5.2.2 Круговорот фосфора

Резервуаром фосфора, в отличие от азота, служит не атмосфера, а горные породы и другие отложения, образовавшиеся в прошлые геологи­ческие эпохи. Минеральный фосфор входит в состав многих горных пород. Он попадает в гидросферу в ходе их гипергенеза, отлагается в виде осадков на мелководьях, частично осаждается в глубоководных илах.

У животных фосфор в виде органических соединений (с белками, в частности) входит в состав костей и других тканей. Он также играет роль в энергетических процессах запасания энергии клеток в виде аденозинтрифосфорной и аденозиндифосфорной кислот. В результате разложения мертвых организмов и минерализации орга­нических соединений фосфор в виде фосфатов (солей ортофосфорной кислоты) вновь используется растениями и тем самым снова вовлекается в круговорот.

Выведение фосфора из круговорота происходит вследствие его накопле­ния в донных осадках. Круговорот фосфора является примером простого осадочного цикла с недостаточной «забуференностью» и нарушенными меха­низмами саморегуляции вследствие антропогенного воздействия на окружаю­щую среду. Существует мнение, что механизмы возвращения фосфора в круговорот недостаточны и не возмещают потерь, связанных с техногенезом.

Деятельность человека по лову рыбы и птиц ведет к нарушению ба­ланса фосфора. По данным Дж. Хатчинсона, на сушу в результате рыбо­ловства возвращается всего около 60 000 т элементарного фосфора. Добы­вается на удобрения ежегодно 1 - 2 млн т фосфорсодержащих пород, причем большая часть из этого количества смывается водой и выводится из кругооборота. В настоящее время вызывает озабоченность увеличение концентра­ции фосфатов в водных экосистемах, что приводит к их интенсивному зарастанию, деградации экосистем и в конечном итоге к их гибели.

Фосфор широко используется в агротехнике в виде фосфорных (ми­неральных) удобрений с целью повышения плодородия почвы и урожай­ности сельскохозяйственных культур. Таким образом, минеральный фос­фор попадает в водные и наземные экосистемы - вследствие выноса растворенных фосфатов с сельскохозяйственными сточными водами и стока с полей, где применялись фосфорные удобрения, а также сброса город­ских и промышленных сточных вод.

По данным Дж. Хатчинсона, время оборота фосфора в воде малых озер (площадью 0,3 - 0,4 км² и глубиной 6 - 7 м) составляет 5,4 - 7,6 суток, а больших (площадью 2 км², глубиной около 4 м) - 17 суток. Вре­мя оборота в донных осадках намного больше и составляет соответствен­но примерно 40 и 176 суток. Разница в величине показателя, по-видимо­му, объясняется тем, что в малых озерах отношение поверхности донных осадков к объему воды больше. Таким образом, в больших, но не глубоко­водных водоемах фосфор депонируется, что сильно усложняет борьбу с их зарастанием.

5.3 Роль калия в питании растений

Калий в организме - один из важнейших биогенных элементов, постоянная составная часть растений и животных. Многие морские организмы извлекают калий из воды. Растения получают его из почвы. В отличие от натрия, калий сосредоточен главным образом в клетках, во внеклеточной среде его во много раз меньше. В клетке калий также распределён неравномерно.

Ионы калия поддерживают осмотическое давление и гидратацию коллоидов в клетках, активируют некоторые ферменты. Метаболизм калия. тесно связан с углеводным обменом, ионы К⁺ влияют на синтез белков. К⁺ в большинстве случаев нельзя заменить на Na⁺. Клетки избирательно концентрируют К⁺. Угнетение гликолиза, дыхания, фотосинтеза, нарушение проницаемости наружной клеточной мембраны приводят к выходу К⁺ из клеток, часто в обмен на Na⁺.

Ферменты фосфорфруктокиназа и пируваткиназа, участвующие в переносе богатых энергией фосфатных остатков, для проявления своей активности также требуют катион калия. Калий повышает активность амилазы, сахаразы и протеолитических ферментов. Недостаток его приводит к дезорганизации обмена веществ в растительном организме.

В растении калий, по-видимому, находится в ионной форме. Во всяком случае, не известны органические соединения, синтезируемые в организмах, составной частью которых являлся бы катион калия. Не менее 80% его находится в клеточном соке растений и извлекается водой. Меньшая часть калия адсорбирована коллоидами и около 1% поглощается необменно митохондриями в протоплазме. Содержится он главным образом в протоплазме и вакуолях. В ядре и пластидах калия нет.

В растениях калий также распределяется неравномерно: в вегетативных органах растения его больше, чем в корнях и семенах. Много калия в бобовых, свёкле, картофеле, листьях табака и кормовых злаковых травах (20-30 г/кг сухого вещества). При недостатке калия в почвах замедляется рост растений, повышается заболеваемость. Калий улучшает качество сельскохозяйственной продукции: повышается накопление сахаров в сахарной свекле и крахмала в клубнях картофеля. В последнем случае более эффективен серно-кислый калий. У льна и конопли увеличиваются выход и качество волокна, у зерновых культур повышается натурный вес зерна, увеличивается масса 1000 зерен. Значение калия и основные его функции в жизни растений показаны на рисунке 16.

При калийном голодании снижается устойчивость картофеля, овощей и сахарной свеклы к грибковым заболеваниям как в период роста, так и во время хранения в свежем виде. При недостатке калия у злаковых культур соломина становится менее прочной, хлеба полегают, а это приводит к снижению урожая, ухудшает выполненность зерна. Внесение калийных удобрений повышает содержание водо-растворимых форм калия в почве, подавляет развитие корневой гнили (Helminthosporium sativum) и снижает инфекционный потенциал почвы.

Различные сельскохозяйственные культуры потребляют неодинаковое количество калия. Сравнительно много его потребляют плодово-ягодные культуры, сахарная свекла, капуста, корнеплоды, картофель, клевер, люцерна, подсолнечник, гречиха, кукуруза и зернобобовые. Меньше калия требуется для формирования урожая зерновых культур. В отличие от азота и фосфора калия больше в вегетативных, чем в репродуктивных органах растений (семенах).

Рисунок 16 - Основные функции калия в жизни растений

Например, в соломе озимой пшеницы, ржи, ячменя калия почти в 2 раза больше, а в стеблях кукурузы почти в 5 раз больше, чем в зерне. У некоторых зернобобовых культур калия в зерне много, но если учесть валовые урожаи зерна и соломы, то, как правило, больше его выносится с соломой, чем с зерном. В нетоварной части урожая калия больше, чем в товарном зерне, за исключением зернобобовых культур – таблица 5

При правильном и полном использовании органических отходов калий возвращается в почву в больших количествах, чем азот и фосфор. Однако для создания оптимального калийного питания растений при высоком уровне азотного и фосфорного, как правило, необходимо вносить в почву промышленные калийные удобрения. Калий почвы является основным источником его для питания растений. Валовое содержание его в почве часто намного превышает содержание азота и фосфора. Это в значительной мере определяется характером материнской породы.

Таблица 5 - Среднее содержание калия в урожае важнейших сельскохозяйственных культур, % к общей массе

Культура	Зерно	Солома	Культура	Зерно	Солома
Озимая пшеница	0,50	0,90	Соя	1,26	0,50
Озимая рожь	0,60	1,00	Вика	0,80	0,63
Кукуруза	0,37	1,64	Кормовые бобы	1,29	1,94
Ячмень	0,55	1,00	Синий люпин	1,14	1,77
Овес	0,50	1,60	Лен (семена)	1,00	0,97
Просо	0,50	1,59	Люцерна (сено)	–	1,50
Гречиха	0,27	2,42	Клевер (сено)	–	1,50
Горох	1,25	0,50

В биосфере микроэлементы Rb и Cs сопутствуют калию, и способны к его замещению, при недостаточных концентрациях последнего. Ионы Li⁺ и Na⁺ - антагонисты К⁺, поэтому важны не только абсолютные концентрации К⁺ и Na⁺, но и оптимальные соотношения K⁺/Na⁺ в клетках и среде. Естественная радиоактивность организмов (гамма-излучение) почти на 90% обусловлена присутствием в тканях естественного радиоизотопа ⁴⁰K.

Калий, наряду с азотом и фосфором – один из важнейших элементов минерального питания, нормируемых в агрономии. Норма калийных удобрений зависит от типа сельскохозяйственной. культуры и почвы.