Pistlar

Nitur

Sigurður Arnarson skrifar 07. febrúar 2024 | kl. 09:50

TRÉ VIKUNNAR - LVII

Í pistli okkar um hringrásir næringarefna frá 9. ágúst í fyrra lofuðum við að fjalla nánar um sum þessara efna ef vilji væri fyrir hendi. Móttökur pistilsins voru með allra besta móti og fyrir það erum við þakklát. Þess vegna er nú komið að pistli um nitur eða köfnunarefni. Því miður dróst það úr hömlu að birta pistilinn en nú er komið að því, hálfu ári á eftir fyrri pistlinum. Í skógrækt gerast góðir hlutir hægt.

Af hverju nitur?

Nitur er það næringarefni sem oftast skortir við ræktun á Íslandi. Sumir ganga jafnvel svo langt að segja að á Íslandi sé víðast hvar krónískur niturskortur í jarðvegi. Í vel þroskuðum vistkerfum, þar sem stór hluti uppskerunnar er ekki fjarlægður, er að jafnaði ekki hörgull á nitri frekar en öðrum næringarefnum. Hér á landi er það sjaldan þannig. Það sést meðal annars á því að nær allur gróður svarar vel áburðargjöf og eykur vöxt sinn í kjölfarið. Ástæða þessa er að vandfundin eru þau svæði á Íslandi þar sem ekki hefur verið gengið freklega á næringarforðann. Þar er niturskortur mjög takmarkandi þáttur.

Ummyndun niturs í jarðvegi er meiri en flestra annarra næringarefna og plöntur þurfa meira af því en öðrum efnum úr jarðvegi. Ekkert annað næringarefni hefur jafn mikil áhrif á vöxt og uppskeru (þorsteinn 2018). Rétt er þó að árétta strax að auðvitað er nitur ekki eina næringarefnið sem plöntur þurfa. Sjá nánar í pistli um hringrásir næringarefna. Ef til vill segjum við nánar frá sumum þeirra síðar.

Þótt landið sé illa farið má víða finna svæði þar sem gróður er að þróast á áður gróðurvana svæðum. Vissulega er til fólk sem vill vernda hrunin vistkerfi en það verður að segjast eins og er að land þar sem gróður er að aukast er í framför.

Alaskaösp á Markarfljótsaurum og alaskalúpína

Þegar alaskaösp var flutt til landsins á sínum tíma var hugmyndin sú að hún gæti myndað skóga á sunnlensku söndunum og beint beljandi jökulfljótum í afmarkaða farvegi eins og hún gerir á sínum heimaslóðum. Komið hefur í ljós að vöxtur asparinnar er hægur á þessum ófrjóa jarðvegi. Þar getur lúpínan gjörbreytt ástandinu. Það er magnað að sjá vaxtarkippinn sem öspin tekur þegar lúpínan breiðist inn í asparreitina á Markarfljótsaurum. Mynd og upplýsingar: Halldór Sverrisson.

Hlutverk niturs

Í vistkerfinu er mestallt nitur að finna í lífrænum efnum. Laufblöð velnærðra planta innihalda yfirleitt 2-4% nitur sem verður að teljast nokkuð hátt hlutfall þegar þess er gætt að plöntur eru að mestu gerðar úr kolefni, vetni og súrefni (C, H og O) (Ólafur 2023, Úlfur 2024). Í plöntum finnst nitur fyrst og fremst í prótínum, hvötum, erfðaefni og blaðgrænu. Það gegnir hlutverki við orkuvinnslu því það nýtist við bruna kolvetna. Ef efnið skortir geta plöntur orðið ljósgrænar á litinn og jafnvel gular og kirkingslegar ef skortur er mikill. Þá fölna blöðin. Þetta á við um ysta hluta blaðanna þar sem vöxtur er mestur, en þar sem nitur er mjög hreyfanlegt innan plantna geta blaðbotnar og elstu blöðinn orðið gul. Þá hefur nitrið verið flutt þaðan og í yngri hluta plöntunnar sem þá eru ljósgræn (Úlfur 2024). Lífverur þurfa mikið af nitri fyrir allan vöxt sinn og viðgang. Það er það áburðarefni sem hefur mest áhrif á vöxt plantna.

Niturnám gerla á þessum maríuskó, Lotus corniculatus, er greinileg. Inni í plöntunni er grasið hvanngrænt og vöxtulegt. Utan hennar er grasið gulleitt, gisið og vannært. Myndin gefur líka vísbendingar um að óráðlegt getur verið að dreifa miklum nituráburði á útjörð. Það getur aukið grasvöxt tímabundið sem kæft getur aðrar plöntur. Þegar uppskeran er fjarlægð með beit dregur úr niturforðanum og landið fer aftur í fyrra horf ef svarðnautunum hefur ekki fækkað. Mynd: Sig.A.

Nitur er líka mjög mikilvægt til að rotnun gangi eðlilega fyrir sig þar sem hlutfall kolefnis á móti nitri þarf að vera eðlilegt. Þroskaður og þykkur jarðvegur geymir mikið af nitri, en þar getur engu að síður virst vera niturskortur. Stundum stafar það af jarðvegskulda. Plönturæturnar ná ekki alltaf að starfa á fullum afköstum og kuldinn hægir einnig á niðurbroti lífræns efnis. Við þetta bætist að gróðursamfélög á Íslandi eru mótuð af beit. Slík gróðursamfélög endurspegla ekki alltaf gróskuna í jarðvegi.

Til er fjöldinn allur af elritegundum sem henta á Íslandi. Þær lifa í samvinnu við Frankia-gerla sem vinna nitur beint úr andrúmsloftinu og þannig bætir elri jarðveginn. Eins og sjá má er ekki frjósamt land á þessum myndum og elrið gæti ekki vaxið þarna án þessara gerla. Á fyrri myndinni virðist ein plantan hafa ákveðið að verða frekar tré en runni. Myndir: Sig.A.

Nitur í umhverfinu

Algengasta lofttegundin í andrúmslofti jarðar er nitur sem stundum er nefnt köfnunarefni. Um 78% andrúmsloftsins er þetta efni. Það verður að teljast fremur einkennilegt að þrátt fyrir það virðast nær öll gróðursamfélög á norðurhveli jarðar skorta efnið. Það sést best á því að nánast allar plöntur taka vaxtarkipp þegar þeim er gefinn aukaskammtur af nitri. Þá eykst bæði blað- og stöngulvöxtur. Ástæða þessa er sú að ekkert nitur er að finna í þeim steinefnum sem mynda jarðveg og í andrúmsloftinu er nitrið í formi sem plöntur geta ekki nýtt sér (sjá síðar).

Eldfjallaaska inniheldur mörg næringarefni sem eru gróðri nauðsynleg. Þess vegna er eldfjallajörð að jafnaði frjósöm. Nitur er ekki þar á meðal og þarf að koma annars staðar frá. Myndin er af gosinu á Fimmvörðuhálsi árið 2010 og sýnir gosmökk sem ber í fullt tung. Mynd: Sig.A.

Efnafræði

Algengasta efnið í andrúmsloftinu er nitur. Um 78% þess er þetta efni. Þar er það í forminu N2. Því má fullyrða að til er nægur forði af nitri fyrir öll vistkerfi heimsins. Gallinn er sá því miður er það í þannig formi að hvorki plöntur né dýr geta nýtt sér það. Lofttegundin N2 tekur ekki þátt í neinum efnahvörfum lífsins. Til að koma því í aðgengilegt form fyrir plöntur þarf mikla orku. Til eru örverur sem geta nýtt sér nitrið og breytt því í nitursambönd sem plöntur geta nýtt sér. Svona niturnám er á færi örfárra ættkvísla dreifkjörnunga. Langstærstur hluti nitursins í jarðvegi er geymdur í lífrænum efnum sem NH2

Mynd úr bók Þorsteins Guðmundssonar (2018) sem sýnir helstu þætti niturhringrásarinnar í jarðvegi með efnafræðitáknum.

Nitur er til í allskonar efnasamböndum. Tvö þessara sambanda eru aðgengileg plöntum í einhverjum mæli. Þessi efni kallast ammóníum (NH4+ og nítrat (N03-). Hið fyrrnefnda er plúsjón með hleðsluna +1 , hitt er mínusjón með hleðsluna -1. Í heildina litið er nítratið mikilvægara. Að vísu er það afoxað á fyrstu stigum upptöku hjá plöntum svo það geti nýst þeim í efnahvörfum. Myndast þá ammóníum (NH4+) og ammoníak (NH3) (Ólafur 2023).

Gráelriplöntur úr 35 hólfa plöntubakka. Sjá má litla hnúða á rótunum. Þar eru Frankia-gerlar sem mynda sambýli með elrinu og hjálpa til við niturnám. Elri ætti ekki nokkur að planta ef ekki eru gerlar á rótunum. Mynd: Árni Þórólfsson.

Niturhringrásir

Meðfylgjandi mynd er úr riti Ólafs (2023) Mold ert þú. Sýnir hún einfaldaða mynd af virkum niturhringrásum. Til að knýja þessar hringrásir þarf margskonar efnahvörf. Þau leiða til þess að nitrið berst úr andrúmsloftinu í moldina, kemst þar í nýtilegt form og tapast síðan úr kerfinu aftur.

Mynd úr riti Ólafs Arnalds (2023) sem sýnir helstu ferla í niturhringrásinni.

Það ferli sem leiðir til þess að N2 losnar úr andrúmslofti og kemst ofan í jarðveg kallast niturnám eða niturbinding. Það leiðir til þess að NH4 verður til. Þetta ferli þarf mikla orku. Í náttúrunni gegna eldingar mikilvægu hlutverki við að koma hvarfinu í gang. Þegar Áburðarverksmiðja Ríkisins starfaði hér á landi byggði framleiðslan á því að nota rafmagnsorku til að breyta nitri andrúmsloftsins (N2) til að framleiða aðgengilegt nitur fyrir plöntur. Þessi aðferð er aldagömul og vel þekkt. Kallast hún Haber-Bosch-aðferð. Með henni eru N2 og H2 látin hvarfast saman við mikinn hita og mynda ammóníak, NH3. Af þessum sökum var í eina tíð stundum talað um „loftáburð“ þegar talað var um áburð frá Áburðarverksmiðjunni.

Til eru örverur sem geta nýtt orku sólar til að nema nitur andrúmsloftsins og gera það aðgengilegt. Sumar tegundir plantna hafa tekið þær í sína þjónustu. Nánar um það síðar. Orkuþörfin gerir það að verkum að þessar plöntur þola að jafnaði ekki mikinn skugga.

Niturlosun er ferli sem til verður við rotnun. Þá færist nitrið, sem bundið er í lífrænum efnum, í aðgengilegt form. Það gerist þegar gastegundin NH3 losnar og verður að NH4+ í lausninni.

Tvenns konar hópar gerla, innan margra ættkvísla, vinna NH4 og oxa það í efnasambandið NO3. Fyrst myndast nitur og síðan nítrat. Kallast það ferli nítrun. Ferlið er mjög mikilvægt fyrir áburðargjöf í landbúnaði en hefur um leið sýrandi áhrif á jarðveg þar sem mikið losnar af prótónum (H+) í ferlinu. Því skiptir máli á hvaða formi nitrið er sem borið er á plöntur. Nítrun þarfnast súrefnis og við oxunina losnar orka sem örverur geta nýtt sér. Nítrunargerlarnir eru loftháðir og starfa best við hátt sýrustig í fremur þurrum og næringarríkum jarðvegi.

Þess má geta að við ræktun í hlutlausu efni (vatn, vikur, steinull o.fl.) sem tíðkast í gróðurhúsum gengur ekki að nota lífrænan áburð því þá verður ekki þessi nítrun eða umbreyting úr ammomíum í nítrat.

Enn eru hrunin vistkerfi á Íslandi nýtt til beitar en vaxandi þrýstingur náttúruverndarfólks er gegn þeirri ofnýtingu. Myndir: Sig.A.

Örverugróður þarfnast niturs og nýtir hluta þess niturs sem losnar við rotnun til eigin þarfa. Þess vegna getur hugsanlega dregið úr niturupptöku plantna ef mikið kolefni rotnar, eins og þegar trjákurl er sett í beð. Við vitum ekki til þess að það hafi verið rannsakað sérstaklega og ef til vill skiptir þetta ekki máli, en það liggur fyrir að eftir því sem minna er af nitri í samanburði við framboð á lífrænu kolefni, þeim mun meiri vandræði fyrir lífverur moldarinnar. Skortur á nitri hamlar lífsstarfsemi. Nánar um þetta hlutfall hér á eftir í kaflanum C/N hlutfall.

Afnítrun er ferli sem leiðir til afoxunar nítrats svo nitrið gufar upp úr jarðvegi. Fyrst breytist nítrat (NO3) í hláturgas (N2O) og síðan í N2 eins og það er algengast í andrúmsloftinu. Helst gerist þetta þar sem aðgengi að súrefni er takmarkað eins og í röskuðu votlendi, í röskuðu mólendi sem er rakt hluta ársins, í blautum túnum og safnhaugum. Miklu minna losnar af N2O úr óröskuðu votlendi þar sem kerfið tekur upp kolefni á móti þessari losun. N2O er afar öflug gróðurhúsalofttegund og er talin 200-300 sinnum öflugri en koltvísýringur, CO2, eftir því hvaða aðferðir eru notaðar til að mæla áhrifin.

Nitur getur borist í jarðveginn úr andrúmslofti. Örlítið berst uppleyst með regnvatni og þá helst í kjölfar eldinga. Einnig losnar mikið nituroxíð út í umhverfið við bruna lífrænna efna. Einkum á það við um jarðefnaeldsneyti. Það berst síðan til jarðar með regnvatni. Á Íslandi er niturákoma með regnvatni minni en sunnar á hnettinum enda er hér minna um eldingar og minni notkun jarðefnaeldsneytis á hverja flatareiningu lands vegna dreifbýlis. Losun á hvert mannsbarn er samt engu minni. Reyndar þvert á móti.

Langstærsti hluti niturs í jarðvegi kemur með niturnámi örvera í jarðvegi eða beinlínis með áburðargjöf. Sums staðar í útlöndum er gefið svo mikið nitur að gróðurinn getur ekki tekið það allt upp. Þá rennur það að lokum til sjávar eða í grunnvatn og getur valdið tjóni. Niturmengun í grunnvatni getur gert það óhæft til drykkjar. Uppleyst nitur í ám og vötnum á Íslandi er hverfandi lítið og því lítil hætta á þessu hér á landi.

Samson Bjarnar Harðarson skoðar skóg í Eyjafirði. Þarna er enginn hörgull á nitri eða öðrum næringarefnum eins og sjá má. Trén telja þó tryggara að draga þau til sín úr laufunum áður en þau falla af. Mynd: Sig.A.

C/N hlutfall

Nitur er jafnan takmarkandi þáttur fyrir lífsstarfsemi og þess vegna ágætur mælikvarði á frjósemi vistkerfa. Hegðun vistkerfa getur stjórnast af samspili framboðs lífrænna kolefna (C í lotukerfinu) og niturs (N í lotukerfinu). Þetta hlutfall er kallað C/N hlutfall. Þegar mikið leggst til af efni með lágt C/N hlutfall (lítið kolefni miðað við nitur), eins og í seyru, þá eykst starfsemi lífvera mjög hratt og frjósemin þar með. Ef hlutfallið er hátt getur orðið skortur á nitri. Lífverur ná þá strax í allt nitur sem er í boði og lítið verður eftir handa rotverunum og þá gengur niðurbrotið hægar fyrir sig og dregið getur úr vexti gróðurs. Gott dæmi um þetta hér á landi er þegar uppskerumikið land er friðað. Þá raskast jafnvægið tímabundið. Þetta er kallað „að land hlaupi í sinu“. Þá er eins og það verði skortur á nitri. Á meðan sinan er að rotna verður lítill vöxtur og gróðri getur jafnvel farið aftur. Í raun er samt frjósemin að aukast þegar horft er til lengri tíma.

Mynd úr ritinu Að lesa og lækna landið. Þegar sina með litlu niturinnihaldi fellur til nýta örverurnar það allt og gróður upplifir tímabundinn niturskort sem skerðir framleiðni líffélagsins í einhvern tíma. Að lokum verður kerfið frjósamara með meira af kolefni og nitri fyrir tiltækan gróður (Ólafur og Ása 2015).

Þegar nýtt jafnvægi er komið á hefur frjósemin aukist þar sem meira er af bæði kolefni og nitri í kerfinu. Oft birtist þetta eins og sprenging í grósku þegar jafnvæginu er náð. Þá verða niturkærar blómplöntur eins og blágresi ríkjandi (Ólafur 2023 bls. 46-47).

Þessi mynd er tekin á Laugum í Reykjadal og sýnir land þar sem finna má mikla grósku en einnig land þar sem hún er mun minni. Mynd: Sig.A.

Í bók sinni Mold ert þú bendir jarðvegsfræðingurinn Ólafur Gestur Arnalds (2023) á að „þetta samhengi þarf að hafa í huga þegar gerður er samanburður á aðstæðum í beittu og óbeittu landi – samanburðurinn er óraunhæfur ef fremur stutt er síðan land var friðað fyrr beit – því vöxtur innan friðaða landsins kann að vera mun minni en á beitta svæðunum og í ójafnvægi til að byrja með.“

Mynd úr Jökuldal sem sýnir friðað land og beitiland. Ef til vill má enn finna fleiri plöntutegundir á beitta landinu en gróskan er meiri í friðaða landinu. Rétt er að hafa í huga að líffjölbreytileiki nær til fleiri þátta en fjölda háplöntutegunda. Í vel gróna landinu, þar sem gróskan er meiri, má gera ráð fyrir fleiri lífverum þegar allt er talið. Mynd: Sig.A.

Niturnám (niturbinding) örvera

Í flestum ritum um þessi málefni er oftar talað um niturbindingu en niturnám. Ólafur Arnalds (2023) hefur bent á að það er heldur óheppilegt því örverurnar binda ekki nitrið fast heldur nema það og gera það aðgengilegt fyrir aðrar lífverur. Því leggur hann til að nota frekar orðið niturnám en niturbinding. Við reynum að fara eftir því en í ýmsum heimildum er gamla orðið notað.

Til eru örverur sem lifa sjálfstætt í jarðvegi og vinna nitur úr andrúmslofti. Má sem dæmi nefna að í lífrænni jarðvegsskán má finna blágræna gerla sem geta þetta. Slík skán getur flýtt mjög fyrir landnámi öflugri plantna.

Jarðvegsskán með flatmosanum heiðahélu og grasvíði. Lífræna skánin er forstig sjálfgræðslu. Svona land er viðkvæmt fyrir átroðningi. Mynd: Sig.A.

Samkvæmt Þorsteini (2018) er niturnám eða -binding lifandi örvera á Íslandi 1-30 kg N/ha á ári. Til samanburðar er algengt að bera 100 til 125kg N/ha á ári á tún í góðri rækt. Á þessu sést að með aðstoð þessara örvera tekur mjög langan tíma að byggja upp niturforða. Vert er að vekja athygli á að þessar tölur 1-30 kg. N/ha á ári spanna mjög breytt bil. Það sýnir okkur að það er misjafnt eftir jarðvegi og aðstæðum hversu mikið niturnámið er. Þó má segja að eftir því sem meira er af lífrænum efnum í jarðveginum, þeim mun líklegra er að námið sé mikið. Sumar örverur eru ekki í beinum tenglum við aðrar lífverur en aðrar eru það. Svo eru til örverur sem eru mjög afkastamiklar í niturnámi. Þær lifa alltaf í samlífi með æðri plöntum.

Á þessari mynd er margt að sjá. Fremst má sjá dílarof á landi sem án efa var algróið í eina tíð. Dílarof verður til við ósjálfbæra landnýtingu. Það getur tekið mjög langan tíma fyrir land að loka slíkum rofdílum en áframhaldandi ofbeit getur leitt til frekara rofs með tilheyrandi landeyðingu.

Síðan er þarna skógur. Ekkert vistkerfi stendur jafn vel af sér hverskyns áföll vegna t.d. veðurs eða öskufalls. Að auki bindur hann mikið kolefni, bæði ofan jarðar og neðan. Í honum er fullt af næringarefnum. Upp úr skóginum standa melar sem, eins og rofdílarnir, hafa orðið til vegna ósjálfbærar landnýtingar. Í þeim hafa hringrásir næringarefna, kolefnis og vatns rofnað. Þar er landið það illa farið að löng friðun hefur lítil áhrif. Þó er það svo að melunum fer fram. Að vísu mjög hægt, en samt fer þeim fram.

Fjær má sjá óshólma Eyjafjarðarár. Land við ána hefur tekið gríðarlegum framförum vegna friðunar á fáum árum. Efst á myndinni sér í Vaðlaheiði. Þar hefur gróðri farið eitthvað fram hin síðari ár en beit dregur mjög mikið úr framförum. Víða eru þar svæði sem losa meira kolefni en binst í gróðri. Miðað við ríkjandi veðurfar væri birkiskógur hið eðlilega gróðurfar í heiðinni. Mynd: Sig.A.

Hér á landi má finna nokkrar tegundir plantna sem hafa tekið upp sambýli við örverur. Afkastamestar á heimsvísu eru belgjurtir. Ætt belgjrta, Fabaceae, er einnig nefnd ertublómaætt. Þeir gerlar sem belgjurtir hafa tekið í þjónustu sína eru flestar af ættkvíslunum Rhizobium og Bradyrhizobium.

Ýmsir runnar og tré af öðrum ættum, svo sem elri, hafþyrnir og fleiri tegundir, geta þetta líka en nota til þess aðra dreifkjörnunga. Þar eru Frankia-gerlar mest áberandi. Sumar heimildir kalla þá ekki gerla heldur geislasveppi en hitt er þó algengara, enda eru þetta ekki sveppir. Nú eru geislasveppir flokkaðir sem geilsabakteríur eða geislagerlar.

Hvort heldur sem gerlarnir eru Rhizobium, Frankia eða eitthvað annað er það svo að plantan sér gerlunum fyrir nær öllum mikilvægum næringarefnum en fær sitt nauðsynlega nitur í staðinn. Það eru því ekki plönturnar sem binda eða nema nitrið heldur gerlarnir sem þær hafa í þjónustu sinni.

Gagnsemi niturnámsins hjá örverum í tengslum við plöntur verður seint ofmetin. Slíkar tegundir eru undirstaða landbúnaðar víða um heim og hægt er að nýta sumar þeirra sem hjálparplöntur í skógrækt. Höfum við áður fjallað um belgjurtir. Vísum við í þann pistil til að fræðast nánar um belgjurtir í skógrækt. Hér nefnum við aðeins að í sambýli við lúpínu geta gerlar bundið allt að 200kg N/ha á ári við bestu aðstæður og 130kg N/ha á ári með hvítsmára samkvæmt íslenskum rannsóknum (Þorsteinn 2018). Þetta er meginástæða þess hversu tré vaxa vel í lúpínubreiðum en einnig má nýta aðrar belgjurtir.

Því miður er það svo að tiltölulega fáar innlendar háplöntur hafa tekið niturnámsgerla í sína þjónustu. Það kann að vera meginskýring þess hversu illa íslensk eldfjallajörð þolir ofbeit. Hér gengur hraðar á niturforðann en víðast hvar annars staðar í heiminum því enduruppbyggingin gengur hægar fyrir sig.

Silfurblað, Elaeagnus commutata, er ein af þeim tegundum sem getur unnið nitur úr andrúmsloftinu með hjálp Frankia-gerla.

Smellið hér til að sjá allan pistil Sigurðar

Sigurður Arnarson er í stjórn Skógræktarfélags Eyfirðinga

Vikulega birtist pistillinn Tré vikunnar á vef Skógræktarfélags Eyfirðinga. Akureyri.net birtir hluta hvers pistils í því skyni að vekja athygli á skrifunum.

Til baka í yfirlit pistla