Источники фосфорного питания растений
Основной источник фосфора для растений в природе – соли ортофосфорной кислоты. Из солей полифосфорных кислот фосфор может быть использован после их гидролиза. Будучи трехосновной, ортофосфорная кислота может диссоциироваться на три аниона: Н2РО4-, НРО42- и РО43-. Преобладание в почвенном растворе той или иной модификации иона ортофосфорной кислоты зависит от степени кислотности почвы. При слабокислой или близкой к нейтральной реакции присутствует главным образом анион Н2РО4-, меньше НРО42-, при слабощелочной (рН выше 7) доминирует НРО42-. Ион РО43-, как и молекула Н3РО4, не имеет существенного значения для питания растений, так как ион существует в сильнощелочной среде, а Н3РО4 – в сильнокислой.
Доступность растениям различных солей ортофосфорной кислоты зависит от степени их растворимости. Хорошо растворимы в воде соли фосфорной кислоты с одновалентными катионами калия, натрия, аммония Са(Н2РО4)2 и Мg(H2PO4)2. Двузамещенные соли кальция и магния СаНРО4 и MgHPO4 в воде нерастворимы, но растворяются в слабых кислотах, в том числе органических. Благодаря кислой реакции и корневым выделениям они также являются важным источником фосфорного питания растения. Фосфор труднорастворимых трехзамещенных фосфатов кальция и более сложных по составу и еще менее растворимых фосфатов недоступен для большинства растений.
Однако существует группа культур, способных усваивать его из таких труднорастворимых соединений. Это люпин, гречиха, горчица, а также горох, донник, эспарцет и конопля, которые, хотя и в меньшей степени, чем первые три, но все же усваивают фосфор из фосфоритов. Своей способности усваивать фосфор из труднорастворимых фосфатов эти культуры обязаны прежде всего кислым корневым выделениям.
Исследованиями Н. М. Глазуновой с использованием анионитов показано, что находящиеся в почве обменно-адсорбированные фосфат ионы активно участвуют в питании растений. В ходе ионного обмена фосфат-ионы могут переходить в почвенный раствор и составлять часть запаса доступного фосфора почвы. Несмотря на то, что адсорбированные фосфат-ионы удерживаются положительно заряженными участками поглощающего комплекса более прочно, чем катионы, они доступнее, чем фосфор апатита, стренгита, варисцита и других минералов.
Французский ученый А. Демолон пришел к выводу, что оптимальная для растений концентрация Р2О5 в почвенном растворе – 1,2 мг/л. Однако обычно она значительно ниже (0,05–1 мг/л), и поэтому необходимо внесение фосфорных удобрений.
М. К. Домонтович установил, что минимальная концентрация Р2О5 для кукурузы, пшеницы, овса, гороха, горчицы и гречихи, при которой растения могли его усваивать, составляла 0,01–0,03 мг/л.
По данным немецкого ученого В. Матцеля, корни могут поглощать фосфор, находящийся на расстоянии не более чем 2 мм от них, и даже в период максимального развития корневой системы растения используют фосфор примерно только из четверти всего объема пахотного слоя.
Содержание и формы соединений фосфора в почвах
Обеспеченность растений фосфором во многом зависит от общих его запасов в почве, удельного веса его подвижных форм, гранулометрического состава почвы и других условий, влияющих на использование растениями фосфора из почвы и удобрений.
Важным показателем потенциального плодородия почв является общее содержание в них фосфорных соединений. В работах многих исследователей отмечается бедность ими дерново-подзолистых почв. Общее количество соединений фосфора в почве может колебаться в значительных пределах в зависимости от гранулометрического состава, материнской породы, генезиса и степени окультуренности почвы.
В земной коре фосфора содержится в среднем 0,12 %, в почвах – 0,14 %. Общее его содержание в различных типах почв колеблется от 0,01 до 0,35 %, в низинных агроторфяных почвах – от 0,29 до 0,67 %, а в пойменных низинных иногда достигает 1,7 %. В исследованиях кафедры агрохимии БГСХА были получены следующие значения содержания фосфора в пахотном горизонте: дерново-подзолистые пылевато-, легко- и среднесуглинистые почвы – 0,138–0,160 %, легкосуглинистые, развивающиеся на моренном суглинке – 0,09–0,132%, супесчаные, подстилаемые моренным суглинком – 0,064–0,121, песчаные – 0,056–0,080 %.
В верхних горизонтах почв любого типа и состава, как правило, больше валового фосфора, чем в нижних. Это объясняется биологическим (корни растений постепенно переносят фосфаты из нижних слоев почвы в верхние) и антропогенными факторами.
В почве, как и в растениях, фосфор присутствует в органической и минеральной формах. По данным Т. Н. Кулаковской, в минеральных почвах доля органических фосфатов в валовом фосфоре колеблется от 16 до 48 % и увеличивается от легких почв к тяжелым. В низинных торфяных почвах органические фосфаты преобладают над минеральными, их удельный вес достигает 70%.
Органические фосфаты в почве представлены различными по природе группами соединений: индивидуальной природы (неспецифические органофосфаты) и гумусообразования (специфические соединения). Неспецифические органофосфаты относятся к трем основным классам соединений: фосфолипиды, нуклеиновые кислоты и инозитолфосфаты. При этом кальциевые и магниевые соли инозитолфосфорной кислоты содержатся в нейтральных почвах, а фитаты железа и алюминия – в кислых. Вниз по профилю почвы содержание органических фосфатов снижается, они распределяются в почве примерно так же, как гумус. Фосфолипиды составляют менее 1 % всего органического фосфора, нуклеиновые кислоты – до 10 % и инозитолфосфаты – 30–60 %. Обнаружены также в небольших количествах фосфоропротеины, сахарофосфаты, глицерофосфаты, нуклеотидные коферменты, соединения фосфатов с жирными и аминокислотами и другие соединения.
По новейшим данным многих авторов, больше половины фосфорорганических соединений представлены почвообразованными специфическими фосфогумусными соединениями. Формы этих соединений пока неясны, хотя некоторые данные позволяют считать, что фосфор в них связан с гумусовыми кислотами через ион металла.
Исследования кафедры агрохимии БГСХА показали, что в гумусе агродерново-подзолистых почв содержится 0,8–3,5 % Р2О5 к его массе. Причем, как правило, чем меньше гумуса в почве, тем выше его насыщенность органическим фосфором. Для определения общего содержания органического фосфора широко используется метод Мета: почва последовательно обрабатывается при температуре 70 °С концентрированной НС1 и на холоде 0,5 М NaOH.
Органический фосфор – это главная часть «оборотного капитала» почвенных фосфатов, при определенных условиях он минерализуется и становится доступным для растений. Большое значение имеет соотношение углерода и органического фосфора. Если С:Рорг < 200, то по данным Нельсона и Тисдала, фосфорорганические соединения представлены неустойчивыми легкоминерализующимися формами.
По данным Л. Г. Шарпфа, природные фосфорорганические соединения претерпевают в почвах физико-химические изменения в результате реакций хелатообразования, сорбции, химического гидролиза, ферментативных превращений и окислительно-восстановительных реакций. Кроме того, происходит их биологическое разложение почвенной микрофлорой и свободными ферментами. В результате этих процессов значительная часть органических фосфатов минерализуется и пополняет запасы потенциально доступных минеральных форм фосфора.
Поэтому для повышения уровня фосфорного питания растений и снижения потребности в фосфорных удобрениях актуально выявление факторов, усиливающих минерализацию органических фосфатов почвы.
Исследования Л. М. Томпсона говорят о том, что фракция легко минерализующегося органического фосфора присутствует лишь в целинных почвах, но при обработке почвы она быстро исчезает. А после исчезновения этой фракции органический фосфор минерализуется значительно медленнее. При антропогенном вмешательстве почвенная система стремится стабилизировать свое состояние на новом уровне, ниже которого могут возникать негативные односторонние процессы минерализации, ухудшающие плодородие почвы.
Длительное внесение удобрений, особенно органических, увеличивает содержание органических фосфатов, но в меньшей степени, чем минеральных. Особенностью процесса минерализации органических фосфатов почвы является достаточно высокая подвижность ее продуктов, которые мало переходят в труднорастворимые соединения.
Минеральные формы фосфора в почвах по степени участия в фосфорном питании растений можно разделить на три большие группы, находящиеся в динамическом равновесии:
| Ортофосфаты почвенного раствора (фактор интенсивности) | → ← | Лабильные фосфаты (фатор емкости) | → ← | Стабильные фосфаты |
Ортофосфаты почвенного раствора это однозамещенные водорастворимые фосфаты кальция и магния, фосфорнокислые соли одновалентных катионов калия, натрия, аммония и других. Эта фракция интенсивно используется растениями в начальный период роста и развития. О степени подвижности фосфатов в почве («фактор интенсивности») судят по способности твердой части почвы отдавать в раствор ионы фосфора, что устанавливается присутствием фосфора в почвенном растворе. Однако выделить почвенный раствор очень сложно, поэтому используются водные и солевые вытяжки из почвы.
Лабильные фосфаты – это фосфаты, осевшие или адсорбированные на поверхности твердых частиц почвы, почвенно-поглощающего комплекса, оксидах железа и алюминия, а также вторичные фосфаты, которые образовались после формирования почвы. Ученые считают, что 4–10 % всего почвенного фосфора связано адсорбционно. В отличие от первичных минералов вторичные фосфаты являются активной мобильной составной частью почвы. К ним относятся дигидратдикальцийфосфат (СаНРО4∙2Н2О), октакальцийфосфат (Са4Н(РО4)3∙3Н2О, одно- и двузамещенные фосфаты железа. При нарушении фосфатного равновесия твердой и жидкой частей почвы эти фосфаты могут переходить в почвенный раствор. Фосфаты второй группы характеризуют запасы подвижного фосфора - фосфатную «емкость» почвы и являются резервом для последующего снабжения растений фосфором. Для определения величины запаса подвижных фосфатов используют (в зависимости от типа и состава почв) кислотные, щелочные, буферные растворители, анионообменные смолы, радиоизотопный метод и другие.
Стабильные фосфаты – труднорастворимые соединения, заключенные в почве в первичных и вторичных минералах (окклюдированные гидратами полутораокисей, карбонатами и другими). Наиболее устойчивой формой, медленно поддающейся химическому и биологическому воздействию, является фосфор в составе кристаллической решетки первичных минералов почвы: апатитов, фосфоритов, варисцитов (А1РО4), стренгитов (FePO4∙2H2О), вивианитов [Fe3(PO4)2∙8H2O] и других. Фосфаты третьей группы почти недоступны для растений. Однако в процессе выветривания они могут становиться более доступными и служить источником фосфорного питания растений.
Известно 205 фосфорсодержащих минералов, из них 95 включают железо, 60 – алюминий, 56 – кальций и 45 – марганец. Многие из фосфорсодержащих минералов встречаются в небольших количествах. На апатиты и различные производные фосфатов кальция, входящие в состав фосфоритов, приходится 95% всех природных фосфатов. В процессе выветривания некоторое количество фосфора апатитов постепенно превращается в органические формы и в ионы, адсорбируемые другими минералами. Химическое выветривание – процесс очень сложный. Его можно представить в виде следующей схемы: первичные минералы +О2+Н2О → органическое вещество → вторичные минералы + растворимые соли. К вторичным минералам, сформировавшимся в результате выветривания, имеющим в основном размеры илистых частиц, относятся разновидности биотитов (силикатные илистые минералы, монтмориллонит, каолинит и др.) и слаборастворимые оксиды алюминия, железа и кремния. Фосфор в составе вторичных минералов удерживается в результате ионных, координационных и адсорбционных связей.