Fosfor – wrażliwy składnik

Wśród składników mineralnych ważnych dla roślin upranych nie ma drugiego pierwiastka, którego dostępność zależy od tak wielu czynników, zarówno środowiskowych jak i wynikających z samej aktywności rośliny. Zdaję sobie sprawę, że zdanie to brzmi jak wstęp do artykułu naukowego, ale proszę mi wierzyć – chemizm fosforu jest naprawdę bardzo skomplikowany. Postaram się jednak aby po przeczytaniu tego tekstu Czytelnik lepiej rozumiał istotę problemu.

Fosfor jest jednym z trzech najważniejszych składników wprowadzanych do gleby w nawozami. To wprawdzie oczywiste, ale to oznacza, że fosfor nie może być pomijany w planie nawozowym. Dlatego konieczne jest rozpoznanie warunków jakie muszą być spełnione dla efektywnego wykorzystania tego składnika przez roślinę uprawną. Już na wstępie trzeba jednak zaznaczyć, że nawet w idealnych (kontrolowanych) warunkach wykorzystanie fosforu z nawozów jest wyraźnie mniejsze niż azotu, o potasie nie wspominając.

Fosfor – szczególny przypadek

Głównym źródłem fosforu dla roślin uprawnych są aniony fosforanowe H₂PO₄^2-. Cechą charakterystyczną tych jonów jest względnie mała mobilność w glebie. Dla praktyki rolniczej oznacza to, że:

1. Nawozy fosforowe po zastosowaniu powinny być wymieszane z glebą, po to by aniony fosforanowe były równomiernie rozmieszczone przynajmniej w warstwie ornej. W przeciwnym razie w późniejszych stadiach rozwojowych fosfor nawozowy nie będzie odpowiednio wykorzystany, a rośliny będą skazane tylko na zasoby glebowe, kształtowane w poprzednich sezonach wegetacyjnych. Zasada ta dotyczy wszystkich nośników fosforu, niemniej im lepiej rozpuszczalny nawóz tym większa szansa na przemieszczenie się fosforanów w głąb profilu glebowego. W jednym sezonie wegetacyjnym nie należy się jednak spodziewać migracji fosforu większej niż kilka centymetrów. Między innymi z tego powodu oznaczenie zawartości fosforu mineralnego w gruncie zlokalizowanym na terenie badań archeologicznych jest jednym z narzędzi służących do oceny intensywności różnych form życia w przeszłości. Miałem okazję uczestniczyć kiedyś w tego typu badaniach i było to bardzo ciekawe doświadczenie. Wracając do czasów współczesnych – dyskusje na temat zanieczyszczania wód gruntowych fosforem pochodzącym z nawozów należy uznać za nieporozumienie. Zagrożenia środowiskowe związane ze stosowaniem nawozów fosforowych wynikają natomiast z migracji fosforanów po powierzchni gleby/gruntu (ryc. 1). Fachowo powiemy, że zachodzi spływ powierzchniowy. Ze zrozumiałych względów zjawisko to jest szczególnie niebezpieczne na polach położonych na zboczach, przy czym nie dotyczy to tylko terenów górzystych. Może występować także na nizinach – na przykład na terenach, w których skutki krajobrazowe wynikające z działalność lodowców są widoczne do dziś.
2. Z powodów wymienionych powyżej nawozy fosforowe powinny być stosowane przedsiewnie, a w razie konieczności pogłównej aplikacji należy wybierać formy najlepiej rozpuszczalne.

Rycina 1. Przemiany fosforu w glebie – schemat

Nie mam wątpliwości, że dla praktyków zasady te są doskonale znane. Nie ukrywam, że zależy mi na tym żeby mój Czytelnik wiedział nie tylko co trzeba zrobić, ale także dlaczego. Pozwoliłem sobie na krótkie przypomnienie także ze względu na pojawiające się w ostatnim czasie doniesienia o obecności na rynku nawozów zawierających „super-mobilne” nośniki fosforu, które nie są podatne na trwałe wiązanie w glebie. Trudno kwestionować dobrą rozpuszczalność konkretnego związku fosforu, lecz określone procesy glebowe – o których będzie mowa za chwilę – nie sposób pominąć. Twierdzenie, że można wyprodukować nawóz fosforowy nie podlegający uwstecznianiu w glebie jest ignorancją. Dla porządku ustalmy, że w dalszych rozważaniach nie analizujemy nawozów przeznaczonych do dolistnej aplikacji.

Dlaczego tak mała dostępność?

U podstaw klasycznej chemii rolnej stoi stwierdzenie, że rośliny uprawne pobierają składniki w formie jonów, co jak zaznaczyłem wcześniej, w przypadku fosforu oznacza że jest to anion H₂PO₄^2-. Dlaczego tak bardzo to podkreślam? Powodem jest duże powinowactwo anionów fosforanowych do kationów glinu (Al) i żelaza (Fe), rzadziej wapnia (Ca), co prowadzi do powstania trudno rozpuszczalnych soli. W takim przypadku powiemy, że fosfor się uwstecznia. Skoro sole są słabo rozpuszczalne, nie mogą być pobierane przez roślinę. Następuje nagromadzenie fosforu w glebie, lecz w formach strąconych lub/i skrystalizowanych. Reakcje te zachodzą zawsze i w każdej glebie. Problemem jest tylko ich intensywność. Od lat uczymy studentów, że uwstecznianie fosforu wprowadzonego do gleby z nawozami zachodzi szczególnie intensywnie w stanowiskach kwaśnych, w których aktywność jonów glinu i żelaza jest bardzo duża. Przypomnę, że w Polsce ponad 60% gleb to gleby kwaśne i bardzo kwaśne, co z pewnością nie przyczynia się do zwiększenia efektywności fosforu. W tym miejscu powstaje pytanie: jaka jest dostępność fosforu w stanowiskach o uregulowanym odczynie. Z pewnością duża większa, ale i tak niezadawalająca. Dla porządku rozpatrzmy jeszcze sytuację, która w warunkach gleb polskich zdarza się rzadko czyli stanowisko o odczynie zasadowym. W takich warunkach strącają się z kolei związki fosforu z wapniem, o różnym stopniu uwodnienia. Podsumowując ten akapit zapamiętajmy: jednym z najważniejszych czynników decydujących o efektywności nawozów fosforowych jest odczyn gleby, a optimum dostępności fosforu występuje dla pH (mierzonego w 1M KCl) na poziomie około 6,5. Graficzną interpretację tych złożonych zjawisk zamieszczono na rycinie 2.

Rycina 2. Odczyn gleby a dostępność fosforu (źródło: Potarzycki 2012)

Żeby jeszcze bardziej skomplikować problem zwrócę uwagę (nie wnikając w szczegóły, które są bardzo skomplikowane) na drugą grupę procesów decydujących o niewielkim wykorzystaniu fosforu z nawozów. Są to zjawiska adsorpcji i desorpcji. Gleba jest układem trójfazowym, składającym się z fazy stałej, ciekłej i gazowej. Wprawdzie składniki mineralne są pobierane przez rośliny bezpośrednio z fazy ciekłej czyli z roztworu glebowego, jednak część puli jest magazynowana (wiązana) w kompleksie sorpcyjnym skąd ponownie może trafić do wody glebowej (fazy ciekłej). Rzecz w tym, że fosfor (jako anion) zachowuje się nietypowo. Dość łatwo jest wiązany przez koloidy glebowe (adsorpcja), lecz tylko częściowo jest „oddawany” z powrotem do roztworu glebowego (desorpcja). Znaczy to, że część jonów fosforanowych staje się trwale niedostępna dla roślin i mikroorganizmów glebowych. Dlatego dość powszechna jest względnie duża całkowita zawartość fosforu mineralnego w glebie, przy czym formy dostępne dla roślin stanowią zaledwie kilka procent. Podawane w literaturze naukowej wartości wykorzystania fosforu z nawozów mineralnych w roku zastosowania wahają się w przedziale od 25 do 45%. W całym zmianowaniu może być to nieco więcej, lecz i tak rzadko przekracza 50%. Zdaję sobie sprawę, że dla niektórych Czytelników jest to informacja trudna do zaakceptowania, bowiem oznacza, że w dobrych warunkach ze 100 kg P₂O₅ zastosowanego w formie nawozu tylko 45 kg będzie wykorzystane przez roślinę. To oczywiście nie jest wszystko, ponieważ pewne ilości fosforu roślina pobierze z podglebia oraz z zasobów pochodzących z mineralizacji związków organicznych (resztki korzeniowe, słoma, nawozy organiczne i naturalne). Mineralizacja fosforu może przebiegać dwukierunkowo: (1) z udziałem mikroorganizmów glebowych; (2) z udziałem samej rośliny, która w warunkach silnego deficytu może wydzielać przez korzenie kwaśną fosfatazę, co przyspiesza proces mineralizacji (zwanej wtedy biochemiczną).

Mówiąc o dostępności fosforu nie sposób wspomnieć jeszcze o dwóch kwestiach. Pierwsza dotyczy temperatury. Warto wiedzieć, że mobilność związków fosforu w glebie jest funkcją temperatury (pisałem już o tym wielokrotnie). Im wyższa temperatura tym lepsza rozpuszczalność. Klasycznym przykładem są objawy niedoboru fosforu na uprawach kukurydzy, gatunku o dużej wrażliwości nawet na niewielki niedobór fosforu. Pojawiające się na młodych roślinach antocyjanowe (fioletowe) przebarwienia (fot. 1) mogą być skutkiem wpływu niskich temperatur w okresie wiosny i wtedy będą przemijające. Mogą wynikać także z niedostatecznej zasobności gleby w fosfor i w takiej sytuacji będą miały nieodwracalne skutki dla przyszłego plonu. Wspominam o tym celowo, po to by kolejny raz zwrócić uwagę na konieczność znajomości zasobności gleby czyli postawienia diagnozy. Drugą kwestią jest odpowiednia struktura gleby, która warunkuje z kolei dostępność tlenu. To bardzo ważne zważywszy na fakt, że fosfor jest pobierany czynnie.

Fotografia 1. Objawy niedoboru fosforu w początkowym okresie wzrostu kukurydzy (fot. J. Potarzycki)

Trzeba znać fazy krytyczne

Fosfor zachowuje się odmiennie niż większość składników mineralnych także ze względu na funkcje plonotwórcze. Dla każdego składnika wyróżnia się tak zwane fazy krytyczne czyli okresy, w których dany pierwiastek odgrywa szczególnie dużą rolę, a jego niedobór wywołuje bardzo silną reakcję rośliny. Zwykle faza krytyczna wyznaczona dla danego składnika obejmuje jeden okres w życiu rośliny warunkowany gatunkiem, niekiedy też odmianą. W przypadku fosforu jest inaczej. Dla tego pierwiastka zdefiniowano dwie, co ważne oddalone w czasie, fazy krytyczne. Przypomnę tylko, że pierwsza przypada na początek wegetacji, gdy roślina buduje system korzeniowy. Żaden inny pierwiastek nie ma takiego wpływu na rozwój korzeni jak fosfor. Dlatego nawet niewielki niedobór fosforu spowoduje upośledzenie nie tylko poziomego, ale też horyzontalnego rozwoju korzeni i stref włośnikowych, co oznacza, że roślina nie będzie pobierała składników (w tym azotu) z podglebie i międzyrzędzi. Nie muszę chyba dodawać, że w początkowym okresie wzrostu budowa biomasy roślinnej jest funkcją szybkości pobierania wody i azotu. Mówiąc wprost: nie ma fosforu, nie ma budowy pierwotnej struktury plonu. Ponadto słabszy system korzeniowy, to także gorsze przystosowanie do stresu wodnego, który może wystąpić w późniejszych stadiach rozwojowych. Druga faza krytyczna dla fosforu ujawnia się po kwitnieniu, gdy rozwijają się nasiona, ziarniki, owoce (dotyczy ogrodnictwa). Wystarczy spojrzeć teraz na poniższą fotografię (nr 2), żeby zrozumieć o czym mówię. Pod względem ilościowym w drugim okresie krytycznym zapotrzebowanie na fosfor jest dużo większe niż na początku wegetacji.

Fotografia 2. Silne zaburzenia gospodarki wodnej kukurydzy spotęgowane złym zaopatrzeniem roślin w fosfor i potas (źródło: Potarzycki, 2017)

Trzeba zatem przyjąć taką strategię nawożenia, która zagwarantuje roślinom odpowiednią dostępność fosforu w całym sezonie wegetacyjnym. Zanim na poważnie zabierzesz się za nawożenie poznaj dobrze fizjologię roślin (tą klasyczną) i połącz tę wiedzę z fizjologią plonowania – te zasady staram się wpajać moim Studentom.

To jest niesamowicie ważne przy doborze nawozów zawierających fosfor. Może się bowiem okazać, że obecność w nawozie różnych związków – także tych o umiarkowanej (rozłożonej w czasie) szybkości uwalniania z granuli nawozowej jest ogromną zaletą, ponieważ w ten sposób zostają zrealizowane potrzeby względem fosforu w obu fazach krytycznych.

Różne nośniki fosforu

W ofercie firm nawozowych występują nawozy zawierające różne formulacje chemiczne fosforu. Mogą to być klasyczne superfosfaty i nawozy wieloskładnikowe produkowane na bazie superfosfatów, fosforany amonu i pochodne oraz nawozy typu nitrofos. Reklamowane są także produkty o „unikalnych” właściwościach, które sprawiają, że fosforany nie są podatne na uwstecznianie, ale w tym przypadku po opinię odsyłam Czytelników do producentów.

Skupmy przez chwilę uwagę na ofercie firmy Luvena, bo ta pod względem różnorodności źródeł fosforu w nawozach jest naprawdę ciekawa.

W stałej ofercie znajduje się superfosfat prosty – najdłużej na Świecie produkowany nawóz mineralny, którego marka i rozpoznawalność są powszechnie uznane. Fosfor zawarty jest w nawozie jako Ca(H₂PO₄)₂ czyli w związku bardzo dobrze rozpuszczalnym w wodzie. Po rozpuszczeniu w roztworze glebowym roślina ma do dyspozycji aniony H₂PO₄^2- czyli jak powiedzieliśmy wcześniej takie, które najchętniej przyswaja roślina. Z tego powodu superfosfaty proste mogą być stosowane w różnych stanowiskach, lecz co szczególnie ważne w glebach wyczerpanych z fosforu, gdy potrzebna jest szybka korekta zasobności. W sytuacjach wyjątkowych superfosfat prosty może być rekomendowany do nawożenia pogłównego, choć jak zaznaczyłem wcześniej, efektywność fosforu jest dużo większa po wymieszaniu z glebą. Superfosfat prosty może być polecany także w stanowiskach zasobnych w fosfor jako niewielka dawka startowa. Idea takiego zastosowania polega na tym, że na start roślina otrzymuje łatwo przyswajalny fosfor z nawozu, a w późniejszych stadiach rozwojowych korzysta już z zasobów glebowych. Ponadto produkt jest idealnym rozwiązaniem na trwała użytki zielone (TUZ), a dodatkowym atutem nawozu jest obecność siarki i wapnia – składników wspomagających działanie azotu. Pewnie niektórych ta informacja zdziwi, ale na TUZ bardzo dobrze sprawdzi się pylista forma tego nawozu, ze względu na większą powierzchnię kontaktu czynnych związków fosforu, a przez to intensywniejsze uwalnianie anionów fosforanowych i lepsze wykorzystanie przez użytek.

Spośród nawozów wieloskładnikowych sztandarowym produktami są Lubofoski czyli rodzina nawozów produkowanych na bazie superfosfatu. Z tego powodu powyższy opis dotyczący superfosfatu prostego dotyczy także Lubofosek. Warto podkreślić obecność w Lubofoskach z azotem formy amonowej tego składnika. Jest to nie bez znaczenia, ponieważ kationy NH₄⁺ ułatwiają pobieranie fosforu przez rośliny, a efektem tego procesu jest lokalne zakwaszenie środowiska wokół korzenia, co z kolei może prowadzić do rozpuszczania rodzimego fosforu glebowego.

Odmienną grupę stanowią nawozy typu Lubofos. Jedną z cech charakterystycznych tych nawozów jest zawartość różnych form fosforu, co powoduje, że aniony fosforanowe są uwalniane z granuli stopniowo. Na początku wegetacji roślin udostępniane są łatwo rozpuszczalne Ca(H₂PO₄)₂ (takie jak w superfosfacie prostym), a w późniejszych stadiach rozwojowych trudniej rozpuszczalne fosforyty, o różnej budowie chemicznej. Stosowanie tej grupy nawozów wpisuje się w omówioną wcześniej ocenę dynamiki pobierania fosforu. Trzeba wyraźnie zaznaczyć, że do produkcji Lubofosów używane są miękkie fosforyty, które są bardziej reaktywne niż typowe skały fosforonośne. Uproszczony model produkcji tych nawozów zamieszono na rycinie 3.

Rycina 3. Schemat produkcji nawozów typu Lubofos (źródło: Potarzycki 2017)

Rośliny mogą kształtować dostępność fosforu

Stres wywołany niedostatecznym poziomem zawartości przyswajalnego fosforu w glebie może wywoływać konkretne reakcje rośliny. Jeden z mechanizmów polega na wydzielaniu przez system korzeniowych kwasów organicznych i mineralnych zwiększających rozpuszczanie niedostępnych form fosforu w glebie. W takich warunkach w rizosferze najczęściej stwierdza się obecność kwasów: cytrynowego, winowego i bursztynowego. Możliwe jest także uwalnianie kwaśnej fosfatazy, o czym była mowa wcześniej. Szczególnie aktywne pod tym względem są rośliny bobowate (dawniej motylkowe), a to oznacza, że Lubofosy działają bardzo efektywnie w uprawie mieszanek bobowato (motylkowo) -trawiastych. Kolejny raz przypomnę też, że rzepak ozimy i kapusty, a także gorczyca zakwaszając rizosferę świetnie reagują na obecność fosforytów w nawozie, na co istnieje mnóstwo dowodów naukowych.

Zapamiętajmy, że:

1. Nawozy fosforowe – o ile to możliwe – powinny być stosowane przedsiewnie, po to by po wysiewie mogły być dobrze wymieszane przynajmniej w warstwie ornej. Wynika to z małej mobilności anionów fosforanowych w glebie;
2. W razie konieczności do nawożenia pogłównego należy używać nośników fosforu bardzo dobrze rozpuszczalnych w wodzie (na przykład superfosfatu prostego i pochodnych);
3. Fosfor z nawozów podlega uwstecznianiu i adsorpcji, która jest tylko częściowo odwracalna. Z tego względu wykorzystanie fosforu z nawozów rzadko przekracza 40%;
4. Największą efektywność nawozów fosforowych uzyskuje się w stanowiskach o uregulowanym odczynie. Jeśli mamy do czynienia z glebą kwaśną najpierw należy zastosować nawozy odkwaszające, a w dalszej kolejności dokonać korekty zasobności gleby w fosfor, zachowując przynajmniej 3 miesięczny odstęp między zabiegami;
5. Większość roślin uprawnych posiada dwie, oddalone w czasie fazy krytyczne, co może stanowić rekomendację do stosowania nawozów o umiarkowanej szybkości działania (na przykład typu Lubofos);
6. W stresie wynikającym z niewielkiej przyswajalności fosforu rośliny uprawne uruchamiają mechanizmy zwiększające rozpuszczalność trudno dostępnych związków fosforu. Mechanizm ten jest szczególnie efektywny w przypadku roślin bobowatych i rzepaku ozimego.

Tak się złożyło, że niniejszy wpis publikuję w Sylwestra 🙂 Wszystkim Czytelnikom składam najlepsze życzenia pomyślności na nowy 2019 rok i samych udanych decyzji „nawozowych”.

Jarosław Potarzycki