بررسی چرخه فسفر در سیستمهای کشاورزی، اطلاعات مفیدی برای درک شیمی خاک فراهـم میآورد که بر فراهـمی فسفر برای گیاهان و اثرات فسفر بر محیـط زیست تأثیـر می گذارد. به نظر میرسد که چرخه فسفر، سادهتر از چرخه نیتروژن باشد، زیرا این چرخه هیچ تبادلی با جو انجام نمیدهد. فقط یک بخش در چرخه فسفر وجود دارد که در چرخه نیتروژن نیست. یونهای فسفات معدنی، بر روی مکانهای دارای بار مثبت رسها و ماده آلی خاک جذب میگردند. فسفر جذب شده و سایر اشکال جامد، همگی در تعادل با فسفر محلول و در نتیجه در تعادل با یکدیگر قرار دارند. گروه خاصی از قارچها و باکتریهای خاک، به انحلال ترکیبات فسفر کمک مینمایند.
فاز جامد فسفر خاک
به منظور درک نقش فاز جامد فسفر خاک به عنوان تنظیمکننده تغییر و انتقال فسفر در خاکها، توزیع فسفر در بین اجزاء مختلف یک سیستم کشاورزی نسبت به فسفر کل مورد بررسی قرار میگیرد. محاسبات انجام گرفته در این شکل بر اساس عمق ۵۰ سانتیمتری خاکی با غلظت متوسط جهانی فسفر در خاکها (۸۰۰ میلیگرم در کیلوگرم) صورت گرفته است. در واقع، غلظت فسفر عموماً در سطح خاک بیشترین مقدار بوده و با عمق کاهش مییابد و علت آن ورود فسفر به سطح خاک و تمایل نگهداشت بالاتر فسفر در سطح خاک است. جزء غالب فسفر) در یک سیستم کشاورزی به فاز جامد خاک پیوند یافته است که عموماً به صورت اشکال آلی و معدنی فسفات است. فسفر آلی (عموماً ۳۰ تا ۶۵ درصد از فسفر کل)، شامل فسفات آلی پیوند یافته در ساختمان ماده آلی خاک و زیتوده و یا مشتقات بیولوژیکی مولکولهای فسفات مثل DNA، اسید فیتیک و فسفولیپیدها میباشد. بر اساس دادههای جمعآوری شده توسط محققین، میزان فسفر در زیتوده میکروبی چمنزارها، مراتع و خاکهای زراعی در دامنه ۰/۴ درصد تا ۷/۵ درصد از فسفر کل میباشد. با فرض اینکه فسفر بقایای آلی تقریباً ۳ درصد از فسفر کل را تشکیل میدهد. بخش عمده فسفر آلی در هوموس خاک یافت میشود. فسفر معدنی (۳۵ تا ۷۰ درصد از فسفر کل) شامل کانیهای فسفات، فسفات جذب شده بر سطوح کانیهای غیرفسفاته مانند اکسیدهای آهن و آلومینیوم و فسفات پیوند یافته با مواد آلی از طریق کاتیونهای فلزی میباشد.
در واقع، فاز جامد خاک ذخیره بزرگی برای فسفر به شمار میآید که با نگهداری مقدار قابل توجهی از فسفر، حرکت آن را در خاک به تأخیر میاندازد و جذب گیاه را تنظیم می نماید. طی فرآیندهای انحلال یا معدنی شدن، پخشیدگی و جریان تودهای در آب منفذی، فاز جامد خاک بخش کوچکی از فسفر کل را یا به طور مستقیم و یا از طریق قارچهای میکوریزا برای ریشه گیاهان تأمین مینماید.
فسفر محلول خاک
فسفر محلول خاک جزء کوچک ولی حیاتی از فسفر کل را تشکیل میدهد. هر دو شکل آلی و معدنی فسفر میتوانند در محلول خاک حل شوند. علاوه بر یونهای آزاد فسفر، آب خاک حاوی ترکیبات کمپلکس فسفر، ذرات کلوئیدی همراه فسفر و فسفر آلی در ساختمان ترکیبات آلی محلول نیز میباشد. فسفر محلول خاک در دامنه ۰/۰۰۵ تا ۰/۳ میلیگرم در لیتر برای رشد طیف وسیعی از گیاهان زراعی کافی میباشد. تحت شرایط اشباع خاک و با فرض آنکه تخلخل حجمی خاک ۵۰ درصد میباشد، مقدار فسفر محلول خاکها کمتر از۰/۰۱۵ درصد از فسفر کل خاک را تشکیل می دهد.
مقدار فسفر انحلال یافته در خاک (عمدتاً -H2PO4 و -HPO42) بینهایت کم میباشد و در بسیاری از خاکها، مقدار فسفر موجود در عمق شخم، کمتر از ۱ کیلوگرم در هکتار بوده و در برخی از خاکها این مقدار، کمتر از ۰/۱ کیلوگرم در هکتار میباشد. اکثر گیاهان، سالیانه بین ۱۰ تا ۳۰ کیلوگرم در هکتار فسفر را مصرف میکنند. بدیهی است که فسفر موجود در محلول خاک باید پیوسته جایگزین شود. این جایگزینی میتواند به وسیله معدنی شدن ماده آلی و یا از طریق واکنشهای تعادلی با یونهای فسفات جذب شده و ترکیبات جامد فسفر صورت بگیرد. کاهش غلظت فسفر محلول خاک ناشی از جذب توسط ریشه گیاهان، از طریق اجزاء فسفر آلی و غیرآلی خاک جبران میشود. انحلال کانیهای اولیه و ثانویه فسفر به منظور فراهم کردن مجدد -H2PO4 و -HPO42 در محلول خاک، صورت میگیرد. همچنین دفع فسفر غیرآلی جذب شده بر روی سطوح کانیها به صورت -H2PO4 و -HPO42، کاهش غلظت فسفر محلول خاک را جبران مینماید. ریزجانداران گوناگونی در خاک قادر به تجزیه بقایای گیاهی حاوی فسفر و تولید ترکیبات فسفر آلی در خاک هستند که با معدنی شدن این ترکیبات ازطریق فعالیت میکروبی، فسفر محلول فراهم میگردد.
بخش عمدهای از یونهای -H2PO4 و -HPO42، توسط جریان پخشیدگی و مقدار کمی از آنها به دنبال جذب آب توسط گیاهان، از طریق جریان تودهای به سمت ریشه ها انتقال مییابد. در صورتیکه فاصله انتقال، بیش از ۵ یا ۱۰ میلیمتر و یا خاک خشک باشد، از سرعت انتقال کاسته میشود. کودهای فسفری محلول به راحتی حل شده و غلظت فسفر را در محلول خاک افزایش میدهند. میکروبهای خاک، فسفر محلول را به صورت فسفر میکروبی، آلی نموده و در نهایت ترکیبات فسفری که به راحتی قابل معدنی شدن هستند و نیز ترکیبات فسفر آلی که مقاومت بیشتری نسبت به تجزیه میکروبی دارند را تولید میکنند. حفظ غلظت فسفر محلول در حدی که برای تغذیه گیاه مناسب باشد، به توانایی فسفر فراهم در جبران فسفر محلول جذب شده توسط گیاه بستگی دارد. نسبت کمیت به شدت را ظرفیت تامپونی مینامند که نشان دهنده توانایی خاک در کنترل تغییرات فسفر محلول میباشد. ظرفیت تامپونی بالا بیانگر توانایی بیشتر در کنترل فسفر محلول خاک است. مقدار آبشویی و حرکت جانبی فسفر، به میزان آب خاک و غلظت فسفر محلول بستگی دارد. حرکت فسفر از طریق رواناب در سطح خاک به عنوان مسیر اصلی انتقال فسفر به آبهای سطحی به شمار میآید. رواناب سطحی سالیانه در حدود ۰/۱۵ درصد از فسفر کل خاک را شامل میشود.
ورود فسفر به خاک از طریق کودهای آلی و معدنی
در سیستمهای کشاورزی، ورودیهای فسفر به صورت کودهای شیمیایی و آلی، در دامنه ۴۰ تا ۱۲۵ کیلوگرم در هکتار قرار داشته و ۰/۸ تا ۲/۴ درصد از فسفر کل را شامل میشوند. کودهای تجاری با حلالیت متوسط شامل کانیهای فسفات پتاسیم، فسفات اوره، فسفات آمونیم، فسفات کلسیم مانند کلسیم دی هیدروژن فسفات (Ca(H2PO4)2)، دی آمونیم فسفات ((NH4)2HPO4) و پتاسیم دی هیدروژن فسفات (KH2PO4) هستند که با استخراج فلوئورآپاتیت (Ca5(PO4)3F) کم محلول از سنگهای فسفاتی تولید میشوند. گیاهان فسفر را از محلول خاک و به شکل گونههای شیمیایی اصلی -HPO42 و -H2PO4 جذب مینمایند.
آب آبیاری
در مناطقی که آب آبیاری حاوی فسفر باشد، آبیاری به عنوان یک منبع ورود فسفر به خاک تلقی میشود. با توجه به دامنه غلظت فسفر در آب چاه ها و درصـورتیکه در طول فصل رشد، ۱۰۰۰ میلیمتر در هکتار آب به منظور آبیاری استفاده شود، مقدار فسفر اضافه شده به خاک در دامنه ۰/۱ تا ۲۶ کیلوگرم در هکتار خواهد بود.
زیتوده گیاهی
میزان برداشت سالانه فسفر توسط اندامهای هوایی در طیف گستردهای از گیاهان زراعی، ۰/۲ تا ۰/۶ درصد از فسفر کل میباشد. چنانچه فسفر در ریشه ها ۲۰ تا ۴۰ درصد فسفر زیتوده گیاهی را به خود اختصاص دهد، زیتوده گیاهی کمتر از ۱ درصد فسفر کل را به خود اختصاص میدهد. در بسیاری از سیستمهای کشاورزی، کاربرد فسفر به مقداری بیش از برداشت گیاه منجر به افزایش و تجمع فسفر در خاک میشود. غنی شدن خاک از فسفر در خاکهایی که در آنها از فضولات دامی استفاده میشود، به مسئله مهمی تبدیل شده است.
فسفر در گیاهان
فسفر به وسیله ریشههای گیاه، جذب شده و سپس در تمــام سـلولهای زنده آن توزیع میگردد. این عنصر، بیشتر در بخشهای زایشی گیاه تجمع مییابد. دانه باید دارای مقدار کافی از فسفر و سایر عناصر غذایی حیاتی باشد که بتواند تا زمان تشکیل ریشهها و دستیابی به ذخیره فسفر خاک، نیازهای گیاه را تأمین نماید. فسفر موجود در سلولها، برای تشکیل مولکولهای آلی کمپلکس، با کربن، هیدروژن، اکسیژن، نیتروژن و سایر عناصر پیوند برقرار مینماید. فسفر، یک جزء ضروری در ساختار مواد ژنتیکی هسته سلولها میباشد. در صورت فراهم نبودن فسفر کافی، سلولها توانایی انجام تقسیم و تولید هسته های جدید را نخواهند داشت. بنابراین، کمبود فسفر سبب کوتاه ماندن گیاه، تأخیر در بلوغ و چروکیده شدن دانه آن میگردد. این اثرات، به همان اندازه که به صورت کاهش در رشد قسمت های هوایی بروز مییابند، بر ریشهها نیز تأثیر گذاشته و سبب کاهش رشد آن می گردند. به طور کلی، محصولات دانهای حاوی بیشترین درصد فسفر بوده و محصولات علوفه ای حاوی درصد متوسطی از فسفر میباشند. کشت طولانی مدت محصول، نیاز به کاربرد کود فسفری را افزایش میدهد. هرچند، احتمالاً در خاکهای کوددهی شده این روند برعکس میباشد. خاکهایی که برای مدت چندین دهه و یا قرنها تحت کشت قرار گرفته و کودهی در آنها صورت گرفته است، افزایش قابل ملاحظهای را در فسفر نشان میدهند. بخشی از فسفر، به وسیله محصولات مورد استفاده قرار میگیرد، اما بخشی از آن در خاک تجمع مییابد. متأسفانه، فسفر تجمع یافته در خاک، از طریق بهپروردگی باعث آلودگی آبها میشود.