## Фосфор: распространенность, значение и получение
Фосфор - химический элемент, широко распространенный в земной коре. Несмотря на то, что его содержание составляет около 0,1% от массы земной коры, в свободном виде фосфор не встречается из-за своей высокой химической активности, в частности, способности легко окисляться.
Главным природным источником фосфора является минерал ортофосфат кальция, известный как фосфорит (Ca3(РО4)2). Значительные залежи фосфоритов находятся в горах Каратау на территории Южного Казахстана.
Другим распространенным минералом, содержащим фосфор, является апатит. Помимо ортофосфата кальция (Ca3(РО4)2), апатит включает в себя фторид кальция (CaF2) или карбонат кальция (CaС). Крупнейшее в мире месторождение апатита было обнаружено в первой половине XX века на Кольском полуострове.
Фосфор, подобно азоту, играет важнейшую роль для всех живых организмов, являясь структурным компонентом белков растительного и животного происхождения. В растениях фосфор концентрируется преимущественно в белках семян.
Кроме того, фосфор входит в состав нуклеиновых кислот - сложных высокомолекулярных органических соединений, присутствующих во всех живых клетках. В составе нуклеиновых кислот фосфор представлен в виде остатка фосфорной кислоты. Нуклеиновые кислоты непосредственно участвуют в передаче генетической информации от клетки к клетке, обеспечивая преемственность наследственных признаков.
Для получения фосфора и его соединений в промышленности используются фосфориты и апатиты. Процесс получения включает несколько этапов: измельчение природного сырья, смешивание с песком и углем, а затем нагревание полученной смеси в электрических печах без доступа воздуха.## Фосфор – ключевой элемент жизни растений
Фосфор, неметалл, занимающий место в V группе второго периода таблицы Менделеева, представлен в природе стабильным изотопом ³¹P. Этот элемент играет важнейшую роль в жизни растений, участвуя в множестве метаболических процессов и формируя структурные компоненты клеток.
### Формы фосфора в растениях
В растениях фосфор встречается как в неорганической, так и в органической формах.
Неорганические формы
представлены ортофосфатом (Фн) и пирофосфатом (ФФн) и легко растворяются в воде. Ионы ортофосфата, взаимодействуя с органическими соединениями, образуют моноэфиры, диэфиры и ангидриды.
Органические соединения
фосфора можно разделить на несколько групп:
Нуклеиновые кислоты (ДНК и РНК):* Фосфат, присутствующий в виде диэфира, служит связующим звеном между нуклеотидами, обеспечивая хранение и передачу генетической информации.
Фосфолипиды:* Фосфатные группы, как гидрофильные "головы", прикрепляются к липидам, формируя основу клеточных мембран (см. рисунок).
Фосфорные эфиры (C–O–P):* Участвуют в разнообразных метаболических реакциях.
Нуклеозидфосфаты (АТФ, АДФ, НАДФH):* Выполняют функцию энергетических аккумуляторов клетки.
Фн и ФФн:* Участвуют в метаболических процессах, регулируя энергетический баланс клетки.
Рисунок:
Схема строения фосфолипида.
[Изображение фосфолипида]
### Роль фосфора в энергетике клетки
Фосфор играет ключевую роль в энергетическом обмене клетки. Энергия запасается в форме макроэргических связей в молекулах пирофосфатов: АТФ, АДФ и ФФн. При разрыве этих связей выделяется энергия, необходимая для жизнедеятельности клетки.
АТФ (аденозинтрифосфат)
– универсальный источник энергии в клетке. Гидролиз АТФ сопровождается отщеплением фосфатной группы и выделением энергии, используемой в различных энергозависимых процессах:
АТФ + H₂O → АДФ + Фн
### Влияние фосфора на фотосинтез и синтез крахмала
Концентрация Фн в строме хлоропластов оказывает существенное влияние на фотосинтез. Оптимальная концентрация Фн для фотосинтеза составляет 2,0–2,5 ммоль/л. Снижение концентрации Фн до 1,4–1,0 ммоль/л приводит к остановке фотосинтеза.
Высокая концентрация Фн (около 5 ммоль/л) подавляет синтез крахмала, ингибируя фермент АДФ-глюкозофосфорилазу и снижая концентрацию триозофосфатов – субстрата для синтеза крахмала.
### Запасание фосфора в семенах растений
Основная часть фосфора в семенах растений запасается в форме фитиновой кислоты (миоинозитолгексафосфата):
[Изображение фитиновой кислоты]
Взаимодействуя с катионами (K+, Mg2+, Ca2+), фитиновая кислота образует соли – фитаты.
Фитин
– основной резерв фосфора в семенах. Он локализуется в алейроновых зернах – белковых телах вакуолярного происхождения.
### Метаболизм фосфора
Основной путь включения фосфора в органические соединения – через АТФ в реакциях углеводного и липидного обмена. Синтез АТФ из АДФ и Фн катализирует фермент АТФ-синтаза.
[Изображение АТФ]
### Содержание и поглощение фосфора
Нормальное содержание фосфора в растениях составляет 0,3–0,5% от сухой массы. Токсичность фосфора проявляется при концентрации выше 1%. Основной запас Фн находится## Поглощение и транспорт фосфора растениями
Фосфор поступает в клетки растений через плазматическую мембрану (плазмалемму) в форме фосфат-иона (O4
3-). Кинетика поглощения фосфата корнями описывается гиперболической зависимостью, которая может быть однофазной или двухфазной в зависимости от концентрации фосфора в среде. Однофазная кинетика наблюдается при низких концентрациях фосфора (микромолярный диапазон), а двухфазная - при высоких концентрациях (миллимолярный диапазон). Это свидетельствует о наличии в корнях растений двух типов транспортных систем для фосфата: с высоким и низким сродством к нему. Однако в культуре клеток табака (Nicotiana tabacum) обнаружены только транспортеры с высоким сродством к фосфору.
Транспорт фосфора в клетку осуществляется против градиента концентрации: внутри клетки концентрация фосфора в тысячи раз выше, чем в ризосфере (зоне почвы, окружающей корни). В почвенном растворе концентрация фосфора редко превышает 10 мкмоль/л, тогда как в растительных клетках она может достигать 1-10 ммоль/л. Движение фосфата против градиента концентрации становится возможным благодаря работе H+-АТФаз, которые создают градиент протонов (подкисление ризосферы) и обеспечивают симпорт фосфата в клетку вместе с протонами. Поглощение фосфата сопровождается подкислением цитоплазмы растительных клеток.
У зеленой водоросли Chara corallina фосфат транспортируется в симпорте с натрием (Na+/P-котранспорт). У сосудистых растений транспорт фосфора обычно не связан с транспортом натрия, хотя такая связь может существовать у растений-галофитов, обитающих в условиях засоления.
В поглощении фосфора из окружающей среды и его транспорте внутри растения участвуют фосфатные транспортеры - белки, обозначаемые аббревиатурой Pht. В настоящее время известно четыре семейства этих транспортеров: Pht1, Pht2, Pht3 и Pht4.
Pht1* кодируют H+/P-котранспортеры, которые переносят фосфор через плазмалемму. Эти транспортеры функционируют в широком диапазоне концентраций фосфора (3-700 мкмоль/л) и обладают как высоким, так и низким сродством к фосфату. У арабидопсиса идентифицировано девять генов этого семейства, четыре из которых экспрессируются в условиях дефицита фосфора. Помимо транспорта через плазмалемму, гены семейства Pht1 контролируют транспорт фосфата внутри растения. Экспрессия генов этой группы обнаружена в клетках цветков, гидатодах семядолей, пыльце, сосудах листьев и узлах стеблей.
Pht2 и Pht3* участвуют во внутриклеточном транспорте фосфора. Большинство из них обладают высоким сродством к фосфату. Однако транспортеры, локализованные в мембране хлоропластов (Pht2;1), являются белками с низким сродством к фосфату. Транспортеры Pht3 локализованы в митохондриях. Экспрессия генов, кодирующих транспортеры этого семейства, происходит в корнях и листьях растений.
Пять членов семейства Pht4* обнаружены в аппарате Гольджи.
Также существуют транспортеры с низким сродством к фосфату, находящиеся в клетках корней, но гены, кодирующие эти транспортеры, пока не идентифицированы.
Быстрое поглощение фосфата корнями на фоне его низкой мобильности в почве приводит к образованию вокруг корней так называемых зон истощения, где концентрация фосфора очень низкая. Возникновение таких зон создает градиент концентрации, необходимый для движения фосфата## Фосфор: ключевой элемент для жизни растений
Фосфор – незаменимый элемент для роста и развития растений. Его дефицит приводит к серьезным нарушениям в метаболизме и физиологии, снижая урожайность и качество продукции.
### Симптомы дефицита фосфора:
Замедленный рост:* растения отстают в развитии, имеют низкое соотношение побег/корень.
Изменение окраски листьев:* старые листья становятся темно-зелеными с голубоватым оттенком из-за накопления хлорофилла. Несмотря на это, интенсивность фотосинтеза снижается. Стебли однолетних могут приобретать красноватый оттенок (см. фото).
Нарушение репродуктивного развития:* цветки и соцветия мелкие, часто опадают. Плоды и семена мелкие, деформированные.
Ухудшение качества продукции:* в клубнях картофеля образуются твердые бурые участки, плоды косточковых становятся интенсивно зелеными, у цитрусовых – толстая грубая кожура.
### Механизмы дефицита фосфора:
Недостаток фосфора нарушает ключевые процессы в растениях:
Фотосинтез:* снижается скорость поступления фосфора в побег, нарушается работа генов, отвечающих за образование компонентов фотосистем и синтез хлорофилла.
Транспорт углеводов:* из хлоропластов экспортируется триозофосфат, преобразующийся в крахмал. Меняется экспрессия генов, связанных с метаболизмом крахмала, сахарозы и других углеводов.
Дыхание:* снижается концентрация АДФ и неорганического фосфора, что нарушает дыхание и транспорт электронов с участием цитохромов.
### Адаптация растений к дефициту фосфора:
Растения выработали различные механизмы адаптации к недостатку фосфора:
Морфологические изменения:
Разрастание корневой системы:* увеличивается соотношение корень/побег, особенно у эффективных поглотителей фосфора.
Формирование боковых корней:* увеличивается число и длина боковых корней, особенно в верхних слоях почвы, где фосфор более доступен.
Развитие специализированных корней:* у некоторых видов, например, люпина, образуются "протеоидные" корни с кластерами вторичных и третичных корней, покрытых волосками. Они выделяют вещества, мобилизующие фосфор из почвы.
Увеличение плотности и длины корневых волосков:* улучшает поглощение фосфора, так как волоски выделяют протоны, фосфатазы и органические кислоты.
Биохимические и физиологические изменения:
Усиление продукции фосфатаз:* эти ферменты расщепляют органические соединения фосфора, делая его доступным для растений.
Замена фосфолипидов:* в клеточных мембранах фосфолипиды заменяются на липиды без фосфора, что экономит запасы этого элемента.
Выделение органических кислот:* корни выделяют лимонную и яблочную кислоты, которые связывают катионы, облегчая высвобождение фосфора из труднорастворимых соединений.
Активация генов, кодирующих фосфатные транспортеры:* повышается эффективность поглощения фосфора из почвы.
Передача сигнала:
* Механизмы восприятия дефицита фосфора и передачи сигнала в растении изучены не до конца.
* Известно, что в этом процессе участвуют меристемы корней, транскрипционные факторы (PHR1, BHLH32, WRKY75, ZAT6) и сигнальные молекулы сахаров.
 в условиях недостатка фосфора. Интересно, что мутанты растений с нарушениями в метаболизме или передаче сигналов сахаров демонстрируют подавленную экспрессию генов, отвечающих за адаптацию к недостатку фосфора.
Фитогормоны, такие как ауксин, цитокинин и этилен, также играют ключевую роль в адаптации растений к дефициту фосфора. Ауксин стимулирует модификацию корневой системы, способствуя образованию и удлинению боковых корней, а также формированию корневых волосков. Цитокинин, напротив, может подавлять экспрессию генов, участвующих в ответе на недостаток фосфора. Баланс ауксина и цитокинина также влияет на состав фосфолипидов мембран.
Этилен, играющий важную роль в росте и развитии растений, необходим для передачи сигналов при недостатке фосфора. Интересно, что этилен демонстрирует двойственное действие в зависимости от обеспеченности растений фосфором. При его достатке этилен может ингибировать рост корней, в то время как при дефиците фосфора, наоборот, стимулирует его. Это связано с изменениями в путях передачи сигналов от этилена к ростовым процессам корней. Взаимодействие этилена и ауксина также играет важную роль в адаптации к недостатку фосфора, поскольку этилен стимулирует биосинтез ауксина и его транспорт к зоне роста корня.
Важно отметить, что усвоение фосфора растениями зависит не только от его количества в почве, но и от соотношения азота и фосфора (N:P). Высокие значения этого соотношения негативно сказываются на росте растений, приводя к угнетению и отмиранию корней, а также снижая эффективность усвоения фосфора.## Фосфор: ключ к жизни растений
Фосфор играет незаменимую роль в жизни растений, выполняя как энергетические, так и структурные функции. Он является компонентом множества жизненно важных фосфорорганических соединений, таких как АТФ и нуклеиновые кислоты.
АТФ, являясь основным аккумулятором энергии, полученной в процессе фотосинтеза и дыхания, обеспечивает энергией синтез белков, жиров, углеводов и активное поглощение питательных веществ. Фосфатиды, в свою очередь, участвуют в формировании клеточных мембран, которые регулируют поступление питательных веществ в клетку.
Влияние фосфора на биохимические процессы в растениях делает его своевременное поступление критически важным для получения высоких урожаев. Особенно это актуально для России с ее почвами, часто характеризующимися низким содержанием доступного фосфора.
Исследования показывают, что недостаток фосфора в первые две недели после появления всходов негативно сказывается на росте и развитии растений в течение всего вегетационного периода, что в конечном итоге снижает урожайность.
Например, на дерново-подзолистых почвах с низким содержанием подвижных фосфатов (40-60 мг/кг P₂O₅) продуктивность севооборотов составляет менее 2 т/га. При повышении содержания P₂O₅ до 120-140 мг/кг продуктивность увеличивается до 3,5-4,0 т/га, а при высоком содержании (250-300 мг/кг) - до 5-6 т/га и выше.
### Химические свойства и распространение фосфора
Фосфор (от греч. phosphoros — светоносный) был открыт в 1669 году. Этот химический элемент, занимающий 13-е место по распространенности в земной коре, встречается только в связанном виде в составе различных минералов, преимущественно солей ортофосфорной кислоты. Наиболее распространенными фосфорсодержащими минералами являются апатиты.
### Фосфор в растениях
В растениях фосфор присутствует как в органической, так и в неорганической форме. Соотношение между ними зависит от вида растения, его возраста и обеспеченности фосфором. В молодых органах преобладает органический фосфор (90-95%), а в старых - неорганический (60-70%).
Основной запасной формой фосфора, особенно в семенах, является фитин - кальций-магниевая соль фитиновой кислоты.
<i></i>Содержание фосфора в растениях (% от сухой массы):<i></i>
| Культуры | Содержание P₂O₅, % | Солома, стебли |
|---|---|---|
| Зерновые | 0,8-1,0 | 0,2-0,3 |
| Зернобобовые | 1,0-1,2 | 0,3-0,4 |
| Масличные | 1,0-1,5 | 0,2-0,6 |
| Сено злаковых трав | - | 0,4-0,6 |
| Сено бобовых трав | - | 0,6-0,8 |
### Фосфорное питание растений
Основным источником фосфора для растений служит почва.Анионы ортофосфорной кислоты, такие как H₂РО₄⁻ и НРО₄²⁻, играют важную роль в питании растений. Несмотря на присутствие РО₄³⁻ в почве, его значение невелико из-за низкой концентрации и подвижности. При взаимодействии с корневой системой, РО₄³⁻ протонируется, превращаясь в легкоусвояемый растениями Н₂РО₄⁻.
Кислотность почвы существенно влияет на форму фосфат-ионов. В сильнокислой среде преобладает Н₃РО₄, а в сильнощелочной - РО₄³⁻. Однако в диапазоне pH от 4 до 9 основными формами являются Н₂РО₄⁻ и НРО₄²⁻, как представлено в таблице:
<i></i>Таблица: Влияние реакции раствора на содержание анионов фосфорной кислоты<i></i>
| Анионы | pH раствора | | |
|------------|--------------|-----|------|
| | 5,0 | 7,0 | 9,0 |
| Н₂РО₄⁻ | 98,3% | 51% | 1,2% |
| НРО₄²⁻ | 1,6% | 49% | 96,0%|
| РО₄³⁻ | – | – | 2,8% |
Для оценки доступности фосфора растениям важна не столько его общая концентрация, сколько содержание лабильных фосфатов в почвенном растворе. Обычно оно невелико и колеблется от 0,1 до 5 мг/л, что эквивалентно 0,1–5 кг P₂O₅/га пахотного слоя. В большинстве случаев этот показатель находится в диапазоне 0,5–2,0 мг/л.
Важно отметить, что концентрация фосфора в почвенном растворе в десятки раз ниже, чем нитратов. Это связано с ограниченной диффузией ионов в прикорневой зоне.
Сельскохозяйственные культуры потребляют значительное количество фосфора – 20–40 кг/га за сезон. Обеспеченность растений этим элементом зависит от способности почвы поддерживать достаточную концентрацию фосфатов в течение всего периода вегетации.
Тип почвы также играет важную роль. Тяжелые почвы, например, удерживают больше влаги и, следовательно, фосфора, чем легкие.
Доступность фосфатов также варьируется в зависимости от вида растений. Например, бобовые культуры, потребляющие много кальция, способны усваивать труднорастворимые фосфаты.
Недостаток фосфора негативно сказывается на росте и развитии растений. Наблюдаются следующие симптомы: замедленный рост, мелкие темно-зеленые листья с голубоватым оттенком, красно-фиолетовая окраска прожилок, появление желто-бурых или темно-бурых пятен, задержка цветения и созревания, снижение урожайности.
В отличие от азота, соединения фосфора в почве менее подвижны и практически не вымываются. Это обусловливает низкую доступность фосфатов для растений. Поэтому важно разрабатывать агрохимические методы повышения доступности фосфора.
Содержание общего фосфора в почве варьируется в зависимости от типа почвы. Наибольшая концентрация наблюдается в черноземах, а наименьшая – в дерново-подзолистых почвах.
Для определения доступности фосфора растениям используют методы, основанные на извлечении подвижных форм с помощью кислотных и солевых растворов.
Фосфор, вносимый с удобрениями или освобождающийся при выветривании минералов, активно взаимодействует с коллоидными частицами почвы, накапливаясь в илистой фракции.
Распределение фосфора по профилю почвы неравномерно. Максимальное содержание наблюдается в верхнем, пахотном слое, что связано с разложением растительных остатков и внесением удобрений.
Доступность фосфора растениям зависит от его формы. Первичные фосфаты (апатиты) практически недоступны, в то время как свежеосажденные аморфные формы кальция, магния, алюминия и железа усваиваются лучше. ОкристаллиЧерноземы, занимающие южную часть лесостепной и большую часть степной зоны, зачастую испытывают дефицит воды, фосфора и азота. Эти элементы являются лимитирующими факторами для получения высоких урожаев. Каштановые почвы, несмотря на богатство питательными веществами, также страдают от недостатка влаги, что снижает эффективность удобрений без орошения.
Фосфор в почве присутствует в органической и неорганической формах, часто образуя комплексные органо-минеральные соединения. Неорганические фосфаты представлены солями фосфорной кислоты, где ионы водорода замещены катионами металлов. Растворимость этих солей зависит от степени замещения и атомной массы металла. Органические соединения фосфора обычно включают эфирную связь с одним кислородом фосфорной кислоты, а оставшиеся гидроксидные группы могут замещаться катионами.
Содержание органического фосфора напрямую связано с количеством гумуса в почве. Например, в черноземах доля органического фосфора составляет 60–70%, в серых лесных почвах — 30–50%, а в дерново-подзолистых почвах — 20–30%.
В почве встречается более 200 минеральных соединений фосфора, преимущественно в виде соединений ортофосфорной кислоты с кальцием, магнием, железом, алюминием, марганцем и титаном. Наиболее распространены апатиты – фторапатит, хлорапатит, гидроксилапатит, карбонатапатит и их смеси.
В процессе выветривания апатиты образуют более 120 вторичных фосфорсодержащих минералов. В кислых почвах преобладают фосфаты алюминия и железа, такие как варисцит, стренгит и баррандит. В карбонатных почвах чаще встречаются брушит, берцелиит, крандаллит, миллисит, октакальцийфосфат, тетракальцийфосфат. В торфяниках и болотистых местах встречается вивианит.
Состав минеральных фосфатов зависит от гранулометрического состава почвы. На легких почвах преобладают фосфаты алюминия, а на тяжелых – фосфаты железа.
Внесенные в почву фосфорные удобрения быстро трансформируются в соответствующие фосфаты, состав которых зависит от уровня содержания фосфора в почве и истории удобрений. Систематическое применение минеральных удобрений увеличивает содержание минеральных фосфатов, а органических – органофосфатов.
Органические фосфаты составляют от 5–10% в песчаных почвах до 90–95% в торфяных. Их состав до конца не изучен, но известно о наличии фитина, фосфолипидов, сахарофосфатов, нуклеиновых кислот, АТФ и др. При этом более 40% почвенного органического фосфора остаются неидентифицированными.
Фитин и его производные составляют 30–40% органических соединений фосфора в черноземах и до 20% в дерново-подзолистых почвах. Большая часть органических фосфатов (50–60%) связана с гумусом.
Систематическое применение органических и фосфорных удобрений повышает содержание доступного фосфора в почвах. Высокое содержание органического фосфора свидетельствует об окультуренности и плодородии почвы.
Почва, являясь сложной системой, поглощает фосфат-ионы различными способами: биологическая иммобилизация микрофлорой, образование нерастворимых осадков, химическая адсорбция, физико-химическая адсорбция и соосаждение при коагуляции коллоидов.
В большинстве почв преобладают химические процессы, снижающие растворимость и доступность фосфора для растений.## Химический элемент: Фосфор и его поведение в почве
В почве фосфор существует как в органической, так и в неорганической формах. Доступность фосфора для растений – важнейший фактор плодородия почвы.
### Неорганический фосфор в почве
Процесс перехода растворимых фосфатов в недоступные для растений формы называется ретроградацией. Этот сложный многоступенчатый процесс начинается с адсорбции фосфатов на поверхности почвенных коллоидов (до 65-80%) и образования слаборастворимых минеральных фосфатов (20-35%). Постепенно поверхностно-адсорбированные дигидроортофосфаты (H₂РО₄⁻) взаимодействуют с глинистыми минералами, гидроксидами железа и алюминия, трансформируясь в химически связанные гидрофосфаты (HPO₄²⁻) и ортофосфаты (PO₄³⁻). Со временем растворимость этих соединений снижается, что делает их недоступными для растений.
Скорость поглощения фосфатов зависит от минерального и гранулометрического состава почвы. Начальное поглощение происходит быстро (10-30 минут), но полное равновесие может устанавливаться месяцами. Исследования с использованием радиоактивного изотопа ³²P подтверждают, что в легких почвах равновесие наступает быстрее (3-5 суток), чем в тяжелых (несколько месяцев).
Способность почвы связывать фосфор называют необменной фиксацией. В зависимости от свойств почвы, она может составлять 500-4000 мг P₂O₅ на 1 кг почвы. Гранулометрический состав, содержание аморфных гидроксидов металлов и гумусовых веществ играют ключевую роль в этом процессе. Кристаллизация минералов снижает их сорбционную способность. Например, аморфные Al(OH)₃ и Fe(OH)₃ поглощают 15-21 г P₂O₅ , а кристаллические – 4-7 г P₂O₅ на 1 кг.
Влияние гидроксидов железа и алюминия на иммобилизацию фосфатов подтверждено экспериментально: их удаление из почвы снижало поглощение P₂O₅ в 8-10 раз.
Равновесная концентрация фосфора, при которой скорость его сорбции и десорбции одинаковы, – важный показатель фосфатного режима почвы.
Фосфатная буферность характеризует способность почвы поддерживать определенную концентрацию фосфора. Высокая буферность означает меньшие колебания концентрации фосфора при внесении удобрений или потреблении его растениями.
Систематическое внесение фосфорных и органических удобрений увеличивает содержание подвижных фосфатов. Для повышения содержания подвижного P₂O₅ в почве на 10 мг/кг требуются разные дозы удобрений в зависимости от гранулометрического состава:
| Тип почвы | Доза P₂O₅, кг/га |
|---|---|
| Песчаные и супесчаные | 40-60 |
| Легко- и среднесуглинистые | 60-90 |
| Тяжелосуглинистые | 90-120 |
| Глинистые | 120-150 |
### Органический фосфор в почве
Содержание органического фосфора коррелирует с содержанием гумуса и азота. Органический фосфор недоступен растениям напрямую. Его поступление происходит после гидролиза фосфат-ионов из органических соединений под действием ферментов микроорганизмов или корневой системы.
Минерализация органического фосфора – важный источник доступного фосфора для растений. Оптимальные условия для этого процесса близки к условиям роста растений. Доступность фосфора из минерализованных фосфорорганических соединений сопоставима с доступностью фосфора из органических удобрений.
В отличие от азота, минерализованный фосфор быстро связывается почвенными коллоидами, что ограничивает его подвижность и доступность для растений.
Скорость минерализации фосфорорганических веществ зависит от их содержания## Доступность фосфора для растений
Из-за ограниченной доступности минерализованного фосфора корням, растения усваивают лишь небольшую часть (20–25%) высвобождающихся фосфат-ионов. Исследования с использованием изотопа ³²P показали, что органические соединения фосфора в пахотном слое почвы по доступности для растений сравнимы с органическими удобрениями и превосходят минеральные фосфаты.
В стерильных условиях растения практически не усваивают органические фосфорсодержащие соединения, и они не могут удовлетворить потребность растений в фосфоре. Экспериментальные данные свидетельствуют о том, что органические соединения не играют существенной роли в обеспечении растений фосфором, не только из-за низкой доступности, но и из-за крайне низкого содержания фосфорорганических соединений в почвенном растворе.
### Доступность минеральных фосфатов почвы для растений
Одной из ключевых задач агрохимии является определение зависимости между содержанием фосфора в почве и его доступностью для сельскохозяйственных культур. Валовое содержание фосфатов слабо отражает обеспеченность растений фосфором из-за их низкой растворимости. Поэтому было разработано множество растворов (кислых, нейтральных и щелочных), имитирующих экстрагирующее действие корневой системы.
Методы определения доступных растениям фосфатов основаны на обработке образца почвы водными растворами солей или кислот определенной концентрации с последующим измерением количества извлеченного фосфора. Сопоставляя содержание экстрагируемого фосфора с урожаем и выносом его, можно оценить пригодность метода для определения уровня обеспеченности растений доступным фосфором.
Разные вытяжки экстрагируют разное количество фосфатов. Подобрать универсальный экстрагент, который бы отражал всю сложность зависимости доступности фосфатов для различных растений, невозможно даже для ограниченной группы почв. Кроме того, методы определения фосфора должны быть технологичными, чтобы в одной почвенной вытяжке можно было определять несколько питательных элементов.
Для ориентировочной оценки фосфатного состояния почв используют показатели «фактора интенсивности» и «фактора емкости». Фактор интенсивности характеризует концентрацию фосфора в почвенном растворе и слабоадсорбированные фосфаты, а фактор емкости — общее содержание лабильных фосфатов твердой фазы почвы, включая фосфор почвенного раствора.
Фосфаты почвы представлены широким спектром соединений, различающихся растворимостью. Концентрация фосфора в почвенном растворе является интегральным показателем участия фосфатов твердой фазы в поддержании равновесной концентрации фосфора в жидкой фазе. Попытки рассчитать концентрацию фосфат-ионов в почвенном растворе на основе произведений растворимости или констант диссоциации фосфатов не дали достоверных результатов. Это связано с тем, что значительная часть лабильных фосфатов почвы не идентифицирована, а их растворимость не установлена.
В качестве показателя фактора интенсивности чаще всего используют содержание фосфора в водной вытяжке или слабосолевых вытяжках: 0,01 М CaCl₂ (метод Скофилда); 0,015 М K₂SO₄ (метод Карпинского, Замятиной). Помимо этих, для определения концентрации фосфатов в почвенном растворе используются и другие вытяжки.
Растворы, используемые для определения подвижного фосфора в почвах (для кислых почв нечерноземной зоны — 0,2 н. HCl, черноземов — 0,5 н. CH₃COOH, каштановых и карбонатных почв — 1% (NH₄)₂CO₃), экстрагируют растворимые и наиболее подвижную часть слаборастворимых фосфатов. Они характеризуют запасы лабильного фосфора почвы и уровень обеспеченности им растений. Эти растворы подобраны с учетом растворимости преобладающих фосфатов в данной почве.
К сожалению, в результаты анализа почвы до сих пор не введены поправки на гранулометрический состав, кислотность и содержание гумуса, которые оказывают существенное влияние на доступность фосфора растениям. Например, приПри пониженной кислотности почвы нерастворимые апатиты способны частично или полностью превращаться в слаборастворимые и растворимые фосфаты, присоединяя ионы водорода. Этот процесс можно описать следующими химическими реакциями:
Ca<sub>5</sub>(PO<sub>4</sub>)<sub>3</sub>OH + 4H<sup>+</sup> = 3CaHPO<sub>4</sub> + 2Са<sup>2+</sup> + H<sub>2</sub>O
Ca<sub>5</sub>(PO<sub>4</sub>)<sub>3</sub>OH + 7H<sup>+</sup> = 5Ca<sup>2+</sup> + H<sub>2</sub>O + 3H<sub>2</sub>PO<sub>4</sub><sup>–</sup>
Ca<sub>10</sub>(PO<sub>4</sub>)<sub>6</sub>CO<sub>3</sub> + 12H<sup>+</sup> = 10Ca<sup>2+</sup> + CO<sub>2</sub> + 6H<sub>2</sub>PO<sub>4</sub><sup>–</sup>
В результате присоединения протонов к гидроксидапатиту или карбонатапатиту происходит разрушение их кристаллической решетки. Апатиты последовательно преобразуются в гидрофосфат (CaHPO<sub>4</sub>) и дигидрофосфат (Са(Н<sub>2</sub>PO<sub>4</sub>)<sub>2</sub>) кальция. Разложение апатита способствует снижению кислотности почвы, так как уменьшается количество ионов водорода в среде. При фосфоритовании, наоборот, наблюдается повышение pH почвы.
Повышенная кислотность почвы увеличивает растворимость алюминия. Подвижный алюминий негативно сказывается на росте и ветвлении корней растений, что ограничивает доступность фосфора из-за меньшей площади контакта корневой системы с почвой.
Высокая концентрация алюминия в кислых почвах приводит к образованию нерастворимых алюмофосфатов (AlPO<sub>4</sub>), что также ограничивает доступность фосфора для растений. Алюминий, адсорбируясь на поверхности корней, инактивирует часть поглощаемого растениями фосфора. Положительная роль фосфора заключается в том, что он связывает алюминий в ризосфере, способствуя его иммобилизации на поверхности корневой системы, и снижает его поступление в клетки растения, улучшая обмен веществ.
При pH выше 5 алюминий выпадает в осадок в виде Al(ОН)<sub>3</sub> и меньше взаимодействует с фосфат-ионами. Поэтому в нейтральных почвах минеральные фосфаты представлены в основном солями кальция и магния фосфорной кислоты. В кислых почвах большая часть фосфора связана с полуторными оксидами алюминия и железа. С ухудшением растворимости фосфатов снижается их доступность для растений.
Наилучшая доступность фосфатов из почвы и удобрений наблюдается при реакции среды, близкой к нейтральной (pH 6–7). В этих условиях растворимость гидроксидов Fe(OH)<sub>3 </sub>и Al(OH)<sub>3</sub> минимальна, а низкая концентрация ионов Са<sup>2+</sup> в растворе не способствует образованию нерастворимых трехзамещенных фосфатов кальция.
Подкисление почвы, вызванное систематическим применением физиологически кислых удобрений, вымыванием кальция и его отчуждением с урожаем, а также подщелачивание на переизвесткованных почвах, снижают доступность фосфора для растений и урожайность.
## Вымывание фосфора из почвы
Концентрация фосфат-ионов (в основном H<sub>2</sub>PO<sub>4</sub><sup>–</sup> и HPO<sub>4</sub><sup>2–</sup>) в почвенном растворе обычно не превышает 0,5 мг/л и редко достигает 2 мг/л. Из-за низкой растворимости фосфатов их вымывание даже из парующей почвы незначительно. Вымывание фосфора возможно на незасеянных песчаных почвах при избыточном внесении фосфорных или органических удобрений. Фосфор накапливается преимущественно в верхних горизонтах почвы, однако, его миграция из почвы в результате вымывания за длительный период может быть значительной.
Внесенные в почву фосфорные удобрения повышают концентрацию фосфора в почвенном растворе вблизи гранул в тысячи раз. В большинстве почв (Фосфатные руды служат основой для производства фосфорных удобрений. Важность этих руд обусловлена ограниченностью их запасов, как в России, так и во всем мире. Если запасы сырья для азотных и калийных удобрений практически неисчерпаемы, то разведанных запасов фосфатных руд при текущих объемах производства хватит всего на несколько десятилетий.
В связи с этим, фосфатное сырье в России приобретает статус стратегического минерально-сырьевого ресурса, рациональное использование которого крайне важно.
Существует два основных вида фосфатных руд: апатитовые и фосфоритовые. Несмотря на то, что с точки зрения минералогии это деление условно (фосфаты в обоих типах руд относятся к группе апатита с общей формулой ЗСа3(РО4)2СаХ2, где X – F2, Cl2, (OH)2, СО3), генезис, структура кристаллов, физические и технологические свойства этих руд различны.
Фосфоритовые руды имеют осадочное происхождение, а апатитовые – магматическое. К последним относятся уникальные хибинские апатит-нефелиновые руды. Фосфаты в апатитовых рудах представлены преимущественно фторапатитом – Ca10(PO4)6F2, реже – хлорапатитом Ca10(PO4)6Cl2 и гидроксилапатитом Ca10(PO4)6(OH)2 или их изоморфными разновидностями. Апатит в руде встречается в виде кристаллов зеленого и желто-зеленого цвета разнообразной формы и размера.
Основные месторождения апатитов в России расположены на Кольском полуострове (возраст около 280 млн лет) и в Саянах, где добыча пока не ведется. Если в начальный период эксплуатации хибинских месторождений (открыты в 1925 г.) добывалась руда с содержанием P2О5 23–34%, то в настоящее время среднее содержание P2О5 в руде составляет 12–16%. Ежегодный объем производства апатитового концентрата в Хибинах и на Ковдорском горнообогатительном комбинате составляет около 14–16 млн т. Часть концентрата экспортируется, а большая часть перерабатывается на российских химических заводах в удобрения. При этом около 90% произведенных в России фосфорных удобрений экспортируется, и лишь 10–11% поступает на внутренний рынок, поскольку сельхозпроизводители не имеют возможности закупать удобрения в необходимом количестве. Перспективы роста добычи апатитовых руд в Хибинах ограничены, так как оставшиеся запасы находятся на большой глубине, и для их разработки требуется переход от открытого к более дорогостоящему шахтному способу добычи.
Апатиты, как и большинство кристаллизованных фосфоритов, непригодны для использования в сельском хозяйстве без предварительной химической или термической переработки. Исключение составляют аморфные тонкоразмолотые фосфориты. Мировые запасы фосфоритов и объемы их добычи (по P2О5) примерно в 10 раз превышают аналогичные показатели для апатитовых руд.
Главное отличие фосфоритовых руд от апатитовых заключается в том, что в молекуле фторапатита (Ca10(PO4)6F2) часть РО43– и F– замещена СО32– и ОН–. Поэтому фосфаты фосфоритов представлены изоморфными разновидностями фторкарбонатгидроксидатапатита (Ca10(PO4, СО3)6F, ОН), содержание фосфора в которых ниже, чем во фторапатите.
Наибольшие месторождения фосфоритов находятся в Аравийско-Африканской фосфоритоносной провинции (Марокко, Алжир, Тунис, Сирия, Ирак и др.) и в США (Флорида, Северная Каролина). Лидерами по добыче фосфатных руд являются США, Марокко, Китай, Россия, Тунис, Иордания.## Фосфорные удобрения: от прогнозирования эффективности до механизмов действия
Профессор Б.А. Голубев предложил надежный метод прогнозирования эффективности фосфоритной муки, основанный на величине гидролитической кислотности почвы (Нг). Этот метод широко применяется в агрохимии. Установлено, что при Нг менее 2,5 мг-экв/100 г фосфоритная мука действует слабее суперфосфата. Однако, на почвах с Нг более 3 мг-экв/100 г её эффективность сравнима с суперфосфатом. Поэтому перед применением фосфоритной муки необходимо определить гидролитическую кислотность почвы.
Эффективность фосфоритной муки в кислых почвах объясняется поглощением почвой ионов кальция (Ca2+) в обмен на ионы водорода (H+). В результате нерастворимый кальцийфосфат [Ca3(PO4)2] превращается в слаборастворимый гидрофосфат кальция (CaHPO4), а в сильнокислых почвах — в растворимый дигидрофосфат кальция [Ca(H2PO4)2]:
| Реакция | Описание |
|-----------------------------------------------------------------|------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|
| ППК = 2Н+ + Ca3(PO4)2 + 2H2O → ППК = Ca2+ + 2CaHPO4 ·2H2O | Поглощение почвой Ca2+ в обмен на 2H+ с образованием гидрофосфата кальция |
| ППК = 4Н+ + Ca3(PO4)2 → ППК = 2Ca2+ + Ca(H2PO4)2 | Поглощение почвой Ca2+ в обмен на 4H+ с образованием дигидрофосфата кальция |
Фосфоритную муку вносят в больших количествах (200–500 кг/га P2O5) для увеличения содержания подвижного фосфора в почве и обеспечения длительного эффекта.
### Суперфосфат: производство и особенности
Суперфосфат — первое промышленное фосфорное удобрение. Идея его получения принадлежит Юстусу Либиху, предложившему обрабатывать костяную муку серной кислотой:
Ca3(PO4)2 + 2H2SO4 → Ca(H2PO4)2 + 2CaSO4·2H2O
Простой суперфосфат получают, обрабатывая апатитовый (39,6% P2O5) или фосфоритовый концентрат (33–35% P2O5) серной кислотой (H2SO4):
Ca10(PO4)6F2 + 7H2SO4 + 3H2O → 3Ca(H2PO4)2 + 7CaSO4·2H2O + 2HF
В результате реакции образуется дигидрофосфат кальция [Ca(H2PO4)2] и гипс (CaSO4·2H2O). Содержание фосфора (P2O5) в простом суперфосфате — 14–20%, из которых 85–90% — водорастворимые.
<i></i>Состав простого суперфосфата:<i></i>
* Ca(H2PO4)2·H2O
* H3PO4
* CaHPO4·2H2O
* FePO4
* AlPO4
* CaSO4 (гипс)
* Кремниевая кислота
* Песок
* Глина
<i></i>Особенности производства:<i></i>
* Не всегда удается полностью перемешать серную кислоту с апатитом, поэтому образуются гидрофосфат и фосфорная кислота.
* Свежеприготовленный суперфосфат выдерживают в штабелях 1–3 месяца для уменьшения содержания свободной фосфорной кислоты.
* Гранулированный суперфосфат (2–4 мм) обладает улучшенными физическими свойствами.
<i></i>Поведение в почве:<i></i>
* В кислых почвах, при взаимодействии с железом и алюминием, образует труднорастворимые фосфаты (AlPO4 и FePO4).
* В нейтральных и щелочных почвах,## Преципитат: доступный фосфор для растений
Преципитат получают путем осаждения экстракционной фосфорной кислоты известковым молоком, в результате чего образуется гидрофосфат кальция:
H<sub>3</sub>PO<sub>4</sub> + Ca(OH)<sub>2</sub> → CaHPO<sub>4</sub>·2H<sub>2</sub>O.
Этот процесс позволяет получить удобрение, содержащее 38–42% P<sub>2</sub>O<sub>5</sub>. Преципитат слаборастворим в воде, однако хорошо растворяется в органических и минеральных кислотах, что делает его фосфор доступным для усвоения растениями. На кислых почвах преципитат превращается в растворимый дигидрофосфат:
2CaHPO<sub>4</sub> + 2H<sub>2</sub>CO<sub>3</sub> → Ca(H<sub>2</sub>PO<sub>4</sub>)<sub>2</sub> + Ca(HCO<sub>3</sub>)<sub>2</sub>
Внешне преципитат представляет собой светло-серый порошок, который негигроскопичен и практически не слеживается. При использовании в качестве основного удобрения, внесенного до посева, его эффективность сравнима с суперфосфатом.
## Термофосфаты: фосфорные удобрения из апатитов и фосфатов
Термофосфаты получают путем высокотемпературной обработки (прокаливания или плавления) природных апатитов и фосфатов с различными добавками:
* Сода
* Карбонаты магния и кальция
* Силикаты магния и кальция
* Отходы металлургии, содержащие фосфор
При температуре 1200–1500 °С происходит разрушение кристаллической структуры апатита, и катионы из добавленных солей внедряются в нее. В результате образуются более растворимые фосфорные соединения.
Производство термофосфатов особенно важно для стран, не имеющих месторождений серы, так как позволяет избежать использования серной кислоты.
### Способы производства термофосфатов:
* Гидротермическое обесфторивание
* Сплавление с кремнеземом (кварцевым песком) и содой
* Плавление с силикатами и/или сульфатами магния и/или калия
* Спекание с оксидами щелочных и/или щелочноземельных металлов
<i></i>Недостаток слаборастворимых фосфорных удобрений (термофосфатов, преципитата, металлургических шлаков и др.) по сравнению с растворимыми (суперфосфат, комплексные удобрения)<i></i> заключается в медленном переходе фосфатов в доступную для растений форму после внесения в почву.
### Обесфторенный фосфат
Получают обработкой расплавленного апатита или фосфорита при температуре 1400–1500 °С водяным паром с добавлением 3–5% кварцевого песка. Происходит удаление фтора, мышьяка, ртути, цинка, кадмия и образование трикальцийфосфата, гидрофосфата и силиката кальция:
Ca<sub>10</sub>(PO<sub>4</sub>)<sub>6</sub>F<sub>2</sub> + H<sub>2</sub>O + 0,5SiO<sub>2</sub> → 3Ca<sub>3</sub>(PO<sub>4</sub>)<sub>2</sub> + 0,5Ca<sub>2</sub>SiO<sub>4</sub> + 2HF
Ca<sub>10</sub>(PO<sub>4</sub>)<sub>6</sub>F<sub>2</sub> + 2H<sub>2</sub>O + SiO<sub>2</sub> → 2Ca<sub>3</sub>(PO<sub>4</sub>)<sub>2</sub> + 2CaHPO<sub>4</sub> + Ca<sub>2</sub>SiO<sub>4</sub> + 2HF
Обесфторенный фосфат – это серый порошок, содержащий 28–32% P<sub>2</sub>O<sub>5</sub> и 0,02–0,2% фтора. Используется в животноводстве и растениеводстве в качестве основного удобрения.
### Щелочной термофосфат
Получают спеканием апатита или фосфата с содой и кварцевым песком при 1200–1300 °С. Образуется натрийкальцийфосфат и силикат кальция:
Ca<sub>10</sub>(PO<sub>4</sub>)<sub>6</sub>## Фосфор: распространенность в природе и значение
Фосфор - химический элемент, достаточно широко распространенный в земной коре. Его содержание составляет примерно 0,1% от общей массы. Однако в чистом виде фосфор в природе не встречается из-за своей высокой химической активности, он легко окисляется на воздухе.
Важнейшим природным соединением фосфора является <i></i>ортофосфат кальция<i></i> Ca3(РО4)2. Этот минерал, известный как <i></i>фосфорит<i></i>, образует внушительные по размерам залежи. Крупные месторождения фосфоритов расположены в горах Каратау на территории Южного Казахстана.
Еще один распространенный минерал, содержащий фосфор - <i></i>апатит<i></i>. Помимо ортофосфата кальция, в его состав входят фторид кальция CaF2 или карбонат кальция CaCO3. Крупнейшее в мире месторождение апатита было открыто в первой половине XX века на Кольском полуострове.
Фосфор, подобно азоту, играет важнейшую роль для всех живых организмов. Он является структурным компонентом белков как растительного, так и животного происхождения.
В растениях фосфор сконцентрирован преимущественно в белках семян. Кроме того, в форме кислотного остатка фосфорной кислоты он входит в состав нуклеиновых кислот. Эти сложные органические полимеры присутствуют во всех живых клетках и играют ключевую роль в процессах передачи наследственной информации.
Для получения фосфора и его соединений используются природные фосфориты и апатиты. Процесс производства включает в себя несколько этапов: измельчение руды, смешивание с песком и углем, а затем нагревание смеси в электрических печах без доступа воздуха.## Фосфор: ключевой элемент для роста растений
Фосфор – незаменимый элемент питания для растений, играющий важную роль в их росте и развитии. Особенно важен фосфор на ранних этапах роста, так как он способствует развитию мощной корневой системы, позволяющей растениям эффективно усваивать питательные вещества из почвы и удобрений.
Многочисленные исследования, проведенные в различных регионах, подтверждают эффективность припосевного внесения фосфорных удобрений. Например, опыты с гранулированным суперфосфатом и аммофосом показали, что припосевное внесение этих удобрений увеличивает урожайность зерновых культур в среднем на 3-4 ц/га.
<i></i>Эффективность припосевного внесения аммофоса под зерновые культуры<i></i>
| Экономический район России | Прибавка зерна, ц/га |
|---|---|
| Центральный | 3,9 |
| Центрально-Черноземный | 4,2 |
| Волго-Вятский | 3,5 |
| Уральский | 3,2 |
| Западно-Сибирский | 3,0 |
| Дальневосточный | 3,1 |
Важно отметить, что при высоком содержании подвижных фосфатов в почве (V и VI классы обеспеченности) эффективность припосевного внесения фосфора снижается.
<i></i>Дробное внесение фосфора<i></i>, за исключением припосевного, не дает значительных преимуществ по сравнению с разовым внесением всей дозы.
В условиях ограниченных ресурсов фосфорных удобрений наиболее эффективным является их <i></i>припосевное внесение<i></i>.
<i></i>Способы внесения фосфорных удобрений<i></i> зависят от их формы. Растворимые фосфорные удобрения, такие как суперфосфат, вносят:
<i> </i><i>Вразброс</i>* с последующей заделкой в почву.
<i> </i><i>Локально</i>* вместе с семенами при посеве.
Локальное припосевное внесение фосфорных удобрений обеспечивает лучшую доступность фосфора для растений, особенно на ранних стадиях развития.
<i></i>Слабо- и труднорастворимые фосфорные удобрения<i></i>, такие как фосфоритная мука и термофосфаты, требуют тщательного перемешивания с почвой для повышения их эффективности.## Фосфор как макроэлемент в растениях
Фосфор – это неметалл, занимающий место в V группе второго периода периодической системы Менделеева. В природе он представлен стабильным изотопом ³¹P. Растения усваивают фосфор как в неорганической, так и в органической форме.
<i></i>Формы фосфора в растениях:<i></i>
<i> </i><i>Неорганические:</i>* ортофосфат (Фн) и пирофосфат (ФФн).
<i> </i><i>Органические:</i>*
* Нуклеиновые кислоты (ДНК и РНК)
* Фосфолипиды
* Фосфорные эфиры (C–O–P)
* Нуклеозидфосфаты (АТФ, АДФ, НАДФH)
<i></i>Функции фосфора:<i></i>
<i> </i><i>Структурная:</i>* в составе нуклеиновых кислот и фосфолипидов. Фосфатные группы в фосфолипидах обеспечивают гидрофильные свойства клеточных мембран.
<i> </i><i>Метаболическая:</i>*
<i> </i><i>Энергетика клетки:</i>* Фосфор участвует в запасании и переносе энергии в клетке в форме пирофосфатных связей в молекулах АТФ, АДФ и ФФн. При разрыве этих связей выделяется энергия, используемая для различных метаболических процессов.
<i> </i><i>Фотосинтез:</i>* Концентрация Фн в строме хлоропластов напрямую влияет на интенсивность фотосинтеза. Оптимальной считается концентрация 2,0–2,5 ммоль/л.
<i> </i><i>Синтез крахмала:</i>* Высокая концентрация Фн (около 5 ммоль/л) подавляет синтез крахмала, ингибируя фермент АДФ-глюкозофосфорилазу и уменьшая концентрацию триозофосфатов.
<i></i>Запасание фосфора:<i></i>
В семенах растений фосфор запасается преимущественно в форме фитиновой кислоты (миоинозитолгексафосфата):
[Изображение молекулы фитиновой кислоты]
Фитиновая кислота образует соли (фитаты) с калием, магнием, кальцием, а также в меньших количествах с натрием, железом, марганцем, медью, цинком и барием. Фитин локализуется в алейроновых зернах – белковых телах вакуолярного происхождения.
<i></i>Метаболизм фосфора:<i></i>
Основной путь включения фосфора в органические соединения – через АТФ в реакциях углеводного обмена и биосинтеза липидов. Вакуоли играют роль буфера, поддерживая необходимую для фотосинтеза концентрацию Фн в цитозоле.
<i></i>Содержание фосфора:<i></i>
* Нормальное содержание фосфора в растениях – 0,3–0,5% от сухой массы.
* Симптомы токсичности проявляются при концентрации выше 1%.
* Основной запас Фн (85–95%) сосредоточен в вакуолях.
<i></i>Поглощение фосфора:<i></i>
Максимальная скорость поглощения фосфора корнями растений наблюдается при pH 4,5–6,0, когда фосфор находится в форме H<sub>2</sub>PO<sub>4</sub>⁻.
[Изображения, представленные в тексте, должны быть сохранены]## Фосфор в жизни растений
Фосфор поступает в клетки растений через плазматическую мембрану в форме фосфат-иона (PO₄³⁻). Кинетика поглощения фосфата корнями растений зависит от его концентрации. При низких концентрациях (микромолярный диапазон) наблюдается однофазная кинетика поглощения, а при высоких (миллимолярный диапазон) – двухфазная. Это указывает на наличие в корнях растений как минимум двух транспортных систем с разным сродством к фосфату: высоко- и низкоаффинных. Интересно, что в суспензионной культуре клеток табака (Nicotiana tabacum) обнаружены только высокоаффинные транспортеры.
Внутри клетки концентрация фосфора в тысячи раз выше, чем в ризосфере. В почвенном растворе она редко превышает 10 мкмоль/л, тогда как в растительных клетках достигает 1–10 ммоль/л. Перенос фосфата против градиента концентрации обеспечивается H⁺-АТФазами, которые создают градиент протонов (подкисляя ризосферу) и обеспечивают симпорт фосфата с протонами в клетку (см. рисунок).
<img src=)
Поглощение фосфата сопровождается подкислением цитоплазмы. Если бы анионы фосфата поступали в клетку без протонов, происходила бы гиперполяризация мембран. У зеленой водоросли Chara corallina фосфат транспортируется в симпорте с натрием (Na+/P-котранспорт). У сосудистых растений транспорт фосфора обычно не связан с транспортом натрия, однако такая связь может существовать у галофитов, обитающих в условиях засоления.
В поглощении и транспорте фосфора участвуют фосфатные транспортеры (Pht). Известны четыре семейства этих транспортеров: Pht1, Pht2, Pht3 и Pht4. Гены Pht1 кодируют H+/P-котранспортеры, которые переносят фосфор через плазмалемму. Они функционируют в широком диапазоне концентраций фосфора (3–700 мкмоль/л) и обладают как высоким, так и низким сродством к нему. У арабидопсиса выделено 9 генов этого семейства, 4 из которых экспрессируются при недостатке фосфора. Помимо транспорта через плазмалемму, гены семейства Pht1 контролируют транспорт фосфата внутри растения. Их экспрессия обнаружена в клетках цветков, гидатодах семядолей, пыльце, сосудах листьев и узлах стеблей.
Фосфатные транспортеры Pht2 и Pht3 участвуют во внутриклеточном транспорте и в основном обладают высоким сродством к фосфату. Исключение составляют транспортеры Pht2;1, локализованные в мембране хлоропластов, которые имеют низкое сродство к фосфату. Транспортеры Pht3 локализованы в митохондриях, а гены, кодирующие их, экспрессируются в корнях и листьях растений. Пять членов семейства Pht4 обнаружены в аппарате Гольджи. Транспортеры с низким сродством к фосфату находятся в клетках корней, но гены, кодирующие их, пока не идентифицированы.
Быстрое поглощение фосфата корнями на фоне его низкой мобильности в почве приводит к формированию вокруг корней зон истощения с низкой концентрацией фосфора. Это создает градиент концентрации, необходимый для движения фосфата к поверхности корня.
### Фосфатазы
В растениях много фосфатаз – ферментов, участвующих в энергетическом метаболизме, транспорте элементов питания, активации и гидролизе белков, а также гидролизе фосфорных соединений. Фосфатазы катализируют превращение органических соединений## Фосфор и его роль в жизни растений
Фосфор - незаменимый элемент для роста и развития растений. Его дефицит вызывает серьезные нарушения в различных физиологических процессах, что в конечном итоге сказывается на продуктивности.
### Проявления дефицита фосфора
Недостаток фосфора в первую очередь отражается на старых листьях. Они приобретают темно-зеленый цвет с голубоватым оттенком из-за накопления хлорофилла. Несмотря на это, интенсивность фотосинтеза на единицу хлорофилла снижается.
Вот некоторые характерные симптомы дефицита фосфора у растений:
Замедленный рост и развитие:* Растения отстают в росте, имеют низкое соотношение побег/корень.
Изменение окраски листьев:* Старые листья становятся темно-зелеными с голубоватым оттенком. Стебли однолетних растений могут приобретать красноватый оттенок.
Проблемы с цветением и плодоношением:* Цветки и соцветия мелкие, часто опадают. Плоды мелкие, деформированные, с измененной окраской.
Нарушения в развитии клубней и плодов:* В клубнях картофеля образуются бурые участки, твердеющие при варке. Плоды косточковых культур могут быть интенсивно зелеными, иногда с румянцем, а у цитрусовых – с толстой бугристой коркой.
### Причины и механизмы развития дефицита
В основе нарушений, вызванных дефицитом фосфора, лежит:
Снижение поступления фосфора в побег.*
Нарушение работы генов, отвечающих за синтез белков, участвующих в фотосинтезе и образовании хлорофилла.*
Интенсивный экспорт триозофосфата из хлоропластов для синтеза крахмала, что приводит к изменению экспрессии генов, регулирующих метаболизм крахмала.*
Нарушение синтеза, транспорта и распада сахарозы и других углеводов.*
Снижение концентрации АДФ и неорганического фосфора в клетках, что негативно влияет на дыхание и транспорт электронов.*
### Адаптация растений к дефициту фосфора
Растения выработали различные механизмы адаптации к недостатку фосфора. Можно выделить два основных пути:
1.
Повышение эффективности использования доступного фосфора из почвы.
2.
Активация внутренних резервов и рециркуляция фосфора.
Эти процессы реализуются на морфологическом, физиологическом и биохимическом уровнях.
Морфологические изменения:
Разрастание корневой системы:* увеличивается количество боковых корней, их длина, плотность и длина корневых волосков.
Формирование специализированных корней:* у некоторых видов, например, у люпина, развивается "протеоидная" корневая система с кластерами корней, выделяющих вещества, мобилизующие фосфор из труднодоступных соединений.
Развитие поверхностной корневой системы:* для более эффективного использования фосфора из верхних слоев почвы.
Биохимические и физиологические изменения:
Увеличение продукции фосфатаз:* эти ферменты разрушают органические соединения с высвобождением фосфора.
Замена фосфолипидов на липиды без фосфора:* это позволяет экономить запасы фосфора.
Выделение органических кислот корнями:* они связывают ионы металлов, делая фосфор более доступным для растений.
Активация генов, кодирующих транспортеры фосфора:* это повышает эффективность поглощения фосфора из почвы.
Передача сигнала о дефиците фосфора:
Восприятие сигнала:* меристемы корней играют ключевую роль в распоРастения выработали сложные механизмы для адаптации к условиям недостатка фосфора, включающие изменения в экспрессии генов, гормональную регуляцию и модификацию архитектуры корневой системы.
Сахарный сигналинг
Сахара играют ключевую роль в передаче сигнала о недостатке фосфора. Они индуцируют экспрессию генов, участвующих в ответе на этот стресс, таких как гены, кодирующие фосфатазы, липоксигеназы, ингибиторы протеаз и ферменты синтеза халкона. Интересно, что фосфат ингибирует экспрессию этих генов. В условиях дефицита фосфора сахароза усиливает индукцию генов, связанных с метаболизмом глюкозы, и может стимулировать образование фосфатного транспортера. Мутации, нарушающие транспорт сахаров или передачу сигналов с их участием, приводят к подавлению экспрессии генов, отвечающих за адаптацию к недостатку фосфора.
Роль фитогормонов
Фитогормоны, такие как ауксин, цитокинин и этилен, также играют важную роль в адаптации растений к недостатку фосфора.
Ауксин
участвует в изменении структуры корневой системы, способствуя образованию и удлинению боковых корней, а также формированию корневых волосков.
Цитокинин
, напротив, может подавлять экспрессию генов, участвующих в ответе на дефицит фосфора.
Баланс между ауксином и цитокинином также регулирует модификацию фосфолипидов мембран.
Этилен
необходим для передачи сигналов о недостатке фосфора. В условиях дефицита фосфора концентрация этилена в корнях значительно возрастает, стимулируя их рост. Однако, когда фосфора достаточно, этилен может ингибировать рост первичных корней. Это двойственное действие этилена связано с изменениями в путях передачи сигнала.
Интересно, что этилен стимулирует биосинтез ауксина и его транспорт к зоне растяжения корня. Однако при недостатке фосфора биосинтез ауксина не усиливается. Тем не менее, взаимодействие ауксина и этилена считается вероятным механизмом модификации корневой системы в ответ на дефицит фосфора.
Соотношение N:P
На усвоение фосфора растениями влияет не только его общее содержание в почве, но и доступность азота. Высокое соотношение N:P подавляет рост растений, приводит к отмиранию корней и снижает эффективность усвоения фосфора.
Таким образом, адаптация растений к недостатку фосфора представляет собой сложный многоуровневый процесс, включающий изменения в экспрессии генов, гормональную регуляцию и модификацию архитектуры корневой системы.## Фосфор - ключевой элемент жизни растений
Фосфор играет незаменимую роль в жизни растений, выполняя как энергетические, так и структурные функции. Он является неотъемлемым компонентом жизненно важных фосфорорганических соединений, таких как АТФ и нуклеиновые кислоты.
АТФ, выступая универсальным источником энергии в клетке, участвует практически во всех биохимических процессах, включая фотосинтез, дыхание, синтез белков, жиров и углеводов. Фосфатиды, в состав которых входит фосфор, формируют липидные мембраны клеток, регулируя поступление питательных веществ.
Учитывая, что фосфор контролирует практически все биохимические процессы в растениях, своевременное обеспечение им имеет решающее значение для получения высоких урожаев.
### Влияние фосфора на урожайность
Многочисленные исследования показывают прямую зависимость между обеспеченностью растений фосфором и урожайностью сельскохозяйственных культур.
Например, на дерново-подзолистых почвах с низким содержанием доступных фосфатов (40-60 мг/кг P₂O₅) продуктивность севооборотов составляет менее 2 т/га. При повышении уровня фосфора до 120-140 мг/кг P₂O₅ урожайность возрастает до 3,5-4,0 т/га, а при высоком содержании (250-300 мг/кг P₂O₅) достигает 5-6 т/га и выше.
Важно отметить, что на почвах с высоким содержанием доступного фосфора зависимость урожайности от неблагоприятных погодных условий значительно снижается.
### Фосфор в природе
Фосфор, занимающий 13-е место по распространенности в земной коре, в свободном состоянии не встречается из-за своей высокой реакционной способности. Все природные фосфорсодержащие соединения являются солями ортофосфорной кислоты.
В природе фосфор представлен преимущественно в виде апатитов. Реже встречаются другие фосфорсодержащие минералы, такие как вивианит, торбернит, трифилит и др.
### Значение фосфора для человека
Фосфор не случайно называют «ключом жизни», ведь он участвует во всех жизненно важных биохимических процессах. В питании растений и повышении качества сельскохозяйственной продукции фосфор уступает только азоту.
О возрастающей значимости фосфора для человечества свидетельствует рост его промышленного потребления. За последние 20 лет было добыто и использовано 29 млрд тонн фосфатов, что превышает показатели за предыдущие 80 лет.
### Формы фосфора в почве
В почве фосфор присутствует в минеральных, органических и органо-минеральных соединениях. Условно почвенный фосфор можно разделить на четыре группы:
* Фосфат-ионы и растворимые органические фосфорсодержащие соединения в почвенном растворе.
* Фосфаты, адсорбированные на поверхности почвенных коллоидов.
* Фосфорсодержащие аморфные и кристаллические минералы.
* Фосфор, входящий в состав органического вещества почвы.
### Доступность фосфора для растений
Доступность фосфора для растений зависит от его формы и свойств почвы. Слаборастворимые фосфаты прочно удерживаются в почве и малодоступны для растений.
Обменная адсорбция фосфат-ионов происходит на поверхности глинистых минералов, оксидов железа и алюминия.
Органическое вещество почвы играет важную роль в повышении доступности фосфора для растений. Гуминовые и фульвокислоты образуют хелатные комплексы с ионами металлов, снижая их концентрацию в почвенном растворе и препятствуя образованию нерастворимых фосфатов.
### Содержание и функции фосфора в растениях
В растениях фосфор входит в состав как органических, так и неорганических соединений. Соотношение этих форм зависит от вида растений, их возраста и обеспеченности фосфором. В молодых растениях преобладает органический фосфор (90-95%), а в старых его доля снижается до 60-70%.
ОсновнойАнионы ортофосфорной кислоты, такие как дигидрофосфат-ион (H₂PO₄⁻) и гидрофосфат-ион (HPO₄²⁻), являются основными формами фосфора, присутствующими в почвенном растворе. Несмотря на то, что фосфат-ион (PO₄³⁻) может присутствовать в слабощелочных почвах, его вклад в питание растений незначителен из-за низкой концентрации, ограниченной подвижности и адсорбции на поверхности корней.
При контакте с корневой системой, фосфат-ион, находясь в слабокислой или нейтральной среде приграничной зоны, протонируется, превращаясь в дигидрофосфат-ион:
PO₄³⁻ + H⁺ → HPO₄²⁻ + H⁺ → H₂PO₄⁻
Таким образом, независимо от исходной формы фосфат-ионов в почве, растения поглощают их преимущественно в виде одновалентного дигидрофосфат-иона (H₂PO₄⁻).
Кислотность почвы оказывает существенное влияние на доминирующую форму фосфорных соединений. В сильнокислых растворах (pH < 3) преобладает фосфорная кислота (H₃PO₄), а в сильнощелочных (pH > 10) – фосфат-ион (PO₄³⁻). Однако в диапазоне pH от 4 до 9, наиболее распространенном для большинства почв, основными формами являются H₂PO₄⁻ и HPO₄²⁻.
Влияние реакции раствора на содержание анионов фосфорной кислоты (% от суммы):
| Анионы | pH раствора 5,0 | pH раствора 7,0 | pH раствора 9,0 |
|---|---|---|---|
| H₂PO₄⁻ | 98,3 | 51 | 1,2 |
| HPO₄²⁻ | 1,6 | 49 | 96,0 |
| PO₄³⁻ | – | – | 2,8 |
Оценка плодородия почвы и обеспеченности растений фосфором основывается не на общем его содержании, а на количестве доступных форм. Концентрация фосфора в почвенном растворе, представленная преимущественно H₂PO₄⁻, HPO₄²⁻ и небольшим количеством органических соединений, обычно невелика и варьируется от 0,1 до 5 мг/л (что эквивалентно 0,1–5 кг P₂O₅/га пахотного слоя).
Легкие почвы характеризуются меньшей влагоемкостью по сравнению с тяжелыми. Следовательно, при одинаковой влажности и концентрации фосфат-ионов в почвенном растворе, общее количество доступного фосфора в легких почвах будет ниже.
Доступность труднорастворимых фосфатов для растений зависит от их вида и способности культур усваивать питательные вещества. Например, бобовые культуры, отличающиеся высоким потреблением кальция, способны эффективно использовать фосфориты, в то время как злаковые, потребляющие меньше кальция, испытывают трудности с усвоением фосфора из труднорастворимых соединений.
Недостаток фосфора негативно сказывается на росте и развитии растений, вызывая ряд характерных симптомов, таких как замедленный рост, изменение окраски листьев (темно-зеленый цвет с голубоватым оттенком, появление красно-фиолетовой окраски прожилок, желто-бурых и темно-бурых пятен), задержка цветения и созревания, снижение урожайности.
В отличие от азота, соединения которого подвержены потерям в результате вымывания и денитрификации, большая часть фосфора в почве находится в нерастворимой форме. Валовое содержание фосфора в почве не является надежным показателем его доступности для растений.
Для определения количества подвижного фосфора применяют методы экстракции с использованием растворов кислот и солей. Выбор метода зависит от типа почвы.
Фосфор, поступающий в почву с удобрениями или высвобождающийся при выветривании минералов, активно взаимодействует с коллоидными частицами, концентрируясь в илистой фракции.
Наибольшее содержание фосфора, как правило, наблюдается в верхЧерноземы, занимающие южные лесостепи и степи, отличаются высоким плодородием. Однако, урожайность культур на этих почвах часто ограничивается недостатком влаги, азота и фосфора, и реже - калия. Каштановые почвы также богаты питательными веществами, но дефицит влаги снижает эффективность внесения удобрений.
Фосфор в почве представлен органическими и минеральными соединениями, которые тесно связаны между собой. Неорганические фосфаты различаются по растворимости: однозамещенные соли (дигидроортофосфаты) хорошо растворимы в воде, двухзамещенные (гидроортофосфаты) - слабо растворимы, а трехзамещенные нерастворимы.
С увеличением содержания гумуса в почве возрастает и количество органического фосфора. Так, в черноземах на его долю приходится 60-70%, в серых лесных почвах 30-50%, а в дерново-подзолистых - 20-30% от общего содержания.
В почве фосфор присутствует в составе более 200 минеральных соединений, в основном, ортофосфорной кислоты с кальцием, магнием, железом, алюминием, марганцем, титаном. Наиболее распространены апатиты, составляющие 90-95% фосфора горных пород и 20-40% фосфора почвы.
В процессе выветривания апатитов образуется более 120 вторичных фосфорсодержащих минералов. В кислых почвах преобладают фосфаты алюминия и железа, а в карбонатных - фосфаты кальция.
Фракционный состав минеральных фосфатов зависит от гранулометрического состава почвы: в легких почвах преобладают фосфаты алюминия, а в тяжелых - железа.
Состав вновь образующихся фосфатов после внесения удобрений зависит от уровня содержания фосфора в почве. Внесение минеральных удобрений увеличивает содержание минеральных фосфатов, а органических - органофосфатов.
Органические фосфаты почвы представлены фитином, фосфолипидами, сахарофосфатами, нуклеиновыми кислотами, АТФ. В черноземах преобладает фитин (30-40% от органических соединений фосфора), а в дерново-подзолистых - не более 20%.
Систематическое внесение органических и фосфорных удобрений повышает содержание доступного фосфора в почвах.
В почве фосфор удобрений подвергается химическим, физико-химическим и биологическим превращениям. Поглощение фосфат-ионов происходит в результате:
- иммобилизации микрофлорой,
- образования нерастворимых осадков,
- хемосорбции на поверхности почвенных частиц,
- обменной адсорбции коллоидами,
- соосаждения при коагуляции коллоидов.
Преобладание химических процессов приводит к снижению растворимости и доступности фосфора для растений.## Недоступность фосфора для растений: от адсорбции до минерализации
Одним из ключевых факторов, определяющих доступность фосфора для растений, является его трансформация в почве из растворимых форм в нерастворимые. Этот многоступенчатый процесс начинается с адсорбции фосфат-ионов на поверхности почвенных частиц.
В суглинистых почвах большая часть фосфора, внесенного с удобрениями (65-80%), адсорбируется на поверхности почвенных коллоидов. Оставшаяся часть (20-35%) образует слаборастворимые минеральные фосфаты.
Со временем адсорбированные дигидроортофосфаты (H₂РО₄⁻) вступают в реакцию с глинистыми минералами, гидроксидами железа и алюминия. В результате образуются химически связанные, необменные гидрофосфаты (НРО₄²⁻) и ортофосфаты (РО₄³⁻). С течением времени эти фосфаты стареют, кристаллизуются и становятся практически недоступными для растений.
Скорость связывания фосфатов зависит от минерального и гранулометрического состава почвы. Первичная сорбция происходит быстро, в течение минут, но достижение полного равновесия может занять месяцы.
### Влияние свойств почвы на фиксацию фосфора
Способность почвы связывать фосфор (необменная фиксация) варьируется в широких пределах (500-4000 мг Р₂О₅ на 1 кг почвы) и определяется такими факторами, как:
* кислотность (pH);
* минеральный состав;
* гранулометрический состав.
Насыщение адсорбционной емкости почвы может потребовать внесения значительных количеств фосфора (от 3 до 12 т/га Р₂О₅).
Гранулометрический состав, содержание аморфных гидроксидов металлов и гумусовых веществ оказывают существенное влияние на сорбцию фосфат-ионов. Кристаллизация минералов приводит к уменьшению их удельной поверхности и, как следствие, к снижению способности поглощать фосфаты.
Например, аморфные формы Al(ОН)₃ и Fe(OH)₃ способны связать в 3-5 раз больше фосфора, чем их кристаллические формы.
### Роль гидроксидов железа и алюминия
В красноземах, дерново-подзолистых и серых лесных почвах гидроксиды железа и алюминия играют главную роль в иммобилизации фосфора. Удаление Al(ОН)₃ и Fe(OH)₃ из почвы приводит к значительному снижению поглощения фосфора.
### Фосфатная буферность
Важным показателем фосфатного режима почвы является равновесная концентрация фосфора, при которой скорости его сорбции и десорбции равны. Фосфатная буферность почвы отражает ее способность поддерживать определенную концентрацию фосфора в почвенном растворе.
Высокая буферная способность означает, что внесение удобрений или потребление фосфора растениями будет приводить к менее выраженным колебаниям его концентрации в почвенном растворе.
### Влияние систематического внесения фосфора
Регулярное внесение фосфорных и органических удобрений в дозах, превышающих вынос фосфора с урожаем, способствует увеличению содержания подвижных фосфатов в почве.
### Органический фосфор и его доступность
Органический фосфор – неотъемлемая часть органического вещества почвы. Его содержание коррелирует с содержанием гумуса и азота. Органические соединения фосфора, такие как фитин, сахаро- и глицерофосфаты, недоступны для растений напрямую.
Растения могут усваивать фосфор из органических соединений только после их минерализации, то есть после высвобождения фосфат-ионов под действием ферментов микроорганизмов или корневой системы.
Минерализация органического фосфора – важный процесс, который поставляет растениям доступный фосфор. Оптимальные условия для минерализации совпадают с условиями, благоприятными для роста растений.
##### Доступность фосфора для растений
Из-за ограниченной доступности минерализованного фосфора корневой системе, растения усваивают лишь небольшую часть (20-25%) высвобождающихся фосфат-ионов. Исследования с использованием изотопа ³²P показали, что органические фосфорные соединения почвы по доступности для растений сопоставимы с органическими удобрениями и превосходят минеральные фосфаты.
Однако в стерильных условиях органические фосфорсодержащие соединения усваиваются растениями очень слабо и не могут полностью удовлетворить их потребность в этом элементе. Это связано с их низкой доступностью и крайне низким содержанием в почвенном растворе.
### Доступность минеральных фосфатов почвы
Важной задачей агрохимии является определение связи между уровнем фосфора в почве и его фактической доступностью для растений. Общее содержание фосфатов не отражает обеспеченность растений фосфором из-за их низкой растворимости. Поэтому разработано множество растворов (кислых, нейтральных и щелочных), имитирующих поглощающую способность корневой системы.
Для оценки доступности фосфатов образец почвы обрабатывают раствором солей или кислот определенной концентрации, а затем измеряют количество извлеченного фосфора. Сравнивая этот показатель с урожаем и выносом фосфора, можно судить о пригодности метода.
Разные растворы экстрагируют разное количество фосфатов. Найти универсальный экстрагент, который отражал бы всю сложность усвоения фосфатов разными растениями, невозможно.
Для оценки фосфатного состояния почв предложено использовать показатели "фактора интенсивности" (концентрация фосфора в почвенном растворе и слабоадсорбированные фосфаты) и "фактора емкости" (общее содержание лабильных фосфатов).
Концентрация фосфора в почвенном растворе – комплексный показатель, отражающий участие твердой фазы в поддержании равновесия. Однако рассчитать ее на основе растворимости или констант диссоциации невозможно, так как многие лабильные фосфаты почвы не идентифицированы.
В качестве показателя фактора интенсивности обычно используют содержание фосфора в водной или слабосолевой вытяжке (0,01 М CaCl₂, 0,015 М K₂SO₄).
Растворы, применяемые для определения подвижного фосфора (0,2 н. HCl для кислых почв, 0,5 н. CH₃COOH для черноземов, 1% (NH₄)₂CO₃ для каштановых и карбонатных почв), экстрагируют растворимые и подвижную часть слаборастворимых фосфатов, характеризуя запасы лабильного фосфора и уровень обеспеченности им растений.
Важно отметить, что в результаты анализа почвы не всегда вносят поправки на гранулометрический состав, кислотность и содержание гумуса, которые влияют на доступность фосфора. Например, при одинаковом количестве лабильных фосфатов в супесчаных и глинистых почвах, более высокая концентрация экстрагируемого фосфора наблюдается в почвах легкого гранулометрического состава.
### Влияние рН на доступность фосфора
Кислотность почвы (pH) оказывает прямое и косвенное влияние на доступность фосфора. Прямое связано с изменением биохимических и физиологических процессов в растениях, косвенное – с изменением содержания и подвижности фосфатов и других элементов питания в почве.
Влияние pH наиболее заметно на фосфаты алюминия, железа и кальция. В кислых почвах гидроксиды железа и алюминия, взаимодействуя с фосфат-ионами, образуют труднорастворимые и недоступные растениям соединения.
В щелочных почвах ионы OH⁻ могут вытеснять PO₄³⁻ из аморфных фосфатов железа и алюминия, переводя их в растворимую форму.
Растворимость фосфатов кальция (гидроксидапатита, карбонатапатита, октакальцийфосфата) также зависит от кислотности почвы.
(Продолжение текста отсутствует)Нерастворимые апатиты, взаимодействуя с ионами водорода в кислой почве, способны частично или полностью преобразовываться в растворимые формы фосфатов. Этот процесс можно описать следующими химическими реакциями:
* Гидроксиапатит с фосфорной кислотой:
Ca₅(PO₄)₃OH + 4H⁺ = 3CaHPO₄ + 2Ca²⁺ + H₂O
* Гидроксиапатит с большим количеством фосфорной кислоты:
Ca₅(PO₄)₃OH + 7H⁺ = 5Ca²⁺ + H₂O + 3H₂PO₄⁻
* Карбонатапатит с фосфорной кислотой:
Ca₁₀(PO₄)₆CO₃ + 12H⁺ = 10Ca²⁺ + CO₂ + 6H₂PO₄⁻
Присоединение протонов к гидроксиапатиту или карбонатапатиту приводит к разрушению их кристаллической решетки. В результате образуются более растворимые формы фосфора: гидрофосфат кальция (CaHPO₄) и дигидрофосфат кальция (Ca(H₂PO₄)₂).
Растворение апатита снижает кислотность почвы, уменьшая количество ионов водорода. Однако этот процесс может привести к заметному повышению pH почвы при фосфоритовании.
Повышенная кислотность почвы способствует растворению алюминия. Подвижный алюминий негативно влияет на развитие корневой системы растений, ограничивая их способность поглощать фосфор. Высокая концентрация алюминия в кислых почвах приводит к образованию нерастворимых алюмофосфатов (AlPO₄), что также снижает доступность фосфора для растений. Алюминий, адсорбируясь на поверхности корней, блокирует часть поглощаемого растениями фосфора.
Фосфор играет положительную роль в связывании алюминия в ризосфере, ограничивая его поступление в клетки растений. При pH выше 5 алюминий выпадает в осадок в виде Al(OH)₃ и меньше взаимодействует с фосфат-ионами.
В нейтральных почвах минеральные фосфаты представлены в основном солями кальция и магния фосфорной кислоты. В кислых почвах большая часть фосфора связана с полуторными оксидами алюминия и железа, что снижает его доступность для растений.
Оптимальная доступность фосфатов для растений наблюдается при pH 6-7. В этих условиях растворимость Fe(OH)₃ и Al(OH)₃ минимальна, а концентрация ионов Ca²⁺ недостаточна для образования нерастворимых трехзамещенных фосфатов кальция.
Сильное подкисление или подщелачивание почвы приводит к снижению доступности фосфора и урожайности культур.
## Вымывание фосфора из почвы
Низкая концентрация фосфат-ионов в почвенном растворе (обычно менее 0,5 мг/л) ограничивает вымывание фосфора. В большинстве почв фосфат-ионы быстро связываются с поливалентными металлами и глинистыми минералами, образуя слаборастворимые соединения.
Исключение составляют песчаные и торфянистые почвы, где возможно ощутимое вымывание фосфора, особенно при избыточном внесении удобрений.
Основной причиной потерь фосфора является водная эрозия, особенно на сильно эродируемых почвах. Для поддержания продуктивности растений на таких почвах требуются повышенные дозы фосфорных удобрений.
## Фосфорные руды
## Мировые запасы и добыча фосфатных руд
| Страна | Запасы руд, млн т P₂O₅ |
|----------------------------|------------------------|
| Марокко | 15 800 |
| США | 13 870 (20) |
| Китай | 9 530 (10) |
| Казахстан | 4 275 |
| Россия | 4 060 (1 410) |
| Мексика | 1 740 |Производство фосфорных удобрений крайне важно для сельского хозяйства, однако запасы фосфатного сырья, лежащего в их основе, ограничены. В России, несмотря на наличие значительных запасов калийных руд, фосфатного сырья при текущих объемах добычи хватит всего на несколько десятилетий.
Фосфатные руды делятся на апатитовые и фосфоритовые. Хотя химически они схожи и относятся к группе апатита с общей формулой ЗСа₃(РО₄)₂СаХ₂, где X может быть фтором, хлором, гидроксильной группой или карбонат-ионом, их происхождение и свойства различаются. Апатитовые руды имеют магматическое происхождение, а фосфоритовые - осадочное.
В России основные месторождения апатитов находятся на Кольском полуострове и в Саянах. Крупнейшее из них - Хибинское месторождение - обеспечивает большую часть добычи апатитового концентрата в стране. К сожалению, богатые руды уже выработаны, и среднее содержание P₂O₅ в руде снизилось.
Фосфоритовые руды отличаются от апатитовых тем, что в их составе часть фосфат-ионов и фтора замещена карбонат-ионами и гидроксильными группами, что делает их более растворимыми. Крупнейшие месторождения фосфоритов находятся в Северной Африке, на Ближнем Востоке и в США.
Фосфорные удобрения делятся на три группы по растворимости: водорастворимые, растворимые в слабых кислотах (цитратнорастворимые) и растворимые только в сильных кислотах.
Получают фосфорные удобрения путем обработки фосфатного сырья кислотами (серной, фосфорной, азотной) или термической обработкой. Выбор метода зависит от типа сырья и желаемых свойств удобрения.
Важно отметить, что хорошая растворимость удобрения не всегда является преимуществом, так как на некоторых типах почв умеренно растворимые удобрения более эффективны.
Простейшим фосфорным удобрением является фосфоритная мука - измельченный природный фосфорит. Она эффективна на кислых почвах, но не подходит для нейтральных и щелочных.
Несмотря на доступность и дешевизну фосфоритной муки, ее применение в России сократилось, что приводит к истощению запасов фосфора в почве.## Фосфорные удобрения: от прогнозирования действия до механизмов усвоения
Профессор Б.А. Голубев предложил метод прогнозирования эффективности фосфоритной муки, основанный на гидролитической кислотности почвы (Н
г). Оказалось, что при Н
г менее 2,5 мг-экв/100 г фосфоритная мука значительно уступает по действию суперфосфату. Напротив, при Н
г более 3 мг-экв/100 г эффективность фосфоритной муки сравнима с суперфосфатом.
Эффективность фосфоритной муки в кислой среде обусловлена поглощением почвой ионов кальция (Ca
2+) в обмен на ионы водорода (H
+). В результате нерастворимый кальцийфосфат (Ca
3(PO
4)
2) превращается в более растворимый гидрофосфат кальция (CaHPO
4), а в сильнокислых почвах - даже в растворимый дигидрофосфат кальция (Ca(H
2PO
4)
2):
| Исходные вещества | Продукты реакции |
|---|---|
| Почва + 2Н
+ + Ca
3(PO
4)
2 + 2H
2O | Почва + Ca
2+ + 2CaHPO
4 ⋅2H
2O |
| Почва + 4Н
+ + Ca
3(PO
4)
2 | Почва + 2Ca
2+ + Ca(H
2PO
4)
2 |
Фосфоритную муку вносят в больших количествах (200–500 кг/га P
2O
5) для увеличения содержания подвижного фосфора в почве и обеспечения длительного эффекта.
### Растворимые фосфорные удобрения: суперфосфат
Суперфосфат - первое промышленное фосфорное удобрение. Идея его получения принадлежит Юстусу Либиху, предложившему обрабатывать костяную муку серной кислотой:
Ca
3(PO
4)
2 + 2H
2SO
4 → Ca(H
2PO
4)
2 + 2CaSO
4⋅2H
2O
Простой суперфосфат получают обработкой апатитового (39,6% P
2O
5) или фосфоритового концентрата (33–35% P
2O
5) серной кислотой (H
2SO
4):
Ca
10(PO
4)
6F
2 + 7H
2SO
4 + 3H
2O → 3Ca(H
2PO
4)
2 + 7CaSO
4⋅2H
2O + 2HF
В результате реакции образуется дигидрофосфат кальция (Ca(H
2PO
4)
2) и гипс (CaSO
4⋅2H
2O). Из-за наличия гипса содержание фосфора в суперфосфате снижается вдвое по сравнению с исходным сырьем. Суперфосфат из апатита содержит около 20% фосфора (в пересчете на P
2O
5), из фосфорита — 14–17%.
Состав суперфосфата:
* Ca(H
2PO
4)
2⋅H
2O
* H
3PO
4
* CaHPO
4⋅2H
2O
* FePO
4
* AlPO
4
* CaSO
4 (гипс)
* кремниевая кислота
* песок
* глина
При внесении в кислые почвы, содержащие железо и алюминий, доступность фосфора снижается из-за образования труднорастворимых фосфатов:
Ca(H
2PO
4)
2 +## Преципитат: доступный фосфор для растений
Преципитат получают путем осаждения экстракционной фосфорной кислоты известковым молоком, в результате чего образуется гидрофосфат кальция:
H
3PO
4 + Ca(OH)
2 → CaHPO
4·2H
2O.
Содержание P
2O
5 в преципитате достигает 38–42%. Преципитат – это порошок светло-серого цвета, негигроскопичный и практически не слеживающийся.
Особенности преципитата:
Слабая растворимость в воде:* CaHPO
4·2H
2O плохо растворим в воде, однако хорошо растворяется в органических и минеральных кислотах.
Доступность для растений:* Фосфор из преципитата усваивается растениями достаточно эффективно.
Переход в доступную форму на кислых почвах:* В кислой среде преципитат преобразуется в растворимый дигидрофосфат, что делает его доступным для растений:
2CaHPO
4 + 2H
2CO
3 → Ca(H
2PO
4)
2 + Ca(HCO
3)
2
Эффективность:* При внесении в почву до посева в качестве основного удобрения преципитат по эффективности сравним с суперфосфатом.
## Термофосфаты: фосфорные удобрения из природных источников
Термофосфаты
– это группа удобрений, получаемых путем прокаливания или плавления природных апатитов и фосфатов с различными твердыми веществами при высоких температурах (1200–1500 °С). В качестве добавок используются:
* Сода
* Карбонаты магния и кальция
* Силикаты магния и кальция
* Отходы металлургии, содержащие фосфор
Принцип действия:
Высокая температура разрушает кристаллическую структуру апатита, и в нее внедряются катионы из добавленных солей. В результате образуются более растворимые фосфорные соединения, доступные для усвоения растениями.
Преимущества термофосфатов:
Независимость от серной кислоты:* Производство термофосфатов не требует использования серной кислоты, что особенно важно для стран, не имеющих месторождений серы.
Перспективность:* В условиях удорожания сырья для производства кислот термофосфаты становятся все более привлекательными для сельского хозяйства.
Различные способы получения термофосфатов:
* Гидротермическое обесфторивание
* Сплавление с кремнеземом (кварцевым песком) и содой
* Плавление с силикатами и/или сульфатами магния и/или калия
* Спекание с оксидами щелочных и/или щелочноземельных металлов
Недостатки слаборастворимых фосфорных удобрений:
Медленное действие:* По сравнению с растворимыми фосфорсодержащими удобрениями (суперфосфат, комплексные удобрения) термофосфаты, преципитат, металлургические шлаки растворяются и переходят в доступную для растений форму гораздо медленнее.
Недостаточная эффективность для молодых растений:* Внесение слаборастворимых удобрений до посева не всегда может обеспечить молодые, интенсивно растущие культуры достаточным количеством фосфора, особенно на почвах с низким содержанием подвижных фосфатов.
## Обесфторенный фосфат: продукт обработки апатита
Обесфторенный фосфат
получают обработкой расплавленного апатита или фосфорита при температуре 1400–1500 °С водяным паром и 3–5% кварцевого песка.
Химизм процесса:
Взаимодействие водяного пара и кремнезема с расплавленным фторапатитом приводит к удалению фтора, мышьяка, ртути, цинка, кадмия. В расплаве образуются:
* Трикальцийфосфат (Ca
3(PO
4)
2)
* Гидро## Фосфор: важный элемент для роста и развития растений
Фосфор – ключевой элемент питания растений, особенно важный на ранних этапах развития. Обеспеченность фосфором влияет на формирование мощной корневой системы, что в дальнейшем способствует лучшему усвоению питательных веществ из почвы и удобрений.
Припосевное внесение фосфорных удобрений
демонстрирует высокую эффективность по сравнению с внесением всей дозы перед посевом. Многочисленные исследования показали, что такой подход увеличивает урожайность зерновых культур. Например, применение гранулированного суперфосфата или аммофоса при посеве повышало урожайность озимой и яровой пшеницы в среднем на 3-4,2 ц/га.
Эффективность припосевного внесения аммофоса под зерновые культуры (усредненные данные)
| Экономический район России | Прибавка зерна, ц/га |
|---|---|
| Центральный | 3,9 |
| Центрально-Черноземный | 4,2 |
| Волго-Вятский | 3,5 |
| Уральский | 3,2 |
| Западно-Сибирский | 3,0 |
| Дальневосточный | 3,1 |
Однако стоит отметить, что на почвах с высоким содержанием подвижных фосфатов (V и VI классы обеспеченности) эффективность припосевного внесения небольшой части фосфора (8–12 кг/га P₂O₅) от общей дозы незначительна.
Дробление дозы фосфора
, за исключением припосевного внесения, не дает значительных преимуществ по сравнению с разовым внесением.
Сроки внесения комплексных фосфорсодержащих удобрений
определяются потребностью растений в азоте.
В условиях интенсивного земледелия практикуется
внесение фосфорных удобрений «в запас»
один раз в 2-3 года. Однако длительное хранение фосфора в почве не рекомендуется из-за снижения его подвижности и доступности для растений. Запасное внесение фосфора не проводится на песчаных почвах во избежание вымывания.
Способы внесения фосфорных удобрений
зависят от их формы. Растворимые удобрения, такие как суперфосфат, вносятся:
Вразброс* с заделкой в почву.
Локально*:
* вместе с семенами при посеве,
* лентами,
* полосами,
* рядком вблизи семян,
* на глубину пахотного слоя.
Локальное припосевное внесение обеспечивает доступность фосфора для растений на ранних стадиях развития, что особенно важно для культур со слаборазвитой корневой системой (например, лук) и коротким периодом вегетации (редис, зеленные культуры).
Слабо- и труднорастворимые фосфорные удобрения
(фосфоритная мука, термофосфаты, металлургические шлаки) требуют тщательного перемешивания с почвой для повышения их эффективности.## Фосфор: распространенность, значение и получение
Фосфор - химический элемент, который, хоть и широко распространен в земной коре (около 0,1% от ее массы), встречается в природе только в связанном виде. Это объясняется его высокой химической активностью, в частности, способностью легко окисляться на воздухе.
Основным источником фосфора для промышленных нужд служит минерал
фосфорит
, представляющий собой ортофосфат кальция (Ca3(РО4)2). Крупные месторождения фосфоритов располагаются, например, в горах Каратау в Южном Казахстане.
Еще один фосфорсодержащий минерал -
апатит
. Его состав более сложен и, помимо ортофосфата кальция (Ca3(РО4)2), включает фторид кальция (CaF2) или карбонат кальция (CaСO3). Одно из крупнейших в мире месторождений апатита находится на Кольском полуострове.
Фосфор, подобно азоту, играет ключевую роль в жизнедеятельности всех живых организмов. Он является неотъемлемой частью белков, как растительных, так и животных. В растениях фосфор преимущественно накапливается в белках семян.
Важнейшая функция фосфора связана с его присутствием в составе
нуклеиновых кислот
- сложных высокомолекулярных соединений, содержащихся во всех живых клетках. В нуклеиновых кислотах фосфор присутствует в виде остатка фосфорной кислоты. Именно нуклеиновые кислоты отвечают за хранение и передачу генетической информации от клетки к клетке, обеспечивая преемственность наследственных признаков.
В промышленности для получения фосфора и его соединений используют фосфориты и апатиты. Процесс получения состоит из нескольких стадий: измельчение исходного сырья, смешивание с песком и углем, а затем нагревание полученной смеси в электрических печах в бескислородной среде.## Фосфор: незаменимый элемент для жизни растений
Фосфор, неметалл из пятнадцатой группы второго периода таблицы Менделеева, представлен в природе стабильным изотопом ³¹P. Этот элемент играет важнейшую роль в жизни растений, участвуя в многочисленных метаболических процессах и формируя структурные компоненты клеток.
### Формы фосфора в растениях
В растениях фосфор присутствует как в неорганической, так и в органической формах.
__Неорганические формы__ представлены ортофосфатом (Фн) и пирофосфатом (ФФн). Они легко растворяются в воде. Ионы ортофосфата, взаимодействуя с органическими соединениями, образуют моноэфиры, диэфиры и ангидриды.
__Органические соединения__ фосфора можно разделить на несколько групп:
* __Нуклеиновые кислоты (ДНК и РНК):__ Фосфат, присутствующий в виде диэфира, служит связующим звеном между нуклеотидами, обеспечивая хранение и передачу генетической информации.
* __Фосфолипиды:__ Фосфатные группы, как гидрофильные "головы", прикрепляются к липидам, формируя основу клеточных мембран (см. рисунок).
* __Фосфорные эфиры (C–O–P):__ Участвуют в разнообразных метаболических реакциях.
* __Нуклеозидфосфаты (АТФ, АДФ, НАДФH):__ Выполняют функцию энергетических аккумуляторов клетки.
* __Фн и ФФн:__ Участвуют в метаболических процессах, регулируя энергетический баланс клетки.
__Рисунок:__ Схема строения фосфолипида.
[Изображение фосфолипида]
### Роль фосфора в энергетике клетки
Фосфор играет ключевую роль в энергетическом обмене клетки. Энергия запасается в форме макроэргических связей в молекулах пирофосфатов: АТФ, АДФ и ФФн. При разрыве этих связей выделяется энергия, необходимая для жизнедеятельности клетки.
__АТФ (аденозинтрифосфат)__ – универсальный источник энергии в клетке. Гидролиз АТФ сопровождается отщеплением фосфатной группы и выделением энергии, используемой в различных энергозависимых процессах:
__АТФ + H₂O → АДФ + Фн__
### Влияние фосфора на фотосинтез и синтез крахмала
Концентрация Фн в строме хлоропластов оказывает существенное влияние на фотосинтез. Оптимальная концентрация Фн для фотосинтеза составляет 2,0–2,5 ммоль/л. Снижение концентрации Фн до 1,4–1,0 ммоль/л приводит к остановке фотосинтеза.
Высокая концентрация Фн (около 5 ммоль/л) подавляет синтез крахмала, ингибируя фермент АДФ-глюкозофосфорилазу и снижая концентрацию триозофосфатов – субстрата для синтеза крахмала.
### Запасание фосфора в семенах растений
Основная часть фосфора в семенах растений запасается в форме фитиновой кислоты (миоинозитолгексафосфата):
[Изображение фитиновой кислоты]
Взаимодействуя с катионами (K+, Mg2+, Ca2+), фитиновая кислота образует соли – фитаты.
__Фитин__ – основной резерв фосфора в семенах. Он локализуется в алейроновых зернах – белковых телах вакуолярного происхождения.
### Метаболизм фосфора
Основной путь включения фосфора в органические соединения – через АТФ в реакциях углеводного и липидного обмена. Синтез АТФ из АДФ и Фн катализирует фермент АТФ-синтаза.
[Изображение АТФ]
### Содержание и поглощение фосфора
Нормальное содержание фосфора в растениях составляет 0,3–0,5% от сухой массы. Токсичность фосфора проявляется при концентрации выше## Поглощение и транспорт фосфора растениями
Растения поглощают фосфор из почвы через плазматическую мембрану (плазмалемму) своих клеток в форме фосфат-иона (O₄³⁻). Скорость поглощения фосфата корнями зависит от его концентрации в окружающей среде. При низких концентрациях (микромолярный диапазон) наблюдается однофазная кинетика поглощения, а при высоких (миллимолярный диапазон) - двухфазная. Это говорит о существовании в корнях растений двух типов транспортных систем для фосфата: с высоким и низким сродством к нему. Интересно, что в культуре клеток табака (Nicotiana tabacum) были обнаружены только транспортеры с высоким сродством к фосфору.
Транспорт фосфора в клетку происходит против градиента концентрации: внутри клетки его концентрация в тысячи раз выше, чем в ризосфере (зоне почвы, окружающей корни). В почвенном растворе концентрация фосфора редко превышает 10 мкмоль/л, в то время как в растительных клетках она может достигать 1-10 ммоль/л. Перенос фосфата против градиента концентрации обеспечивается работой H⁺-АТФаз, которые создают градиент протонов (подкисляют ризосферу) и обеспечивают симпорт фосфата в клетку вместе с протонами. В результате поглощения фосфата цитоплазма растительных клеток подкисляется.
У зеленой водоросли Chara corallina фосфат транспортируется в клетку совместно с натрием (Na⁺/P-котранспорт). У сосудистых растений транспорт фосфора обычно не связан с транспортом натрия, хотя такая связь может существовать у растений-галофитов, обитающих в условиях засоления.
В поглощении фосфора из окружающей среды и его транспорте внутри растения задействованы фосфатные транспортеры - белки, обозначаемые аббревиатурой Pht. На сегодняшний день известно четыре семейства этих транспортеров: Pht1, Pht2, Pht3 и Pht4.
Pht1* кодируют H⁺/P-котранспортеры, которые переносят фосфор через плазмалемму. Эти транспортеры функционируют в широком диапазоне концентраций фосфора (3-700 мкмоль/л) и обладают как высоким, так и низким сродством к фосфату. У арабидопсиса идентифицировано девять генов этого семейства, четыре из которых экспрессируются в условиях дефицита фосфора. Помимо транспорта через плазмалемму, гены семейства Pht1 контролируют транспорт фосфата внутри растения. Экспрессия генов этой группы обнаружена в клетках цветков, гидатодах семядолей, пыльце, сосудах листьев и узлах стеблей.
Pht2 и Pht3* участвуют во внутриклеточном транспорте фосфора. Большинство из них обладают высоким сродством к фосфату. Однако транспортеры, локализованные в мембране хлоропластов (Pht2;1), являются белками с низким сродством к фосфату. Транспортеры Pht3 локализованы в митохондриях. Экспрессия генов, кодирующих транспортеры этого семейства, происходит в корнях и листьях растений.
Пять членов семейства Pht4* обнаружены в аппарате Гольджи.
Также существуют транспортеры с низким сродством к фосфату, находящиеся в клетках корней, но гены, кодирующие эти транспортеры, пока не идентифицированы.
Быстрое поглощение фосфата корнями на фоне его низкой мобильности в почве приводит к образованию вокруг корней так называемых зон истощения, где концентрация фосфора очень низкая. Возникновение таких зон создает градиент концентрации, необходимый для движения фосфата в сторону корней.## Фосфор - эссенциальный элемент для жизни растений
Фосфор играет незаменимую роль в росте и развитии растений. Его дефицит вызывает серьезные нарушения метаболизма и физиологии, что негативно сказывается на урожайности и качестве сельскохозяйственной продукции.
### Признаки дефицита фосфора:
Замедленный рост:* растения отстают в развитии, наблюдается диспропорция между размером побегов и корней.
Изменение окраски листьев:* старые листья приобретают темно-зеленый цвет с голубоватым оттенком из-за накопления хлорофилла. Несмотря на это, интенсивность фотосинтеза снижается. Стебли однолетних растений могут приобретать красноватый оттенок.
Нарушение репродуктивного развития:* цветки и соцветия формируются мелкими и часто опадают. Плоды и семена также вырастают мелкими и деформированными.
Снижение качества продукции:* в клубнях картофеля образуются твердые бурые участки, плоды косточковых приобретают интенсивный зеленый цвет, у цитрусовых наблюдается утолщение и огрубение кожуры.
### Влияние дефицита фосфора на процессы жизнедеятельности растений:
Недостаток фосфора нарушает ключевые процессы в растениях:
Фотосинтез:* снижается скорость транспорта фосфора в побег, нарушается работа генов, ответственных за формирование компонентов фотосистем и синтез хлорофилла.
Транспорт углеводов:* из хлоропластов экспортируется триозофосфат, который преобразуется в крахмал. Происходит изменение экспрессии генов, связанных с метаболизмом крахмала, сахарозы и других углеводов.
Дыхание:* снижается концентрация АДФ и неорганического фосфора, что негативно влияет на дыхание и транспорт электронов с участием цитохромов.
### Адаптация растений к дефициту фосфора:
В процессе эволюции растения выработали различные механизмы адаптации к недостатку фосфора, которые можно разделить на несколько категорий:
Морфологические изменения:
Разрастание корневой системы:* увеличивается соотношение корень/побег, особенно у видов, эффективно поглощающих фосфор.
Формирование боковых корней:* увеличивается количество и длина боковых корней, особенно в верхних слоях почвы, где фосфор более доступен.
Развитие специализированных корней:* у некоторых видов, например, люпина, формируются "протеоидные" корни с кластерами вторичных и третичных корней, покрытых волосками. Эти корни выделяют вещества, способствующие мобилизации фосфора из почвы.
Увеличение плотности и длины корневых волосков:* улучшает поглощение фосфора, так как волоски выделяют протоны, фосфатазы и органические кислоты.
Биохимические и физиологические изменения:
Усиление продукции фосфатаз:* эти ферменты расщепляют органические соединения фосфора, делая его доступным для усвоения растениями.
Замена фосфолипидов:* в клеточных мембранах фосфолипиды заменяются на липиды без фосфора, что позволяет экономить запасы этого элемента.
Выделение органических кислот:* корни выделяют лимонную и яблочную кислоты, которые связывают катионы, облегчая высвобождение фосфора из труднорастворимых соединений.
Активация генов, кодирующих фосфатные транспортеры:* повышается эффективность поглощения фосфора из почвы.
Передача сигнала:
* Механизмы восприятия дефицита фосфора и передачи сигнала в растении изучены не до конца.
* Известно, что в этом процессе участвуют меристемы корней, транскрипРастения выработали сложные адаптивные механизмы, позволяющие им выживать в условиях дефицита фосфора. Ключевую роль в этих процессах играет тонкая регуляция активности генов, ответственных за метаболизм сахаров, передачу сигналов и гормональный баланс.
Сахара действуют не только как источник энергии, но и как важные сигнальные молекулы, влияющие на активность генов, участвующих в ответе на недостаток фосфора. Например, сахароза активирует работу гена фосфатного транспортера Pht1;4 и усиливает индукцию гена ADP (glucose pyrophosphorylase) в условиях дефицита фосфора. Примечательно, что у мутантных растений с нарушениями в метаболизме или передаче сигналов сахаров наблюдается подавление активности генов, отвечающих за адаптацию к недостатку фосфора.
Фитогормоны, такие как ауксин, цитокинин и этилен, также играют важнейшую роль в приспособлении растений к дефициту фосфора. Ауксин стимулирует модификацию корневой системы, способствуя образованию и удлинению боковых корней, а также формированию корневых волосков. Цитокинин, напротив, может подавлять активность генов, участвующих в ответе на недостаток фосфора. Баланс ауксина и цитокинина также влияет на состав фосфолипидов клеточных мембран.
Этилен, играющий важную роль в росте и развитии растений, необходим для передачи сигналов при недостатке фосфора. Интересно, что этилен проявляет двойственное действие в зависимости от обеспеченности растений фосфором. При его достатке этилен может ингибировать рост корней, в то время как при дефиците фосфора, наоборот, стимулирует его. Это связано с изменениями в путях передачи сигналов от этилена к ростовым процессам корней. Взаимодействие этилена и ауксина также играет важную роль в адаптации к недостатку фосфора, так как этилен стимулирует биосинтез ауксина и его транспорт к зоне роста корня.
Важно отметить, что усвоение фосфора растениями зависит не только от его концентрации в почве, но и от соотношения азота и фосфора (N:P). Высокие значения этого соотношения отрицательно сказываются на росте растений, приводя к угнетению и отмиранию корней, а также снижая эффективность усвоения фосфора.## Незаменимая роль фосфора в жизни растений
Фосфор - это ключевой элемент для роста и развития растений. Он участвует в энергетических и структурных процессах, являясь частью важных фосфорорганических соединений, таких как АТФ и нуклеиновые кислоты.
АТФ - это главный аккумулятор энергии, получаемой растениями в процессе фотосинтеза и дыхания. Эта энергия используется для синтеза белков, жиров, углеводов и активного поглощения питательных веществ. Фосфатиды же играют важную роль в формировании клеточных мембран, которые регулируют поступление питательных веществ в клетку.
Влияние фосфора на биохимические процессы в растениях делает его доступность критически важной для получения высоких урожаев. Это особенно актуально для регионов с почвами, характеризующимися низким содержанием доступного фосфора.
Исследования показывают, что дефицит фосфора в первые две недели после появления всходов негативно влияет на рост и развитие растений на протяжении всего вегетационного периода, что в конечном итоге снижает урожайность.
Например, на дерново-подзолистых почвах с низким содержанием доступных фосфатов (40-60 мг/кг P₂O₅) продуктивность севооборотов составляет менее 2 т/га. При повышении содержания P₂O₅ до 120-140 мг/кг продуктивность увеличивается до 3,5-4,0 т/га, а при высоком содержании (250-300 мг/кг) - до 5-6 т/га и выше.
### Химические свойства и распространенность фосфора
Фосфор, название которого происходит от греческого слова "светоносный", был открыт в 1669 году. Этот химический элемент занимает 13-е место по распространенности в земной коре и встречается только в связанном виде в составе различных минералов, преимущественно солей ортофосфорной кислоты. Наиболее распространенными фосфорсодержащими минералами являются апатиты.
### Фосфор в растениях
Фосфор присутствует в растениях как в органической, так и в неорганической форме. Соотношение между ними зависит от вида растения, его возраста и обеспеченности фосфором. В молодых органах преобладает органический фосфор (90-95%), а в старых - неорганический (60-70%).
Основной запасной формой фосфора, особенно в семенах, является фитин - кальций-магниевая соль фитиновой кислоты.
Содержание фосфора в растениях (% от сухой массы):
| Культуры | Содержание P₂O₅, % | Солома, стебли |
|---|---|---|
| Зерновые | 0,8-1,0 | 0,2-0,3 |
| Зернобобовые | 1,0-1,2 | 0,3-0,4 |
| Масличные | 1,0-1,5 | 0,2-0,6 |
| Сено злаковых трав | - | 0,4-0,6 |
| Сено бобовых трав | - | 0,6-0,8 |
### Фосфорное питание растений
Основным источником фосфора для растений является почва.Анионы ортофосфорной кислоты, такие как H₂РО₄⁻ и НРО₄²⁻, играют ключевую роль в питании растений. Несмотря на наличие РО₄³⁻ в почве, его значение невелико из-за низкой концентрации и плохой подвижности. При взаимодействии с корнями РО₄³⁻ протонируется, превращаясь в легкоусвояемый растениями H₂РО₄⁻.
Кислотность почвы оказывает сильное влияние на форму фосфат-ионов. В сильнокислой среде преобладает Н₃РО₄, а в сильнощелочной - РО₄³⁻. В диапазоне pH от 4 до 9 основными формами являются Н₂РО₄⁻ и НРО₄²⁻, как показано в таблице:
Таблица: Влияние реакции раствора на содержание анионов фосфорной кислоты
| Анионы | pH раствора | | |
|------------|--------------|-----|------|
| | 5,0 | 7,0 | 9,0 |
| Н₂РО₄⁻ | 98,3% | 51% | 1,2% |
| НРО₄²⁻ | 1,6% | 49% | 96,0%|
| РО₄³⁻ | – | – | 2,8% |
Для оценки доступности фосфора растениям важна не общая концентрация, а содержание лабильных фосфатов в почвенном растворе. Оно обычно невелико и колеблется от 0,1 до 5 мг/л, что эквивалентно 0,1–5 кг P₂O₅/га пахотного слоя. В большинстве случаев этот показатель составляет 0,5–2,0 мг/л.
Важно отметить, что концентрация фосфора в почвенном растворе в десятки раз ниже, чем нитратов. Это объясняется ограниченной диффузией ионов в прикорневой зоне.
Сельскохозяйственные культуры потребляют значительное количество фосфора – 20–40 кг/га за сезон. Обеспеченность растений этим элементом зависит от способности почвы поддерживать достаточную концентрацию фосфатов на протяжении всего периода вегетации.
Тип почвы также играет важную роль. Тяжелые почвы, например, удерживают больше влаги и, следовательно, фосфора, чем легкие.
Доступность фосфатов также зависит от вида растений. Например, бобовые культуры, потребляющие много кальция, могут усваивать труднорастворимые фосфаты.
Недостаток фосфора негативно влияет на рост и развитие растений. Наблюдаются замедленный рост, мелкие темно-зеленые листья с голубоватым оттенком, красно-фиолетовая окраска прожилок, появление желто-бурых или темно-бурых пятен, задержка цветения и созревания, снижение урожайности.
В отличие от азота, соединения фосфора в почве менее подвижны и практически не вымываются. Это обуславливает низкую доступность фосфатов для растений. Поэтому важно разрабатывать агрохимические методы повышения доступности фосфора.
Содержание общего фосфора в почве меняется в зависимости от типа почвы. Наибольшая концентрация характерна для черноземов, а наименьшая – для дерново-подзолистых почв.
Для определения доступности фосфора растениям используют методы, основанные на извлечении подвижных форм с помощью кислотных и солевых растворов.
Фосфор, вносимый с удобрениями или освобождающийся при выветривании минералов, активно взаимодействует с коллоидными частицами почвы, накапливаясь в илистой фракции.
Распределение фосфора по профилю почвы неравномерно. Максимальное содержание наблюдается в верхнем, пахотном слое, что связано с разложением растительных остатков и внесением удобрений.
Доступность фосфора растениям зависит от его формы. Первичные фосфаты (апатиты) практически недоступны, в то время как свежеосажденные аморфные формы кальция, магния, алюминия и железа усваиваются лучше.Черноземы, распространенные в южной части лесостепи и степной зоне, часто нуждаются в большем количестве воды, фосфора и азота. Эти элементы ограничивают рост растений и получение высоких урожаев. Каштановые почвы, хоть и богаты питательными веществами, также страдают от недостатка влаги, что снижает эффективность удобрений без полива.
Фосфор присутствует в почве в двух формах: органической и неорганической, часто образуя сложные органо-минеральные соединения. Неорганический фосфор представлен солями фосфорной кислоты, где ионы водорода замещены ионами металлов. Растворимость этих солей зависит от того, насколько и каким металлом замещены ионы водорода. Органические соединения фосфора, как правило, имеют эфирную связь с одним атомом кислорода фосфорной кислоты, а другие гидроксильные группы могут быть замещены катионами.
Количество органического фосфора напрямую зависит от содержания гумуса в почве. Например, в черноземах доля органического фосфора составляет 60–70%, в серых лесных почвах — 30–50%, а в дерново-подзолистых почвах — 20–30%.
В почве встречается более 200 минеральных соединений фосфора, в основном в виде соединений ортофосфорной кислоты с кальцием, магнием, железом, алюминием, марганцем и титаном. Наиболее распространены апатиты: фторапатит, хлорапатит, гидроксилапатит, карбонатапатит и их смеси.
В процессе выветривания апатиты образуют более 120 вторичных фосфорсодержащих минералов. В кислых почвах преобладают фосфаты алюминия и железа, такие как варисцит, стренгит и баррандит. В карбонатных почвах чаще встречаются брушит, берцелиит, крандаллит, миллисит, октакальцийфосфат, тетракальцийфосфат. В торфяниках и болотистых местах встречается вивианит.
Состав минеральных фосфатов зависит от гранулометрического состава почвы. На легких почвах преобладают фосфаты алюминия, а на тяжелых – фосфаты железа.
Фосфорные удобрения, внесенные в почву, быстро преобразуются в соответствующие фосфаты, состав которых зависит от уровня содержания фосфора в почве и истории удобрений. Регулярное применение минеральных удобрений увеличивает содержание минеральных фосфатов, а органических удобрений – органофосфатов.
Содержание органических фосфатов варьируется от 5–10% в песчаных почвах до 90–95% в торфяных. Их состав до конца не изучен, но известно о наличии фитина, фосфолипидов, сахарофосфатов, нуклеиновых кислот, АТФ и др. При этом более 40% почвенного органического фосфора остаются неидентифицированными.
Фитин и его производные составляют 30–40% органических соединений фосфора в черноземах и до 20% в дерново-подзолистых почвах. Большая часть органических фосфатов (50–60%) связана с гумусом.
Постоянное внесение органических и фосфорных удобрений увеличивает содержание доступного фосфора в почвах. Высокое содержание органического фосфора говорит об окультуренности и плодородии почвы.
Почва, как сложная система, поглощает фосфат-ионы различными способами: биологическая иммобилизация микрофлорой, образование нерастворимых осадков, химическая адсорбция, физико-химическая адсорбция и соосаждение при коагуляции коллоидов.
В большинстве почв преобладают химические процессы, снижающие растворимость и доступность фосфора для растений.## Фосфор в почве: доступность и формы
Фосфор - ключевой элемент для роста и развития растений. В почве он присутствует как в доступной, так и в недоступной для растений форме. Обеспечение растений доступным фосфором - важная задача для поддержания плодородия почвы.
### Неорганический фосфор
Растворимые фосфаты, усваиваемые растениями, могут переходить в недоступные формы в процессе, называемом ретроградацией. Ретроградация - это многоступенчатый процесс, который начинается с адсорбции фосфатов на поверхности почвенных частиц, таких как глинистые минералы, гидроксиды железа и алюминия. В результате образуются слаборастворимые соединения, недоступные для растений.
Скорость, с которой почва связывает фосфор, называется необменной фиксацией. Этот показатель варьируется в зависимости от типа почвы и может составлять от 500 до 4000 мг P₂O₅ на килограмм почвы. Состав почвы, включая размер частиц, содержание органического вещества и наличие оксидов металлов, играет ключевую роль в фиксации фосфора. Например, аморфные гидроксиды железа и алюминия связывают значительно больше фосфора, чем их кристаллические формы.
Важной характеристикой фосфатного режима почвы является равновесная концентрация фосфора - концентрация, при которой скорость поглощения фосфора почвой равна скорости его высвобождения.
Фосфатная буферность почвы отражает ее способность поддерживать стабильную концентрацию фосфора. Высокая буферность означает, что колебания концентрации фосфора при внесении удобрений или потреблении его растениями будут минимальными.
Регулярное внесение фосфорных и органических удобрений способствует повышению содержания доступного фосфора в почве. Однако дозы удобрений, необходимые для достижения желаемого результата, зависят от типа почвы:
| Тип почвы | Доза P₂O₅, кг/га |
|---|---|
| Песчаные и супесчаные | 40-60 |
| Легко- и среднесуглинистые | 60-90 |
| Тяжелосуглинистые | 90-120 |
| Глинистые | 120-150 |
### Органический фосфор
Органический фосфор составляет значительную часть общего фосфора в почве. Его содержание тесно связано с количеством гумуса и азота. Важно отметить, что растения не могут усваивать органический фосфор напрямую. Он становится доступным только после разложения микроорганизмами, которые превращают его в неорганические фосфаты.
Процесс минерализации органического фосфора - важный источник доступного фосфора для растений. Оптимальные условия для минерализации схожи с условиями, благоприятными для роста растений.
В отличие от азота, который после минерализации может сохраняться в почве в доступной форме, фосфор быстро связывается почвенными частицами, что ограничивает его доступность для растений.
Скорость минерализации органического фосфора зависит от его состава и количества в почве.## Доступность фосфора для растений
Несмотря на то, что фосфор высвобождается в почве, растения способны усвоить лишь небольшую его часть (20–25%). Исследования показали, что органические соединения фосфора в почве по доступности для растений схожи с органическими удобрениями и превосходят минеральные фосфаты.
Однако в условиях отсутствия микроорганизмов растения практически не усваивают органические соединения фосфора. Эксперименты подтверждают, что эти соединения не играют значительной роли в питании растений фосфором. Это связано не только с их низкой доступностью, но и с крайне низким содержанием в почвенном растворе.
### Доступность минеральных фосфатов почвы для растений
Важной задачей агрохимии является определение связи между содержанием фосфора в почве и его доступностью для культурных растений. Из-за низкой растворимости фосфатов, их валовое содержание не отражает реальную обеспеченность растений этим элементом. Для решения этой проблемы разработаны специальные растворы (кислые, нейтральные и щелочные), имитирующие действие корневой системы.
Методы определения доступности фосфатов основаны на обработке почвы этими растворами с последующим измерением количества извлеченного фосфора. Сравнивая полученные данные с урожайностью и выносом фосфора, можно оценить эффективность метода.
Разные растворы экстрагируют разное количество фосфатов. Не существует универсального экстрагента, который бы учитывал все факторы, влияющие на доступность фосфора для разных растений и типов почв. Кроме того, методы определения фосфора должны быть технологичными, позволяя определять несколько питательных элементов одновременно.
Для приблизительной оценки фосфатного состояния почвы используют показатели «фактора интенсивности» и «фактора емкости». Первый характеризует концентрацию легкодоступного фосфора в почвенном растворе, а второй — общее содержание лабильных фосфатов в твердой фазе почвы.
Фосфаты в почве представлены разнообразными соединениями с разной растворимостью. Концентрация фосфора в почвенном растворе отражает участие фосфатов твердой фазы в поддержании равновесия. Однако попытки рассчитать эту концентрацию на основе констант растворимости фосфатов не дали точных результатов. Это связано с тем, что многие лабильные фосфаты почвы остаются неидентифицированными.
В качестве показателя фактора интенсивности чаще всего используют содержание фосфора в водной вытяжке или слабосолевых вытяжках (например, 0,01 М CaCl₂ или 0,015 М K₂SO₄).
Для определения подвижного фосфора используют более сильные растворы, состав которых зависит от типа почвы (например, 0,2 н. HCl для кислых почв, 0,5 н. CH₃COOH для черноземов). Эти растворы экстрагируют растворимые и часть слаборастворимых фосфатов, характеризуя запасы лабильного фосфора и уровень обеспеченности им растений.
К сожалению, при анализе почвы не всегда учитываются гранулометрический состав, кислотность и содержание гумуса, которые влияют на доступность фосфора. Например,...В почве фосфор содержится преимущественно в виде апатитов – нерастворимых соединений. Кислотность почвы играет ключевую роль в доступности фосфора для растений.
В кислой среде апатиты могут претерпевать изменения, взаимодействуя с ионами водорода (H+). В результате происходит разрушение кристаллической решетки апатитов и их постепенное преобразование в растворимые формы, такие как гидрофосфат (CaHPO
4) и дигидрофосфат (Са(Н
2PO
4)
2) кальция. Этот процесс сопровождается снижением кислотности почвы.
Химические реакции, описывающие превращение апатитов в кислой среде:
Ca
5(PO
4)
3OH + 4H
+ = 3CaHPO
4 + 2Са
2+ + H
2O
Ca
5(PO
4)
3OH + 7H
+ = 5Ca
2+ + H
2O + 3H
2PO
4–
Ca
10(PO
4)
6CO
3 + 12H
+ = 10Ca
2+ + CO
2 + 6H
2PO
4–
Однако повышенная кислотность почвы может негативно сказываться на доступности фосфора. Высокая концентрация подвижного алюминия в кислой среде приводит к образованию нерастворимых алюмофосфатов (AlPO
4), что делает фосфор недоступным для растений. Алюминий также может связываться с корнями растений, препятствуя усвоению фосфора.
При повышении pH до значений выше 5, алюминий выпадает в осадок в виде Al(OH)
3, снижая свое взаимодействие с фосфат-ионами. В нейтральных почвах преобладают соли кальция и магния фосфорной кислоты.
Оптимальная доступность фосфора для растений наблюдается при pH 6-7. В этих условиях растворимость соединений железа и алюминия минимальна, а низкая концентрация ионов кальция предотвращает образование нерастворимых фосфатов.
## Вымывание фосфора
Фосфат-ионы обладают низкой растворимостью, поэтому их вымывание из почвы обычно незначительно. Концентрация фосфат-ионов (H
2PO
4– и HPO
42–) в почвенном растворе редко превышает 0,5 мг/л. Однако, на песчаных почвах при избыточном внесении удобрений, вымывание фосфора может быть значительным, особенно в долгосрочной перспективе. Несмотря на то, что фосфор концентрируется в верхних слоях почвы, его миграция вниз по профилю возможна.
Внесение фосфорных удобрений резко повышает концентрацию фосфора в почвенном растворе вблизи гранул.Фосфатные руды играют ключевую роль в производстве фосфорных удобрений. Их значение обусловлено ограниченностью мировых запасов, что делает их стратегическим ресурсом. В отличие от практически неисчерпаемых запасов сырья для азотных и калийных удобрений, разведанные запасы фосфатных руд при нынешних темпах потребления будут исчерпаны в течение нескольких десятилетий.
## Виды фосфатных руд
Существует два основных вида фосфатных руд: апатитовые и фосфоритовые. Хотя с минералогической точки зрения это разделение условно (фосфаты в обоих типах руд относятся к группе апатита с общей формулой ЗСа3(РО4)2СаХ2, где X – F2, Cl2, (OH)2, СО3), они различаются по происхождению, структуре кристаллов, физическим и технологическим свойствам.
### Апатитовые руды
Апатитовые руды имеют магматическое происхождение. Фосфаты в них представлены преимущественно фторапатитом – Ca10(PO4)6F2, реже хлорапатитом Ca10(PO4)6Cl2 и гидроксилапатитом Ca10(PO4)6(OH)2 или их изоморфными разновидностями. Апатит в руде встречается в виде кристаллов зеленого и желто-зеленого цвета различной формы и размера.
Основные месторождения апатитов в России расположены на Кольском полуострове (возраст около 280 млн лет) и в Саянах. Крупнейшие из них - хибинские апатит-нефелиновые руды. Если в начале разработки хибинских месторождений добывалась руда с содержанием P2О5 23–34%, то в настоящее время среднее содержание P2О5 в руде составляет 12–16%. Ежегодный объем производства апатитового концентрата в Хибинах и на Ковдорском горнообогатительном комбинате составляет около 14–16 млн т. Большая часть концентрата перерабатывается на российских химических заводах в удобрения, а часть экспортируется. При этом около 90% произведенных в России фосфорных удобрений экспортируется, и лишь 10–11% поступает на внутренний рынок.
Перспективы роста добычи апатитовых руд в Хибинах ограничены, так как оставшиеся запасы находятся на большой глубине, что потребует перехода от открытого к более дорогостоящему шахтному способу добычи.
### Фосфоритовые руды
Фосфоритовые руды имеют осадочное происхождение. Главное отличие фосфоритовых руд от апатитовых заключается в том, что в молекуле фторапатита (Ca10(PO4)6F2) часть РО43– и F– замещена СО32– и ОН–. Поэтому фосфаты фосфоритов представлены изоморфными разновидностями фторкарбонатгидроксидатапатита (Ca10(PO4, СО3)6F, ОН), содержание фосфора в которых ниже, чем во фторапатите.
Мировые запасы фосфоритов и объемы их добычи (по P2О5) примерно в 10 раз превышают аналогичные показатели для апатитовых руд.
Наибольшие месторождения фосфоритов находятся в Аравийско-Африканской фосфоритоносной провинции (Марокко, Алжир, Тунис, Сирия, Ирак и др.) и в США (Флорида, Северная Каролина). Лидерами по добыче фосфатных руд являются США, Марокко, Китай, Россия, Тунис, Иордания.
## Применение фосфатных руд
Апатиты, как и большинство кристаллизованных фосфоритов, непригодны для использования в сельском хозяйстве без предварительной химической или термической переработки. Исключение составляют аморфные тонкоразмолотые фосфориты.## Фосфорные удобрения: от прогнозирования эффективности до механизмов действия
Профессор Б.А. Голубев разработал надежный метод прогнозирования эффективности фосфоритной муки, опираясь на показатель гидролитической кислотности почвы (Нг). Этот метод получил широкое распространение в агрохимии. Исследования показали, что при Нг ниже 2,5 мг-экв/100 г эффективность фосфоритной муки уступает суперфосфату. Однако, если Нг превышает 3 мг-экв/100 г, то её действенность становится сопоставимой с суперфосфатом. Следовательно, перед использованием фосфоритной муки важно определить гидролитическую кислотность почвы.
Эффективность фосфоритной муки в условиях кислых почв объясняется поглощением почвой ионов кальция (Ca2+) с одновременным выделением ионов водорода (H+). В результате нерастворимый кальцийфосфат превращается в слаборастворимый гидрофосфат кальция , а в сильнокислых почвах — в растворимый дигидрофосфат кальция:
| Реакция | Описание |
|-----------------------------------------------------------------|------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|
| ППК = 2Н+ + Ca3(PO4)2 + 2H2O → ППК = Ca2+ + 2CaHPO4 ·2H2O | Поглощение почвой Ca2+ в обмен на 2H+ с образованием гидрофосфата кальция |
| ППК = 4Н+ + Ca3(PO4)2 → ППК = 2Ca2+ + Ca(H2PO4)2 | Поглощение почвой Ca2+ в обмен на 4H+ с образованием дигидрофосфата кальция |
Фосфоритную муку вносят в значительных количествах (200–500 кг/га P2O5), чтобы повысить содержание подвижного фосфора в почве и обеспечить долговременный эффект.
### Суперфосфат: производство и особенности
Суперфосфат стал первым фосфорным удобрением, запущенным в промышленное производство. Идея его получения принадлежит Юстусу Либиху, который предложил обрабатывать костяную муку серной кислотой:
Ca3(PO4)2 + 2H2SO4 → Ca(H2PO4)2 + 2CaSO4·2H2O
Простой суперфосфат получают путем обработки апатитового (39,6% P2O5) или фосфоритового концентрата (33–35% P2O5) серной кислотой (H2SO4):
Ca10(PO4)6F2 + 7H2SO4 + 3H2O → 3Ca(H2PO4)2 + 7CaSO4·2H2O + 2HF
В результате реакции образуется дигидрофосфат кальция и гипс (CaSO4·2H2O). Содержание фосфора (P2O5) в простом суперфосфате составляет 14–20%, из которых 85–90% — водорастворимые.
_Состав простого суперфосфата:_
* Ca(H2PO4)2·H2O
* H3PO4
* CaHPO4·2H2O
* FePO4
* AlPO4
* CaSO4 (гипс)
* Кремниевая кислота
* Песок
* Глина
_Особенности производства:_
* Не всегда возможно достичь полного перемешивания серной кислоты с апатитом, в результате чего образуются гидрофосфат и фосфорная кислота.
* Свежеприготовленный суперфосфат выдерживают в штабелях от одного до трех месяцев для снижения содержания свободной фосфорной кислоты.
* Гранулированный суперфосфат (2–4 мм) обладает улучшенными физическими свойствами.
_Поведение в почве:_
* В кислых почвах, при взаимодействии с железом и алюминием, образует труднорастворимые фосфаты (AlPO4 и FePO4).
* В нейтральных и щелочных почвах...
