проблемы фосфора в современном земледелии

ПРОБЛЕМЫ ФОСФОРА В СОВРЕМЕННОМ ЗЕМЛЕДЕЛИИ
План занятия:
1. Питание растений фосфором.
2. Превращение фосфора в почве.
3. Баланс фосфора в земледелии.
1. Питание растений фосфором.
Действие фосфора на растения во многих отношениях противоположно действию азота:
оптимальное питание фосфором ускоряет развитие сельскохозяйственных культур, повышает их
холодостойкость и засухоустойчивость, сильнее способствует образованию зерна у хлебов, повышает
содержание сахара, крахмала, увеличивает прочность волокна и т. д. Особенно чувствительны к
недостатку фосфора растения впервые две недели после всходов, когда поглощающая способность
корневой системы еще очень слаба. Именно оптимальное питание фосфором в этот период
предопределяет дальнейшее развитие растений, приобретение ими большей устойчивости к
неблагоприятным условиям и возбудителям различных заболеваний. Отсюда становится понятной
значимость рядкового удобрения сельскохозяйственных культур фосфором.
Длина корневых волосков - первостепенный фактор усиления поглощения питательных веществ
в почвах, бедных доступных фосфором. Наличие корневых волосков приводит к удвоению скорости
поглощения фосфора. Высокая концентрация фосфора в почве снижает плотность корневых волосков,
но не затрагивает их длины, а содержание его в растении вообще не оказывает влияния на развитие
корневых волосков. При понижении температуры и увеличении концентрации иона в почвенном
растворе, в ризосфере образование корневых волосков замедляется: они размещаются реже на корне, но
становятся длиннее. Отсюда значимость припосевного удобрения.
Под влиянием фосфора формируется мощный организм, усиливается фотосинтез, ускоряются
процессы синтеза углеводов, белков, жиров, ферментов, снижается величина транспирационного
коэффициента, повышается зимостойкость и засухоустойчивость растений.
Анализ динамики поглощения фосфора различными сельскохозяйственными культурами
позволяет сделать общее заключение: растения нуждаются в фосфоре от всходов до созревания урожая:
поглощение отличается растянутым, довольно равномерным характером, максимум поглощения
фосфора приходится на период с температурным режимом более 20оС, что налагает особые задачи в
связи со сроками сева озимых.
Недостаток фосфора в растениях усиливается при низких температурах. Только обильное
фосфорное питание выводит растения из стресса низких температур (+10С), но не решает судьбу
урожая в целом.
Особенно важно учитывать температурный режим, определяющий поглощение фосфора в связи
со сроками сева озимых и зимующих сельскохозяйственных культур. Назначение сроков сева озимых
по календарным срокам не отвечает внутренним условиям питания растений фосфором. Поэтому сроки
сева совпадают с наступлением устойчивой среднесуточной температурой порядка 14,0–16,0С в
течение недели предшествующей наступлению оптимальных сроков сева с тем, чтобы завершение
осенней вегетации совпало с устойчивыми температурами окружающей среды не ниже +10С.
Особенно важно оптимальное питание фосфором впервые 2-3 недели, что регулируется
припосевным удобрением, второй критический период совпадает с третьим этапом органогенеза и
обеспечивается фосфорным питанием за счет основного удобрения; отсутствие фосфора в эти периоды
не восстанавливается последующим обильным питанием растений фосфором.
Фосфор поглощается всеми органами растения преимущественно днем, но внекорневыми
подкормками растений фосфором нельзя заменить корневое питание, как главное.
Следует особо подчеркнуть, что фосфор, независимо от вида растений, сосредотачивается
главным образом (более 50% от поглощенного) в товарной части урожая. Увеличение выноса фосфора с
возрастом сопровождается снижением концентрации его в растениях. Это подтверждает мысль, что
поглощение фосфатов растениями вначале опережает использование его в процессах синтеза
органических веществ, однако, в дальнейшем сокращается поглощение из внешней среды, синтез
опережает поступление элемента, что вполне совпадает с характером содержания азота в растениях. На
поглощение фосфора растениями существенное влияние оказывает содержание фосфора в почве.
2. Превращение фосфора в почве.
В почве фосфор представлен в форме минеральных и органических соединений. Из минеральных
форм фосфор растениям доступен из солей ортофосфорной (Н3РО4) и метафосфорной (НРО3) кислот.
Корнями фосфор поглощается в виде Н2РО4-, НРО42-, реже РО43-. Н2РО4- лучше поглощается
растениями в интервале рН 5-6, НРО42- при рН 7-8, реже РО43- при рН 8, Н2РО4-, НРО4- поглощаются
1:1 при рН 7,2. Концентрация фосфора в почвенном растворе достигает 0,05 мг Р2О5/л, но растения
могут при большом объеме раствора поглощать фосфор. Наименьшие концентрации фосфора,
пригодные для питания большинства сельскохозяйственных культур,- около 0,1 мг Р2О5/л раствора.
Фосфор в органической форме практически для всех сельскохозяйственных культур недоступен.
Однако наряду с минеральными фосфатами сельскохозяйственные культуры обладают некоторой, не
сильно выраженной способностью усваивать и простейшие органические вещества, содержащие
фосфор.
По степени доступности фосфора растениям соли ортофосфорной кислоты распределяются в
следующем порядке: соли одновалентных катионов, независимо от степени замещения (КН2РО4
К2НР04, К3Р04 или NH4H2P04, (NH4)2HP04, (NH4)3PO4 и др.) легкорастворимые и хорошо доступны
всем растениям; соли двухвалентных катионов по доступности растениям выстраиваются в следующий
ряд: в первой степени замещения (Са(Н2РО4)2, Mg(H2PO4)2 и др.) содержат водорастворимую форму и
доступны растениям; двухзамещенные соли ортофосфорной кислоты (СаНРО4, MgHPO4 и др.)
отличаются нерастворимостью в воде, но растворимы в слабых кислотах и поглощаются корнями растений; трехзамещенные соли (Са3(РО4)2, Mg3(PO4)2 и др.) корнями подавляющего большинства
растений в заметной степени не поглощаются, ибо эти соединения отличаются очень ограниченной
растворимостью в слабых кислотах, не говоря уже о воде, по мере перехода из гелеобразного состояния
в апатитоподобное кристаллическое состояние доступность их растениям снижается до нуля; соли
трехвалентных катионов (АlРО4, FePO4 и др.) и особенно основные (Аl2(ОН)3РО4, Fe2(OH)3PO4 и др.)
отличаются практической недоступностью растениям, хотя их кислые соли неплохо растворимы.
Доступность фосфора растениям, кроме названного, определяется соотношением органического
вещества к фосфору: при С/Р>7 - преобладают процессы иммобилизации, а при С/Р<5 - минерализации
фосфора.
Велико значение биологии и физиологии возделываемого растения - считается достоверно
установленным способность люпина, горчицы, гречихи, эспарцета, донника, гороха, конопли,
подсолнечника, кукурузы усваивать фосфор из труднодоступных соединений даже в некислой почве и
песчаной культуре. В основе этого явления лежит положение о том, что при соотношении в растении
СаО/Р2О5= 1,3 в фазе цветения такое растение хорошо усваивает фосфор из труднодоступной формы,
если CaO/P2O5< 1,3 - растения не в состоянии усваивать фосфор из труднодоступных соединений, что
отмечается у злаков и многих других сельскохозяйственных растений. Это объясняется тем, что всякое
увеличение в растворе концентрации кальция понижает растворимость фосфатов и, напротив,
уменьшение концентрации кальция в растворе приводит к повышению растворимости фосфатов.
Растения, потребляющие много кальция и относительно меньше фосфора, тем самым способствуют
дальнейшему повышению растворимости труднодоступных фосфатов.
Наконец, существует группа культур (гречиха, горчица, люпин, горох, соя, клещевина, донник,
эспарцет, конопля, ячмень), отличающиеся способностью питаться фосфором не только
трехзамещенных фосфатов кальция, магния, но даже более сложных по составу и еще менее
растворимых естественных фосфатов – 3Са3(РО4)2·СаF2 – в дисперсном состоянии содержащихся в
профиле почвы.
Здесь имеет значение, кислотность корневых выделений, доказано, что в пленке раствора,
прилегающий к поверхности корневых волосков люпина, рН составляет 4-5, а в аналогичной
прикорневой зоне клевера – 7-8. Люпин растворят фосфорит, клевер – нет. Однако по А.А. Шмуку
(1950) реакция клеточного сока внутри корней не коррелирует со способностью растений растворять
фосфорит, ибо у большинства сельскохозяйственных культур рН клеточного сока колеблется в
пределах 5-7, т.е. реакция в пределах кислой, слабокислой или нейтральной. Сильно кислая реакция
клеточного сока присуща лишь некоторым диким и декоративным растениям (щавель, бегония), а также
ревеню. У них рН клеточного сока опускается до 1,2-1,5 и, следовательно, является сильно кислой.
Таким образом, в обеспечении растений питательными элементами из труднорастворимых
соединений и минералов существенная роль принадлежит питательной среде, ее составу и изменениям
ее корнями в процессе жизнедеятельности растений, а также микроорганизмам. Тогда почему же
изолированный от прочих солей фосфорит увеличивает урожайность злаков и повышает вынос Р2О5, а
в нейтральной среде проявляется очень слабая усвояемость фосфора из фосфорита. Выяснение этого
вопроса для почвенных условий первозначная задача
Итак, фосфорит образован фосфатами кальция слаборастворимыми в воде. При растворении этих
фосфатов образуются ионы Са2+ и РО43- по схеме: Са3(РО4)2 ⇆3Са2+ + 3РО43-, тогда согласно
закону действующих масс для них справедливо уравнение.
Са2+3 * РО43-2
= konst, если раствор насыщен Са3(РО4)2, что
Са3(РО4)2
мало вероятно, то это уравнение трансформируется в произведение растворимости Ca2+3 * РО43- =
К.
Согласно этому произведению в почвах содержащих огромное количество Са2+, Mg2+ приведет
к образованию фосфата кальция и выпадению его в осадок, т.е. уменьшению содержания в почвенном
растворе фосфатных ионов и это будет продолжаться пока не установится равновесие. Значит
необходимо условие изолирующие фосфорит, предположим от Са(NO3)2 (конечный продукт
нитрификации), благодаря чему создаются условия, способствующие появлению в растворе фосфат
ионов к переходу их из фосфорита в раствор по мере поглощения их корнями растений. Неразрешимая
проблема. Однако пока осадок фосфорита кальция будет пребывать в гелеобразном состоянии растения
способны питаться фосфором из этого соединения.
Отсюда – использование фосфат - ионов из труднорастворимых солей и минералов зависит от
следующих условий:
наличия контакта фосфорсодержащего минерала (соли) с корневыми волосками;
изменения реакции среды в прикорневой зоне в связи с повышением концентрации Н+;
концентрации Са2+ в почвенном растворе. Поскольку использование фосфат ионов почвы
внесенных с трудно растворимыми соединениями (минералами) определяется одними и теми же
условиями, что указывает на общность, например, между фосфатами фосфорита и почвы.
В почве фосфора содержится значительно меньше, чем азота и, особенно, калия. В отличие от
азота и калия отсутствуют естественные источники пополнения запасов фосфора в почве. Для него
характерен внутрихозяйственный круговорот с выраженной иммобилизацией, ретроградацией и
отчуждением с товарной продукцией. Общее количество фосфора в различных почвах колеблется в
широких интервалах.
Минеральные формы фосфора в почве представлены следующими пятью группами: апатитами
[Са3(Р04)2]3∙CaF2; фосфоритами [Са3(РО4)2]; фосфатами алюминия [А1(ОН)2∙Н2РО4; фосфатами
железа [Fe(OH)2∙H2PO4]; фосфатами кальция и магния. Таким образом, фосфор присутствует в виде
ионов и соединений в почвенном растворе: около 0,05 мг Р2О5/л Н2РО-4 и НРО42-, которых при рН 7,2
содержится 1:1; фосфор, адсорбированный на поверхности неорганических частиц почвы, оксидах
железа и алюминия (по этому виду не существует единого мнения). Вынос 1 кг/га фосфора снижает
уровень подвижного фосфора на 0,33 мг/кг почвы, следовательно, при массе почвы, равной 2000 т/га,
вынос 6 кг/га Р2О5 снизит содержание подвижного фосфора на 1 кг/га, a в то же время 5 кг/га поступит
из малоподвижного фонда.
В связи с превращениями фосфора в почве нельзя обойти вниманием деятельность
микроорганизмов, названных фосфоробактериями. Одни из них разрушают органические вещества
почвы и удобрений, переводя содержащийся в них фосфор в доступное всем сельскохозяйственным
культурам состояние. Другие разлагают минеральные фосфаты, переводя их в формы, растворимые в
воде. Обе группы имеют однозначно положительное значение в фосфатном питании растений в
почвенных условиях. В настоящее время выпускается значительное количество бактериальных
препаратов, в частности, фосфоробактерин, применение которых особенно эффективно на почвах
богатых органическим веществом
3. Баланс фосфора в земледелии.
К сожалению поступление фосфора извне ощутимо возможно только за счет внесения его с
удобрениями. Другие источники – космическая пыль, пыльные бури, выбросы химических предприятий
не оказывают существенного влияния на баланс фосфора в земледелии. Минеральные фосфорные
удобрения получают из фосфоритов и апатитов вот уже более 160 лет. Выше мы показали, что
круговороту фосфора присуще отчуждение с продукцией растениеводства. Но для понимания баланса
элемента в хозяйстве этого недостаточно.
При учете баланса фосфора в сельскохозяйственном предприятии в его расходную статью просто
необходимо включать отчуждение элемента с продуктами животноводства. Например, каждый литр
молока, проданный хозяйством, содержит в своем составе 0,9 мг Р2О5, а 100 дойных коров с приплодом
по одному теленку в год и дающих 5 тыс. кг молока, отчуждают с товарной продукцией столько
фосфора, что для возмещения его хозяйство должно вносить в почву 7 т 20% суперфосфата. Но, это еще
не все: использованные растениями в первые два года обычно не превышает 25-35% внесенного с
удобрением элемента, а нередко и меньше.
Следовательно, полная и эффективная компенсация будет достигнута только при внесении в 4-5
раза большего количества фосфора с удобрениями, что вывезено с продуктами животноводства.
Поддержание фосфатного питания растений на оптимальном уровне диктуется не только
требованиями растениеводства, но и нуждами животноводства. Низкое содержание фосфатов в кормах
делает их неполноценными, что заставляет вводить в рационы скота минеральные соли фосфорной
кислоты, обесфторенный фосфат и т.п.
По сути изложенная формула предопределила отношение исследователей и практиков к
проблеме фосфора в нашей стране и за рубежом. Фосфор находится в первом минимуме, надо
производить фосфорные удобрения и, поскольку они быстро связываются почвами, то необходимы
новые порции туков, и так до бесконечности. Создается впечатление, что из означенного круга выхода
нет!
На поведение фосфатов в почве оказывают влияние органические соединения, влажность и
температура: гуматы Na+ увеличивают подвижность фосфатов в почве; добавление гумуса (вновь
образовавшийся гумус) повышает подвижность Са(Н2РО4)2∙Н2О. Следовательно, наблюдается
адсорбционное поглощение органических анионов на почвенных коллоидных частицах (в т.ч.
полуторных окислов) с положительным зарядом, что мешает связыванию ими фосфатного иона и тем
самым создает условия для миграции фосфора. Содержание Р2О5 в гумусе составляет (%): в черноземах
мощных 1,78-2,46, в обыкновенных 0,90-1,27, в выщелоченных черноземах 1,10-1,43, в темнокаштановых 0,97-1,30.
Эффективность последействия длительно применявшихся фосфорных удобрений связано вовсе
не с «мертвым» связыванием фосфатов, а с недостатком для растений азота и калия. Подкормки
растений азотом резко увеличивают последействие мигрировавших фосфатов. В почве отсутствует
«мертвое» связывание; зафосфачивание наблюдается в случае недостатка других элементов питания
растений: необходим мониторинг за содержанием H3PO4 и других фосфорных кислот с тем, чтобы
рассчитывать оптимальные нормы фосфорных удобрений.
Как показывают исследования наблюдается четкая динамика подвижных фосфатов во времени и
онтогенезе различных культур полевого севооборота в 1,5 метровом слое почвы. Исходя из этого мы
выделяем биологическую миграцию (растения и микроорганизмы), внутрипочвенную миграцию с
нисходящим и восходящим потоками воды и миграцию с поверхностным стоком ливневых и талых вод.
Нормальное питание фосфором несколько ускоряет развитие сельскохозяйственных культур,
обусловливая раннее созревание. Под влиянием фосфорных удобрений холодостойкость и
засухоустойчивость растений, а также сопротивляемость колосовых зерновых полеганию усиливается.
Под воздействием фосфатов весьма существенно и повышение качества урожая. Прежде всего, под
влиянием фосфора доля зерна в составе общего урожая растет быстрее, чем доля соломы. Улучшается
химический состав растений: возрастает содержание белков и сахаров, а также крахмала в зерновых и
овощных культурах, прочность, длина и тонина волокна у прядильных культур.
Однако, отмечаются и отрицательные последствия избыточного поступления фосфатов в
растения: укорачивается вегетационный период, культуры созревают преждевременно, что снижает
урожайность и вызывает накопление в урожае излишне высокого содержания минеральных фосфатов,
не использованных в синтетических реакциях; листья преждевременно завядают.