Mineralisering, ammonifikation, nitrifikation og denitrifikation - kvælstofkredsløbet

Nedbrydning af organisk stof - mineralisering og jordrespiration

I rodzonen på marker er der 5-10 kvælstof pr. hektar hvoraf hovedparten er bundet i tungtnedbrydelige humusstoffer. Humus er dødt organisk materiale som er så kraftigt nedbrudt, at de oprindelige strukturer ikke kan genkendes. Der sker løbende en mineralisering, dvs. nedbrydning af det organiske stof til CO₂, H₂O og uorganiske mineralforbindelser. Det organisk bundne kvælstof omdannes således til uorganisk kvælstof i form af ammoniak (NH₃).

Processen i kvælstofkredsløbet hvor organisk bundet kvælstof omdannes til NH₃/ NH₄⁺ kaldes ammonifikation. Der er tale om mikrobielle processer hvor en lang række mikroorganismer, svampe og bakterier, gennem deres aktivitet frigør ammonium fra visne blade, døde dyr, mikrobielt væv og humus. Normalt oxideres den ved nedbrydningen dannede ammonium videre til nitrit (NO₂^-) og dernæst nitrat (NO₃^-) af nitrificerende nitrit- og nitratbakterier. Disse processer i kvælstofkredsløbet fra ammonium til nitrit og nitrat kaldes samlet for nitrifikation.

Normalt nedpløjes afgrøderester, stubbe m.m. i landbruget i vinterhalvåret, men denne nedpløjning betyder, at organisk materiale med lavt indhold af kvælstof kan medføre et fald i jordvæskens indhold af nitrat. Nitratet optages af mikroorganismerne som pga. de tilførte rigelige mængder af organisk stof er i kraftig vækst. Der forekommer herved en immobilisering af nitrat, som derfor ikke er til rådighed for planterne.

Undlader landmanden at fjerne halm, afgrøderester, mv. på marken, vil han derfor reducere jordens indhold af nitrationer og dermed nitratudvaskningen til grundvandet. På længere sigt vil nedpløjningen dog medføre et øget indhold af organisk stof og dermed forøge mineraliseringen af den organisk bunde kvælstof i jorden.

Jordvandets indhold af nitrat er i sær højt i oktober/november og i marts, og herfor er der i denne periode risiko for nitratudvaksning hvis der ikke er planter til stede som kan optage nitratet. Der sker nemlig stor nedbrydning af organisk stof i disse måneder, hvor der er meget nedbrydeligt stof til stede og høje jordtemperaturer. Nedbrydningsprocesserne kan nemlig foregå i lav hastighed helt ned til 5 graders celsius. Derfor kan nedbrydningen også foregå i efterårsperioden hvor afgrøderne normalt er fjernet fra marken. Det nitrat der frigøres ved nedbrydningsprocesserne vil let udvaskes fra rodzonen med efterårs- og vinternedbøren, hvorfra det fra rodzonen passerer videre til overflade og grundvand. I vintermånederne er jordtemperaturen i modsætning så lav, at omsætningen af organisk stof går i stå. Men sås der efterafgrøder, netop i de måneder, hvor udvaskningen af nitrat normalt er størst til grundvandet, vil indholdet af nitrat i jordvandet være lavere set i forhold til hvis marken står bar. Efterafgrøden optager nemlig det fra mineraliseringen frigivne nitrat og reducerer derfor udvaskningen af nitrat fra marken.

Den samlede nedbrydning af organisk stof i jorden måles ofte ved den samlede kuldioxidafgivelse fra jordbunden. Størrelsen af jordrespirationen og dermed den hastighed hvormed nedbrydnings- og mineraliseringsprocesserne forløber i jordbunden er afhængig af typen og mængden af organisk stof, temperaturen, vandindholdet iltforholdene og surhedsgraden.

Jordrespirationen er størst i juni/juli hvor temperaturen er højest, men den varierer fra år til år bl.a. pga. forskelle i sommertemperaturer og nedbørsmængden. Bidragydere til den samlede jordrespiration er planterødder, mikroorganismer, regnorme, m.m. Nedbrydningsprocesserne kan forløbe både under aerobe og anaerobe forhold. En del af nedbrydningsbakterierne er fakultativ anaerobe, dvs. de tåler ilt, men skal ikke nødvendigvis have ilt for at eksistere. Generelt er de iltforbrugende nedbrydningsprocesser de mest effektive og den optimale surhedsgrad og temperatur for mikrobiel nedbrydning af organisk stof er normalt ved pH 7 og temperatur 30-35 celsius, når der primært er tale om nedbrydning forårsaget af bakterier, mens svampe fungerer bedre ved lavere pH-værider (4-5).

Nitrifikation

Ammonium dannes (ammonifikation) ved mikrobiel nedbrydning af organisk stof (mineralisering) i jorden og dernæst iltes ammoniumet, hvorefter det nedbrydes til nitrit og til sidst til nitrat. Processen kaldes samlet for nitrifikation. De involverede mikroorganismer er oligat aerobe, dvs. de skal leve i et iltholdigt miljø for at kunne eksistere.

Der er faktisk under nitrifikationen tale om to forskellige processer varetaget af to forskellige bakterier. Først oxideres ammonium til nitrit af bakterier af slægten nitrosomonas, hvorefter nitritten oxideres videre til nitrat af bakterier af slægten nitrobacter. Nitrit- og nitratbakterierne findes altid sammen, hvorfor der under normale omsætndigheder ikke opstår nogen ophobning af nitrit.

Ved nitrifikationen sker der en oxidation af kvælstofforbindelserne. En oxidationsproces behøver, som i disse tilfælde, ikke at have noget med fri ilt at gøre. Ved oxidation forstås afgivelse af elektroner, hvilket fx både sker når nitrit (NO₂^-) omdannes til nitrat (NO₃^-) og når ferrojern omdannes til ferijern. Den modsatte proces, elektronoptagelse, kaldes reduktion.

De nitroficerende bakterier er kemoautotrofe organismer, dvs. organismer som oxiderer uorganiske stoffer for at skaffe sig energi til opbygningen af organiske stoffer. Ved autotrofe organismer forsås generelt organismer som selv er i stand til at opbygge alle deres organiske stoffer ud fra uorganiske stoffer. Kemosyntesen har mange fælles træk med fotosyntesen. I begge processer anvendes energi til opbygning af kulhydrater fra kuldioxid og vand. Men energien til processerne fremskaffes forskelligt. De grønne planter får energien fra sollyset (fotoautrotrofe), mens de kemosyntetiske bakterier får energien fra en kemisk oxidationsproces.

Dentrifikaton

Den dannede nitrat fra nitifikationen kan planterne optage eller der kan forekomme en udvaskning af nitrat fra planters rodzone. Endvidere kan der ske en dentrifikation, hvor nitrat ved en reduktion omdannes til luftformigt N₂ eller N₂O. De dentrificerende organismer er bakterier af slægterne pseudomonas micrococcus og bacillus.

Dentrifitkation kræver anaerobe forhold, men samtidig tilstedeværelse af nitrat og organisk stof. Dentrifikationsprocessen kan betegnes som en anaerob respirationsproces, hvor nitratet bruges som oxidant i fraværd af frit ilt.

Kraftigt dentrifikation foregår især i vandfyldte jorde hvor der er dårlige iltforhold, fx engområder, hvor der er næringsinoner til rådighed for planterne. Mange landmænd dræner deres markområder, da denne dræning vil bevirke bedre iltforhold i jorden og gøre næringsionerne mere tilgængelige for planterne. Men dræningen vil også øge udvaskningen af næringsioner fra rodzonen ud i vandløbene. Lod landmændene engområderne eksistere, ville de ringe iltforhold forårsage en naturlig denitrifikation af kvælstof, så næringsstoffet ikke blev udled til grundvandet. Læs evt. mere om de våde enges betydning. 

Nitratudvaskning fra rodzonen

Næringsstofudvaskningen fra rodzonen hos planter skyldes hovedsageligt jordtype, gødskning, afgrøde, klimatiske forhold.

Nitrationen er ligesom andre negativt ladede ioner sjældent bundet til jordpartiklerne (som ligeledes er negativt ladet), men optræder ude i jordvæsken. Derimod er kationen (positivt ladet ion) ammonium i lighed med fx kalium i stor udstrækning brundet til de negativt ladede jordpartikler. Som tommelfingerregel gælder det, at humus og lerpartikler er negativt ladede, mens sand og siltpartikler er neutralt ladede.

Den mikrobielle oxidation af ammonium til nitrat, nitrifikationen, foregår i alle jorde som ikke er for sure. Da nitrationen ikke bindes til humus/lerpartikler kan den let udvaskes fra rodzonen. Udvaskningen finder særligt sted i oktober-december (selv milde vintre) og februar-maj, dvs. perioder med stor mineralisering af rodmaterialet, stor nedbørsmængde, samt ofte ingen planter på markerne der kan optage de dannede nitrationer. Mængden af nitrationer i jordvæsken kan kun reduceres ved foranstaltninger i efteråret og foråret, da nedbør og jordtype er naturgivne egenskaber. I efteråret og vintermåneder (størst risiko for udvaskning) kan koncentrationen af uorganisk kvælstof i jorden særligt sænkes hvis kvælstoffet optages af efterafgrøder (fx gul sennep) i takt med mineraliseringen.