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氮素是植物生长所必需的营养物质，固氮是植物获得其生长的单向途径。土壤中的固氮细菌吸收氮气体，并将其转化为植物可利用的形式。这些形式有几种类型，但共生固氮是最常见的。这就是豆类与细菌的关系。
豆科植物是轮作和造土的重要组成部分。由于它们与固氮细菌的关系，它们在轮作中为未来的作物添加氮。如果你好奇的话轮作，考虑阅读我们关于这个主题的文章!
这篇文章应该会让你了解氮作为一种植物养分的概念，氮的动态信息，以及土壤中氮的类型。了解生物固氮可以帮助你理解植物和微生物之间的相互作用。了解固定氮的工作原理也有助于园丁们了解如何在轮作中利用某些植物。
氮作为一种植物养分
氮是植物生长的重要组成部分。一般来说，与其他营养物质相比，植物对氮的需求量最大。在植物中，氮被用来产生叶绿素。叶绿素使植物变绿。它存在于光合叶绿体中。氮在氨基酸中是至关重要的，而氨基酸是蛋白质的基石。
为什么氨基酸对植物生理如此重要?它们产生的叶绿素与光合作用直接相关。当一种固氮微生物与植物有一种健康的关系时，一种来自植物的称为类囊体膜的膜使叶绿体更容易吸收光线。更好的光吸收导致更好的水和植物营养吸收。
形式的氮
在植物世界中，氮有几种形式。植物利用的两种形式是硝酸盐和铵。硝酸盐是一种带负电荷的含氮化合物，由一个氮原子和三个氧原子组成。一种带正电的化合物，由一个氮原子和四个氢原子组成铵。如果植物可以在硝酸铵和铵中选择，它们会选择硝酸铵。然而，它们都是氮经济中可接受的植物形式。
在植物和氮循环中还有其他几种重要的氮形式。二氮气体占我们周围空气的78%。它是由两个氮原子三键结合而成。这些化学键非常难打破。另一种重要的气态含氮化合物是氨。一个氮原子和三个氢原子形成氨。这种有毒气体是氮循环的一部分，可以在某些农业环境中积累。最后一个要考虑的重要含氮化合物是溶解有机氮。这些含碳化合物是在土壤中发现的有机酸。
氮循环的
在全面研究氮固定之前，了解氮循环的基本知识是很重要的。这个循环有几个部分，我们将介绍一些基本知识，努力让你了解氮气在这个过程中是如何变化的。循环的组成部分包括土壤、大气和活组织。讨论这个话题最简单的方法是研究氮是如何进入和离开土壤的。
氮气进入土壤
氮通过分解有机物进入土壤。当园丁在花园中添加堆肥、腐烂的有机体、腐烂的植物材料、粪便等时，就会发生这种情况。另一种方法是通过土壤本身的固氮。这个过程需要特定的固氮细菌吸收氮气并将其转化为植物可以利用的形式。有三种不同类型的固氮:固氮共生、异养固氮和联合固氮)。它们都有能力打破二氮气体中的三键，在这个过程中，氮沉积在土壤中。
土壤氮离开
反硝化、氨挥发、淋滤或径流是氮离开土壤的主要途径。反硝化作用是指厌氧细菌将土壤中的硝酸盐转化为气体的过程。低氧浓度产生厌氧条件。可分解的有机物、硝酸盐和温暖的温度条件也需要反硝化。在这个过程中，二氮气体和一氧化二氮以大气氮的形式释放到空气中。
一氧化二氮(由两个氮和一个氧原子组成)是一种温室气体，其释放的浓度远低于二氮气体，而二氮气体不是温室气体。影响一氧化二氮释放量的因素包括土壤pH和温度。
氮的另一种形式是挥发成氨气。这种情况发生在土壤干燥、温暖、阳离子交换能力低的时候——土壤容纳正电荷离子的能力。这些条件的结果就是在土壤表面施用铵。
尿素就是挥发过程的一个例子。尿素是世界范围内使用的一种常见的有机氮肥，是人类或其他动物尿液的副产品。当条件合适时，它往往会导致氨气的挥发。随着氨蒸发并上升到大气中，土壤中就会缺少通过尿素添加的氨基氮化合物。你可以把它想象成一个热气球，把我们的氮从土壤中带走!
淋滤和径流是氮素离开土壤的另外两种方式，尤其是在使用常规化肥的种植系统中。氮通常不能很好地封存在土壤中，尤其是硝酸盐。它很容易穿过土壤剖面，最终进入地下流动的地下水。氮最终进入河流、小溪和其他水体。
这种营养物污染会导致湿地和水道的富营养化或营养物浓度增加。正如氮肥促进作物生长一样，它们的径流会导致这些地区的植物过度生长，从而限制了其他生物可获得的氧气量。
死区是径流的另一个结果，因为藻类大量繁殖，从海洋中的野生动物那里带走氧气。
氮的固定
关于氮，要考虑的另一件重要的事情是植物无法获得的固定化或氮，主要是因为氮存在于土壤中自由生活的细菌的组织中。当堆肥和改良剂添加太多现成的碳时，固定作用会发生得更多。碳为土壤中的微生物提供能量。这些生物利用土壤中的氮来制造组织和蛋白质。在花园中添加稻草和木质护根物时要考虑到这一点。由于这些主要是碳和很少的氮，它们可以导致固定。
园丁需要在花园里添加更多的氮肥和氮固定植物，以对抗固定周期。堆肥也可能导致固定，当它没有正确的结合氮碳比例。氮素以硝酸盐的形式过剩的标志是从堆肥中发出的气味。为了平衡配比，促进更好的氨同化，添加碳。
细菌如何固定氮
氮气体通过根瘤菌“固定”到土壤中，但如何做到的呢?二氮中的三键非常强，很难被打破。这些固氮生物利用一种酶，即固氮酶，来打破这种化学键。固氮酶存在于根瘤菌和固氮蓝藻菌中。氮酶复合物将二氮转化为氨，然后反应将其转化为对作物有用的形式。
人类在20世纪初通过哈伯博斯过程找到了打破这种三键的方法。这种工业化的方法吸收大气中的氮气并将其转化为可供植物使用的形式，减轻了购买氮肥的压力。因此，这一过程中生产的肥料来自无机化合物，不能用于认证的有机农场。
共生固氮作用
最常见的固定形式是共生固氮。这就是豆科植物和放线菌与土壤中固氮细菌的关系。支持固氮细菌的作物包括豆类、豌豆、花生、三叶草、野豌豆、苜蓿和羽扇豆。其他一些种类是豆科的，但包括一些乔木和灌木。
大多数陆生植物与细菌没有这种共生关系。这些寄主植物形成含有固氮微生物的根瘤，包括促进植物生长的根杆菌。共生关系对双方都有利:根瘤菌获得糖，而植物获得可用的氮化合物。当你施用氮肥时，这些根瘤不会形成，因为植物不需要固氮细菌的帮助来向植物线粒体提供氮。
每个豆科植物的结瘤程度和结瘤效率不同。像四季豆这样的普通豆类不如花生、豇豆和大豆这样的谷物豆类好。多年生植物甚至更擅长添加氮。这些作物包括三叶草和苜蓿。这种植物有很多选择来固定氮。
结节形成
不同的作物有不同形状的根瘤。结节的形成过程实际上是固氮细菌的感染。一年生作物有豌豆大小的根瘤，而多年生作物有更细长的根瘤。但是这些结节是如何形成的呢?首先，与植物相关的细菌入侵植物宿主。生活在土壤中的细菌进入植物细胞，寄居在根皮层内。细菌留在植物组织的细胞内区域，最终形成你看到的结节。
我建议园丁们到花园里去拔一株成熟的固氮植物。你会看到这些结节。切开一个看看里面。活性结节内部呈红色，这是由于一种类似于人类血液中的血红蛋白的化合物。
异养固氮作用
异养固氮细菌不同于共生细菌。它们与植物没有关系，无法获得它们所需的碳和其他化合物。相反，它们通过消耗土壤中的腐烂物质被动地支持固氮。
这研究Eckford和一组研究人员在含有碳氢化合物燃料的南极土壤中发现了几种异养细菌。该研究还强调，世界各地的土壤都存在固氮现象。
这些细菌通过消耗土壤中的其他化合物获得能量，使它们异养。人类是异养的，因为我们必须生产和消费食物才能生存。植物、藻类和其他能进行光合作用或化学合成的生物都是自养生物，因为它们能生产自身生存所需的食物。
联合固氮作用
联想固定与其他类型类似，即二氮气体固定在土壤中，但与植物的关系是随意的。共生指的是生活在植物组织内的细菌，而联合指的是植物微生物组内的细菌。它们是自由生活的土壤细菌，不依赖植物来完成它们的工作。
在这个研究Roley和其他人研究了细菌与柳枝稷之间的潜在关系。他们发现多年生草对氮肥通常没有反应。他们检查了树根周围的土壤，以观察细菌的活动。他们发现，这种作物受益于土壤中的细菌，这种细菌与植物有联系，在从周围环境中接收碳的同时提供氮。
如何轮作使用固氮作物
使用固氮植物的最好方法是让它们轮流使用。粮食作物使用不同数量的氮。大多数是重氮饲料，如甜玉米、南瓜、南瓜和辣椒。花园和农场中的大多数植物都受益于旋转固氮器。当园丁在种植重饲料之前种植固氮植物时，就会发生固氮现象。与一年生作物一起种植对植物土壤也有好处。
豆类与其他作物间作对两种作物都有好处。值得注意的是，固氮植物在活着的时候只能向其他植物提供一定数量的氮。将它们种植在一起仍然是有益的，但豆科根瘤可能无法向其他作物(如辣椒或番茄)提供所有的氮。
当使用固氮剂之前，重饲料，记住植物的根(和地上组织)应该留在花园里。除去这些植物，基本上就会带走由细菌产生的固定氮。因此，在固氮植物生命的最后时刻，砍下或砍下它比把它连根拔起更有益。
考虑选择那些有能力提供更多氮固定的作物。普通豆类的固氮能力不如大豆或花生。虽然像大豆这样的固氮谷物通常不会在菜园中使用，但毛豆、蚕豆或花生等固氮谷物可能会对土壤有益。在轮作中也包括谷类作物和一般没有固氮基因的植物，可以帮助建立有机物质，使花园受益。
常见问题
问:什么是固氮植物?
答:固氮植物是指那些作为特定类型细菌寄主的植物。宿主植物本身并没有固定氮。相反，细菌与植物物种是一种共生关系。
问:什么树能固定氮?
A:我们知道有很多种类的树木都能固氮。其中包括秋橄榄、黑蝗、东紫荆和桤木。
问:什么蔬菜是固氮植物?
答:普通的豆子会添加氮素(虽然不像其他豆子那样有效)。常见的农作物包括四季豆、黑豆和斑豆。还有像糖脆豆和雪豆这样的豌豆。同样，如果你想在土壤中添加足够的氮，包括更好的作物，如花生或毛豆可能是很好的选择。毛豆与谷物大豆相似，在添加氮方面比普通大豆做得更好。大多数其他蔬菜，如西红柿、辣椒、玉米、茄子和南瓜，都不是氮固定点。
问:什么花能固定氮?
答:羽扇豆是最值得注意的固氮花。风信子是一种能开出美丽花朵的豆类。它们常被用作观赏植物。
问:哪种植物能固定最多的氮?
答:像苜蓿和三叶草这样的多年生豆科植物有潜力固定最多的氮。然而，像花生、蚕豆、黄豆和豇豆这样的谷类豆类植物也能很好地固定氮。普通的豆类，比如四季豆和干豆，固氮能力不强。
