Фосфор в почве: свойства и основные функции, особенности

Физические и химические свойства

Фосфор в жизни растений играет важную многоплановую роль. Как один из главных элементов питания организма растения он потребляется в виде солей ортофосфорной кислоты и солей полифосфорных кислот. После поступления в растение он сразу же включается в реакцию и включается в состав разных соединений. Наиболее важным моментом здесь выступает включение фосфора в состав кислот отвечающих за построение цитоплазмы и ядра клеток.

Он входит в состав веществ участвующих в процессе прорастания семян, обеспечивающих выделение ферментов отвечающих за рост растения. В тканях растений присутствует не только органический фосфор, здесь имеется большое количество неорганических фосфорных соединений, необходимых для создания резерва фосфора для синтеза других соединений обеспечивающих рост и жизнедеятельность клеток.

Соединения фосфора выполняют исключительно важную роль в обеспечении энергетического обмена внутри организма, в процессах деления и размножения клеток. Без фосфора невозможен углеводородный обмен, процессы фотосинтеза, поглощения углекислого газа и выделения кислорода.

Фосфор (Phosphorus), P – химический элемент главной подгруппы V группы периодической химической системы Менделеева. Атомный номер – 15, атомная масса – 30,97. В настоящее время известно несколько радиоактивных изотопов фосфора, из которых 32Р применяется в физиолого-биохимических и агрохимических исследованиях.

Фосфор характеризуется в целом как неметалл. Элемент образует несколько аллотропических видоизменений.

– твердое вещество, получается при быстром охлаждении паров фосфора.

• Плотность – 1,83 г/см³,
• Температура плавления – 44,1 °C,
• Температура кипения – 257 °C.

В чистом виде прозрачен и бесцветен, продажный продукт желтоватого цвета. На холоде хрупкое вещество. При температуре выше 15 °C становится мягким. На воздухе быстро окисляется с характерным свечением, особенно заметным в темноте. Даже при слабом нагревании (достаточно простого трения) белый фосфор сгорает, выделяя большое количество теплоты.

Также характерно явление самовоспламенения на воздухе по причине выделения большого количества теплоты при окислении. В воде нерастворим, растворяется в сероуглероде. Благодаря сравнительно невысокой прочности связей между молекулами кристаллической решетки, белый фосфор обладает высокой химической активностью. Данное вещество – сильный яд, принятия даже малой дозы которого достаточно для смертельного исхода.

образуется при долгом нагревании белого фосфора без доступа воздуха при температуре 250 – 300 °C. Имеет красно-фиолетовый цвет. Данное вещество может образоваться и под действием света. Для него характерно медленное окисление на воздухе, отсутствие свечения в темноте, температура горения – 260 °C, нерастворимость в сероуглероде. Красный фосфор не ядовит. Плотность – 2,0 – 2,4 г/см

. При сильном нагревании вещество испаряется, не плавясь (сублимируется). Охлаждение полученных паров приводит к образованию белого фосфора.

получают из белого при нагревании до 200 – 220 °C под высоким давлением. По внешнему виду он схож с графитом, на ощупь жирный. Плотность – 2,7 г/см

. Имеет свойства полупроводника.

Окисленные соединения фосфора необходимы всем живым организмам. Ни одна живая клетка не сможет существовать без них.

В растениях фосфор содержится в органических и минеральных соединениях. При этом, содержание минеральных соединений составляет от 5 до 15 %, органических – 85–95 %. Минеральные соединения представлены калиевыми, кальциевыми, аммонийными и магниевыми солями ортофосфорной кислоты. Минеральный фосфор растений – запасное вещество, резерв для синтеза фосфорсодержащих органических соединений. Он увеличивает буферность клеточного сока, поддерживает тургор клетки и другие не менее важные процессы.

Органические соединения – нуклеиновые кислоты, аденозинфосфаты, сахарофосфаты, нуклеопротеиды и фосфатопротеиды, фосфатиды, фитин.

На первом месте по важности для жизнедеятельности растений стоят нуклеиновые кислоты (РНК и ДНК) и аденозинфосфаты (АТФ и АДФ). Данные соединения участвуют во многих процессах жизнедеятельности растительного организма: синтезе белков, энергетическом обмене, передаче наследственных свойств.

P2O5 в нуклеиновых кислотах содержится около 20 %. Данные кислоты – неотъемлемая часть всех тканей и органов растений любой растительной клетки. В листьях и стеблях нуклеиновые кислоты составляют 0,1–1,0 % сухой массы.[8]

Особая роль фосфора в жизни растений заключается в участии в энергетическом обмене растительной клетки. Главная роль в данном процессе принадлежит аденозинфосфатам. В их составе присутствуют остатки фосфорной кислоты, связанные макроэргическими связями. При гидролизе они способны выделять значительное количество энергии.

Они представляют собой своеобразный аккумулятор энергии, поставляя ее по мере необходимости для осуществления всех процессов в клетке.

Различают аденозинмонофосфат (АМФ), аденозиндифосфат (АДФ) и аденозинтрифосфат (АТФ). Последний по запасам энергии значительно превосходит два первых и занимает ведущую роль в энергетическом обмене. Он состоит из аденина (пуринового основания) и сахара (рибозы), а также трех остатков ортофосфорной кислоты. Синтез АТФ осуществляется в растениях в процессе дыхания.[8]

Фосфатиды, или фосфолипиды – сложные эфиры глицерина, высокомолекулярных жирных кислот и фосфорной кислоты. Они входят в состав фосфолипидных мембран, регулируют проницаемость клеточных органелл и плазмалеммы для различных веществ.

Цитоплазма всех растительных клеток содержит представителя группы фосфатидов лецитин. Это производное диглицеридфосфорной кислоты, жироподобное вещество, имеющее в составе 1,37 % P2O5. [8]

Сахарофосфаты, или фосфорные эфиры сахаров, присутствуют во всех тканях растений. Известно более десятка соединений данного типа. Они выполняют важную роль в процессах дыхания и фотосинтеза в растениях. Образование сахарофосфатов носит название фосфорилирование. Содержание сахарофосфатов в растении, в зависимости от возраста и условий питания, варьирует от 0,1 до 1,0 % сухой массы.[8]

Фитин – это кальциево-магниевая соль инозитфосфорной кислоты, содержит 27,5 % P2O5. Он занимает первое место по содержанию в растениях среди других фосфорсодержащих соединений. Фитин присутствует в молодых органах и тканях растений, особенно много его в семенах, где он служит запасным веществом и используется проростками в процессе прорастания.[8]

Большая часть фосфора присутствует в репродуктивных органах и молодых частях растений. Фосфор отвечает за ускорение формирования корневых систем растений. Основное количество фосфора потребляется в первые фазы развития и роста. Фосфорные соединения обладают способностью легко передвигаться из старых тканей в молодые и использоваться повторно (реутилизироваться).[8]

Содержание в природе

Как известно фосфор чрезвычайно подвижный элемент, который в чистом виде практически нигде не встречается. Дело в том, что он легко вступает в химическую реакцию с другими химическими веществами и образует большое количество органических и неорганических соединений

Самым важным, из ряда фосфорсодержащих соединений, выступает кальциевая соль фосфорной кислоты. Это соединение добывается в виде минералов. К числу фосфорсодержащих минералов относится и апатит. Фосфор входит в состав белковых веществ животного и растительного происхождения. Самое большое количество его содержится в костях позвоночных живых организмов в виде фосфата кальция.

В чистом виде он был впервые выделен в 17 веке Брандом, известным алхимиком.

Фосфор один из важнейших элементов питания растений. Здесь задействуются анионы солей ортофосфорной кислоты. Вторым по важности  соединением, в котором содержится полезный для организмов растений фосфор выступает соли полифосфатных кислот, отвечающих за образование новых органических соединений.

По разным оценкам содержание фосфора в почве колеблется от 0,01 до 0,3% общей массы. Процентное содержание минерала зависит от состава пород которые были источником почвы. Чем больше фосфорсодержащих минералов в родительской форме породы, тем больше процент его содержания и в современном состоянии почвы.

Фосфор в почве в больших количествах содержится в грунте богатым гумусом. Из этого нетрудно сделать вывод, что наибольшее количество фосфора содержится в богатых черноземах, а наименьшее в песчаных и подзолистых.

Основными формами фосфора в почве выступают минеральная и органическая формы. В минеральной форме фосфор представлен в форме первичных минералов гидроксилапатита и фторапатита. В виде органических соединений входит в состав гумуса и разлагающихся остатков животных, растений и микроорганизмов.

В первом, неорганическом виде в почве фосфор растениями не усваивается, а вот подвижный фосфор в почве, вступающий в реакцию с другими веществами усваивается очень хорошо. Основным продуктом получающимся из первичного соединения в виде минералов является образование солей ортофосфорной кислоты, они и являются основным источником фосфора для питания растений.

По разным оценкам общий баланс фосфора в почвах может составлять 300 кг на 1 гектаре для слабых и истощенных почв и около 9 тонн для богатых черноземов.

По причине легкой окисляемости чистый фосфор в природе не встречается. Соединения фосфора составляют по отношению к весу земного шара только 0,000015 %. В земной коре масса соединений фосфора составляет 0,75 %.[3]

.Самое важное соединение фосфора в природе. Образует большие залежи в виде фосфорита. Богатейшее месторождение находится в Южном Казахстане, в горах Каратау.

. В состав, кроме ортофосфата кальция Ca

, входят соединения кальция с фтором (CaF

) или хлором (CaCl

Фосфор также входит в состав белков растительного и животного происхождения.[4]

Валовый → органический → минеральные соединения Р2О5→ потенциально доступный Р2О5→ непосредственно доступный Р2О5

состоит из органических и минеральных соединений. Общее его содержание зависит от гранулометрического состава почвы, ее окультуренности, особенностей материнской породы, генезиса.

Содержание фосфора в верхних горизонтах почвы, как правило, выше, чем в нижележащих. Данное соотношение не зависит от типа почвы и гранулометрического состава. Обычно это связано с деятельностью человека и биологическими факторами,[1]в частности, с накоплением фосфора в зоне отмирания главной массы корней. Вниз по профилю почвы наблюдается уменьшение содержания фосфора. Большая его часть присутствует в почве в минеральной форме.[5]

находятся преимущественно в составе гумуса. Часть органического фосфора присутствует в составе фитина, фосфатидов, нуклеиновых кислот и прочих органических соединений почвы. Некоторая его часть находится в плазме микроорганизмов. Масса сухого вещества микробов в гумусе достигает 1 %, в окультуренных длительным внесением навоза дерново-подзолистых почвах вес органических веществ микробов составляет 2–3 % от массы гумуса.

присутствуют в почве в качестве солей кальция, алюминия или железа. Таким образом, их состав определяется катионным составом в поглощенном комплексе почвы. При этом, кальциевые соли фосфорной кислоты являются более растворимыми, а соли алюминия и железа менее растворимы и менее доступны растениям. Длительное применение удобрений способствует изменению состава фосфорных соединений.

Органические и минеральные соединения фосфора находятся в состоянии постоянного взаимопревращения. Соотношения данных форм определяется направленностью почвообразования.[1]

Различные почвы содержат неодинаковое количество фосфора – от 0,1 % Р2О5 в бедных песчаных до 0,20 % в мощных высоко гумусных почвах.

европейской части России отличаются меньшим содержанием фосфора, чем почвы южной зоны. Характерно, что к северу и югу от наиболее мощных черноземов относительное количество содержания органических фосфатов в почве уменьшается, а минеральных – возрастает.

содержат 0,14 –0,16 % фосфора.

– 0,09–0,12 % фосфора.

супесчаные, подстилаемые моренными суглинками, – 0,07–0,12 % фосфора.

– 0,06–0,08 %.

в общем характеризуются преобладанием минеральных фосфатов над органическими. Содержание органического фосфора в данных почвах варьирует от 16 до 48 % от общего, в тяжелых почвах выше, чем в легких.

Содержание элемента в различных типах почв

Структура содержания фосфора в разных типах почв зависит от баланса минеральных и органических форм вещества. Для дерново-подзолистых почв, а так же каштановых содержание вещества в виде минеральной составляющей определяется на уровне 70-90% от общего содержимого. Для черноземов и сероземов с высоким содержанием гумуса норма определяется на уровне 55-65% органического фосфора от общего содержания. Среди минеральных форм элемента чаще всего встречаются фторапатит и гидроксилапатит.

В результате химических реакций образующиеся соли фосфорной кислоты обладают различными степенями растворимости в воде. Это свойство напрямую связано с возможностью растений получать элемент с влагой. Наиболее доступными для питания растений являются одновалентные катионы и замещенные соли двухвалентных катионов.

Наиболее насыщенные фосфором почвы, такие как черноземы, каштановые грунты больше всего имеют соединения двухзамещенные и трехзамещенные фосфаты кальция и магния.

Грунты, насыщенные железом и алюминием, такие как дерново-подзолистые и красноземы имеют в основном содержание фосфатов железа и алюминия. В таких почвах водорастворимые соединения фосфора содержат небольшое количество всего около 1 миллиграмма на 1 килограмм грунта.

В кислой реакции среды в почвах происходит обменное поглощение фосфатов алюминия и железа. И поскольку это обратимая реакция, то вещества становятся доступными для питания растений.

Еще одним путем пополнения фосфора организмов растений и микроорганизмов выступает превращение растворимых солей фосфора в органические фосфорсодержащие соединения. После жизненного цикла бактерий и микробов, большое количество вещества снова становится доступным для потребления растений, оставшаяся же небольшая часть переходит в состав гумуса.

Особенное место в балансе вещества в почве занимает подвижный фосфор. Эти соединения становятся доступными благодаря извлечению их из почвы благодаря слабокислотным или слабощелочным соединениям. Таким образом, эти слабые реакции дают возможность получить растениям фосфор в минимально необходимом виде.

Определение фосфора в почве проводится несколькими методами, среди которых применяется вытяжка подвижного фосфора при помощи хлорной кислоты, при котором выходят растворимые соли фосфорной кислоты.

В современной науке используется методы, разработанные для каждого типа почв. Однако, делать окончательные выводы о содержании фосфора в грунте и после этого делать прогнозы урожайности однозначно нельзя. В прогнозах важную роль играют сами растения, часто выступающие как катализатор химической реакции.

Основным действенным способом оптимизации фосфора в почве выступает внесение минеральных и органических удобрений.

Наиболее востребованным удобрением фосфорсодержащей группы является простой или двойной суперфосфат. Этот вид удобрений отлично растворяется в воде и поэтому быстро становится доступным для растений.

Вторым по популярности и действенности видом удобрений выступает класс удобрений слаборастворимых в воде, но хорошо растворимых в кислотах. Примером такого удобрения может быть преципитат, некоторые виды термофосфатов. Несмотря на нерастворимость в воде фосфор в этих удобрениях находится в доступной для растения форме.

Третьим, видом удобрений выступают удобрения, которые плохо растворяются как в воде, так и в кислотах. Эти удобрения имеют специфический долгий срок действия и несмотря на труднодоступность для растений также используются для улучшения качества почв. Костяная мука или фосфоритная мука применяются для комплексного решения проблемы повышения плодородия почв.

Фосфорные удобрения в большинстве своем производятся путем термической обработки природных фосфатов в результате чего получаются соли ортофосфорной кислоты. В большинстве своем фосфорсодержащие удобрения являются концентрированными формами двойного суперфосфата или сложных комплексных удобрений. Аммофос, нитроаммофоска наиболее известные названия этих удобрений.

Другой не менее продуктивный метод повышения содержания фосфора в грунте является внесение органических удобрений

Фосфатное сырье перерабатывается на удобрения четырьмя способами:

1. Измельчение фосфатов в фосфоритную муку (самый простой способ).
2. Разложение фосфатов кислотами – серной, фосфорной и азотной (наиболее распространенный и изученный метод).
3. Электротермическое восстановление фосфатов углеродом в присутствии диоксида кремния с извлечением элементарного фосфора и последующей его переработкой в фосфорную кислоту и ее соли. Этот способ пригоден для переработки менее качественного сырья, однако удобрения получаются с меньшим содержанием примесей.
4. Термическая обработка фосфатов. В этом случае удобрения получаются невысокого качества, поэтому данный способ широко не применяется.^[2]

Источники сырья

Источником сырья для производства фосфоритных удобрений служат природные фосфорные руды. Они делятся на две основные группы: апатиты и фосфориты.

являются породами эндогенного происхождения и часто кристаллизуются с различными минералами, в частности, с нефелином. В чистых апатитах

содержится до 42 %, в промышленных рудах – 15–20 %. Фторид кальция в формуле апатита может быть замещен хлоридом, карбонатом или гидратом окиси. В зависимости от этого, различают фторапатит, хлорапатит, карбонатапатит, гидроксилапатит.

По внешнему виду апатит – бесцветный, чаще желто-зеленый или зеленоватый минерал. Кристаллы апатита отличаются высокой прочностью и имеют вид шестигранных призм. Химическое либо термическое удаление фтора ведет к разрушению кристаллической решетки. Товарная апатитная руда содержит 30 % Р2О5. Обогащенный апатитовый концентрат содержит до 40 % Р2О5. Это сырье считается самым лучшим для производства растворимых фосфорных удобрений.

– осадочная порода. Они состоят из аморфных и кристаллических кальциевых фосфатов с примесью кварца, глины и прочих минералов.

Фосфориты образовались на дне морей. Они отличаются от апатитов большей пористостью частиц и мелкокристаллической структурой.

Выделяют следующие виды фосфоритов: желваковые или конкреционные (окатанные камни); пластовые или массивные (представляют собой слитую массу); зернистые ракушечниковые.[5]

Фосфорные удобрения делятся на три группы:

1. Удобрения, содержащие фосфорные соединения, растворимые в воде.
2. Удобрения, содержащие фосфор, который не растворим в воде, но растворим в слабых кислотах (лимонной кислоте) и лимоннокислом аммонии. Усваиваются всеми растениями.
3. Удобрения, содержащие фосфорные соединения, не растворимые ни в воде, ни в слабых кислотах. Они не усваиваются большинством культурных растений, но под воздействием кислотности почв, корневых выделений растений и прочих факторов фосфор в данных удобрениях постепенно переходит в усвояемую форму.^[5]

Признаки недостатка фосфора

Большая роль, которая отводится фосфорсодержащим соединениям, в жизни растений обусловлена его воздействием на многие процессы в растениях. Например, фосфор активно влияет на накопление углеводных составляющих в организме растений, обмене азотных веществ, образовании аминокислот. Все это указывает на важность поддержания баланса в обмене веществ в живом организме растения.

Как уже указывалось вещество играет важную роль в общем обмене веществ в организме растения. Небольшой недостаток фосфора в почве чаще всего сказывается на репродуктивной функции растения. В фазе активного роста недостаток фосфора нарушается синтез белка, и соответственно уменьшается его содержание в растении, особенно в молодых побегах и частях где идет наиболее интенсивный синтез веществ.

Вследствие недостатка обмена вещества, замедляется рост растения, и происходит перераспределение веществ между более старыми и молодыми побегами. Так из Старых листьев, активные вещества перемещаются к точкам роста, обескровливая таким образом более старые части. Наиболее наглядно это заметно на листве растений.

Недостаток фосфора чаще всего заметен у растений в самом раннем возрасте – недостаточно развитая корневая система в этот период не способна обеспечить фосфором другие органы из-за чего наблюдается задержка в развитии. Отставание в развитии на начальном этапе жизненного цикла растения сказывается на протяжении всего периода, даже если в дальнейшем растение получит необходимое количество полезных веществ для роста.

В отличие от недостатка вещества в почве избыток фосфора приводит к не менее пагубным последствиям. Переизбыток активного фосфора приводит к образованию избыточного количества солей из-за чего происходит насыщение грунта солями. Растения в таких условиях утрачивают возможность нормально проводить обмен веществ, к примеру, из химических реакций полностью выпадает железо.

• Стебли и листья растений сначала темнеют, а потом окрашиваются в багровый или фиолетовый цвет. Нередко на нижних листовых пластинах куста появляются некротические темные пятна.
• Листья деформируются и преждевременно опадают.
• Растение останавливается в росте, корневая система развивается слабо.

При первых симптомах нехватки фосфора в почву необходимо внести фосфорное удобрение. А лучше в целях профилактики делать это ежегодно.

Баланс фосфора в почвах

1) минеральные и органические удобрения – основная;

2) семена растений – 2-3 кг/га·год.

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.