نقش معدنی شدن زیستی نیتروژن مواد آلی در تجزیه بقایای محصولات کشاورزی

هوشنگ خسروی^*

کرج، سازمان تحقیقات، آموزش و ترویج کشاورزی، مؤسسه تحقیقات خاک و آب

* نویسنده مسئول، پست الکترونیکی: hkhosravi@areeo.ac.ir

چکیده

یکی از فرآیندهای مهم چرخه نیتروژن معدنی­شدن است که توسط ریزجانداران انجام می­شود و نقش مهمی در حاصلخیزی خاک دارد. تجزیه بقایای آلی با نسبت مقدار کربن به نیتروژن (C/N) خاک ارتباط دارد. بقایای گیاهان تیرۀ نخود، سبزیجات، علف­های هرز و کودهای دامی با C/N کمتر، سرعت تجزیه بیشتری داشته و ضمن تجزیه آنها مقادیر بیشتری نیتروژن آزاد می­شود. بقایای غنی از لیگنین و خشبی همانند نخل، باگاس نیشکر، بقایای غلات و بقایای چوبی با C/N بالاتر، تجزیه کندتری دارند. عدد 24C/N= به عنوان یک معیار در بحث تجزیه مواد آلی و معدنی­شدن نیتروژن در نظر گرفته می­شود. اگر بقایای محصولی همانند کُلش گندم با 80 C/N= به خاک اضافه شود ریزجانداران برای تنظیم نسبت C/N و در نتیجه تأمین نیتروژن مورد نیاز از ذخیره نیتروژن خاک استفاده می­کنند و باعث کمبود موقت نیتروژن می­شوند. اگر بقایای یک محصول همانند یونجه جوان با 13C/N= به خاک اضافه شود مازاد نیتروژن آن به گیاه خواهد رسید. بنابراین مدیریت بقایای گیاهی و تناوب کشت دارای اهمیت زیادی در حاصلخیزی خاک دارد. در عمل برای جلوگیری از بروز کمبود نیتروژن در گیاه، به بقایای آلی با محتوای نیتروژن کم، نیتروژن باید به صورت کود شیمیایی به خاک اضافه شود. در برخی مناطق، بقایای محصول قبلی سوزانده می­شود که این عمل موجب کاهش مواد آلی و حاصلخیزی خاک و افزایش  گازهای گلخانه­ای می­شود. باتوجه به مقدار کم مواد آلی خاک­های کشور و اقلیم خشک، اعمال شیوه­های مدیریتی برای حفظ و افزایش مواد آلی خاک­ها ضروری است.

کلیدواژگان: معدنی شدن، آمونیاک، نیترات، کربن، کلش، ازت.

مقدمه

سطح وسیعی از زمین­های کشاورزی ایران در مناطق خشک و نیمه­خشک واقع شده­اند و میزان کربن آلی آنها کمتر از یک درصد است. برای بهبود خصوصیات فیزیکی و شیمیائی خاک، مقدار بهینه کربن آلی در خاک حداقل بین 2 تا 3 درصد برآورد شده است. بعلاوه با توجه به مصرف روز افزون کودهای شیمیائی، عدم برگشت بقایای گیاهی به خاک و سوزاندن آنها، سالانه از مقدار ماده آلی خاک­ها به میزان قابل توجهی کاسته شده و در نتیجه باعث کاهش حاصلخیزی خاک شده است. تقریبا نیمی از ترکیب شیمیایی ماده آلی خاک­ها، کربن است و بقیه به درصد شامل اکسیژن 39، نیتروژن و هیدروژن هر کدام 5 و فسفر و گوگرد  هر کدام 5/0 است (شکل 1).

در بین عناصر یاد شده، نیتروژن از جایگاه ویژه­ای برخوردار بوده و یکی از مهم‌ترین عناصر ضروری مورد نیاز موجودات زنده بوده و در سلول به شکل آمینواسیدها و اسیدهای نوکلئیک یافت می‌شود. نیتروژن در خاک به اشکال هوموس، پروتئین‌ها و اسیدهای نوکلئیک و با اعداد اکسیداسیونی مختلف وجود دارد. در جدول 1، اشکال مختلف نیتروژن و اعداد اکسیداسیونی مرتبط با آنها ارائه شده است. تقریباً تمام نیتروژن مورد نیاز گیاهان از اشکال معدنی آن یعنی نیترات و آمونیوم تأمین می‌شود. برای اینکه نیتروژن، توسط موجودات زنده قابلیت استفاده داشته باشد باید چرخه آن پویا باشد تا اکوسیستم­های مختلف کره زمین به فعالیت طبیعی خود ادامه دهند. عمده گردش نیتروژن از طریق فرآیندهای زیستی صورت می­گیرد. ریزجانداران و عمدتا، باکتری‌ها و قارچ‌ها نقش مهمی در چرخه نیتروژن و تغییر و تبدیلات آن ایفاء می‌کنند.

مهمترین مراحل فرآیندی منجر به تغییر و تبدیلات نیتروژن، شامل معدنی­شدن [1] (تبدیل نیتروژن آلی به غیر آلی)، توقف[2] (جذب و آسیمیله شدن اشکال غیر آلی نیتروژن بوسیله میکروب­ها و سایر موجودات خاکزی)، نیترات­سازی^[3] (تبدیل آمونیوم به نیتریت و سپس نیترات)، نیترات زدایی[4] (تبدیل نیترات به اکسید نیترو و نیتروژن مولکولی) و تثبیت نیتروژن[5] (تبدیل نیتروژن مولکولی به آمونیوم و سپس ترکیبات آلی) هستند (شکل 2).

جدول 1- اعداد اکسیداسیونی مختلف نیتروژن در خاک

*اشکال گازی هم به صورت آزاد در اتمسفر خاک و هم به شکل محلول در آب خاک وجود دارند

مفهوم معدنی­شدن نیتروژن

معدنی­شدن نیتروژن  یکی  از  مهمترین  فرآیندهای  چرخه

نیتروژن است. معدنی­شدن نیتروژن به تبدیل نیتروژن آلی به اشکال غیر آلی عمدتا از طریق تجزیه^[6] مواد آلی و بقایای گیاهی اطلاق می­شود. معدنی شدن شامل دو مرحله آمونیاک‌سازی^[7] و نیترات‌سازی است. آمونیاک­سازی، تبدیل شدن نیتروژن آلی، به یون آمونیوم (NH₄⁺) است. آمونیوم غنی از انرژی و ناپایدار است و به سرعت در شرایط هوازی به نیتریت و نیترات تبدیل می­شود. بقایای گیاهان و جانوران شامل پروتئین و اسیدهای نوکلئیک، در خاک توسط گروه­های مختلف میکروبی تجزیه و در نهایت نیتروژن موجود در آنها به آمونیوم تبدیل می­شود. آمونیم تولید شده در مرحله آمونیاک­سازی ممکن است جذب کلوئیدهای خاک شده یا مستقیماً توسط ریزجانداران و بعضی گیاهان جذب ‌شود. همچنین ممکن است در خاک­های با pH بالا به صورت آمونیاک از خاک متصاعد شود. آمونیم در نهایت ممکن است به نیتریت و سپس نیترات تبدیل شود. نیترات­سازی یا نیتراتی شدن، اکسیداسیون میکروبی NH₄⁺ و تبدیل شدن به نیترات است.

این فرآیند نیز طی دو مرحله صورت می‌گیرد، در مرحله اول ابتدا آمونیوم به نیتریت تبدیل می‌شود. این مرحله عمدتاً توسط نیتروزوموناس، یک باکتری هوازی اجباری و شیمیواتوتروف،‌ در مرحله دوم، نیتریت بوسیله باکتری‌های گروه نیتروباکتر به نیترات تبدیل می‌شود.

شکل 1- ترکیب تقریبی ماده آلی خاک

شکل 2- چرخه نیتروژن

شکل 3- مسیرهای معدنی­شدن منابع مختلف نیتروژنی

به طور طبیعی حضور توأم نیتروباکتر و نیتروزوموناس در طبیعت با هم ارتباط نزدیکی دارد و این در تنظیم میزان نیتریت (که برای گیاه سمی است)، مسئله مهمی به شمار می‌رود. مسیرهای معدنی­شدن منابع مختلف نیتروژنی در شکل 3  ارائه شده است.

مدیریت عوامل مؤثر بر معدنی­شدن مواد آلی نیتروژن­دار

هر  دو  مرحله  معدنی­شدن  ترکیبات  آلی  نیتروژن­دار  یعنی

آمونیاک‌سازی و نیترات‌سازی، توسط موجودات خاکزی صورت می­گیرد.

لذا هر عاملی که تعداد و فعالیت این موجودات را تحت تاثیر قرار دهد، قطعا بر سرعت معدنی­شدن نیز تاثیرگذار خواهد بود (شکل 4). شرایط محیطی از جمله دما، رطوبت، اسیدیته، شوری، تهویه و نوع بقایا اثرات زیادی بر تعداد و فعالیت ریزجانداران نیترات‌ساز دارد. طیف گسترده­ای از میکروب­های خاکزی شامل باکتری­ها، قارچ­ها، اکتینومیست­ها و مخمرها در تجزیه بقایای حاوی نیتروژن دخالت دارند و هر کدام از آنها نیازهای اکولوژیک متفاوتی دارند. مثلا اکتینومیست­ها در دماها و pHهای بالاتر و البته رطوبت­های کمتر فعال هستند. برخی باکتری­ها در شرایط بی­هوازی ترکیبات آلی را تجزیه می­کنند. اکثر ریزجانداران تجزیه کننده، شرایط معمولی را برای فعالیت بهینه ترجیح می­دهند. لذا بهترین دمای حدود 25 تا 30 درجه سانتیگراد و رطوبت بهینه حدود 70 تا 100 درصد ظرفیت زراعی بهترین رطوبت و pH محدوده خنثی تا کمی قلیایی بهترین محدوده برای فعالیت این ریزجانداران در تجزیه بقایاست. بهینه pH خاک برای معدنی­شدن حدود خنثی است بطوری­که نیترات‌سازها عمل نیترات‌سازی را در pH کمتر از 6 انجام نمی‌دهند.

اثر تهویه خاک در معدنی­شدن نیتروژن و نیترا­ت­سازی بسیار زیاد است و شرایط بی­هوازی خاک ممکن است باعث تلفات مقدار زیادی نیتروژن به صورت دنیتریفیکاسیون شود. افزایش تراکم خاک تأثیری غیرمستقیم بر معدنی­شدن نیتروژن دارد و موجودات زنده­ای را که در چرخه نیتروژن نقش دارند محدود می­کند و با کاهش فعالیت میکروبی منجر به کاهش معدنی­شدن نیتروژن می­شود. شخم زدن خاک و مدیریت بقایای گیاهی موجب تأثیر بر جمعیت، فعالیت و وزن توده زنده میکروبی، میزان رطوبت، وزن مخصوص ظاهری، تخلخل خاک، توزیع عناصر غذایی و پایداری ساختمان خاک می­شود.

به طورکلی شوری باعث افزایش پتانسیل آب خاک و به هم خوردن تعادل یونی شده و در نتیجه بر میکروب­ها تاثیر سوء می­گذارند، لذا شوری خاک با اثر منفی بر رشد ریزجانداران مرتبط باعث کاهش معدنی­ شدن می­شود.

روش تنظیم نسبت کربن به نیتروژن (C/N)

معدنی شدن کربن و نیتروژن دو فرآیند مکمل یکدیگرند و این مسئله اهمیت زیادی در کیفیت حاصلخیزی خاک دارد. کربن حدود نیمی از وزن خشک سلول موجودات زنده را شامل می­شود و منشا آن از CO₂ هوا است. از کل کربنی که به شکل ترکیبات آلی تولید می­شود، 95 درصد به خاک بر می­گردد که عمدتا توسط ریزجانداران تجزیه شده و مجددا به CO₂ تبدیل می­شود. بخش عمده کربن آلی که به خاک بر می­گردد، به صورت بقایای گیاهی است. ترکیبات اصلی بقایایی گیاهی شامل سلولز، همی­سلولز، لیگنین، پروتئین، قندها و اسیدهای آلی می­باشند.

بقایای گیاهی که حاوی نیتروژن آلی هستند توسط ریزجانداران تجزیه و معدنی می­شوند. تجزیه بقایا ارتباط معنی­داری با مقدار نسبت کربن به نیتروژن یا C/N آنها دارد. نسبت C/N هر ماده، نسبت جرم کربن آلی به جرم نیتروژن آلی آن ماده است. این ماده می­تواند در خاک، ماده آلی، گیاه، یا سلول­های ریزجاندار باشد.

شکل 4- معدنی شدن مواد آلی

ریزجانداران خاک دارای نسبت C/N حدود هشت به یک هستند و برای نگهداری این نسبت در بدن خود به منابع کربن و نیتروژن نیاز دارند. در طی تجزیه ماده آلی، مقداری از کربن در بدن موجود زنده ذخیره و بقیه آن طی فرآیند تنفسی به CO₂ و انرژی تبدیل می­شود.

به عنوان یک قاعده کلی مقدار 16 قسمت از کربن، برای تنفس ریزجاندار و هشت قسمت هم برای نگهداری نسبت C/N بدن آن مورد استفاده قرار می­گیرد که در مجموع عدد 24 را معیاری برای سنجش تجزیه بقایا در نظر می­گیرند. بنابراین اگر بقایای یک محصول همانند یونجه رسیده با 25C/N= به خاک اضافه شود در نتیجه فعالیت ریزجانداران چیزی از کربن و نیتروژن به خاک اضافه نمی­شود. اما اگر بقایای محصولی همانند کلش گندم با 80C/N= به خاک اضافه شود ریزجانداران برای تنظیم نسبت 24C/N= و در نتیجه تأمین نیتروژن مورد نیاز خود از ذخیره نیتروژن خاک استفاده می­نمایند. این مسئله را توقف نیتروژن گویند این توقف تا زمان مرگ ریزجاندار و تجزیه بدن آن و در واقع معدنی­شدن ادامه خواهد داشت. حال اگر بقایای یک محصول همانند یونجه جوان با 13C/N= به خاک اضافه شود مازاد نیتروژن آن به گیاه خواهد رسید و یا اینکه به ریزجانداران برای ادامه تجزیه باقی مانده بقایا خواهد رسید. در هر حال اضافه کردن ترکیبات و بقایای آلی با 24C/N> موجب کمبود موقت نیتروژن (توقف) و بقایای آلی با  24C/N< موجب مازاد موقت نیتروژن (معدنی­شدن) می­شود. بنابراین مدیریت بقایای گیاهی و تناوب کشت اهمیت زیادی دارد زیرا بقایای با C/N کم موجب تجزیه سریع و کم شدن خواص پوششی و محافظتی بقایا می­شود، از طرف دیگر تجزیه بقایا برای آزادسازی عناصر و تشکیل مواد آلی نیز مهم است. بنابراین کیفیت بقایای گیاهی از نظر تجزیه مهم هستند مثلا مقدار زیاد نیتروژن، مقادیر کم لیگنین و سلولز و در نتیجه C/N کم موجب افزایش شدت معدنی­شدن می­شود. بدون توجه به ترکیب بقایا، مثلا در حالت C/N کم ممکن است نیتروژن از طریق آبشویی، روان آب سطحی، نیترات زدایی و آمونیفیکاسیون از دسترس گیاه خارج شود و یا در حالت C/N بالا گیاه با کمبود نیتروژن مواجه ­شود. گزارش شده که در اثر افزودن بقایای گندم، سویا، ذرت، پنبه و کلزا در سطوح مختلف رطوبتی، بیشترین میزان توقف نیتروژن مربوط به بقایای گندم و پنبه (دارای C/N بالاتر) بود. همچنین با افزایش میزان رطوبت، میزان نیتروژن معدنی بیشتر شد. در عمل برای جلوگیری از این اتفاق و ممانعت از بروز کمبود نیتروژن در گیاه، همراه با مواد آلی که محتوای نیتروژن آنها کم است، نیتروژن باید به صورت کود شیمیایی به خاک اضافه شود. در اینجا واژه عامل نیتروژن تعریف می­شود. عامل نیتروژن یعنی تعداد واحدهای نیتروژن معدنی لازم برای اینکه تجزیه 100 واحد ماده آلی بدون نیاز به مصرف نیتروژن معدنی خاک انجام شود. به طور کلی دیده شده که ریزجانداران­ تجزیه­کننده برای تجزیه 100 واحد ماده آلی به 6/1 واحد نیتروژن نیاز دارند. در صورتی که میزان نیتروژن موجود در مواد آلی کمتر از نیتروژن مورد نیاز ریزجانداران­ تجزیه ­کننده باشد، ریزجانداران­ مقدار کمبود نیتروژن را از خاک دریافت نموده، باعث کاهش نیتروژن معدنی خاک می­شوند. در جدول 1 نسبت C/N برخی بقایای گیاهی و عامل نیتروژن ارائه شده است.

مقدار کود مورد نیاز برای تجزیه کامل بقایای گیاهی

در جدول2 نسبت C/N برخی بقایای گیاهی و مقدار کود نیتروژنی مورد نیاز برآورده شده است.

در مقادیر C/N کمتر همانند بقایای یونجه، شبدر و چمن نیتروژن کافی در بقایا برای تجزیه آنها توسط ریزجانداران تجزیه کننده وجود دارد. در حالی که در مقادیر بالاتر C/N مانند کاه و کلش گندم، جو و ذرت، مقدار نیتروژن موجود در بقایا تکافوی نیاز ریزجانداران تجزیه کننده را نمی­دهد، لذا ریزجانداران برای تأمین نیتروژن مورد نیاز، نیتروژن معدنی خاک (نیترات و آمونیم) را جذب می­کنند. اگر در شرایطی که محصول کشت شده است، افزودن بقایا با نسبت C/N بالا صورت گیرد، جذب نیتروژن معدنی توسط ریزجانداران باعث کمبود نیتروژن در محصول می شود؛ زردی ایجاد شده در کشت­های دوم پس از برداشت محصول اول که بدون توجه به این موضوع ایجاد می شود به همین سبب می باشد.

در عمل برای جلوگیری از بروز کمبود نیتروژن و در واقع تأمین نیتروژن مورد نیاز ریزجانداران تجزیه کننده بایستی نیتروژن معدنی به صورت کود شیمیایی به خاک اضافه شود یا مدتی طولانی باید اجازه داد تا تجزیه بقایا کامل شود و سپس اقدام به کشت محصول بعدی نمود. به طورکلی بقایای گیاهان حدود 40 درصد کربن دارند و برای تجزیه 100 واحد بقایای گیاهی ریزجانداران به 6/1 واحد نیتروژن نیاز دارند. به عنوان مثال در جدول یک کاه و کلش گندم که C/N آن حدود 80 است، 100 کیلوگرم آن برای تجزیه شدن به 1/1 کیلوگرم نیتروژن خالص به صورت کود شیمیایی نیاز دارد که اگر بخواهیم این نیتروژن را به صورت اوره مصرف کنیم میزان 4/2 کیلوگرم کود اوره نیاز است. حال اگر میزان بقایای گندم پس از برداشت محصول حدود سه تن در هکتار باشد باید 72 کیلوگرم در هکتار کود اوره مصرف شود.

باتوجه به جدول فوق و دانستن میزان بقایا در هر هکتار می‍توان مقدار کود شیمیایی نیتروژنی مورد نیاز را محاسبه کرد. هنگام مصرف کود برای تجزیه بقایا، بهترین میزان رطوبت خاک در حد گاو رو شدن است. سپس به منظور تجزیه بهتر و کوتاه کردن زمان تجزیه، بقایا را با دیسک یا گاوآهن با خاک مخلوط می­شود.

چرا بقایای محصولات کشاورزی نباید سوزانده شوند؟

متأسفانه کشاورزان در برخی مناطق برای اینکه عملیات کشت محصول بعدی راحت­تر انجام شود و همچنین در مواردی برای مبارزه با آفات و علف­های هرز، بقایای محصول قبلی را می­سوزانند (شکل 6).

این مسئله باعث از دست رفتن منابع کربن و نیتروژن خاک و در نتیجه کاهش ذخیره مواد آلی و کاهش حاصلخیزی خاک می­شود.

جدول 1- مقدار کود نیتروژنی مورد نیاز برای تنظیم نسبت C/N در بقایای گیاهی مختلف و سایر مواد آلی*

• برای محاسبه دقیق مقدار نیتروژن مورد نیاز می­بایستی مقدار نیتروژن و کربن ماده موردنظر محاسبه شود

شکل 5- اختلاط بقایا با خاک برای تجزیه بهنر بقایا

شکل 6- نمایی تأسف برانگیز از سوزاندن کاه و کلش

لازم به ذکر است که ماده آلی یکی از شاخص­­های مهم کیفیت خاک است و فقط حدود پنج درصد خاک­ها دارای ماده آلی بالای 5/1 درصد هستند و در بیش از 60 درصد خاک­های ایران میزان آن کمتر از 5/0 تا حداکثر یک درصد است. برآورد شده که سوزاندن بقایای شلتوک برنج، 9/3 میلیون تن از کربن آلی، 59000 تن نیتروژن آلی، 20000 تن فسفر و 34000 تن پتاسیم را می­سوزاند. باتوجه به محتوای اندک موادآلی خاک­های کشور،اعمال شیوه­های مدیریتی در راستای حفظ و افزایش موادآلی خاک­ها نظیر مدیریت بقایای بعد از برداشت محصول و بویژه خودداری از سوزاندن آنها، از اقدامات ضروری در سیستم کشاورزی کشور محسوب می­شود. سوزاندن بقایا همچنین موجب آلوده شدن هوا، مشکلات تنفسی و ورود گازهایی همانند CO_2­­­، CO، N₂O،NO₂, ، SO₂ و CH₄ به اتمسفر می­شود. هر کشاورزی تصور می­کند که زمین و بقایای محصول جزء دارایی­های فقط خودش بوده و مختار است که آنها را بسوزاند درحالی که این بقایا می­توانند کاربردهای فراوان دیگری نیز داشته باشند (شکل 7).

شکل 7- اثرات مخرب سوزاندن بقایا بر خاک و محیط زیست

مسئله سوزاندن بقایای محصولات تا سال­ها مورد توجه سیاست­گزاران قرار نگرفته بود اما اخیرا، این موضوع مورد بحث قوه مقننه قرارگرفته و حاصل آن تصویب ماده ۲۰ لایحه هوای پاک است. در بخشی از ماده ۲۰ لایحه مذکور آمده است که سوزاندن بقایای گیاهی اراضی زراعی پس از برداشت محصول ممنوع است وطبق مواد قانونی ۲۲ و ۳۳ قانون نحوه جلوگیری از آلودگی هوا و ماده ۶۸۸ قانون مجازات اسلامی با مجرمان برخورد خواهد شد. همچنین وزارت جهاد کشاورزی مکلف است مفاد این ماده را به اطلاع بهره­برداران بخش کشاورزی، عشایری و منابع طبیعی برساند.

رهیافت ترویجی

در بسیاری از مناطق کشور، پس از برداشت محصول اعم از گندم، جو، ذرت، سورگوم و سایر محصولاتی که دانه، میوه یا هر قسمتی از آنها به عنوان محصول اصلی و نهایی از مزرعه خارج می­شوند، باقیمانده محصول شامل کاه و کلش و غیره را می­سوزانند. باتوجه به محتوای اندک مواد آلی اکثر خاک­های کشور، توصیه می­شود کاه و کلش و بقایای محصول برداشت شده پس از اضافه کردن مقدار مناسبی از کود نیتروژنی با خاک مخلوط و نیز رطوبت درحد مناسب فعالیت میکروب­ها تأمین گردد. مقدار کود نیتروژنی مورد نیاز، به نوع بقایا و میزان آنها در هر هکتار بستگی داشته و با توجه به اطلاعات ارائه شده در این نوشتار می­توان مقدار آن را تعیین کرد.

مزایا و اثربخشی

     مزایای برگرداندن بقایای محصولات کشاورزی به خاک به شرط تأمین نیتروژن مورد نیاز برای معدنی­شدن مواد آلی، شامل افزایش کربن آلی، نفوذپذیری، قدرت نگهداری آب در خاک، افزایش تعداد جمعیت ریزجانداران مفید و تنوع میکروبی خاک، افزایش ظرفیت تبادل کاتیونی و افزایش میزان حاصلخیزی خاک است. رعایت نکات این مقاله بویژه تأمین نیتروژن مورد نیاز ریزجانداران، اثربخشی تجزیه بقایای محصولات کشاورزی را افزایش خواهد داد.  

[1] Mineralization

[2] Immobilization

[3] Nitrification

[4] Denitrification

[5] Nitrogen Fixation

[6] Degradation

[7] Amonification