Band 73:
Bauke, S. (2018): Phosphorus acquisition from arable subsoils. 176 S., 15,- €
Kurzfassung Band 73
Bauke, S . (2018): Phosphorus acquisition from arable subsoils
Kurzfassung
Phosphor (P) ist eines der am stärksten limitierenden Nährelemente in der Pflanzenproduktion, obwohl große Mengen an P im Boden und v.a. im Unterboden vorhanden sind. Da der Zugang zu Nährstoffen im Unterboden von Nährstoffverfügbarkeit und Eindringwiderstand abhängt, teste ich hier in welchem Ausmaß die effiziente Ausnutzung dieser Nährstoffreserven im Unterboden durch Düngung und das Vorhandensein von Bioporen beeinflusst werden kann. Im Speziellen testete ich, (i) welchen Effekt langjährige P- und Stickstoff- (N) Düngung auf P Vorräte und P Umsatz im Unterboden hat, (ii) welchen Effekt kurzzeitige Regenwurmaktivität auf P Fraktionen im Unterboden hat und (iii) ob Bioporen die Verfügbarkeit von P und dessen Umsatz im Unterboden erhöhen können. Des Weiteren testete (iv) wie sich Düngung und Poren in Kombination auf die P-Aufnahme aus dem Unterboden auswirken. Da dieser Test nur unter sehr artifiziellen Bedingungen durchgeführt wurde, testete ich schließlich noch (v) die Anwendung von stabilen Sauerstoff- (O) Isotopen in Pflanzenphosphat als Marker für P-Aufnahme.
Ich beprobte (i) zwei Dauerdüngungsversuche mit NPK-, NK- und PK-Düngung auf einem lehmig-tonigen Boden in Gießen und auf einem sandigen Boden in Thyrow bis in 100 cm Tiefe. Des Weiteren beprobte ich in einem Feldversuch in Klein-Altendorf mit konventioneller Düngung zweimal Bioporen und Bulkboden beprobt. Ein Probenset (ii) bestand aus Unterbodenproben aus Bioporen, deren Besiedlung durch Regenwürmer bekannt war. Das andere Probenset (iii) bestand aus Bioporenproben aus dem gesamten Profil, jedoch mit unbekannter Porenhistorie. Schließlich führte ich zwei Topfexperimente durch um die P-Aufnahme durch Wurzeln zu bestimmen. Zu diesem Zweck wurde Sommerweizen (iv) in Rhizotronen mit Unterboden und einem P-verarmten Oberboden angepflanzt und sieben Wochen lang in Varianten mit und ohne Bewässerung, mit und ohne P-Düngung und mit und ohne Makroporen angezogen. Um die Nachverfolgung der P-Aufnahme durch O Isotope zu testen wurde (v) Sommerweizen eine Woche in Nährlösung oder Boden mit unmarkiertem Phosphat und 18O-markiertem Wasser gehalten.
P Vorräte in Fraktionen mit unterschiedlicher chemischer Extrahierbarkeit und P Speziierung wurden durch Sequentielle Extraktion nach Hedley sowie Röntgen-Nahkanten-Absorptionsspektren (XANES) bestimmt. Die Konzentration an pflanzenverfügbarem P wurde durch Calciumlactat-Calciumacetat-Extraktion (CAL P) bestimmt. Für Hinweise auf den P Umsatz im Boden, nutzte ich die O Isotopie von Phosphat nach Extraktion mit 1M HCl Fraktion (δ18OHCl P). Die O Isotopie in Pflanzenphosphaten wurde nach Extraktion mit 0.3M Trichloressigsäure (TCA, δ18OTCA P) bestimmt. Die Aufnahme von radioaktivem 33P wurde mittels Radiographie und Flüssig-Szintillationszähler (LSC) quantifiziert.
Meine Ergebnisse zeigten (i) eine Zunahme von P Vorräten im Unterboden als Folge langjähriger Düngung. Unabhängig vom Bodentyp erfolgte die Zunahme in der Reihenfolge NK < NPK < PK, obwohl dieser Trend auf dem sandigen Standort in Thyrow starker ausgeprägt war als auf dem lehmig-tonigen Standort in Gießen. In Thyrow, ergaben sich außerdem in den NK Varianten δ18OHCl P Werte die im Unterboden weiter vom Gleichgewichtswert entfernt waren als die NPK Varianten. Alle anderen Varianten hatten nur geringe Effekte auf die δ18OHCl P Werte. Ohne Berücksichtigung eines Düngeeffekts, zeigte sich außerdem, dass (ii) kurzfristige Regenwurmäktivität die Gehalte an CAL P und labilen P Fraktionen signifikant erhöhen kann. Jedoch wird (iii) das labile P in den Bioporen in stabileren, HCl-extrahierbaren Fraktionen festgelegt wie sich anhand von δ18OHCl P Werten nahe dem Gleichgewichtswert zeigte. Der zusätzliche Eintrag an pflanzenverfügbarem P in Bioporen war somit scheinbar höher als die Aufnahme durch Pflanzenwurzeln. In den Rhizotronen wurden (iv) Spross- und Wurzelbiomasse sowie Wurzelwachstum in den Unterboden und 33P-Aufnahme durch Düngung und Beregnung erhöht, genauso wie die Aufnahme von 33P. Jedoch wurden diese Prozesse kaum durch das Vorhandensein von Poren im Unterboden beeinflusst. Die alternative Anwendung von O Isotopen als Marker für P-Aufnahme ist nur eingeschränkt möglich, da (v) im Spross O Isotope zwischen Phosphat und dem markierten Wasser ausgetauscht wurden. Jedoch konnte ich eine Wiederfindung von bis zu 70% der O Isotopie des Düngers in den Wurzeln feststellen, welche sich somit als Schnittstelle für die Analyse der P-Aufnahme auch in Feldversuchen anbieten.
Zusammenfassend haben sowohl Düngung als auch Bioporen einen Effekt auf den P Umsatz im Unterboden. Der Einfluss der Bioporen war jedoch auf die Porenwand beschränkt, während das Vorhandensein von Poren im Unterboden die P-Aufnahme kaum beeinflusste. Sowohl in den Feldexperimenten als auch im Rhizotronversuch zeigte sich, dass eine verbesserte Ausnutzung von P Vorräten im Unterboden nicht im Ausgleich für Nährstoffmangel im Oberboden erfolgt, sondern nur durch eine ausreichende Versorgung mit P und anderen Nährstoffen wie N und Wasser im Oberboden erreicht werden kann.
Abstract Band 73
Bauke, S . (2018): Phosphorus acquisition from arable subsoils
Abstract
Phosphorus (P) is one of the major limiting nutrients in agricultural crop production, even though large quantities of P are present in soils and especially in the subsoil. As plant access to subsoil nutrients likely depends on overall resource availability and penetration resistance, I therefore evaluated whether and to which extent the utilisation of these subsoil P resources can be modulated by fertilisation and the presence of biopores. In detail, I tested (i) the effect of long-term P and nitrogen (N) fertilisation on P stocks and P cycling in the subsoil, (ii) the effect of short-term earthworm activity on P pools in biopores and (iii) whether biopores increase P availability and P cycling in the subsoil. Further, I (iv) tested a combined effect of fertilisation and soil pores on P acquisition from the subsoil. Since this test could only be conducted under highly artificial conditions, I finally (v) tested the application of oxygen (O) isotopes in plant phosphates as a tracer for plant P uptake.
I sampled (i) two long-term fertilisation trials with NPK, NK and PK fertilisation treatments on a loamy-clay soil in Gießen and on a sandy soil in Thyrow to a depth of 100 cm. Further, in a field trial on a loamy soil in Klein-Altendorf with conventional fertilisation, I twice sampled bulk soil and biopore linings. One sample set (ii) consisted of subsoil biopore samples with a known recent history with or without earthworm occupation, the other sample set (iii) included the complete soil profile to 105 cm depth in biopores with unknown history. Finally, I conducted two pot experiments to trace P uptake by roots. For this purpose, spring wheat was grown (iv) in rhizotrons filled with subsoil and a P-depleted topsoil in treatments with or without irrigation, with or without P-fertilisation and with or without macropores. To test the feasibility of P tracing by oxygen isotopes (v) pre-grown spring wheat was transferred to hydroponic solution or soil with unlabelled fertiliser and 18O-labelled water for one week.
P stocks in pools of varying chemical extractability and P speciation were determined by Hedley sequential extraction as well as X-ray absorption near-edge structure (XANES) spectroscopy. The concentration of plant-available P was additionally determined by calcium-acetate calcium-lactate (CAL P) extraction. For indications on P cycling in soils, I analysed the O isotopic composition of phosphate extracted by 1M HCl (δ18OHCl P). Oxygen isotopic compositions in plant phosphates were determined after extraction by 0.3M trichloro-acetic acid (TCA, δ18OTCA P). Uptake of radioactive 33P was quantified by radio-imaging and liquid-scintillation counting (LSC).
I found that (i) subsoil P stocks increased as a function of fertilisation regime in the order NK < NPK < PK independent of the soil type, although this trend was generally more pronounced at the sandy site in Thyrow than at the loamy-clay site in Gießen. Also, in Thyrow NK fertilisation resulted in subsoil δ18OHCl P values further from equilibrium than in the NPK treatments, indicating a lower degree of P cycling. The other treatments had only a limited effect on δ18OHCl P values. When excluding fertilisation effects, I found that (ii) short-term earthworm activity can significantly increase the concentration of CAL P and labile P pools in subsoil biopores. However, (iii) labile P is precipitated to more stable HCl-extractable bonding forms, as evident in δ18OHCl P values closer to equilibrium in biopores than in bulk soil. Additional supplies of plant-available P in biopores are thus apparently in excess of crop P uptake in biopores. Also, in the rhizotrons (iv) shoot and root biomass as well as root growth into the subsoil and 33P uptake were promoted by fertilisation and irrigation and so was 33P uptake. However, again these processes were not significantly affected by pores in the subsoil. The alternative application of O isotopes as a tracer is complicated by the fact that (v) phosphate in shoots was quickly equilibrated with the labelled water, i.e. the value of the P fertiliser was lost. However, up to 70% of the fertiliser δ18O values was preserved in the roots, which might thus provide a promising tool for tracing P acquisition in field studies.
In summary, fertilisation as well as biopores affect P cycling in the subsoil. However, the contribution of biopores was limited to P cycling in biopore linings, while the presence of pores in the subsoil hardly improved P acquisition. Both field and rhizotron studies indicated that efficient utilisation of P resources from the subsoil should not aim at compensating nutrient deficiency in the topsoil, but is achieved best when P and other factors such as N and water are supplied in sufficient amounts in the topsoil.