วงจรธาตุอาหารพืช - วัฏจักรไนโตรเจน ( Nitrogen cycle )

วัฏจักรของไนโตรเจน (อังกฤษ : Nitrogen Cycle) คือวัฏจักรทางชีวธรณีเคมีซึ่งอธิบายถึงการแปลงสภาพของธาตุไนโตรเจนและสารประกอบที่มีไนโตรเจนเป็นส่วนประกอบในธรรมชาติ



ไนโตรเจนนี้คือส่วนสำคัญในกระบวนการทางชีววิทยาหลายกระบวนการ เช่นการที่ไนโตรเจนเป็นส่วนประกอบในกรดอะมิโน (ที่จริงแล้วคำว่า "อะมิโน" มาจากก๊าซซึ่งมีไนโตรเจนประกอบเป็นองค์ประกอบส่วนใหญ่) , เป็นองค์ประกอบในโปรตีนทุกชนิดในสิ่งมีชีวิต และเป็นสารหลักๆ ในสารทั้ง 4 ที่อยู่ในกรดนิวคลีอิกต่างๆ เช่น DNA พืชใช้ไนโตรเจนได้ใน 2 รูป คือแอมโมเนียม (ammonium หรือ NH4 +) และไนเตรต (nitrate หรือ NO3 -) และแม้ว่าในบรรยากาศจะประกอบด้วยไนโตรเจนถึง 80% แต่อยู่ในรูปก๊าซไนโตรเจน (N2) ซึ่งพืชไม่สามารถนำมาใช้ได้ ไนโตรเจนสามารถเข้าสู่วัฏจักรไนโตรเจนของระบบนิเวศได้ 2 ทาง :

1. ฝนชะล้างไนโตรเจนกลายเป็นแอมโมเนียมและไนเตรต ไหลลงสู่ดิน และพืชใช้เป็นธาตุอาหารเพื่อการเจริญเติบโตโดยปฏิกิริยาแอสซิมิเลชั่น (assimilation)

2. การตรึงไนโตรเจน (nitrogen fixation) มีสิ่งมีชีวิตไม่กี่ชนิดเท่านั้นที่ตรึงก๊าซไนโตรเจนจากบรรยากาศมาใช้ได้ สิ่งมีชีวิตที่ตรึงไนโตรเจนได้มี 2 กลุ่มใหญ่ๆคือ

2.1 จุลินทรีย์ที่ตรึงไนโตรเจนได้อย่างเป็นอิสระ ในดินจะเป็นกิจกรรมของจุลินทรีย์ เช่น Azotobactor, Beijerinckia, Pseudomonas, Rlebsiella และแอกติโนมัยสีตบางตัว โดยทั่วไปอัตราการตรึงไนโตรเจนจะต่ำ เว้นแต่เมื่อเข้าไปอยู่ในไรโซสเฟียร์และได้รับสารอินทรีย์จากรากพืช อัตราการตรึงไนโตรเจนจะสูงขึ้น ในน้ำจะเป็นกิจกรรมของสาหร่ายสีเขียวแกมน้ำเงิน เช่น Anabeana, Nostoc, Aphanizomehon,Gloeotrichia, Calothrix

2.2 จุลินทรีย์ที่ตรึงไนโตรเจนเมื่ออยู่ร่วมกับสิ่งมีชีวิตอื่น มีหลายกลุ่มได้แก่:

2.2.1 แบคทีเรีย Frankiaเป็นการเกิดปมระหว่าง Actinorhizea (Frankia) กับพืชใบเลี้ยงคู่ที่ไม่ใช่พืชวงศ์ถั่ว ส่วนใหญ่เป็นไม้พุ่มหรือไม้ยืนต้น พบในเขตอบอุ่น แต่ก็มีหลายชนิดพบในเขตร้อนด้วย เช่น Purshia tridenta ซึ่งเป็นพืชเศรษฐกิจในแอฟริกา หรือสนประดิพัทธิ์และสนทะเล (Casuarina) ที่ปลูกได้ในประเทศไทย Frankia เป็นแบคทีเรียที่พบในปมของพืชที่ไม่ใช่พืชตระกูลถั่ว เป็นสกุลที่มีความสัมพันธ์ใกล้ชิดกับแอกติโนมัยสีท แบ่งได้เป็นกลุ่มที่สร้างสปอแรงเจียภายในปม ซึ่งเจริญได้ช้า ตรึงไนโตรเจนได้น้อย คัดแยกให้บริสุทธิ์ได้ยาก กับกลุ่มที่ไม่สร้างสปอแรงเจีย ที่เจริญได้เร็วกว่า

2.2.2 สาหร่ายสีเขียวแกมน้ำเงินที่อยู่ร่วมกับพืช ที่สำคัญคือ Anabeana ที่อยู่ร่วมกับแหนแดง และ Nostoc ซึ่งอยู่ร่วมกับปรง และไลเคน อย่างไรก็ตาม สาหร่ายสีเขียวแกมน้ำเงินมีแหล่งอาศัยที่หลากหลายกว่าระบบการตรึงไนโตรเจนอื่นๆ และที่น่าสังเกตคือในขณะที่ไรโซเบียมและ Frankia อยู่ร่วมกับพืชชั้นสูง แต่สาหร่ายสีเขียวแกมน้ำเงินจะอยู่ร่วมกับพืชที่มีวิวัฒนาการต่ำกว่า เช่น ไลเคน ลิเวอร์เวิร์ต เฟิน จิมโนเสปิร์ม เป็นต้น

2.3 ไรโซเบียมที่อยู่ในปมของพืชวงศ์ถั่ว เป็นระบบที่มีประสิทธิภาพมากเมื่อเทียบกับระบบอื่นๆ

หมายเหตุในปัจจุบันยังเป็นที่ถกเถียงกันว่าจำเป็นจะต้องมีปมที่รากหรือไม่  เนื่องจากในความเชื่อเดิมนักวิทยาศาสตร์กลุ่มหนึ่งเชื่อว่าพืชวงศ์ถั่วที่ไม่มีปมจะไม่สามารถตรึงไนโตรเจนได้  แต่จากการเก็บข้อมูลเพิ่มเติมพบว่าพืชวงศ์ถั่วที่ไม่มีปมที่รากก็สามารถเติบโตในดินที่มีธาตุไนโตรเจนต่ำได้ดีพอๆ กับพืชวงศ์ถั่วที่มีปมที่ราก หรือดีกว่าในบางกรณี  และมีการเก็บปริมาณชีวมวลของมาเปรียบเทียบปริมาณธาตุไนโตรเจนในต้นพืชก็มีหลักฐานว่าพืชวงศ์ถั่วที่ไม่มีปมที่รากก็อาจจะมีความสามารถในการตรึงไนโตรเจนได้เช่นกัน  แต่อยากจะใช้วิธีการอื่นที่ทำให้ไม่จำเป็นต้องมีปมที่รากเสมอไป

ไนโตรเจนเป็นธาตุอาหารสำคัญที่พืชใช้ในโครงสร้างและแมทาบอลิซึม สัตว์กินพืชและผู้บริโภคลำดับถัดมาได้ใช้ไนโตรเจนจากพืชนี่เองเป็นแหล่งสร้างโปรตีนและสารพันธุกรรม เมื่อพืชและสัตว์ตายลง ผู้ย่อยสลายพวกราและแบคทีเรียสามารถย่อยสลายไนโตรเจนในสิ่งมีชีวิตให้กลับเป็นแอมโมเนียมซึ่งพืชสามารถนำมาใช้ได้ผ่านกระบวนการที่เรียกว่า แอมโมนิฟิเคชัน (ammonification)

ไนโตรเจนในสารอินทรีย์สามารถเปลี่ยนกลับไปเป็นก๊าซไนโตรเจนโดยผ่าน 2 กระบวนการ คือ

1. ไนตริฟิเคชัน (nitrification) แบคทีเรียบางชนิดใช้แอมโมเนียมในดินเป็นแหล่งพลังงานและทำให้เกิดไนไตรต์ (NO₂ ^-) ซึ่งเปลี่ยนเป็นไนเตรตซึ่งพืชใช้ได้ด้วย   Nitrosomonas → Nitrobacter
NH₄ ⁺ (ammonium) → NO₂ ^- (nitrite) → NO₃ ^- (nitrate)
2.ดีไนตริฟิเคชัน (denitrification) ในสภาพไร้ออกซิเจน แบคทีเรียบางชนิดสามารถสร้างออกซิเจนได้เองจากไนเตรต และได้ผลผลิตเป็นก๊าซไนโตรเจนกลับคืนสู่บรรยากาศ

อย่างไรก็ตาม แม้ว่าปริมาณไนโตรเจนที่หมุนเวียนในระบบนิเวศที่กล่าวถึงทั้งหมดนี้จะมีปริมาณน้อยมาก แต่วัฏจักรไนโตรเจนในธรรมชาติก็สมดุลด้วยปฏิกิริยาซึ่งเกิดโดยพืชและการย่อยสลายของแบคทีเรีย

NO₃ ^- (nitrate) → NO₂ ^- (nitrite) → N₂ O (nitrorous oxide) → N₂(nitrogen)

พืชบางชนิดมีการปรับเปลี่ยนโครงสร้างให้แตกต่างจากพืชอื่นๆ เช่น พืชกินแมลงซึ่งสามารถเจริญเติบโตได้ในดินที่ขาดธาตุไนโตรเจนโดยอาศัยไนโตรเจนจากแมลงหรือสัตว์ มีในประเทศไทยมีพืชหลายสกุลหลายชนิดที่มีวิวัฒนาการในการดักจับสัตว์มาเป็นอาหาร เช่น กาบหอยแครง หยาดน้ำค้าง และหม้อข้าวหม้อแกงลิง หม้อข้าวหม้อแกงลิงมีส่วนของใบทำหน้าที่เปลี่ยนไปเพื่อดักแมลง ที่ปลายใบมีกระเปาะเป็นรูปคล้ายหม้อทรงสูงยาว และมีน้ำหวานล่อแมลง ภายในมีเอนไซม์ เพื่อสลายสิ่งมีชีวิตเป็นสารอินทรีย์ สารอนินทรีย์ และแร่ธาตุ

อาการขาดไนโครเจนในพืช

เมื่อมีธาตุไนโตรเจนไม่พอ ไนโตรเจนจะเคลื่อนย้ายสู่ใบอ่อนได้ ทำให้ใบแก่มีสีเหลือง ในพืชใบเลี้ยงเดี่ยว(monocots) เช่น ข้าวโพด สีเหลืองจะเริ่มแสดงจากปลายใบแล้วลุกลามเข้าสู่โคนใบ ต้นพืชที่ขาดไนโตรเจนจะไม่เจริญเติบโต ลำต้นและรากแคระแกร็น ใบเล็กเหลืองซีด ร่วงง่าย และแตกกิ่งก้านน้อย พืชที่ขาดไนโตรเจนจะทำให้เกิดการขาดคลอโรฟีลล์อันเป็นเหตุให้พืชผลิตคาร์โบไฮเดรตไม่ได้เต็มที่ ทำให้พืชออกดอกก่อนกำหนด อันเป็นผลทำให้คุณภาพของผลผลิตไม่ดี ถ้าขาดไนโตรเจนมากๆ จะเหลืองซีดไปทั้งต้นและอาจทำให้ตายได้

แล้วพืชทั่วไปต้องการไนโตรเจนแบบไหน?

จากผลการศึกษาพบว่าพืชแต่ละประเภทมีความต้องการอาหารแตก ต่างกัน อาหารสำคัญอย่างหนึ่งของพืชคือไนโตรเจน  แต่พืชแต่ละประเภทชอบไนโตรเจนในรูปแบบแตกต่างกัน โดยสรุปคือ

1. พืชประเภทผัก พืชล้มลุก (annual) และหญ้า โดยส่วนใหญ่ชอบไนโตรเจนในรูปแบบของไนเตรทไออน (NO3-)

2. ต้นไม้ ไม้พุ่ม และพืชยืนต้น (perrenial) ต่างๆ ชอบไนโตรเจนในรูปของแอมโมเนียไอออน (NH4+)

เมื่อศึกษาต่อไปเราจะเข้าใจมากขึ้นว่าเมื่ออาหารอยู่ใน รูปแบบที่ย่อยง่าย เช่น น้ำตาล แบคทีเรียจะเจริญเติบโตได้เร็วกว่าเชื้อรา และขับถ่ายของเสียจากการย่อยอาหารในรูปของไนเตรท

ในขณะที่อาหารที่ย่อยยากอย่างแป้ง หรือเซลลูโรสจะไม่สามารถย่อยได้ง่ายโดยแบคทีเรีย  เชื้อราจึงสามารถเจริญเติบโตได้ดีกว่า และเชื้อราจะขับถ่ายของเสียจากการย่อยอาหารในรูปแบบของแอมโมเนีย

ผลการสำรวจประชากรของจุลินทรีย์ (จำนวนของแบคทีเรีย/โปรโตซัว และความยาวของเส้นใยของเชื้อรา) ในดิน 1 ช้อนชาจากสถานที่ต่างๆ เป็นดังนี้

	แปลงผัก	ทุ่งหญ้า	ป่า
แบคทีเรีย	100 ล้าน - 1,000ล้าน	100 ล้าน - 1,000ล้าน	100 ล้าน - 1,000ล้าน
รา/เห็ด	หลายฟุต	หลายสิบ - หลายร้อยฟุต	1 - 40 ไมล์
โปรโตซัว	หลายพัน	หลายพัน	หลายแสน

ผลการสำรวจค่อนข้างยืนยันข้อสรุปก่อนหน้านี้  ทำให้เราต้องกลับมาพิจารณาว่าปุ๋ยหมักที่เราทำเพื่อใช้กับพืชแต่ละชนิดจะได้ ผลดียิ่งขึ้นถ้าเรารู้จักปรับให้มีสัดส่วนของแบคทีเรีย และเชื้อราให้เหมาะสมกับชนิดของพืชที่เราจะเอาปุ๋ยหมักไปใส่

โดยสรุปง่ายๆ พืชล้มลุกจะชอบดิน ที่มีแบคทีเรียมากกว่าเชื้อรา  ในขณะที่ต้นไม้ขนาดใหญ่น่าจะชอบดินที่มีเชื้อรามากกว่าแบคทีเรีย ในขณะที่มีพืชขนาดเล็กหลายชนิดชอบดินที่มีสัดส่วนของแบคทีเรียและปุ๋ยหมัก พอๆ กัน

ทำอย่างไรถึงจะปรับสัดส่วนของเชื้อราและแบคทีเรียในปุ๋ยหมัก?

หากต้องการให้มีเชื้อรามากควรจะต้องทำดังนี้:

• เพิ่มสัดส่วนของวัสดุสีน้ำตาล เช่น ใบไม้แห้ง, เปลือกไม้, ชิ้นไม้สับ (wood chips), กิ่งไม้ขนาดเล็ก, ขี้ลีบข้าว, กากอ้อย, ขุยมะพร้าว, ซังข้าวโพด, แกลบ, รำ เป็นต้น
• การย่อยวัสดุ (เช่น การทำ wood chips) จะช่วยเพิ่มพื้นที่ให้เชื้อราเจริญเติบโต แต่ถ้าย่อยจนเล็กมากเกินไปจะทำให้แบคทีเรียเจริญเติบโตได้ดีกว่าเชื้อรา
• ควบคุมค่าความเป็นกรดด่างให้อยู่ระหว่าง pH 5.5 - 7

หากต้องการแบคทีเรียมากควรจะต้องทำดังนี้

• เพิ่มสัดส่วนของวัสดุสีเขียว เช่น เศษหญ้าสด, เศษใบไม้สด, เศษอาหาร, ฟางข้าว, ผักตบชวา, เปลือกถั่วและต้นถั่วสด, เศษวัชพืชต่าง ๆ, มูลสัตว์ เป็นต้น
• ย่อยวัสดุให้เล็กมาก เช่น ใบไม้แห้งซึ่งเชื้อรามักจะเจริญเติบโตได้ดีกว่า แต่ถ้าป่นใบไม้แห้งจนเล็กมาก แบคทีเรียจะเจริญเติบโตได้ดีกว่าเชื้อรา
• ควบคุมค่าความเป็นกรดด่างให้อยู่ระหว่าง pH 7 - 7.5 เมื่อค่า pH ต่ำ (เป็นกรด) มากเกินไปอาจจะช่วยด้วยการเติมปูนขาวเข้าไปเล็กน้อยเพื่อเพิ่มค่า pH
• เพิ่มไส้เดือนในกองปุ๋ย (ปกติถ้ากองปุ๋ยไว้กับพื้นดิน ก็อาจจะมีไส้เดือนมาอยู่แล้ว)

การประยุกต์ใช้ความรู้เรื่องวัฏจักรไนโตรเจนถูกนำมาใช้ในการ Aquaponics ซึ่งมาจากคำว่า Aquaculture + Hydroponics จึงหมายความว่าการเลี้ยงสัตว์น้ำควบคู่กับการปลูกพืชโดยไม่ใช้ดินในลักษณะ close-system เมื่อสัตว์น้ำกินอาหารไปแล้วจะถ่ายของเสียออกมาในรูปแบบของแอมโมเนีย  จากนั้นเราจะอาศัยจุลินทรีย์ในกระบวนการ Nitrification ในการแปลงแอมโมเนียไปเป็นไนไตรท์ และสุดท้ายกลายเป็นไนเตรทซึ่งพืชสามารถดูซับไนเตรทที่ละลายในน้ำไปใช้งานได้

เทคนิคสำคัญของ Aquaponics คือจะต้องรักษาสมดุลของจำนวนพืชที่ปลูก และสัตว์น้ำที่เลี้ยง เมื่อเรามีจำนวนสัตว์น้ำน้อยเกินไปพืชจะได้รับไนเตรทไม่เพียงพอก็จะไม่เจริญงอกงาม เมื่อเรามีจำนวนสัตว์น้ำมากเกินไปจะมีพืชไม่เพียงพอที่จะใช้ไนเตรทในน้ำ สุดท้ายแล้วจะเกิดปัญหาปริมาณธาตุไนโตรเจนในน้ำมากเกินไปจนเป็นพิษกับสัตว์น้ำ จนทำให้เราต้องเปลี่ยนถ่ายน้ำเพื่อลดปริมาณของเสียในน้ำไม่ให้อันตรายจนเกินไป

โดยปกติแล้วการเลี้ยงปลาแบบ Aquaponics ไม่ได้ถูกกว่าการเลี้ยงปลาในบ่อแบบธรรมดาทั่วไป เพียงแต่ในสภาวะที่เรามีน้ำจำนวนจำกัดเทคนิค Aquaponics ซึ่งเป็นระบบปิดจะใช้น้ำน้อยกว่าการเลี้ยงปลาแบบเดิม

วัฏจักรชีวธรณีเคมี (อังกฤษ: Biogeochemical cycle) คือวงจรหรือแนวกระบวนการที่เกี่ยวกับการที่ธาตุหลักทางเคมีหรือโมเลกุลเคลื่อนที่ผ่านสภาพแวดล้อมของระบบนิเวศทั้งที่มีชีวิต (ชีวภาพ) และไม่มีชีวิต (ธรณีภาพ) โดยหลักการแล้ว วัฏจักรทุกวัฏจักรย่อมซ้ำกระบวนการเสมอ แม้ว่าในบางวัฏจักร จะใช้เวลาซ้ำกระบวนการนานมาก โดยการเปลี่ยนรูปนี้จะเกิดผ่านทั้งบรรยากาศ น้ำ และบนบก รวมทั้งการเปลี่ยนแปลงที่เกิดจากปัจจัยทางกายภาพและชีวภาพ สิ่งมีชีวิตทุกชนิดมีส่วนร่วมในวัฏจักร

วัฎจักรหลักที่เราสนใจศึกษาสำหรับเกษตรธรรมชาติ คือ วัฏจักรของธาตุอาหารหลักของพืช ได้แก่ ไฮโดรเจน(H) ออกซิเจน(O) คาร์บอน(C) ไนโตรเจน(N) ฟอสฟอรัส(P) โพแทสเซียม (P) แคลเซียม(Ca) และกำมะถัน(S) ซึ่งความเข้าใจในวัฏจักรเหล่านี้จะเป็นพื้นฐานในความพยายามที่จะรักษาสมดุลให้มีแร่ธาตุต่างๆ หมุนเวียนในธรรมชาติที่เพียงพอสำหรับพืชที่เราปลูก โดยมนุษย์ไม่ต้องเข้าไปแทรกแซงมากจนเกินไป ผมจึงได้รวบรวมเรื่องราวของวัฏจักรสำคัญๆ ไว้ดังนี้ :

• วัฏจักรของน้ำ
• ฝนเอย..ทำไมจึงตก?
• ต้นไม้สายฝน - บทบาทของต้นไม้กับสายฝน
• แกะรอยน้ำฝน...น้ำฝนหายไปไหนเมื่อตกมาถึงพื้น?
• การระเหยของน้ำ
• ทำไมต้องเก็บน้ำลงใต้ดิน?
• วัฏจักรออกซิเจน (O)
• วัฏจักรคาร์บอน (C)
• วัฏจักรแคลเซียม (Ca)
• วัฏจักรฟอสฟอรัส (P)
• วัฏจักรโพแทสเซียม (K)
• วัฏจักรกำมะถัน (S)
• วัฏจักรไฮโดรเจน (H)
• Dynamic Accumulator ผู้ช่วยในการหมุนเวียนของวัฏจักร
• เรากำลังคุกคามการอยู่รอดในอนาคตของพวกเราเองหรือไม่?

วัฏจักรไนโตรเจน