4.3. Сполуки фосфору в ґрунті
4.3.1. Кругообіг фосфору
Кругообіг фосфору відбувається у наземних екосистемах як важлива й необхідна складова цитоплазми: біоредуценти мінералізують органічні сполуки фосфору з відмерлих організмів у фосфати, що знову споживають корені рослин (див. рис. 4.2).
Загальна кількість фосфору у верхньому шарі ґрунту в середньому становить близько 1000 кг /га. Головне джерело його надходження – ґрунтоутворювальні породи, певна незначна частина надходить з атмосферними осадами. Щорічно з урожаєм сільськогосподарських
Рис. 4.2. Спрощена схема кругообігу фосфору
рослин з ґрунту виноситься від 10 до 40 кг/га фосфору. Тому значні кількості його сполук вносяться в ґрунт з органічними і мінеральними добривами. Сполуки фосфору в ґрунті містяться в ґрунтовому розчині і перебувають в адсорбованому стані на поверхні неорганічних компонентів ґрунту, наявних у твердій фазі ґрунтів у вигляді аморфних та кристалічних мінералів і входять до складу органічних сполук ґрунту. Залежно від виду ґрунтів вміст фосфору в органічних сполуках коливається від 10–20% (дерново-підзолисті ґрунти) до 70–80% (чорноземні ґрунти) від його загального вмісту в ґрунтовому шарі.
Головна кількість (до 60%) органічних сполук фосфору в багатьох ґрунтах перебуває у вигляді інозитолфосфатів, які є ефірами ортофосфорної кислоти і насиченого шестиатомного циклічного спирту – циклогексанолу, або інозиту. У результаті приєднання до інозиту шістьох молекул ортофосфорної кислоти утворюється 12-основна інозит-гексафосфорна кислота. У разі неповного фосфорилування виникають пента-, тетра-, три-, ді- і моноінозитолфосфати.
У складі гумінових і фульвокислот може бути від 2–3 до 50–80% усього фосфору, що міститься в органічній частині ґрунтів.
Його концентрація в гумінових кислотах коливається від 0,03 – 0,05 до 0,3–0,5%. Частина цього фосфору представлена також інозитолфосфатами.
Близько 1% фосфору органічної частини ґрунтів зосереджено в ліпідах, 2–3% – в нуклеїнових кислотах. Крім цих сполук, у ґрунті ідентифіковані фосфопротеїни, цукрофосфати і фосфорильовані карбонові кислоти.
Фосфати беруть участь і в утворенні органомінеральних сполук у ґрунті, у цьому разі ортофосфати, наприклад, можуть бути пов’язані з органічними сполуками через катіонні містки заліза, алюмінію або кальцію.
Мінеральна частина твердої фази ґрунтів представлена в основному ортофосфатами, переважно мінералами апатитової групи. Окрім них поширені мінерали групи плюмбогуміту РbА13Н(OH)6(РО4)2, на частку яких у певних видів ґрунтів припадає до 50% від усієї маси мінерального фосфору, вавеліту А1(РО4)4(OH)6 ∙ 5Н2О і вівіаніту Fe3(PO4)2 ∙ 8Н2О.
Усі ортофосфати, що зустрічаються в ґрунті, відносять до важкорозчинних сполук (табл. 4.7).
Трансформація сполук фосфору у ґрунті зв’язана з перебігом процесів мінералізації органічних фосфоровмісних речовин, а також процесів імобілізування, фіксації та мобілізування його неорганічних сполук.
Таблиця 4.7
Головні представники ортофосфатів кальцію у ґрунтах
Речовина |
Формула |
pK = −lgK |
Гідрофосфат кальцію |
СаНРО4 |
6,66 |
Фосфат кальцію |
3-Са3(РО4)2 |
33,21 |
Ортофосфат кальцію |
Са3(РО4)2 ∙3Н2О |
146,9 |
Гідроксилапатит |
Са(РО4)6(OН)2 |
113,7 |
Фторапатит |
Ca10(PO4)6F2 |
18,4 |
Мінералізація – процес перетворення органічних сполук фосфору в мінеральні. Цей процес відбувається у ґрунті у результаті діяльності мікроорганізмів. При цьому під впливом ферментів, наприклад фіаз, вивільнюються з органічних речовин залишки ортофосфорної кислоти. Подальші їх перетворення визначаються властивостями ґрунтового розчину і складом твердої фази ґрунтів.
Іммобілізація – це перетворення неорганічних сполук фосфору в органічні форми в процесі розвитку живих організмів. При цьому фосфор переходить, наприклад, у молекули фосфоліпідів або нуклеїнових кислот мікробних клітин й у формі органічних фосфоровмісних сполук стає недоступним для інших організмів.
Фіксація фосфору – перехід розчинних фосфорних сполук у менш розчинний стан за рахунок утворення міцних зв’язків з мінеральними компонентами ґрунту. Фіксація відбувається в результаті утворення важкорозчинних мінералів і в процесі хемосорбції фосфат-іонів із ґрунтового розчину. Хемосорбція здійснюється внаслідок скріплення фосфат-іонів з катіонами Al3+, Fe3+ або Са2+, які перебувають на поверхні мінералів. У разі взаємодії фосфат-іонів з катіонами заліза, алюмінію або кальцію, наявних у розчині, можливе утворення й випадіння малорозчинних сполук.
Мобілізація – збільшення рухливості сполук фосфору, пов’я-зане з перетворенням важкорозчинних сполук у більш розчинні, або перехід їх у ґрунтовий розчин. Для більшості ґрунтів головний шлях мобілізації пов’язаний з переходом сполук кальцію із трикальційфосфату в гідрофосфат або дигідрофосфат кальцію:
Са3(РО4)2 → СаНРО4 → Са(Н2РО4)2 .
Ці перетворення відбуваються за наявності вільних кислот, які утворюються, зокрема, при трансформації компонентів ґрунтів. Для оцінювання можливого переходу фосфатів із твердої фази ґрунтів у ґрунтовий розчин на практиці часто використовують величину фосфатного потенціалу ґрунтів (ФП). Фосфатний потенціал ґрунтів характеризує ступінь рівноважності ґрунтового розчину відносно дигідрофосфату кальцію. Порівнюючи величину фосфатного потенціалу з від’ємним логарифмом кореня квадратного добутку розчинності дигідрофосфату кальцію, можна зробити висновок про вірогідну поведінку сполук фосфору.
Так, якщо для ґрунтів справедлива нерівність:
0,5р(Са2+)+
р(Н2РО4−) >
,
то концентрація фосфат-іонів у розчині контролюється сполуками, більш важкорозчинними, ніж Ca2(H2PO4)2.
Якщо спостерігається рівність:
0,5р(Са2+)+ р(Н2РО4−) = ,
то розчиняється переважно монокальційфосфат. Чим вищий фос-фатний потенціал, тим важчим є перехід фосфору у ґрунтовий розчин, тим менш сприятливі умови створюються для живлення рослин фосфором.
Величезні запаси фосфору, що нагромадилися за минулі геологічні епохи, містять гірські породи; у процесі руйнування ці породи віддають фосфати наземним екосистемам; однак значні кількості фосфатів виявляються включеними в кругообіг води, коли відбувається їх вилуговування водою і винесення у моря й океани. Тут вони збагачують солоні води, живлять фітопланктони і пов’язані з ними харчові ланцюги. Потім разом з відмерлими залишками фосфати занурюються в океанічні глибини, частина втрачається у глибинних відкладеннях, частина повертається на землю за допомогою морських птахів. Тут мається на увазі гуано, величезні поклади якого на узбережжі Перу вказують на те, що колись морські птахи відігравали більшу роль у його нагромадженні, ніж тепер. Повернення фосфору можливе ще й завдяки рибальству. Рибу в усьому світі використовують як добриво (рибне борошно), у тому числі під посів рису.
Вважають, що кожного року у такий спосіб повертається в кругообіг 60 тис. тонн фосфору, що далеко не компенсує витрату тих 2 млн тонн фосфатів, які щорічно добуваються з покладів і швидко вилуговуються при використанні як добрива.
Рано чи пізно це стає тривожним і небезпечним. Фосфор – це слабка ланка в життєвому ланцюзі, що забезпечує існування людини.