av: T.L. Provin och L.R. Hossner
En effektiv växtproduktion kräver tillräcklig tillgång till alla viktiga växtnäringsämnen. Användningen av kommersiella kvävegödselmedel (N) för att öka produktionen, bibehålla vinsten och tillhandahålla billiga livsmedel och fibrer är dock en nödvändighet i det moderna jordbruket. I allmänhet behöver grödor kväve i den största mängden av alla växtnäringsämnen.
Miljöeffekten av kvävegödselmedel har varit en långsiktig fråga. Oron för kväveförorening av floder, sjöar och grundvatten har fått jordbruksproducenter att bli alltmer medvetna om sitt potentiella bidrag till det totala föroreningsproblemet.
För att effektivt kunna använda kväve och begränsa dess negativa inverkan på miljön måste producenterna utveckla en medvetenhet om kemin i kväve och om hur det tillförs till och avlägsnas från marken.
Kommersiella gödselmedel som används av jordbruksproducenter är en betydande källa till kvävetillförsel till marken. Kväve återvinns kontinuerligt genom rester av växt- och djuravfall och organiskt material i marken. Kväve avlägsnas från marken genom grödor, gasförluster, avrinning, erosion och urlakning. Omfattningen och mekanismen för kväveförlusterna beror på de kemiska och fysiska egenskaperna hos en viss jord. Figur 1 är en schematisk framställning av möjliga vinster och förluster av kväve i marken.
Kemi av kväve
Kväve utgör 79 procent av luften vi andas. De ytliga 6 tum av en bördig präriejord kan innehålla 2 till 3 ton kväve per hektar. Luften ovanför samma hektar kommer att innehålla cirka 35 000 ton inert kvävgas (N2). Det mesta av det kväve som finns i marken har sitt ursprung i form av N2-gas och nästan allt kväve i atmosfären är N2-gas. Detta inerta kväve kan inte användas av växten förrän det omvandlas till ammonium (NH4 +) eller nitrat (NO3 – ).
Tre viktiga metoder för att omvandla kvävegas (N2) till ammonium (NH4 +) är:
- Fri levande N2-fixerande bakterier
- N2-fixerande bakterier i knölar på rötterna av baljväxter, och
- Fabriker för produktion av kvävegödselmedel.
En annan viktig metod för N2-omvandling är genom åska. När blixten blinkar omvandlas kvävgasen i överhettad luft till nitrat (NO3 – ) och nitrit (NO2 – ). Blixtnedslag kan stå för 1 till 50 pund växttillgängligt kväve per hektar och år.
Och även om kväve kommer in i marken i flera kemiska former omvandlas det slutligen till den oorganiska nitratjonen (NO3 – ). Figur 1 visar att NO3 – kan användas av växter, omvandlas tillbaka till kvävgas eller lakas nedåt med markvattnet.
Kommersiella gödselmedel, växtrester, stallgödsel och avloppsvatten är de vanligaste källorna till kväve i marken. Tillförseln varierar kraftigt. Enstaka doser kan vara så höga som 150 pund kväveekvivalenter per hektar för grödor som t.ex. kustbermudgräs. Sådana höga doser bör dock begränsas till jordar med låg potential för erosion och avrinning.
Kväve i organiskt material (växtrester, stallgödsel, avloppsvatten, organiskt material i marken) ingår som en del av proteiner, aminosyror och andra växt- och mikrobiella material. Det blir tillgängligt för växter först när föreningen bryts ner av markens mikroorganismer. Detta kallas ”mineralisering” (fig. 2). Det första steget i mineraliseringen är ”ammonifiering”. Det ammonium (NH4 +) som härrör från ammonifieringen omvandlas sedan till nitratkväve (NO3 – -N) av ”nitrifierande” bakterier i marken genom den process som kallas ”nitrifikation.”
Placeringarna för ammonifierings- och nitrifikationsreaktionerna i kvävecykeln visas i figur 1. Den positivt laddade ammoniumjonen (NH4 +) som produceras vid ammonifiering eller som tillförs jorden i gödselmedel attraheras av negativt laddade lerpartiklar i jorden. I de flesta icke torra jordar omvandlas dock NH4 +-jonen snabbt till nitratkväve (NO3- N) Växande växter tar upp det mesta av sitt kväve i form av nitrat (NO3- ).
Gemensamma källor till oorganiskt kväve är ammoniak (NH3), ammonium (NH4 +), amin (NH2 +) och nitrat (NO3 – ). De flesta gödselmedel innehåller eller kommer att bilda NH4 + som snabbt omvandlas till NO3 – när det väl finns i jorden.
Borttagning av kväve från marken
Kväve avlägsnas från marken genom fyra huvudprocesser:
- Växtupptag
- Gasförlust
- Avrinning och erosion
- Utsläckning
Växtupptag avser rötternas upptag av kväve. Bomull, majs, tomater och gräsmattor kräver 60 till 300 pund kväve per hektar för att ge god tillväxt och lönsam avkastning eller önskad estetik. Det faktiska behovet för en viss gröda varierar beroende på produktionspotentialen och påverkas i hög grad av klimatfaktorer.
Då de flesta jordar har ett lågt innehåll av växttillgängligt kväve, tillförs kvävebehovet ofta i form av kommersiell kvävegödsel. Kvävebehov över 150 pund per hektar delas i allmänhet upp i två eller flera tillämpningar. Det är dock endast växtkväve i den skördade grödan som faktiskt lämnar fältet. Resten av växtkvävet återförs till marken som växtrester och återgår i kretsloppet som organiskt kväve, vilket illustreras i figur 1.
Gasförlust av kväve sker genom denitrifikation eller ammoniakförflygning. Denitrifikation är en process genom vilken nitratkväve (NO3- -N) omvandlas till gasformig kväveoxid (N2O) eller elementärt kväve (N2). Detta involverar verkan av anaeroba bakterier (de som inte kräver fritt syre) och förekommer vanligen i våta eller vattenmättade jordar.
Då detta är en anaerob process är gasförlusterna från en normal (aerob) jord små. När jordar förblir mycket våta eller mättade under långa perioder kan dock en stor del av nitratet gå förlorat.
Ammoniakgas kan utvecklas från kväveföreningar som t.ex. urea på markens yta. Urea finns i djurgödsel och kan köpas i ren form som gödselmedel (45-0-0).
Andra ammoniumhaltiga gödselmedelsföreningar, inklusive ammoniumsulfat (21-0-0) och, i mindre utsträckning, ammoniumnitrat (33-0-0) och ammoniumfosfat, har visat sig producera fri ammoniak i närvaro av kalciumkarbonat. Detta tillstånd finns i vissa jordar med högt pH (pH>7,3).
Avrinning och erosionsförluster kan omfatta nitrat (NO3 – ), ammonium (NH4 +) och organiskt kväve. Den negativt laddade NO3 -jonen stannar kvar i markvattnet och hålls inte kvar av markpartiklar. Om vatten som innehåller löst NO3 – eller NH4 + rinner av från ytan följer dessa joner med. När kvävegödselmedel appliceras på torra jordar och regn- eller bevattningsvatten tillförs löser det första vattnet upp gödselmedlet och transporterar det in i jorden. Regn orsakar i allmänhet inte ytförluster av gödselkväve, såvida inte mycket intensivt regn inträffar strax efter appliceringen.
Ammonium som hålls kvar av lerpartiklar kan föras ut i ytvatten genom jorderosion. Faktum är att jorderosion förflyttar mer kväve än vad nederbörd gör genom att förflytta lösta kväveföreningar. När erosionsjordar avsätts i floder och sjöar omvandlar mikrobiell aktivitet långsamt kväveföreningar till lösliga former.
Läckageförluster innebär att vatten rör sig nedåt genom jorden under rotzonen. Denna förlust sker oftast med nitrat (NO3 – ) i områden med mycket nederbörd, vid överdriven bevattning och i grov texturerade (sandiga) jordar. Kväveförluster genom urlakning minskar den mängd kväve som är tillgänglig för grödorna och kan potentiellt förorena grunda vattenbrunnar och akviferer.
Kvävemängderna som används och tidpunkten för spridning bör relateras till markförhållandena och grödornas behov för att minimera urlakningsförlusterna. Många forskningsstudier visar att på grund av växternas upptag är det lite nitratkväve (NO3 – -N) som läcker från jordar där en gröda växer aktivt. Eftersom de sandjordar som är mest utsatta för urlakning är belägna i östra Texas, där gräs är den dominerande grödan, förväntas i allmänhet minimala kväveförluster genom urlakning vid kvävegödsling i hela landet.
Sammantaget har studier visat på begränsade problem med nitrat (NO3 – ) rörelser, men felaktig användning av kommersiella och organiska kvävegödselmedel kan leda till att NO3 – rinner ut i ytvatten och läcker ut i grundvattnet.
Förhindra kväveförluster
Det bästa sättet att förhindra kväveförluster från jordbruksmark är att använda goda metoder för mark- och vattenhantering. Det första steget för att minska potentiella kväveförluster är att låta testa jorden. Ett korrekt erhållet jordprov ger en uppskattning av nitratkväve (NO3 – -N) som finns i jorden och kan användas som vägledning för att applicera lämplig mängd kvävegödselmedel för den gröda som odlas.
Riktig gödsling och kontroll av ytavrinning och erosion erbjuder de bästa metoderna för att förhindra att kväve hamnar i vattendrag och sjöar. Läckageförluster kan förhindras genom att kvävebehovet delas upp på flera tillämpningar där grov texturerade jordar och hög nederbörd är vanligt förekommande.
Ladda ner en utskriftsvänlig version av denna publikation: Vad händer med kväve i marken?
Har du en fråga – eller behöver du kontakta en expert?
Kontakta ditt länskontor