاره ای زندگی می کنند.

3.تثبیت به صورت یکی از اکسیدهای نیتروژن به وسیله تخلیه الکتریکی اتمسفر.

4. تثبیت به صورت آمونیاک، NO₃^2- یا CN₃^2- به وسیله یکی از فرایندهای گوناگون صنعتی که برای سنتز کودهای نیتروژن دار به کار می روند.

چرخه نیتروژن

شکلهای نیتروژن خاک

نیتروژن موجود در خاک را به طور کلی می توان به معدنی یا آلی طبقه بندی کرد. بیشتر نیتروژن کل خاک به صورت قستمی از کمپلکس ماده آلی خاک است.

ترکیبات معدنی نیتروژن

شکلهای معدنی نیتروژن خاک شامل NH₄⁺، NO₃^-، NO₂^-، N₂O، NO و نیتروژن عنصری است. نیتروژن عنصری، به غیر از استفاده اش به وسیله ریزوبیوم ها، بی اثر است.

گمان می رود که هید روکسیل آمین (NH₂OH) نیز وجود داشته باشد، اما چون ترکیبی واسطه ای در هنگام تشکیل NO₂^- از آمونیوم است، نا پایدار بوده و دوام نمی آورد.

از نظر حاصلخیزی خاک شکل‌های NH₄⁺، ₂^- و NO₃^-  بیشترین اهمیت را دارد، اکسید نیترو و اکسید نیتریک نیز اهمیتی منفی دارند چون معرف شکلهایی از نیتروژن هستند که از طریق نیترات زدایی از دسترس گیاه خارج می شوند. شکلهای آمونیومف نیترات و نیتریت از تجزیه هوازی ماده آلی خاک و یا از افزودن کودهای گوناگون تجاری به خاک ایجاد می شود.

ترکیبات آلی نیتروژن 

شکلهای آلی نیتروژن خاک به صورت اسید آمینه یا پرو تئین متراکم، اسیدهای آمینه آزاد، قندهای آمین دار و سایر ترکیبات کمپلکس و عموما ناشناخته هستند. عقیده بر این است که گروه آخر شامل موادی است که از (1)واکنش آمونیوم با لیگنین (2)پلی مر شدن کینون ها و ترکیبات نیتروژنی (3)تراکم قندها و آمین ها تشکیل می شود.

مواد آلی قابل استفاده، به عنوان منبع انرژی مورد نیاز، جهت دنیتریفیکاسیون لازم است. احیای نیترات وتبدیل آن به ، فرایندی است که به انرژی نیاز دارد، وجود مواد آلی برای دو منظور ضروری لست: 1. از اکسیداسیون این مواد، انرژی مورد نیلز باکتریهای دنیتراته کننده تامین می شود؛ 2. به عنوان دهنده هیدروژن به واکنش های احیامحسوب می شود.

به طور کلی ، ماده آلی خاک را می توان در دو گروه جای داد. گروه اول ماده نسبتا پایداری است به نام هوموس که در برابر تجزیه سریع بیشتر تا حدی مقاوم است. گروه دوم شامل آن دسته از موادی است که در معرض تجزیه نسبتا سریع قرار دارند؛موادی که در گستره ای از بقایای گیاهی تازه تا موادی را در می گیرد که در اثر زنجیره ای از واکنش های تجزیه ای به درجه ای از پایداری رسیده اند.

تبدیل های نیتروژن در خاک

گیاهان بیشتر نیتروژن مورد نیاز خود را به شکلهای NH₄⁺ و NO₃^- جذب می کنند. کمیتی که از هر یک از این دو یون در اختیار ریشه گیاهان کشاورزی قرار می گیرد بستگی زیادی به مقدار عرضه آنها به صورت کودهای

 نیتروژنی تجارتی و آزاد شدن آنها از ذخیره های نیتروژن دارای پیوند آلی خاک دارد. مقدار نیتروژنی که از این ذخیره های آلی آزاد می شودبه تعادل بین عوامل موثر در معدنی شدن، ساکن شدن، و اتلاف از خاک نیتروژن بستگی دارد.

معدنی شدن ترکیبات نیتروژن

معدنی شدن عبارت است از تبدیل نیتروژن آلی به یکی از فرم های معدنی(NH₄⁺، NO₃^-، NO₂^-) .

معدنی شدن ترکیبات آلی نیتروژن در سه واکنش مرحله به مرحله یعنی آمینه شدن، آمونیاک سازی و شوره سازی صورت می گیرد.

آمینه شدن: واکنش هایی که توسط میکروارگانیزو های خاک که از گروهای متعدد باکتری و قارچ تشکیل شده است ، انجام می شود. یکی از مراحل نهایی در تجزیه مواد نیتروژن دار تجزیه آبکافتی پروتئین ها و آزاد شدن آمین ها و اسید های آمینه است.

محصولات دیگر+ انرژی+   CO₂+    R-NH₂   →   پروتئین

آمونیاک سازی: آمین ها و اسید های آمینه ای که به این ترتیب آزاد شده اند به وسیله گروهای دیگری از میکروارگانیزمها مصرف می شوند و ترکیبات آمونیاکی آزاد می کنند.

R-NH₂   +   HOH   →   NH₃ + R-OH   +   انرژی

شوره سازی: مقداری از  آزاد شده به وسیله فرایند های آمونیاک سازیبه نیتروژن نیترات تبدیل می شود. این اکسایش زیست شناختی آمونیاک به نیترات را شوره سازی می نامند. این یک فرایند دو مرحله ای است که در آن ابتدا آمونیاک به نیتریت (NO₂^-) و از آن پس به نیترات (NO₃^-) تبدیل می شود. تبدیل به نیتریت بیشتر در اثر فعالیت گروهی از باکتری های خود خوراک ساز اجباری به نام نیتروزوموناس وبا واکنشی است که به صورت معادله زیر نشان داده می شود:

2 NH₄⁺   +  3 O₂   → 2 NO₂^-  +  2 H₂O  +  4 H⁺<

همچنین نشان داده شده است که ارگانیزم های دگر خوراک ساز متعددی می توانند ترکیبات کاهیده نیتروژن را به نیتریت (NO₂^-) تبدیل کنند. این ارگانیزم ها شامل باکتریها ، اکتینومیست ها و قارچ ها هستند. منشا نیتریت تولید شده فقطNH₄⁺ نیست بلکه شامل آمین ها، آمید ها ، هیدروکسیلامین ها ، اوکسیم ها و تعداد دیگری از ترکیبات کاهیده نیتروژن نیز هست. به هر حال، نیتروزوموناس مهمترین ارگانیزم خاک است که  را به  تبدیل میکند.تبدیل از نیتریت به نیترات عمدتا توسط گروه دومی از باکتریهای خود خوراک ساز اجباری به نام نیترو باکتر انجام می شود. معادله نشان دهنده این واکنش را می توان به صورت زیر نوشت:

2 NO₂^-  + O₂   →  2 NO₃^-

نگهداری نیتروژن در خاک

ماهیت کاتیونی NH₄⁺ اجازه جذب سطحی و نگهداری آن را به وسیله مواد کلوییدی خاک می دهد. آمونیم معمولا به اندازه شکل نیترات در معرض هدر رفتن به وسیله آبشویی نیست. اگر شرایط برای شوره سازی مناسب نباشد، نیتروژن آمونیم برای دوره های زمانی طولانی در خاک می ماند. حضور نیتروژن به شکل کاتیونی آن به هر حال جلوگیری از هدر رفتن آن را در مقابل آبشویی تضمین نمی کند لازم است که خاک ظرفیت تبادلی بالایی داشته باشدتا نیتروژن آمونیوم افزوده شده را نگهدارد، در غیر این صورت نیتروژن به وسیله آب نفوذ پذیر از دسترس خارج خواهد شد. خاک شنی دارای ظرفیت تبادلی کم ، به نیتروژن آمونیوم اجازه حرکت قابل توجهی به داخل خاکهای زیرین می دهد.

همین که آمونیوم تبدیل به نیترات شد در معرض آبشویی قرار می گیرد. نیتروژن نیترات در خاکها کاملا پویاست و در محدوده ای به مقدار قابل توجهی با آب خاک حرکت می کند.

در شرایط خیلی خشک و وقتی که حرکت مویینه ای آب ممکن باشد، حرکت رو به بالایی همراه با حرکت آب انجام می شود.تحت چنین شرایطی نیترات ها در افق بالایی خاک یا حتی در سطح خاک انباشته می شوند.

تلفات گازی نیتروژن

این تلفات زمانی اتفاق می افتد در اثر برخی واکنش های زیست شناختی و شیمیایی در خاک، گاز نیتروژن ، اکسید نیترو، اکسید نیتریک، و آمونیاک آزاد شوند.

1.نیترات زدایی، کاهش زیست شیمیایی نیترات ها در شرایط غیر هوازی است.

2.واکنش های شیمیایی در برگیرنده نیتریت ها در شرایط هوازی.

3.تلفات فرار گاز آمونیاک (NH₃) از سطح خاک های قلیایی.

نیترات زدایی

هنگامی که خاکها باتلاقی می شوند، اکسیژن حذف و تجزیه غیر هوازی انجام می گیرد. بعضی از ارگانیزم های غیر هوازی قادر ان اکسیژن مورد نیاز خود را از نیترات ها و نیتریت ها بگیرند و همراه آن نیتروژن و اکسید نیترو آزاد کنند. مسیر احتمالی وقوع این تلفات در معادله زیر نشان داده شده است:

                         4H⁺  4 H⁺ +2H⁺/-2H₂O   N₂

 2   HNO₃     →      2 HNO₂       →       H₂N₂O₂  →    ↑     +2H⁺/-H₂O

                        -2H₂O   -2H₂O     -H₂O       N₂O

  اکسید نیترو   هیپونیتروس اسید نیتریت  نیترات

واکنش های شیمیایی

تلفات نیتروژن گازی از خاک اسیدی با زهکشی خوب نیز گاهی گزارش شده است. معمولا مقدار نیتروژنی که تحت این شرایط هدر می رودمشخص نیست. حداقل سه مکانیزم در این مورد پیشنهاد شده است که هر سه آن به تجزیه  مربوط اند.

نخستین مکانیزم ، تجزیه نیتریت آمونیوم است که با معادله زیر نشان داده شده است:

NH₄NO₂ → 2 H₂O + N₂

دومی واکنش وان سلیک است که برای شیمیدان های آلی آشناست:

RNH₂  +  HNO₂  →  ROH + H₂O + N₂

سومی مکانیزم، تجزیه خود به خودی اسید نیترو است:

3HNO₂  → 2NO + HNO₃ + H₂O

این واکنش ها، به این ترتیب فرایند های مختلف شیمیایی و زیست شناختی هستند که تلفات مشاهده شده نیتروژن و اکسیدهای گوناگون نیتروژن از خاک را تشریح می کنند.

تبخیر آمونیاک

نمکهای آمونیوم در یک محیط آبی قلیایی چنین واکنش می کنند:

NH₄⁺  + H₂O + OH^-   → NH₃ + 2H₂O

گاز آزاد آمونیاک فرار است. اگر نمکهای کودی دارای نیتروژن آمونیوم در سطح خاک های قلیایی ریخته شوند، آمونیاک آزاد ممکن است در نتیجه این واکنش هدر رود