Ugrás a tartalomhoz

Talajtan

Stefanovits Pál, Filep György, Füleky György

Mezőgazda Kiadó

Foszfor a talajban

Foszfor a talajban

A foszforkörforgalom

A foszforkörforgalom sok vonatkozásban hasonlít a nitrogén-körforgalomhoz. Lényeges különbség a kettő között, hogy a mikrobiális szervetlen foszfátasszimiláció valamint a szerves foszfátok mikroorganizmusok által történő bontása során nem következik be oxidációsszám-változás. A nitrogénhez hasonlóan foszforból is jelentős mennyiséget tartalmaz a mikróbák szervezete, és a talaj szerves anyagában is a foszfor a második legnagyobb mennyiségben jelen lévő tápelem.

Hangsúlyozni kell a mikroorganizmusok foszforkörforgalomban betöltött szerepét, mivel segítségükkel valósul meg az immobilizáció-mineralizáció folyamatpár, amelynek során a mikroszervezetek oldható foszfátvegyületeket visznek szerves kötésbe, illetve a szerves kötésből ismét oldhatóakká alakítják azokat (9.5. ábra).

9.5. ábra - A foszfor körforgalma a talajban

kepek/9-5-abra.png


A talajfoszfor eredete

A foszfor a talajokban általában 500–800 mg/kg mennyiségben fordul elő. Egy 500 mg P/kg tartalmú talaj a szántott rétegére átszámítva 1120 kg P/ha-t tartalmaz.

Azon talajok, amelyek savanyú vulkáni kőzetekből képződtek, kevés, a bázikus kőzetekből képződöttek közepes vagy nagy mennyiségű foszfort tartalmaznak. A száraz éghajlaton lévő, kevéssé mállott meszes talajok foszfortartalma gyakran nagy, mivel sok bennük az apatit, és nincs kimosódás.

A mállás és a kilúgozás fokozatosan eltávolítja a kalciumot a humid régiók talajaiból, és ez a foszforvegyületek összetételében, illetve koncentrációjában változást okoz. A kezdeti változások javítják a P felvehetőségét, mert az arid régiókhoz hasonlóan szervesfoszfor- és adszorbeált foszfátionok keletkeznek. Később (9.6. ábra) a foszfor nagy része vassal és alumíniummal reagálva, majd a vasoxidokba bezáródva ismét kevésbé felvehetővé válik.

9.6. ábra - A foszforvegyületek alakulása a talajképződés során humid viszonyok között

kepek/9-6-abra.png


A talajokban az átlagos 0,05%-os érték megfelel a Föld szilárd kérgében található foszforkoncentrációnak.

A feltalaj foszfortartalma nagyobb, mint az altalajé. Nem művelt területeken ez a dúsulás a növényi maradványok felhalmozódása következtében lép fel. Ez a folyamat meglehetősen lassú. A művelt talajokban a műtrágyázás is elősegíti a foszfor feldúsulását a szántott rétegben.

A foszfor szervetlen és szerves kötésben fordul elő. A szerves kötésben lévő foszfor az ásványi talajok szántott rétegében lévő foszfor 25–65%-át teszi ki.

A kevéssé mállott talajokban a szervetlen foszfor apatitban és kis mennyiségben szilikátokban fordul elő. Másik része apatitból mállás útján átalakult másodlagos ásványokban és a műtrágyafoszfor átalakulása következtében keletkezett vegyületekben található. Ezek az átalakulásból keletkezett foszforvegyületek igen finom eloszlásúak, így az agyagfrakcióhoz kapcsolódnak, ezért az agyagfrakció foszfortartalma általában nagyobb, mint a durvább szemcseméretű frakcióké.

A szervetlen foszforvegyületek

Szinte mindegyike nehezen oldható orto-foszfát. A kalcium-foszfátokhoz tartozik a hidroxilapatit [Ca5(PO4)3(OH)] és a fluorapatit [Ca5(PO4)3 F]. Ezek általában izomorf keverékben fordulnak elő, mert az OH– és a F– hasonló ionátmérőjű, és helyettesíteni tudják egymást. Az apatit csak bázikus talajokban stabil, pH=7 alatt elbomlik (9.8. ábra).

A műtrágyafoszfátok általában kalciumhidrogén-foszfáttá (CaHPO4), illetve apatittá alakulnak.

Erősen savanyú talajokban amorf Al-foszfátok mellett variszcit AlPO4 ∙ 2H2O és könnyebben oldható sztrengit (FePO4 ∙ 2H2O) – mint stabil foszforvegyületek – is előfordulhatnak.

Anaerob körülmények között talajvíz hatása alatt álló talajok redukciós szintjében vivianit (Fe3(PO4)2 ∙ 8H2O található.

Szerves foszforvegyületek

A szerves foszforvegyületek legnagyobb részét (50%) az inozit-hexafoszforsav sói, a fitátok teszi ki. A fitátionok az ortofoszfátionokhoz hasonlóan viselkednek adszorpciókor és kicsapódási reakciókban. Ezért főleg adszorbeált alakban vannak jelen, s nehezebben mineralizálhatók, mint a többi vegyület. A nukleinsavakban kötött foszfor a talajokban csak 5–10%-ot tesz ki. A többi szerves foszforvegyület, a foszfolipidek, a cukorfoszfátok és a foszforproteinek kevesebb, mint 1–2%-ot érnek el.

Jelentős mennyiségű foszfor kötődik azokhoz az Al- és Fe-ionokhoz, amelyek a humin- és fulvosavakkal alkotnak komplexet. A talajoldatban lévő foszfor egy része is szerves kötésben lehet. Ezt a növények közvetlenül nem tudják felvenni, csak a fitáz enzim bontása után.

Az adszorbeált alakban kötött foszfor

Mennyisége a pH-érték csökkenésével nő, és savanyú talajokban a növények számára a legfontosabb foszforforrásként szolgál.

A foszfátionokat képesek adszorbeálni a Fe és az Al hidroxidjai, illetve oxidjai, az agyagásványok (főleg az allofán) és a szerves anyagok, ha komplex kötésben vasat vagy alumíniumot tartalmaznak.

Ebből adódik, hogy a P-adszorpció főleg nagy vasoxid-tartalmú talajokban jelentős. Humid klímában, a talajok savanyodásával párhuzamosan nő a P-adszorpcióra való hajlam is.

A P-adszorpció az oxidásványok és a szilikátos agyagásványok élein vagy más felületein található hidroxilionok helyettesítésével játszódik le. Kimutatták, hogy egy adszorbeált foszfátion vasoxi-hidroxid ásványok felületén két szomszédos OH-iont helyettesít. Ezzel magyarázható, hogy a vasásványok miért kötik meg a foszfort erősebben, de kisebb mennyiségben, mint a többi ásvány. Az Al-tartalmú ásványok által megkötött foszfor jóval felvehetőbb, mint a vastartalmú ásványok által megkötött foszfor.

Oldatfoszfor

A szervetlen foszfátionok az agyagásványok és a szerves anyagok pozitív töltésű helyein adszorbeált állapotban vannak jelen. Az adszorbeált foszfor és a többi szilárd fázisban lévő foszfor egyensúlyban van az oldott foszforral, és a szilárd fázisban lévő foszfátok között is egyensúly áll fenn.

A talajoldatban lévő foszfor – amely főleg dihidrogénfoszfát- és hidrogénfoszfát-ion (H2PO4– és HPO42–) – mennyisége általában rendkívül kicsi. A szántott réteg a legtöbb talajban 1 kg P/ha-t, némely talaj oldata azonban csak 0,1 kg P/ha-t tartalmaz. A növények közvetlenül csak ezt a feloldott foszfort tudják felvenni.

A növények átlagosan 10–30 kg/ha foszfort fogyasztanak évente, tehát a talajoldat foszforveszteségét gyakran kell pótolni. A pótlás történhet szerves anyag mineralizációja vagy adszorbeált foszfor oldatba kerülése útján. A talajoldatba kerülő foszfort felvehetőnek tekintjük, és labilisnak nevezzük, megkülönböztetésül a kevésbé felvehető foszfortartalékoktól.

A foszfor mineralizációja és immobilizációja

A mineralizáció és immobilizáció folyamata egyidejűleg játszódik le a talajban. A talajoldat foszfátkoncentrációja az ásványi formák közti egyensúlyon túl ezen két ellentétes folyamat viszonyától függ:

szerves-P  immobilizáció mineralizáció  H 2 PO 4 . MathType@MTEF@5@5@+= feaagKart1ev2aaatCvAUfeBSjuyZL2yd9gzLbvyNv2CaerbuLwBLn hiov2DGi1BTfMBaeXatLxBI9gBaebbnrfifHhDYfgasaacH8rrps0l bbf9q8WrFfeuY=Hhcba9v8qqaqFr0xc9pk0xbba9q8WqFfeaY=biLk VcLq=JHqpepeea0=as0Fb9pgeaYRXxe9vr0=vr0=vqpWqaaeaabiqa ceaacaqabeaabaqaamaaaOqaaabaaaaaaaaapeGaae4CaiaabQhaca qGLbGaaeOCaiaabAhacaqGLbGaae4Caiaab2cacaqGqbGaaeiiamaa o0aaleaajugabiacaIwGTbGaiaiAbMgacGaGOfOBaiacaIwGLbGaia iAbkhacGaGOfyyaiacaIwGSbGaiaiAbMgacGaGOfOEaiacaIwGHdGa iaiAbogacGaGOfyAaiacaIwGZdaaleaajugabiacaYBGPbGaiaiVb2 gacGaG8gyBaiacaYBGVbGaiaiVbkgacGaG8gyAaiacaYBGSbGaiaiV bMgacGaG8gOEaiacaYBGHdGaiaiVbogacGaG8gyAaiacaYBGZdaaki aawkzicaGLqgcacaqGGaGaaeisa8aadaWgaaWcbaWdbiaabkdaa8aa beaak8qacaqGqbGaae4ta8aadaWgaaWcbaWdbiaabsdaa8aabeaaki aac6caaaa@7B32@

A lebomlásban lévő szerves maradványok foszfortartalma kulcsszerepet játszik a talajban lévő oldható foszfor mennyiségének szabályozásában. Netto foszforimmobilizáció akkor következik be, ha a szén szerves foszfor arány 300 vagy ennél nagyobb, netto mineralizáció pedig akkor, ha az arány 200 vagy annál kevesebb.

A növényi maradványok gyors elbomlásának kedvező feltételei – a jó levegőzöttség és nedvességellátás, a 30–45 °C-os hőmérséklet – növelik a szerves foszfor mineralizációját.

A foszfátfixáció

A talajba került vízoldható foszforműtrágya-hatóanyag (H2PO4–) növények számára kevésbé vagy egyáltalán nem felvehetővé alakulásának folyamata a foszfátfixáció.

Számos kísérletben kimutatták, hogy a vízoldható formában a talajokhoz adott foszfor (pl. kalcium-dihidrogénfoszfát, Ca(H2PO4)2) nem marad változatlan hosszú ideig, hanem átalakul a sok nehezen oldódó forma egyikévé. A fixációban mind biológiai, mind kémiai folyamatok részt vesznek, az utóbbiaknak van nagyobb jelentőségük a műtrágyafoszfor megkötésében.

A 9.7. ábra a pH jelentőségét mutatja a fixálási reakciók esetében. A legtöbb talajnál a foszfor felvehetősége akkor maximális, ha a gyengén savanyú – semleges tartományban van a talaj pH-értéke. A P-fixáció mértéke az agyagásványok minőségétől is függ, és a következő sorrendben csökken:

amorf hidroxidok > goethit = gibbsit > kaolinit > montmorillonit.

9.7. ábra - A szervetlen foszfátok növényi felvehetősége a pH függvényében

kepek/9-7-abra.png


Erősen savanyú talajokban a foszfor gyorsan kicsapódik nehezen oldható Fe- és Al-foszfátok alakjában, vagy az oxidok felületén adszorbeálódik. Ez különösen a sok vasat tartalmazó talajoknál (lateriteknél) jelentkezik. Ezekre a talajokra viszonylag sok foszfortrágyát kell juttatni, hogy a növények szükségletét kielégítsük.

Meszes talajokban kevésbé oldható kalcium-hidrogénfoszfát CaHPO4 és Ca3(PO4)2 keletkezik, s az utóbbi fokozatosan átalakulhat karbonát-apatittá, ami még nehezebben oldódik.

A foszfátfixáció további mechanizmusa a foszfátadszorpció során az oxi-hidroxidok felületi OH-csoportjainak kicserélése, két kötődéssel. Szintén a fixáció jelenségéhez tartozik amidőn a talajszemcsék felületén megkötődő foszfátionok a szemcse belsejébe diffundálnak, és sokkal nehezebben hozzáférhetővé válnak.

A talajfoszfor oldhatósága

A talajfoszfor oldatba kerülése egyrészt azt jelenti, hogy a szilárd foszforvegyületek feloldódnak, de azt is jelentheti, hogy a foszfor deszorbeálódik. Az adszorbeált foszfornál az oldódási folyamat valójában egy ioncsere OH–-, HCO3– - és szerves anionokkal.

A normális pH-tartományban, megművelt talajoknál a szerves kötésben lévő foszforon kívül az oldott foszfor H2PO4– és HPO42–-ionok alakjában található mennyisége a pH-tól függ. Pl. pH-4,5-nél gyakorlatilag csak H2PO4– található, pH-6-nál a H2PO4– /HPO42– arány 90:10, és pH-8-nál 10:90. A PO43–-ionok jelentős mennyiségben csak pH-9,5 fölött jelennek meg.

A talajfoszfor oldhatósága, oldódási sebessége és pufferolása a növények foszforellátása szempontjából fontos, mivel a talajoldat mindenkori foszfortartalma alig több, mint 1/100-a a növények foszforszükségletének egy vegetációs periódus alatt. A talajoldat optimális foszforkoncentrációjának 0,2–0,4 mg P/liternek kell lennie ahhoz, hogy a növényeket kellően el tudja látni foszforral. Ásványi talajok mélyebben fekvő szintjeiben a foszforkoncentráció igen csekély, a talajoldatban csak 0,003–0,1 mg P/liter található.

A szervetlen foszforformák oldhatósága igen komoly növénytáplálási probléma. A kalcium-foszfátok alkálikus közegben oldhatatlanok lesznek, a vas- és alumínium-foszfátok pedig savanyú környezetben válnak oldhatatlanokká. A foszfor oldhatóságára a legkedvezőbb a semlegeshez közeli, gyengén savanyú közeg (9.8. ábra).

9.8. ábra - A foszfátok oldhatósága a talaj-pH-tól függ

kepek/9-8-abra.png


A szerves kötésben lévő foszfor csak akkor mineralizálódik, ha elbomlik a szerves anyag. Ekkor a foszfor oldható, felvehető alakokba megy át. A szerves kötésben lévő foszfor szervetlenné alakítása enzimatikus úton megy végbe, elsősorban foszfatáz enzim segítségével. Ha a talajok redoxipotenciálja kicsi, nő a vasoxidokhoz kötött foszfor oldhatósága, mert a redukáló környezetben a vas (III)-oxidok a hozzájuk kötődött foszfátionok szabaddá válása során vas (II)-vegyületekké redukálódnak.

A foszforoldhatóság anaerób körülmények közötti fokozódása megmagyarázza, hogy miért van a talajokban több felvehető foszfor vízzel történt elárasztás után, például rizstermesztéskor.

A szerves anyagok többféleképpen is kifejtik hatásukat a foszfor oldhatóságára:

  • A szerves anionok, pl. a humin- és fulvosavak, deszorbeálják a foszfátionokat vagy adszorpcióval blokkolják a foszfátionok elől az adszorpciós helyeket.

  • Némely szerves sav az Al3+-, Fe3+-, ill. Ca2+-ionokkal vízoldható komplexet képez, ezáltal lehetővé teszi az egyébként nehezen oldható foszforvegyületek oldhatóságát.

A foszfor mozgása a talajban

A növények tápanyagellátása szempontjából a mineralizáció és az oldódási egyensúlyi reakciók megfelelően gyorsak. Az utánpótlási sebességet a talajon belüli lassú foszfátmozgás határozza meg.

A H2PO4–- és a HPO24–-ionoknak arról a helyről, ahol belépnek a talajoldatba, el kell jutniuk a gyökerekig. Kis mennyiségben tömegáramlással jutnak el a gyökerekhez, de nagyobb részük iondiffúzióval vándorol a talajon át. Minden szállítási mód rendkívül lassú, ha a távolság több, mint 5–10 mm, vagy ha a talaj száraz. Az effektív szállítási sebesség kisebb és a hatótávolság is a rövidebb a kevésbé oldódó foszforvegyületek esetében. A rosszul oldódó foszforvegyületeket tehát a gyökerek közelében kell elhelyezni.

Környezeti vonatkozások

A foszfor a feltalajból az altalajba vándorolhat, és igen kis mértékben ki is mosódhat a gyökérzónából.

Agyagos talajok feltalajából a foszfor csak 40–60 cm mélységig vándorol – ezt állapították meg olyan lösztalajoknál, amelyek évtizedeken keresztül jóval több foszfortrágyát kaptak, mint amennyit a növények ki tudtak vonni. Ugyanezt az eredményt kapták egy szabadföldi kísérlet parcelláiban, ahol 110 éven át 33 kg P/ha/év szuperfoszfáttal trágyáztak: a foszforvándorlást réten-legelőn 38 cm mélységig, szántóföldön 50 cm mélységig tudták kimutatni.

A talajon átszivárgó vizek elemzésével megállapították, hogy a foszforkimosódás általában kevesebb, mint 0,3 kg P/ha/év. Természetesen lehetnek olyan körülmények, amikor ennél jóval nagyobb: felláptalajoknál és kevés foszfort adszorbeáló homoktalajoknál, ha nagy mennyiségű víz szivárog rajtuk keresztül és ha vízoldható foszfátokkal, híg trágyával vagy kommunális szennyvízzel történik a trágyázás és öntözés. Elősegíti a foszforvándorlást, ha nagy mennyiségű foszfor szerves kötésben van a talajoldatban. Ez a hígtrágyázás és a szennyvízzel történő öntözés esetében áll fenn. A foszforvándorlás durva szemcsés talajokban részben kolloidok alakjában is végbemehet.

Az utóbbi évtizedekben a folyók foszfortartalma 300%-kal nőtt. A növekedés legfőbb oka az, hogy a tisztítószerek foszfort tartalmaznak.

A mezőgazdaságilag művelt talajok legnagyobb foszforvesztesége erózió következtében lép fel. Ha azt vesszük alapul, hogy a szántott rétegben 450–1800 kg P/ha van, akkor egy tonnányi talaj elhordásával 0,2–0,8 kg foszfort is elveszítünk.

A felszíni vizekbe kerülő foszfor mennyisége kritikus kérdés, mert a foszforkoncentráció növekedése indíthatja be az eutrofizációt, az algák elszaporodását. A vizinövények életéhez szükséges többi tápanyag ugyanis jóval könnyebben eljut az élővizekbe, ahol a produkció korlátja éppen a foszforkoncentráció. Ezért döntő jelentőségű például a Balaton vízminőségének javításával a tóba jutó foszfor mennyiségének drasztikus csökkentése, illetve a már ott lévő foszfor lehetséges eltávolítása.