Круговорот и баланс фосфора в земледелии

Содержание фосфора в почвах

Содержание фосфора (P₂O₅) в почвах составляет от 0,01% для бедных песчаных почв до 0,20% для мощных высокогумусных. В верхних слоя почвы сосредоточено большее количество P₂O₅, что связано с его накоплением в зоне отмирания основной массы корней. С глубиной почвы количество P₂O₅ уменьшается.

Фосфор присутствует в органической и минеральной формах. Органические фосфаты входят в состав гумуса, при разложении которого он становится доступным растениям. В дерново-подзолистых почвах треть фосфора связана органическими соединения, в чернозёмах — примерно половина. Фосфор усваивается растениями в минеральной форме, поэтому фосфор, связанный органическими соединениями становится доступен растениям только после минерализации.

Минеральные формы фосфора представлены малорастворимыми и нерастворимыми фосфатами железа, кальция, алюминия, магния, калия и др. Количество доступного для растений фосфора значительно меньше его валового содержания в почве. Например, в серых лесных и дерново-подзолистых почвах валовое содержание фосфора (P₂O₅) составляет 1,2-3,6 т/га, при этом только 100-200 кг/га из них находится в доступной для растений форме.

Источники фосфорного питания растений

Некоторые растения усваивают простые фосфорорганические соединения, благодаря их разложению ферментом фосфатазой, выделяющемуся корневой системой. К таким растениям относятся горох, бобы, кукуруза и другие культуры.

Минеральные формы представлены солями кальция, преобладающие в нейтральных и щелочных почвах, фосфатами оксидов железа и алюминия — в кислых. Кальциевые фосфаты более растворимы, а следовательно, более доступны растениям, чем соли алюминия и железа.

Основным источником фосфор для питания растений являются соли ортофосфорной (H₃PO₄) и метафосфорной (HPO₃) кислот. Фосфаты одновалентных металлов, в силу их наибольшей растворимости, наиболее доступны. Однозамещённые (дигидроортофосфаты) кальция и магния менее растворимы, но также хорошо доступными для поглощения. Метафосфаты малорастворимы в воде.

Двухзамещённые соли кальция и магния (гидроортофосфаты) малорастворимы в воде, но хорошо растворимы в растворах слабых кислот, что делает их также доступными для растений, за счёт создания корневой системой в ризосфере слабокислой реакции.

Ортофосфаты двух- и трёхвалентных металлов нерастворимы в воде, поэтому для большинства растений недоступны. Наиболее приспособленными к усваиванию труднодоступных форм фосфора относятся люпин, гречиха, горчица, люцерна и клевер. В меньшей степени это свойство проявляют горох, донник, эспарцет, конопля, рожь и кукуруза (Э. Рюбензам и К. Рауэ, 1960).

В отличие от азота, из-за слабой подвижности, отсутствуют естественные пути потерь фосфора, равно, как и естественные источники пополнения.

Оптимальным уровнем обеспеченности фосфором в подвижных формах для большинства культур принято считать: для серых лесных и дерново-подзолистых почв (по Кирсанову) — 150-250 мг/кг почвы, для чернозёмов (по Мачигину) — 45-60 мг/га.

Для увеличения содержания фосфора в почве на 1 мг требуется в зависимости от гранулометрического состава и типа почвы от 40 до 120 кг P₂O₅/га.

В природных условиях источником фосфорного питания растений являются соли ортофосфорной кислоты — фосфаты, а также после гидролиза пиро-, поли- и метафосфаты. Последние в почве отсутствуют, но могут входить в состав сложных удобрений.

Ортофосфорная кислота при гидролизе диссоциирует на анионы H₂PO₄^-, HPO₄^2- и PO₄^3-. В условиях слабокислой реакции почвы, наиболее распространённым и доступным является H₂PO₄^-, в меньшей степени — HPO₄^2-, PO₄^3- практически не участвует в питании большинства растений, за исключением люпина и гречиха, в меньшей степени горчицы, гороха, донника, эспарцета и конопли (Б. П. Никольский).

Таблица. Соотношение недиссоциированных молекул H₃PO₄ и её анионов при различных значениях pH среды, %.

Все встречающиеся в почве соли ортофосфорной кислоты и одновалентных катионов (NH₄⁺, Na⁺, K⁺) хорошо растворимы в воде. Растворимы также однозамещённые соли двухвалентных катионов кальция Ca(H₂PO₄)₂ и магния Mg(H₂PO₄)₂. Двузамещённые соли кальция CaHPO₄ и магния MgHPO₄ плохо растворимы в воде, но растворимы в слабых кислотах, в том числе в кислых корневых выделениях и органических кислотах, образующихся в процессе жизнедеятельности микроорганизмов. Поэтому дигидроортофосфаты (однозамещённые) и гидроортофосфаты (двузамещённые) являются источником фосфора для растений.

Трёхзамещённые фосфаты (ортофосфаты) двухвалентных катионов нерастворимы в воде и недоступны для большинства. Однако свежеосажденные трёхзамещённый фосфат кальция, образующийся из одно- и двузамещённых фосфатов в процессе химического поглощения почвой, в аморфном состоянии немного лучше поглощается растениями. По мере старения, эти аморфные трифосфаты переходят в кристаллические формы и теряют доступность для растений.

Трёхвалентные катионы ортофосфорной кислоты [AlPO₄, Al(OH)₃PO₄, FePO₄, Fe₂(OH)₃PO₄ и др.] не доступны растениям, составляют большую часть минеральных фосфатов кислых почв.

В качестве источника фосфорного питания растений является фосфаты в обменно-поглощённом (адсорбированном) почвенными коллоидами состоянии. Эти анионы вытесняются анионами минеральных и органических кислот (лимонной, яблочной, щавелевой). В почве в системе твёрдая фаза — раствор анионы содержатся в достаточном количестве. В процессе дыхания корни выделяют углекислый газ, который при растворении подкисляет реакцию и образуют гидрокарбонат-ионы. Последние вытесняют адсорбированный фосфор в раствор из ППК.

Экспериментально подтверждено, что обменно-поглощённые анионы фосфорной кислоты по доступности для растений приближаются к водорастворимым фосфатам. Однако количество последних в почве мало, поэтому адсорбированные фосфаты имеют большое значение в балансе фосфорного питания растений.

Некоторые растения обладают способностью усваивать фосфат-ион органических соединений, например, фитина и глицерофосфатов, благодаря корневым выделениям, содержащим фермент фосфатазу. Под действием фосфатазы отщепляется анион фосфорной кислоты от органических соединений и поглощается растением. К таким растениям относятся горох, кукуруза, бобы. Фосфатазная активность возрастает в условиях дефицита фосфора.

В процессе филогенеза растения приспособились к питанию из растворов с очень низкими концентрациями. В исследованиях М. К. Домонтовича все опытные растения (овёс, кукуруза, пшеница, горох, горчица и гречиха) могли поглощать фосфор из растворов с концентрациями от 0,01 до 0,03 мг P₂O₅ на 1 л. Принято считать, оптимальной концентрацию фосфора для питания растений — 1 мг/л.

Круговорот фосфора в земледелии

В естественных биоценозах фосфор не имеет источников пополнения запасов в почве, в то же время, его естественные запасы в почвах значительны. В метровом слое почвы содержится от 10 до 35 т/га различных соединений фосфора (А. В. Соколов). Благодаря тому, что корни многих полевых культур проникают на глубину от 0,9 до 2,8 м, а многолетних трав — до 3-5 м, то подвижные формы могут использоваться растениями. Экспериментально подтверждено потребление P₂O₅ растениями подпахотных горизонтов, доля которого может составлять до 30% от общего выноса с урожаем.

Вынос фосфора с сельскохозяйственной продукцией в среднем составляет 25-40 кг/га в год. Таким образом, естественные запасы в почве значительно превосходят вынос.

В естественных биоценозах с характерным для них замкнутым циклом биогенных элементов происходит медленное накапливание фосфора в верхних слоях почв за счёт его перераспределения от жизнедеятельности растений.

Таблица. Содержание валового фосфора и органических фосфатов в различных почвах, мг/100 г (по обобщённым данным Гинзбурга).

Особенностью круговорота фосфора в агроценозах является то, что большая его часть концентрируется в урожае, например, в зерне сосредоточено до 2/3 от всего поглощённого растениями фосфора, оставшаяся 1/3 в нетоварной части — соломе. Учитывая, что лишь небольшая часть зерна остаётся в хозяйстве, отчуждение фосфора из хозяйств получается значительным. Кроме того, фосфор содержится и в животноводческой продукции, что также следует учитывать во внешнехозяйственном балансе.

Таблица. Содержание фосфора в урожае.

В агроценозах круговорот фосфора относительно проще, чем круговорот азота.

Потери фосфора могут быть связаны с эрозией почв в виде потерь твёрдой части с ветровой эрозией и стока — с водной. В среднем потери могут составлять до 11 кг/га в год. На почвах среднего и тяжёлого гранулометрического состава инфильтрация, как правило, не превышает 1 кг/га в год, на лёгких и торфяных — до 3-5 кг/га.

Незначительное количество фосфора поступает в почву с семенами растений, атмосферными осадками и пылью.

По этим причинам компенсация расходных статей баланса фосфора в земледелии возможно путём применения органических и минеральных удобрений.

В 70-80-е годы в СССР складывался положительный баланс фосфора: во многих регионах произошло увеличение его содержания в почве. Так, в Центральном районе Нечернозёмной зоны количество подвижных фосфатов в почве увеличилось с 5,3 до 12,5 мг/100 г, в Московской области — с 6,4 до 20,6 мг/100 г.

Баланс фосфора

Фосфор не имеет естественных источников пополнения запаса в почвах. Восполнение его запасов в агроэкосистемах происходит только за счёт внесения фосфорных и органических удобрений.

В атмосфере фосфор может содержаться в виде пыли в небольших количествах (0,5-1 кг/га в год). В круговорот фосфора в экосистемах вовлечены почва, вода и растения. Однако доступность его для растений зависит от множества факторов.

Потери фосфора происходят от эрозии почвы в составе мелкозёма и жидкого стока. Выщелачивание фосфора средних и тяжёлых по гранулометрическому составу почвах, как правило, не превышает 1 кг/га, на лёгких и торфяных — до 3-5 кг/га.

Баланс фосфора (Бр) определяется по уравнению, учитывающему разность между поступлением в почву с удобрения, семенами и осадками и отчуждением с урожаем и потерями от вымывания и эрозии:

где Б_р — баланс фосфора, кг/га P₂O₅.

Приходные статьи баланса:

• Р_у — поступление с удобрениями, Р_у = (Р_м + P_op), Р_м — поступление с минеральными удобрениями;
• P_op — поступление с органическими удобрениями;
• Р_с — поступление с семенами (посевным материалом);
• Р_ро — поступление с растительными остатками;
• Р_о — поступление с атмосферными осадками.

Расходные статьи баланса:

• Р_ву — вынос с урожаем основной и побочной продукции;
• Р_ро — вынос с растительными остатками;
• Р_п — потери из почвы Р_п = (Р_пв + Р_пэ), где Р_пв — потери от вымывания;
• Р_пэ — потери от эрозионных процессов.

Поступление фосфора с удобрениями и семенами определяется по химическому составу и нормам высева. Величина поступления от атмосферных осадков для фосфора не превышает 0,5 кг/га. Вынос фосфора с урожаем (Р_ву) определяется по химическому составу и количеству урожая основной и побочной продукции.

Потери фосфора от эрозии (Р_пэ) по усреднённым данным составляют: для фосфора — 1,5-2 кг/га. Потери фосфора от вымывания зависят от гранулометрического состава почвы, количества осадков, доз удобрений и культур. Потери фосфора (Р_пв) для суглинистых почв в среднем составляет до 0,1 кг/га, для песчаных и супесчаных почв — 1,2 кг/га.

Литература

• Ягодин Б. А., Жуков Ю. П., Кобзаренко В. И. Агрохимия. / Под ред. Б. А. Ягодина М.: Колос. 2002
• Евтефеев Ю. В., Казанцев Г. М. Основы агрономии: учебное пособие. М.: ФОРУМ. 2013
• Минеев В. Г., Сычёв В. Г., Гамзиков Г. П. и др. Агрохимия. Учебник. / Под ред. Минеева В. Г. М.: Изд-во ВНИИА им. Д. Н. Прянишникова. 2017