6.8. Взаимодействие фосфорных удобрений с почвой

Взаимодействие водорастворимых фосфорных удобрений с почвой. Влияние способа внесения удобрений на коэффициент использования фосфора растениями

Водорастворимые удобрения являются более универсальными, так как их можно использовать и на щелочной, и на кислой почве. Их вносят на подзолистых почвах в дозах 60-90 кг фосфора на 1 га. Водорастворимые удобрения не обязательно глубоко заделывать в почву, а в некоторых случаях это даже вредно, так как может привести к уменьшению усвояемости удобрения растениями.

Растворимость фосфорных удобрений (в том числе водорастворимых) по сравнению с азотными и калийными значительно ниже. При внесении в почву фосфорных удобрений по мере их растворения фосфат-ион постепенно переходит в разные соединения, характерные для данной почвы, обусловленные ее генетическими особенностями (направленностью почвообразовательного процесса), физико-химическими и минералогическими свойствами, степенью окультуренности и т.д.

Однако процесс этот идет очень медленно. Частично же внесенные фосфорные удобрения (в особенности гранулированные, а также полурастворимые и нерастворимые) длительно сохраняются в почве в неизменном виде.

Взаимодействие водорастворимых фосфорных удобрений с почвой

Трансформация растворимого фосфора удобрений в почве может быть обусловлена рядом процессов:

химическим поглощением фосфора катионами кальция, магния, оксидами и гидроксидами железа, алюминия, марганца и титана;

коллоидно 1 химическим (обменным) поглощение фосфора на поверхности твердой фазы почвы;

биологическим поглощением фосфора корневой системой растений и почвенной микрофлорой.

Обменное поглощение (адсорбция) фосфат-ионов наблюдается на поверхности положительно заряженных коллоидных частиц (коллоидах гидратов полуторных оксидов) или на положительно заряженных участках отрицательно заряженных коллоидов (у минералов каолинитовой и монтмориллонитовой групп и гидрослюд, коллоидов белковой группы). Обменное поглощение фосфатов сильнее выражено в условиях кислой среды. Так иллит (минерал из группы гидрослюд), бентонит (минерал из монтмориллонитовой группы) и каолинит адсорбировали при рН 4-4,5 от 7,7 до 9,7 мг * экв. Н₂Р0₄ 2 — на 100 г. минерала. Заметных различий в поглощении анионов у минералов монтмориллонитовой и каолинитовой групп (как в случае с обменным поглощением катионов) не наблюдалось. Реакция среды вызывает изменение электрического потенциала почвенных коллоидов. Подкисление почвенного раствора способствует большему поглощению анионов; подщела-чивание, наоборот, вызывает уменьшение этого процесса. Поэтому для почв, имеющих слабокислую и нейтральную реакции, обменное поглощение выражено слабее (Антипов-Каратаев и др.):

Почва Адсорбировано Р0₄ 3 — из 0,05 н. Н₃Р0₄, мг* экв/100г почвы

Обменно-поглощенные анионы фосфорной кислоты могут легко вытесняться в раствор (десорбция) другими анионами минеральных и органических кислот (НС0₃-, лимонной, яблочной, щавелевой, муравьиной, гуминовыми и др.). Эти анионы всегда присутствуют в почвенном растворе как результат дыхания растений, их корневых выделений, а также разложения микроорганизмами растительных остатков и органических удобрений и др., т.е. недостатка в агентах десорбции фосфатов в почвенном растворе не бывает. Это и определяет хорошую подвижность обменно-поглощенных фосфатов в почвах, а стало быть, и их доступность растениям. Часть фосфат-ионов удобрений, растворившихся в почвенном растворе, поглощается почвой по типу химического связывания.

Ход и тип химического поглощения фосфатных удобрений в почвах обусловливаются в значительной мере типом почвы и степенью ее кислотности.

Величина рН почвы определяет растворимость солей кальция, магния, алюминия, железа, марганца, титана, которые, взаимодействуя с водорастворимыми фосфат-ионами, переводят его в труднорастворимые соединения. Так, при рН ниже 5 в почве могут появляться ионы алюминия, при рН ниже 3 — ионы железа. Считается, что наименьшее связывание фосфатов и их наибольшая подвижность обнаруживаются в интервале рН от 5,0 до 5,5. На более кислых почвах происходит поглощение фосфора главным образом оксидами алюминия и железа, на менее кислых почвах возрастает поглощение фосфора кальцием и магнием.

Таким образом на почвах с реакцией среды, близкой к нейтральной, водорастворимые, фосфорные удобрения-монофосфаты [(Са(Н₂Р0₄)₂ * Н₂0] через некоторое время превращаются в результате химического поглощения в двузамещенные фосфаты кальция и магния (СаНР0₄ * 2Н₂0 или MgHP0₄) и остаются долгое время в таком (доступном для растений) виде. В дальнейшем происходит постепенное замещение иона водорода, оставшегося в двузамещенной соли, кальцием или магнием с образованием трехзамещенных фосфатов этих элементов Ca₃(P0₄)₂, Mg₃(P0₄)₂, а в последующем и более основных фосфатов типа октакальцийфосфата [Са₄Н(Р0₄)₃ * ЗН₂0] (еще менее растворимого соединения).

Но и эти соли, пока они находятся в свежеосажденном аморфном состоянии, сохраняют свойство заметно растворяться в слабых кислотах, а значит, и остаются в частично доступном для растений виде. Только по мере «старения» трехзамещенных и более основных солей фосфорной кислоты, их перехода из аморфного в кристаллическое состояние они становятся недоступными для большинства растений. Процесс «старения» фосфатов получил название ретроградация фосфатов.

В дерново-подзолистых почвах с кислой и слабокислой реакцией основными компонентами химического связывания фосфат-ионов из водорастворимых удобрений являются подвижные, то есть несиликатные, полуторные оксиды:

Свежеосажденные аморфные фосфаты алюминия и железа так же могут усваиваться растениями, но по мере их «старения» они кристаллизуются и становятся нерастворимыми. Химическому поглощению в почвах подвергаются как водорастворимые фосфат-ионы удобрений, так и фосфат-ионы, перешедшие в раствор из обменно-поглощенного состояния в процессе десорбции.

Процесс поглощения почвами фосфатов удобрений и их дальнейшей трансформации очень медленный. Опыт длительного применения высоких доз фосфатных удобрений (в несколько раз превышает вынос Р₂₅) показал, что существенная часть фосфора удобрений накапливается в таких почвах в легкорастворимой форме в значительных количествах (600-1000 мг/кг почвы и более).

Длительное выращивание растений в условиях дефицита фосфорных удобрений ведет к истощению почвенных запасов этого элемента и постепенной деградации почв.

6.8. Взаимодействие фосфорных удобрений с почвой

Поглощение фосфатов удобрений регулируется двумя параллельно идущими процессами – сорбции и химического осаждения. Соотношение между ними зависит от реакции почвенного раствора, содержания гумуса, степени диспергированности и реакционной способности почвенных глинистых минералов, доз удобрений и времени их взаимодействия с почвами.

Адсорбция фосфатов на поверхности почвенных частиц может происходить благодаря обмену фосфат-ионов с ОН — , Cl — , SO₄ 2- , ионами гумусовых и кремниевых кислот. С. Н. Иванов установил, что фосфат-ионы в дерново-подзолистых и торфяных почвах преимущественно связаны поверхностно-адсорбционно. Характерной чертой адсорбции является поведение адсорбированных фосфат-ионов как потенциалопределяющих с образованием внутренней части двойного электрического слоя. По мнению немецкого ученого В. Матцеля, адсорбция фосфат-ионов происходит на близких к поверхности гидроксильных группах (ОН — ) оксидов алюминия и железа, а также на боковых поверхностях частиц глинистых минералов:

_{(Al, Fe) – ОН + Н2РО4 (А1, Fe) – О – РО3Н2 + ОН.}

Таким образом, обменное поглощение фосфат-ионов в почве не подлежит сомнению. Это имеет большое значение для питания растений, так как благодаря ионному обмену адсорбированные фосфат-ионы могут переходить в почвенный раствор. Поглощение фосфат-ионов растениями возможно потому, что они постоянно выделяют через корни при дыхании углекислый газ, который образует угольную кислоту, распадающуюся на ионы Н + и HCO₃ — . Последний и обменивается с коллоидами на Н₂РО₄ — .

Как показали исследования Р. Е. Елешева и А. Л. Иванова, степень сорбции фосфатов почвами определяется количеством фосфора, находящимся в твердой части почвы. Объем сорбированного фосфора изменяется пропорционально дозе Р₂О₅. При одинаковых дозах фосфорных удобрений степень сорбции фосфатов снижается с повышением содержания фосфатов в почве.

По данным Дж. Риден, при небольших концентрациях фосфора в растворе преобладает хемосорбция фосфат-ионов у протонированной поверхности (имеющей ионы Н + или ОН — ). Хемосорбция происходит благодаря химическому взаимодействию поглощаемого вещества и поглотителя и приводит к образованию двойного электрического слоя. Этот процесс характеризуется небольшим количеством сорбционных мест и большой энергией связей.

При более высоких равновесных концентрациях фосфора в растворе преобладают процессы физической адсорбции фосфатов, происходящие в потенциалопределяющем и компенсирующих слоях двойного электрического слоя, для которых характерно большое количество сорбционных мест, но с менее прочным закреплением фосфатного иона почвой.

Исследования по химии фосфора показали, что при внесении в почву монокальцийфосфата Са(Н₂РО₄)₂ вода в виде пара перемещается из окружающей почвы к удобрению. По мере растворения последнего образуется раствор, насыщенный монокальцийфосфатом и дигидратом дикальцийфосфата. Этот концентрированный раствор, содержащий много фосфора и кальция, затем передвигается по почвенным капиллярам от частиц удобрения, реагируя по пути с соседними частицами почвы и образуя свежеосажденные фосфаты. В этот раствор из почвенных частиц переходит довольно много ионов алюминия, железа, марганца и кальция. Последние могут вступать в реакцию с растворенным фосфором и образовывать кристаллические и аморфные продукты различной степени растворимости и доступности растениям. Остаточный фосфор растворимых фосфорных удобрений быстро включается в химические, физико-химические и биологические процессы, протекающие в почве. В труднорастворимые формы растворимые фосфаты удобрений превращаются в результате химического осаждения фосфатов из растворов. При этом образовавшиеся осадки со временем стареют, приобретая строение кристаллов.

Таким образом, превращение водорастворимых фосфорных удобрений в нейтральных почвах происходит следующим образом:

На почвах кислых, кроме того, образуются труднодоступные растениям фосфаты железа и алюминия:

Образованию фосфатов железа и алюминия кроме высокой кислотности почвы и малой концентрации ионов кальция способствует высокое содержание активных оксидов железа и алюминия. При нейтральной реакции почвы также могут образовываться фосфаты железа и алюминия вокруг частиц удобрения благодаря их подкисляющему свойству. В переувлажненных почвах даже при рН выше 5,5 образуются преимущественно фосфаты железа, в песчаных – преобладают фосфаты алюминия. Протекающие реакции приводят к образованию в почве фосфатных минералов: стренгита (FePО₄∙2H₂О), варисцита (А1РО₄∙2Н₂О) и их изоморфной смеси баррандита, а также гидроксилапатита Са₁₀(РО₄)₆∙(ОН)₂, фторапатита Ca₁₀(PO₄)₆F₂ и других малодоступных для растений минералов.

Итак, можно выделить несколько механизмов необратимой фиксации фосфорной кислоты в почвах:

быстрый переход растворимых, доступных форм фосфатов в малодоступные для растений формы под влиянием полуторных оксидов железа и алюминия, особенно на кислых почвах;

фиксация доступных форм фосфорной кислоты главным образом вследствие адсорбции глинистыми минералами, насыщенными кальцием и другими катионами;

адсорбция растворимых фосфатов на поверхности частиц извести и постепенное их превращение в гидроксилапатиты или другие труднорастворимые соединения.

Превращение фосфоритной муки и других нерастворимых в воде форм фосфорных удобрений, в отличие от превращения рассмотренных водорастворимых форм фосфорных удобрений, состоит в их растворении под действием кислотности почвы, кислотами, выделяемыми микроорганизмами и растениями, а также в поглощении фосфатов почвой. В дальнейшем процесс поглощения фосфорной кислоты, фосфоритов и других водонерастворимых форм фосфорных удобрений аналогичен поглощению почвой растворимых фосфорных удобрений.

Дерново-подзолистые почвы отличаются большой емкостью поглощения фосфат-ионов: от 800 мг/кг Р₂О₅ на песчаных до 3000 мг/кг на глинистых (по данным С. Н. Иванова). Наибольшей емкостью поглощения фосфат-ионов в Беларуси обладают торфяные почвы низинного типа – 13500–31000 мг Р₂О₅ на 1 кг сухого торфа. Органическое вещество почвы благоприятно влияет на растворимость фосфатов. Высокое содержание ионов органических соединений снижает поглощение ионов фосфатов.

Исследования кафедры агрохимии БГСХА показали, что под влиянием длительного внесения органических и минеральных удобрений в дерново-подзолистой легкосуглинистой и супесчаной почве возрастает общее содержание фосфора как за счет минеральных, так и органических форм (табл. 6.4). Накопление минеральных форм фосфора происходило за счет всех фракций, извлекаемых по методу Гинзбург – Лебедевой. На дерново-подзолистой легкосуглинистой почве через 22 года после закладки опыта из фосфатов полуторных оксидов больше накапливалось фосфатов алюминия, чем фосфатов железа, а в группе фосфатов кальция увеличение произошло в большей мере за счет легкорастворимых форм (Са-Р_I и Са-Р_II). Навозо-минеральная система удобрения примерно в одинаковой мере по сравнению с контролем способствовала увеличению содержания в почве фосфатов полуторных оксидов и кальция. В то же время в варианте, где применялись только минеральные удобрения, на долю фосфатов полуторных оксидов приходилось около 60, фосфатов кальция – 40%. Таким образом, сочетание органических и минеральных удобрений способствует сохранению в почве фосфора в более доступной форме, чем при внесении одних минеральных удобрений.

На дерново-подзолистой супесчаной почве через 13 лет после закладки опыта в удобряемых вариантах накопление фосфора по сравнению с контрольным вариантом происходило также за счет всех форм, извлекаемых по методу Гинзбург – Лебедевой, но в большей мере за счет фосфатов алюминия и фракций более растворимых фосфатов кальция. На дерново-подзолистых песчаных почвах при создании искусственных фонов с различными уровнями содержания подвижного фосфора (определяемого по методу Кирсанова) накопление фосфора происходило в отличие от суглинистых и супесчаных почв преимущественно за счет фосфатов алюминия (табл. 6.4).

Приведенные опытные данные не подтверждают широко распространенные суждения об относительно сильной ретроградации фосфорных удобрений.

Фосфатный режим почвы можно регулировать локальным внесением удобрений, при котором меньше их контакт с почвой и выше коэффициент использования фосфора удобрений. Сохранению фосфора удобрений в доступных формах способствует внесение извести и органических удобрений.

Долгое время считалось, что под влиянием известкования фосфаты железа и алюминия переходят в почве в более растворимые фосфаты кальция. Однако это не подтвердилось исследованиями С. Н. Иванова, кафедры агрохимии БГСХА, Н. Д. Хлыстовского и других авторов. При известковании существенно не изменяется содержание подвижных фосфатов в почве, но повышается степень их подвижности и доступность вследствие снижения кислотности, содержания обменного алюминия и общего улучшения условий роста и развития. На известкованных почвах фосфорные удобрения меньше переходят в фосфаты железа и алюминия и в большей мере сохраняются в формах, связанных с кальцием, что повышает эффективность удобрений.

Влияние фосфорных удобрений на микрофлору почвы

Фосфорные удобрения оказывают существенное влияние на почвенную микрофлору, хотя в меньшей степени, чем азотные.

Ежегодное применение фосфорных удобрений, особенно в районах интенсивного земледелия, где их вносят в высоких дозах, влияет не только на продуктивность растений и плодородие почвы, но и на микробиологические процессы в почве.

Как показывают результаты исследований, после внесения фосфора существенно увеличивается общая биологическая активность, возрастает количество выделяемого СO₂: значительнее — на легких аллювиально-луговых почвах, меньше — на тяжелых сильно выщелоченных луговых коричневых почвах и выщелоченных смолницах. Количество выделенного СO₂ повышается с возрастанием дозы удобрения до Р₂₄₀ и снижается при высоких нормах Р₉₆₀.

Внесение фосфора на фоне азота также стимулирует общую биологическую активность. Выделение СO₂ в почвенный воздух возрастает более значительно, чем при раздельном внесении фосфора и азота. Совместное внесение фосфора и азота, увеличивая биологическую активность почвы, позволяет использовать более высокие дозы фосфора.

Совместное использование азота и калия положительно влияет на биологические свойства почвы, удобренной фосфором. При соотношении питательных веществ в удобрении, равном 1:1:1, намного увеличивается общая биологическая активность, особенно при внесении N₄₈₀P₄₈₀K₄₈₀. Следовательно, при высоких дозах фосфорных удобрений, возрастающих при совместном внесении с азотными и калийными, биологическая активность почвы увеличивается.

Фосфор оказывает различное воздействие на численность отдельных групп микроорганизмов. Активируется развитие бактерий, минерализующих азотсодержащие соединения, т. е. усиливаются процессы, связанные с минерализацией почвенного азота. С возрастанием количества фосфора в почве численность бактерий, участвующих в превращении минеральных и органических фосфорных соединений, снижается. Следовательно, можно ожидать, что при применении фосфорных удобрений возрастет биологическая трансформация соединений фосфора в почве и активируется трансформация азота. Приведенные выводы подтверждаются данными об изменении ризосферной микрофлоры при внесении различных видов удобрений. Под овощные культуры вносят высокие дозы фосфора — до 480 кг Р₂O₅/га. При внесении фосфорных удобрений на фоне N₂₄₀ стимулируется размножение бактерий, участвующих в превращении органических и минеральных соединений азота, фосфора и калия, т. е. активизируются биологические процессы, сопряженные с мобилизацией и иммобилизацией азота, фосфора и калия.

На фоне калия фосфор активизирует размножение бактерий, минерализующих органические азотсодержащие соединения в почве, т. е. усиливает процессы минерализации. Однако фосфор оказывает незначительное влияние на активность бактерий, участвующих в превращениях почвенного фосфора, т. е. дополнительное поступление фосфора из нерастворимых форм не происходит.

Под влиянием фосфорных удобрений увеличивается численность аммонифицирующих бактерий и актиномицетов, минерализующих органические вещества в почве. Аммонифицирующие бактерии участвуют в минерализации легко растворимых, а актиномицеты — трудно растворимых органических соединений. Следовательно, поступление в почву фосфора происходит за счет высвобождения его из органических соединений. Что касается влияния фосфорных удобрений на отдельные микроорганизмы, то при раздельном внесении фосфора (до 480 кг Р₂O₅/га) повышается численность бактерий и снижается — актиномицетов, т. е. увеличивается интенсивность процесса разложения легкоминерализующихся органических соединений. Систематическое увеличение доз удобрений приводит к снижению численности бактерий и увеличению — актиномицетов. Аналогичные закономерности наблюдаются при внесении фосфора на фоне калия, а также при одновременном внесении возрастающих доз фосфора совместно с калием. Независимо от количества внесенного фосфора на азотном фоне численность бактерий всегда высокая. Следовательно, внесение низких и средних доз только фосфорных удобрений или на фоне азота и калия вызывает ускорение процессов разложения легкоминерализующихся органических веществ, тогда как высокие дозы фосфора интенсифицируют процессы разложения трудно минерализующихся органических соединений в почве.

Источник https://studbooks.net/1020723/agropromyshlennost/vzaimodeystvie_vodorastvorimyh_fosfornyh_udobreniy_pochvoy_vliyanie_sposoba_vneseniya_udobreniy_koeffitsient

Источник https://studfile.net/preview/5611088/page:11/

Источник https://www.activestudy.info/vliyanie-fosfornyx-udobrenij-na-mikrofloru-pochvy/