Działania rolnika powinny być ukierunkowane na kontrolę wszystkich czynników, które mają wpływ na wzrost roślin, a tym samym decydują o efektywności nawożenia azotem – głównym składnikiem plonotwórczym. W praktyce ważna jest zarówno wysokość uzyskiwanych plonów, jak i produktywność jednostkowa azotu, która zmniejsza się wraz ze wzrostem poziomu nawożenia.
W racjonalnym nawożeniu istotne jest nie tylko rozpoznanie potrzeb pokarmowych (oblicza się je, mnożąc zakładany plon przez pobranie jednostkowe), lecz także w miarę dokładne określenie dostępności tego składnika z gleby. Rośliny swoje potrzeby pokarmowe zaspokajają zarówno z zastosowanych nawozów (mineralnych, naturalnych i organicznych), jak i z zasobów glebowych. Generalnie potrzeby nawozowe względem nawozów mineralnych oblicza się, odejmując od potrzeb pokarmowych ilość składnika, jaką rośliny będą miały do dyspozycji z zasobów glebowych (do tej puli zalicza się zarówno składnik rodzimy – pochodzący z mineralizacji glebowej materii organicznej, jak i składnik, który pochodzi z rozkładu zastosowanych nawozów naturalnych i organicznych, a także azot cząsteczkowy (atmosferyczny) związany przez bakterie symbiotyczne (symbioza z roślinami motylkowymi) i wolno żyjące w glebie. Jak wynika z powyższego zestawienia, na pulę azotu glebowego składa się wiele źródeł, które w mniejszym lub większym stopniu są dostępne dla roślin. Jednocześnie trzeba zaznaczyć, że azot znajdujący się w glebie podlega wielu przemianom, które decydują o tym, że ilość tego składnika dostępnego dla roślin w zależności od warunków może dość drastycznie się zmieniać. Zatem racjonalna gospodarka azotem wymaga bardzo dokładnego poznania procesów, jakim związki azotu podlegają w środowisku. Warto wiedzieć, że o odżywieniu roślin tym składnikiem decydują trzy przyswajalne formy azotu: azot cząsteczkowy (N2); jon amonowy (NH4+) i jon azotanowy (NO3-). Dwie podstawowe formy azotu nieorganicznego (NH4+ i NO3-), które są pobierane przez korzenie roślin z roztworu glebowego, stanowią zaledwie 1–5% całkowitych zasobów azotu zawartego w glebach uprawnych. Pozostała część, czyli 95–99%, to związki organiczne azotu, charakteryzujące się różnorodnością form, a w konsekwencji różną podatnością na rozkład mikrobiologiczny. Między tymi formami związków azotu zachodzą dynamiczne procesy przemian, zależne od aktywności mikroorganizmów i warunków środowiska. Najważniejsze z nich to:
- wiązanie azotu atmosferycznego przez mikroorganizmy zdolne do redukcji N2 i włączanie go w struktury organiczne roślin wyższych;
- włączanie azotu organicznego w struktury związków węgla (w próchnicę – proces humifikacji);
- mineralizacja związków organicznych do amoniaku – NH3 (w środowisku wodnym amoniak przekształca się w formę amonową – NH4+);
- immobilizacja azotu nieorganicznego przez mikroorganizmy (biologiczne uwstecznianie azotu);
- nitryfikacja (utlenianie jonów amonowych do azotanów);
- ulatnianie amoniaku z gleby;
- redukcja nieasymilacyjna azotu – denitryfikacja (straty azotu w postaci gazowej – N2, NO, N2O);
- wymywanie azotu (dotyczy przede wszystkim azotanów).
Wiązanie azotu atmosferycznego
Generalnie wiązanie azotu atmosferycznego może odbywać się przez mikroorganizmy wolno żyjące w glebie, np. Azotobacter (bakterie tlenowe), czy Clostridium (bakterie beztlenowe) oraz przez mikroorganizmy żyjące w symbiozie z roślinami motylkowatymi, np. bakterie z rodzaju Rhizobium. Przy czym efektywność pierwszej grupy jest zdecydowanie mniejsza i kształtuje się na poziomie od kilku do kilkunastu kg N/ha rocznie. Natomiast wiązanie symbiotyczne nierzadko przekracza 200 kg N/ha rocznie. Przy czym ostateczna ilość azotu cząsteczkowego związanego przez mikroorganizmy symbiotyczne zależy od:
- charakterystycznych cech mikroorganizmów symbiotycznych (infekcyjność, efektywność wiązania, zdolność do przeżycia bez rośliny gospodarza, konkurencja między szczepami gatunków);
- właściwości rośliny gospodarza (selektywność gatunkowa);
- środowiska glebowego (pH, wilgotność, temperatura, składniki mineralne – zwłaszcza azot, fosfor, mikroskładniki, związki toksyczne – pestycydy);
- składników biotycznych gleby (drapieżcy, nicienie, pierwotniaki, promieniowce, grzyby, owady).
Jak już wspomniano, do najważniejszych czynników środowiskowych wpływających na wiązanie azotu cząsteczkowego należą: wilgotność gleby, odczyn oraz dostępność składników mineralnych. Przy czym wilgotność gleby pełni funkcję nadrzędną, ponieważ wpływa zarówno na roślinę gospodarza, jak i na mikroorganizmy. Większość roślin motylkowych, np. bób, groch siewny, lucerna czy soja, jest bardzo wrażliwa na suszę. Czynnik ten wywiera ujemny wpływ zarówno na procesy infekcji rośliny, jak i wzrost bakteroidy, co znacząco ogranicza wiązanie azotu cząsteczkowego.
Azot amonowy
Formy organiczne azotu (rodzime – próchnica, resztki pożniwne, nawozy naturalne i organiczne) stanowią potencjalne źródło azotu amonowego, gdyż w wyniku ich rozkładu w pierwszej kolejności powstaje amoniak, który następnie przekształca się w jon amonowy. W kolejnym etapie może on zostać przekształcony w jon azotanowy. Przy czym w glebach niedotlenionych, podtapianych lub zalewanych, a także w środowisku kwaśnym proces nitryfikacji (utleniania azotu) ulega osłabieniu lub zahamowaniu, dlatego zwykle dominuje w nich azot amonowy. Poza tym że może on ulec nitryfikacji, może również zostać przekształcony w glebową materię organiczną (próchnicę), ulec immobilizacji (wbudowaniu w ciała mikroorganizmów), zostać unieruchomiony między pakietami minerałów ilastych (uwsteczniony N-NH4+ jest niedostępny dla roślin), a w niekorzystnych warunkach ulec stratom w postaci amoniaku. W praktyce rolnik powinien skupić się przede wszystkim na ograniczeniu strat azotu w postaci amoniaku (m.in. poprzez stworzenie korzystnych warunków do nitryfikacji a także jak najszybsze wymieszanie z glebą nawozów naturalnych – obornik, gnojowica – po ich zastosowaniu) oraz na kontroli procesów rozkładu materii organicznej. Oczywiście nie jest to sprawa prosta, gdyż rozwój mikroorganizmów, które odpowiedzialne są za te procesy jest funkcją wielu czynników środowiskowych, w tym temperatury i wilgotności gleby oraz dostępności azotu, zarówno we wprowadzonym do gleby świeżym materiale organicznym, jak i w zasobach glebowych. Istotną rolę odgrywa tzw. podatność materii organicznej na biodegradację, która zależy od dwóch głównych czynników, związanych z zawartością azotu i węgla (ważna jest również zawartość ligniny). W glebach uprawnych rozkład może zachodzić na drodze:
- bezpośredniego uwalniania azotu do gleby (dla C:N <22:1), gdy zawartość azotu w rozkładanych resztkach roślinnych oraz w nawozach naturalnych i organicznych jest większa niż 18 kg/tonę;
- bezwzględnego uwsteczniania azotu (dla C:N >33:1), gdy zawartość azotu w rozkładanych resztkach roślinnych oraz w nawozach naturalnych i organicznych jest mniejsza niż 12 kg/tonę;
- tymczasowego uwsteczniania azotu (dla C:N mieszczącym się w przedziale 33–22:1), gdy jego zawartość w rozkładanych resztkach roślinnych oraz w nawozach naturalnych i organicznych mieści się w zakresie 12–18 kg/tonę.
Jeżeli zatem przyorywane resztki/nawozy są ubogie w azot, a zależy nam na tym, aby nie był on biologicznie uwsteczniany w glebie, to należy uregulować stosunek C:N, stosując przed ich wymieszaniem z glebą odpowiednią ilość azotu, np. w postaci mocznika czy gnojowicy. Postępowanie to jest szczególnie ważne w uprawie rzepaku po zbożach, jeżeli słoma została przyorana. Tłumaczą to stosunkowo duże jesienne potrzeby rzepaku względem azotu (na przerośniętych plantacjach zwykle znacząco przekraczają 100 kg N/ha).
Azot azotanowy
Jest podstawową formą azotu w glebach, zwłaszcza wysoko produktywnych. Rolę tej formy chemicznej azotu w produkcji roślinnej należy rozpatrywać na trzech płaszczyznach, odniesionych do procesów zachodzących w glebie, takich jak: intensywność utleniania azotu amonowego (nitryfikacja); podatność na wymywanie; intensywność i produkty denitryfikacji. Nitryfikacja zależy od dwóch czynników – ilości jonu amonowego w glebie oraz aktywności mikroorganizmów utleniających NH4+ do NO3-. Proces ten zachodzi w glebach strukturalnych (odznaczających się optymalnymi warunkami wodno-powietrznymi) o pH powyżej 6,0. Azot w formie azotanowej, jeśli nie zostanie pobrany przez rośliny, może zostać wymyty lub ulec denitryfikacji. Ponieważ jon azotanowy odznacza się dużą ruchliwością w glebie, wiec przemieszcza się tak jak woda, tj. zarówno w głąb (jeśli opady są intensywniejsze niż transpiracja), jak i w górę profilu (jeżeli jest odwrotnie). Zatem realne zagrożenie wymywania azotanów występuje tylko w okresie półrocza zimowego, gdyż w półroczu letnim, tj. gdy temperatura przekroczy 5°C, dominuje parowanie (z gleby, rośliny) i woda podsiąka z głębszych warstw ku powierzchni. Zatem w półroczu letnim wymywanie azotanów notuje się tylko w sytuacji nawalnych lub długotrwałych opadów. Kolejnym procesem, który prowadzi do strat azotu, jest denitryfikacja. W jej wyniku jony azotanowe zostają przekształcone w formy gazowe, które ulatniają się do atmosfery. Denitryfikacja szczególnie intensywnie zachodzi w warunkach ograniczonej ilości tlenu w glebie. Dlatego ograniczanie tego procesu polega na regulacji warunków wodno-powietrznych (wskazana jest likwidacja zagęszczonych czy zamulonych warstw gleby).
