نقش عنصر نیتروژن (کود ازت یا اوره) در رشد و نمو 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. درمقایسه 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 ازبین می‌روند. برخی از پروتئین‌ها به‌عنوان واحدهای ساختاری در سلول‌های گیاهی عمل می‌کنند؛ درحالی‌که برخی دیگر به‌عنوان آنزیم عمل می‌کنند و فعل و انفعالات 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 خاطر نشان 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.

ساختار آمینواسیدها

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 ازطریق میکروارگانیسم‌ها به‌صورت‌های 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 قراردارد، 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 بصورت 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. به‌طور کلی 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 اضافه‌کردن 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 به‌شکل 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). زمانی‌که 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 ازطریق باکتری نیتروژن کافی دریافت کرده‏‌اند.

چرخه‌ی 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 به‌عبارتی قلب چرخه‌ی نیتروژن است. همانطور که میکروارگانیسم‌ها رشد می‌کنند، ⁺NH₄ و ^-NO₃ را از نیتروژن غیرآلی خاک جدامی‌کنند، یک آبگیر نیتروژن فراهم می‌کنند و در فرایند تثبیت نیتروژن غیرآلی را به نیتروژن آلی تبدیل می‌کنند. وقتی این ارگانیسم‌ها ازبین 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 عبارتند از: بنشن‏‌ها و کودهای کشاورزی.

تثبیت و کانی‌سازی ازطریق 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 صورت‏‌گرفته و تعادل بین کانی‌سازی و تثبیت بستگی دارد.

معمولاً یون‌های آمونیومی (⁺NH₄) که توسط گیاهان بلندتر تثبیت یا جذب نمی‌شوند، ازطریق فرایند نیتراته‌شدن (شوره‌گذاری) به‌سرعت به یون‌های ^-NO₃ تبدیل می‌شوند. این یک فرایند دو مرحله‏‌ای است که درطول 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 تهویه‌شده (هواخورده) باشد و در فصل رشد گیاهان وقتی باکتری ^-NO₃ بیشتری نسبت به ⁺NH₄ در خاک پیدا می‌کند، نیتراته‌شدن سریع‌تر اتفاق می‌افتد.

چرخه‌ی نیتروژن دارای چندین مسیر است که درطول آن نیتروژن فراهم‏‌شده برای گیاه می‌تواند در خاک کاهش یابد. معمولاً نیترات نیتروژن خاک بیشتر از نیتروژن آمونیومی کاهش می‌یابد. مهم‌ترین مکانیسم‌های کاهش نیتروژن عبارتند 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 به‏ راحتی اشباع می‌شوند و زمانی‌که میکروارگانیسم‌ها اکسیژنِ آزاد موجود در خاک خیس را تخلیه می‌کنند و برخی با تجزیه‌ی ^-NO₃ آن را بدست 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. زمانی‌که 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. زمانی‌که این هیدروژن اضافی بوسیله‌ی یون دیگری همچون هیدروکسیل (^-OH) برداشته‌شود، 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 کاهش‌یافتن بهتر تثبیت می‌شود. در نهایت اغلب نیتروژن باقی‌مانده کانی‏‌سازی می‌شود و ممکن است دوباره مورد مصرف قرارگیرد.

چرخه نیتروژن

نیازهای نیتروژنی گیاه و جذب آن

گیاهان نیتروژن را به‌صورت یون‌های ⁺NH₄ و ^-NO₃ از خاک جذب می‌کنند؛ ولی بدلیل 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 به‌سمت ریشه‌ی گیاه حرکت می‌کند. زمانی‌که نیترات وارد گیاه شد ^-NO₃ به NH₂ تبدیل می‌شود و برای تولید ترکیبات پیچیده‏‌تر همگون‌سازی می‌شود. بدلیل 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

نام محصول	بازدهی (تن در یک هکتار)	نیتروژن
یونجه	۲۰ تن	۴۸۶
ذرت	۱۲ تن	۲۰۲
دانه‌ی سویا	۴ تن	۳۳۰
گندم بهاره	۵ تن	۱۹۸
گندم زمستانه	۵ تن	۱۷۱

بیشتر گیاهان در طول زندگی خود بطور 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 به‏ جای 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 بدلیل 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 بیش از حد نیتروژن هستند.