บทความชุด “ดิน ธาตุอาหารและปุ๋ย” เพื่อ “เพิ่มผลผลิต”

เรื่องที่ 13 ไนโตรเจนกับการเจริญเติบโตของพืช

รองศาสตราจารย์ ดร. ยงยุทธ โอสถสภา

ภาควิชาปฐพีวิทยา คณะเกษตร กำแพงแสน มหาวิทยาลัยเกษตรศาสตร์

1. คำนำ

      อากาศมีไนโตรเจน (N₂) ประมาณ 78% (ภาพที่ 1) แต่พืชโดยทั่วไปนำมาใช้ประโยชน์ไม่ได้เลย สำหรับดินมีสารประกอบของไนโตรเจนอยู่ 2 ส่วน คือ 1) สารอินทรีย์และ 2) เกลือชนิดต่างๆ อันเป็นสาร อนินทรีย์ ประมาณกว่า 80% ของไนโตรเจนในดินเป็นสารอินทรีย์ ซึ่งเป็นองค์ประกอบของอินทรียวัตถุในดิน (ภาพที่ 2) ไนโตรเจนส่วนที่เป็นเกลือซึ่งละลายง่ายมีน้อย อินทรียวัตถุจึงเป็นแหล่งสำคัญของธาตุไนโตรเจนสำหรับพืช อย่างไรก็ตามดินที่ใช้เพาะปลูกโดยทั่วไปมักมีอินทรียวัตถุต่ำ และการสลายตัวเพื่อปลดปล่อยไนโตรเจนจากอินทรียวัตถุค่อนข้างช้า ดังนั้นปริมาณของธาตุนี้ที่พืชได้รับจากดินจึงไม่ค่อยเพียงพอ  จำเป็นต้องใส่ปุ๋ยชดเชย ในปัจจุบันปุ๋ยไนโตรเจนเป็นปุ๋ยที่ใช้กันมากที่สุดในโลก

ภาพที่ 1 องค์ประกอบของอากาศมีไนโตรเจน 78%

ภาพที่ 2 อินทรียวัตถุในดินเป็นแหล่งสำคัญของไนโตรเจนสำหรับพืช

2. สารประกอบไนโตรเจนในดิน

      สารประกอบของไนโตรเจนในดินมีอยู่ 2 ประเภทคือ สารอินทรีย์และสารอนินทรีย์

       1) สารอินทรีย์ ซึ่งมีอยู่ในอินทรียวัตถุของดิน ไนโตรเจนส่วนนี้เป็นประโยชน์ต่อพืชอย่างช้าๆ เมื่อถูกจุลินทรีย์ย่อยสลาย  และแปรสภาพเป็นแอมโมเนียมไอออน (NH⁺₄) และเปลี่ยนแปลงต่อไปเป็นไนเทรตไอออน (NO^-₃) ซึ่งพืชใช้ประโยชน์ได้ ส่วนยูเรีย [CO(NH₂)₂] ซึ่งมีสูตรปุ๋ย 46-0-0 แม้จะเป็นสารอินทรีย์ แต่ก็ละลายน้ำง่ายและเป็นประโยชน์ต่อพืชอย่างรวดเร็ว

       2) สารอนินทรีย์ไนโตรเจน  มีตามธรรมชาติจากการสลายและแปรสภาพของอินทรียวัตถุในปริมาณเพียงเล็กน้อย ส่วนมากที่มีอยู่ในดินได้มาจากการใส่ปุ๋ยเคมี สำหรับปุ๋ยเคมีที่ให้ธาตุไนโตรเจนเป็นปุ๋ยที่ละลายน้ำง่าย เมื่อใส่ในดินจะละลายแล้วแตกตัวเป็นไอออน ซึ่งได้แก่แอมโมเนียมไอออน หรือไนเทรตไอออน ตามชนิดของปุ๋ย  ไอออนดังกล่าวพืชดูดไปใช้ได้ง่าย สำหรับแอมโมเนียมไอออนนั้น ส่วนมากดูดซับอยู่กับอนุภาคดินเหนียวและฮิวมัส  บางส่วนอยู่ในสารละลายของดิน แต่ไนเทรตเกือบทั้งหมดอยู่ในสารละลายของดิน  ทั้งสองรูปที่กล่าวมานี้เป็นประโยชน์ต่อพืช

3. การปลูกถั่วช่วยเพิ่มไนโตรเจนในดิน

   การปลูกถั่วช่วยเพิ่มไนโตรเจนในดิน เนื่องจากความสัมพันธ์ระหว่างถั่วกับจุลินทรีย์ดิน ดังนี้

   1) ความสัมพันธ์ระหว่างถั่วกับจุลินทรีย์ดิน

       การปลูกพืชตระกูลถั่วช่วยเพิ่มไนโตรเจนในดิน เนื่องจากรากของพืชนี้มีปม และภายในปมมีแบคทีเรียประเภทที่ตรึงไนโตรเจนได้อาศัยอยู่ แบคทีเรียสกุลนี้ คือ ไรโซเบียม (Rhizobium) อย่างไรก็ตามไรโซเบียมแต่ละชนิดเจาะจงที่จะอาศัยในรากพืชตระกูลถั่วบางกลุ่มเท่านั้น เช่น Rhizobium japonicum ก็เหมาะกับกลุ่มถั่วเหลือง ไม่สร้างปมและตรึงไนโตรเจนในรากของถั่วกลุ่มอื่น ๆ ลักษณะของปมรากถั่วแสดงไว้ในภาพที่ 3

ภาพที่ 3 ลักษณะของปมรากถั่ว ภายในปมมีแบคทีเรียสกุลไรโซเบียมทำหน้าที่ตรึงไนโตรเจน

  2) การตรึงไนโตรเจนโดยชีววิธี

       การตรึงไนโตรเจนของไรโซเบียม คือการใช้เอนไซม์ไนโทรจีเนสเร่งปฏิกิริยาเปลี่ยน N₂ ให้เป็นแอมโมเนีย (NH₃) แล้วส่งผ่านแอมโมเนียไปให้เซลล์ของรากถั่วซึ่งเป็นพืชให้อาศัย ใช้สังเคราะห์กรดอะมิโน เพื่อการสร้างโปรตีนและสารประกอบไนโตรเจนอื่นๆ สำหรับเอนไซม์ไนโทรจีเนสมีธาตุเหล็ก กำมะถันและโมลิบดีนัมเป็นองค์ประกอบ นอกจากนี้การตรึงไนโตรเจนจะสำเร็จ ต้องใช้สารเล็กฮีโมโกลบิน ช่วยควบคุมการส่งออกซิเจนในการหายใจชองเซลล์ในปม สารนี้มีเหล็กเป็นองค์ประกอบ และการสังเคราะห์สารเล็กฮีโมโกลบินต้องการธาตุทองแดงและโคบอลต์ (ภาพที่ 4)

ภาพที่ 4 กลไกการตรึงไนโตรเจนจากอากาศ (N₂) โดยชีววิธีของเชื้อไรโซเบียม (Rhizobia-พหูพจน์) ในปมรากถั่วใช้เอนไซม์ไนโทรจีเนส (nitrogenase) ได้แอมโมเนีย (NH₃) จากนั้นจึงใช้แอมโมเนียไปสังเคราะห์สารอินทรีย์ โดยถั่วต้องให้ ATP (มีธาตุ Mg ช่วยกระตุ้นการทำหน้าที่) เป็นแหล่งพลังงานสำหรับกระบวนการนี้

   3) ไรโซเบียมและถั่วพึ่งพาอาศัยกัน  

        ความสัมพันธ์ระหว่างจุลินทรีย์กับพืช เป็นไปในทำนองพึ่งพาอาศัยซึ่งกันและกัน คือ รากพืชให้คาร์โบไฮเดรต ซึ่งเป็นแหล่งพลังงานแก่ไรโซเบียม  ส่วนไรโซเบียมก็ตอบแทนพืชโดยแบ่งสารประกอบไนโตรเจนที่ตรึงได้ให้พืชใช้  เมื่อพืชตระกูลถั่วและจุลินทรีย์ตายลงสารประกอบไนโตรเจนต่าง ๆ ก็ทับถมลงไปในดิน  ปริมาณไนโตรเจนที่ตรึงได้นั้นแตกต่างกันไปตามชนิดของถั่ว เช่น การปลูกถั่วเหลืองหนึ่งครั้งได้ไนโตรเจน 20 กก./ไร่ ส่วนถั่วลิสงได้ไนโตรเจน 8 กก./ไร่ ไนโตรเจนประมาณร้อยละ 70 ติดไปกับผลผลิตเมล็ดถั่วเหลือง ที่เหลืออยู่ในต้น ใบและรากซึ่งหมุนเวียนกลับลงไปในดิน การปลูกถั่วสลับกับพืชล้มลุกชนิดอื่นในระบบการปลูกพืชหมุนเวียน จะช่วยลดการใช้ปุ๋ยไนโตรเจน

4. บทบาทของไนโตรเจน

        ไนโตรเจนมีบทบาทสำคัญต่อการเจริญเติบโตของพืช โดยเป็นองค์ประกอบของสารอินทรีย์ต่างๆ ดังนี้

        1) โปรตีน เป็นส่วนประกอบสำคัญภายในเซลล์ อยู่ในโครงสร้างของเยื่อหุ้มเซลล์และเยื่อหุ้มอวัยวะเซลล์ทุกชนิด เป็นพาหะสำหรับการขนส่งธาตุอาหาร เป็นเอนไซม์ทำหน้าที่เร่งปฏิกิริยาเคมีทั้งหมดในเซลล์ หน่วยย่อยที่ใช้ในการสังเคราะห์โปรตีน คือ กรดอะมิโน (amino acids) ซึ่งมีอยู่หลายชนิด แต่ละชนิดมีไนโตรเจนอยู่ในหมู่อะมิโน (amino group) ดังภาพที่ 5 ซึ่งทำหน้าที่สำคัญในการเชื่อมโยงกรดอะมิโนต่างๆให้รวมกันเป็นโปรตีน

ภาพที่ 5 กรดอะมิโนประกอบด้วยส่วนสำคัญ 3 ส่วน คือหมู่อะมิโน (amino group มี N)             หมู่คาร์บอกซิล (carboxyl group) และหมู่ที่เป็นโครงสร้างหลัก (R group)

      2) เป็นองค์ประกอบในโมเลกุลคลอโรฟิลล์ (N 4 อะตอมและ Mg 1 อะตอมในคลอโรฟิลล์ 1 โมเลกุล) ดังภาพที่ 6 จึงมีบทบาทสำคัญของการสังเคราะห์แสง

ภาพที่ 6 โมเลกุลคลอโรฟิลล์ 1 โมเลกุลมี N 4 อะตอมและ Mg 1 อะตอม

      3) เป็นองค์ประกอบสารดีเอ็นเอ (DNA) ซึ่งเป็นสารพันธุกรรมของพืช และสารอาร์เอ็นเอ (RNA) ทำหน้าที่ในการสังเคราะห์โปรตีน

      4) เป็นองค์ประกอบของฮอร์โมนพืช 2 ชนิด คือ ออกซินและไซโทไคนิน ซึงฮอร์โมนทั้งสองชนิด มีความสำคัญต่อพืชดังนี้

           ก) ออกซิน ชนิดที่สำคัญคือกรดอินโดลแอซิติก หรือ IAA ซึ่งสังเคราะห์ในเมล็ด ปลายยอด ตาและใบอ่อน มีหน้าทีเร่งการเจริญเติบโตของส่วนเหนือดินและราก ส่งเสริมการพัฒนาของเนื้อเยื่อให้เป็นอวัยวะ กระตุ้นการพัฒนาของผล ควบคุมการแตกตาข้าง ทำให้พืชตอบสนองต่อแสงและความโน้มถ่วงของโลก

           ข) ไซโทไคนิน สังเคราะห์ในราก เมล็ด ผลและใบ มีหน้าที่เร่งการเจริญเติบโตและแตกแขนงของราก กระตุ้นการแบ่งเซลล์และการเจริญของเนื้อเยื่อ เร่งการงอกของเมล็ดและชะลอการวายของใบ

      5) เป็นองค์ประกอบในสารอินทรีย์ไนโตรเจนในพืชอีกมากมายหลายชนิด

5. ความเข้มข้นของไนโตรเจนในพืช

           หากแบ่งการเจริญเติบโตของพืชเป็นสองระยะ คือ ระยะเจริญโดยไม่อาศัยเพศกับระยะเจริญพันธุ์ พืชต้องการไนโตรเจนมากในช่วงแรก เพื่อการแบ่งเซลล์ ขยายขนาดเซลล์ การแตกกิ่งก้านและการเพิ่มปริมาณใบ แต่ปริมาณที่ใช้ลดลงบางส่วนเมื่อย่างเข้าสู่ระยะเจริญพันธุ์ สำหรับความเข้มข้นของไนโตรเจนในใบพืชที่เพียงพอกับการเจริญเติบโต แสดงไว้ในตารางที่ 1

ตารางที่ 1 เข้มข้นของไนโตรเจน (%N) ในใบไม้ผล ผัก และพืชไร่ที่เพียงพอกับการเจริญเติบโต

6. อาการขาดไนโตรเจนของพืช

      เนื่องจากไนโตรเจนเป็นองค์ประกอบของคลอโรฟิลล์ ซึ่งเป็นสารสีเขียว ดังนั้นเมื่อพืชขาดไนโตรเจนจะสังเคราะห์คลอโรฟิลล์ได้น้อยใบพืชจึงสีเขียวอ่อนปนสีเหลือง ประกอบไนโตรเจนเป็นธาตุที่เคลื่อนย้ายทางท่ออาหารได้ง่าย เมื่อใบพืชได้รับไนโตรเจนจากดินน้อยลง สารประกอบอินทรีย์ไนโตรเจนในใบแก่ จะสลายเป็นสารโมเลกุลเล็ก แล้วเคลื่อนย้ายทางท่ออาหารไปเลี้ยงใบอ่อน อาการขาดธาตุนี้จึงปรากฏชัดเจนในใบแก่หรือใบล่าง ส่วนใบอ่อนยังคงเขียวตามปรกติ ส่วนพืชใบเลี้ยงเดี่ยว อาการขาดไนโตรเจนเริ่มจากปลายใบแก่มีสีเหลือง แล้วลามไปตามแนวเส้นกลางใบ มีลักษณะเป็นรูปตัววี (V) ดังภาพที่ 7 หากอาการรุนแรงอาการเหลืองจะลุกลามไปทั้งแผ่นใบ ในขณะที่ส่วนปลายใบแห้งตาย สำหรับพืชใบเลี้ยงคู่ อาการเหลืองจะเริ่มจากปลายใบแก่แล้วกระจายไปทั่วแผ่นใบ (ภาพที่ 8)

  ภาพที่ 7 อาการขาดไนโตรเจนของใบข้าวโพด (ซ้าย) และอาการขาดไนโตรเจนของใบอ้อย (ซ้าย)

ภาพที่ 8 อาการขาดไนโตรเจนของใบมันสำปะหลัง (ซ้าย) และของใบมะเขือเทศ (ขวา) ภาพทั้งสองภาพได้จากการทดลองปลูกพืชในสารละลายธาตุอาหารที่มีไนโตรเจนต่ำ

...................................................