چرخه فسفر در خاک

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.