Тема 2.2. Пищевой режим и оценка плодородия почв

План.

1. Содержание и формы азота в почве
2. Процессы превращения азота в почве
3. Некоторые особенности питания растений нитратным и аммиачным азотом
4. Баланс азота почвы
5. Содержание и формы фосфора.
6. Доступность почвенных фосфатов растениям (условия, определяющие их растворимость).
7. Баланс фосфора
8. Содержание калия в почвах
9. Формы и доступность почвенного калия растениям
10. Баланс калия

1. Содержание и формы азота в почве

Содержание азота в земной коре, по данным А.П. Виноградова, составляет 2,3*10^-2 весовых процента, а общие запасы исчисляются десятками млрдов. тонн. Основная часть азота почвы находится в виде сложных высокомолекулярных органических соединений. Некоторая часть азота земной коры находится в виде необменнопоглощенных ионов аммония и удерживается в кристаллической решетке алюмосиликатных минералов.

В пахотном слое разных почв количество азота колеблется в широких пределах; в дерново-подзолистых, песчаных и супесчаных почвах – 0,04 – 0,08%, суглинистых и глинистых – 0,1– 0,15%. Серые лесные и черноземные почвы наиболее богаты общим азотом (0,3 – 0,5% и более). В каштановых почвах его количество колеблется от 0,1 (в светло-каштановых и бурых) до 0,2—0,25% (в темно-каштановых).

Азот в почвах находится преимущественно в недоступной растениям органической форме, минерального азота в них всего около 1% от общего. Под влиянием биологических процессов органический азот частично переходит в легкоусвояемые растениями минеральные формы. Распад азотных органических веществ почвы до аммиака (аммонификация) осуществляется аэробными и анаэробными микроорганизмами. Аммиак, накапливающийся в анаэробных условиях, поглощается почвенными коллоидами к может усваиваться растениями. В аэробных условиях аммиак под влиянием специфических микроорганизмов переходит в нитриты и затем окисляется до нитратов (нитрификация). Интенсивность минерализации органического вещества в разных почвах неодинакова, нитратный азот хорошо доступен растениям. Некоторое количество минерального азота поступает в почву с осадками. Атмосферный азот усваивается также отдельными микроорганизмами, живущими свободно, и клубеньковыми бактериями бобовых растений. Однако эта величина прихода азота в почву относительно невелика.

В почвах одновременно с минерализацией органических азотсодержащих веществ идет процесс перехода минеральных соединений азота в органические, недоступные растениям формы. Кроме того, содержание минерального азота в почве уменьшается а результате денитрификации, развивающейся в анаэробных условиях. При этом нитратный азот восстанавливается микроорганизмами до свободного газообразного азота, который теряется из почвы. Азот теряется также в результате вымывания нитратов, особенно из легких почв, осадками и дренажными водами.

Исследованиями ВИУА и Почвенным институтом имени В. В. Докучаева установлено, что 35 – 55% азота в зависимости от формы вносимого удобрения усваивается сельскохозяйственными культурами на дерново-подзолистых и серых лесных почвах, 25– 45% закрепляется в почве и 0,1% теряется при вымывании, что не имеет существенного значения в азотном балансе тяжелосуглинистых почв. С помощью 15N установлено горизонтальное перемещение азота в почве и концентрация его в прикорневой зоне. Прогнозирование действия азотных удобрений на основе агрохимического анализа почв пока еще не дает ощутимых результатов. Соответствия между показателями отдельных методов и фактической прибавки урожаев не наблюдалось. Трудности в определении подвижного азота связаны с тем, что доступность его растениям определяют не только свойства самой почвы, но также погодные условия и агротехника. Обеспеченность растений азотом в значительной степени зависит от сезонной динамики процессов аммонификации и нитрификации, что может обусловить на одной и той же почве резкие различия в снабжении сельскохозяйственных культур этим элементом. Поэтому нет возможности дать характеристику почв по содержанию подвижного азота на основе данных массовых анализов, как по содержанию подвижных соединений фосфора и калия.

Преобладающая часть почвенного азота (95-98%) находится вместе с углеродом в составе органического вещества. Органический азот в почве, обладая достаточной устойчивостью, поддерживает ее плодородие, оставаясь недоступным растениям. В связи с этим немецкий ученый Шульц писал: «Если не говорить о воде, то именно азот является самым могучим двигателем в процессах развития, роста и творчества природы. Его уловить, им овладеть – задача, его сберечь – ключ к экономике, подчинить себе его источник, бьющий с неистощимой энергией – тайна благосостояния».

Органический азот почв составляет основную долю азотного фонда пчв, представлен сложными разнообразными соединениями. Господствующая часть органического азота (82-89% от общего) входит в собственно гумусовые вещества. Остальная часть азота (3-11%) включена в состав неспецифических соединений (аминокислоты, аминосахара, битумы). В этой же группе находится азот негумифицированных органических веществ (ткани отмерших растений и животных, живая и мертвая масса микроорганизмов). В почвах от 200 до 300 кг/га азота включено в неспецифические органические вещества. Этот азот является основным резервным фондом для минерализации и накопления подвижных минеральных форм азота в процессе аммонификации и нитрификации.

В почвах элювиального ряда его содержание колеблется от 1,5 до 6 т/га, в серых лесных возрастает до 10,5 т/га, а в черноземах достигает 13,5-15 т/га. Трудно- и легкогидролизуемый азот образуется в результате неполного разложения органического материала почвы. Эта форма азота частично доступна для растительного организма. Следовательно, непрерывные циклы созидания и разрушения азотистых веществ приводят к накоплению в почве доступных растениям соединений азота. Основу превращений составляют процессы минерализации и иммобилизации.

Минерализация означает превращение органического азота в минеральный посредством аммонификации и нитрификации. Таким образом, в почве формируются минеральные формы азота: аммонийная, нитритная, нитратная – они легко усваиваются растениями, на них приходится до 5% от общего азота. Начальным процессом минерализации органических соединений является аммонификация – распад азотсодержащих органических соединений до аммонийного азота, органических кислот, углекислого газа. Аммонификация осуществляется в широком интервале рН, как в аэробных, так и в анаэробных условиях целым рядом микроорганизмов. Под воздействием протеолитических ферментов, выделяемых различными группами микроорганизмов, белковые вещества гидролизуются до аминокислот. Последние легко усваиваются микроорганизмами и под воздействием ферментов микробных клеток подвергаются процессам дезаминирования. В результате от амино - и амидосоединений отщепляется аммиак и образуются различные органические кислоты, углекислый газ, метан. Ежегодно в процессе аммонификации высвобождается до 2% азота от общих запасов азотсодержащих органических соединений. При этом, если соотношение С:N в субстрате узкое, происходит накопление аммонийного азота в почве, если широкое (солома, опилки), высвобождающийся аммоний тут же потребляется микроорганизмами для построения своего тела. Т. е. проявляется процесс иммобилизации азота – трансформация микроорганизмами его минеральных форм в органические вещества микробных клеток и их метаболитов.

2. Процессы превращения азота в почве.

Какова судьба аммонийного азота почвы?

Содержание обменного аммония в почвах сильно меняется, несмотря на меньшую динамичность, в сравнении с нитратами. Направленность количественных изменений обменного аммония во времени одинакова независимо от типа почв: весной содержание его максимально, затем снижается летом и вновь возрастает осенью.

Предшественник, возделываемая культура, обработка почвы оказывают слабое влияние на накопление обменного аммония. Существенное влияние на режим обменного аммония оказывают гидротермические условия: при избыточном и недостаточном увлажнении и холодной погоде количество его возрастает.

1. Аммонийный азот легко вовлекается в процессы биологического поглощения, растения могут усваивать до 80% его запасов. Благоприятные условия для этого рН = 6, высокая концентрация ионов K, Ca, Mg.

2. При оптимальных значениях влажности и высокой поглотительной способности весь аммонийный азот по мере появления может удерживаться в почве в обменно-поглощенном состоянии (вовлекается в обменные процессы с почвенным поглощающим комплексом).

3. В определенных условиях возможно необменное поглощение аммонийного азота. При наличии минералов с трехслойным строением кристаллической решетки необменная фиксация может достигать до 5-21%. Присутствие K, Ca уменьшают, а смена условий увлажнения – высушивания почв усиливает необменное поглощение аммонийного азота.

4.Большая часть аммонийного азота почвы окисляется до N-NO₃, N-NO₂, N-NO и N₂. Это явление впервые открыл Луи Пастер в XIX веке и назвал нитрификацией. Она осуществляется группой специфических бактерий, для которых это окисление является источником энергии.

Нитрификация осуществляется в 2 этапа. В окислении аммиачных солей до нитритов: 2NH₃ + 3O₂> 2HNO₂ +H₂O, принимают участие бактерии родов: Nitrosomonas, Nitrosocystis, Nitrosospira, а до азотной: 2HNO₂ + O₂ > 2HNO₃ – бактериями рода Nitrobacter. Как видно, нитрификация – аэробный процесс, для ее интенсификации необходимы постоянный источник аммонийного азота и кислорода, оптимальные значения температуры – 20-25⁰С, влажности 60% от полной влагоемкости, рН = 6,2-8,2. Интенсивность минерализации органического вещества в разных типах почв неодинакова. В дерново-подзолистых почвах она протекает интенсивнее, чем на черноземах, где органическое вещество разлагается слабее. Ранней весной нитрификация осуществляется слабо, поскольку в почве содержится избыток влаги, почва слабо прогрета. По мере прогревания, нитрификация активизируется, ее пик приходится на конец июня - начало июля.

Наблюдения за содержанием нитратов в почвах показывает, что накопление этой формы минерального азота определяется потенциальными запасами почвенного плодородия. С повышением содержания гумуса и общего азота от дерново-подзолистых к серым лесным почвами далее к черноземам возрастает накопление нитратного азота. Наибольшей мобизизационной способностью обладают черноземы выщелоченные. В пахотном слое этих почв накапливается более 30 кг азота на гектар. В дерново-подзолистых почвах, несмотря на высокую относительную мобильность азотсодержащих органических соединений, образуется немного нитратов – около 10 кг/га, поскольку общее количество гумуса и азота в них низкое.

Содержание нитратного азота во всех почвах четко определяется предшествующей культурой севооборота. Наиболее активно процессы нитрификации развиваются в чистом пару, где в течение лета в черноземах, темно-серых лесных и лугово-черноземных почвах накапливается 120-170 кг/га нитратного азота. Такого количества азота при наличии других элементов питания достаточно для получения урожая зерновых культур в 30-40 ц/га. Роль пара как накопителя нитратов снижается на почвах с небольшим содержанием органического вещества – каштановых, светло-серых лесных и дерново-подзолистых почвах. Однако и в этих почвах в паровом поле содержится больше нитратного азота, чем в других полях севооборота.

Значительное накопление нитратного азота – после августовской вспашки пласта многолетних трав, после хорошо обрабатываемых пропашных культур, после рано убираемых многолетних трав. По этим предшественникам на высокогумусных почвах обычно нет необходимости в дополнительном внесении азотных удобрений.

В черноземах активность накопления этой формы азота обычно в 2-4 раза выше, чем в дерново-подзолистых и серых лесных почвах. В дерново-подзолистых почвах количество азота возрастает от весны к июлю – августу и практически остается неизменным до осени. В черноземных почвах в период июня – июля темпы накопления нитратного азота вследствие засушливых условий замедлены: резкий подъем нитратообразования в них наблюдается в увлажненную вторую половину лета (июль-август). Под сельскохозяйственными культурами содержание нитратного азота весьма динамично, поскольку растения используют его в качестве азотной пищи. Количество нитратного азота несколько возрастает после уборки урожая.

Режим нитратного азота в значительной степени определяется способами основной обработки почвы. Сокращение глубины и числа обработок приводит к снижению накопления нитратов.

Основные биохимические этапы миграции и трансформации нитратного азота следующие:

1. Биологическое поглощение. Нитратный азот находится в почвенном растворе в качестве аниона, легко поглощается и усваивается в основном биологическим путем.

2. Денитрификация. В анаэробных условиях бактерии рода Pseudomonas, Denitrifican, Fluorensens, ответственные за процесс денитрификации, восстанавливая нитратный азот до закисных, летучих форм, молекулярного азота на каждом из этапов добывают кислород для дыхания. Этот процесс наиболее интенсивно происходит в условиях парового поля в виду наличия в почве свободных нитратов, анаэробиозиса, щелочной реакции и избытка органического вещества. Активные расы денитрификаторов являются термофильными бактериями, оптимальная температура для них выше 25⁰С.

3. Вымывание – вынос нитратного азота в почвенном растворе из корнеобитаемого слоя почвенного профиля. В случае смыкания инфильтрационных вод с грунтовыми этот азот теряется безвозвратно. При глубоком залегании грунтовых вод в последующем возможен подъем нитратного азота восходящим током влаги и по градиенту концентрации.

3. Некоторые особенности питания растений нитратным и аммиачным азотом.

Эффективность азотного питания обусловливается формами азотных соединений и условиями их применения. В нейтральной среде обычно лучше проявляется действие аммиачного азота, чем нитратного. Калий и натрий способствуют большему поглощению нитратов, кальций и магний обеспечивают лучшее усвоение аммиака растениями. Для синтеза органических веществ растения используют аммиачный азот быстрее, чем азот нитратов. Преимущество аммиачного питания по сравнению с нитратным в том, что аммиачный азот стоит ближе к продуктам синтеза азотсодержащих веществ в растениях. Для синтеза аминокислот требуется восстановленная форма азота. Нитраты, прежде чем стать непосредственными продуктами синтеза аминокислот и белков, должны быть восстановлены внутри растений до аммиачного азота. При наличии достаточного количества углеводов в растениях нитраты восстанавливаются уже в корнях. Процесс ферментативного восстановления нитратов в растениях идет благодаря окислению углеводов. Нитраты восстанавливаются до аммиака с помощью ферментов, которые представляют собой металлофлавопротеиды. Для них необходимы такие элементы, как молибден, медь, железо, марганец, особенно важен молибден.

Аммиачный азот, поступивший в растения или образовавшийся в них в результате восстановления нитратов и нитритов, не накапливается в них. Накопление аммиачного азота может вредить растениям только в молодом возрасте.

В жизни растения большую роль играет процесс образования аминокислот прямым аминированием кетокислот. Аминокислоты способны передавать свои аминные группы кетокислотам; в этом случае протекает реакция переаминирования, т. е. аминогруппа аминокислот переходит в кетокислоту и в результате образуются аминокислоты. Переаминирование особенно важно для синтеза белков а также для процесса дезаминирования аминокислот, когда идет образование кетокислот и аммиака.

Полученные таким образом кетокислоты в растениях участвуют в образовании углеводов, жиров и других веществ. Аммиак принимает участие в образовании аминокислот в результате прямого аминирования кетокислот, которые получаются из углеводов. Кроме того, из аммиака образуются амиды аминодикарбоновых кислот – аспарагин и глютамин. В результате этого процесса происходит обезвреживание аммиака при обильном аммиачном питании и при недостатке в растениях углеводов, а также при его накоплении в процессе дезаминирования аминокислот.

В отдельных растениях (щавель, осока, хвощ и др.), в которых накапливается значительное количество органических кислот, аммиак может обезвреживаться благодаря образованию аммонийных солей. Например, взаимодействие аммиака со щавелевой кислотой дает щавелевокислый аммоний. Кроме того, возможно обезвреживание аммиака при образовании в растительных тканях мочевины.

Наряду с синтезом белков в растениях идут процессы их распада через аминокислоты до аммиака. Таким образом, с одной стороны, аммиак, поглощенный растением или образовавшийся в результате восстановления нитратов, служит первичным исходным материалом для синтеза белков, с другой стороны, – конечным продуктом распада белков.

Процессы азотного обмена веществ происходят в течение всего роста и развития растений. Характер их зависит от вида и возраста растений, условий среды, в частности условий питания, и других факторов. В молодых растениях синтез белков значительно преобладает над их распадом.

Исследования, осуществленные с помощью изотопа 15^N, показали, что в молодых растениях азот белка обновлялся полностью всего за три дня, а в старых листьях обновлялось лишь около 12% белкового азота за 12 дней. Отношение растений к аммиачному и нитратному питанию зависит от их обеспеченности углеводами. Растения, которые содержат малый запас углеводов в семенах, например, свекла, значительно хуже переносят избыток аммиака, чем нитратов. Картофель, в клубнях которого большой запас углеводов, способен переносить высокие дозы аммиака. Таким образом, для нормального роста и развития растений требуются определенные условия их питания как нитратным, так и аммиачным азотом.

В растения азот поступает неравномерно. В ранние фазы развития растения характеризуются высоким содержанием азота.

В этот период они особенно требовательны к условиям минерального питания. Биологические особенности отдельных растений определяет характер поступления в них питательных элементов. Величина усвоения азота растениями зависит от формы удобрений, температуры, влажности почвы, показателя рН и других условий, но, как правило, не превышает 30—50% (по средним показателям полевых опытов с ^I5N).

С понижением температуры наблюдается более сильное снижение поглощения растениями азота окисленных форм удобрений по сравнению с восстановленными. При этом в корнях растений накапливаются нитраты вследствие ингибирования процессов их восстановления и передвижения в надземные органы. В условиях пониженной температуры при аммиачном питании процессы синтеза аминокислот протекают более интенсивно, чем при нитратном, когда больше накапливается углеводов.

На поглощение корнями аммиачных или нитратных ионов влияет также аэрация и величина рН окружающего раствора. С ростом исходного рН поглощение корнями нитратов уменьшается, а аммония – возрастает, при любом рН корни больше поглощают NH₄⁺, чем NО^3-. Аэрирование усиливает поглощение ионов аммония и не влияет на поглощение нитратов.

Величина усвоения растениями азота удобрений при низком содержании подвижных форм фосфора и калия меньше на 10 – 15%, чем при внесении фосфорных и калийных удобрений.

Использование азота удобрений растениями зависит от сроков их применения. Так, на дерново-подзолистой почве при внесении азотных удобрений в фазы выхода в трубку и колошения пшеница использует 45 – 50% меченого азота, а в фазу молочной спелости – не более 10%.

Поглощенный неорганический азот в определенной последовательности включается в синтез азоторганических соединений – сначала образуются более простые, затем, более сложные соединения (конституционные и запасные белки). При фосфорном голодании скорость включения азота в азотистые фракции заметно снижается, при этом тормозится его поглощение и передвижение в надземные органы.

В условиях недостатка кислорода нитратный азот используется только в процессе синтеза белка. В аэробных условиях преимущество имеет аммиачный азот, что особенно важно при выборе ассортимента азотных удобрений для почв, обеспеченных в различной степени кислородом.

При внесении в почву азотных удобрений растения лучше и больше усваивают азот самой почвы. Это обусловлено мобилизацией азота органического вещества почвы, в результате чего он становится более доступным растениям. На хорошо окультуренных дерново-подзолистых почвах больше поступает в растения азота из самой почвы, чем на слабоокультуренных, что важно при разработке прогноза эффективности доз удобрений для почв различного уровня плодородия.

Наряду с использованием растениями азота удобрений часть его закрепляется в почве в органической форме, а также теряется в виде газообразных соединений. Такие процессы происходят в основном впервые 20 – 30 дней, когда азот еще не полностью использован растениями и подвергается интенсивному воздействию гетеротрофных микроорганизмов, а также нитрифицирующих и денитрифицирующих бактерий. Как правило, закрепление азота в органической форме из нитратных удобрений меньше, чем из аммиачных и мочевины. Потери же, наоборот, возрастают при использовании нитратных удобрений. На кислых почвах, в которых накапливаются нитраты, потери внесенного азота могут достигать 55%. Возможны потери азота при фотоокислении органического вещества, а также благодаря биологической денитрификации. В результате процесса окисления – нитрификации аммиака потери азота из почвы наблюдаются даже в нейтральной и слабощелочной среде. Под влиянием негумифицированного органического вещества – клетчатки и других углеводов потери азота удобрений из почвы сокращаются в 2—3 раза. При отношении углерода органического вещества к азоту удобрений, равном 30, потери азота удобрений с избытком компенсируются его фиксацией. Один из путей снижения потерь азота – применение ингибиторов, избирательно действующих на нитрифицирующие микроорганизмы. Потери азота удобрений снижаются в 1,5—2 раза при внесении их вместе с ингибиторами, причем в 2 раза возрастает закрепление азота в органическом веществе почвы.

Полноценное азотное питание при обеспеченности другими элементами, особенно фосфором и калием, способствует улучшению роста и развития растений. В то же время усиленное азотное питание при недостатке фосфатного и калийного очень часто приводит к неравномерности созревания культур, их полеганию, снижению сопротивляемости к грибным болезням и неблагоприятным климатическим условиям. В таких случаях необходимо обеспечить растения фосфором, калием, а также отдельными микроэлементами. Рациональное применение азотных удобрений на фоне фосфорно-калийных и высокой агротехники обеспечивает оптимальное развитие сельскохозяйственных растений и в результате – получение высоких урожаев хорошего качества.

4.Баланс азота.

Пути накопления азота в почве следующие:

а) неисчерпаемым источником азота является атмосфера (среди прочих газов атмосферы на молекулярный азот приходится 78%. Однако молекулярный азот, будучи инертным газом, не может непосредственно усваиваться растениями.

б) фиксация молекулярного азота и пополнение запасов его в почве осуществляется двумя путями: под влиянием грозовых разрядов и с помощью определенных микроорганизмов. Под действие электрических и фотохимических реакций при грозах образуются аммиак и окислы азота, которые поступают в почву с атмосферными осадками. По данным А.В.Петербургского (1979), в осадках всегда больше аммонийного, чем нитратного азота, и общий приход его достигает в среднем около 4кг/га*год.

в) Гораздо большее значение в обогащении почв азотом имеет биологическая фиксация атмосферного азота свободноживущими микроорганизмами, сине-зелеными водорослями и клубеньковыми бактериями. Потенциальные возможности симбиотических и несимбиотических свободноживущих азотфиксаторов неравноценны. Свободноживущие азотфиксирующие микроорганизмы способны при благоприятных условиях ассимилировать 10-15 кг/га*год связанного азота. Клубеньковые бактерии поглощают значительно больше азота из атмосферы. По данным Д.Н.Прянишникова (1945), ежегодно на 1 га люцерна накапливает 300(до 500-600), клевер 150-160 (до 250-300), люпин до 150, соя до 100, вика, горох- 50-60 кг азота. Количество фиксированного азота зависит от вида бобового растения Ph почвенного раствора, величины урожая. Наиболее активно азотфиксация осуществляется в фазу цветения бобовых культур.

г) В связи с развитием химизации земледелия существенная роль в обогащении почв азотом принадлежит так называемому «техническому азоту».

Потери азота (статья расходования элемента)

а) Аммонийный и нитратный азот легко вовлекается в процессы биологического поглощения, поэтому значительное их количество выносится с урожаем полевых растений.

б) Газообразные потери аммонийного азота, которые происходят из хорошо аэрируемой почвы при ее периодическом высыхании и увлажнении.

в) вынос аммонийного азота в составе почвенных коллоидов при эрозионных процессах, количество которого определяется массой смытой почвы и содержанием аммония в ней.

г) вымывание аммонийного и нитратного азота происходит в составе почвенного раствора, а также и аммонийного азота в поглощенном состоянии в коллоидах – мигрантах.

д) денитрификация – процесс разрушения нитратного азота и восстановление его до молекулярной формы. При недостатке кислорода, в условиях избытка свежего органического вещества бактерии рода Denitrificator с помощью ферментов нитратредуктазы осуществляют восстановление нитратного азота до молекулярного.

Этот процесс возникает и особенно интенсивно развивается в условиях, когда в почве отсутствует воздух, почва имеет щелочную реакцию и в избытке неразложившееся органическое вещество богатое клетчаткой, глюкозой и другими углеводами. Денитрифицирующие бактерии быстро окисляют органическое вещество, используя для этой цели кислород нитратов. Процесс восстановления нитратов носит эндотермический характер, т.е реакция протекает с затратой энергии.

е) иммобилизация азота – вторичные процессы синтеза, когда минеральные соединения азота вновь переходят в органические, не усвояемые для растений. Эти процессы носят биологический характер. Микроорганизмы строят белок своих тел, используя углеводы и азот. Различные бактерии, актиномицеты, плесневые грибы разлагают клетчатку, пентозаны и другие вещества растительных и животных остатков. В качестве азотной пищи им необходимы в первую очередь легкорастворимые соединения азота почвы, которые они переводят в белок плазмы клеток. При отмирании бактерий азот снова переходит в форму минеральных соединений – аммиака и нитратов.

ж) необменное поглощение аммиачного азота минералами с трехслойным строением кристаллической решетки.

Фосфор почвы. Содержание и формы фосфора. Доступность почвенных фосфатов растениям. Пути накопления и потерь фосфора

5. Содержание и формы фосфора.

История «путешествий» фосфора на Земле, или, как говорят ученые-геохимики, его миграция, очень интересна и поучительна. Атомы фосфора, как и всех других элементов, постоянно участвуют в великом природном круговороте веществ.

Фосфор – относительно редкий элемент. По данным академика А.Е.Ферсмана, его весовой кларк (процентное содержание элемента в земле) равен всего 0,12%. В таблице распространенности химических элементов в земной коре он стоит на 13-м месте вслед за углеродом и хлором, перед серой. К тому же фосфор – элемент, редко накапливающийся в больших количествах, и потому его относят к числу рассеянных.

В свободном виде в природе по причине своей очень сильной окисляемости он не встречается, но входит в состав многих минералов (их насчитывается до 120) и множества органических веществ. Большинство минералов, содержащих фосфор, являются редкими. Наиболее важные минералы (природные фосфаты) – апатит, вивианит, а также осадочная горная порода фосфорит (состоит из мелкокристаллического или аморфного фосфата кальция с примесью некоторых других веществ).

Несмотря на свою малую распространенность и разбросанность, фосфор, однако, имеет исключительно важное значение в жизни растительных и животных организмов. Он входит в состав большинства растительных и животных белков и протоплазмы. Фосфор – биогенный элемент. Академик Ферсман называл фосфор элементом жизни и мысли.

Источником всех фосфорных соединений в природе следует признать апатит – фосфат кальция, содержащий переменное количество фтора и хлора. В зависимости от преобладания в апатите фтора или хлора образуются минералы фторапатит Са₅F(РO₄)₄ или хлорапатит Са₅Сl(PO₄)₃. Они содержат от 5 до 36% P₂O₅.

Рисунок. Мировое месторождение апатитов в Хибинах

В изверженных породах обычно всегда есть мелкие кристаллики апатита. Главнейшие его запасы находятся в зоне магмы, но он встречается и в тех местах, где изверженные породы образуют контакт с осадочными. Значительные запасы апатитов имеются в Норвегии и Бразилии. Подлинно мировое месторождение апатитов находится у нас, на Кольском полуострове, в Хибинах, где оно было открыто в 1925 г.

Под влиянием жизнедеятельности микроорганизмов, почвенных кислот, а также кислот, выделяемых корнями растений, апатиты постепенно подвергаются выветриванию и вовлекаются в биохимический круговорот, который в отличие от круговорота азота, углерода, кислорода и серы ограничивается лишь био-, гидро- и литосферой и не захватывает атмосферы.

Растениями фосфор поглощается только из растворенных фосфатов в виде анионов фосфорной кислоты. Поэтому питание фосфором растений возможно лишь при наличии в почвенном растворе солей фосфорной кислоты, например Са(Н₂РО₄)₂, СаНРО₄, К₂НРО₄ и др. Скапливается он главным образом в продуктовых частях – семенах, плодах. Наиболее богаты фосфором бобовые растения, а бедны им овощи. Из растений фосфор вместе с пищей попадает в организм животных и человека.

В теле человека имеется свыше 1,5 кг фосфора (1,4 кг в костях, 130 г в мышечных и 12 г в нервных тканях). Ежесуточная потребность взрослого человека в фосфоре от 1 до 1,2 г. Дети больше нуждаются в фосфоре, чем взрослые. По подсчетам ученых, с каждым куском хлеба весом 100 г человек поглощает до 1022 атомов фосфора, т.е. такое астрономическое число, которое не только невозможно представить, но даже и выразить обычными словами. Больше всего его содержится в костях (свыше 5%). Твердость скелету придает кальциевая соль фосфорной кислоты. Очень много фосфора в зубах (в дентине – 13%, а в зубной эмали – 17%). При недостатке фосфора у животных появляется заболевание костей.

При разложении богатых фосфором органических соединений могут образоваться газообразные и жидкие вещества. В частности, аналогично аммиаку может образоваться очень ядовитый бесцветный с чесночным запахом газ – фосфористый водород, или фосфин, РН3. Этот газ можно получить в лаборатории при кипячении белого фосфора с едким кали или при действии соляной кислотой на фосфид кальция: Са₃Р₂ + 6НСl = 3СаСl₂ + 2РН₃ .

Одновременно с фосфином при этой реакции часто образуется в небольшом количестве жидкий продукт соединения фосфора с водородом – дифосфин Р₂Н₄, пары которого сами собой воспламеняются при обычной температуре и поджигают газообразный фосфин.

Подобного рода процессы происходят и в природе, являясь причиной появления так называемых «блуждающих огней» на кладбищах. Вспышки фосфина днем, конечно, не бывают видны, но ночью они вызывают суеверный страх у многих людей, которые незнакомы с научным объяснением этого явления. Описание «блуждающих огней» дано в «Вечерах на хуторе близ Диканьки» Н.В.Гоголем в рассказе «Заколдованное место». Жидкий дифосфин, выделяясь на болотах вместе с метаном, поджигает последний, и тогда возникает новое «чудо» – блуждающие болотные огни. Роль подобных процессов в природе относительно незначительна. Наоборот, образование различного рода фосфатов происходит в очень больших масштабах.

Существует несколько объяснений, как могли образоваться громадные накопления фосфатов органического происхождения, поскольку причины, вызывающие этот процесс, различны.

Богатый фосфором птичий помет, известный под названием гуано, в условиях сухого климата скапливается иногда в огромных количествах. Так, например, на островах Тихого океана, в Чили и Перу имеются огромные толщи гуано (до 100 м). Гуано – одно из самых эффективных удобрений. Оно содержит до 9% азота и 3% фосфорной кислоты.

Большие скопления помета имеются и в пещерах, где обитают летучие мыши. В процессе различных химических превращений эти вещества постепенно образуют различные минералы (алюмофосфаты, монофосфаты и др.). Образование залежей подобных соединений может произойти и в результате различных геологических катастроф, приводящих к массовой гибели животного мира.

Значительным признанием пользуется так называемая биолитная гипотеза происхождения фосфоритов. Согласно ей их залежи могли образоваться в результате массовой гибели морской фауны при встрече теплого морского течения с холодным: быстрая смена температуры оказывает одинаково гибельное влияние на животных, населяющих воды того и другого течения и не приспособившихся к быстрой смене условий. Гибель животного мира может происходить и при встрече течений с различной степенью содержания солей в их водах, например в дельтах больших рек, впадающих в моря и океаны.

В 1934 г. русский ученый А.В.Казаков опубликовал химическую гипотезу происхождения фосфоритов в морских водах. По этой гипотезе фосфаты, растворенные в морской воде, начинают осаждаться, когда из глубин моря они выносятся на его поверхность. Происходит это вследствие уменьшения кислотности воды (в связи с удалением части углекислоты); растворимость фосфатов в этой среде уменьшается, и тогда избыток их выпадает на дно. Так и образовались мощные залежи фосфоритов, оказывающиеся затем на суше вследствие геологических катастроф или постепенного поднятия морского дна.

Фосфоритовые залежи есть во многих странах. Наиболее известны месторождения в Северной Африке (Египет, Тунис, Алжир, Марокко), в США (Флорида). В России месторождения фосфоритов распространены на Урале, в Поволжье, Московской, Кировской, Смоленской, Брянской, Ленинградской и других областях.

В процесс круговорота фосфора, как и в природный круговорот других элементов (кислорода, азота, серы, калия, кальция, алюминия, железа и др.), энергично вмешивается человек. Фосфор нужен человеку для многих целей: большое количество его поглощает спичечная отрасль промышленности. Лучшие сорта нержавеющей стали получаются благодаря процессу фосфатирования – покрытия тонким слоем фосфатов, стойких против атмосферной коррозии. Аналогичной обработке часто подвергаются изделия из цинка, алюминия и их сплавов. Соединения фосфора идут на изготовление многих лекарственных веществ.

Главный же потребитель фосфатов – сельское хозяйство. Со времени химика Ю.Либиха земледельцы, поняв значение фосфора для повышения урожая культурных растений, начали отыскивать природные фосфаты (апатиты, фосфориты), превращать их механическим или чаще всего химическим путем в удобрения и вносить в почву.

Важно заметить, что в 100 кг пшеницы находится около 1 кг фосфора (в виде Р₂О₅). Столько же фосфора содержится в 200 кг сена, 300 кг соломы, 1500 кг зеленых кормов. Можно себе представить, какие громадные количества фосфора уносятся с наших полей вместе с урожаем. Часть его, конечно, возвращается в почву, но фосфор, например, содержащийся в продуктовых частях растений, идущих на промышленную переработку, пропадает. Не обладая бесконечными запасами фосфора, почва вследствие этого процесса постепенно истощается, что приводит к сильному снижению урожая и необходимости восполнения потери фосфора. Культурные растения в большинстве случаев очень благоприятно отзываются на внесение в почву фосфорных удобрений в легкоусвояемой форме.

Рисунок. Круговорот фосфора в природе

Фосфорное удобрение получается также в качестве побочного продукта при переработке богатого фосфором чугуна в сталь при томасовском процессе. Если «грушу», в которой получается сталь по методу Г.Бессемера, выстлать внутри известковой футеровкой, то известь поглотит фосфор из расплавленного чугуна. В этом и состоит сущность предложенного англичанином С.Дж.Томасом процесса, при котором сразу достигаются две цели: получение доброкачественной стали и ценного удобрения. Последнее достигается путем размалывания поглотившей фосфор известковой футеровки. Получаемый таким путем сухой темно-серый порошок, называемый томасшлаком, содержит от 11 до 24% Р₂О₅ и является высокоэффективным удобрением, особенно на кислых почвах.

Главнейшие процессы, характеризующие круговорот фосфора в природе, изображены на рисунке. Объяснением этого рисунка могут служить следующие слова знаменитого русского геолога и минералога, профессора Я.В.Самойлова, которому принадлежит большая заслуга в деле изучения фосфоритов: «Фосфор наших фосфоритовых месторождений – биохимического происхождения. Из апатита – минерала, в котором первоначально заключен почти целиком весь фосфор литосферы, элемент этот переходит в тело растений, из растений – в тело животных, которые являются истинными концентраторами фосфора. Пройдя через ряд животных тел, фосфор, наконец, выпадает из биохимического цикла и вновь возвращается в мир минеральный. При определенных физико-географических условиях в море происходят массовая гибель животных организмов и скопление их тел на дне морском, а скопления эти приводят к образованию фосфоритовых месторождений в осадочных отложениях. Наши фосфориты – биолиты, и если бы можно было шаг за шагом повернуть весь ход испытанных нашими фосфоритами перемещений в обратную сторону, то образцы, заполняющие наши музеи, зашевелились бы... »

Таким образом, основные запасы фосфора сосредоточены в горных породах земной коры, в донных осадках морей и океанов, а также в гумусовом горизонте почвы. Главными источниками поступления фосфора в почву являются материнские породы (60% запасов фосфора находится в минеральной части твердой фазы почвы), органические остатки растительного и животного происхождения, органические и минеральные удобрения. В почвах найдено более 200 различных минеральных соединений фосфора. Преобладающими фосфорсодержащими соединениями в земной коре являются разновидности минерала апатита, главным образом, фторапатита.

Глобальный биогеохимический круговорот большинства биогенных макроэлементов предполагает наличие у них газовых форм. И только фосфор, не имея газовых форм, необратимо вымывается в океан. Возврат элемента в геологическом масштабе осуществляется, когда дно моря становится сушей: основные месторождения фосфатов – бывшие донные отложения органического происхождения.

6.Доступность почвенных фосфатов растениям (условия, определяющие их растворимость).

В результате биологического круговорота фосфора в почве накапливаются органические фосфаты, доля которых может достигать до 80% от общего содержания фосфора. Прямым источником органического фосфора являются такие устойчивые соединения, как нуклеопротеиды, нуклеиновые кислоты, фосфатиды, фитин и их производные. Выделяют две группы органических фосфатов в почве: неспецифические соединения индивидуальной природы, образующиеся в результате биологического синтеза и фосфогумусовые специфические соединения. Содержание фосфора в составе специфических гумусовых веществ составляет (в %): в серых лесных почвах 1,78- 2,46; в черноземе обыкновенном -0,9-1,27; в черноземе выщелоченном -1,1-1,43; в темно-каштановой -0,97-1,3. В почве одновременно протекают разнонаправленные процессы. Происходят иммобилизация органическим веществом фосфора почвенного раствора и минерализация органических веществ, которая сопровождается поступлением фосфора в почвенный раствор. Фосфор плазмы микроорганизмов входит в состав белковых тел микроорганизмов. Эта форма фосфора не выполняет существенной роли в питании растений до тех пор, пока из-за неблагоприятных условий обитания микроорганизмы не погибнут. Поскольку, в благоприятных условиях фосфор передается дочерним поколениям при делении клетки материнской особи.

Минеральные формы фосфора находятся преимущественно в виде соединений ортофосфорной кислоты с ионами кальция, магния, железа и алюминия. Соли фосфорной кислоты – наиболее доступная для растений и распространенная форма фосфора в почве, составляет до 5% от валового его содержания. Образуется в результате минерализации органических соединений с помощью фермента фосфатазы или при выветривании минералов. Доступность растениям фосфатов почвы определяется степенью замещенности водородных ионов ортофосфорной кислоты: Ca(H₂PO₄)₂ – однозамещенный фосфат кальция, растворим в воде; CaHPO₄ – двузамещенный фосфат кальция, растворим в слабокислой среде; Ca₃ (PO₄)₂ – трехзамещенный фосфат кальция , слабо растворим в кислой среде. Значительная их доля адсорбируется на «+» заряженной частью почвенного поглощающего комплекса (базоидами).

Уровень фосфорного питания растений зависит от растворимости минеральных форм фосфора. Фосфаты кальция становятся нерастворимыми в щелочных условиях, а фосфаты железа и алюминия – в кислых. Таким образом, химическое осаждение фосфатов из растворов и сорбция их на поверхности почвенных частиц определяется характером реакции почвенного раствора, обуславливая преобладание одного из трех ионов фосфора.

В интервале кислых и нейтральных почв преобладает монофосфат – одновалентный ортофосфат H₂PO₄ , в щелочной среде – при pH выше 7,2 доминирует HPO₄ . Ион PO₄ появляется при pH выше 10. Так, растворимость фосфатов полуторных окислов возрастает по мере повышения pH раствора, и, наоборот, в кислой среде они приобретают кристаллическое строение со значительной потерей растворимости. При pH=5 фосфор преимущественно связывается с кальцием, растворимость фосфатов кальция возрастает по мере подкисления среды. Осаждение фосфатов железа происходит при рН ниже 3,5; фосфатов алюминия - ниже 5; а кальций фосфатов - при рН выше 7,5 (Томпсон, Троу, 1982). Возможность осаждения и растворения этих соединений при различных значениях реакции среды может быть представлена в виде схемы представленной выше. Наиболее легко абсорбируется растениями монофосфат. Таким образом, вследствие высокой активности элементарного фосфора и его окислов он образует мало- и труднорастворимые соединения в воде. Т.е. проявляется химическое осаждение фосфатов из растворов и сорбция их на поверхности почвенных частиц. Это явление известно как химическое поглощение фосфора (ретроградация) и определяет эффективность фосфорных удобрений.

Исследованиями установлено, что кроме перечисленных факторов увлажнение-высушивание почвы приводит к «распаковке» глинистых минералов с трехслойным строением кристаллической решетки и высвобождению фосфора. Быстрое смачивание почвы способствует разрушению почвенного агрегата, обнажению внутренних его поверхностей, а, следовательно, и переходу в почвенный раствор ранее скрытых соединений фосфора. Кроме того, степень обеспеченности растений доступными почвенными фосфатами зависит от уровня потребления фосфора возделываемой культурой и связано с ее биологическими особенностями. По данным Д.Н.Прянишникова, некоторые растения (гречиха, горчица, эспарцет, донник, горох) способны усваивать фосфор из трехзамещенных фосфатов. На усвоении фосфатов большое влияние оказывают аммиачное и аммиачно-нитратное удобрения. Поскольку, аммиачные формы азотных удобрений обладают физиологической кислотностью, последняя может оказать растворяющее воздействие на фосфорит.

Исходя из особенностей взаимодействия различных почв с фосфором удобрений, характера превращения фосфора в почвах приемы рационализации фосфатного режима почвы представляются следующими:

1. Уменьшение контакта водорастворимых фосфатов с почвой (грануляция, капсулирование, локальное и припосевное внесение).
2. Активизация слаборастворимых фосфорных удобрений при взаимодействии с кислым субстратом (фосфоритование кислых почв, компостирование фосфоритной муки с навозом).
3. Активизация фосфора самой почвы путем известкования, фаворизации деятельности микроорганизмов, разрушающих органофосфаты, фосфаты железа, кальция и алюминия.

7. Баланс фосфора.

В органической форме фосфор входит в состав сложных белков (нуклеопротеидов), нуклеиновых кислот, фосфатидов, фитина, фосфорных эфиров, Сахаров, В-ферментов и других биологически активных веществ. Значительное количество фосфора находится в растениях в минеральной форме и используется в различных реакциях фосфорилирования (превращение углеводов с участием фосфорной кислоты).

Соединения фосфора с аделиновой кислотой (аденизиндифосфаты и аденизинтрифосфаты) занимают ведущее место в энергетическом обмене в клетке. Они богаты макроэргическими связями, в которых аккумулируется энергия, освобождающаяся при дыхании растений и используемая в разнообразных процессах синтеза.

Основным источником фосфатного питания растений в природных условиях служат соли ортофосфорной кислоты. Пирофосфаты и метафосфаты также могут быть использованы сельскохозяйственными культурами.

Соли одновалентных катионов ортофосфорной кислоты хорошо растворимы в воде и легко усваиваются растениями так же, как и соли двухвалентных катионов ортофосфорной кислоты, если они замещают в кислоте один водород (главным источником таких соединений служит суперфосфат, содержащий в своей основе мококальцийфосфат). Соли двухвалентных катионов (например, дикальцийфосфат) нерастворимы в воде. Однако они хорошо растворяются в слабых кислотах, в том числе и органических, которые присутствуют в почве.

Трехзамещенные ортофосфаты двухвалентных катионов (например, трехкальциевый фосфат) практически нерастворимы в воде, очень слабо растворимы в слабых кислотах и плохо усваиваются растениями. Но такие культуры, как люпин, гречиха, горчица, эспарцет, горох и конопля, способны достаточно хорошо усваивать трехкальциевые фосфаты и тонкоразмолотые фосфориты.

Очень слабо используется растениями фосфор средних и особенно основных солей трехвалентных катионов ортофосфорной кислоты. Органические фосфорные соединения при воздействии ферментов микрофлоры переходят в минеральные фосфаты, которые и усваиваются растениями. Растения поглощают фосфаты более интенсивно в первый период роста, чем в последующие. Недостаток фосфорного питания в ранний период роста растений очень сильно сказывается на дальнейшем их развитии. При этом фосфорное голодание в начале развития растения невозможно полностью преодолеть последующим внесением фосфора. Более того, обильное фосфорное питание в дальнейшем отрицательно сказывается на развитии сельскохозяйственных культур.

Исследования с применением радиоизотопов фосфора позволили установить большую скорость передвижения фосфатов из почвы в растения и внутри них. Фосфор, поступающий в растение, очень неравномерно распределяется между его органами и тканями. Растущие клетки получают фосфора больше, чем клетки, деление которых прекратилось. В фазу созревания репродуктивных органов к ним очень энергично передвигаются фосфаты из вегетативных частей. Основная часть фосфора сосредоточивается в товарной части урожая. Отсюда вытекает необходимость заботиться о достаточном обеспечении фосфорным питанием сельскохозяйственных культур. При нормальном питании злаковых культур фосфатной пищей ускоряется их развитие и созревание, повышается сопротивляемость к полеганию, а также улучшается качество продукции.

Калий почвы. Содержание и формы калия. Доступность почвенного калия растениям. Баланс калия в земледелии

8. Содержание калия в почвах

Калий содержится в почвах главным образом в алюмосиликатах. Валовое содержание калия в почвах выше, чем азота и фосфора. Оно определяется, прежде всего, минералогическим и гранулометрическим составом почвы. Объясняется это тем, что большая часть почвенного калия входит в состав полевых шпатов, слюд и различных глинистых минералов (иллит, монтмориллонит, вермикулит). Полевые шпаты (ортоклаз, роговая обманка, микроклин) распространены весьма широко – на них приходится 60% минералогического состава поверхностного слоя земной коры. В их составе 10-12% занимает оксид калия. Большое распространение имеют калийные слюды - мусковит, биотит, флогопит. Мусковит содержит в среднем 10%, а биотит 8% оксида калия. В результате выветривания и биохимического разрушения полевых шпатов и слюд образуются гидрослюды (вторичные минералы). Они входят в состав преимущественно дисперсных фракций почвы. Поэтому, содержание калия в почвах зависит от их гранулометрического состава. Почвы тяжелого гранулометрического состава могут фиксировать значительно больше калия, чем легкие. Помимо минералогического и гранулометрического составов на поглотительную способность почвы в отношении калия значительное влияние оказывают ее влажность, содержание гумуса, реакция среды, биологическая активность, а также дозы и формы минеральных удобрений. В почве калия много в составе живого и мертвого органического вещества, поэтому на содержание калия в почве оказывает влияние степень гумусированности. Меньше всего калия содержится в торфяниках и песчаных почвах, в легких подзолистых и дерново-подзолистых почвах. Максимальные запасы элемента сконцентрированы в черноземах, каштановых и сероземных почвах.

В пахотном слое дерново-подзолистых, песчаных и супесчаных почв находится 0,6-1,5% валового калия (К₂О), в глинистых- 1,5-2,5%. В серых лесных и черноземных почвах количество валового калия достигает 1—3%, в каштановых и бурых почвах-1-2%.

В почвах различают три формы соединений калия – водорастворимый, обменный и необменный, входящий в состав силикатов.

Растения могут усваивать не только водорастворимый и обменный калий, но частично и необменный (на тяжелых почвах в большей степени, чем на легких). Запасы подвижного калия пополняются в результате выветривания минералов. С другой стороны, обменный калий в почве может переходить в необменные формы.

Агрохимическое обследование почв России показало, что они довольно хорошо обеспечены подвижным калием. Около 67% пахотных почв характеризуется повышенным, высоким и очень высоким его содержанием и лишь 10,8% очень низким и низким. Почвы отдельных природно-экономических районов значительно различаются по количеству подвижного калия. Однако в целом почвы всех районов более обеспечены калием, чем фосфором. Особенно бедны обменным калием легкие подзолистые и торфяные почвы.

В лесной подзолистой зоне преобладают пахотные почвы с низким и средним содержанием обменного калия и только 3% с очень низким. Свыше 30% почв имеет повышенное, высокое и очень высокое его содержание. Наименее обеспечены обменным калием почвы Центрального района Нечерноземной зоны, где почти 32% земель с низким и 5% с очень низким его содержанием.

Наибольшее количество обменного калия находится в пахотных почвах Уральского района, здесь 60% земель имеют повышенное, высокое и очень высокое его содержание. Правда, этот район не полностью входит в зону подзолистых почв.

Закономерности размещения почв с различным содержанием калия еще недостаточно ясны. По-видимому, здесь большую роль играют провинциальные литологические особенности почвообразующих пород. Определенное значение имеют и различия в механическом составе почв. Влияние окультуренности почв на содержание калия сказывается слабее, чем на содержание фосфора. Иногда более окультуренные почвы с повышенным количеством фосфора содержат даже меньше калия, чем менее окультуренные.

Для правильного суждения об обеспеченности почв подвижным калием и его доступности растениям необходимо знать не только его содержание, но и степень подвижности. При одном и том же количестве обменного калия степень его подвижности в легких почвах выше, чем в тяжелых. Источником накопления обменного калия по мере его использования служит необменный калий. В легких дерново-подзолистых почвах значительно меньше необменного калия по сравнению с тяжелыми. Наибольшим его количеством обладают пойменные почвы.

Черноземные почвы Центрально-Черноземной зоны лучше обеспечены подвижным калием, чем почвы подзолистой зоны. Особенно много его в черноземах Западно-Сибирского района (56% земель с очень высоким содержанием). Количество обменного калия здесь увеличивается от лесостепи к сухим степям, достигая наибольшей величины в южных черноземах. Почти во всех каштановых почвах, за исключением супесчаных и песчаных разновидностей, отмечено значительное количество подвижного калия. Особенно богаты им почвы Прикаспийской низменности. Достаточно обеспечены подвижным калием почвы Восточной Сибири и Дальнего Востока, где размещено свыше 60% пахотных земель с повышенным, высоким и очень высоким его содержанием.

9. Формы и доступность почвенного калия растениям

По степени доступности растениям почвенный калий классифицируется следующим образом (Панников, Минеев, 1977). Не все формы калия в почвах доступны растениям. Общепринятым считается, что все формы калия находятся в динамическом равновесии. Принято выделять следующие формы: водорастворимый, обменный, фиксированный, калий нерастворимых силикатов, калий органической части почвы.

Валовое содержание калия в почвах выше, чем азота и фосфора. Объясняется это тем, что калий входит в состав большинства минералов, слагающих почвообразующую породу. Однако валовое содержание элемента не характеризует то его количество, которое может быть усвоено растениями. Эта форма элемента определяется как калий, входящий в состав кристаллической решетки почвенных минералов, она практически недоступна растениям до разрушения этих минералов с высвобождением калия в усвояемую растениями форму – 30кг/га в год (Пчелкин, 1977). По-видимому, разрушение почвенных минералов усиливается на фоне удобрений и под хорошо развитым растительным покровом. Этому способствует попеременное увлажнение и высыхание почвы.

Рисунок. Формы калия в почве и их трансформация (Krauss, 1998)

Водно-растворимый калий наиболее подвижен и доступен растениям. Представлен легкорастворимыми его солями, находящимися в почвенном растворе. Его количество в зависимости от внешних условий постоянно меняется и составляет 1/5- 1/10 часть от обменного калия (1-7мг/кг почвы). Эта форма калия пополняется за счет гидролиза калийсодержащих минералов, разрушения их корневыми выделениями и продуктами жизнедеятельности почвенных микроорганизмов, но главным образом за счет вытеснения обменного калия. Растения могут усваивать до 50-70% водно-растворимого и обменного калия.

Калий органического вещества почвы представляет собой ту часть, которая входит непосредственно в состав гумуса, внесенных органических удобрений, растительных остатков, а также микробных тел. Этот калий становится доступным растениям лишь после отмирания микробных тел и минерализации источников органического вещества.

Обменный, или поглощенный калий составляет 0,8-1,5%. Представлен катионами калия в почвенном поглощающем комплексе. Вместе с водорастворимым калием это основной источник калийного питания растений. Но растения могут усваивать только какую-то часть всего запаса обменного калия, наиболее подвижную. Она вытесняется в почвенный раствор другими катионами, находящимися на поверхности корневых волосков растений.

Фиксация калия в необменном состоянии характерна для почв, богатых глинистыми минералами со сложной, трехслойной кристаллической решеткой. Этот калий внедряется в межпакетное пространство кристаллической решетки. Фиксация калия, при которой он вовлекается внутрь кристаллической решетки, усиливается при попеременном увлажнении и высыхании почвы, значительном содержании органического вещества почвы и щелочной реакции почвенного раствора.

Таким образом, калийное состояние почв связано со способностью катионов переходить из одной формы в другую. Эти превращения заключаются в возможности ионов калия занимать различные по прочности связи с почвой позиции, и относится к двум противоположно направленным, обратимым процессам – фиксации (адсорбции) и мобилизации и (десорбции). Под фиксацией калия понимают переход катионов, находящихся в почвенном растворе или в обменном состоянии в необменную (прочносвязанную) форму. Поэтому, фиксацию калия можно рассматривать как процесс, ответственный за его накопление и сохранение. Десорбционная способность контролирует механизм удаления-потребления почвенного калия. Представляет процесс перехода катионов из обменно-поглощенного или необменного состояния в почвенный раствор.

10. Баланс калия

Баланс калия в агроценозах формируется из приходной и расходной частей. Приходная часть состоит из калия, поступающего из почвообразующих пород и минералов, зольного калия, калия плазмы микроорганизмов и с поступающими минеральными и органическими удобрениями. Расходная часть слагается калием, отчуждаемым из агроценоза с растительной продукцией, потери с поверхностным стоком, за счет инфильтрации и в виде необменной фиксации калия минералами.

Приходные статьи баланса калия

Общее содержание калия в почвах почти целиком определяется количеством и качеством почвенных калийсодержащих минералов и степенью их выветренности. Однако валовое содержание элемента не характеризует количество, которое может быть использовано растениями.

Все калийсодержащие минералы могут служить непосредственными источниками калийного питания растений. Доступность калия слюд и гидрослюд значительно выше. Коэффициент использования калия из слюд (мусковит, биотит, флогопит) составляет 39%, причем они хорошо обеспечивали растения калием при размере фракций от илистой до песчаной (Важенин, Карасева,1959, Петербургский, Кузнецов, 1972). Глинистые минералы (иллит, глауконит) могут быть использованы в качестве калийных удобрений (Грим,1967). По доступности калия растениям из минералов имеется следующий убывающий ряд: биотит-нефелиновая порода > мусковит > полевые шпаты (ортоклаз, микроклин).

Количество высвобождаемого калия зависит не только от общего количества конкретного минерала, но и от содержания в нем калия, зависящего от степени выветренности.

Таким образом, определенные количества разных минералов могут обеспечить одинаковое общее количество калия в субстрате, но условия калийного питания растений при этом будут совершенно различными. Доступность растениям калия определяется, прежде всего, прочностью его связи с минеральной основой почвы. Позиции, занимаемые ионами калия в его почвенных носителях, по возрастанию степени энергии связи можно классифицировать следующим образом:

а) калий, адсорбированный на минеральных и органоминеральных коллоидных частицах ППК. Обменные катионы удерживаются вокруг внешних краев кремнезем-глиноземных элементов структурных слоев глинистых минералов с различной энергией, которая зависит от положения адсорбированного катиона на поверхности минерала, концентрации ионов.

б) калий, необменно-поглощенный межслоевым пространством почвенных минералов с расширяющимся типом решетки (монтмориллонитового типа). Поглощенные катионы, проникающие между силикатными слоями этих минералов, переходят в менее подвижную, по сравнению с обменной, форму при сжимании решетки (Горбунов,1965). Данная реакция, как правило, обратима – при гидратировании коллоидов катионы могут снова переходить в раствор;

в) калий, расположенный в межплоскостном пространстве глинистых минералов с ненабухающей решеткой (гидрослюды). Ионы калия уравновешивают дефицит заряда, вызванный изоморфными замещениями внутри кристаллической решетки, и, поэтому удерживаются электростатическими силами достаточно прочно (Грим,1967);

г) калий, входящий в кристаллическую решетку минералов с листовой решеткой (слюд);

д) калий минералов с каркасным типом кристаллической решетки (полевых шпатов).

Таким образом, максимальной подвижностью обладают ионы почвенного раствора, минимальной – калий, входящий в каркасную кристаллическую решетку полевых шпатов.

Калий, поглощенный органической частью почвы (микробами, органическими остатками и гумифицированным веществом) составляет весьма небольшое количество. В составе золы гуминовой кислоты калий составляет 1,22%. Калий, входящий в состав плазмы микроорганизмов, густо населяющих почву и ризосферу, становится доступным лишь после отмирания микробов.

Калий в почвах малоподвижен – перемещение ионов калия за вегетационный период не превышает 3-7мм. Это делает возможным обогащение почвы калием внесением удобрений в запас, т.е. раз в 3-5 лет.

Вынос урожаями представляется основной расходной статьей баланса этого элемента питания. Ежегодно с урожаями технических, пропашных культур выносится более 110 кг/га калия. Считается, что растения предпочтительнее поглощают калий почвы, чем из свежевнесенного удобрения.

По литературным данным, содержание калия в зерне пшеницы является стабильным показателем и составляет 0,5- 0,6% (на сухое вещество); в соломе его уровень колеблется в более широких пределах – 0,8 -1,3%, а при внесении удобрений содержание калия в соломе пшеницы достигало 1,-3,8%.

Значительно варьирует содержание калия в клубнях картофеля, оно составляет от 0,67 до 2,7%. Еще более заметно колеблется концентрация элемента в картофельной ботве – 0,7 -3,8%.

Сельскохозяйственные культуры предъявляют неодинаковые требования к уровню калийного питания. Уровень калийного питания определяется динамикой и интенсивностью потребления элемента в течение вегетации. По этим показателям сельскохозяйственные растения подразделяются на 2 группы:

а) высокотребовательные к уровню калийного питания и отзывчивые на высокие дозы калийных удобрений – картофель, сахарная свекла, ячмень, подсолнечник, гречиха, просо, капуста, морковь, огурец, баклажаны, петрушка, сельдерей.

б) культуры с нормальной потребностью в калии, положительно отзывающиеся на последействие калийных удобрений, внесенных в высоких дозах под предшественник.

Вынос этого элемента с урожаем в интенсивных агроценозах может составлять 110 – 120 кг/га за счет почвенных запасов и 300 кг/га – при внесении калийных удобрений. Вынос калия капустой достигает 500 кг/га, томатом -220, морковью и картофелем -300, ячменем -400, пшеницей -200 кг/га.

Удельный вынос калия в целом увеличивается с повышением уровня калийного питания, но в значительной степени зависит от биологических особенностей выращиваемых культур. У культур с высоким потреблением калия его вынос возрастает по мере повышения доз удобрений. Растения с относительно низкой потребностью в калии склонны накапливать этот элемент в биомассе без соответствующего повышения продуктивности. В общем выносе калия на долю основной продукции приходится (в %): капуста и томат -70, морковь -75, картофель -80, пшеница и ячмень – 15.

Д.Н.Прянишников считал, что выносимое с урожаем количество калия должно быть компенсировано удобрениями не менее чем на 70-80%.

Минералогический и органо-минеральный состав почвы определяет такое ее важное свойство как способность фиксировать, или поглощать калий. Фиксация калия возрастает при высушивании почвы. Иногда фиксированный калий удерживается так прочно, что становится недоступным для растений. По данным С.М.Горбачевой (1977), в Красноярском крае необменная фиксация калия приводит к потере на черноземных, лугово-черноземных и серых лесных почвах до 60%, на серых лесных почвах – 25% элемента. Причем, фиксация проявляется при пониженной влажности и в условиях переменного избыточного увлажнения и последующего высушивания почвы

При водной и ветровой эрозии из корнеобитаемого слоя почвы теряется до 10% калия (обменного и водорастворимого).

Контрольные вопросы

1. Какие вы знаете статьи расхода и прихода азота в почве?
2. Значение биологического азота в обеспечении потребности возделываемых культур.
3. Перечислите условия для поглощения аммиачного азота.
4. Сущность денитрификации соединений азота.
5. Роль азота в земледелии в свете учения Д.Н.Прянишникова.
6. В какие органические соединения входит азот в растениях, какова их роль?
7. Какие вы знаете источники азотного питания и как они превращаются в растениях?
8. В чем особенности азотного питания бобовых культур?
9. Расскажите о схеме превращения органических азотсодержащих веществ в почве. Что такое аммонификация и нитрификация?
10. Какова роль фосфора в жизни растительного организма?
11. В виде каких соединений находится фосфор в почвах и какова их доступность для растений?
12. Содержание и формы фосфора в почве.
13. Методы определения подвижных фосфатов почвы.
14. Факторы, определяющие доступность почвенных фосфатов.
15. Перечислите статьи прихода и расходования фосфора
16. Какова роль калия в растениях?
17. Каково валовое содержание калия в разных почвах?
18. На какие группы подразделяются соединения калия в почвах и какова их доступность?
19. Потребность сельскохозяйственных культур в калии.
20. Зависимость содержания калия в почве от гранулометрического состава.
21. Различия сельскохозяйственных культур в способности усвоения калия.