Фосфор, физиологическая роль, поступление и передвижение по растению. Минеральное питание растений, удобрения в сельскохозяйственном производстве — Роль фосфора в питании растений

Фосфор в растениях

Фосфор играет исключительно важную роль в жизни растений. Большинство процессов обмена веществ осуществляется только при его участии. Он практически всегда находится во втором минимуме (после азота).

Физиологическая роль фосфора (С 3). Он входит в состав важнейших органических соединений, активно участвующих в метаболизме растений: нуклеиновых кислот (ДНК и РНК), нуклеопротеидов, фосфопротеидов, фосфатидов (фосфолипидов), макроэргических соединений (АТФ и др.), сахарофосфатов, фитина, витаминов и др. Содержание фосфора (Р2О5) в растениях и вынос урожаями сельскохозяйственных культур Содержание в среднем составляет 0,5 % сухого вещества, изменяясь от 0,1 до 1,5 %, и зависит от биологических особенностей культур, возраста растений и их органов, условий фосфорного питания и т.д. Так, в зерне зернобобовых культур содержится 1-1,5 % Р2О5, злаковых – 0,8-1 %. Солома тех и других культур содержит меньше фосфора по сравнению с семенами – 0,2-0,4 %.

Фосфор в растениях распределяется аналогично азоту, является его спутником. В среднем содержание фосфора в органах растений составляет 30 % от количества азота (С 17). Больше фосфора содержится в молодых и жизнедеятельных органах, листья содержат больше фосфора, чем стебли.

Вынос фосфора урожаями в среднем составляет 15-50 кг/га, изменяясь в зависимости от биологических особенностей культур и уровня урожайности.

Источники фосфора для растений. Основными источниками являются соли ортофосфорной кислоты (С 19), которая, являясь трёхосновной, способна образовывать три вида анионов – Н2РО4–, НРО42–, РО43– (С 20) и, следовательно, три вида солей – одно-, дву- и трёхзамещённые фосфаты, растворимость которых и доступность для растений изменяется в зависимости от катионов.

Источниками фосфора могут также быть соли метафосфорной и полифосфорных (пиро-, триполифосфорной и т.д.) кислот, непосредственно растениями не усваивающиеся, но гидролизующиеся в почве до ортофосфатов (С 21-24).

Кроме того, корни некоторых растений (горох, бобы, кукуруза и др.) выделяют фермент фосфатазу, который отщепляет анион фосфорной кислоты от простых органических соединений. Как следствие, источником фосфора для названных растений могут служить его органические соединения.

Превращения фосфора в растениях. Поступивший в растения фосфор очень быстро переходит в состав органических соединений. Тем не менее, фосфор находится в них непосредственно в виде остатка фосфорной кислоты. Таким образом, 85-95 % фосфора находится в органической форме (С 26). Минеральных фосфатов – фосфатов кальция, калия, магния и аммония – значительно меньше (5-15 %), но они имеют большое значение, являясь запасной и транспортной формами фосфора. Например, фосфор органических соединений корней может передвигаться в надземную часть только после трансформации в минеральные фосфаты.

Динамика потребления фосфора во время вегетации. Критический период по отношению к фосфору у всех культур отмечается в фазу всходов. Недостаток фосфора в этот период резко снижает урожайность, независимо от дальнейшей обеспеченности растений. Вместе с тем, корневая система в начальные фазы роста развита слабо и часто не может в достаточных количествах усваивать фосфор почвы и внесённых до посева удобрений. Поэтому широко рекомендуется припосевное внесение фосфора.

Периоды максимального потребления фосфора различными культурами не совпадают. Например, яровая пшеница потребляет весь необходимый ей фосфор к концу фазы колошения, в то время как лён даже к периоду полного цветения поглощает лишь 58 %, а хлопчатник в фазу полного цветения усваивает только 10 % от максимального содержания фосфора в растениях Таким образом, период максимального поглощения фосфора у пшеницы наблюдается в фазы выхода в трубку и колошения, у льна – в фазы цветения и созревания, у хлопчатника – в период формирования волокна.

Признаки недостатка фосфора для растений. Замедляется рост и развитие растений, уменьшается размер листьев, задерживается цветение и созревание урожая (С 31-33). Фосфор реутилизируется, поэтому его недостаток сначала проявляется на нижних листьях, которые становятся тёмно-зелёными, грязно-зелёными, а затем красно-фиолетовыми, пурпурными или лиловыми

Фосфор в почвах.Содержание и запасы фосфора в почвах. Общее содержание варьирует от 0,01 до 0,3 % и зависит, прежде всего, от минералогического состава материнских пород. Кроме того, больше фосфора содержат богатые гумусом почвы (в гумусе 1-2 % Р2О5). Таким образом, минимальное содержание фосфора в дерново-подзолистых песчаных, максимальное – в чернозёмных почвах. Жизнедеятельность растений вызывает биологическую аккумуляцию фосфора в верхних горизонтах почв

Общий запас фосфора в пахотном слое на 1 га варьирует от 0,3 т в лёгких дерново-подзолистых почвах до 9 т в чернозёмах

Формы фосфора в почвах и его превращения Фосфор в почвах находится в органической и минеральной формах Органического фосфора меньше, он входит в состав неспецифической части гумуса, а также неразложившихся остатков растений и микроорганизмов.

Преобладает минеральный фосфор, которого в дерново-подзолистых, каштановых почвах и серозёмах 70-90 % общего содержания, а в почвах с высоким содержанием гумуса (следовательно, органического фосфора) – серых лесных почвах и чернозёмах – 55-65 % (С 44). Минеральный фосфор в основном находится в форме первичных минералов и, прежде всего, фторапатита [Са3(РО4)2]3·CaF2 и гидроксилапатита [Са3(РО4)2]3·Ca(ОН)2.

Фосфор органических соединений и первичных минералов растениями непосредственно не усваивается. В результате выветривания первичных минералов образуются вторичные, представляющие собой разнообразные соли ортофосфорной кислоты. Фосфаты образуются и при минерализации органического фосфора под влиянием фосфоробактерий.

Соли фосфорной кислоты характеризуются различной растворимостью и, следовательно, доступностью для растений.

Водорастворимыми являются фосфаты одновалентных катионов [КН2РО4, (NH4)2НРО4, Na3РО4], а также однозамещённые соли двухвалентных катионов [Са(Н2РО4)2, Mg(Н2РО4)2]. Они хорошо доступны для растений.

Кислоторастворимыми называют двузамещённые фосфаты кальция и магния (СаНРО4, MgНРО4) и свежеосаждённые, находящиеся в аморфном состоянии трёхзамещённые фосфаты [Са3(РО4)2, Mg3(РО4)2], которые нерастворимы в воде, но растворяются в слабых кислотах (органических, угольной). Эти соединения под действием кислых корневых выделений, а также органических и минеральных кислот, продуцируемых микробами, постепенно растворяются и становятся доступными для растений.

Не растворяются в воде и слабых кислотах, как следствие, практически недоступны растениям кристаллические формы трёхзамещённых фосфатов кальция и магния. Но некоторые растения – люпин, гречиха, горчица, в меньшей степени горох, донник, эспарцет и конопля – обладают способностью усваивать фосфор из трёхзамещённых фосфатов. Наименее доступны растениям фосфаты железа и алюминия (AlPO4, FePO4) Важную роль в формировании условий фосфорного питания играет химическое поглощение водорастворимых фосфатов (ретроградация фосфора), протекающее в почвах при любой реакции среды.

В нейтральных, насыщенных основаниями почвах (чернозёмах, каштановых) образуются дву- и трёхзамещённые фосфаты кальция и магния:

Са(Н2РО4)2 + Са(НСО3)2 → 2СаНРО4↓ + 2Н2СО3;

ППК)Са2+ + Са(Н2РО4)2 → ППК)2Н+ + Са3(РО4)2↓.

В кислых почвах, характеризующихся повышенным содержанием алюминия и железа (дерново-подзолистых, краснозёмах), выпадают в осадок фосфаты этих элементов:

Са(Н2РО4)2 + 2Fe3+ → 2FePO4↓ + Са2+ + 4Н+;

ППК)Al3+ + К3РО4 → ППК)3К+ + AlPO4↓.

Вследствие ретроградации водорастворимые фосфаты содержатся в почвах в незначительных количествах (как правило, не более 1 мг/кг почвы).

Анионы фосфорной кислоты в почве могут обменно поглощаться, закрепляясь на поверхности положительно заряженных коллоидных частиц гидроксидов алюминия и железа В большей степени обменное поглощение фосфатов выражено при кислой реакции среды. Процесс обменного поглощения обратим, то есть фосфат-ионы способны и вытесняться из ППК в раствор другими анионами. Как следствие, обменно-поглощённые анионы фосфорной кислоты хорошо доступны для растений.

Растворимые соли фосфора потребляются не только растениями, но и микроорганизмами, превращаясь в органические фосфорсодержащие соединения. После отмирания микробов основное количество биологически поглощенного фосфора вновь становится доступным растениям за исключением небольшой части, перешедшей в состав гумуса.

Для дерново-подзолистых и серых лесных почв стандартизирован метод Кирсанова: вытяжка производится 0,2 н. HCl, в раствор при этом переходят водорастворимые и кислоторастворимые соли фосфорной кислоты.

В некарбонатных чернозёмах содержание подвижного фосфора определяется по Чирикову: почва обрабатывается 0,5 н. СН3СООН.

На карбонатных почвах кислоты не применяют, так как слабокислотные вытяжки расходуются на разложение карбонатов, а более концентрированные могут растворять недоступные для растений фосфаты. Поэтому содержание подвижного фосфора в карбонатных чернозёмах определяют по Мачигину с помощью 1 % (NH4)2CO3, имеющего щелочную реакцию.

Абсолютные результаты, полученные любым методом, неинформативны, так как постоянное воздействие корней растений на почву в течение вегетации далеко не равнозначно растворяющей способности какого-либо реактива. Например, при взаимодействии раствора с почвой устанавливается равновесие, а в присутствии растений, потребляющих фосфор, его концентрация в жидкой фазе почвы постоянно уменьшается, стимулируя переход в раствор новых количеств фосфатов.

Однако, сравнивая урожайность культур в полевых опытах, проводимых на почвах с разным содержанием подвижного фосфора, можно сделать заключение о том, насколько хорошо обеспечена та или иная почва фосфором, и выразить полученную закономерность в виде группировки, имеющей практическое значение.

Фосфору принадлежит особая роль среди элементов питания растений. Он выполняет энергетическую и конституционную функции в растениях и других организмах. Фосфор входит в состав многих жизненно важных фосфорорганических соединений, среди которых наибольшее значение имеют АТФ и нуклеиновые кислоты, участвующие практически во всех биохимических процессах энергетического обмена в клетке, передаче наследственной информации, синтезе ферментов, белков, углеводов и других веществ. Макроэргические связи АТФ являются главным акцептором энергии, образующейся при фотосинтезе и в процессе дыхания клетки, а также основным поставщиком энергии, необходимой для осуществления синтеза белков, жиров, углеводов и активного поступления элементов питания в растения. Важная роль фосфора в составе фосфатидов - образование липидных цитоплазматических мембран, контролирующих поступление питательных веществ в растения.

Поскольку фосфор «контролирует» практически все биохимические процессы жизнедеятельности растений, своевременное обеспечение их питания фосфором имеет первостепенное значение для формирования высоких урожаев сельскохозяйственных культур.

Установлено, что недостаточная обеспеченность растений фосфором в первые 12-15 дней после появления всходов негативно сказывается на росте и развитии растений в течение всего периода вегетации, а следовательно, и на урожайности, даже если в дальнейшем растения были хорошо обеспечены фосфором. Первые две недели после всходов являются критическим периодом растений в отношении фосфорного питания. Фосфорное голодание в этот период приводит к нарушению обмена веществ в растениях и снижению их продуктивности.

Результаты длительных опытов показывают, что на дерново-подзолистых почвах с низким содержанием подвижных фосфатов (40- 70 мг Р 2 0 5 на 1 кг почв) продуктивность севооборотов составляет менее 2,0 т з.е./га. При содержании Р 2 0 5 120-140 мг/кг она увеличивается до 3,5-4,0 т з.е./га, а при высоком содержании Р 2 0 5 (250- 300 мг/кг) продуктивность возрастает до 5-6 т з.е./га и выше. По мере увеличения содержания подвижных фосфатов в почве значительно уменьшается зависимость урожайности сельскохозяйственных культур от неблагоприятных погодных условий.

Фосфор (от греч. phosphoros - светоносный) имеет один устойчивый нуклид 31 Р (атомная масса 30,974). В агрохимических исследованиях также нашли широкое применение искусственные радиоактивные изотопы 32 Р и 33 Р, обладающие соответственно высокой и мягкой энергией (3-излучения с периодом полураспада 14,3 и 25,3 суток. Фосфор открыл Н. Брандт в 1669 г. Первоначально его получали из мочи животных. В 1771 г. К. Шееле предложил способ получения фосфора из костяной золы.

Среди химических элементов земной коры (литосферы) фосфор занимает 13-е место. Среднее содержание фосфора в земной коре - 0,12%. Благодаря высокой реакционной способности фосфор в свободном состоянии в природе не встречается. Все фосфорсодержащие минералы являются солями ортофосфорной кислоты. Они распространены среди магматических и осадочных пород. В метеоритах фосфор найден также в виде фосфидов железа, никеля и кобальта; поэтому можно полагать, что до появления кислорода на Земле фосфор входил в состав фосфидов металлов.

В соответствии с электронной структурой атома фосфора lS 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 3 степень его окисления может меняться от 3 _ до 5 + , однако в наиболее устойчивых его соединениях он проявляет валентность 5 + , 3 + и 3".

Известно большое количество минералов, имеющих в своем составе фосфор. Среди них наиболее распространены апатиты. В торфяниках и болотистых местах довольно часто локально встречается вивианит Fe 3 (P0 4) 2 - 8Н 2 0. Значительно реже почвообразующие породы содержат фосфорсодержащие минералы - торбернит Cu(U0 2) 2 (P0 4) 2 12Н 2 0, трифилит Li(Fe,Mn)P0 4 , амблигонит LaAl(P0 4)F.

«Фосфор - “элемент жизни и мысли” - будет нужен человечеству всегда, и это необходимо иметь в виду как сегодня, так и в будущем» (Ферсман, 1983).

Стремление сторонников биологического земледелия обеспечить растения фосфором без применения фосфорных удобрений не имеет реальной основы. Фосфор не случайно назвали «ключом жизни», так как в природе нет таких жизненно важных биохимических процессов, в которых бы он не принимал непосредственного участия. По своей значимости в питании растений, повышении урожайности сельскохозяйственных культур и качества продукции растениеводства фосфор идет следом за азотом, а на торфянистых почвах и черноземах фосфору принадлежит ведущее место.

Важным показателем возрастающей значимости фосфора для человечества может служить его промышленное потребление.

С 1985 по 2005 г. было добыто и использовано 29 млрд т фосфатов, тогда как за предшествующие им 80 лет -около 24 млрд т.

Следует отметить, что в отличие от азота, содержание которого в почве в естественных условиях постоянно пополняется за счет атмосферных осадков и азотфиксирующих микроорганизмов, единственным источником фосфора в почвах являются почвообразующие горные породы. Ведущим фактором, определяющим запасы фосфора в почве, является его содержание в материнской породе.

Фосфор входит в состав минеральных, органических и органоминеральных соединений почвы. Условно почвенный фосфор можно разделить на четыре группы: 1) фосфор, содержащийся в почвенном растворе, - фосфат-ионы и растворимые органические фосфорсодержащие соединения; 2) фосфаты, адсорбированные на поверхности почвенных коллоидов; 3) фосфорсодержащие аморфные и кристаллические минералы; 4) фосфор, входящий в состав органического вещества почвы.

С поливалентными металлами фосфат-ионы образуют широкий спектр слаборастворимых и нерастворимых фосфатов, которые прочно удерживаются в почве на месте их образования и становятся слабо доступными растениям. Формами этих соединений могут быть обменно поглощенные фосфат-ионы, фосфаты, химически прочно связанные на поверхности минеральных и органических коллоидов, аморфные и кристаллические фосфаты (минералы) Са, Al, Fe, Mg, Ti, Pb и др. Непосредственным резервом для растений являются фосфаты, находящиеся в адсорбированном состоянии.

Обменная адсорбция фосфат-ионов происходит на поверхности вторичных глинистых минералов, оксидов железа и алюминия:

Восполнение равновесной концентрации фосфора в почвенном растворе (фосфатная буферность почвы) происходит постоянно за счет как минерализации органического вещества, так и перехода в раствор обменно адсорбированных фосфат-ионов и фосфорных соединений аморфных и кристаллических минералов.

Известно, что ионы Н 2 РО“ и Н РО^ - перемещаются к корням растений в основном в результате диффузии с массовым потоком воды, расходуемой на транспирацию. При низкой влажности почвы передвижение фосфора к корням протекает особенно медленно и может лимитировать потребление его растениями. Поэтому слаборастворимые фосфорные удобрения для повышения их доступности растениям должны быть равномерно распределены во влажном слое почве.

Фосфор, содержащийся в органическом веществе почвы, может быть доступен растениям только после ферментативного гидролиза его микроорганизмами, а так как значительная часть фосфора входит в органические соединения, для его минерализации необходимо полное разложение фосфорсодержащего органического вещества. Процесс этот не специфичен и может осуществляться многими видами микроорганизмов.

Органическое вещество почвы оказывает также большое косвенное влияние на доступность фосфора растениям благодаря способности гуминовых и фульвокислот образовывать недиссоциируемые комплексы (хелаты) с катионами двух- и трехвалентных металлов: Al 3+ , Fe 2>3+ , Са 2+ , Mg 2+ , Mn 2+ , Ti 23+ , РЬ 2+ и др. В результате хелатирования катионов поливалентных металлов их концентрация в почвенном растворе снижается и параллельно уменьшается образование нерастворимых соединений фосфора с металлами. Кроме того, кислоты, высвобождающиеся при разложении органического вещества почвы и растительных остатков, заметно повышают растворимость фосфатов кальция. Во всех почвах без исключения с увеличением содержания органического вещества существенно возрастает доступность фосфора растениям. Поэтому, чтобы фосфор нерастворимых удобрений сделать более доступным, их вносят в почву вместе с органическими удобрениями.

Фосфор -- один из необходимых элементов питания. По выражению академика Ферсмана «Фосфор - элемент жизни и мысли». Без него невозможна жизнь не только высших растений, но и простейших организмов. Фосфор входит в состав многих веществ, которые играют важнейшую роль в жизненных явлениях. Его находят в нуклеиновых кислотах (РНК и ДНК), т.е. фосфор принимает участие в синтезе белков и в передаче наследственных свойств и биологической информации. Очень важную роль играют макроэргические соединения, содержащие фосфор, например АТФ. Она является главным аккумулятором энергии и ее переносчиком для многих синтетических процессов. В частности, без АТФ не будут идти процессы фотосинтеза и дыхания. аденозиндифосфат растение фотосинтез

Фосфор - спутник азота; там, где есть азот - присутствует и фосфор. В растениях он представлен минеральными и органическими соединениями. Минеральные фосфаты присутствуют в тканях растений чаще всего в виде кальциевых, калиевых, магниевых солей ортофосфорной кислоты. Несмотря на то, что они содержатся обычно в небольших количествах, они играют важную роль в создании буферной системы клеточного сока и служат резервом для образования органических фосфорсодержащих соединений. В растениях преобладают и играют наиболее важную роль органические соединения. К ним относятся нуклеиновые кислоты, нуклеопротеиды, фосфопротеиды, фосфатиды, фитин, сахарофосфаты, макроэргические соединения и др. Среди них на первое место следует поставить нуклеиновые кислоты. Это сложные высокомолекулярные вещества, которые участвуют в самых важных процессах жизнедеятельности: РНК (рибонуклеиновая) - в синтезе специфических для данного организма белков, ДНК (дезоксирибонуклеиновая) - в передаче наследственных свойств и переносе биологической информации. Нуклеиновые кислоты с белками образуют сложные белки нуклеопротеиды, которые содержатся в эмбриональных тканях и клеточных ядрах. Важной группой являются фосфопротеиды - соединения белковых веществ с фосфорной кислотой. Сюда относятся белки - ферменты, которые служат в качестве катализаторов многих биохимических процессов.

Фосфатиды (или фосфолипиды) играют очень важную биологическую роль. Они образуют белково-липидные молекулы, которые способствуют проницаемости в клетку различных веществ. Находятся фосфатиды в любой растительной клетке, но наиболее высоким их содержанием отличаются семена, особенно масличных и бобовых культур.

Важным соединением является фитин. Фитина много в молодых органах и тканях и, особенно - в семенах, в виде запасного вещества. При прорастании семян освобождается фосфорная кислота, которая используется молодым растением. В семенах бобовых и масличных культур фитин составляет 1--2% веса сухой массы, в семенах злаков --0,5--1,0%. Большую роль в процессах фотосинтеза, дыхания и при взаимных превращениях углеводов (сахарозы, крахмала) играют сахарофосфаты. Содержание сахарофосфатов в растениях изменяется в зависимости от возраста растений, условий их питания и других факторов и составляет от 0,1 до 1,0% веса сухой массы. Общее содержание фосфора в растениях много ниже, чем азота и колеблется от 0,3 до 2% (азота - 1 - 5%). Богаты фосфором молодые растущие ткани; много его накапливается в товарной части урожая (в генеративных органах). Фосфор ускоряет созревание растений. Под его влиянием в листьях ускоряются процессы распада белков и переход продуктов распада в репродуктивные органы, в частности, в зерно. Так как фосфор играет большую роль в углеводном обмене, фосфорные удобрения способствуют накоплению сахаров в свекле, а в клубнях картофеля - крахмала. Хорошее фосфорное питание способствует лучшей перезимовке озимых культур, плодовых и ягодников.

Таким образом, фосфор принимает самое непосредственное участие во многих процессах жизнедеятельности растений, и обеспечение высокого уровня фосфорного питания -- одно из важнейших условий получения больших урожаев сельскохозяйственных культур. Фосфор содержится в растениях в значительно меньших количествах, чем азот. В почве он встречается в минеральной и органической формах. Находящийся в органических соединениях фосфор становится доступным растениям только после минерализации (разложения) органического вещества. Главным источником фосфорного питания служат соли ортофосфорной кислоты Н 3 РО 4 , хотя доказано, что растения могут использовать и соли других фосфорных кислот: метафосфорной, пирофосфорной и других.

Фосфорная кислота - трехосновная; она может отдиссоциировать три аниона:

Н 3 РО 4 Н 2 РО 4 - НРО 4 2- РО 4 3-

рН=5-6 рН=6-7 усваивается в щелочной среде

Наиболее благоприятный рН для доступности фосфора - от близкого к нейтральному до слабокислого. Почвы со слабощелочной реакцией обычно характеризуются обилием кальция. В таких условиях фосфор переходит в малорастворимые фосфаты кальция и обычно возникает недостаточность фосфора. Доступность растениям различных солей фосфорной кислоты зависит от их растворимости. Наиболее растворимы в воде соли фосфорной кислоты с одновалентными катионами калия, натрия, аммония. Они хорошо усваиваются растениями:

Н 2 РО 4 - + К + = КН 2 РО 4 НРО 4 2- + 2К + = К 2 НРО 4 РО 4 3- + 3К + = К 3 РО 4

С двухвалентными катионами образуются соли различной растворимости:

Н 2 РО 4 - + Са 2+ Са(Н 2 РО 4) 2 -однозамещенный фосфат кальция (монофосфат Са); водорастворимое соединение (составляет основу суперфосфата)

НРО 4 2- + Са 2+ СаНРО 4 - двухзамещенный фосфат кальция (дифосфат Са); нерастворимое в воде соединение, но растворимо в слабых кислотах, в том числе органических. Благодаря кислотности почвы и корневых выделений также является важным источником фосфорного питания (составляет основу преципитата)

РО 4 3- + Са 2+ Са 3 (РО 4) 2 - трехзамещенный фосфат кальция. Нерастворимое в воде и слабых кислотах соединение (составляет основу фосфоритной муки). Это соединение может частично растворяться и усваиваться только в кислой (не насыщенной основаниями) почве.

С трехвалентными катионами (Аl,Fе) фосфаты образуют труднорастворимые соединения (АlРО 4 ,FеРО 4), доступные растениями только в свежеосажденном виде

Количество растворенных фосфатов с увеличением влажности возрастает и, следовательно, увеличивается обеспеченность растений фосфором. Так, например, почвы тяжелого гранулометрического состава удерживают большее количество воды, чем легкие, и поэтому содержат больше фосфора в растворе. А. В. Соколов отмечает, что во влажные годы растения обнаруживают меньшую потребность в фосфоре и слабее отзываются на внесение фосфорных удобрений, чем в сухие годы. Большинство растений легче поглощает Н 2 РО 4 - , чем НРО 4 2- .

Хотя фосфор не входит в состав жиров, углеводов да и многих простейших белковых молекул растительных клеток, образование этих органических соединений без его участия становится невозможным. В процессе фотосинтеза происходит поглощение растением углекислого газа и воды, которые являются базовыми элементами для синтеза сложных органических молекул. Именно с участием фосфатов, находящихся в хлоропластах, осуществляется преобразование углекислого газа в анионы угольной кислоты – основополагающий "строительный элемент" всех органических соединений. Фосфор стимулирует формирование корневой системы: корни активнее ветвятся и глубже проникают в почву. Это помогает растениям лучше обеспечивать себя питанием.

Наибольшую потребность в фосфоре растения испытывают на самых ранних этапах своего развития, во время формирования корневой системы, а также в фазе цветения и образования плодов. Критической в отношении фосфорного питания для всех культур является фаза всходов, когда относительно слабая корневая система способна поглощать фосфорные соединения лишь на ограниченной территории. Недостаток элемента в этот период вызывает в дальнейшем патологические изменения в ростовых и репродуктивных процессах растений.

М аксимальная потребность в фосфоре у различных культур наблюдается в разный период, но происходит это, главным образом, во время цветения, формирования плодов и их созревания. Недостаточное количество доступного фосфора негативно отражается на развитии культур и формировании урожая. Из-за снижения продуктивности растений, значительного ухудшения органолептических качеств плодов сельскохозяйственные производители терпят большие убытки. Поэтому получить хорошие урожаи с высокими качественными показателями возможно лишь при обеспечении растений полноценным фосфорным питанием.

Содержание фосфора в пахотном слое непостоянно и составляет от 0,05 до 0,25%, причем около 75 – 90% его общего количества представлены неорганическими труднорастворимыми соединениями (фосфаты железа, кальция, алюминия). Низкая подвижность фосфатов затрудняет их миграцию в почвенных горизонтах, вымывание, выветривание, поэтому они остаются в плодородных шарах грунта, но усваиваться культурами такие формы фосфора не могут. Доступным для растений остается только фосфор, который находится в почвенном растворе. При общем содержании элемента 1 т/1 га почвы его подвижные соединения составляют не более 1 кг/1 га. Поэтому из общих запасов фосфора, находящегося в корнеобитаемом слое, культуры способны усвоить лишь доступные для них 3 – 5% от общего количества.

Усваиваемость растениями фосфора, находящегося в почвенном растворе, полностью зависит от кислотной реакции грунта. Как в кислых, так и в щелочных почвах фосфор образует нерастворимые соединения: с кальцием (при рН > 7,5), с алюминием (рН < 4,8 – 5,0), железом (рН < 3,8 – 4,5). Поэтому наиболее эффективны фосфорные соединения в грунтах с нейтральной реакцией кислотно-щелочной среды. Для повышения доступности элемента нередко прибегают к раскислению почв известкованием.

Ежегодно во всём мире вместе с урожаями из почв выносится более 10 миллионов тонн фосфорной кислоты. При этом ситуация осложняется тем, что в природе не существует естественных источников пополнения запасов фосфора в грунте. Основные фосфорсодержащие минералы – апатиты и фосфориты, объемы которых в мире ограничены, служат сырьем для получения необходимых фосфорных соединений. Чтобы решить проблему с обеспечением растений достаточным количеством фосфора, аграрии используют фосфорные удобрения . По степени растворимости в воде, а следовательно и доступности, их классифицируют на три группы: легкорастворимые (суперфосфаты), слаборастворимые (преципитат) и труднорастворимые (фосфоритная, костная, рыбная мука). Удобрения, входящие в две последние группы, способны легко растворяться в слабокислой и кислой среде.

Показателем эффективности каждого удобрения является выраженное в процентном соотношении количество в нем действующего вещества (д. в.) , т. е. количество главного элемента (фосфора), который может усваиваться растениями. Для суперфосфата эта величина составляет 20%, в обогащенном суперфосфате содержится до 24% доступного фосфора, максимальное количество действующего вещества (40 – 50%) присутствует в двойном гранулированном суперфосфате. Количество доступного фосфора (д. в.) в фосфоритной муке может колебаться от 20% до 30%, в костной муке – от 15% до 33%. Для преципитата показатель действующего вещества – 38%. В аммофосе и диаммофосе содержание доступного фосфора достигает 45 – 52%, а в термофосфатах – от 20 % до 30%.

Пожалуй, самым распространенным минеральным фосфорным удобрением является суперфосфат . Легкоусваиваемый растениями оксид фосфора (P 2 O 5) составляет в нём до 20% (в более концентрированном двойном суперфосфате – более 45%). Также в суперфосфате содержатся кальций, цинк, сера, бор и другие полезные элементы. Удобрение выпускается в виде мелкодисперсного порошка и гранул. Подходит для всех видов культур. Вносится осенью, под вспашку или весной, во время предпосевных работ. Хорошо сочетается с другими удобрениями, потому может применяться в комплексе с ними. Требует тщательного перемешивания с грунтом. Наиболее эффективен в растворенном состоянии, на нейтральных почвах. Его систематическое применение не вызывает каких-либо изменений кислотно-щелочной реакции грунтов.

Аммофос и диаммофос (гидрофосфат аммония) представляют собой сложные азотнофосфорные минеральные удобрения, содержащие более 60% азота и фосфора. Входящие в их состав фосфаты в своём большинстве хорошо растворяются в воде. Препараты предназначены для применения в любой почвенно-климатической зоне. Фосфор в аммофосе более подвижен и лучше усваивается культурами по сравнению с содержащимся в суперфосфате. Применение аммофоса и диаммофоса на почвах с нейтральной и слабощелочной реакцией более предпочтительно, так как они создают растениям лучшие условия для фосфорного питания, чем суперфосфат.

Природными источниками фосфора органического происхождения служат костная и рыбная мука , которые представляют собой универсальные натуральные подкормки, применяемые практически для всех видов садовых, огородных и полевых культур. Эти удобрения абсолютно безвредны, поэтому вносить их можно в любой вегетационный период растений. Но осуществить оперативное устранение дефицита фосфора путем внесения костной или рыбной муки невозможно. Для них характерен длительный период действия, так как разложение их компонентов под воздействием почвенных микроорганизмов и переход подвижной формы фосфора в почвенный раствор происходит постепенно. Вместе с тем, достаточно однократного внесения муки, чтобы обеспечить растения необходимым количеством фосфора на период 5 – 8 месяцев.

Костная мука богата не только фосфором, но и другими ценными соединениями и элементами, в том числе азотом, кальцием и калием, железом, магнием, цинком и др. Особенность её применения заключается в способности снижать кислотность почвы, поэтому костную муку желательно применять на грунтах с кислой реакцией. Рыбная мука превосходит костную по количеству содержащегося в ней азота (до 10%), и она меньше выщелачивает почву, чем костная. Рекомендуется для внесения на известковых и суглинистых почвах. Хороший результат достигается при смешивании костной и рыбной муки. Использовать удобрение можно в течение всего сезона. Внесение костной и рыбной муки в почву одновременно с другими органическими удобрениями (навоз, перегной, коровяк, компост) во время осенней или весенней вспашки помогает повысить плодородность земель и обеспечить увеличение будущих урожаев.

представляет собой минеральное фосфорсодержащее удобрение, получаемое из апатитов и других осадочных пород. Отличается низкой стоимостью, экологической безопасностью и продолжительностью действия. Количество содержащегося в ней фосфора достигает 17 – 30%, но он представлен неорганическим трикальцийфосфатом (Ca 3 (PO 4 ) 2 ), который в кислой среде постепенно переходит в доступное для растений соединение дигидрофосфат (Ca(H 2 PO 4 ) 2 H 2 O). Именно поэтому применение фосфоритной муки наиболее целесообразно на кислых почвах (торфяники, подзолистые грунты), а также в комплексе с органическими (навоз, перегной, компост) или кислыми удобрениями (сульфат аммония, аммиачная селитра, хлористый аммоний). Вносится удобрение до посева, средняя норма расхода фосфоритной муки: 1,5 – 2 т/га.

Преципитат относится к труднорастворимым фосфорсодержащим удобрениям: очень слабо растворяется в воде, но отличается хорошей растворимостью в органических и минеральных кислотах. Это негигроскопичный порошкообразный препарат, концентрация фосфора в котором достигает 30%. Может использоваться на любых видах почв и, практически, для всех культур. По степени эффективности действия не уступает суперфосфату. Обладает побочным действием – снижает уровень кислотности при закислении почв.

Термофосфаты включают удобрения, получаемые в результате прокаливания природных минералов (апатитов и других фосфатов) с содой, карбонатами, силикатами и пр. Также к ним относятся некоторые отходы металлургической промышленности (томасшлак, бесфторный фосфат, мартеновский шлак). Содержание фосфора в термофосфатах может колебаться от 15% до 30%. Большая часть термофосфатов относится к слаборастворимым удобрениям, поэтому их следует вносить в почву заблаговременно, чтобы содержащийся в них фосфор успел раствориться в почвенном растворе.

Практика применения фосфорных удобрений показывает, что более благоприятные условия для питания культур, а следовательно для получения высоких урожаев создаются при регулярном дозированном пополнении запасов фосфора в почвах, чем в случае одноразового внесения значительного количества фосфорсодержащих препаратов.

Фосфор в растениях

Фосфор играет исключительно важную роль в жизни растений. Большинство процессов обмена веществ осуществляется только при его участии. Он практически всегда находится во втором минимуме (после азота).

Физиологическая роль фосфора (С 3). Он входит в состав важнейших органических соединений, активно участвующих в метаболизме растений: нуклеиновых кислот (ДНК и РНК), нуклеопротеидов, фосфопротеидов, фосфатидов (фосфолипидов), макроэргических соединений (АТФ и др.), сахарофосфатов, фитина, витаминов и др. Содержание фосфора (Р2О5) в растениях и вынос урожаями сельскохозяйственных культур Содержание в среднем составляет 0,5 % сухого вещества, изменяясь от 0,1 до 1,5 %, и зависит от биологических особенностей культур, возраста растений и их органов, условий фосфорного питания и т.д. Так, в зерне зернобобовых культур содержится 1-1,5 % Р2О5, злаковых – 0,8-1 %. Солома тех и других культур содержит меньше фосфора по сравнению с семенами – 0,2-0,4 %.

Фосфор в растениях распределяется аналогично азоту, является его спутником. В среднем содержание фосфора в органах растений составляет 30 % от количества азота (С 17). Больше фосфора содержится в молодых и жизнедеятельных органах, листья содержат больше фосфора, чем стебли.

Вынос фосфора урожаями в среднем составляет 15-50 кг/га, изменяясь в зависимости от биологических особенностей культур и уровня урожайности.

Источники фосфора для растений. Основными источниками являются соли ортофосфорной кислоты (С 19), которая, являясь трёхосновной, способна образовывать три вида анионов – Н2РО4–, НРО42–, РО43– (С 20) и, следовательно, три вида солей – одно-, дву- и трёхзамещённые фосфаты, растворимость которых и доступность для растений изменяется в зависимости от катионов.

Источниками фосфора могут также быть соли метафосфорной и полифосфорных (пиро-, триполифосфорной и т.д.) кислот, непосредственно растениями не усваивающиеся, но гидролизующиеся в почве до ортофосфатов (С 21-24).

Кроме того, корни некоторых растений (горох, бобы, кукуруза и др.) выделяют фермент фосфатазу, который отщепляет анион фосфорной кислоты от простых органических соединений. Как следствие, источником фосфора для названных растений могут служить его органические соединения.

Превращения фосфора в растениях. Поступивший в растения фосфор очень быстро переходит в состав органических соединений. Тем не менее, фосфор находится в них непосредственно в виде остатка фосфорной кислоты. Таким образом, 85-95 % фосфора находится в органической форме (С 26). Минеральных фосфатов – фосфатов кальция, калия, магния и аммония – значительно меньше (5-15 %), но они имеют большое значение, являясь запасной и транспортной формами фосфора. Например, фосфор органических соединений корней может передвигаться в надземную часть только после трансформации в минеральные фосфаты.

Динамика потребления фосфора во время вегетации. Критический период по отношению к фосфору у всех культур отмечается в фазу всходов. Недостаток фосфора в этот период резко снижает урожайность, независимо от дальнейшей обеспеченности растений. Вместе с тем, корневая система в начальные фазы роста развита слабо и часто не может в достаточных количествах усваивать фосфор почвы и внесённых до посева удобрений. Поэтому широко рекомендуется припосевное внесение фосфора.

Периоды максимального потребления фосфора различными культурами не совпадают. Например, яровая пшеница потребляет весь необходимый ей фосфор к концу фазы колошения, в то время как лён даже к периоду полного цветения поглощает лишь 58 %, а хлопчатник в фазу полного цветения усваивает только 10 % от максимального содержания фосфора в растениях Таким образом, период максимального поглощения фосфора у пшеницы наблюдается в фазы выхода в трубку и колошения, у льна – в фазы цветения и созревания, у хлопчатника – в период формирования волокна.

Признаки недостатка фосфора для растений. Замедляется рост и развитие растений, уменьшается размер листьев, задерживается цветение и созревание урожая (С 31-33). Фосфор реутилизируется, поэтому его недостаток сначала проявляется на нижних листьях, которые становятся тёмно-зелёными, грязно-зелёными, а затем красно-фиолетовыми, пурпурными или лиловыми

Фосфор в почвах .Содержание и запасы фосфора в почвах. Общее содержание варьирует от 0,01 до 0,3 % и зависит, прежде всего, от минералогического состава материнских пород. Кроме того, больше фосфора содержат богатые гумусом почвы (в гумусе 1-2 % Р2О5). Таким образом, минимальное содержание фосфора в дерново-подзолистых песчаных, максимальное – в чернозёмных почвах. Жизнедеятельность растений вызывает биологическую аккумуляцию фосфора в верхних горизонтах почв

Общий запас фосфора в пахотном слое на 1 га варьирует от 0,3 т в лёгких дерново-подзолистых почвах до 9 т в чернозёмах

Формы фосфора в почвах и его превращения Фосфор в почвах находится в органической и минеральной формах Органического фосфора меньше, он входит в состав неспецифической части гумуса, а также неразложившихся остатков растений и микроорганизмов.

Преобладает минеральный фосфор, которого в дерново-подзолистых, каштановых почвах и серозёмах 70-90 % общего содержания, а в почвах с высоким содержанием гумуса (следовательно, органического фосфора) – серых лесных почвах и чернозёмах – 55-65 % (С 44). Минеральный фосфор в основном находится в форме первичных минералов и, прежде всего, фторапатита [Са3(РО4)2]3·CaF2 и гидроксилапатита [Са3(РО4)2]3·Ca(ОН)2.

Фосфор органических соединений и первичных минералов растениями непосредственно не усваивается. В результате выветривания первичных минералов образуются вторичные, представляющие собой разнообразные соли ортофосфорной кислоты. Фосфаты образуются и при минерализации органического фосфора под влиянием фосфоробактерий.

Соли фосфорной кислоты характеризуются различной растворимостью и, следовательно, доступностью для растений.

Водорастворимыми являются фосфаты одновалентных катионов [КН2РО4, (NH4)2НРО4, Na3РО4], а также однозамещённые соли двухвалентных катионов [Са(Н2РО4)2, Mg(Н2РО4)2]. Они хорошо доступны для растений.

Кислоторастворимыми называют двузамещённые фосфаты кальция и магния (СаНРО4, MgНРО4) и свежеосаждённые, находящиеся в аморфном состоянии трёхзамещённые фосфаты [Са3(РО4)2, Mg3(РО4)2], которые нерастворимы в воде, но растворяются в слабых кислотах (органических, угольной). Эти соединения под действием кислых корневых выделений, а также органических и минеральных кислот, продуцируемых микробами, постепенно растворяются и становятся доступными для растений.

Не растворяются в воде и слабых кислотах, как следствие, практически недоступны растениям кристаллические формы трёхзамещённых фосфатов кальция и магния. Но некоторые растения – люпин, гречиха, горчица, в меньшей степени горох, донник, эспарцет и конопля – обладают способностью усваивать фосфор из трёхзамещённых фосфатов. Наименее доступны растениям фосфаты железа и алюминия (AlPO4, FePO4) Важную роль в формировании условий фосфорного питания играет химическое поглощение водорастворимых фосфатов (ретроградация фосфора), протекающее в почвах при любой реакции среды.

В нейтральных, насыщенных основаниями почвах (чернозёмах, каштановых) образуются дву- и трёхзамещённые фосфаты кальция и магния:

Са(Н2РО4)2 + Са(НСО3)2 → 2СаНРО4↓ + 2Н2СО3;

ППК)Са2+ + Са(Н2РО4)2 → ППК)2Н+ + Са3(РО4)2↓.

В кислых почвах, характеризующихся повышенным содержанием алюминия и железа (дерново-подзолистых, краснозёмах), выпадают в осадок фосфаты этих элементов:

Са(Н2РО4)2 + 2Fe3+ → 2FePO4↓ + Са2+ + 4Н+;

ППК)Al3+ + К3РО4 → ППК)3К+ + AlPO4↓.

Вследствие ретроградации водорастворимые фосфаты содержатся в почвах в незначительных количествах (как правило, не более 1 мг/кг почвы).

Анионы фосфорной кислоты в почве могут обменно поглощаться, закрепляясь на поверхности положительно заряженных коллоидных частиц гидроксидов алюминия и железа В большей степени обменное поглощение фосфатов выражено при кислой реакции среды. Процесс обменного поглощения обратим, то есть фосфат-ионы способны и вытесняться из ППК в раствор другими анионами. Как следствие, обменно-поглощённые анионы фосфорной кислоты хорошо доступны для растений.

Растворимые соли фосфора потребляются не только растениями, но и микроорганизмами, превращаясь в органические фосфорсодержащие соединения. После отмирания микробов основное количество биологически поглощенного фосфора вновь становится доступным растениям за исключением небольшой части, перешедшей в состав гумуса.

Для дерново-подзолистых и серых лесных почв стандартизирован метод Кирсанова: вытяжка производится 0,2 н. HCl, в раствор при этом переходят водорастворимые и кислоторастворимые соли фосфорной кислоты.

В некарбонатных чернозёмах содержание подвижного фосфора определяется по Чирикову: почва обрабатывается 0,5 н. СН3СООН.

На карбонатных почвах кислоты не применяют, так как слабокислотные вытяжки расходуются на разложение карбонатов, а более концентрированные могут растворять недоступные для растений фосфаты. Поэтому содержание подвижного фосфора в карбонатных чернозёмах определяют по Мачигину с помощью 1 % (NH4)2CO3, имеющего щелочную реакцию.

Абсолютные результаты, полученные любым методом, неинформативны, так как постоянное воздействие корней растений на почву в течение вегетации далеко не равнозначно растворяющей способности какого-либо реактива. Например, при взаимодействии раствора с почвой устанавливается равновесие, а в присутствии растений, потребляющих фосфор, его концентрация в жидкой фазе почвы постоянно уменьшается, стимулируя переход в раствор новых количеств фосфатов.

Однако, сравнивая урожайность культур в полевых опытах, проводимых на почвах с разным содержанием подвижного фосфора, можно сделать заключение о том, насколько хорошо обеспечена та или иная почва фосфором, и выразить полученную закономерность в виде группировки, имеющей практическое значение.

Баланс фосфора в почвах

Приходные статьи:

1) минеральные и органические удобрения – основная;

2) семена растений – 2-3 кг/га·год.

Расходные статьи:

1) вынос урожаями сельскохозяйственных культур – основная;

2) потери в результате водной эрозии – 5-10 кг/га·год;

3) вымывание в грунтовые воды – наблюдается только на лёгких и торфяных почвах, где может достигать 3-5 кг/га·год.

Анализ приходных статей показывает отсутствие каких-либо существенных источников компенсации потерь фосфора из почвы, кроме удобрений. Исключительную роль в обеспечении бездефицитного баланса фосфора играют минеральные удобрения, потому что в составе органических в почву возвращается значительно меньше фосфора, чем отчуждается урожаями.