Kvælstof i skoven

Kort om forløbet

Eleverne arbejder med kvælstofkredsløbet i skoven og undersøge forekomsten af kvælstof (nitrogen) i form af nitrat-ioner og/eller ammonium-ioner i udvalgte bevoksninger.
 

Formål

At eleverne med støtte i praktiske undersøgelser m.m. bliver i stand til at beskrive og forklare

• Kvælstofs kredsløb i skoven
• Forekomsten af kvælstof i jordbunden i forskellige bevoksningstyper
   

Forberedelse

Udvælg forskellige områder i skoven med forskellige træbevoksningstyper og jordbund. Brug f.eks. områder med bøg og rødgran, og også gerne ask, eg og skovfyr.

Kontakt en skovfoged og få tilladelse til at grave i skovbunden og udtage jordprøver. Måske har han tid til at hjælpe jer med at få svar på spørgsmål omkring beplantningsplaner, evt. gødning og drift m.m. i forhold til jordbunden samt kvælstof som betydende vækstfaktorer. En del af forberedelsen i klassen bør derfor være sammen at formulere nogle relevante spørgsmål – hvoraf nogle gerne må være årsagssøgende, dvs. starte med Hvorfor…? eller Hvordan kan det være at…?

Det vil være en fordel, at klassen på forhånd har arbejdet med kvælstof og kvælstofs kredsløb samt dets betydning for planter og træer (se baggrund).
 

Sådan gør du

I skoven

Grav huller og udtag ca. 150 g jord fra rodzonen (5-10 centimeters dybde) i hvert af de udvalgte områder. Rens jorden for sten, rødder og andet større materiale og fyld den i klare plastikposer. Skriv dato, lokalitet, træart(er), dybde og navn på poserne med sprittusch – og tag dem med tilbage til skolen.

Når I registrerer træarterne i prøveområdet, vil det være relevant samtidig at grave en jordbundsprofil (se forløbet Skovbunden (fysik/kemi, 7. – 10. klasse)) og registrere plantearterne i skovbunden (se Plantelivet i skoven (biologi, 7. – 10. klasse) og Jordbund og planteliv i bøge- og egeskov (geografi, 7. – 10. klasse)).
 

I skolen

Ved hjemkomst til skolen sættes jorden med det samme til tørring (f.eks. i foliebakker på radiator eller i varmeskab). Hvis jorden er rimelig tør kan målingen af kvælstof-indholdet foretages straks i skoven eller ved hjemkomsten på skolen.

Bemærk: en del af kvælstoffet vil være bundet til organiske materialer, og vil derfor ikke være direkte tilgængeligt for planterne. Ved udtagning af jordprøven vil den mikrobielle kvælstofomsætning øges pga. af de forbedrede iltforhold og ofte også øget temperatur i prøven. Derfor bør prøven udføres kort efter udtagningen, især ved vandlidende jorde.

1. Afvej 100 g jordprøve fra rodzonen (ca. 10 cm’s dybde) og hæld den i en 300 ml erlenmeyerkolbe. Tilsæt 200 ml ekstraheringsmiddel. Ryst kolben flere gange i løbet af en time.
2. Filtrer opløsningen, og udfør målingen med Visocolor Nitrat og/eller Visocolor Ammonium (følg vejledningen).

Sammenlign måleresultaterne fra de forskellige træbevoksningstyper. Hvad kan være årsagen til eventuelle forskelle i måleresultater?

Se tabellerne som printvenligt kopiark i højre margin.
 

Baggrund

Om undersøgelser i bøgemuld og gran-/bøgemor
Der kan være store forskelle på jordbunden i skoven, både fra område til område og fra træbevoksning til træbevoksning. Eksempelvis er bøgemulden karakteriseret ved et relativt højt indhold af humus, en surhedsgrad op mod neutral (5,5 < pH < 7) og somme tider endog basisk), ringe udvaskning af næringsstoffer og dermed et relativt højt indhold af tilgængelige næringsstoffer.

Omvendt vil jordbunden i en gammel granskov ofte være karakteriseret af at være kalkfattig, have høj udvaskning af næringsstoffer, lav surhedsgrad (pH < 5,5) og dermed et lavt indhold af tilgængelige plantenæringsstoffer.

Til tegning ovenfor
Fra luften fikseres frit kvælstof (N₂) af bælgplanter og bakterier. Ved nedbrydning af dødt organisk materiale frigives kvælstof og ammonium. Nitrificerende bakterier omdanner først ammonium (NH₄⁺) til nitrit og derfra videre til nitrat (NO₃^-). En del optages af planter, en del udvaskes, og en del denitrificeres til frit kvælstof (N₂).
 

Kvælstof

Kvælstof (nitrogen) er et såkaldt makronæringsstof. Dvs. at dette grundstof indgår i relativt store mængder i opbygningen af organisk stof. Kvælstof er et vækstregulerende næringsstof, dvs. at planter bl.a. skal optage relativt meget kvælstof for at vokse optimalt.

Kvælstoffet udgør kun nogle få procent af planters tørstof, men det er som nævnt meget vigtigt i forbindelse med stofopbygningen og i forbindelse med plantens stofskifte og energiomsætning. Kvælstof indgår i mange af de større molekyler som organismer er opbygget af, f.eks. er kvælstof en afgørende vigtig del af alle aminosyrer som i forskellige kombinationer danner alle proteiner. Kvælstof er også en vigtig bestanddel af DNA, RNA og ATP.

Planter, herunder træer, optager via rodsystemet kvælstof i form af nitrat-ioner (NO₃^-) eller ammonium-ioner (NH₄⁺). Nitrat-ioner udvaskes let fra jorden, mens ammonium-ioner bindes til jordkolloiderne (små jordpartikler), dog ikke fastere end at planternes rødder kan optage dem (ved ionbytning).

Den atmosfæriske luft indeholder ca. 4/5 kvælstof, men her findes det som frit kvælstof (N₂), som planterne ikke kan udnytte. Det er beregnet, at der over hver hektar (100 x 100 meter) på jorden er ca. 80.000 t frit kvælstof. Det er imidlertid kun få organismer der kan udnytte det atmosfæriske kvælstof i den proces der kaldes kvælstoffiksering. Dette gælder de såkaldte blågrønalger (cyanobakterier) og - i jorden - især nogle særlige grupper af bakterier (bl.a. slægten Rhizobium).

De kvælstoffikserende bakterier kan leve i symbiose med bl.a. elletræet og bælgplanter, f.eks. kløver, ært og lupin. Bakterierne påvirker planterødderne, så der dannes nogle rodknolde, hvori de kvælstoffikserende bakterier etablerer sig. I rodknoldene får bakterierne bl.a. energi fra planten i form af glukose fra fotosyntesen, samtidig får de tilført ilt i bundet form. Når de rigtige betingelser herefter er tilstede, er bakterierne ved hjælp af enzymet nitrogenase i stand til at fiksere luftens kvælstof og omdanne det til organisk bundet kvælstof i form af ammoniak (NH₃), som elletræet/bælgplanten derefter kan udnytte. Nitrogenase kræver et iltfrit miljø, da enzymet ellers bliver inaktivt. Rodknoldene er iltfrie indeni.

Op til 80% af kvælstoffikseringen i bælgplanter afgives til den omgivende jord i form af bl.a. aminosyrer. Det øvrige økosystem nyder godt af denne kvælstoftilførsel fra bælgplanternes rodsystem. Det bruger man bl.a. i landbruget, når man sætter bælgplanter som vinterafgrøder.

Både ammoniak og ammonium er gode kvælstofkilder, som uden energiforbrug kan omdannes til hinanden. Ammoniak er en luftart (= forsvinder let til atmosfæren), medens ammonium indgår i næringssalte som en positiv ion, NH₄⁺ .

Til tegning ovenfor
Kvælstofs kredsløb,hvor kvælstof bundet i dødt organisk materiale mineraliseres og nitrificeres til nitrat (NO₃^-), der optages i planter og via nitratreduktion bygges ind i plantens proteiner.
 

Kvælstofkredsløb i bøgeskov på muldbund

I bøgeskoven skal anemonerne udnytte lyset, når solen i april for alvor er kommet højt på himlen. Det skal ske inden bøgetræerne springer ud og dækker skovbunden med mørke. (Bøg er et skyggetræ. Dets blade danner en tæt mosaik, der kun lader 1 – 3 procent af lyset trænge ned til skovbunden). 

På og i skovbunden er ophobet gamle bøgeblade fra de seneste års løvfald. I det tidlige forår med tiltagende varme bliver disse blade nedbrudt af smådyr, bakterier og svampe, og skovbunden tilføres ammonium i store mængder. Ammonium (NH₄⁺) omdannes ved nitrifikation, en bakteriel proces, til nitrat (NO₃^-) Bøgetræerne er imidlertid endnu ikke i stand til at udnytte det frigjorte nitrat, da de stadig er i vinterdvale. Der er derfor risiko for udvaskning af nitrat til bl.a. grundvandet.

Anemonerne dækker imidlertid skovbunden og er i stand til at optage den frigjorte nitrat. Nogle måneder senere, når anemonerne er visnet ned, kan den del af kvælstoffet, som er bundet i anemonernes blade, blive frigjort til skovbunden – hvilket netop er på et tidspunkt, hvor bøgetræerne er i fuld vækst og i stand til at optage kvælstoffet. Bøgetræerne og anemonerne indgår således i et fælles stofkredsløb – til gensidig fordel.

Kvælstof, grundvandet og skoven

I landbruget har man gennem mange år gødet med nitrat. Det har mange steder vist sig at et overskud af nitrat bliver vasket ud i vandløb og søer der derved bliver for næringsrige. I de senere år er man blevet opmærksom på et andet problem. En del af nitraten bliver vasket ned til grundvandet – og forurener dette. Derfor er der i øjeblikket stor opmærksomhed på grundvandet under skovene. I skovene gøder (og sprøjter) man ikke i nær samme grad som i landbruget, så grundvandet under skovene er ikke forurenet som under landbrugsjorden. Mange vandværker forhandler for øjeblikket med skovejere om at få lov til at indvinde vand under skoven. Og flere steder i landet – specielt i nærheden af store byer med stort drikkevandsbehov - planter man skov, for at sikre grundvandet for fremtidige generationer.
 

Forslag til videre arbejde

• Evt. Undersøgelser vedr. skove og grundvandsbeskyttelse. Undersøgelse af drikkevands indhold af nitrat…
• Evt. Nitrats betydning for planters vækst.