|
|
ОглавлениеГлава 1. История развития агрохимии Глава 4. Химическая мелиорация почв Глава 5. Азотное питание и трансформация азота в почве Глава 6. Фосфорное питание растений Глава 7. Калийное питание растений Глава 8. Комплексные удобрения Глава 10. Органические удобрения Глава 11. Удобрение сельскохозяйственных культур Глава 12. Удобрение зернобобовых культур Глава 13. Физиологические основы питания и удобрения гречихи и картофеля Глава 14. Особенности питания и удобрения сахарной свеклы Глава 15. Особенности питания и удобрения масличных культур Глава 16. Питание и удобрение овощных культур Глава 18. Удобрение многолетних трав Глава 19. Удобрение плодовых и ягодных культур Глава 20. Приемы, способы и сроки внесения удобрений Глава 21. Особенности удобрения овощных культур в защищенном грунте Глава 22. Биологическое земледелие Глава 23. Определение потребности сельскохозяйственных культур в удобрениях Глава 24. Агрохимия радиоактивных изотопов Для бесплатного чтения доступна только часть главы! Для чтения полной версии необходимо приобрести книгуГлава 6. Фосфорное питание растений6.1. Значение фосфора для растенийФосфору 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 процессах 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 заключается в образовании липидных цитоплазматических мембран, контролирующих поступление питательных веществ в растения. Поскольку фосфор контролирует практически все биохимические процессы жизнедеятельности растений, то своевременное обеспечение питания их фосфором имеет первостепенное значение в формирования высоких урожаев сельскохозяйственных культур. В XXI столетии рост применения фосфорных удобрений неуклонно продолжится в связи со стремительным ростом народонаселения планеты. Для России с ее бедными почвами применение фосфорных удобрений особенно актуально и должно приоритетно входить в число первостепенных государственных задач. 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 — 40–60 мг/кг Р2О5 продуктивность севооборотов составляет менее 2 т/га з. е. При содержании 120–140 мг/кг Р2О5 она увеличивается до 3,5–4,0 т/га з. е., а при высоком содержании Р2О5–250–300 мг/кг, продуктивность возрастает до 5–6 т/га з. е. и выше. По мере повышения уровня содержания подвижных фосфатов в почве значительно уменьшается зависимость урожайности сельскохозяйственных культур от неблагоприятных погодных условий. Фосфор (от греч. phosphoros — светоносный) имеет один устойчивый нуклид 31Р (атом. масса 30,974). В агрохимических исследованиях нашли также широкое применение искусственные радиоактивные изотопы 32Р и 33Р, обладающие соответственно жесткой и мягкой энергией β-излучения с периодом полураспада 14,3 и 25,3 суток. Фосфор открыт Н. Брандтом 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: 1S22s22p63s23p3, 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 которых наиболее распространены апатиты. В торфяниках и болотистых местах довольно часто локально встречается вивианит Fe3(РО4)2·8Н2О. Значительно реже почвообразующие породы содержат фосфорсодержащие минералы: торбернит Cu(UO2)2(PO4)2·12Н2О, трифилит Li(Fe, Mn)PO4, и др. 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. За последние 20 лет (1985–2005 гг.) было добыто и использовано 29 млрд. т фосфатов, тогда как за предшествующие этому 80 лет — около 24 млрд. т. Следует отметить, что в отличие от азота, приход которого в почву 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 органо-минеральных соединений почвы. Условно почвенный фосфор можно разделить на четыре группы: фосфор, содержащийся в почвенном растворе, — фосфат-ионы и растворимые органические фосфорсодержащие соединения; фосфаты, адсорбированные на поверхности почвенных коллоидов; фосфорсодержащие аморфные и кристаллические минералы и 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. Обменная адсорбция фосфат-ионов происходит на поверхности вторичных глинистых минералов, оксидов железа и алюминия: (Fe, Al)-OH + H2PO4– ↔ (Fe, A1)-О-РО3Н2 Восполнение равновесной концентрации фосфора в почвенном растворе (фосфатная буферность почвы) происходит постоянно как за счет минерализации органического вещества, так и за счет перехода в раствор обменноадсорбированных фосфат-ионов и фосфорных соединений аморфных и кристаллических минералов. Известно, что ионы H2PO4– и HPO42– перемещаются к корням растений в основном в результате диффузии и массовым током 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. 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: Al3+, Fe2,3+, Са2+, Mg2+, Mn2+, Ti2+, Pb2+ 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. 6.2. Содержание фосфора в растенияхВ растениях фосфор входит в состав органических и минеральных соединений. Соотношение органического и неорганического фосфора в растениях зависит от биологических особенностей культур, возраста и обеспеченности растений фосфором. В молодых органах растений доля органического фосфора всегда выше (90–95%), чем в старых (60–70%). Важно отметить, что даже при сильном дефиците фосфора небольшая его часть в растениях остается в резерве в неорганической форме. Основной резервной формой фосфора в растениях и, прежде всего, в репродуктивных органах (семенах) является фитин — кальций-магниевая соль фитиновой кислоты. Содержание общего фосфора в основных сельскохозяйственных культурах представлено в табл. 6.1. Таблица 6.1 Содержание фосфора в растениях,% от сухой массы (Городний Н. М., 2008)
Фосфор входит также в состав различных коферментов и простатических групп. Ключевая роль в обмене веществ, как хранителю и носителю энергии, принадлежит аденозинтрифосфату (АТФ). Благодаря расщеплению богатых энергией триполифосфатных макроэргических связей высвобождается энергия, необходимая для синтеза углеводов, белков, жиров и т. д., или запасается энергия фотосинтеза, освобождающаяся в процессе распада органических веществ. 6.3. Фосфорное питание растенийОсновным источником фосфорного питания растений являются анионы ортофосфорной кислоты Н2РО4– и НРО42–, содержащиеся в почвенном растворе. Присутствие определенного количества анионов РО43– в слабощелочных почвах не имеет весомого значения в питании растений, с одной стороны, в силу низкой концентрации и малой его подвижности из-за высокой плотности заряда, с другой стороны, при адсорбции РО43– на поверхности клеточной стенки корня, имеющей в приграничной зоне, как правило, слабокислую или нейтральную среду, фосфатион, присоединяя ион водорода (протонитруется), превращается в одновалентный дигидрофосфат-ион (РО43– + Н+ → НРО42– + Н+ → Н2РО4–). Поэтому, в какой бы форме не находились фосфат-ионы в почвенном растворе, поступают они в клетку растении в основном в виде одновалентного аниона Н2РО4–. В сильнокислых растворах (при рН < 3) преобладает Н3РО4, а в сильнощелочных растворах (при рН > 10) ион РО43–, однако их доля в диапазоне рН от 4 до 9 незначительна. В зависимости от реакции среды анионы фосфорной кислоты могут существовать в растворе в виде Н2РО4–, НРО42–, РО43– (табл. 6.2). Растения потребляют в основном ионы фосфора из почвенного раствора, поэтому для оценки плодородия почв и состояния питания растений общее содержание фосфора в почве имеет менее важное значение, чем количество в ней лабильных фосфатов. Содержание фосфора в почвенном растворе (примерно 95% H2PO4–, H PO42– и около 2–5% фосфора органических соединений), как правило, незначительно и колеблется в зависимости от плодородия почв от 0,1 до 5 мг/л, что составляет примерно 0,1–5 кг Р2О5/га пахотного слоя. Таблица 6.2 Влияние реакции раствора на содержание анионов фосфорной кислоты, % от суммы (по Олсену)
При этом более чем в 50% случаев, по данным Барбера (1988), содержание фосфора в почвенном растворе колеблется в пределах 0,5–2,0 мг/л. Концентрация NO3– в почве примерно в 10–100 раз выше, чем фосфора. Эти различия можно объяснить небольшим объемом и размером поперечного сечения пленочной воды на границе корня с почвой, препятствующей диффузии ионов и свободному перемещению воды в почве, что приводит к местному истощению фосфора у поверхности корней. Большинство сельскохозяйственных культур за период вегетации потребляет из почвы 20–40 кг/га фосфора (Р2О5). Поэтому степень удовлетворения растений фосфором будет зависеть прежде всего не от первоначального содержания его в растворе, а от способности почвы восполнять и поддерживать концентрацию фосфатов в почвенном растворе в течение всей вегетации. Следует отметить, что концентрация фосфора в растворе имеет неодинаковое значение для растений в разных почвах. Легкие почвы удерживают меньше воды, чем тяжелые, отсюда при равной влажности (% от НВ) и одинаковой концентрации фосфат-ионов в почвенном растворе общее количество фосфора в жидкой фазе легких песчаных почв значительно меньше, чем в тяжелых. Поэтому при равной концентрации фосфора в почвенных растворах растения лучше обеспечены им в тяжелых почвах по сравнению с более легкими. Неодинаковую доступность труднорастворимых фосфатов различным растениям отмечали многие. Е. Труог еще в 1916 г. обратил внимание на то, что разница в доступности фосфора для различных растений обусловлена неодинаковым потреблением ими кальция. Труднорастворимые фосфаты доступны тем растениям, которые потребляют больше кальция, поскольку, в соответствии с принципом произведения растворимостей [(. Са2+)0,5·(. H2РО4–) = Const] концентрация фосфора в растворе повышается по мере снижения концентрации кальция. По этой причине бобовые культуры, потребляющие много кальция, например люпин, донник и горох, могут использовать в качестве источника фосфора фосфориты и другие слаборастворимые фосфаты кальция, в то время как злаковые культуры, потребляющие для питания меньше кальция, не могут растворять фосфор труднорастворимых соединений. Однако, как было установлено позже, не только бобовые культуры способны использовать труднорастворимые фосфаты почвы. Например, гречиха, горчица, щавель, не отличающиеся высоким потреблением кальция, довольно хорошо усваивают труднорастворимый фосфор фосфорита, так же как и бобовые. При недостатке фосфора растения плохо растут, листья мелкие темно-зеленые с голубоватым оттенком, прожилки листьев часто с красно-фиолетовой антоциановой окраской. Признаки фосфорного голодания становятся особенно хорошо заметны в холодную погоду, вначале на старых, а затем и на молодых листьях (кукуруза, свекла, злаки, ягодные культуры и др.). Со временем на листьях появляются желто-бурые, затем темно-бурые пятна по краям. У зерновых культур при недостатке фосфора стебель становится грубым и деревянистым, листья мелкие, расположены почти вертикально. У капустных вдоль жилок нижних (старых) листьев появляется багрянцевая окраска. При недостатке фосфора нижние листья томата, а затем и все остальные приобретают красно-фиолетовый оттенок. Цветение и созревание у всех растений заметно задерживаются. Растягивается созревание растений. Значительно снижается размер и число плодов, колосков в колосе, а следовательно, и урожай. 6.4. Содержание и формы фосфора в почвеВ отличие от азота, соединения которого неустойчивы в почве и легко теряются в результате денитрификации и вымывания, большая часть фосфорных соединений в почве нерастворима и практически не вымывается из почвы. Слабая растворимость фосфорсодержащих минеральных и органических соединений является основной причиной низкой доступности фосфатов почвы и удобрений растениям. Поэтому одной из важнейших задач в агрохимии фосфора является разработка приемов повышения доступности фосфатов почвы растениям. Содержание общего (валового) фосфора в пахотном слое различных почв (в % от сухой массы) варьирует в довольно широком диапазоне: в дерново-подзолистых — 0,05–0,15, серых лесных — 0,10–0,20, черноземах — 0,15–0,30, каштановых — 0,10–0,20, сероземах — 0,08–0,16, красноземах — 0,09–0,18. Однако валовое содержание фосфора в почве не может служить строгим показателем возможности его использования растениями. Растениям хорошо доступны лишь водорастворимые дигидрофосфаты и в меньшей степени гидрофосфаты, концентрация которых в почвенном растворе незначительна, так как они постепенно переходят в слаборастворимые фосфаты. Для определения содержания подвижного фосфора используют вытяжки из почвы растворами кислот и солей: для дерново-подзолистых и серых лесных почв — 0,2 М соляная кислота (метод А. Т. Кирсанова); некарбонатных черноземов — 0,5 М уксусная кислота (метод Ф. В. Чирикова), карбонатных черноземов и каштановых почв — 1% раствор (NH4)2CO3 (метод Б. П. Мачигина). Фосфор, вносимый с удобрениями и освобождаемый при выветривании фосфорсодержащих минералов, наиболее интенсивно взаимодействует с коллоидными частицами почвы. Содержание его в илистой фракции почвы всегда выше, нежели в более крупных фракциях почвы. Отсюда при равенстве других условий в суглинистых и глинистых почвах фосфора содержится больше, чем в почвах легкого гранулометрического состава (табл. 6.3). Таблица 6.3 Влияние гранулометрического состава на валовое содержаниефосфора в пахотном слое серых лесных почвах (Минеев, 2005)
Наиболее высокое содержание фосфора, как правило, в верхнем (пахотном) слое почв. Большее количество фосфора в верхнем слое почвы обусловливается, с одной стороны, распределением массы ежегодно отмирающих корней, которые таким образом перемещают (перераспределяют) фосфор из нижних подпахотных слоев в верхние, с другой — внесением в пахотный слой почвы органических и минеральных удобрений. В результате указанных причин в старопахотных почвах содержание фосфора в верхнем горизонте может быть в 2–3 раза выше, чем в почвообразующих материнских породах. Распределение фосфора в почвенном профиле зависит от типа почвы. В дерново-подзолистых почах содержание общего фосфора в элювиальном горизонте А2 (Е) в 5–10 раз ниже, чем в верхнем. Содержание фосфора довольно тесно коррелирует с содержанием гумуса, гранулометрическим составом и уменьшается вниз по профилю (табл. 6.4). |
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
