Phosphorus forms in fertilized arable soil profiles and related ³³P uptake

Abstract

Arable soils usually store several thousand kg phosphorus (P) per ha, thus far exceeding the recommended P fertilizer dose to sustain crop yields. However, the soil profile is frequently not considered in fertilizer recommendations, because P supply to the plants from the subsoil is lacking clarification. This thesis is determined by the overarching hypothesis that a large part of the P already present in the soil is neither physically accessible nor chemically available to plants and thus does not contribute to plant nutrition. Therefore, my goal was to evaluate the P bonding forms at different soil depth, and to determine the contribution of these P forms to plant nutrition.<br /> My specific objectives were (i) to characterize and quantify the chemical speciation of P forms in soil profiles of agricultural long-term fertilizer experiments, (ii) to elucidate the supply potentials of moderately bioavailable P pools for plants, and finally (iii) to methodologically refine radiotracer-based digital autoradiography for quantifying spatial and temporal P uptake in plants. For this purpose I sampled (i) soil profiles (0 cm to 90 cm) from two long-term fertilizer experiments located in Rostock (Stagnic Cambisol, > 16 years duration) and Bad Lauchstädt (Haplic Chernozem, > 100 years duration); each experiment was comprised of an unfertilized control, an organic treatment (compost or manure), a mineral treatment (triple superphosphate or superphosphate), and a surplus treatment combining organic and mineral applications. Soil P analyses comprised the assessment of P stocks and speciation of P pools of varying chemical extractability, using sequential fractionation, nuclear magnetic resonance (NMR) as well as X-ray absorption near edge structure (XANES) spectroscopy. To trace P uptake from moderately bioavailable P pools, I (ii) conducted uptake studies including two soil orders; a Haplic Luvisol subsoil, that had never been P fertilized and an Orthic Ferralsol subsoil from Australia from a conventional agricultural background. Investigations were accompanied by digital autoradiography to trace plant uptake of P radiotracers. The experiment was conducted in rhizoboxes with ³³P loaded Fe and Al hydroxides in combination with diffusive gradients in thin films (DGT) techniques. The radiotracer method was then (iii) extended by advanced quantitative evaluation of the uptake of P radiotracers in wheat and maize. The ³³P quantification was carried out with co-exposed ¹⁴C standard references during the imaging process.<br /> The P fertilizer application (i) in excess of plant P demand significantly increased both top- and subsoil P stocks. Intriguingly, there was little if any difference in P stocks and the speciation of P forms for organically and inorganically fertilized plots, suggesting that the kind of fertilizer used had only limited effects on the soil P status in the long term. The P uptake study suggested that (ii) P supply from non-soluble, soil-inherent inorganic P bonding forms can compensate insufficient levels of available P in soil solution. Specifically, in the rhizobox experiments performed, even subsoil P bound to Fe and Al oxidic phases was able to contribute up to 30% of overall uptake of P by young wheat plants. Additionally, DGT applications indicated a better P availability from amorphous Fe hydroxide than from Al hydroxide. The overall P uptake, however, was regulated by soil moisture contents, indicating that water supply to plants controlled P uptake and the final amount of soluble P. These investigations were fundamentally supported by digital autoradiography, whose application resulted (iii) in a successful method for quantification of ³³P radiotracers in plant tissues.<br /> In summary, P fertilizer applications control soil P stocks but effects on P speciation are minor. In the arable soil profiles studied here, P was predominantly bound to oxidic soil phases, suggesting that a significant portion of soil P dynamics is mediated by such inorganic P pools of varying availability, whereas organic P pools seem to be equilibrated with the general P status of the soil. The P supply rates from non-soluble, moderately labile P forms, rather than immediate mineralization processes, seem to control the long-term P supply for crops.

Ackerböden speichern in der Regel mehrere tausend kg Phosphor (P) pro Hektar und übersteigen damit die empfohlenen P-Düngermengen zur Erhaltung der Ernteerträge. In den derzeitigen Düngeempfehlungen wird jedoch häufig nicht das gesamte Bodenprofil berücksichtigt, da die P-Versorgung der Pflanzen aus dem Untergrund nicht geklärt ist. Die vorliegende Arbeit wird daher durch die übergreifende Hypothese bestimmt, dass ein großer Teil des bereits im Boden vorhandenen P weder physikalisch zugänglich noch chemisch für Pflanzen verfügbar ist und somit nicht zur Pflanzenernährung beiträgt. In dieser Arbeit wurden die P Bindungsformen in verschiedenen Bodentiefen bewertet und der Beitrag dieser P-Formen zur Pflanzenernährung untersucht.<br /> Meine spezifischen Ziele waren (i) die Charakterisierung und Quantifizierung der chemischen Speziierung von P Formen in Bodenprofilen landwirtschaftlicher Langzeitdüngerexperimente, (ii) die Aufklärung der Versorgungspotenziale mäßig bioverfügbarer P-Pools für Pflanzen und schließlich (iii) die methodische Verfeinerung der Radioisotopen-basierten digitalen Autoradiographie zur Quantifizierung der räumlichen und zeitlichen P Aufnahme in Pflanzen. Zu diesem Zweck habe ich (i) Bodenprofile (0 cm bis 90 cm) aus zwei Langzeitdüngerexperimenten in Rostock (Stagnic Cambisol, > 16 Jahre Laufzeit) und Bad Lauchstädt (Haplic Chernozem, > 100 Jahre Laufzeit) entnommen; jedes Experiment bestand aus einer ungedüngten Kontrolle, einer organischen Behandlung (Kompost oder Gülle), einer mineralischen Behandlung (Dreifach-Superphosphat oder Superphosphat) und einer Überschussbehandlung, die organische und mineralische Anwendungen kombiniert. Die Boden-P-Analysen umfassten die Bewertung von P-Vorräten und die Speziierung von P-Pools unterschiedlicher chemischer Extrahierbarkeit mittels sequentieller Fraktionierung, Kernspinresonanz (NMR) sowie Röntgenabsorptionsnahkantenstruktur (XANES) Spektroskopie. Um die P-Aufnahme aus mäßig bioverfügbaren P Pools zu verfolgen, führte ich (ii) Aufnahmestudien mit zwei Bodenordnungen durch: einem ungedüngten Haplic Luvisol-Unterboden und einem Orthic Ferralsol-Unterboden aus Australien mit konventionellem landwirtschaftlichen Hintergrund. Die Untersuchungen wurden durch digitale Autoradiographie ergänzt, um die Aufnahme von P-Radioisotopen in die Pflanzen zu verfolgen. Das Experiment wurde in Rhizoboxen mit ³³P beladenen Fe und Al Hydroxiden in Kombination mit einer neuartigen Technik mit Dünnschicht-diffusen-Gradienten (DGT) durchgeführt. Die autoradiographische Methode wurde anschließend (iii) durch eine quantitative Bewertung der Aufnahme von ³³P in Weizen und Mais erweitert. Diese ³³P Quantifizierung wurde durch Zuhilfenahme von ¹⁴C Standardreferenzen ermöglicht. <br /> Unterschied der P-Vorräte und Speziierung in Abhängigkeit von organisch und anorganisch gedüngten Versuchsflächen, was darauf hindeutet, dass die Art des verwendeten Düngers langfristig nur begrenzte Auswirkungen auf den P Status eines Bodens hat. Die Untersuchung der P-Aufnahme zeigte, dass (ii) die P-Mobilisierung von unlöslichen, Boden-inhärenten anorganischen P Bindungsformen ineffiziente Konzentrationen an verfügbarem P in der Bodenlösung kompensieren kann. Insbesondere in den durchgeführten Rhizobox-Experimenten konnte selbst der an Fe und Al gebundene P bis zu 30 % zur Gesamtaufnahme von P durch junge Weizenpflanzen beitragen. Darüber hinaus zeigte die DGT Anwendung eine bessere P-Verfügbarkeit von P gebunden an amorphes Fe Hydroxid als von Al Hydroxid. Die Gesamtaufnahme von P wurde jedoch durch die Bodenfeuchte reguliert, was darauf hindeutet, dass die Wasserversorgung der Pflanzen die Aufnahme von P und die Menge an löslichem P kontrollierte. Diese Untersuchungen wurden grundlegend durch die digitale Autoradiographie unterstützt, deren Anwendung (iii) zu einer erfolgreichen Weiterentwicklung der quantitativen digitalen Autoradiographie von ³³P in Pflanzengewebe führte. <br /> Zusammenfassend lässt sich sagen, dass P-Dünger Zugaben die Gehalte an P-Vorräte im Boden kontrollieren, aber die Einflüsse auf die chemische Form von Boden-P gering sind. In den hier untersuchten Ackerbodenprofilen war P überwiegend an oxidische Bodenphasen gebunden. Dies deutet daraufhin, dass ein bedeutender Teil der Boden-P-Dynamik durch solche anorganischen P-Pools unterschiedlicher Verfügbarkeit bewerkstelligt wird, während die organischen P-Pools passiv mit dem allgemeinen P-Status des Bodens äquilibriert sind. Die P-Mobilisierung aus unlöslichen, mäßig labilen P-Formen und nicht aus unmittelbaren Mineralisierungsprozessen scheint die langfristige P-Versorgung für Nutzpflanzen zu kontrollieren.