Информационное письмо
Образец оформления статьи
Анкета автора
09.01.2017

Биогеохимическая подвижность и трансформация фосфатов в почвах агроландшафтов

Халиков Рауф Музагитович
кандидат химических наук, доцент кафедры инженерной физики и физики материалов Башкирский государственный университет г. Уфа, Российская Федерация
Латыпова Закира Бадретдиновна
кандидат географических наук, доцент кафедры географии, землеустройства и кадастра Башкирский государственный педагогический университет им.М.Акмуллы г. Уфа, Российская Федерация
Шарипов Рашит Ахметович
кандидат технических наук, доцент кафедры химии, естественно-географический факультет, Башкирский государственный педагогический университет; г. Уфа, Российская Федерация
Аннотация: Из множества факторов, влияющих на миграцию фосфорных соединений в сельскохозяйственных ландшафтах, акцентировано внимание на геохимические процессы равновесного комплексообразования фосфат-анионов с микрочастицами почвы. Эффективность использования фосфорных удобрений культурными растениями зависит от концентрации подвижного фосфора в почвенном растворе, ответных реакций растительных организмов на дефицит фосфатов.
Ключевые слова: соединения фосфора, почва, агроландшафты, метаболизм фосфатов
Электронная версия
Скачать (995.5 Kb)

Устойчивость земледелия для получения высоких урожаев качественной продукции определяется, с одной стороны уровнем применяемых в растениеводстве агротехнических технологий, а с другой – состоянием агроландшафта. Наиболее значимыми природными условиями, определяющими функционирование агроландшафтов, являются: рельеф, климат, растительность севооборотов, почвенный покров и др.

Для повышения урожайности сельскохозяйственных культур и улучшения плодородия почв наряду с азотными и калийными веществами питания растений в земледелии широко применяются фосфорные удобрения. Актуальность оптимизации фосфатного режима в почвах агроландшафтов объясняется тем, что значительные площади пахотных земель характеризуются низкой обеспеченностью доступными фосфатами.

Цель данной статьи – обобщенный анализ миграции и аккумуляции соединений фосфора в почвах сельскохозяйственного назначения.

Биогеохимический круговорот фосфатов: ортофосфатных, дигидро-, гидрофосфатных – анионов [4, 10] осуществляется посредством почвы – важнейшего компонента биогеоценозов. В структуру почвы агроландшафтов входят следующие компоненты: минеральная основа (40-50%), органическое вещество (до 10%), воздух (15-25%) и вода (25-35%). Компонентный состав плодородной почвы определяется содержанием в ней глины и песка, а большую роль в удержании воды и питательных веществ играют гумусовые соединения, обладающие высокой катионообменной способностью.

Содержание фосфатов и распределение его соединений в почвенных агроландшафтах связано с генезисом почвообразующих минералов, различной интенсивностью почвообразовательных процессов, а также с преобразованием современных почв под влиянием различных факторов. Фосфорные соединения в пахотном горизонте почвы представлены широким спектром минеральных и органических веществ разной степени доступности. Для аграрных культур наиболее доступным является фосфаты гумуса, и именно они играют главную роль в малом (локальном) биологическом цикле фосфора.

Основным источником метаболического фосфора сельскохозяйственных растений является минеральные фосфаты почвы, которые по степени участия в обменных процессах можно разделить на группы: 1) подвижные дигидро- и гидрофосфаты почвенного раствора, полностью доступные агрокультурам; 2) фосфаты, сорбированные твердыми фазами почвы; 3) труднорастворимые ортофосфаты (от 15 до 75%) кальция, железа, алюминия. В зависимости от гранулометрического состава и гумусированности почвы количество подвижных фосфатов варьирует 30-300 мг/кг фосфора, общее (валовое) содержание (в расчете на оксид фосфора Р2О5) в сельскохозяйственных почвах составляет 0,03-0,3% [6].

Степень доступности для сельскохозяйственных растений подвижных фосфатов зависит от физико-химических свойств почвы, ее водного, воздушного и теплового режимов, особенностей возделываемых культур, применяемых удобрений и других факторов. При кислой среде почвенного раствора агроландшафтов фосфорные соединения доминируют в форме дигидрофосфат-аниона (Н2РО4-), при нейтральной и щелочной среде – гидрофосфата (НРО42-) (рис. 1):

Рис. 1. Физико-химические процессы сорбции (ди)гидрофосфат-анионов твердофазными микрочастицами почвы (М – катионы металлов)
Рис. 1. Физико-химические процессы сорбции (ди)гидрофосфат-анионов
твердофазными микрочастицами почвы (М – катионы металлов)

Главной задачей повышения эффективности фосфорных удобрений является поиск способов уменьшения необратимого «связывания» фосфат-анионов микрочастицами почвы [12]. Запасы фосфатов в почвах агроландшафтов не постоянны, часть легкорастворимого фосфора усваивается сельскохозяйственными растениями и «уходит» с урожаем. Метаболизированные растениями фосфаты в виде нуклеиновых кислот, фосфолипидов биомембран [8] и других биоорганических молекул через пищевые цепи попадают и в организм человека. Управление качеством [3] в том числе и продуктов питания предполагает сбалансированность пищи фосфором, который обеспечивает нормальное развитие и функционирование опорно-двигательной системы (костей и зубов).

В ходе геохимических реакций между ортофосфатами минеральных удобрений и почвенными микрочастицами образуются также полифосфаты, которые могут вымываться. Попадание фосфорных соединений в гидросферу, преимущественно в результате эрозионного смыва с сельхозугодий, привело к глобальной эвтрофикации (перенасыщению) водоемов [7]. Для восполнения дефицита ежегодно во всем мире вносится в агроландшафты 15-20 млн. тонн фосфорных удобрений [6].

Растения агроландшафтов нуждаются в фосфорных соединениях на всех этапах: для корнеобразования и развития вегетативной массы, а также во время цветения и формирования урожая. По требовательности к обеспеченности почвы фосфатами культурные растения можно разделить на следующие группы:

1. Агрокультуры с небольшой потребностью в фосфоре: рожь, овес, люпин, кукуруза, гречиха; они могут самостоятельно усваивать небольшое количество связанных почвой фосфатов.

2. Кормовые и технические культуры, при возделывании которых обеспечение почвы фосфором должен быть высоким.

3. Картофель, пшеница, рапс, яровой ячмень, у которых корневая система слабо усваивают фосфаты почвы и под них следует вносить легкорастворимые фосфорные удобрения.

Значительная часть фосфора, поступившего в почву в виде удобрений и не использованного сельскохозяйственными растениями, аккумулируется в корнеобитаемом слое почвы агроландшафтов и составляет «ближайший резерв» для питания последующих культур севооборота. Содержание фосфорных соединений в почвах в метровом слое почвы в зависимости от типа составляет от 3,8 до 22,9 т/га, тогда как в дерновоподзолистых почвах около 4 т/га [5].

Дефицит фосфора для растений объясняется низкой физиологической доступностью его нерастворимых в почве ортофосфатов. В основе классической системы физиологии питания растений лежит тесное взаимодействие возделываемого растения, почвы и удобрения (рис. 2). Инновационные листовые подкормки удобрениями (в том числе и фосфорными) позволяют в нужное время обеспечить сельскохозяйственные растения необходимыми питательными веществами.

Рис. 2. Комплементарное взаимодействие сельскохозяйственных растений, почвы и удобрений в агроландшафтах

Рис. 2. Комплементарное взаимодействие сельскохозяйственных растений, почвы и удобрений в агроландшафтах

Агрокультурные растения поглощают из почвы фосфорные соединения главным образом в виде анионов: H2PO4 и HPO42–, а также из солей полифосфорных кислот (после их гидролиза). Эффективность поглощения труднодоступных неорганических фосфатов в почвенных агроландшафтах усиливают микориза и корневые выделения возделываемых культур. Мобилизовать фосфор из мало доступных соединений кальция, алюминия и железа способны микроорганизмы: родов Pseudomonas, Аzotobacter, Васillus и др. На дефицит фосфатов растения отвечают физиологическими изменениями: повышенное выделение корнями органических кислот и подкисление почвы и т.п.

При длительном систематическом внесении фосфорных удобрений [2] происходит многостадийная трансформация фосфатов в почве агроландшафтов. В качестве фосфорных удобрений применяют органические (костная мука, навоз и т.п.) и минеральные удобрения (водорастворимые: аммофос, суперфосфат и др.; труднорастворимые: виавинит, фосфоритная мука). При определении норм внесения фосфорных удобрений на 1 гектар необходимо учитывать содержание в почве доступных для агрокультур питательных элементов, тип и гранулометрический состав почвы, величину планируемого урожая (вынос фосфатов) и т.п.

В Башкортостане фосфорные удобрения используют во всех сельскохозяйственных зонах, наиболее эффективно применение в северо-восточной и зауральской степной зоне. В середине 70-х годов ХХ века в г. Мелеуз на заводе «Минудобрения» было освоено производство преципитата и комплексных фосфорных удобрений. Резерв легкорастворимых фосфатов увеличивается при рациональном окультурировании черноземных почв агроландшафтов [1].

Органический компонент почвы агроландшафтов формируется при разложении мертвых организмов и продуктов их жизнедеятельности: редуценты минерализуют органические соединения фосфора умерших организмов и экскреций в фосфаты, которые вновь поглощаются корнями зеленых растений (автотрофами). Одновременно с образованием гумуса биогенные элементы переходят в процессе минерализации из фосфорорганических соединений в неорганические, например, ортофосфат-ионы и др. Одним из наиболее распространенных органических источников фосфата является природный инозитолгексафосфат (фитин). Его содержание в почве может достигать до 50% от общего количества фосфора органических веществ.

В настоящее время перед цивилизацией стоит сложная противоречивая проблема – дефицит фосфатов в земледелии и эвтрофикация водоемов. Решение этой проблемы требует выполнения комплекса мероприятий на перспективу: поиски и эффективное использование месторождений фосфатов; учет экологических рисков производства фосфорных удобрений [9]; максимальное снижение потерь фосфора из почв путем снижения почвенной эрозии и др. [11].

Технология рационального применения фосфорных удобрений должна разрабатываться исходя из особенностей биогеохимической подвижности различных фосфатов в почве агроландшафтов. Для повышения использования фосфора воднорастворимых удобрений важно уменьшить взаимодействие их с почвой путем гранулирования и локального применения, а слаборастворимые фосфорные удобрения следует применять на кислых почвах и в виде компостов с навозом. Дозы внесения фосфорных удобрений в почвенные агроландшафты следует рассчитывать исходя из содержания в почве доступного для возделываемых растений азота, калия, фосфора, а также биологических особенностей агрокультуры.

В заключение можно сделать вывод, что успешное решение проблемы воспроизводства почвенного плодородия и создания оптимальных условий метаболизма культурных растений возможно только на основе сбалансированного использования фосфатов почвенных агроландшафтов.

Список литературы:

1. Гильмутдинов М.Г., Усманов Ю.А., Саитгалеев Ф.М. и др. Фракционный состав фосфатов в черноземах Башкирии в связи с их окультуриванием // Агрохимия. – 1981. – №8. – С.16-23.

2. Завьялова Н.Е., Сторожева А.Н. Влияние длительного применения минеральных удобрений на фосфатный режим дерновоподзолистой тяжелосуглинистой почвы // Агрохимия. – 2015. – №9. – С.33-40.

3. Иванова О. В. Словарь основных терминов управления качеством. – Уфа: РИЦ БашГУ, 2014. – 68 с.

4. Корбридж Д. Фосфор: основы химии, биохимии, технологии. – М.: Мир, 1982. – 680 с.

5. Максимов И.И., Максимов В.И., Васильев С.А. и др. Моделирование развития русла в подстилающей поверхности склоновых агроландшафтов // Почвоведение. – 2016. – №4. – С. 514-519.

6. Муравин Э.А., Ромодина Л.В., Литвинский В.А. Агрохимия. – М.: Изд. дом "Академия", 2014. – 304 с.

7. Пуховский А.В. Проблемы государственной экологической экспертизы фосфорных удобрений // Агрохимический вестник. – 2015. – №2. – С.34-36.

8. Халиков Р.М. Зависимость наноструктуры биомембран от стабилизирующего влияния полиеновых липидов // NAUKA-RASTUDENT.RU. – 2014. – № 1 (01). – С. 4.

9. Халиков Р.М., Иванова О.В. Технологические схемы решения экологических проблем регионального производства материалов // NAUKA-RASTUDENT.RU. – 2014. – № 3 (03). – С. 10.

10. Халиков Р.М., Латыпова З.Б., Егоров В.А. Геобиохимический круговорот фосфорных соединений в природных объектах // Вестник БГПУ им. М. Акмуллы. – 2014. – № 1-2. – С.113-121.

11. Шарипов Р.А., Халиков Р.М. Основы химической экологии. – Уфа: Изд-во БГПУ, 2006. - 76 с.

12. Dolfing J., Chardon W.J., Japenda J. Association between colloidal iron, aluminum, phosphorus and humic acids // Soil Science. – 1999. – V.164. – N.3. – P.171-179.