Взаимодействие npk с почвой

Превращения калия в почве.

Калийные удобрения, представляющие собой хлориды или сульфаты калия (с тем или иным количеством балластных примесей в виде NaCl, MgCl2, MgS04 и др.), хорошо растворимы в воде. В почве калий удобрений быстро исчезает из почвенного раствора, переходя в поглощенное состояние. Благодаря этому внесенный калий слабо передвигается в почве, в основном оставаясь в слое внесения. Положительной стороной поглощения является отсутствие вымывания калия осадками. Исключение составляют лишь легкие песчаные почвы, из которых калий может быть вымыт. Следует, однако, отметить, что отсутствие вымывания калия из почвы связано не только с его поглощением почвенными коллоидами, но и с наличием и характером растительности. На делянках бессменного пара в многолетнем опыте Сельскохозяйственной академии им. Тимирязева наблюдалась значительная миграция К из пахотного слоя дерново-подзолистой почвы (15—23 кг/га К в год); миграция калия сопутствовала здесь обеднению почвы гумусом и Са. Под бессменной рожью также наблюдалось некоторое передвижение К вниз по профилю (7—14 кг/га К в год); в поле картофеля передвижения К не обнаружено, что, очевидно, связано со значительным потреблением К растениями (Петербургский и Янишевский, 1963). Кроме перехода в обменное состояние, калий удобрений в некоторой части может в почве подвергнуться фиксации (необменному поглощению). Высушивание почвы, а особенно попеременное высушивание и увлажнение усиливают поглощение калия в необменной форме. В связи с этим калийные удобрения следует заделывать сразу на некоторую глубину, не оставляя их в верхнем, часто пересыхающем слое почвы. Благодаря закреплению в почве большей части калия удобрений в доступной для растений форме он очень полно используется растениями: на 60—70% в первый же год после внесения; последействие калия может сказаться на второй и третьей культурах. Потребность в калийных удобрениях значительно возрастает с расширением посевов пропашных культур — технических, кормовых, овощных.Содержание обменного калия, являющегося наиболее подвижной и основной формой, составляет в подзолистых почвах меньше 1% от валового, а в черноземных почвах и сероземах — от 1 до 3%. Следовательно, около 99—97% от валового калия почвы составляют так называемые необменные формы калия.Для иллюстрации приводится валовое содержание калия в пахотном слое различных почв (И. Г. Важенин, 1965).Исследованиями установлено, что по мере использования обменного калия в раствор может переходить труднообменный калий, а также калий кристаллической решетки минералов. На основании современных представлений можно утверждать, что между формами калия существует подвижное равновесие. Однако темпы перехода калия в раствор из необменных форм весьма часто не могут обеспечить потребность растений в элементе питания.

Превращения азота в почве.

Образующиеся аммонийные соли могут быть использованы растениями или микробами или включаются в процесс гумификации, и тогда азот их снова оказывается связанным в органических соединениях. Кроме того, аммоний является исходным материалом для нитрификации, т. е. образования нитратов — солей азотной кислоты. Процесс нитрификации осуществляется в две стадии. Первая из них: 2NH₃ + 30₂  2HN0₂ + 2Н₂0 производится бактерией Nitrosomonas и приводит к образованию азотистой кислоты. Вторая стадия: 2HN0₂+0₂2HN0₃ проходит при участии бактерии Nitrobacter и дает азотную кислоту. Соли азотистой кислоты в почве обычно не накопляются и быстро переходят в азотную кислоту, которая нейтрализуется за счет оснований почвы, образуя нитраты. Нитраты (и нитриты) в свою очередь являются питательным материалом и для растений, и для микробов. Следует отметить, что нитраты являются той формой азотных соединений, которая легко может быть потеряна почвой. Потери азота могут происходить двумя путями. Так как нитраты хорошо растворимы в воде и практически не поглощаются, не удерживаются почвой, то они могут быть вымыты осадками в нижние горизонты .

Потери нитратного азота имеют место также в условиях недостаточной аэрации, когда происходит процесс денитрификации: используя кислород нитратов, бактерии-денитрификаторы освобождают молекулярный азот, который уже не является питательным материалом для растений и большинства микроорганизмов. Подзолистые и дерново-подзолистые почвы в отличие от черноземов характеризуются значительно более низким содержанием гумуса. Целинные подзолистые и дерново-подзолистые почвы покрыты лесами хвойными, лиственными или смешанными. Своеобразие азотного режима в лесах определяется тем, что основные лесные породы являются микотрофами и снабжаются за счет органического азота почвы, благодаря жизнедеятельности гриба, образующего микоризу. Сосна, ель, лиственница, а также дуб являются высокомикотрофными растениями и в любых почвенных условиях имеют на корнях эктоэндотрофную микоризу. Береза, осина, ольха, клен, липа, вяз и пр. относятся к числу слабомикотрофных пород, которые иногда имеют микоризу, но могут расти и без нее (Лобанов, 1953). Таким образом, древесные породы в своем азотном питании мало зависят от деятельности бактерий — минерализаторов органических соединений азота. В целинных подзолистых и дерново-подзолистых почвах условия таковы, что аммонификация в них выражена хорошо, а нитрификация резко подавлена и часто совсем отсутствует: это связано с кислой реакцией почв, недостаточной их аэрацией, высокой концентрацией воднорастворимых органических соединений и наличием битумов и некоторых других веществ, токсически действующих на возбудителей нитрификации. Конечно, все эти условия широко варьируют в ряду от подзола с рН солевой вытяжки ниже 4 до дерново-слабоподзолистой почвы со слабокислой реакцией (рН ~ 6). После сведения леса и распашки процесс нитрификации постепенно нарастает, происходит накопление нитратов, хотя далеко не такое значительное, как на богатых азотом черноземах. Наряду с нитратами в кислых подзолистых и дерново-подзолистых почвах присутствует обычно аммоний. Однако, как отмечалось выше, доступность аммония растениям в условиях кислой реакции сильно снижена. В паровых полях на дерново-подзолистых почвах происходит заметное накопление нитратов. Количество их значительно колеблется в зависимости от механического состава, степени оподзоленности, а также от окультуренности почвы. Динамика нитратов под различными культурами обнаруживает такие закономерности: под яровыми культурами сплошного посева нитратов очень мало, под пропашными несколько больше, под травами они совсем исчезают.

Малое количество нитратов на всех полях приводит к необеспеченности растений азотом, что характерно для всех подзолистых и дерново-подзолистых почв. Исключение составляют лишь высокоокультуренные разности, по азотному режиму приближающиеся к черноземам. Улучшение азотного режима этих почв достигается:

1) мероприятиями, направленными на обогащение почв органическим веществом и азотом (внесение органических удобрений (навоза, торфа, компостов), культура бобовых на сено и зерно, запашка зеленой массы бобовых В качестве сидерального удобрения);

2) известкованием, ведущим к нейтрализации почвенной кислотности, в результате чего повышаются урожаи бобовых и улучшаются условия для жизнедеятельности микроорганизмов — нитрификаторов и азотфиксаторов (табл. 136). В известкованных почвах постепенно создается обстановка, в которой возможно активное существование Azotobacter'a, значительно усиливается деятельность клубеньковых бактерий;

3) внесением минеральных азотных удобрений.

Следует отметить, что на кислых подзолистых почвах большое значение имеет форма азотных удобрений. Известно, что такие нитраты, как NaN03, отличаются физиологической щелочностью, т. е. в результате их использования растениями реакция среды смещается в щелочную сторону. Аммиачные соли, такие, как (NH4)2S04, напротив, являются физиологически кислыми; при питании ими растений среда подкисляется. К физиологически кислым солям относится и NH4N03 —одно из самых распространенных в настоящее время азотных удобрений. Длительное применение аммиачных солей вызывает подкисление подзолистых почв тем более резкое, чем ниже буферная способность этих почв. Подкисление снижает урожай. Исправить положение может известкование.

Превращения фосфора в почве.

Как уже отмечалось, применение фосфорных удобрений — распространенный прием на всех почвах и для всех культур. Однако эффективность его колеблется в широких пределах и зависит от количества доступного фосфора в почве — с одной стороны, и от дозы и способа внесения фосфорных удобрений,— с другой. Отсутствие действия фосфорных удобрений может зависеть и от других обстоятельств: недостатка других питательных элементов (N, К, микроэлементов), неблагоприятного режима влажности и температуры и т. д. В дальнейшем изложении мы исходим из предположения, что все эти факторы присутствуют в таких количествах, что не мешают действию фосфатов. Фосфорные удобрения отличаются по своей растворимости: суперфосфат содержит фосфор в основной части в виде воднорастворимого монокальциевого фосфата — Са (Н2Р04)2; фосфоритная мука — СаХ2 ЗСа3(Р04)2 не растворима в воде и мало растворима в слабых кислотах; остальные фосфорные удобрения (как преципитат, томасшлак) по своей растворимости занимают промежуточные места между суперфосфатом и фосфоритной мукой. При внесении суперфосфата в почву разбросным способом и заделке его на ту или иную глубину монофосфат кальция удобрения растворяется в почвенном растворе и быстро вступает во взаимодействие с твердыми фазами почвы. Происходит поглощение фосфат-ионов на поверхности почвенных коллоидов, образование нерастворимых фосфатов двух- и трехвалентных катионов. Частично фосфор поглощается и биологически. Большое значение при этом имеют реакции обмена почвенных поглощенных катионов и анионов на Са²⁺ и Н₂РО₄^-— суперфосфата. В результате равновесие между фосфат-ионами жидкой и твердой фаз, нарушенное при внесении суперфосфата, восстанавливается и повышение концентрации Р205 в почвенном растворе оказывается совершенно незначительным. Однако повышенная доступность фосфора растениям на то или иное время сохраняется. Различия в свойствах почвы сказываются при взаимодействии с суперфосфатом как в характере вновь образованных соединений фосфора, так и в темпах их образования. В кислой подзолистой почве (рН водной вытяжки 5,7) весьма небольшое количество фосфора суперфосфата превратилось в углекислорастворимую форму. Здесь, по-видимому, образуются фосфаты II и III групп.С ретроградацией суперфосфата связывается в низкий для большинства почв коэффициент его использования. Коэффициентом использования суперфосфата называется количество его фосфора, поглощенное растениями, выраженное в процентах от всего количества фосфора, внесенного с суперфосфатом. До недавнего времени эта величина определялась по методу «разности» путем сравнения количества фосфора в урожае растений на неудобренных делянках и делянках, удобренных суперфосфатом. Так, если урожай пшеницы (зерна и соломы) на неудобренном участке содержал 12 кг Р₂О₅ на 1 га, a на участке, удобренном суперфосфатом в количестве 50 кг Р₂О₅ на 1 га, 18 кг Р₂О₅, то коэффициент использования суперфосфата равнялся: Такие определения коэффициента использования давали низкие величины, равные 10—20%, что объяснялось переходом Р₂О₅в недоступные растениям формы. Однако в последние годы представления о низком коэффициенте использования суперфосфата и слабом его последействии подверглись некоторому пересмотру. Дело в том, что разностный метод основан на предположении, что растения в одинаковой мере используют почвенные соединения фосфора как на неудобренной почве, так и на почве, удобренной суперфосфатом. Опыты, проведенные с суперфосфатом, меченным изотопом Р³², показали, что это не так: в присутствии легко подвижного Р суперфосфата растения используют в первую очередь Р удобрения, и Р почвы поглощается в меньшей мере, чем на неудобренном участке; фактически коэффициент использования суперфосфата во многих случаях выше, чем предполагалось на основании разностного метода. Кроме того, при оценке коэффициента использования суперфосфата должно учитываться и его последействие: фосфор, неиспользованный растениями в первый год после внесения удобрения, может быть в известной части использован в последующие годы. При систематическом внесении суперфосфата происходит постепенное обогащение почвы доступными растениям формами фосфора: увеличивается степень насыщенности почвы обменно способными формами фосфора, увеличивается общий запас усвояемых фосфатов Са, Mg и А1; при этом постепенно повышается коэффициент использования вновь вносимого суперфосфата. Почва достигает в конце концов такого уровня по содержанию Р, при котором дальнейшее внесение фосфорных удобрений уже не повышает урожая. На бедных фосфором почвах эффективное использование суперфосфата может быть достигнуто не только за счет постепенного обогащения фосфором всей почвы, но и за счет изменения способа его внесения: вместо разбросного внесения, при котором удобрение перемешивается с большой массой почвы, применяется местное внесение (в рядки, в лунки). Применение гранулированного суперфосфата также представляет собой случай местного внесения, повышающего эффективность суперфосфата. В почве вокруг гранул суперфосфата образуются очаги повышенной концентрации Р в легко доступной растениям форме. Образование этих очагов объясняется следующим образом: при помещении гранулы суперфосфата во влажную почву воднорастворимый Са(Н2Р04)2 начинает диффундировать из гранулы. При этом прежде всего происходит фиксация фосфат-ионов в ближайшем к грануле слое почвы. Последующие порции монофосфата, продвигающиеся от гранулы, попадают в почву, у которой адсорбционные связи (в широком смысле) уже насыщены, и поэтому остаются в водно- растворимом состоянии. Благодаря своей растворимости они сохраняют способность продвигаться дальше. В результате вокруг гранулы образуется очаг, содержащий фосфор в связанных, но достаточно доступных растениям формах.Условия доступности растениям фосфора фосфоритной муки в почвах совсем иные: если для того чтобы сохранить доступность растениям фосфора суперфосфата его предохраняют от излишнего контакта с почвой (гранулирование), то использование растениями труднорастворимых фосфатов фосфоритной муки делается возможным лишь в результате взаимодействия с почвами, за счет их потенциальной кислотности. Высокая тонина помола фосфоритной муки является поэтому положительным фактором. Особенно активно разлагают фосфоритную муку с образованием доступных растениям фосфатов почвы, обладающие обменной кислотностью. Мы видели выше, что обменная кислотность определяется наличием в поглощенном состоянии ионов Н или А1, способных к обмену с катионами нейтральных солей. Взаимодействие фосфоритной муки с почвой, содержащей обменный Н-ион, отличается от взаимодействия с почвой, содержащей обменный Аl. Это видно из следующих схем, которые приводит Д. Л. Аскинази (1949):

6Н(почва)--ЗСа3(РО4)2-- ЗСа (почва) - 6CaHPО4

(3 частицы Са3(РО4)2переходят в более доступную растениям форму);

2А1(почва) -- Са3(РО4)2--6Са(почва)~2А1РО4

(1 частица Са3(РО4)2 переходит в более доступную форму—свежеосажденный А1РО4). Эти схемы показывают, что в реакции с обменным Н освобождается больше фосфора и в более доступной растениям форме, чем в реакции с обменным А1. В кислых подзолистых и дерново-подзолистых почвах фосфор в большой части связан с полуторными окислами как в виде адсорбционных соединений, так и в виде фосфатов Fe и А1; отсюда малая подвижность Р в интервале рН 4,0—5,5, обычном для этих почв. Определение подвижного фосфора, по Кирсанову дает, как правило,низкие величины, указывающие на необходимость внесения фосфорных удобрений.

Окультуривающие воздействия на почву (в основном унавоживание), повышая рН, увеличивая степень насыщенности почвы катионами и общее содержание гумуса и азота, улучшают и фосфорный режим почв. Францессон (1934) приводит следующие данные содержания подвижного фосфора в почвах различной степени окультуренности .

Помимо унавоживания, существенное значение для улучшения фосфатного режима подзолистых почв имеет известкование. В отличие от навоза, при внесении которого почва обогащается за счет содержащегося в нем Р, известь не изменяет общего запаса фосфора в почве, но значительно повышает его подвижность и усвояемость для растений.

В почвах с реакцией, близкой к нейтральной, содержащих карбонат кальция, внесенная в почву растворимая соль фосфорной кислоты, как Са(Н2РО4)2 (суперфосфат) осаждается в результате реакций, которые схематически могут быть представлены в следующем виде:

Образование более основных фосфатов кальция при реакции, близкой к нейтральной, возможно и в отсутствие карбонатов кальция, за счет реакции обмена с катионом кальция из диффузного слоя почвенных коллоидов:

В почвах с кислой реакцией превращение фосфатов может быть связано с образованием малорастворимых соединений фосфора за счет реакций с ионами железа, алюминия и марганца, активными в кислой среде; приводим упрощенные схемы таких реакций (Аскинази, 1949):

В физико-химическом поглощении почвой фосфатов принимают участие как аморфные почвенные коллоиды (их базоидная часть — полуторные окислы), так и окристаллизованные образования гидратов окиси железа и алюминия, а также и глинные минералы. Механизм обменной адсорбции фосфат-ионов на поверхности положительно заряженных коллоидов заключается в том, что фосфат- ионы обмениваются на ионы компенсирующего слоя и сами могут быть в той или иной мере заменены активными анионами, такими, как арсенат, цитрат, тартрат, силикат-ионы, ОН^-.Подкисление реакции, повышая активность базоидов, усиливает поглощение ими фосфатов, поэтому в кислых почвах (красноземах, подзолистых) оно идет интенсивнее. Поскольку рыхлые аморфные гидраты полуторных окислов имеют большую поверхность, чем их кристаллические разности, они отличаются значительно большей способностью к адсорбции фосфатов по сравнению с минералами полуторных гидроокислов, как гётит, гематит, гиббсит и др. Помимо указанной схемы обменной адсорбции фосфатов, характерной для положительных коллоидов, количество которых в большинстве почв невелико, поглощение фосфатов, очевидно, происходит и иными путями. Молекулы фосфорнокислой соли могут быть поглощены безобменно: при этом фосфат-ион адсорбируется в потенциал-определяющем слое отрицательных коллоидов, притягиваясь к А1 кристаллической решетки, а связанный с ним катион становится в диффузный слой; естественно, что при этом повышается плотность заряда на поверхности частицы.