Ακινητοποίηση Αζώτου - Οργανική Ουσία - ΙΑΚ (CEC)

Η Οργανική ουσία (προϊόν αποσύνθεσης ζωικών και φυτικών υπολειμμάτων στο έδαφος και προϊόντα ανασύνθεσης νέων οργανικών ενώσεων) περιλαμβάνει και τους μικροοργανισμούς του εδάφους που αποσυνθέτουν τα φυτικά και ζωικά υπολείμματα σε νέες ενώσεις (όπως ο χούμος). 

• Βακτήρια (το πολυπληθέστερο είδος εδαφικών οργανισμών, ανεξαρτήτου ph, ευνοείτε η ανάπτυξή τους σε αλκαλικά εδάφη)
• Μύκητες (είναι κυρίως στην επιφάνεια του εδάφους λόγω καλού αερισμού και της αφθονίας συστατικών οργανικής ουσίας, απαιτούν όξινα εδάφη ph: 6 - 7,5)
• Μυκόρριζες (συμβιωτική σχέση με τις ρίζες τροφοδοτώντας θρεπτικά στοιχεία κυρίως φώσφορο και σε αντάλλαγμα παίρνουν από τις ρίζες υδατάνθρακες για να τραφούν)
• Ακτινομύκητες
• Γαιοσκόληκες (ομογενοποιούν το έδαφος, διευκολύνουν την κίνηση του αέρα και του νερού, τα προϊόντα μεταβολισμού τους πλούσια σε Ν, Ρ, Κ.)
• Φύκη
• Λειχήνες
• Τερμίτες
• Μυρμήγκια

Οι οργανικές ενώσεις αποτελούνται κυρίως από άνθρακα σε συνδυασμό με το υδρογόνο, το οξυγόνο, το άζωτο κλπ. Η χημική σύσταση της οργανικής ουσίας αποτελείται:

• Υδατάνθρακες (άμυλο, σάκχαρα, κυτταρίνη)
• Αζωτούχα συστατικά (πρωτεΐνες, αμινοξέα)
• Οργανικά οξέα
• Χούμος (ενώσεις που δεν εντάσσονται στα παραπάνω 85% - 90%)

Επειδή η οργανική ουσία έχει όξινο χαρακτήρα, όλα τα μόριά της λέγονται οξέα (εκτός των χουμινών που είναι χημικά αδρανείς ουσίες). Περιλαμβάνονται:

• Τα μεγάλου μοριακού βάρους Χουμικά οξέα, με σκούρο καφέ έως μαύρο χρώμα, διαστάσεις και συμπεριφορά κολλοειδών και με μεγάλη ΙΑΚ. Απαντώνται σε ελαφρώς όξινα έως ουδέτερα, παραγωγικά και πλούσια σε θρεπτικά στοιχεία εδάφη. Τα χουμικά οξέα είναι μη υδατοδιαλυτά, δηλαδή στο έδαφος αποτελούν στερεή φάση.
• Τα μικρότερου μοριακού βάρους Φουλβικά οξέα, με ανοικτό κίτρινο έως καφέ χρώμα, που απαντώνται σε όξινα και υποβαθμισμένα εδάφη. Τα φουλβικά οξέα είναι υδατοδιαλυτά και ανήκουν στην υγρή φάση, δηλαδή είναι μέρος του εδαφικού διαλύματος.
• Τα φουλβικά οξέα μπορεί να ελέγχουν τη διαλυτότητα των ουσιών του εδαφικού διαλύματος, δρώντας σαν ανταγωνιστές για την προσρόφηση κατιόντων στις στερεές επιφάνειες. 
• Με άλλα λόγια, κάτω από ορισμένες συνθήκες, μπορεί κατιόντα του εδαφικού διαλύματος να ‘προτιμήσουν’ να δημιουργήσουν σύμπλοκα με τα φουλβικά, παρά να προσροφηθούν στις επιφάνειες των στερεών.
• Αν αυτά τα κατιόντα είναι ρυπαντές θα απορροφηθούν από τα φυτά χωρίς διάκριση και αυτό θα δημιουργήσει προβλήματα, καθώς τότε ανοίγει διάπλατα την πόρτα στους ρυπαντές για την τροφική αλυσίδα του ανθρώπου.

Ανοργανοποίηση είναι η διαδικασία που τα θρεπτικά στοιχεία των οργανικών ενώσεων απελευθερώνονται και είναι διαθέσιμα για τα φυτά (ανόργανα ιόντα).

Ακινητοποίηση ονομάζουμε την ενσωμάτωση των ανόργανων στοιχείων στα κύτταρα των μικροοργανισμών που καθιστά τα θρεπτικά στοιχεία μη διαθέσιμα για τα φυτά.

Σταθερότητα οργανικών ενώσεων:

Σάκχαρα < άμυλο < πρωτεΐνες < πηκτίνες < ημικυτταρίνες < κυτταρίνες < λιγνίνη < κηροί < ρητίνες < τανίνες

Ο ρυθμός διάσπασης εξαρτάται από το είδος των φυτικών υπολειμμάτων (Ψυχανθή > Λειμώνια φυτά > Φυλλοβόλα > Κωνοφόρα), τα είδη και τον πληθυσμό των μικροοργανισμών, τις εδαφικές ιδιότητες (τα αργιλώδη εδάφη λόγω των ισχυρών δεσμών της αργίλου με την οργανική ουσία έχουν μεγαλύτερη περιεκτικότητα σε οργανική ουσία από τα αμμώδη) και τις κλιματολογικές συνθήκες.

• Μηχανική κατεργασία --> τεμαχισμός και ανάμειξη των φυτικών ιστών με τους μικροοργανισμούς. (αναμόχλευση εδάφους --> καλύτερος αερισμός εδάφους --> οξείδωση οργανικής ουσίας --> αυξημένη αποσύνθεσή της --> μείωσή της)
• Βιοχημικές αντιδράσεις:

• Υδρόλυση 
• αμύλου προς απλούστερα σάκχαρα
• πρωτεϊνών προς πεπτίδια και αμινοξέα
• Οξείδωση ενώσεων πολυμερισμού (Οξείδωση φαινολών --> Σκούρος χρωματισμός εδαφών)
• Διαδικασίες μικροβιακής φύσεως με την επίδραση ενζύμων (αποδόμηση νεκρών μικροοργανισμών)

Σχέση C/N: δείκτης ρυθμού αποσύνθεσης οργ. υλικού ή δείκτης μικροβιακής δραστηριότητας

• Σχέση C/N μικροοργανισμών: 10:1
• Από τα 3 άτομα C οι μικροοργανισμοί αφομοιώνουν το 1 και απελευθερώνουν τα υπόλοιπα 2 στο περιβάλλον ως CO2 ή ως συστατικό χούμου.
• Άρα για να ικανοποιηθεί η σχέση 10:1 στους μικροοργανισμούς, πρέπει στους αποδομούμενους φυτικούς ιστούς να είναι από 25/1 έως 30/1.
• Όταν είναι μεγαλύτερη (συμβαίνει στα περισσότερα φυτά εκτός των ψυχανθών), θα χρησιμοποιήσουν οι μικροοργανισμοί το διαθέσιμο Ν και η καλλιέργεια που θα ακολουθήσει θα υποφέρει από έλλειψη Ν (Ακινητοποίηση εδαφικού Ν). Διαρκεί δε μέχρι την ολοκλήρωση της αποσύνθεσης του οργανικού υλικού.
• Όταν δεν υπάρχει καλλιέργεια, η ακινητοποίηση του Ν είναι επιθυμητή γιατί μειώνονται οι απώλειες Ν λόγω δέσμευσής του από τους μικροοργανισμούς.
• Επομένως: Κατά την εφαρμογή άχυρου ή χλωρής λίπανσης πρέπει να αξιολογούμε τη σχέση C/N  
• ώστε να προλαμβάνονται τα φαινόμενα  ανταγωνισμού των φυτών με τη μικροχλωρίδα του εδάφους, η οποία όταν αναπτύσσεται δεσμεύει θρεπτικά στοιχεία, αφομοιώσιμα για τα φυτά
•  Ή να προστίθενται αζωτούχα λιπάσματα.

Δυναμική του αζώτου στο έδαφος

• Όταν C/N<20 το άζωτο απελευθερώνεται με διάσπαση της οργανικής ουσίας. (Ανοργανοποίηση).
• Όταν C/N=20-30 το άζωτο ούτε ακινητοποιείται ούτε απελευθερώνεται. 
• Όταν C/N>30 παρουσιάζεται ακινητοποίηση του εδαφικού αζώτου.

Η αύξηση των μικροοργανισμών οδηγούν και σε αύξηση της αποσύνθεσης της οργανικής ουσίας. Οι ευνοϊκές συνθήκες για τους μικροοργανισμούς οδηγούν τόσο σε αύξηση της δραστηριότητάς τους, όσο και σε αύξηση του πληθυσμού τους. Οι μικροοργανισμοί "τρώνε" Άζωτο και Άνθρακα που παράγονται κατά την αποσύνθεση. Όταν το Άζωτο δεν είναι επαρκές για τις ανάγκες των μικροοργανισμών (σύνθεση κυττάρων) τότε μειώνεται η δραστηριότητά τους, δεσμεύοντας το εδαφικό Άζωτο και δεν είναι πλέων διαθέσιμο για τα φυτά. Αυτό ονομάζεται ακινητοποίηση Αζώτου.

Η θρέψη των φυτών µε Άζωτο (Ν) καθορίζει σε μεγάλο ποσοστό το ρυθμό αύξησης του φυτού. Λόγω του έντονου μεταβολισμού των πρωτεϊνών που λαμβάνει χώρα στους νεαρούς μεριστωµατικούς ιστούς, τα προϊόντα της φωτοσύνθεσης χρησιμοποιούνται κυρίως για τη σύνθεση νουκλεïκών οξέων και πρωτεϊνών. Αν το Ν είναι ανεπαρκές, τα προϊόντα της φωτοσύνθεσης τείνουν να χρησιμοποιούνται περισσότερο για τη σύνθεση αποθηκευτικών υδατανθράκων (π.χ. άμυλο, διαλυτά σάκχαρα), παρά να διοχετεύονται στην πρωτεïνοσύνθεση, επίσης τα φυτά τείνουν να ωριμάζουν νωρίτερα και περιορίζεται η διάρκεια του βλαστικού σταδίου. Έτσι, για άριστη ανάπτυξη, πρέπει να υπάρχει ισορροπία μεταξύ του ρυθμού φωτοσύνθεσης και του ρυθμού αφομοίωσης του αζώτου.

Στα σιτηρά, που οι αποδόσεις τους συνδέονται µε τα χαρακτηριστικά των παραγόμενων κόκκων (grains), το Άζωτο (Ν) επιδρά θετικά τόσο στον αριθμό και το μέγεθος των κόκκων, όσο και στη θρεπτική τους αξία. Σε καλλιέργειες, όμως, όπως τις ριζώδεις, η παροχή Αζώτου (Ν) μετά την άνθηση έχει αρνητική επίδραση στην παραγωγή, γιατί προάγει τη βλαστική ανάπτυξη εις βάρος των ριζών. Στα σακχαρότευτλα, υψηλή απόδοση στο υπέργειο μέρος δε σημαίνει και μέγιστη παραγωγή σακχάρων. 

Η πρόσληψη φορτισμένων ιόντων όπως των νιτρικών (ΝΟ3-) και των αμμωνιακών (ΝΗ4+) από τις ρίζες των φυτών είναι ενεργός διαδικασία, µέσω μηχανισμών που εμπλέκουν τη δραστηριότητα εξειδικευμένων (ενζυµικής φύσεως) φορέων (carriers) στο πλασµαλήμμα των εξωτερικών κυττάρων της ρίζας. Η διαδικασία αυτή χαρακτηρίζεται από εκλεκτικότητα (επιλογή ιοντικού είδους εις βάρους άλλων), κατανάλωση μεταβολικής ενέργειας (υπό μορφή ATP), και μετακίνηση του ιόντος αντίθετα από τη φορά του ηλεκτροχημικού δυναμικού. Τα δε συστήματα πρόσληψης έχουν χαρακτηριστεί ως πολυφασικά, υποδηλώνοντας τη συμμετοχή περισσότερων από ένα επιμέρους συστημάτων µμεταφοράς (τριών για το ΝΟ3- και δύο για το ΝΗ4+), ανάλογα µε την εξωτερική συγκέντρωση του ανόργανου αζώτου.

Ένα κοινό χαρακτηριστικό της κόμης των φυτών είναι η καθ’ ύψος κατανομή του φυλλικού αζώτου, µε τα ανώτερα στρώματα να εμφανίζουν υψηλότερες συγκεντρώσεις αζώτου, οι οποίες μειώνονται προς τα κατώτερα σκιαζόµενα στρώματα της κόµης. Η ανομοιόμορφη αυτή κατανομή του Αζώτου (Ν) δικαιολογείται από τη σχέση του µε τη φωτοσύνθεση. Από την κορυφή προς το κάτω μέρος της κόµης, τα φύλλα χρειάζονται προοδευτικά λιγότερο Ν για να μεγιστοποιήσουν την αφομοίωση του CO2, λόγω της εξασθένησης της ακτινοβολίας μέσα στην κόμη. Εφόσον, λοιπόν, τα επίπεδα της προσπίπτουσας ακτινοβολίας είναι μεγαλύτερα στα ψηλότερα φύλλα, φαίνεται να είναι προς όφελος του φυτού να κατανέμει μεγαλύτερες ποσότητες Ν σε αυτά. Έτσι, καθώς η κόμη αναπτύσσεται, το Άζωτο (Ν) μετακινείται από τα γηραιότερα και τα όλο και περισσότερο σκιαζόµενα κάτω φύλλα, στα νεότερα της κορυφής (µε την αύξηση της ηλικίας του φυτού η συγκέντρωση του αζώτου μειώνεται).

Υπό συνθήκες άφθονης παροχής αζώτου, όπου επιτρέπεται η μέγιστη αύξηση της καλλιέργειας, αυτή συνοδεύεται από αυξημένους ρυθμούς αναπνοής, οι οποίοι μπορεί να αντισταθμίζουν τα οφέλη της υψηλής περιεκτικότητας σε Άζωτο (Ν) στην παραγωγικότητα της καλλιέργειας.

Η κυριότερη απώλεια του Αζώτου (Ν) προς την ατμόσφαιρα είναι η εξαέρωση της αμμωνίας, η οποία συμβαίνει σε αλκαλικά ή ουδέτερα εδάφη, κατά την αποσύνθεση των οργανικών υπολειμμάτων κοντά στην επιφάνεια του εδάφους ή μετά την επιφανειακή εφαρμογή (ή ρηχή ενσωμάτωση) αμμωνιακών λιπασμάτων, ουρίας ή κοπριάς. Το ποσοστό του Αζώτου (Ν) που χάνεται από τα λιπάσματα λόγω της εξαέρωσης της ΝΗ3 μπορεί να φτάσει πάνω από το 50%, ανάλογα τον τύπο του λιπάσματος, τις περιβαλλοντικές συνθήκες και τις ιδιότητες του εδάφους. 

Βάση του «Κώδικα Ορθής Γεωργικής Πρακτικής» (Code of Good Agricultural Practice) προτείνονται γεωργικές πρακτικές όπως η χρήση συστημάτων αμειψισποράς, καλλιεργειών κάλυψης, σχεδίων λιπασµατικής διαχείρισης και λήψης μέτρων για την αποφυγή επιφανειακής απορροής.

Η συστηματική χρήση υψηλών δόσεων ανόργανων λιπασμάτων µε βάση την ΝΗ3 (ή ΝΗ4+), έχει ως αποτέλεσμα την αύξηση της οξύτητας των εδαφών, η οποία πέρα του ότι μειώνει τη γονιμότητά τους, συντελεί στην ελευθέρωση κατιόντων όπως Fe, Al, Ca, Mg καθώς και βαρέων μετάλλων.

Ο λόγος C/N μας ορίζει το μέτρο της διαδικασίας που επικρατεί η Ανοργανοποίηση ή η Ακινητοποίηση του Αζώτου. Για την οργανική ουσία πρέπει να ισχύει: 10 < C/N < 12. (Τριφύλλι 12 < C/N < 20, Πριονίδι 400 < C/N < 500).

• Όταν C/N < 20 τότε έχω επαρκή επίπεδα Αζώτου για τις ανάγκες των οργανισμών και επομένως έντονο ρυθμό αποσύνθεσης και συνεπώς τροφοδοσία των φυτών με Άζωτο.
• Όταν C/N > 25 τότε να προσθέσουμε Άζωτο στο έδαφος.

Σταθεροποίηση του λόγου C/N σημαίνει ότι η αποσύνθεση έχει προχωρήσει σε σημαντικό βαθμό και στο έδαφος έχουν εναπομείνει τα πιο δύσκολα αποσυνθέντα συστατικά, όπως η λιγνίνη (συστατικό κυτταρικών τοιχωμάτων) ή έχουν σχηματισθεί νέα οργανικά συστατικά που δύσκολα διασπώνται παραπέρα, τα οποία νέα οργανικά συστατικά αποτελούν τον Χούμο του εδάφους.

Η οργανική ουσία ενσωματώνεται περίπου τέσσερις (4) με πέντε (5) μήνες πριν την εγκατάσταση της ετήσιας καλλιέργειας και να προτιμάται οργανική ουσία με μικρό λόγο C/N (Ψυχανθή).

Χούμος είναι το μέρος της οργανικής ουσίας που δύσκολα αποσυντίθεται και προμηθεύει το έδαφος μα θρεπτικά στοιχεία με αργό ρυθμό. Είναι αρνητικά φορτισμένος με αποτέλεσμα να συγκρατεί μεγάλο αριθμό κατιόντων. Η συγκράτηση των κατιόντων δεν είναι ισχυρή οπότε την εύκολη αντικατάστασή τους από άλλα κατιόντα του εδαφικού διαλύματος.

Το ολικό αρνητικό φορτίο του χούμου ή το σύνολο των προσροφημένων κατιόντων στην αρνητικά φορτισμένη επιφάνεια του χούμου λέγεται Ικανότητα Ανταλλαγής Κατιόντων ΙΕΚ (Cation Exchange Capacity, CEC) και εκφράζεται σε cmol/Kg ή meg/gr ουσίας.

 Η CEC του χούμου κυμαίνεται από 100 έως 400 cmol/Kg και είναι μεγαλύτερη της αντίστοιχης CEC της αργίλου. Στη μεγάλη CEC του χούμου οφείλετε και η μεγάλη ρυθμιστική ικανότητα του εδάφους, δηλαδή η αντίστασή του να αλλάξει το pH του.

Ευεργετήματα Οργανικής Ουσίας:

• Βασική πηγή ενέργειας
• Αύξηση συνεκτικότητας αμμωδών εδαφών
• Μείωση συνεκτικότητας αργιλωδών εδαφών
• Βελτίωση της δομής με την δημιουργίας σταθερών συσσωματωμάτων
• Βελτίωση του πορώδους του εδάφους
• Προστασία από την διάβρωση
• Αύξηση CEC
• Αύξηση της ρυθμιστικής ικανότητας
• Αύξηση της συγκράτησης της υγρασίας
• Πηγή Αζώτου, Φωσφόρου και Θείου στα εδάφη
• Επηρεάζει τον χρωματισμό των επιφανειακών στρωμάτων του εδάφους (προς το μαύρο), ευνοώντας την απορρόφηση της θερμότητας που έχει ως συνέπεια την πρώιμη ανάπτυξη των φυτών.
•  Συμβάλει στην αποσάθρωση των ορυκτών και στην απελευθέρωση των θρεπτικών στοιχείων

Η περιεκτικότητα σε οργανική ουσίας ενός εδάφους επηρεάζεται από:

• Τις εδαφικές ιδιότητας
• Τις κλιματολογικές συνθήκες
• Τις ανθρωπογενείς παρεμβάσεις

Ανταλλάξιμα Κατιόντα

Τα κατιόντα που υπάρχουν στο εδαφικό διάλυμα

• Λόγω αποσάθρωσης
• Λόγω διάσπασης της οργανικής ουσίας
• Λόγω προσθήκης λιπάσματος

είναι:

Ca++, Mg++, K+, Na+, H+, Al+++ (μεγάλη συγκέντρωση)

Fe++, Mn++, Zn++, NH4+ (μικρή συγκέντρωση)

Τα ίδια κατιόντα υπάρχουν προσροφημένα με μικρές δυνάμεις στις επιφάνειες της αργίλου και της οργανικής ουσίας. Τα προσροφημένα κατιόντα, εφόσον διαταραχθεί η ισορροπία, εύκολα μετακινούνται προς το εδαφικό διάλυμα και αντικαθίστανται από άλλα κατιόντα. Για το λόγο αυτό ονομάζονται Ανταλλάξιμα κατιόντα.

Η άμμος και η ιλύς δεν συνεισφέρουν στην συνολική ικανότητα ανταλλαγής κατιόντων.

Τα τεμαχίδια του εδάφους ταξινομούνται με βάση το μέγεθός τους σε ομάδες που ονομάζονται κλάσματα κοκκομετρικής σύστασης. Τα κλάσματα αυτά είναι:

• Άμμος (2–0,02 mm) Sand
• Ιλύς (0,02-0,002 mm) Silt
• Άργιλος (< 0,002mm) Clay

Το σύνολο των κατιόντων που απαιτούνται για την εξουδετέρωση των αρνητικών φορτίων της αργίλου και του χούμου λέγεται Ικανότητα Ανταλλαγής κατιόντων ή το άθροισμα των θετικών φορτίων των κατιόντων τα οποία μπορεί ένα έδαφος να προσροφήσει σε μία δεδομένη τιμή pH.

Η τιμή της ΙΑΚ αποτελεί δείκτη Γονιμότητας του εδάφους.

Βαθμός Κορεσμού με Βάσεις (Base Saturatiin) = (Sum(Ca++, Mg++, K+, Na+)/IAK)*100 χρησιμοποιείται για την εκτίμηση της ποσότητας Ασβέστου που πρέπει να προσθέσουμε σε ένα όξινο έδαφος.