Kvävefixering – en djupdykning (Del 1)

För ungefär två år sedan skrev jag ett inlägg där jag hyllade de kvävefixerande växterna som en av nycklarna till att komma ett steg närmare skogsträdgårdsodlingens höga mål om den självskapande bördigheten. I samma inlägg presenterade jag även en tabell med ganska många olika kvävefixerare, rangordnade efter deras förmåga att fånga in luftens kväve och tillgängliggöra det till andra växter. Även om jag inte har hittat några direkta sakfel i inlägget har det dock under de sista månaderna dykt upp en hel del frågor kring kvävefixerarnas egentliga roll och möjliga begränsningar. Det började med att jag undrade hur det fungerar egentligen – vilka mekanismer ligger bakom kvävefixeringen, hur mycket kväve kan växterna fånga in, hur mycket av det kan de sprida till sina grannar och på vilket sätt gör de det? Vilka faktorer påverkar deras kvävefixerande förmåga? Och hur många kvävefixerare behövs det för att de ska göra någon skillnad? Tyvärr visar det sig att det inte finns några enkla svar på dessa frågor. Kvävefixeringen beror på otaliga faktorer och är ett förvånansvärt dåligt undersökt fenomen. I de följande inläggen vill jag ändå göra ett försök att hitta svar på frågorna. Välkommen att följa med på riktig djupdykning!

Alla växtnäringsämnen är viktiga, men ämnet kväve (N) är kanske det viktigaste av dem alla. Det behövs för att bygga aminosyror som är byggstenarna till alla proteiner, även de proteiner som kallas enzymer och som styr i princip alla biologiska processer i plantorna. Dessutom behövs det för att bilda klorofyll, det hjälper att ta upp andra näringsämnen och det stimulerar tillväxten både ovan och under jord. En växt som lider av brist på kväve kännetecknas av blekgula blad och dålig tillväxt.

Utan kväve blir det inga vackra gröna blad som i denna del av min skogsträdgård.
Utan kväve blir det inga vackra gröna blad som i denna del av min skogsträdgård.

De växter vi kallar för kvävefixerare kan dock egentligen inte binda luftens kväve själva utan samarbetar med högt specialiserade bakterier som fångar in luftens kväve och omvandlar det till en form som växterna kan ta upp. Dessa lever oftast i små knölar som sitter på utsidan av rötterna. De mest kända kvävefixerande växterna tillhör familjen ärtväxter (Fabaceae). Dessa samarbetar med bakterier som antingen tillhör släktet Rhizobium eller släktet Bradyrhizobium [1]. Utöver de otaliga ärtväxterna finns det för skogsträdgårdsodlaren intressanta växter inom andra växtsläkten som har ingått en symbios med kvävefixerande bakterier av släktet Frankia, som till exempel klibbal (Alnus glutinosa) och havtorn (Hippophae rhamnoides). Det finns fler typer av kvävefixerande organismer, men de är inte relevanta för skogsträdgårdsodlaren [2].

Havtorn är en av kvävefixerarna som samarbetar med Frankia-bakterier.
Havtorn är en av kvävefixerarna som samarbetar med Frankia-bakterier.

Oavsett vilka mikroorganismer som fångar in kvävet, så är det alltid enzymet nitrogenase som katalyserar själva uppspjälkningen av luftens kvävemolekyler (N2) och omvandlar dem till ammoniak (NH3). Enzymer är katalysatorer som möjliggör kemiska reaktioner som annars inte skulle ha skett. Vi kan tänka oss dem som ugnen när vi ska baka bröd. För att vatten, mjöl och jäst ska bli bröd, behöver de gräddas och det tar en hel del energi. I den biologiska kvävefixeringen kommer denna energi från solen, vars ljus har omvandlats till energi med hjälp av fotosyntesen. Denna energi används för att bryta den enormt starka (trippel-)bindningen mellan de två kväveatomerna som formar varje kvävmolekyl. Det som är finurligt är att nitrogenase-enzymet finns kvar efter att reaktionen har skett – precis som vi kan använda ugnen många gånger för att baka bröd.

Så kan nitrogenase se ut i modellform. För att bilda enzymet krävs det alltså även järn, molybden och svavel. Källa: PatríciaR, Wikimedia Commons.
Så kan nitrogenase se ut i modellform. För att bilda enzymet krävs det alltså även järn, molybden och svavel. Källa: PatríciaR, Wikimedia Commons.

I naturen finns det bara två processer som tillför nytt kväve till de markbaserade ekosystemen: Den ena, dominerande processen är denna biologiska kvävefixering med hjälp av bakterier. Den andra sker under åskväder, när blixtarnas enorma energi spjälkar upp atmosfärens kvävemolekyler, som då förenar sig med syrgas och blir kväveoxider som senare regnar ner och kan tas upp av växtlighet. Allt annat kväve som cirkulerar i ekosystemen är återvunnet kväve som en gång plockades ur atmosfären av antingen bakterier eller under åskväder. En hel del försvinner förstås också, antingen tillbaka till atmosfären som ett resultat av olika nedbrytningsprocesser eller genom utlakning i vattendrag, så det behövs en kontinuerlig tillförsel av kväve från atmosfären till de biologiska systemen för att hålla dem igång. I modern tid har vi dock rubbat detta system ordentligt genom både förbränning av fossila bränslen (där det bildas kväveföreningar som senare regnar ner och tillför kväve som fanns i atmosfären för miljontals år sedan) och genom överdriven användning av konstgödsel som tillverkas genom att på konstgjord och energikrävande väg fixera kväve ur atmosfären. Människans omvandling av atmosfärens kväve överstiger idag alla naturliga kvävefixeringsprocesser sammantagna [3].

Eftersom vi i skogsträdgårdsodling inte vill använda konstgödsel är kvävefixering med hjälp av växter oerhört viktig för att tillföra nytt kväve till systemet. Men hur blir kvävet tillgängligt för andra växter egentligen? Mer om det i nästa inlägg.

Referenser

[1] Brady, N.C. and R.R. Weil, The nature and properties of soils. Upper Saddle River, N.J.: Prentice Hall, 2002.
[2] Santi, C., D. Bogusz, and C. Franche, Biological nitrogen fixation in non-legume plants. Annals of botany, 111(5): p. 743-67, 2013.
[3] Rockström, J., W. Steffen, K. Noone, A. Persson, F.S. Chapin, E.F. Lambin, T.M. Lenton, M. Scheffer, C. Folke, H.J. Schellnhuber, B. Nykvist, C.A. de Wit, T. Hughes, S. van der Leeuw, H. Rodhe, S. Sorlin, P.K. Snyder, R. Costanza, U. Svedin, M. Falkenmark, L. Karlberg, R.W. Corell, V.J. Fabry, J. Hansen, B. Walker, D. Liverman, K. Richardson, P. Crutzen, and J.A. Foley, A safe operating space for humanity. Nature, 461(7263): p. 472-475, 2009.

Tagged with:

13 thoughts on “Kvävefixering – en djupdykning (Del 1)”

  • Strålande Philipp! Har tänkt och undrat en del om detta själv då det bara figurerar en del ganska vaga (eller utan referenser) påståenden i litteraturen omkring skogsträdgårdar. Precis som du skriver.
    En aspekt som är värd att nämnas kan också vara svampars (mykorrhiza) förmåga att hjälpa de kvävefixerande bakteriernas med tillgång till fosfor. Med det vet jag inte heller så mycket om… Ser fram emot nästa del!

  • Hittar du någon information om kvävefixerande växter i perenna odlingssystem? När jag studerade så pratade man framförallt om kvävefixerande växter i en blandning som förgröda för näringskrävande grönsaker. Det finns lite schabloner att räkna på. Men vissa växter, t.ex. rödklöver kan under goda förhållanden binda stora mängder kväve. Förutsättningen där är inblandning av av kolrika växter (oftast olika gräsarter). Med ”rätt” kol/kväve-kvot så binds detta i grönmassan och läcker inte ut.

    Det verkar vara utbrett inom permakulturkretsar att det räcker med att odla lite kvävefixerande växter i närheten av andra växter. Men jag har sett många väldigt dåliga exempel på det när frodiga örter ska konkurrera tillsammans med unga fruktträd t.ex. med väldigt dålig etablering som följd.

    Inom grönsaksodlingen så räknar på (japp, räknar, tror det är lag t.o.m. – övergödning är ett av våra största miljöproblem) näringen som binds i grönmassan, som sedan tillgängliggör näringen efter första samt andra året när växterna bryts ned.

    Det ska tilläggas att kvävefixerande växter oftast växer på magra marker. I näringsrika jordar så hämmas symbiosen och kvävefixeringen blir inte lika stor. Därför brukar yrkesodlare vanemässigt alltid ympa med bakteriestammar vid varje sådd.

    För att få det här fungera effektivt i perenna odlingar tror jag man måste tänka långsamt och långsiktigt (visst handlar väl permakultur om långsamma flöden?). I en juvenil odling kanske en stor andel kvävefixerande växter ska odlas för att år fram i tiden successivt mogna. Precis som många naturliga miljöer där olika arter tar över varandra i successioner och strävar efter något slags klimax.

    Typ detta scenario:
    1. Störd mark med maskiner, packningsskador
    2. Örter med kraftiga rotsystem och som pga av enorm fröspridning finns i fröbanken börjar komma upp (typ åkertistel, gråbo, rödklöver)
    3. Gräsarter
    4. Trädpionjären, t.ex. Asp
    5. Sekundärarter, t.ex. Ek

    Varje art ”förbereder” förutsättningarna för att nästa ska kunna växa.

    Hoppas jag fick fram någon poäng eller tips 🙂

    Mvh
    J

    • Tack för bra och utförliga kommentarer Johan! Jag håller med ditt successionsförlopp, alltså en stor andel kvävefixerare i den unga skogsträdgården och mer sensuccessionsarter i den mogna skogsträdgården. Ska försöka knåpa ihop ett inlägg om det under våren. Fortsätt gärna dela med dig av din erfarenhet!

  • Marcus,
    kul du tog upp mykorrhiza. Ännu ett superspännande ämne. Rekommenderar att kolla upp Paul Stamets och hans idéer och forskning kring svampars betydelse för resiliens i ekosystem m.m.

    Mykorrhizan kan hjälpa växter med näringsförsörjningen. Den gör det dels genom att den ”förlänger” växtens rotsystem och utsöndrar enzymer som har förmågan att bryta ned föreningar med mer svårlöslig fosfor. Mykorrhizza och kvävefixerande bakterier har jag inte läst något om. Men svampar i allmänhet tycks vara starkt fundament i alla mogna (skogar) växtmiljöer.

    Vill även minnas att jag läst att ekologiskt odlade jordars ekosystem är mer svampdominerande, medan de där handelsgödsel används är mer bakteriedominerande. Lättlösligt kväve ska tydligen gynna bakteriers tillväxt på svampars bekostnad. Det har dock varit i samband med saprofyter (nedbrytande organismer). Hur det är med kvävefixerande bakterier har jag dålig koll på.

  • Jättebra inlägg! En fråga som jag skulle tycka vore intressant i detta sammanhang är exakt hur mycket energi krävs vid framställning av en viss mängd handelsgödsel per typ kvadratmeter (uttryckt i en förståelig jämförelse) …om du snubblar över någon sådan information 🙂

  • Fast vid förbränning av fossila kolväten så är det huvudsakligen själva värmen som skapar NOx av luftens kväve. Detta blir faktiskt ännu värre om man har en katalysator som arbetar på hög värme – samma effekt som i blixtens urladdning för övrigt. Detta var bara en kommentar till att förbränning av forssila kolväten släpper fritt kväve som fanns i atmosfären för länge sedan.

    Men jag letar egentligen efter en referens på hur mycket kväve som fixeras av jordbakterier utan några ”kvävefixerande växter”. Kommer inte ihåg var jag läste om det, trodde det var här. Har du nån aning? Det är faktiskt överraskande mycket som fixeras av bakterier som lever fritt i jorden.

    Mvh Magnus

  • Magnus,
    clostridium och azobacter lär kunna fixera 3 kg kväve/hektar (per år). Hittar inte källan nu..,
    I gröngödslingsblandningar tror jag man räknar på över 30 kg.
    Jag tror mest det här kan ge fingervisningar ändå. Det är så många parametrar som spelar in för hur stor kvävefixeringen i mark blir.

  • Annevi,
    vore intressant att se sådana siffror. Men jag tror man behöver vara mer specifik om man ska hitta rätt information. Kvävefixering med ärtväxter skulle till exempel inte kunna ersätta handelsgödsel från råfosfat eller kalimagnesia t.ex.

  • Ja jag hittar heller inte källan, minns som sagt var inte. Men jag minns att det var en inte obetydlig kvävefixering av bakterier, även utan symbios, och att det var starkt påverkat av hur fattig jorden var på kväve i utgångspunkten (mindre kväve i jorden = mer fixering).

    Det hade varit intressant att testa, och ganska lätt dessutom. T ex om man har en stor ”kruka” (en 1000L plasttank med avskuren topp). Fyller med jord, eller ännu hellre sand eller grus. Planterar vallört, som är mycket kvävehungrigt utan fixering. Vattnar med regnvatten, gödslar eventuellt med konstgödsel helt utan kväve. Klipper och väger skörden.

  • 2/4 – 3/4 av kvävet anges komma från kvävefixeringen, resten från mark. Läst i ”Gröngödsling” i pärmen ”Ekologisk grönsaksodling på friland”. Men det är i andra sammanhang än skogsträdgårdar.
    Tror en noggrant utvald sammansättning (med perenna örter) och en gröngödsling by-the-book i ett par år innan anläggning av en skogsträdgård kan ge bra effekter. I grönsaksodling är det värdefullt.
    Men med gröngödslingen kommer andra effekter också, som i sin tur ökar näringsupptaget och markens förmåga att leverera näring. Man matar jorden.
    Hänger inte med i ditt experiment med vallört, som inte är en växt som har symbios med bakterier.
    Tänker du att förekomsten av eventuella frilevande kvävefixerande bakterier i gruset i sånt fall? Överlever de i grus? Tänk också på att regnvatten innehåller visst kväve. Tror att man räknar på 6kg/år och hektar när lantbrukarna gör sina växtnäringskalkyler.

  • Ja jag antar att kvävefixerande bakterier överlever i grus på samma sätt som i jord, men det är bara ett antagande.

    Anledningen till grus är för att ha så lite lagrat kväve i jorden som möjligt från start, även om det kanske inte är så viktigt eftersom kväve inte lagras speciellt bra i jord. Och anledningen till att man ska använda regnvatten är just för att man ska kunna räkna på mangd kväve som är tillfört den vägen.

    Anledningen till att man ska plantera vallört är att den är lättskött, dominerande (lite ogräs) och kvävehungrig. Man kan då räkna med att kvävehalten i jorden hålls mycket låg, något som stimulerar kvävefixering. Dessutom tål vallört att beskäras kontinuerligt. Beskärt material vägs (helst torkat) och mängd kväve som har tatt ut från systemet är då lätt att beräkna, och det som tas ut måste ha fixerats asymbiotiskt (korrigerat med kväve tillfört med bevattning).

    Resultatet är att mängden asymbiotisk fixerat kväve i systemet lätt kan beräknas, dessutom över tid, utan några laboratorieanalyser.

Kommentera

E-postadressen publiceras inte. Obligatoriska fält är märkta *