Khi được bổ sung vào đất dưới dạng các hợp chất hữu cơ, N sẽ được chuyển hĩa theo các tiến trình khĩang hĩa, hấp thu sinh học, Nitrite/nitrate hĩa, khử nitrate hay phản N hĩa, bay hơi, cố định N trở lại
1. Khĩang hĩa.
Là tiến trình giải phĩng N hữu cơ thành dạng NH4 -N hữu dụng cho cây, thực hiện do hầu hết các vi sinh vật đất như vi khuẩn, nấm dị dưỡng. Chất hữu cơ trong đất cĩ hàm lượng N khoảng 5%, và khỏang 1 -4% N hữu cơ được khĩang hĩa hàng năm. Khĩang hĩa gồm 2 bước: Amine hĩa và ammonium hĩa
1.1 Amine hĩa. Proteins + H2O → amino acids + amines + urea + CO2 + năng lượng Protein được phân chia thành các phân nhỏ hơn
1.2 Ammonium hĩa Các amino acid tiến tục được biến đổi thành ammonium R -NH2 + H2O → NH3 + R - OH + E
2. Hấp thu sinh học (đồng hĩa) N.
Hấp thu sinh học là tiến trình ngược lại tiến trình khĩang hĩa. Vi sinh vật hấp thu N vơ cơ từ đất và hình thành các hợp chất N hữu cơ trong cơ thể sinh vật. Sinh vật cĩ thể hấp thu sinh học NH4+ hay NO3-
Sự cân bằng giữa khĩang hĩa và hấp thu sinh học được quyết định bởi tỉ lệ C:N của chất hữu cơ.
3. Nitrate hĩa.
Là tiến trình biến đổi NH4+ thành NO3- . Nguồn NH4+ cĩ thể được giải phĩng từ sự phân giải chất hữu cơ hay từ phân bĩn. Nitrate hĩa là phản ứng Oxi hĩa sinh học. Trang thái oxi hĩa của N tăng từ -3 đến +5. Tiến trình gồm 2 bước, được thực hiện bởi 2 vi khuẩn tự dưỡng khác nhau, vi khuẩn này nhận năng lượng từ sự oxi hĩa N, và nhận C từ CO2
3.1 Nitrite hĩa
2NH4+ + 3O2 → 2NO2- (nitrite) + 2H2O + 4H+ Vi khuẩn tham gia Nitrosomonas và một số lịai khác
3.2 Nitrate hĩa 2NO2- + O2 → 2NO3-
Vi khuẩn tham gia Nitrobacter , và một số lịai khác
Nitrite là độc chất, nhưng thường khơng tích lũy trong đất do tốc độ chuyển hĩa nitrite thành nitrate nhanh hơn rất nhiều so với chuyển hĩa ammonium thành nitrite.
3.3 Ý nghĩa của tiến trình Nitrate hĩa. Khi tiến trình nitrate hĩa xảy ra nhanh sẽ làm tăng tiềm năng rửa trơi N, do NO3- hịa tan cao nên khơng giữ lại trên keo đất như NH4+ là cation trao đổi nên được giữ lại bởi keo đất, chỉ di chuyển trong đất cát, CEC thấp.
Nitrate hĩa là tiến trình chính làm chua đất. Theo phản ứng nitrite hĩa ta thấy 2 moles H+ được hình thành khi 1 mole NH4+ nitrite hĩa. Do đĩ cần tính đến ảnh hưởng gây chua của phân N-ammonium, hay phân sẽ hình thành ammonium (urea).
3.4 Các yếu tố ảnh hưởng đến nitrate hĩa. Yêu cầu đất thĩang, do vi khuẩn tham gia là cácvi khuẩn hảo khí, và O2 là chất tham gia phản ứng trong cả 2 bước. Nhanh ở pH cao, tối hảo khoảng 8.5, vi khuẩn cần đủ Ca (và P). Nhanh khi nhiệt độ ấm, ẩm độ đồng ruộng
3.5 Các chất ức chế tíên trình nitrate hĩa. Do nitrate dễ bị mất do rửa trơi nên trong sử dụng phân N thường chúng ta sử dụng các chất ức chế nitrate hĩa để hạn chế mất N do rửa trơi dưới dạng nitrate. Ví dụ. N-Serve (nitrapyrin), là hợp chất gây độc cho Nitrosomonas
4. Khử nitrate/phản N hĩa.
Là tiến trình chuyển hĩa N-NO3- thành N dạng khí, làm N mất dưới dạng khí như N2 và N2O. Tiến trình do các vi khuẩn yếm khí Pseudomonas, Bacillus, và 1 số
lịai khác và vi sinh vật kỵ khí khơng bắt buộc thực hiện. Vi sinh vật này sử dụng oxi trong nitrate như là nguồn cung cấp O2 cho hơ hấp. Khử nitrate xảy ra trên đất ngập nước hay những vùng thiếu O2 cục bộ trong đất, ví dụ. xung quanh rễ hay dư thừa vật vật đang phân giải.
Vi khuẩn khử nitrate cần chất hữu cơ, vì vậy chất hữu cơ dễ phân giải là nguồn cung cấp năng lượng cho vi khuẩn.
4(CH2O) + 4NO3- + 4H+ → 4CO2 + 2N2O + 6H2O 5(CH2O) + 4NO3- + 4H+ → 5CO2 + 2N2O + 7H2O
Khử nitrate là tiến trình làm N trong đất bị giảm, thường mất khoảng10- 30% lượng phân N bĩn vào đất
-Các điều kiện thích hợp cho tiến trình khử nitrate bao gồm bĩn phân hữu cơ trên đất yếm khí, nhiệt độ ấm áp, pH >5.5, bĩn lượng nitrate cao, cây trồng đang sinh trưởng do cĩ thể cây trồng cung cấp C và làm giảmO2 , nhưng cây trồng cũng cĩ thể hạn chế khử nitrate do làm giảm ẩm độ đất và hấp thu NO3-
5. Bay hơi.
N bị mất dưới dạng khí NH3 . Tiến trình này chủ yếu do bĩn vãi phân N trên mặt đất, nhưng cũng cĩ thể do bĩn vãi phân chuồng trên mặt đất. Bay hơi N từ phân chuồng cũng cĩ thể xảy ra trong quá trình ủ và tồn trử.
Phản ứng tổng quát của tiến trình bay hơi N NH4+ → H+ + NH3
NH3 mất khi pH cao, pH dung dịch đất >7.
Để giảm thiểu bằng cách vùi phân N ngay sau bĩn, hay tưới nhỏ giọt
Trong các lọai phân N, Urea là lọai phân rất dễ bay hơi do urea rất hịa tan và Urea thủy phân làm tăng pH xung quanh hạt phân.
CO(NH2) 2 (urea) + H+ + 2H2O → 2NH4+ + HCO3- . Phản ứng thủy phân này nhận H+ vàlàm tăng pH, xung quanh hạt phân cĩ thể pH> 7, dẫn đến NH4+ + HCO3- → NH3 + H2O + CO2 .
Trên đất đá vơi, N-Urea mất cao, phân NH4+ bị bay hơi cao hơn trên đất chua và trung tính do phản ứng với carbonates. Phản ứng cơ bản
NH4+ + HCO3- → NH3 + H2O + CO2
Phân ammonium phosphates và sulfates bị bay hơi nhiều hơn phân hịa tan khác ammonium chlorides và nitrates)
Các yếu tố ảnh hưởng đến sự bay hơi.
5.1 Phân dạng rắn ít bay hơi so với dạng dung dịch
5.2 Bĩn vãi trên mặt đất bay hơi cao hơn so với bĩn theo tưới nhỏ giọt/bĩn vùi sâu
5.3 Nhiệt độ cao bay hơi nhiều
5.4 Đất mặt ẩm và tốc độ bốc hơi nhanh, bay hơi cao
5.5 CEC thấp/ Khả năng giữ NH4+ và khả năng đệm pH thấp nên N bay hơi cao. 5.6 Dư thừa cây trồng, đồng cỏ, cây họ đậu che phủ hạn chế bay hơi
Các kỹ thuật hạn chế bay hơi. -Duy trì ẩm trên mặt
-Giảm tiếp xúc với đất và di chuyển vào đất
-Chất ức chế Urease. các chất làm chậm tiến trình phân hủy urea và giảm bay hơi N, Urease là enzyme phân hủy urea cĩ nguồn gốc từ cả 2 nguồn: cây trồng và đất (vi sinh vật).
Chế phẩm Agrotrain thường khơng hiệu quả cao khi phương pháp bĩn được cải thiện. Ví dụ khi bĩn tập trung theo hàng
Các loại phân urea chậm phân giải: Ureaform, Urea-formaldehyde, SCU là Urea bọc lưu huỳnh.
Các chất ức chế hay hạn chế bay hơi thường hữu dụng trong trường hợp đất rửa trơi mạnh, bay hơi mạnh, nhưng giá cao tính trên 1 đơn vị N, do đĩ thường sử dụng cho cây trồng cĩ giá trị cao.
Ammonia lỏng khan, dạng bay hơi, nên cần tiêm sâu vào đất. Điều kiện dễ mất: Đất khơ, tiêm khơng sâu, đường rạch khơng kín làm cho NH3 khơng chuyển thành NH4+ . Đất sét ẩm ướt, đường rạch khơng kín hoặc đất cĩ sa cấu thơ, NH3 sẽ khuếch tán nhanh, đất vĩn cục, NH3 khuếch tán nhanh, hàm lượng chất hữu cơ thấp, OM giữ NH3 , tiêm nơng
Chất ức chế nitrate hĩa. Làm chậm nitrate hĩa và hạn chế rửa trơi N. Ví dụ: N- Serve, DCD, ức chế tiến trình nitrite hĩa
IV. Cố định N
Trong sản xuất cây trồng, N là yếu tố thường thiếu nhất, mặc dù khơng khí chứa 78% N hay khoảng 70 triệu kg N/ha. Cây trồng khơng sử dụng trực tiếp N2 được. N2 phải được chuyển đổi (cố định) thành dạng hữu dụng cho cây.
1. Cố định cơng nghiệp
N2 khử trong điều kiện cần nhiều năng lượng, yêu cầu điều kiện nhiệt độ và áp suất cao,
1.200oC và 500 atmospheres. Phản ứng cố định N: 3H2 + N2 → 2NH3
NH3 (anhydrous ammonia) cĩ thể sử dụng trực tiếp như phân bĩn hay sử dụng sản xuất các dạng phân N khác.
2 Cố định N sinh học
Nhiều chũng vi sinh vật cĩ thể cố định N2 như vi sinh vật cộng sinh và tự do,
Rhizobia và cây họ đậu, là loại vi khuẩn cộng sinh rất quan trọng trong nơng nghiệp,
hình thành nốt sần ở rễ. Cây chủ nhận N đã được cố định và vi khuẩn nhận các sản phẩm quang hợp từ cây chủ.
Rhizobia và cây họ đậu cĩ quan hệ chuyên biệt, nhĩm cây họ đậu khác nhau, yêu cầu
chũng Rhizobia khác nhau.
Cần chũng hạt giống, rất cần thiết cho đất mới trồng cây họ đậu đầu tiên Chũng Rhizobia thích hợp
2.1 Các yếu tố ảnh hưởng đến cố định sinh hoc N
- pH đất. pH thấp cĩ hại cho Rhizobia và rễ cây họ đậu. Độc chất Al, Mn cao Thiếu Ca, Mo, P
Chũng khác nhau, khả năng thích ứng khác nhau, ví dụ R. meliloti (cỏ 3 lá) rất nhạy cảm với pH thấp. Một số chũng khác cĩ khả năng chống chịu cao hơn.
- N hữu dụng trong đất. Đất cĩ hàm lượng N cao, sẽ giảm N cố định sinh học do khử NO3- cạnh tranh với hình thành sản phẩm quang hợp
- Sinh trưởng của cây trồng và quản lý. Cường độ quang hop cao, tăng cố định N
Bất cứ yếu tố nào làm giảm sinh trưởng hay năng suất của cây họ đậu sẽ làm giảm cố định N. Ví dụ Chu kỳ cắt cỏ họ đậu
- Lượng N cố định. Cây họ đậu lưu niên, cĩ thể cố định khoảng 100 - 200 kgN./ha/năm
Cây họ đậu hàng năm, 50 - 100 kgN./ha/năm
Nhưng lượng N hữu dụng cho cây trồng vụ sau phụ thuộc vào lượng N được lấy đi theo nơng sản.
2.2 Những quan hệ khác trong cố định sinh học N
Azolla - Anabaena
Cộng sinh giữa dương xĩ và tảo lục lam (cyanobacteria). Cố định lượng N cĩ ý nghĩa trên ruộng lúa nước.
Các quan hệ cố định N khác ít quan trọng trong nơng nghiệp, nhưng rất quan trọng trong các hệ sinh thái tự nhiên và hệ thống nơng lâm kết hợp. vi du cây gỗ họ đậu Bồ kết, trinh nữ, keo
Frankia. Xa khuẩn cộng sinh, phi lao
Cyanobacteria (tảo lục lam), sống tự do, Đất ngập nước
Azospirillum. Vi khuẩn sống tự do, liên kết với rễ cây ngũ cốc và cây họ hịa bản khác. Azotobacter. Vi khuẩn sống tự do, Đất, nước, vùng rễ, bề mặt lá