کودهای نیتروژنی و اوتریفیکاسیون؛ نیتروژن چگونه از خاک به آب می‌رسد؟

گیاه نیتروژن مولکولی هوا را مستقیم جذب نمی‌کند

مولکول N₂ پیوند سه‌گانه بسیار پایداری دارد و بیشتر گیاهان سازوکار لازم برای شکستن مستقیم این پیوند را ندارند. نیتروژن باید نخست به گونه‌های واکنش‌پذیرتر تبدیل شود. تثبیت زیستی به‌وسیله بعضی باکتری‌ها، آذرخش و فرایندهای صنعتی از مسیرهایی هستند که نیتروژن جو را وارد ترکیب‌های قابل استفاده می‌کنند.

ریشه گیاه نیتروژن را عمدتاً به صورت یون نیترات NO₃⁻ و یون آمونیوم NH₄⁺ از محلول خاک می‌گیرد. عبارت «کود نیتروژنی» نام یک ماده واحد نیست؛ آمونیوم نیترات NH₄NO₃، آمونیوم سولفات (NH₄)₂SO₄ و اوره CO(NH₂)₂ ساختار، درصد نیتروژن و رفتار یکسانی در خاک ندارند. برای تحلیل هر کود باید فرمول و گونه نیتروژن آن را جداگانه خواند.

• N₂ جو برای بیشتر گیاهان مستقیماً قابل مصرف نیست
• NO₃⁻ و NH₄⁺ دو شکل مهم نیتروژن قابل جذب‌اند
• تثبیت نیتروژن، N₂ را به ترکیب‌های واکنش‌پذیر تبدیل می‌کند
• نام کود نیتروژنی به معنی ترکیب شیمیایی یکسان نیست

اوره پس از ورود به خاک به گونه‌های آمونیومی تبدیل می‌شود

اوره با فرمول CO(NH₂)₂ یک ترکیب مولکولی و پرکاربرد است. در خاک مرطوب، آنزیم اوره‌آز واکنش آبکافت اوره را سرعت می‌دهد. نمایش ساده نتیجه کلی این تبدیل CO(NH₂)₂ + H₂O → 2NH₃ + CO₂ است. آمونیاک در حضور آب و یون هیدرونیوم می‌تواند به یون آمونیوم تبدیل شود: NH₃ + H₃O⁺ ⇌ NH₄⁺ + H₂O.

تعادل میان NH₃ و NH₄⁺ به pH وابسته است. در محیط قلیایی‌تر، سهم آمونیاک بیشتر می‌شود و NH₃ می‌تواند به صورت گاز از سطح خاک خارج شود؛ به این اتلاف، فرار آمونیاک می‌گویند. قرارگرفتن مناسب کود در خاک، رطوبت، دما و pH بر مقدار این اتلاف اثر دارند. پس وجود درصد زیاد نیتروژن در یک کود به‌تنهایی تضمین نمی‌کند که همه آن به ریشه برسد.

• اوره در خاک آبکافت می‌شود
• NH₃ و NH₄⁺ با یک تعادل اسید و باز به هم مربوط‌اند
• pH بالاتر می‌تواند سهم NH₃ و امکان اتلاف گازی را افزایش دهد
• مقدار نیتروژن کود با مقدار جذب‌شده گیاه یکسان نیست

نیتریفیکاسیون آمونیوم را به نیترات تبدیل می‌کند

در خاک دارای اکسیژن، گروه‌هایی از میکروارگانیسم‌ها یون آمونیوم را طی دو مرحله اکسید می‌کنند. مسیر ساده به صورت NH₄⁺ → NO₂⁻ → NO₃⁻ نمایش داده می‌شود. این فرایند نیتریفیکاسیون نام دارد و یک واکنش منفرد با یک میکروب واحد نیست؛ هر مرحله به فعالیت زیستی و شرایط مناسب خاک وابسته است.

اکسایش آمونیوم با تولید یون H⁺ همراه است و تداوم آن می‌تواند خاک را اسیدی‌تر کند. نیترات حاصل برای گیاه قابل جذب است، اما بار منفی آن سبب می‌شود مانند کاتیون آمونیوم به سطح‌های منفی بسیاری از ذره‌های خاک نچسبد. در نتیجه NO₃⁻ همراه آب آسان‌تر در خاک جابه‌جا می‌شود.

• نیتریفیکاسیون یک فرایند اکسایش زیستی است
• نیتریت NO₂⁻ حد واسط و نیترات NO₃⁻ فرآورده نهایی ساده‌شده است
• این فرایند می‌تواند به اسیدی‌شدن خاک کمک کند
• نیترات در آب محلول و در خاک نسبتاً متحرک است

آب‌شویی و دنیتریفیکاسیون دو مسیر متفاوت خروج نیتروژن‌اند

هنگامی که آب باران یا آبیاری از ناحیه ریشه پایین می‌رود، نیترات حل‌شده می‌تواند همراه آن حرکت کند. این جابه‌جایی آب‌شویی نام دارد. اگر نیترات از دسترس ریشه خارج شود، هم کارایی کود کاهش می‌یابد و هم احتمال ورود آن به آب زیرزمینی بیشتر می‌شود. آب‌شویی یک واکنش شیمیایی نیست؛ انتقال فیزیکی یون حل‌شده با آب است.

در خاک غرقابی یا کم‌اکسیژن، بعضی باکتری‌ها از نیترات در فرایند تنفس خود استفاده و آن را در چند مرحله به گونه‌های گازی، از جمله N₂، تبدیل می‌کنند. این مسیر دنیتریفیکاسیون نام دارد و نیتروژن را به جو بازمی‌گرداند. ممکن است N₂O نیز به عنوان یک فرآورده میانی یا جانبی آزاد شود. بنابراین آب‌شویی نیترات را با آب جابه‌جا می‌کند، ولی دنیتریفیکاسیون ماهیت شیمیایی گونه نیتروژن را تغییر می‌دهد.

ورود نیتروژن اضافی به آب می‌تواند اوتریفیکاسیون ایجاد کند

اوتریفیکاسیون یا پُرمغذی‌شدن زمانی رخ می‌دهد که مقدار ترکیب‌های مغذی، به‌ویژه نیتروژن و فسفر، در یک پهنه آبی بیش از حد افزایش یابد. در چنین شرایطی رشد جلبک‌ها و بعضی ریزجانداران می‌تواند به‌سرعت زیاد شود. کود شسته‌شده از زمین کشاورزی یکی از منابع این مواد است، اما فاضلاب و منابع دیگر نیز می‌توانند سهم داشته باشند.

افزایش جلبک همیشه به معنی اکسیژن بیشتر و آب سالم‌تر نیست. پس از مرگ زیست‌توده، تجزیه آن به‌وسیله میکروارگانیسم‌ها اکسیژن محلول را مصرف می‌کند. اگر آهنگ مصرف اکسیژن از جایگزینی آن بیشتر شود، کمبود اکسیژن برای آبزیان پدید می‌آید. بعضی شکوفایی‌های جلبکی نیز سم تولید می‌کنند یا عبور نور را کاهش می‌دهند؛ بااین‌حال نوع و شدت پیامد به ماده مغذی محدودکننده، دما، جریان آب و شرایط بوم‌سازگان بستگی دارد.

• اوتریفیکاسیون یعنی افزایش بیش از اندازه مواد مغذی آب
• نیتروژن و فسفر هر دو می‌توانند در این پدیده نقش داشته باشند
• تجزیه زیست‌توده اکسیژن محلول را مصرف می‌کند
• هر رشد جلبکی را بدون بررسی علت به کود نسبت نده

درصد جرمی نیتروژن، کودها را روی یک مبنای مشترک مقایسه می‌کند

برای محاسبه درصد جرمی نیتروژن، جرم همه اتم‌های N در یک مول ترکیب را بر جرم مولی ترکیب تقسیم و حاصل را در ۱۰۰ ضرب می‌کنیم. برای نمونه در NH₄NO₃ دو اتم نیتروژن وجود دارد. با جرم‌های اتمی تقریبی N=14، H=1 و O=16، جرم مولی آن 80 g·mol⁻¹ و سهم نیتروژن 28 g است؛ پس درصد جرمی نیتروژن آن 28÷80×100=35% می‌شود.

این درصد فقط مقدار کل نیتروژن موجود در جرم معینی از کود خالص را نشان می‌دهد. برای کود تجاری ناخالص یا مخلوط، باید درصد خلوص یا آنالیز درج‌شده نیز در محاسبه وارد شود. درصد جرمی درباره سرعت آزادشدن، اتلاف، اثر بر pH یا مقدار واقعی جذب گیاه اطلاعات کامل نمی‌دهد؛ انتخاب کود صرفاً با بزرگ‌ترین درصد نیتروژن علمی نیست.

مثال حل‌شده: نیتروژن اوره و آمونیوم سولفات را مقایسه کن

جرم مولی اوره CO(NH₂)₂ برابر 12+16+2(14)+4(1)=60 g·mol⁻¹ است. هر مول اوره 28 g نیتروژن دارد؛ بنابراین درصد جرمی نیتروژن آن 28÷60×100 یا حدود 46.7% است. پس در ۱۵۰ گرم اوره خالص، جرم نیتروژن برابر 0.467×150 یا حدود 70.0 گرم خواهد بود.

برای آمونیوم سولفات (NH₄)₂SO₄، جرم مولی با S=32 برابر 2(14)+8(1)+32+4(16)=132 g·mol⁻¹ است. سهم نیتروژن 28 g و درصد آن 28÷132×100 یا حدود 21.2% است. بنابراین برای رساندن 70.0 گرم نیتروژن، از نظر محاسبه نظری به 70.0÷0.212 یا حدود 330 گرم آمونیوم سولفات خالص نیاز است. این برابری جرمی فقط مقایسه استوکیومتری است و دستور مصرف کشاورزی محسوب نمی‌شود.

تمرین روشن و نکات کلیدی

تمرین: یک کود ۸۰ درصد جرمی آمونیوم نیترات و ۲۰ درصد ماده بدون نیتروژن دارد. در ۲۰۰ گرم از این کود چند گرم نیتروژن وجود دارد؟ ابتدا جرم NH₄NO₃ را حساب می‌کنیم: 0.80×200=160 g. چون آمونیوم نیترات 35% نیتروژن دارد، جرم نیتروژن برابر 0.35×160=56 g است. خطای رایج آن است که 35% را مستقیماً در ۲۰۰ گرم ضرب کنیم و خلوص کود را نادیده بگیریم.

برای تحلیل این مبحث، مسیر نیتروژن را مرحله‌به‌مرحله دنبال کن: ماده اولیه کود را از روی فرمول بشناس، تبدیل‌های خاک را مشخص کن، گونه قابل جذب یا متحرک را تشخیص بده و سپس پیامد خروج از ناحیه ریشه را بررسی کن. در محاسبه‌ها نخست درصد نیتروژن ترکیب خالص و سپس جرم واقعی آن ترکیب در نمونه را به کار ببر. در عمل، مقدار کود باید بر پایه آزمون خاک، نیاز گیاه و نظر کارشناس تعیین شود.

• فرمول شیمیایی را پیش از محاسبه درصد بخوان
• اوره ابتدا به گونه‌های آمونیومی و سپس می‌تواند به نیترات تبدیل شود
• آب‌شویی انتقال نیترات با آب است
• دنیتریفیکاسیون نیترات را به گونه‌های گازی تبدیل می‌کند
• کود اضافی می‌تواند خطر اوتریفیکاسیون را افزایش دهد
• درصد نیتروژن، تنها یکی از معیارهای ارزیابی کود است