By: T.L. Provin and L.R. Hossner
効率的な作物生産には、すべての必須植物栄養素の適切な供給が必要です。 しかし、生産量を増やし、利益を維持し、低コストの食品および繊維を提供するために、市販の窒素（N）肥料を使用することは、現代農業の必需品である。 一般に、作物はすべての植物栄養素の中で最も多くの窒素を必要とする。
窒素肥料の環境への影響は、長期にわたる問題であった。 河川、湖沼、地下水の窒素汚染に対する懸念から、農業生産者は汚染問題全体への潜在的貢献についてますます意識するようになった。
窒素を有効に利用し、環境への悪影響を抑えるために、生産者は窒素の化学とそれが土壌に加えられ、除去される方法についての認識を深める必要がある。
農業生産者が使用する商業肥料は土壌への窒素添加の大きな原因になっている。 窒素は、植物や動物の廃棄物残渣や土壌有機物を通して継続的にリサイクルされている。 窒素は作物、ガス状損失、流出、浸食、浸出によって土壌から除去される。 窒素の損失は、土壌の化学的・物理的特性によって、その大きさやメカニズムが異なります。 図1は、土壌窒素の獲得と喪失の可能性を模式的に表したものである。
窒素の化学
窒素は、我々が呼吸する空気の79％を占めている。 肥沃な草原地帯の土壌の表面6インチには、1エーカーあたり2～3トンの窒素が含まれている可能性があります。 この同じ面積の上空には、約35,000トンの不活性窒素ガス（N2）が含まれていることになります。 土壌に含まれる窒素のほとんどはN2ガスとして発生し、大気中の窒素もほぼすべてがN2ガスである。 この不活性な窒素は、アンモニウム（NH4 +）または硝酸塩（NO3 -）の形に変化するまで、植物に利用されることはない。
窒素ガス (N2) をアンモニウム (NH4 +) に変える重要な方法は、
- 自由生活型の N2 固定バクテリア、
- 豆科植物の根にある根粒中の N2 固定バクテリア、
- 窒素肥料生産工場、
N2 変換でもうひとつ重要な方法は雷による方法である。 雷が光ると、過熱された空気中の窒素ガスが硝酸塩（NO3 – ）と亜硝酸塩（NO2 – ）に変換されます。 雷は、年間1エーカーあたり1～50ポンドの植物利用可能窒素を占めると考えられる。
窒素はいくつかの化学形態で土壌に入るが、最終的には無機質の硝酸イオン（NO3 – ）に変換される。 図1は、NO3 – が植物によって利用されるか、窒素ガスに戻されるか、または土壌水とともに下方に溶出することを示している。
商業肥料、植物残渣、家畜糞、下水が土壌への窒素添加の最も一般的な供給源である。 施用率は大きく異なる。 一回の施用量は、沿岸のバーミューダグラスのような作物では、1エーカーあたり窒素換算で150ポンドと高くなることもある。 しかし、そのような高い適用率は、浸食と流出の可能性が低い土壌に限定すべきである。
有機材料（植物残渣、動物肥料、下水、土壌有機物）中の窒素は、タンパク質、アミノ酸、その他の植物および微生物材料の一部として存在する。 その化合物が土壌微生物によって分解されて初めて植物が利用できるようになります。 これを「無機化」と呼ぶ（図2）。 無機化の最初のステップは、”アンモニア化 “である。 アンモニウム化で得られたアンモニウム（NH4 +）は、土壌中の「硝化」細菌によって、「硝化」という過程を経て硝酸態窒素（NO3 – N）に変換されます。
窒素循環におけるアンモニウム化反応と硝化反応の位置を図 1に示します。 アンモニア化で生成された正電荷のアンモニウム（NH4 +）イオンや肥料で土壌に添加されたイオンは、土壌中の負電荷の粘土粒子に引き寄せられる。 しかし、ほとんどの非乾燥土壌では、NH4 + イオンは急速に硝酸態窒素（NO3- N）に変化する。成長する植物は、硝酸態窒素（NO3- ）の形で窒素の大部分を吸収する。
無機態窒素の一般的な源にはアンモニア（NH3）、アンモニウム（NH4 +）、アミン（NH2 +）、硝酸（NO3 -）がある。 ほとんどの肥料は、NH4 +を含むか、またはNH4 +を形成し、土壌に入るとNO3 -に急速に変換されます。
土壌からの窒素の除去
窒素は4つの主要なプロセスによって土壌から除去される：
- 植物への取り込み
- 気体による損失
- 流出および侵食
- 溶出
植物の取り込みとは根によって窒素を吸収することを言う。 綿花、トウモロコシ、トマト、芝草は、良好な生育と収益性の高い収量または望ましい美観を得るために、1エーカーあたり60から300ポンドの窒素を必要とします。 作物に対する実際の必要量は、生産能力によって異なり、気候要因に大きく影響される。
ほとんどの土壌は植物が利用できる窒素が少ないので、窒素の必要量はしばしば商業窒素肥料として供給される。 エーカーあたり150ポンド以上の窒素要求量は、一般に2回以上に分けて施用される。 しかし、実際に圃場から出るのは収穫した作物に含まれる植物性窒素だけである。 植物性窒素の残りは植物性残渣として土壌に戻され、図1に示すように有機窒素としてサイクルに再び組み込まれる。
窒素のガス状損失は、脱窒またはアンモニアの揮発によって起こる。 脱窒は、硝酸態窒素（NO3- -N）がガス状の窒素酸化物（N2O）または元素状窒素（N2）に変換されるプロセスである。 これは嫌気性細菌（遊離酸素を必要としない細菌）の作用を含み、一般に湿ったまたは水に浸かった土壌で起こる。
これは嫌気性プロセスなので、通常の（好気性）土壌からの気体損失は小さい。 しかし、土壌が非常に湿っていたり、飽和状態が長く続くと、硝酸塩の大部分が失われることがある。
アンモニアガスは、土壌の表面にある尿素などの窒素化合物から発生することがある。 尿素は動物の糞尿中に存在し、肥料（45-0-0）として純粋な形で購入できる。
他のアンモニウム含有肥料化合物として、硫酸アンモニウム（21-0-0）、および、より低い程度では硝酸アンモニウム（33-0-0）およびリン酸アンモニウムが、炭酸カルシウム存在下で自由アンモニアを生成することがわかってきた。 この状態はいくつかの高pH土壌（pH>7.3）に存在する。
流出および侵食損失には硝酸塩（NO3 – ）、アンモニウム（NH4 +）、および有機窒素が含まれる場合がある。 負に帯電したNO3 – イオンは土壌水中に残り、土壌粒子によって保持されることはない。 溶解したNO3 – やNH4 + を含む水が地表から流出すると、これらのイオンも一緒に移動する。 しかし、乾燥した土壌に窒素肥料を施用し、雨水や灌漑用水を流すと、最初の水が肥料を溶かして土壌中に運び込む。
粘土粒子に保持されたアンモニウムは、土壌侵食によって地表水供給源に運ばれる可能性がある。 実際、土壌侵食は、溶存窒素化合物を移動させる降雨よりも多くの窒素を移動させる。 浸食された土壌が河川や湖沼に堆積すると、微生物の活動によって窒素化合物がゆっくりと可溶性形態に変換される。
浸出損失は、根域より下の土壌を通して水が下方に移動することを含む。 この損失は、降雨量の多い地域、過剰な灌漑の下、目の粗い（砂質）土壌で、硝酸塩（NO3 – ）で最も頻繁に発生する。 窒素の溶脱による損失は作物に利用可能な窒素量を減らし、浅瀬の井戸や帯水層を汚染する可能性がある。
窒素の使用量と施用時期は、土壌条件と作物の要求と関連して、溶脱損失を最小限にする必要がある。 数多くの調査研究から、植物が取り込むため、作物が活発に生育している土壌からは硝酸態窒素（NO3 – N）はほとんど溶出しないことが分かっている。 テキサス州東部は砂質土壌が多く、草が主な作物であるため、一般に窒素施肥による窒素の溶出損失は州全体で最小になると予想される。
研究は硝酸塩（NO3 – ）の移動に関する限られた問題を示しているが、商業および有機窒素肥料の不適切な適用は、NO3 – が表流水に流出し、地下水に溶出する原因となる。
窒素損失の防止
農地からの窒素損失を防ぐ最善の方法は、優れた土壌および水管理実践によるものである。 潜在的な窒素の損失を減らすための最初のステップは、土壌を検査することである。 適切に得られた土壌サンプルは、土壌中に存在する硝酸態窒素（NO3 – -N）の推定値を提供し、栽培されている作物に適切な量の窒素肥料を施すための指針として使用できる。
適切な施肥と表面流出および侵食の制御は、窒素が川や湖に入るのを防ぐ最善の方法を提供する。 粗い織り目の土壌や多量の降雨がよくある場所では、窒素の必要量を数回に分けて散布することで、浸出損失を防ぐことができる。
Do you have a question -or- need to contact an expert?
Contact your County Office