Взаимодействие фосфорных удобрений с почвой

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Са(Н₂РО₄)₂ + Са(НСО₃)₂ = 2СаНРО₄ ∙ 2Н₂О + 2СО₂.

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

Са(Н₂РО₄)₂ + 2А1(ОН)₃ = 2А1РО₄ + Са(ОН)₂ + 4Н₂О,

Са(Н₂РО₄)₂ + 2Fe(OH)₃ = 2FePО₄ + Ca(OH)₂ + 4Н₂О.

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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