< Terug naar vorige pagina
Project
Verhoogde fosfaatbeschikbaarheid in verweerde bodems bij rotaties met vlinderbloemigen: een mechanistische analyse van de P-fluxen in bodems gemeten met de DGT (Difussive Gradient in Thin films) techniek.
Metingen van fosforbeschikbaarheid in sterk verweerde bodems met behulp van de 'diffusive gradients in thin films' (DGT) techniek</>
Fosfordeficiëntie is één van de belangrijkste beperking voor gewasproductie in tropische en subtropische bodems. Deze bodems zijn meestal rijk aan aluminium- en ijzeroxides waarop fosfor (P) sterk kan sorberen en bijgevolg niet langer beschikbaar is voor opname door planten (Norman et al. 1995; Sanchez et al. 1997). Het correct inschatten van de biobeschikbare P-fractie, alsook grondige kennis van de P-dynamiek in zulke bodems, zijn essentieel voor de evaluatie van verschillende plant-bodem systemen. Bodemanalyses spelen een cruciale rol in het voorspellen van de bodemvruchtbaarheid en zijn het uitgangspunt voor eventuele correctie ervan. Afgelopen decennia werden vele bodemtesten voorgesteld als ultieme indexvoor P-beschikbaarheid in bodems. Toch lijkt geen van deze technieken geschikt te zijn om de P-status in zure, sterk verweerde, tropische bodems te bepalen. De meest gebruikte P-bodemtesten zijn gebaseerd op extractie van bodem met een sterke base, een sterk zuur of een complexerende verbinding. Kenmerkend is dat deze bodemtesten enkel betrouwbare resultaten opleveren wanneer ze gebruikt worden voor bodems waarvoor ze werden ontwikkeld en gekalibreerd (Degryse et al. 2009b). Het doel van dit onderzoek is na te gaan of de recente diffusive gradients in thin films (DGT) techniek een betere voorspelling toelaat van de beschikbare P-pool invergelijking met de traditionele bodemtesten.
De DGT-techniek werd reeds succesvol gebruikt om concentraties van spoormetalen in aquatische systemen te meten (Zhang and Davison 1995; Zhang et al. 1998b), later om P concentraties in waters te bepalen (Zhang et al. 1998a) en recentelijk ook om de gewasrespons op toegediend P te voorspellen op verschillende bodemtypes (Mason et al. 2010; McBeath et al. 2007; Menzies et al. 2005; Tandy et al. 2011). In tegenstelling tot eerdere studies wordt in dit onderzoek de focus gelegd op sterk verweerde, zure, tropische bodems. Net zoals bij de resin- of anionuitwisselingsmembraanmethode (AEM), wordt er met de DGT een zero sink voor vrij fosfaat in de bodem geïntroduceerd. Tijdens het gebruik van de DGT wordt P voortdurend gebonden aan een ferrihydrietgel en verwijderd uit de bodemoplossing (intensiteitsfactor, I). Dit verstoort het evenwicht tussen P in oplossing en P opde vaste fase, en bijgevolg wordt de aanvulling van P in oplossing met P van de vaste fase gestimuleerd. Deze aanvulling of buffering hangt af van de labiele fractie of P-kwantiteit (Q) op de bodempartikels enerzijds en de P-bufferingscapaciteit (PBC) van de bodem anderzijds. Op voorwaarde dat de diffusie van P naar de plantenwortels toe de snelheidsbepalende factor is voor P-opname door wortels in sterk verweerde bodems, zullen P-concentraties gemeten met de DGT (CDGT) dus meer geschikt zijn om P-beschikbaarheid te voorspellen dan traditionele P-testen gebaseerd op extractie. DGT geeft immers een maat voor deze diffusieflux alsook voor deP-intensiteit en de buffering van een bodem, terwijl met de traditionele P-testen eerder een maat voor P-kwantiteit wordt verkregen.
Onze eerste hypothese was dat bodemtesten waarbij P wordt onttrokken uit de planttoegankelijke pool, P-beschikbaarheid en -opname beter zullen voorspellen dan de empirische testen gebaseerd op chemische extractie. Doorhet vergelijken van de isotopenratio (33P/31P, specifieke activiteit, SA) van P in de plant met deze gemeten in de verschillende bodemextracten, kan de eerste hypothese worden getest. Namelijk, wanneer de SA gemetenin de plant niet significant verschillend is van de SA gemeten in het bodemextract, werd er met grote waarschijnlijkheid P uitdezelfde P-pool onttrokken. We evalueerden dit voor de DGT techniek, alsook voor 7 traditionele P bodemtesten (nl. Olsen, Colwell, Bray-1, Mehlich-3, ammonium oxalaat, AEM en 0.01 M CaCl2). In een eerste potproef werd maïs opgegroeidin twee Keniaanse, P-deficiënte bodems met sterk verschillende P-sorptiecapaciteiten, die behandeld werden met twee dosissen (laag en hoog) oplosbaar P en gelabeld met 33P. Voor de bodem met de laagste sorptiecapaciteit behandeld met de lage P-dosis, werd er een goede overeenkomst gevonden tussen de SA gemeten in de extracten van de verschillende bodemtesten (behalve CaCl2 en ammoniumoxalaat extractie) en de SA gemeten in de plant. Bij de hoge P dosis op dezelfde bodem waren de verschillen in SA tussen bodemextracten en plant klein, maar significant voor de Colwell, Bray-1, Mehlich-3 en AEM testen. De SA gemeten in de bodemextracten van deconventionele bodemtesten, alsook bij AEM, waren significant kleiner dan de SA in de plant wanneer P (beide dosissen) werd toegediend aan de sterk sorberende bodem. Dit geeft aan dat we met deze bodemtesten P extraheren vanuit een pool die niet beschikbaar is voor planten. Het tegengestelde geldt echter voor de DGT techniek: voor geen enkele behandeling of bodem was er een significant verschil tussen de SA gemeten in maïs en deze gemeten in het DGT-eluent. Uit de resultaten van dit experiment kunnen we besluiten dat met de traditioneel gebruikte bodemtesten P wordt geëxtraheerd uit een P-pool die niet beschikbaar is voor maïs. Met de DGT-techniek echter werd P enkel uit de plantbeschikbare pool gesampled.
Een tweede potproef werd uitgevoerd om volgende hypothese te testen: de DGT-techniek, in vergelijking met de traditionele bodemtesten, laat toe om groeirespons van gewassen met sterk verschillende fosforvraag, i.e. maïs en rijst, beter te voorspellen op een reeks van negen tropische bodems gekenmerkt door P-deficiëntie. Resultaten van eerder gepubliceerdepot- en veldproeven op niet-zure bodems, vormen de basis voor onze hypothese. De DGT wordt verondersteld een betere index te zijn voor P-beschikbaarheid wanneer P slechts beperkt aanwezig is, omdat DGT een maat is voor de P-intensiteit in een bodem, voor de buffering vanuit de vaste fase alsook voor de aanvoer van P tot bij de plantenwortels door diffusie. Wij observeerden dat relatieve maïsopbrengsten (% van maximum opbrengst)beter konden verklaard worden met de DGT en de CaCl2-extracties (R² = 0.82 en 0.75, respectievelijk) dan met de conventionele P-testen (Olsen, Colwell, Bray-1, Mehlich-3, ammonium oxalaat) en AEM (R² < 0.53). Dit was echter niet zo voor de potproef met rijst als modelplant. In het gevalvan rijst, werden relatieve opbrengsten beter voorspeld m.b.v. de Mehlich-3, Bray-1, Olsen en AEM methode (R² ~ 0.7) dan met de DGT (R² = 0.53)of CaCl2-extractie (R² = 0.08). Bovendien suggereren modeleerresultatenvan Degryse et al. (2009b) dat kritische DGT-concentraties, i.e. CDGT nodig om 80 % van de maximumopbrengst te bereiken, eerder afhankelijk zijn van plant- dan van bodemeigenschappen. Onze resultaten bevestigen dit:de kritische DGT-concentratie voor deze negen bodems is 73 µg P L-1 voor maïs en slechts 7 µg P L-1 voor rijst. De kritische CDGT voor maïs is vergelijkbaar met deze gerapporteerd in de literatuur voor andere graangewassen. We kunnen dus besluiten dat voor maïsplanten, als type-gewas met een grote fosforvraag, de DGT-P en CaCl2-P, indices voor diffusietransport en P-intensiteit in een bodem, een betere maat zijn voor de plantbeschikbare hoeveelheid P dan de AEM-methode en de bodemtesten gebaseerd op chemische extractie. Deze laatsten zijn eerder indices van de P-kwantiteit op de bodempartikels. Voor rijst, een gewas met kleinere fosforvraag, zijn de chemische extracties en de AEM-test meer geschikt om een schatting te maken van de biobeschikbare P-fractie. Dit suggereert dat diffusie van P, zoals gemeten met DGT, niet de snelheidsbepalende stap is voor P-opname door rijst. Waarschijnlijk beschikken rijstplanten over strategieën om P-deficiëntie te overwinnen (bijvoorbeeld via het afscheiden van organische zuren of fosfatasen, aanpassing van wortelsstelsel).
Onze laatste doelstelling was het evalueren of de DGT-techniek ook kangebruikt worden om biobeschikbare P te voorspellen in bodems waaraan P werd toegediend onder de vorm van minerale en/of organische meststoffen van diverse kwaliteit. Dit werd onderzocht omdat eerdere studies aantoonden dat de P-bemestingswaarde van organische materialen (OM) zoals gewasresten en stalmest groter kan zijn dan deze van minerale meststoffen in sterk verweerde bodems. In dit laatste experiment werden aan twee sterk sorberende bodems 5 P dosissen (gaande van deficiënt tot voldoende) toegediend als tripel superfosfaat (TSP), een P-houdende kunstmeststof. Daarnaast werd bij een intermediaire P dosis (216 mg P kg-1) de substitutie van minerale P door P van 4 verschillende OM geëvalueerd. De geteste OM zijn stalmest (FYM) en gewasresten van Tithonia diversifolia, elk met een lage of hoge P-inhoud. Het effect van de gecombineerde toediening van TSP en OM op maïsopbrengst is variabel en afhankelijk van bodem- en OM-type: opbrengsten nemen toe, af of blijven ongeveer gelijk aan de vergelijkbare behandeling met enkel TSP. De relatie tussen relatieve opbrengst en CDGT (R² = 0.74) is sterker dan deze voor Olsen-P (R² = 0.60) en AEM-P (R² = 0.62) wanneer enkel behandelingen met P-effect in beschouwing werden genomen. Deze selectie was nodig omdat ook niet P-gerelateerde factoren ten gevolge van de OM-toediening een effect hebben op groei. Resultaten suggereren dat met de DGT-techniek TSP × OM interacties met invloedop P-beschikbaarheid beter kunnen worden opgevolgd dan met Olsen of AEM, al kunnen niet alle trends in maïsopbrengsten verklaard worden m.b.v. de DGT.
Samengevat toont dit werk aan dat met DGT een betere voorspelling kan gemaakt worden van maïsrespons na toediening van P (uit organische of anorganische meststoffen) in tropische, P-deficiënte bodems,dan met de traditionele bodemtesten. Dit hoeft niet te verbazen aangezien de DGT fosfor bindt uit dezelfde P-pool als deze waaruit maïswortels hun P opnemen, terwijl met de andere bodemtesten P ook wordt geëxtraheerd uit niet-plantbeschikbare pools, zoals aangetoond werd in het isotopenexperiment. De conventionele bodemtesten leiden vaak tot een overschatting van de hoeveelheid plantbeschikbaar P. Voor rijst is de voorspellingskracht van deze conventionele bodemtesten, eerder kwantiteitsmaten, veelgroter. Vermoedelijk hebben rijstplanten strategieën om om te gaan met P-tekorten. Onze resultaten bevestigen dat kritische DGT-concentraties plant- en niet bodemafhankelijk zijn. Tot slot vonden we weinig variatie in de kritische CDGT-waarden gemeten over de 2 responsexperimenten heen,met verschillende groeiperiodes, groeicondities en verschillende types P bronnen. Dit toont aan dat de DGT-techniek een robuuste methode is om de P-status van een bodem te evalueren en eventueel te corrigeren.
Fosfordeficiëntie is één van de belangrijkste beperking voor gewasproductie in tropische en subtropische bodems. Deze bodems zijn meestal rijk aan aluminium- en ijzeroxides waarop fosfor (P) sterk kan sorberen en bijgevolg niet langer beschikbaar is voor opname door planten (Norman et al. 1995; Sanchez et al. 1997). Het correct inschatten van de biobeschikbare P-fractie, alsook grondige kennis van de P-dynamiek in zulke bodems, zijn essentieel voor de evaluatie van verschillende plant-bodem systemen. Bodemanalyses spelen een cruciale rol in het voorspellen van de bodemvruchtbaarheid en zijn het uitgangspunt voor eventuele correctie ervan. Afgelopen decennia werden vele bodemtesten voorgesteld als ultieme indexvoor P-beschikbaarheid in bodems. Toch lijkt geen van deze technieken geschikt te zijn om de P-status in zure, sterk verweerde, tropische bodems te bepalen. De meest gebruikte P-bodemtesten zijn gebaseerd op extractie van bodem met een sterke base, een sterk zuur of een complexerende verbinding. Kenmerkend is dat deze bodemtesten enkel betrouwbare resultaten opleveren wanneer ze gebruikt worden voor bodems waarvoor ze werden ontwikkeld en gekalibreerd (Degryse et al. 2009b). Het doel van dit onderzoek is na te gaan of de recente diffusive gradients in thin films (DGT) techniek een betere voorspelling toelaat van de beschikbare P-pool invergelijking met de traditionele bodemtesten.
De DGT-techniek werd reeds succesvol gebruikt om concentraties van spoormetalen in aquatische systemen te meten (Zhang and Davison 1995; Zhang et al. 1998b), later om P concentraties in waters te bepalen (Zhang et al. 1998a) en recentelijk ook om de gewasrespons op toegediend P te voorspellen op verschillende bodemtypes (Mason et al. 2010; McBeath et al. 2007; Menzies et al. 2005; Tandy et al. 2011). In tegenstelling tot eerdere studies wordt in dit onderzoek de focus gelegd op sterk verweerde, zure, tropische bodems. Net zoals bij de resin- of anionuitwisselingsmembraanmethode (AEM), wordt er met de DGT een zero sink voor vrij fosfaat in de bodem geïntroduceerd. Tijdens het gebruik van de DGT wordt P voortdurend gebonden aan een ferrihydrietgel en verwijderd uit de bodemoplossing (intensiteitsfactor, I). Dit verstoort het evenwicht tussen P in oplossing en P opde vaste fase, en bijgevolg wordt de aanvulling van P in oplossing met P van de vaste fase gestimuleerd. Deze aanvulling of buffering hangt af van de labiele fractie of P-kwantiteit (Q) op de bodempartikels enerzijds en de P-bufferingscapaciteit (PBC) van de bodem anderzijds. Op voorwaarde dat de diffusie van P naar de plantenwortels toe de snelheidsbepalende factor is voor P-opname door wortels in sterk verweerde bodems, zullen P-concentraties gemeten met de DGT (CDGT) dus meer geschikt zijn om P-beschikbaarheid te voorspellen dan traditionele P-testen gebaseerd op extractie. DGT geeft immers een maat voor deze diffusieflux alsook voor deP-intensiteit en de buffering van een bodem, terwijl met de traditionele P-testen eerder een maat voor P-kwantiteit wordt verkregen.
Onze eerste hypothese was dat bodemtesten waarbij P wordt onttrokken uit de planttoegankelijke pool, P-beschikbaarheid en -opname beter zullen voorspellen dan de empirische testen gebaseerd op chemische extractie. Doorhet vergelijken van de isotopenratio (33P/31P, specifieke activiteit, SA) van P in de plant met deze gemeten in de verschillende bodemextracten, kan de eerste hypothese worden getest. Namelijk, wanneer de SA gemetenin de plant niet significant verschillend is van de SA gemeten in het bodemextract, werd er met grote waarschijnlijkheid P uitdezelfde P-pool onttrokken. We evalueerden dit voor de DGT techniek, alsook voor 7 traditionele P bodemtesten (nl. Olsen, Colwell, Bray-1, Mehlich-3, ammonium oxalaat, AEM en 0.01 M CaCl2). In een eerste potproef werd maïs opgegroeidin twee Keniaanse, P-deficiënte bodems met sterk verschillende P-sorptiecapaciteiten, die behandeld werden met twee dosissen (laag en hoog) oplosbaar P en gelabeld met 33P. Voor de bodem met de laagste sorptiecapaciteit behandeld met de lage P-dosis, werd er een goede overeenkomst gevonden tussen de SA gemeten in de extracten van de verschillende bodemtesten (behalve CaCl2 en ammoniumoxalaat extractie) en de SA gemeten in de plant. Bij de hoge P dosis op dezelfde bodem waren de verschillen in SA tussen bodemextracten en plant klein, maar significant voor de Colwell, Bray-1, Mehlich-3 en AEM testen. De SA gemeten in de bodemextracten van deconventionele bodemtesten, alsook bij AEM, waren significant kleiner dan de SA in de plant wanneer P (beide dosissen) werd toegediend aan de sterk sorberende bodem. Dit geeft aan dat we met deze bodemtesten P extraheren vanuit een pool die niet beschikbaar is voor planten. Het tegengestelde geldt echter voor de DGT techniek: voor geen enkele behandeling of bodem was er een significant verschil tussen de SA gemeten in maïs en deze gemeten in het DGT-eluent. Uit de resultaten van dit experiment kunnen we besluiten dat met de traditioneel gebruikte bodemtesten P wordt geëxtraheerd uit een P-pool die niet beschikbaar is voor maïs. Met de DGT-techniek echter werd P enkel uit de plantbeschikbare pool gesampled.
Een tweede potproef werd uitgevoerd om volgende hypothese te testen: de DGT-techniek, in vergelijking met de traditionele bodemtesten, laat toe om groeirespons van gewassen met sterk verschillende fosforvraag, i.e. maïs en rijst, beter te voorspellen op een reeks van negen tropische bodems gekenmerkt door P-deficiëntie. Resultaten van eerder gepubliceerdepot- en veldproeven op niet-zure bodems, vormen de basis voor onze hypothese. De DGT wordt verondersteld een betere index te zijn voor P-beschikbaarheid wanneer P slechts beperkt aanwezig is, omdat DGT een maat is voor de P-intensiteit in een bodem, voor de buffering vanuit de vaste fase alsook voor de aanvoer van P tot bij de plantenwortels door diffusie. Wij observeerden dat relatieve maïsopbrengsten (% van maximum opbrengst)beter konden verklaard worden met de DGT en de CaCl2-extracties (R² = 0.82 en 0.75, respectievelijk) dan met de conventionele P-testen (Olsen, Colwell, Bray-1, Mehlich-3, ammonium oxalaat) en AEM (R² < 0.53). Dit was echter niet zo voor de potproef met rijst als modelplant. In het gevalvan rijst, werden relatieve opbrengsten beter voorspeld m.b.v. de Mehlich-3, Bray-1, Olsen en AEM methode (R² ~ 0.7) dan met de DGT (R² = 0.53)of CaCl2-extractie (R² = 0.08). Bovendien suggereren modeleerresultatenvan Degryse et al. (2009b) dat kritische DGT-concentraties, i.e. CDGT nodig om 80 % van de maximumopbrengst te bereiken, eerder afhankelijk zijn van plant- dan van bodemeigenschappen. Onze resultaten bevestigen dit:de kritische DGT-concentratie voor deze negen bodems is 73 µg P L-1 voor maïs en slechts 7 µg P L-1 voor rijst. De kritische CDGT voor maïs is vergelijkbaar met deze gerapporteerd in de literatuur voor andere graangewassen. We kunnen dus besluiten dat voor maïsplanten, als type-gewas met een grote fosforvraag, de DGT-P en CaCl2-P, indices voor diffusietransport en P-intensiteit in een bodem, een betere maat zijn voor de plantbeschikbare hoeveelheid P dan de AEM-methode en de bodemtesten gebaseerd op chemische extractie. Deze laatsten zijn eerder indices van de P-kwantiteit op de bodempartikels. Voor rijst, een gewas met kleinere fosforvraag, zijn de chemische extracties en de AEM-test meer geschikt om een schatting te maken van de biobeschikbare P-fractie. Dit suggereert dat diffusie van P, zoals gemeten met DGT, niet de snelheidsbepalende stap is voor P-opname door rijst. Waarschijnlijk beschikken rijstplanten over strategieën om P-deficiëntie te overwinnen (bijvoorbeeld via het afscheiden van organische zuren of fosfatasen, aanpassing van wortelsstelsel).
Onze laatste doelstelling was het evalueren of de DGT-techniek ook kangebruikt worden om biobeschikbare P te voorspellen in bodems waaraan P werd toegediend onder de vorm van minerale en/of organische meststoffen van diverse kwaliteit. Dit werd onderzocht omdat eerdere studies aantoonden dat de P-bemestingswaarde van organische materialen (OM) zoals gewasresten en stalmest groter kan zijn dan deze van minerale meststoffen in sterk verweerde bodems. In dit laatste experiment werden aan twee sterk sorberende bodems 5 P dosissen (gaande van deficiënt tot voldoende) toegediend als tripel superfosfaat (TSP), een P-houdende kunstmeststof. Daarnaast werd bij een intermediaire P dosis (216 mg P kg-1) de substitutie van minerale P door P van 4 verschillende OM geëvalueerd. De geteste OM zijn stalmest (FYM) en gewasresten van Tithonia diversifolia, elk met een lage of hoge P-inhoud. Het effect van de gecombineerde toediening van TSP en OM op maïsopbrengst is variabel en afhankelijk van bodem- en OM-type: opbrengsten nemen toe, af of blijven ongeveer gelijk aan de vergelijkbare behandeling met enkel TSP. De relatie tussen relatieve opbrengst en CDGT (R² = 0.74) is sterker dan deze voor Olsen-P (R² = 0.60) en AEM-P (R² = 0.62) wanneer enkel behandelingen met P-effect in beschouwing werden genomen. Deze selectie was nodig omdat ook niet P-gerelateerde factoren ten gevolge van de OM-toediening een effect hebben op groei. Resultaten suggereren dat met de DGT-techniek TSP × OM interacties met invloedop P-beschikbaarheid beter kunnen worden opgevolgd dan met Olsen of AEM, al kunnen niet alle trends in maïsopbrengsten verklaard worden m.b.v. de DGT.
Samengevat toont dit werk aan dat met DGT een betere voorspelling kan gemaakt worden van maïsrespons na toediening van P (uit organische of anorganische meststoffen) in tropische, P-deficiënte bodems,dan met de traditionele bodemtesten. Dit hoeft niet te verbazen aangezien de DGT fosfor bindt uit dezelfde P-pool als deze waaruit maïswortels hun P opnemen, terwijl met de andere bodemtesten P ook wordt geëxtraheerd uit niet-plantbeschikbare pools, zoals aangetoond werd in het isotopenexperiment. De conventionele bodemtesten leiden vaak tot een overschatting van de hoeveelheid plantbeschikbaar P. Voor rijst is de voorspellingskracht van deze conventionele bodemtesten, eerder kwantiteitsmaten, veelgroter. Vermoedelijk hebben rijstplanten strategieën om om te gaan met P-tekorten. Onze resultaten bevestigen dat kritische DGT-concentraties plant- en niet bodemafhankelijk zijn. Tot slot vonden we weinig variatie in de kritische CDGT-waarden gemeten over de 2 responsexperimenten heen,met verschillende groeiperiodes, groeicondities en verschillende types P bronnen. Dit toont aan dat de DGT-techniek een robuuste methode is om de P-status van een bodem te evalueren en eventueel te corrigeren.
Datum:1 okt 2008 → 21 dec 2012
Trefwoorden:Weathered soils, Phosphate
Disciplines:Productie van landbouwdieren, Productie van landbouwgewassen, Landbouw, land- en landbouwbedrijfsbeheer, Andere landbouw, bosbouw, visserij en aanverwante wetenschappen
Project type:PhD project