Azotul in sol

Azotul in sol

Azotul este distribuit in litosfera, atmosfera, hidrosfera si biosfera. Spre deosebire de celelalte doua elemente principale pentru nutritia plantelor, fosforul si potasiul, in litosfera nu se gasesc zacaminte cu azot, ca urmare ingrasamintele cu azot sunt obtinute din azotul atmosferic (N₂). In sol, azotul se gaseste in cantitati foarte mici, mai ales sub forma de compusi organici. Continutul total de azot la suprafata solului, este cuprins intre 0,05-0,2%, ceea ce corespunde unei cantitati de 1750-7000 kg N/ha in stratul arabil. Din aceasta cantitate de azot , doar o mica parte, aproximativ 5%, este direct accesibila plantelor, in principal sub forma de azot nitric N-NO₃^- si amoniacal N-NH₄⁺. Azotul organic devine accesibil plantelor in urma proceselor de mineralizare.

Azotul este cel mai important element nutritiv pentru obtinerea de recolte ridicate. Este un element plastic, cu rol de constructie. Este componentul esential al enzimelor, clorofilei, proteinelor, etc. Stimuleaza cresterea radacinii si dezvoltarea plantei, precum si absorbtia celorlalti nutrienti.

In aproape toate ecosistemele, azotul trece din sol in planta si din planta (reziduuri) inapoi in sol prin intermediul biomasei microbiene, suferind numeroase transformari, cunoscute sub denumirea de ciclul azotului. In ecosistemele naturale, acest ciclu este mai mult sau mai putin inchis, cantitatea de azot pierduta fiind in echilibru cu cantitatea de azot primita. In ecosistemele agricole acest echilibru este perturbat de pierderile de azot extras cu recolta. Ca urmare utilizarea de ingrasaminte este necesara pentru a mentine sau imbunatatii productivitatea solului.

1 Ciclul azotului

In ecosistemele naturale si agricole, azotul apare sub diverse forme, de la starea de valenta de -3 ( in NH₄⁺) la +5 ( in NO₃^-).Trecerea de la o stare de valenta la alta este conditionata de factorii de mediu, dar mai ales de conditiile microbiologice din sol. Totalitatea transformarilor azotului constituie ciclul azotului in sol.

Fulgerele transforma azotul atmosferic N₂ ( valenta 0) in diferiti oxizi de azot si in final in ion nitrat NO₃^- ( valenta +5), care dupa depunere poate fi preluat de catre plante. Azotul molecular poate fi transformat si in ion amoniu NH₄⁺ ( valenta -3) prin procese de fixare biologica. Ionul amoniu participa la diferite procese biochimice in planta. Cand resturile de plante se descompun, compusii organici cu azot sufera o serie de transformari sub actiunea microorganismelor din sol, ducand la formarea de NH₄⁺ ( amonificare) si in final de NO₃^- ( nitrificare). In conditii de anaerobioza, ionul nitrat este transformat in diversi oxizi cu azot, si in final in azot molecular N₂ (denitrificare), care este eliberat in atmosfera, incheind astfel ciclul azotului. Cand sunt aplicate ingrasaminte organice sau anorganice cu azot, acestea sufera aceleasi transformari si pot influenta viteza transformarilor azotului in sol.

Intrarile ( prin fixare microbiologica, ingrasaminte organice sau minerale) si pierderile de azot din sol ( prin levigare, volatilizare, denitrificare sau extragere cu recolta) determina necesitatea de aplicare a ingrasamintelor.

Transformarile azotului in soluri

Principalele forme de azot din sol sunt compusii organici cu azot, ionul NH₄⁺ si NO₃^-. Azotul anorganic din sol este doar o fractiune mica din azotul total. Cea mai mare parte din azotul de la suprafata solului se gaseste sub forma de compusi organici: proteine (20-40%), hexozoamine (5-10%), derivati purinici si pirimidinici ( mai putin de 1%) si diversi compusi complecsi rezultati in urma reactiei dintre NH₄⁺ cu lignine, in urma polimerizarii chinonelor cu diverse substante cu azot si in urma condensarii zaharurilor si aminelor. Aceste forme de azot pot fi supuse diferitelor procese de transformare in sol.

Mineralizarea

Este o etapa importanta a reciclarii azotului in sol si consta in descompunerea substantelor organice cu azot, in compusi minerali simpli, cu rol important in procesele de nutritie vegetala. Are loc atunci cand azotul din materia organica supusa descompunerii depaseste nevoile proprii ale microorganismelor. Mineralizarea se desfasoara in doua etape:

a). proteoliza: reprezinta procesul prin care macromoleculele proteice sunt descompuse, sub actiunea microorganismelor din sol, in compusi mai simpli: peptone, peptide, aminoacizi. Descompunerea are loc sub actiunea bacteriilor heterotrofe in mediu slab acid pana la alcalin, si sub actiunea ciupercilor in solurile moderat si puternic acide.

Proteine R - CH - COOH + CO₂ + energie + produsi aditionali

aminoacid

b). amonificarea: constituie etapa finala a mineralizarii, in cursul careia produsii rezultati in urma proteolizei sunt convertiti in ioni amoniu.

R - CH - COOH + 1/2O₂ R - C - COOH + NH₃

cetoacid

NH₃ + H₂O NH⁺₄ + HO^-

Ionul amoniu astfel rezultat poate fi transformat in nitriti si nitrati prin procesul de nitrificare, poate fi absorbit de plantele superioare, poate fi fixat in reteaua cristalina a mineralelor argiloase, poate fi retinut de catre complexul adsorbitiv al solului sau poate fi consumat de catre organismele heterotrofe.

Viteza cu care microorganismele mineralizeaza substantele organice este redusa, astfel rezulta un continut de 0,5-1 kg N/ha/zi, in functie de tipul de sol si factorii de mediu (Hofman si van Cleemput, 2004).

Tabelul

Cantitatea de azot mineralizata (kgN/ha/zi) in stratul arabil (0-30cm)

in functie de utilizarea solului si adaosul de materie organica (Hofman si colab., 2001)

Factorii de mediu care favorizeaza mineralizarea sunt:

temperatura solului : temperatura optima de mineralizare se situeaza intre 20-50ºC. Tisdale (1993) considera ca intensitatea mineralizarii scade la temperaturi sub 5ºC si peste 40ºC.

umiditatea solului: intensitatea mineralizarii creste odata cu cresterea umiditatii solului pana la capacitatea de camp si descreste cu umiditatea peste aceasta limita. Umiditatea optima pentru mineralizarea azotului din materia organica este situata intre 60-90% din capacitatea totala pentru apa a solului ( Budoi, 2004).

aeratia solului: o buna aeratie a solului stimuleaza procesele de oxidare si de mineralizare a materiei organice. Cu cat lucrarile solului sunt mai energice, scade continutul in humus.

pH-ul solului: pe solurile neutre si slab acide, mineralizarea este mai intensa.

Imobilizarea

Prin imobilizare se intelege, de regula, un ansamblu de procese care duc la un grad mai inalt de inaccesibilitate a elementelor nutritive pentru plante si microorganisme. Exista un proces de imobilizare chimica, care consta in retinerea ionului amoniu la nivelul unor componente ale solului ( argila, humus), si altul de imobilizare biochimica, in urma caruia compusii minerali ai azotului, absorbiti de plante sau microorganisme, sunt transformati in compusi organici. Imobilizarea biochimica are loc atunci cand, azotul din materia organica nu este suficient, microorganismele consumand azotul anorganic din sol, pe care il convertesc in proteine celulare si alti compusi organici.

Imobilizarea azotului mineral poate surveni in urma incorporarii de material organic proaspat, in functie de coeficientul de humificare sau continutul efectiv de materie organica, si de raportul C/N din materialul organic incorporat. Cand se aplica materie organica cu un continut redus de azot, microorganismele necesita un supliment de azot, reducandu-se continutul de azot mineral al solului si accesibilitatea lui pentru plante. Ca urmare, incorporarea de materie organica cu un raport ridicat C/N duce la imobilizare, in timp ce incorporarea unui material organic cu un raport C/N scazut duce la mineralizare. Un raport C/N de 25-30 este considerat punctul limita dintre mineralizare si imobilizare. In tabelul 2.2. este prezentata influenta adaosului de materie organica asupra mineralizarii si imobilizarii.

Tabelul 2.2.

Influenta diferitelor tipuri de materie organica asupra mineralizarii sau imobilizarii azotului

(Hofman si colab., 2004)

Materie organica efectiva - cantitatea de materie organica ramasa in sol dupa un an de la incorporare

Imobilizarea si mineralizarea trebuie intelese ca doua procese opuse, simultane, care nu pot avea loc decat impreuna

Nitrificarea

Nitrificarea este procesul de oxidare a ionului NH₄⁺ in NO₂^- si NO₃^- sub actiunea unei grupe specializate de microorganisme autotrofe.

Procesul de nitrificare se desfasoara in doua etape:

a). in prima etapa NH₄⁺ este oxidat la nitriti NO₂^- ( valenta 3+) de catre bacteriile din genul Nitrosomonas :

2NH₄⁺ + 3O₂ 2NO₂^- + 2H₂O + 4H⁺

b). in cea de a doua etapa NO₂^- sunt oxidati la NO₃^- de catre bacteriile din genul Nitrobacter:

2NO₂^- + O₂ → 2NO₃^-

In timpul nitrificarii se formeaza si cantitati reduse de protoxid de azot N₂O ( valenta +1) si monoxid de azot ( valenta +2).

Nitrificarea este un proces aerob, care necesita oxigen. Umiditatea solului influenteaza intensitatea nitrificarii. In solurile uscate, are loc o acumulare de ioni NH₄⁺ , si uneori NO₂^-, deoarece speciile Nitrobacter sunt mai sensibile decat alte microorganisme.

Intensitatea nitrificarii este redusa in solurile acide, crescand pe masura cresterii pH-ului. In conditii de alcalinitate are loc acumularea de nitriti, deoarece activitatea Nitrobacteriilor este inhibata de prezenta ionului amoniu, care se formeaza in solurile alcaline.

Nitrificarea este un proces care duce la acidifierea solului ca urmare a eliberarii ionilor de hidrogen.

Denitrificarea

Spre deosebire de nitrificare, denitrificarea este un proces anaerob. Este un proces heterotrofic, care necesita un substrat organic. Exista doua tipuri de denitrificare: o denitrificare biologica si o chemodenitrificare.

Denitrificarea biologica se refera la reducerea biochimica a ionilor NO₃^- la compusi gazosi ai azotului. In timpul denitrificarii, ionii NO₃^- si NO₂^- sunt redusi, de catre microorganisme, la oxizi de azot ( NO, N₂O) si azot molecular (N₂). Acesti compusi nu sunt accesibili plantelor. Schematic denitrificarea biologica poate fi reprezentata astfel:

NO₃^- NO₂^- NO N₂O N₂

Reactiile desfasurate ale procesului de denitrificare biologica sunt prezentate mai jos:

NO₃^- + H₂O + 2e^- → NO₂^- + 2HO^-

NO₂^- + 1/2H₂O + 2e^- → 1/2N₂O + 3HO^-

NO₂^- + 2H₂O + 3e^- → 1/2N₂ + 4HO^-

Denitrificarea biologica este influentata de urmatorii factori: oxigen, umiditate, continutul de nitrati, rezerva de carbon, temperatura, pH, textura solului. Cantitatea si calitatea materialului organic incorporat ( paie, ingrasaminte organice, namoluri), precum si distributia lui in sol influenteaza intensitatea denitrificarii. De asemenea, conditiile climatice (uscare/umezire, inghet/dezghet) si lucrarile solului influenteaza denitrificarea.

Spatiul solului umplut cu apa este un parametru ce indica care proces devine predominant: nitrificarea sau denitrificarea, el fiind un indicator al activitatii microbiologice aerobe sau anaerobe din sol.

fig. Relatia dintre spatiul poros umplu cu apa al solului si intensitatea

nitrificarii si denitrificarii (dupa Linn si Doran, 1984)

Lipsa oxigenului din sol duce la stoparea nitrificarii ( proces aerob) si la intensificarea denitrificarii ( proces anaerob). Trebuie mentionat ca atat in afara conditiilor optime, atat la nitrificare, cat la denitrificare, are loc formarea de N₂O ( gaz toxic).

In cazul chemodenitrificarii reducerea nitratilor la compusi gazosi ai azotului nu are loc sub actiunea microorganismelor. Acest fenomen este important in conditii acide. Chemodenitrificarea se petrece mai ales in subsol. Mineralele primare formate in conditii reducatoare, elibereaza in urma alterarii compusi reducatori cum ar fi Fe²⁺. Compusii oxidanti, precum O₂ si NO₃^-, patrund in spatiile ramase libere, unde vor fi redusi. In conditii de camp, reducerea ionului NO₃^- dureaza saptamani si chiar luni de zile. Chemodenitrificarea este importanta pentru reducerea poluarii nitrice a apelor de adancime.

Pierderile de azot prin denitrificare pot varia intre 5-25% din azotul total aplicat ca ingrasamant.

3. Caile de imbogatire a solului cu azot

Fixarea biologica a azotului molecular

Fixarea biologica a azotului molecular se realizeaza prin intermediul microorganismelor . Microorganismele fixatoare de azot se clasifica in doua mari grupe: microorganisme nesimbiotice si microorganisme simbiotice.

a). Microorganismele nesimbiotice, sunt de doua feluri:

- care traiesc libere in sol. Acestea la randul lor pot fi aerobe: genul Azotobacter, sau anaerobe: genul Clostridium, capacitatea lor fixatoare fiind modesta. Tot in aceasta categorie intra si algele verzi-albastre, organisme complet autotrofe, care contin clorofila si pot fixa azotul molecular.

- care traiesc in asociatii in rizosfera. Din aceasta categorie fac parte bacteriile din genul Azospirillum si Azotobacter, care traiesc atat liber in sol, dar si in asociere cu radacinile de ierburi graminee, de mei , de sorg sau de porumb. In rizosfera plantelor traiesc si bacteriile din genul Enterobacter.

Tabelul 2.3.

Bacterii nesimbiotice fixatoare de azot molecular

b). Microorganismele simbiotice, din aceasta categorie fac parte genurile Rhizobium, care formeaza simbioze cu plantele leguminoase, si Actinomyces, care traiesc in simbioza cu specii neleguminoase ( specii lemnoase, de padure, de exemplu Alnus). Bacteriile simbiotice sunt aerobe.

Bacteriile patrund in radacina plantei prin membrana celulara a perilor absorbanti, pe care o dizolva cu ajutorul unor sisteme enzimatice, formand un cordon infectional ce ajunge pana in parenchimul cortical. Celulele din zona infectata se divid, formand nodozitatea in interiorul careia bacteriile se transforma intr-un bacteroid. Acesta este de 40 ori mai mare decat bacteria initiala, formarea lui fiind conditionata de prezenta unui complex enzimatic (dinitrogenaza si dinitrogenreductaza).

In primele zile dupa infectie, bacteriile se hranesc pe seama plantei , neoferind nimic in schimb. Treptat ele incep sa fixeze azotul atmosferic, punandu-l la dispozitia plantei, in proportie de 70-80% din cel fixat.

Simbioza consta in faptul ca plantele folosesc substantele cu azot in forma redusa elaborate de catre microorganisme, iar bacteriile utilizeaza glucidele solubile sintetizate de plante si sarurile anorganice absorbite de acestea din sol.

Mecanismul fixarii biochimice a azotului molecular pare a fi acelasi la toate speciile de microorganisme. Treptele fixarii azotului molecular sunt urmatoarele:

Treapta 1: N₂ + 2e^- + 2H⁺ + 4ATP HN=NH + 4ADP

Diimida

Treapta 2: HN=NH + 2e^- + 2H⁺ + 4 ATP H₂N - NH₂ + 4ADP

Hidrazina

Treapta 3: H₂N - NH₂ + 4e^- + 4H⁺ + 8ATP 2NH₃ + H₂ + 8ADP

Reactia finala este:

N₂ + 8e^- + 8H⁺ + 16ATP 2NH₃ + H₂ + 16ADP

Reactia este catalizata de catre un complex enzimatic alcatuita din doua enzime:

dinitrogenaza, care reduce azotul molecular la amoniac. Contine un cofactor Fe-Mo care accepta electroni de la dinitrogenreductaza,

dinitrogenreductaza, care transfera electroni la dinitrogenaza. Contine un atom de Fe implicat in procesul redox.

Dinitrogenaza este inhibata de prezenta hidrogenului, iar dinitrogenreductaza de prezenta oxigenului. Amoniacul rezultat in urma fixarii, este transformat in aminoacizi si proteine.

Tabelul 2.4.

Bacterii simbiotice fixatoare de azot

In zona centrala a nodozitatii, unde are loc fixarea azotului molecular, se gaseste un pigment colorat in rosu, de natura hemoproteidica, denumit leghemoglobina. Leghemoglobina apare in stadiul activ al fixarii N₂, ea nu poate fi sintetizata nici de bacterii si nici de planta traind separat, este in stransa relatie cu fixarea N₂, a carei intensitate este proportionala cu concentratia acestui pigment in nodozitati.

Factorii care influenteaza fixarea simbiotica a azotului molecular.

a). reactia solului . Ca urmare a excesului de H⁺, a cantitatilor ridicate de Al³⁺ si Mn²⁺, precum si datorita continutului redus de Ca²⁺, reactia acida este un factor inhibitor al bacteriilor fixatoare de azot. PH-ul optim pentru diferitele specii de bacterii Rhizobium este cuprins intre 6,5-7,8.

b). umiditatea solului.

c). aprovizionarea solului cu elemente nutritive. Intrucat Fe si Mo sunt componente ale denitrogenazei si dinitrogenreductazei, iar Co si Fe sunt necesare pentru formarea leghemoglobinei, insuficienta lor in mediul de nutritie are efecte negative asupra fixarii simbiotice a N₂. Prezenta in exces a ionilor NH₄⁺ in sol si in radacina plantei, inhiba activitatea complexului enzimatic, prin efect de feedback, intrucat in urma fixarii simbiotice N₂ este redus la amoniac. De asemenea excesul de NO₃^- in sol, inhiba activitatea celor doua enzime, deoarece in radacina plantei ionul nitrat este redus la NH₄⁺ avand loc acelasi efect de feedback. La speciile de plante, la care reducerea nitratilor are loc mai ales in radacina, activitatea denitrogenazei din nodozitati este mult mai mare decat cea a dinitrogenreductazei, avand loc o acumulare de nitriti in concentratii toxice pentru bacterii.

d). activitatea fotosintetica a plantelor leguminoase . Planta furnizeaza bacteriilor fixatoare hidratii de carbon necesari activitatilor lor vitale, iar o perturbare a procesului de fotosinteza inseamna o reducere a activitatii bacteriilor.

2. Azotul din precipitatii

Cantitatea de azot provenita din precipitatii este foarte mica. In timpul descarcarilor electrice, ca urmare a temperaturilor ridicate, azotul molecular se poate combina cu oxigenul rezultand oxizi de azot, care cu apa din precipitatii vor forma acizi.

N₂ + O₂ → 2NO₂

2NO₂ + H₂O → HNO₃ + HNO₂

Anual, la un regim pluviometric de 500-600 mm, va fi introdusa in sol o cantitate de 1-15 kg N/ha.

Azotul introdus prin ingrasaminte

Este principala cale de completare a azotului necesar plantelor cultivate.

4. Caile de pierdere a azotului din sol

Azotul din sol se poate pierde pe urmatoarele cai: prin levigarea nitratilor, prin volatilizarea sau fixarea amoniului, prin indepartarea odata cu recoltele si prin denitrificare.

Pierderile de azot prin levigare

Sunt caracteristice azotului nitric si in mai mica masura azotului amoniacal. Factorii care genereaza levigarea nitratilor in sol sunt:

natura chimica a ionului nitrat. Ionul nitrat nu este fixat in sol , datorita faptului ca sarcinile negative ale acestui ion sunt respinse de sarcinile negative ale complexului argilo-humic. Marea sa mobilitate in sol se datoreaza si faptului ca nu formeaza compusi insolubili cu nici unul dintre constituentii organici sau minerali ai solului.

prezenta in exces a acestuia in sol.

prezenta in exces a apei .

Procesul de levigare este intensificat de urmatorii factori: planta de cultura, epoca de administrare si doza de ingrasaminte, irigarea solului, cantitatea de precipitatii si tipul de sol. Cantitatea levigata este mai mare pe solul neacoperit cu vegetatie si scade in intensitate in perioadele de consum maxim al plantelor.

Ca si masuri de prevenire a levigarii nitratilor se pot mentiona: folosirea inhibitorilor de nitrificare, alegerea corecta a modului si momentelor de aplicare a azotului, in special evitarea aplicarii unor doze prea mari toamna in zonele cu precipitatii abundente. Prin levigare, apele freatice pot fi poluate cu nitrati, cu consecinte nedorite.

Azotul amoniacal , intrucat este adsorbit de catre complexul coloidal al solului, este ferit de pierderile prin levigare. Totusi pe solurile cu capacitate de adsorbtie redusa, cum sunt solurile nisipoase, ca si la solurile la care capacitatea de adsorbtie este determinata preponderent de materia organica, pot avea loc pierderi insemnate de N-NH₄⁺ prin levigare.

Levigarea azotului nitric constituie una dintre cele mai importante cai de pierdere a azotului, care scade eficienta utilizarii lui de catre plante.

Pierderile de azot prin volatilizare

Au loc atunci cand ingrasamintele cu azot amoniacal N-NH₄⁺ se aplica la suprafata solurilor calcaroase, dar si la aplicarea ingrasamintelor organice fara incorporare imediata a acestora in sol.

(NH₄)₂SO₄ + CaCO₃ CaSO₄ + (NH₄)₂CO₃

(NH₄)₂CO₃2NH₃ + H₂O + CO₂

Pe solurile calcaroase , pierderile prin volatilizare sunt mai putin afectate de formarea azotatului de calciu Ca(NO₃)₂ sau a clorurii de calciu CaCl₂, rezultate in urma aplicarii azotatului, respectiv a clorurii de amoniu, deoarece aceste saruri spre deosebire de CaSO₄ sunt usor solubile, ramanand in solutie.

Pe solurile alcaline, unde predomina ionii hidroxil HO^- disociati, pot avea loc pierderi de N-NH₄⁺ prin volatilizare, conform reactiei:

NH₄⁺ + HO^- NH₃ + H₂O

Pierderile de N-NH₄⁺ scad prin incorporarea ingrasamintelor in sol, unde ionul NH₄⁺ poate fi retinut prin adsorbtie de catre complexul coloidal. Cu cat capacitatea de schimb cationic a solului este mai mare, cu atat pierderile sunt mai mici.

Pierderile de azot prin fixarea ionului NH₄⁺

Mecanismul fixarii N-NH₄⁺ este legat de prezenta in sol a mineralelor argiloase cu retea cristalina expandabila ( muscovit, illit, vermiculit, montmorilonit), la care , ionii NH₄⁺ avand raza ionica mare, patrund intre cele doua pachete cand solul este umed, si raman aici, intr-un fel de captivitate, cand solul incepe sa se usuce. Solurile bogate in minerale argiloase contin cantitati ridicate de ioni amoniu in forma fixata.

Factorii care influenteaza fixarea amoniului sunt:

temperatura: cu cat temperatura este mai ridicata, cu atat fixarea amoniului este mai intensa;

umiditatea: cu cresterea umiditatii scade cantitatea de amoniu fixata;

pH-ul: cu cresterea pH-ului creste cantitatea de amoniu fixata.

Amoniul fixat poate deveni accesibil plantelor, cand concentratia formelor schimbabile si solubile scade foarte mult, datorita consumului de catre plante, microorganisme sau datorita procesului de nitrificare.

Prin fixarea ionului amoniu pot avea loc pierderi semnificative din azotul aplicat cu ingrasamintele sau rezultat prin mineralizarea materiei organice pe solurile la care capacitatea de fixare nu este satisfacuta.

Pierderile de azot prin ridicarea cu recolta

Cantitati importante de azot sunt ridicate din sol odata cu recolta. Aceasta cantitate este cuantificata prin consumul specific de azot/kg recolta.