Ugrás a tartalomhoz

Talajtan

Stefanovits Pál, Filep György, Füleky György

Mezőgazda Kiadó

9. fejezet - Növényi tápanyagok a talajban

9. fejezet - Növényi tápanyagok a talajban

Nitrogén a talajban

A nitrogénnek általában több mint 95%-a a feltalajban, szerves kötésben van jelen, humuszanyagokban, növényi maradványokban, a talaj biomasszájában és az elhalt szervezetekben. Az ásványi talajok szervesnitrogén-tartalma, amely szoros összefüggésben van a szervesszén-tartalommal, 0,02–0,4% között van.

A legtöbb feltalajban a nitrogén 20–40%-a aminosavak alakjában, 5–10%-a hexozaminokban (amino-cukor) és 1–7% a nukleinsavak bázisaiban (purin és pirimidin) van kötve.

Szervetlen alakban és növények számára felvehető állapotban főleg a könnyen oldható, ezért könnyen kimosódó nitrát (NO3–) alakban és csak kis mennyiségben a kicserélhető és oldott ammónium (NH4+) alakban található.

Ammóniumionok nemcsak a talajoldatban lehetnek, hanem adszorbeált alakban is, kation-kicserélő helyeken. Némely ammóniumion kristályrácsokban kötődik meg, például a 2:1 rétegrácsú agyagásványok rétegei között, ahol K-ionokkal kicserélhetők, mert azonos a méretük.

Az agyagásványok kristályrácsában megtalálható ammóniumionok nem kicserélhető, ezért nem felvehető alakban vannak jelen. A talajban a nitrogénnek csak igen kis része, általában kevesebb, mint 0,1%-a van jelen egy adott időpontban felvehető ásványi vegyületek alakjaiban. Így mindössze néhány kg N/ha vehető fel a növény számára közvetlenül, míg akár 6000 kg/ha is lehet különféle vegyületekben.

A szerves nitrogén raktárkészletként is felfogható, mérsékelt éghajlaton évente 1–5%-a alakul át felvehetővé, a trópusokon ez az 50%-ot is elérheti.

A talaj szerves anyagának nitrogéntartalma viszonylag állandó, ezért a nitrogén eloszlása a talajszelvényben megegyezik a szerves anyag eloszlásával.

A talaj nitrogénforrásai

A talajban a szerves és szervetlen kötésben lévő nitrogén állandó körforgásban (9.1. ábra) van, az atmoszférából a növényeken keresztül a talajba, majd onnan vissza az atmoszférába kerül.

9.1. ábra - A nitrogén-körforgalom

kepek/9-1-abra.png


Vulkanikus kőzetekben szinte nincs nitrogén, üledékes kőzetekben van egy csekély mennyiség, de ez már korábbi talajokból származik. A talajban lévő nitrogénnek majdnem teljes mennyisége élőlényektől ered, de ez csak a másodlagos forrás. Az elsődleges forrás az atmoszféra, hiszen a levegő 78%-a nitrogén.

A csapadékvíz

Az atmoszférából származó csapadékban többféle nitrogénforma van jelen: NH4+, NO3– és NO2–.

Mennyisége kg/ha-ban számítva évenként túl kevés ahhoz, hogy a talajba kerülve a növénytermesztés szempontjából jelentős lehetne. Azonban ez a nitrogénmennyiség számottevő a természetes ökoszisztéma gazdálkodása szempontjából, pl. a meg nem bolygatott, természetes erdők és rétek esetében. A természetes növényi közösségek esetében nincsenek nagy nitrogénveszteségek, ezért a csapadékkal szállított nitrogén mennyisége éppen elegendő a kimosódási és denitrifikációs veszteségek pótlására. Általában a csapadék NH4+-N- és NO3–-N-tartalma 1–20 kg/ha évente, de iparvidékek közelében elérheti a 100 kg N/ha értéket is.

A csapadék nitrogéntartalma a földrajzi szélességgel változik. A trópusi levegő 10–30%-kal több ásványi nitrogént tartalmaz, mint a sarkvidéki levegő. A hőmérséklettel is változik: melegebb évszakokban a legtöbb a nitrogén a csapadékban, és minden egyes esőnél csökken a levegő nitrogéntartalma. Az esőben több a NH4+ és a NO3–, mint a hóban.

A csapadékban lévő nitrogén:

  • a talajból és az óceánokból;

  • az atmoszféra nitrogéntartalmának megkötődéséből:

    • elektromos úton

    • fotokémiai úton

    • meteoritok nyomában (ez nem jelentős),

  • ipari szennyeződésekből származik.

Az atmoszférában lévő NH3 fontos forrásai a talajfelszínről történő elillanás, fosszilis tüzelőanyagok elégetése és a természetes tüzek. A NO3– eredete még nem ismert teljesen, de a villámok hatására történő képződés kedvelt elmélet, bár a csapadékban található nitrátnak csak 10–20% képződhet ilyen módon. A villámlás okozta elektromos kisülés a levegőben lévő N2-t NO2-vé oxidálja, ami a vízcseppekben feloldódik és salétromos illetve salétromsavat képez.

A biológiai nitrogénkötés

Egyes szabadon élő vagy magasabb rendű növényekkel szimbiózisban élő mikroorganizmusok képesek nitrogenáz enzimet szintetizálni, amely a nagyon stabil N2-molekulát felhasítja, NH3-vá alakítja, így lehetővé válik az élő szervezetek szervetlen nitrogénforrásból történő táplálkozása.

Mineralizáció és immobilizáció

A nitrogén körforgásában a mineralizáció és az immobilizáció alapvető helyet foglal el. Ha egy talajba ásványi nitrogénforma jut, annak egy részét a növények azonnal felveszik, másik részét a mikroorganizmusok szerves kötésbe viszik, vagyis immobilizálják. A növényi maradványokban lévő nitrogén ismét visszakerül a talajba, s az elhalt állatok és mikroszervezetek maradványaival együtt más mikroorganizmusok táplálékául, ill. energiaforrásául szolgál, amely szervezetek elbontják az elhalt anyagot, és újból ammóniává alakítják, vagyis mineralizálják a megkötött nitrogént.

Nitrogén-megkötés nem szimbiotikus úton

Erre a kék és zöld algák (Nostoc, Calothrix), illetve egyes baktériumok (Clostridium-anaerob; Azotobacter, Azotomonas aerob) képesek. A szükséges energiát a talajban lévő szerves anyagok lebontása során nyerik. Tevékenységüket a talaj pH-ja és oxigéntartalma erősen befolyásolja. Ha a talajban kevés ásványi nitrogén és sok szén van, és a pH-érték 6,5-nél nagyobb, optimálisak a N2-megkötés feltételei. A nitrogéntrágyázás csökkenti a N2-megkötés mértékét (9.2. ábra).

9.2. ábra - A pillangós növények nitrogénfelvétele a talajból

kepek/9-2-abra.png


Ammonifikáció

Az ammonifikáció olyan enzimatikus folyamat, amelyben a szerves anyagok nitrogénje NH3 alakban szabadul fel. Ebben a folyamatban igen sok enzim vesz részt, mindegyik a szerves anyagok egy speciális típusára fejt ki hatást (lásd 5. fejezet)

Az ammonifikációs folyamatban egyaránt részt vesznek aerob és anaerob mikroorganizmusok, de csak aerób baktériumok oxidálják az NH4+-ot nitritté és nitráttá. Így azok a körülmények, melyek az oxigénellátást gátolják, elősegítik a NH4+ felhalmozódását, ezért a jól levegőző, megművelt talajokban a NO3– a domináns felvehető nitrogénforma.

Az ammonifikáció hőmérsékletfüggése lényegében hasonló a nitrifikációéhoz, de 10 °C alatt még jobban lassul.

Nitrifikáció

A nitrifikáció az ammónia mikróbák tevékenysége nitritté és nitráttá történő átalakítása.

A folyamat két lépésben megy végbe:

2NH4 + 3O2 → 2NO–2 + 2H2O + 4H+ + energia,

2NO–2 + O2 → 2NO3– + energia.

Míg ammonifikációt nagyon sok mikróba képes végezni, nitrifkációra csak néhány speciális mikróbafaj képes aerob körülmények között. Ez a két reakció főként az autotróf Nitrosomonas (1. reakció) és Nitrobacter (2. reakció) baktériumok tevékenységének eredménye. Az első lépésben jelentősen fokozódik a talaj savanyúsága.

A reakciók optimális hőmérséklete: 25–35 °C. Csökkenő hőmérséklet esetén lassulnak, de még 0–2 °C között is van nitrifikáció. A reakciók legnagyobb sebessége 6–8 pH-érték között van, de még erősen savanyú talajokban is lejátszódik a nitrifikáció.

A NH4+ átalakulását NO3–-tá nitrifikációt gátló anyagok alkalmazásával lassítani lehet. Ezt a mezőgazdaságban azért alkalmazzák, hogy csökkentsék a nitrátkimosódást és a denitrifikációt.

Nitrogénmegkötés szimbiotikus úton

Elsősorban pillangósokkal szimbiózisban élő Rhizobium baktériumok képesek erre. A szükséges energiát a gazdanövény szolgáltatja. A rhizobiumok jól átszellőzött talajt és gyengén savanyú, gyengén alkálikus pH-t igényelnek.

Pillangósoknál 50–100 kg N/ha/év (borsó, bab) mennyiségtől 300 kg N/ha/év (here, lucerna) mennyiségig terjedő nitrogénmegkötéseket mértek (9.1. táblázat).

A legtöbb ökoszisztémában egyensúly áll fenn a szerves kötésben lévő nitrogén vonatkozásában a mikrobiális N2-kötés és a csapadékkal érkezett nitrogén, valamint a kimosódási és a denitrifikációs veszteségek között.

A talaj nitrogéntartalmát a klíma, a vegetáció, a talajtulajdonságok – és művelt talajok esetében – a trágyázás, valamint a talajművelés határozzák meg. Ha a vegetáció, ill. a talajhasznosítás megváltozik, megváltozik a talaj nitrogénszolgáltató képessége.

9.1. táblázat - A N2-megkötés éves mértéke, N/kg/ha–1

Csapadékkal

1–10

Nem szimbiontákkal

45

Szimbiontákkal

45–260

Lucerna

260

Vöröshere

170

Fehérhere

130

Szója

120

Borsó

54


A netto mineralizáció

Mivel a két folyamat, a mineralizáció és az immobilizáció a talajban, párhuzamosan megy végbe, az adott időpontban a talajban talált ásványi nitrogén mennyisége a két ellentétes irányba ható folyamat eredményének különbsége. Ha az ásványinitrogén-szint csökken az idővel, az netto immobilizációt jelent, ha emelkedik az idővel, akkor netto mineralizációt jelent.

A C/N arány szerepe a mineralizációnál

A szerves maradványok nitrogéntartalma – amelyet a C/N aránnyal jellemzünk – elsőrendű jelentőséggel bír a két ellentétes irányú folyamat – a mineralizáció és az immobilizáció – nagyságának szabályozásában.

Azoknál a maradványoknál, melyek C/N aránya nagyobb 30-nál, az ásványinitrogén-készletek csökkennek a mikroorganizmusok hatására fellépő netto immobilizáció következtében. Ha a maradványok C/N aránya 20-nál kisebb, a netto mineralizáció következtében nő az ásványi nitrogén szintje (9.3. ábra).

9.3. ábra - A szerves anyag bedolgozásának hatása a talaj nitrát-N-tartalmára

kepek/9-3-abra.png


A talajba kerülő kevés nitrogént tartalmazó növényi maradványok elbomlását kísérő NO3–-szintek és a CO2-képződés változását is bemutatja az ábra. A mikrobiális tevékenységnek kedvező körülmények között gyors lebomlás játszódik le, miközben CO2 alakban jelentős mennyiségű C szabadul fel. A mikroorganizmusok nitrogénigényük fedezésére, ásványi nitrogént fogyasztanak el; azaz bekövetkezik a nitrogén netto immobilizációja. Amikor a C/N arány a lebomló anyagban 20 alá süllyed, a NO3– -szintek ismét nőni kezdenek a netto mineralizáció következtében.

Az, hogy mennyi idő szükséges a mikroorganizmusoknak ahhoz, hogy a növényi maradványok C/N arányát arra a szintre csökkentsék, ahol a nitrogén ásványi formái ismét elkezdenek felhalmozódni, az olyan tényezőktől függ, mint az alkalmazott szerves anyag mennyisége, annak lignintartalma és a talaj mikroflórájának respirációs képessége. Ésszerű becslés az, hogy a mikrobiális tevékenység szempontjából kedvező körülmények között, a netto mineralizáció a lebomlás kezdetétől számított 4–8 héten belül fog lezajlani. Ennek megfelelően, ha nagy C/N aránnyal rendelkező növényi maradványokat dolgoznak be a talajba közvetlenül a növények vetése előtt, akkor külön nitrogéntrágya adagra lesz szükség, a mikroszervezetek által időlegesen immobilizált nitrogén pótlására.

Nitrogénveszteségek a talajban

A nitrogén-körforgalomban igen sok veszteséget okozó tényező van:

  • denitrifikációs veszteségek,

  • az ammónia gáz alakban történő elillanása,

  • erózió okozta veszteségek,

  • NH4+-fixáció az agyagásványrácsban,

  • NO3–-kimosódás.

A fentieken kívül a talaj nitrogéntartalma szempontjából veszteségnek számít a terméssel elvitt nitrogén is.

Denitrifikáció

A talaj nitráttartalmának a nitrogén oxidációs állapotának változása közben bekövetkező csökkenését denitrifikációnak nevezzük.

A nitrogénveszteségek egy része denitrifikáción alapul. 15N-tel végzett vizsgálatok kimutatták, hogy a talajba adott nitrogén 30–50%-a veszendőbe mehet denitrifikáció következtében. Közép-európai viszonyok között, szabadföldi mérésekből kimutatták, hogy csak kb. 7% a biológiai denitrifikáció okozta veszteség (amely azonban 1–16% között ingadozik). A kémiai denitrifikáció még kevesebb veszteséget okoz.

A denitrifikációa talaj NO3– tartalmától, a talajvíz telítettségétől, a rendelkezésre álló szén mennyiségétől, a hőmérséklettől és a pH-tól függ.

Ha a talaj nagymértékben telített vízzel (több mint 80%-os telítettség), nagyfokú denitrifikáció történik, ugyanis anaerob körülmények között néhány baktériumfaj (pl. Pseudomonas) a nitrit- és nitrátionok oxigénjét elektronakceptorként tudja használni. A redukció lépései:

NO3– NO2– N2O N2,

Ebben a folyamatban az elektrondonor, azaz a redukálóanyag a szerves kötésben lévő szén, vagyis a növényi maradványok anyaga. Ez a fajta denitrifikáció csak akkor következik be, ha az oxigén már majdnem teljesen elfogyott a talajban. Különösen a rosszul drénezett, tömődött talajokban történik denitrifikáció, a rendkívül lassú O2-diffúzió következtében. A denitrifikációs folyamat kb. 5 °C-nál indul meg, és mértéke a hőmérséklet emelkedésével fokozódik. 6 pH-érték alatt csekély mértékű, 6–7-nél elég nagymértékű a folyamat. A dinitrogén-oxid (N2O) nemcsak közbenső terméke lehet a reakciónak, hanem végterméke is, amikoris az atmoszférába illanhat, ha a felszínhez elég közel képződött.

A természetes ökoszisztémákban nincs nagy a jelentősége a denitrifikációnak. A mezőgazdasági termelés során nitrogénműtrágyák alkalmazása esetén jelentős N2-veszteségek léphetnek fel.

A denitrifikáció előnyös is lehet, ha a gyökérzóna alatt megy végbe, s megakadályozza a nitrát talajvízbe kerülését.

A gáz alakú ammónia elillanása

A talajba műtrágyaként juttatott ammóniumionok, valamint a karbamidból képződő ammónia egy proton felvételével ammóniumion alakjában megkötődik a kationcserélő helyeken. Ha a talajnak nagy a kationcserélő kapacitása, nagy a nedvességtartalma és nem lúgos a kémhatása, a gáz alakú ammónia vesztesége minimális lesz. Azt is kimutatták, hogy a talajon lévő növényzet is csökkenti az NH3 elillanását. Nagy veszteségek léphetnek viszont fel, a növénytakaró nélküli lúgos kémhatású talajoknál, ha nagy mennyiségű nitrogéntrágyát használnak és azt csak sekély műveléssel dolgozzák be a talajba. Jelentős még az istállótrágya-halmokból vagy a talajfelszínen szétszórt istállótrágyából, esetleg a karbamidból gáz alakban felszabaduló ammónia okozta veszteség.

Eróziós veszteségek

Az erózió egyben nitrogénelhordást is jelent. Ha 1 t talajt visz el az erózió, 4% szerves anyagot feltételezve annak 1/20-a a nitrogén, azaz tonnánként 2 kg veszteség is felléphet. Az erózió következtében fellépő talajveszteség nem ritkán 10–20 t/ha, és ez 20–40 kg/ha nitrogénveszteséget jelent.

Az erózióval elszállított talaj nagyobb része mezőgazdaságilag művelt területről származik, benne a nitrogén legnagyobb része szerves kötésben van, és folyókba, tavakba kerülve eutrofizációt okoz.

Ammóniumion-fixáció az agyagásványrácsban

A talajoldatból az agyagásványok rácsai közé beépülő NH4+-ionok energetikailag olyan helyzetbe kerülnek, hogy más ionokkal nem cserélhetők ki. Ezt a jelenséget ammóniumfixációnak nevezzük. A talajokban és az ásványokban 60–900 mg/kg mennyiségben találtak fixált NH4+-ionokat.

A kis értékek homoktalajokra, a nagyon nagyok agyagtalajokra, illetve csillámokra és illitekre jellemzők.

A növények táplálása szempontjából csak az agyagásványok rétegeinek szélén megkötött (frissen fixált) NH4+-ion jöhet számításba.

Ha a talajt ammónium-szulfáttal trágyázzák, akkor – a talaj megkötőképességétől függően – több vagy kevesebb NH4+ fixálódik viszonylag gyorsan, s csak fokozatosan szabadul ismét fel. A talajban az NH4+-ionok 3 fázisban lehetnek jelen. Ezek között egyensúly áll fenn.

NH 4 + ( fixált ) NH 4 + ( kicserélhető ) NH 4 + ( oldat ) . MathType@MTEF@5@5@+= feaagKart1ev2aaatCvAUfeBSjuyZL2yd9gzLbvyNv2CaerbuLwBLn hiov2DGi1BTfMBaeXatLxBI9gBaebbnrfifHhDYfgasaacH8rrps0l bbf9q8WrFfeuY=Hhcba9v8qqaqFr0xc9pk0xbba9q8WqFfeaY=biLk VcLq=JHqpepeea0=as0Fb9pgeaYRXxe9vr0=vr0=vqpWqaaeaabiqa ceaacaqabeaabaqaamaaaOqaaabaaaaaaaaapeGaaeOtaiaabIeada qhaaWcbaGaaeinaaqaaiabgUcaRaaakmaaBaaaleaapaWaaeWaaeaa peGaaeOzaiaabMgacaqG4bGaaey4aiaabYgacaqG0baapaGaayjkai aawMcaaaWdbeqaaOGaeSiXHaOaaeOtaiaabIeadaqhaaWcbaGaaein aaqaaiaabUcaaaGcdaWgaaWcbaWdamaabmaabaWdbiaabUgacaqGPb Gaae4yaiaabohacaqGLbGaaeOCaiaabMoacaqGSbGaaeiAaiaabwga caqG0bGaaeyubaWdaiaawIcacaGLPaaaa8qabeaakiablsCiakaab6 eacaqGibWaa0baaSqaaiaabsdaaeaacaqGRaaaaOWaaSbaaSqaa8aa daqadaqaa8qacaqGVbGaaeiBaiaabsgacaqGHbGaaeiDaaWdaiaawI cacaGLPaaaa8qabeaakiaab6caaaa@5C9B@

Ha a növények a talajoldatból felveszik az NH4+-ot, vagy nitrifikáció útján csökken az oldatban a NH4+-tartalom, a fixált NH4+-ból egy rész szabaddá válhat.

Mivel a káliumionok – hasonló nagyságú ionsugaruk miatt – az NH4+-ionokhoz hasonlóan viselkednek, a talajoldat káliumkoncentrációjának növelésekor nő a fixált NH4+-ionok mennyisége.

Nitrátkimosódás

A nitrogén főleg NO3– alakban mosódik ki. Intenzív növénytermesztés alatt álló talajokon csökken a kilúgozódás.

A kimosódás akkor lép fel, ha sok NO3– van a talajoldatban, és elegendő víz áramlik lefelé ahhoz, hogy a NO3– -ot magával vigye a gyökérzóna alá.

A nitrátterhelés talajszelvénybeli eloszlásának lehetőségeit a 9.4. ábra mutatja be, aszerint, hogy milyen folyamat során mozdult el a nitrátanion. Amennyiben csak konvekcióval mozog, egy front mozog lefelé a talajban. Ha a konvekció mellett diffúziós–diszperziós mozgás is van, egy szimmetrikus koncentrációcsúcs halad végig a talajszelvényen. A talajkolloidok negatív töltése következtében a negatív töltésű nitrátionok nem kötődnek a talaj szilárd fázisához, így mozgásuk a konvekciós anyagmozgásnál gyorsabbnak tűnik. Ezzel szemben azokon a talajokon, amelyekben pozitív töltésű kolloidok is vannak, az anionok megkötődnek, ezért csökken a nitrátkimosódás mértéke.

9.4. ábra - A nitrát-N-koncentráció változása a talajban. a) A konvekcióval történő mozgás; b) A konvekcióval, diffúzióval és diszperzióval történő mozgás; c) A negatív töltésű felület taszítja az anionokat, és ez gyorsítja a mozgást; d)Az anion-adszorpció lassítja a mozgást; e/1) A kerülőutak miatt lassúbb az elmozdulás; e/2) Gyors kimosódás a makropórusokon, repedéseken keresztül

kepek/9-4-abra.png


A talajban található repedéseken, makropórusokon keresztül jelentős mértékű lehet a nitrátkimosódás.

A makropórusokban a víz és vele együtt a nitrát mozgása gyorsabb az átlagos elmozdulásnál, ezzel szemben a mikropórusokban található talajoldat és annak nitráttartalma az átlagosnál lassabban mozdul lefelé.

A nitrátkimosódás természetes feltételei a humid és szubhumid területek talajainál állnak fenn, csak kisebb mértékben a szemiarid vidékeken és alig vagy egyáltalán nem az arid zónában. A humid és szubhumid régiókban a vegetációs periódus után kimosódhat, vagy denitrifikálódhat a talajban maradó nitrát, esetleg mindkettő előfordulhat. Egyes esetekben a NO3– felhalmozódik az altalajban, majd lefelé haladva a talajvízbe jut. Ez a talaj tulajdonságaitól, a klímától, az adott nitrogénműtrágya mennyiségétől és a termesztési gyakorlattól függ. Az arid és szemiarid a talajban maradó NO3–, ha a gyökérzónában marad, akkor a következő termés számára nitrogénforrásul szolgál.

Az öntözéses gazdálkodásban fokozottan fennáll a NO3–-kimosódás veszélye.

A nitrogénkimosódásra nagy hatással van a növényállomány, a talaj fedettsége, a vegetációs periódus tartama és a gyökérzóna mélysége (pl. homoktalajon, szántóföldi hasznosításnál a nitrogénkimosódás 90 kg ha/év is lehet, míg rét, legelő esetében csak 20 kg N/ha/év értéket mértek).

Nyilvánvaló, hogy homoktalajoknál a kimosódás és a mélységben történő nitrátelmozdulás sokkal nagyobb mértékű lehet, mint agyagos talajoknál.

Környezeti vonatkozások

Környezeti szempontból napjaink egyik legjelentősebb talajtani problémája a nitrátkimosódás. Hozzájárul a talajvizek és az ivóvízforrások nitrátszennyeződéséhez. Az EU-határtérték 11,3 mg NO3–-N/liter, amelyet sajnálatos módon nagyon sok hazai kútvíz nitráttartalma meghalad. A folyóvizekbe és tavakba kerülő nitrátmennyiség pedig hozzájárul az eutrofizációhoz.