title: Increasing soil phosphate availability and phosphate fertilizer efficiency
Creators: name: Wanke, Daniel
Publisher: name: Universität Hohenheim
Year: 2023
Subjects: subject: 630

description: Phosphate is an important nutrient for agricultural animal and plant production. However, phosphate resources are limited, and unevenly distributed worldwide. Furthermore, accessing phosphate in the soil solution is complicated by the fact that soil phosphate solution concentrations generally remain low because the majority of soil phosphate is adsorbed to soil particles. Therefore, to efficiently utilize P, it is important to have an optimal fertilizer strategy where plants receive only the amount of phosphate needed to be adequately fertilized while minimizing soil phosphate accumulation. To determine precise fertilizer recommendations, phosphate extraction and detection methods are needed which indicate a high correlation between extracted soil phosphate and phosphate plant uptake. During the last decades, inductively coupled plasma optical emission spectroscopy (ICP OES) began to be used for phosphate detection more frequently in labs and, to some extent, replaced colorimetric phosphate detection. As a consequence, the question then arose whether ICP-OES and colorimetry can be used interchangeably for fertilizer recommendations. To answer this question, the Mehlich 3 extraction method was used to investigate differences between the colorimetric phosphate detection (Col-P) and phosphate detection with ICP-OES (ICP-P). It was found that the differences were great enough to state that Col-P and ICP-OES cannot be used interchangeably in Mehlich 3 extracts. Since Germany primarily uses the CAL extraction method, and not Mehlich 3, we chose to investigate whether there would be differences in results when using CAL extracts. The main objective of the first paper in this thesis was to investigate potential differences between Col-P and ICP-P for CAL extracts and compare the results to widely used phosphate extraction methods. Activated charcoal (AC) was used to explore whether the resulting differences could be reduced between both detection methods by the potential removal of organic phosphate from the solutions. The results of this experiment showed that among all tested extraction methods (CAL, Water, Olsen and Mehlich 3), CAL detected a low concentration of soil molybdate unreactive phosphate (MURP), and, simultaneously, a very strong correlation between ICP-P and Col-P with and without AC (-AC: RS = 0.990 and +AC: RS = 0.996). The regression line was nearly parallel to the 1:1 line, thus, making a conversion factor calculation for a broad spectrum of soils feasible. Although the correlation was less strong (-AC: RS = 0.85) between Col-P and ICP-P in Olsen extracts without an AC treatment, the addition of AC increased the correlation (+AC: RS = 0.99). Therefore, adding AC may be obligatory if a conversion factor needs to be calculated for Olsen extracts. Liquid 31P-NMR is predominantly used to differentiate between different organic phosphate (Porg) species. In addition, we used Raman spectroscopy to test if it can be used for the detection of Pi species in different soil matrices. For this purpose, Ca(H2PO4)2⋅H2O, CaHPO4 and β Ca3(PO4)2 were added to Luvos® healing earth, loess (C-horizon) and Filder loam (Ap horizon). All Pi species were detected using Raman spectroscopy which demonstrated its feasibility as an instrument to investigate different Pi species in soil, and which is expected to be useful in gaining further knowledge about the soil phosphate cycle. In the next experiment, we investigated whether the CAL extraction method is also reliable to characterize plant phosphate availability in organic agriculture. Organic farmers have frequently reported sufficient yield levels despite low or even very low soil CAL-P concentrations and, as a result, questioned the applicability of the acidic CAL method as a method for fertilizer recommendations for organic agriculture. This raised the question whether an alkaline extraction method such as Olsen would show more reliable results due to the extraction of labile Porg species. Therefore, phosphate of 22 soil samples of organic farms were extracted with different extractants (Water, CAL, Olsen, Mehlich 3, Bray P1, Bray P2, NaOH + EDTA) and phosphate was detected with ICP-OES and colorimetry. Using Olsen extracts, showed a correlation between plant offtake and Olsen-P that was very strong (RS = 0.94) compared to the very acidic extractants. Nevertheless, the correlation between plant offtake and CAL-P was also strong (RS = 0.91) despite the low extraction of Porg. Therefore, it was concluded that CAL can be used in organic agriculture for fertilizer recommendations. Furthermore, the comparison of CAL-P extracted and determined at the University of Hohenheim compared to CAL-P provided by farmers showed large discrepancies at times. Those differences may be explained by soil heterogeneity or the use of different phosphate detection methods; therefore, we recommended that soil samples be taken on a regular basis to increase the precision of the fertilizer strategy. Soil Porg may be an important phosphate source for plants. Therefore, in the fourth paper 31P NMR was used to gain an insight into how long-term compost application influence Porg in soil. Additionally, we measured phosphate turnover indicators such as phosphatase activity and microbial biomass P. Especially high compost application (treatment 400) increased the soil phosphatase activity and the inorganic phosphate (Pi) (CAL-P and Olsen P) in comparison to the control. Furthermore, 31P-NMR analysis showed that phospholipid-P and DNA-P in the treatment 400 increased due to compost application while all phosphomonoesters decreased compared to the control. These results suggest that organic fertilization in the form of compost increases mineralization processes which, in turn, reduces the phosphomonoesters.
description: Phosphat ist ein wichtiger Nährstoff in der Landwirtschaft und wird als Dünger im Pflanzenbau sowie als Supplement in der Tierernährung eingesetzt. Die weltweiten Phosphatressourcen sind jedoch limitiert und gleichzeitig ungleich verteilt. Des Weiteren ist die Verfügbarkeit von Phosphat generell gering, da die Mehrheit des Phosphats in gebundener Form im Boden vorliegt. Daher ist es für eine effiziente Phosphatnutzung wichtig nur so viel Phosphat zu düngen, wie die Pflanze benötig und eine Akkumulation zu reduzieren. Um genaue Düngeempfehlungen aussprechen zu können, sind Phosphatextraktionsmethoden und -Detektionsmethode nötig, die eine hohe Korrelation, mit dem durch Pflanzen aufgenommenen Phosphat, in der oberirischen Biomasse (Pflanzen-P) anzeigen. In den letzten 20 Jahren hat die Nutzung der optischen Emissionsspektrometrie mittels induktiv gekoppelten Plasmas (ICP-OES) als Methode zur Phosphatdetektion zugenommen und teilweise die zuvor genutzte Standardmethode der kolorimetrischen Phosphatbestimmung abgelöst. Dies hat zur Frage geführt, ob beide Detektionsmethoden ähnliche Ergebnisse liefern und dadurch austauschbar eingesetzt werden können. Die Phosphatextraktionsmethode Mehlich 3 wird in den USA häufig verwendet. Insofern gibt es mehrere amerikanische Studien, die die Phosphatdetektionsmethoden ICP-OES (ICP-P) und Kolorimetrie (Col-P) miteinander vergleichen. In diesen Studien gab es zwischen den Methoden deutliche Unterschiede, so dass empfohlen wurde, beide Methoden nicht abwechselnd zu verwenden. In Deutschland wird überwiegend die Phosphatextraktionsmethode CAL verwendet, daher wurde beschlossen, zu untersuchen, ob sich die gemessenen Phosphatkonzentrationen zwischen Col-P und ICP-P unterscheiden, wenn Extrakte, die Mittels der CAL-Methode gewonnen wurden untersucht werden. Diese Ergebnisse wurden mit anderen häufig eingesetzten Phosphatextraktionsmethoden (Wasser, Olsen und Mehlich 3) verglichen, mit denen dieselben Böden extrahiert wurden und Phosphat ebenfalls kolorimetrisch und mittels ICP-OES detektiert wurde. Aktivkohle (AC) wurde zusätzlich hinzugefügt, um zu untersuchen, ob die Unterschiede zwischen Col-P und ICP-P durch AC reduziert werden können. Die Ergebnisse der Experimente haben gezeigt, dass die Differenz zwischen ICP-P und Col- P (MURP) in den CAL-Extrakten am geringsten war und gleichzeitig beide Detektionsmethoden eine hohe Korrelation hatten, mit und ohne AC (-AC: RS = 0.990 und +AC: RS = 0.996). Zudem verlief die Regressionsgerade fast parallel zur 1:1-Geraden. Dies macht es möglich, einen Umrechnungsfaktor zwischen beiden Detektionsmethoden zu bestimmen. Währenddessen war die Korrelation weniger stark zwischen Col-P und ICP-P in Extrakten der Olsen-Methode (-AC: RS = 0.85) ohne AC-Behandlung. Die Korrelation wurde jedoch durch eine AC-Behandlung deutlich verbessert. Dies zeigt, dass eine AC- Behandlung von Olsen-Extrakten wichtig ist, wenn man einen Umrechnungsfaktor bestimmen möchte. Im zweiten Paper wurde untersucht, ob die CAL-Methode auch zuverlässige Ergebnisse im ökologischen Landbau liefert. Ökologisch wirtschaftende Landwirte haben berichtet, dass trotz geringer Phosphatkonzentrationen (CAL-P) im Boden, keine Ertragseinbußen festgestellt werden konnten, weshalb die Aussagekraft der sauren CAL-Methode für Düngeempfehlungen in der ökologischen Landwirtschaft angezweifelt wurde. Dies hat uns zur Frage gebracht, ob eine alkalische Phosphatextraktionsmethode wie die Olsen-Methode eine bessere Aussagekraft liefern könnte, aufgrund der Extraktion von organischen Bestandteilen. Aufgrund dessen wurden 22 Bodenproben von ökologisch wirtschaftenden landwirtschaftlichen Betriebe mit Phosphatextraktionsmethode (Water, CAL, Olsen, Mehlich 3, Bray P1, Bray P2, NaOH + EDTA) extrahiert sowie Col-P und ICP-P bestimmt. Die Korrelation zwischen Olsen-P und Pflanzen-P war sehr stark (RS = 0.94) insbesondere im Vergleich zu den sehr sauren Phosphatextraktionsmethoden. Dennoch war auch die Korrelation zwischen CAL-P und Pflanzen-P hoch (RS = 0.91), weshalb geschlussfolgert wurde, dass die Extraktionsmethode CAL auch für den ökologischen Landbau geeignet ist. Teilweise gab es deutliche Unterschiede zwischen CAL-P, welches an der Universität Hohenheim extrahiert und bestimmt wurde und CAL-P bereitgestellt durch die teilnehmenden Landwirte. Diese Unterschiede können durch die heterogene Beschaffenheit von Böden oder durch Unterschiede in der Phosphatbestimmung beschrieben werden. Daher wird empfohlen, dass Bodenproben regelmäßig gezogen und analysiert werden, um die Präzession der Düngung zu erhöhen. Die Raman-Spektroskopie wurde eingesetzt, um zu testen, ob diese spektroskopische Methode zur Bestimmung verschiedener Calciumphosphate im Boden verwendet werden kann. Dafür wurden die Calciumphosphate Ca(H2PO4)2⋅H2O, CaHPO4 und β-Ca3(PO4)2 mit Luvos®-Heilerde, einem Löss (C-Horizont) und einem Filderlehm (Ap-Horizont) gemischt. Alle Calciumphosphate konnten mittels Raman-Spektroskopie identifiziert werden, woraus man schließen kann, dass diese Methode für die Bodenanalyse eingesetzt werden kann, um neue Erkenntnisse über den Phosphatkreislauf zu gewinnen Die 31P-NMR wird überwiegend verwendet, um zwischen organischen Phosphatspezies (Porg) zu unterscheiden. Porg ist ein großer Bestandteil vieler Böden und ist somit auch eine wichtige Quelle für die Pflanzenernährung mit P. Im vierten Paper wurde daher 31P-NMR genutzt, um einen Einblick zu erhalten, wie die langfristige Kompostapplikation verschiedene Porg-Spezies im Boden beeinflusst. Zusätzlich wurden verschiedene Indikatoren bestimmt, die den Phosphatkreislauf beeinflussen, wie z.B. die Phosphataseaktivität und mikrobielle Biomasse-P. Die Kompostapplikation hat insbesondere in der Behandlung 400 mit hoher Kompostapplikationsrate im Vergleich zur Kontrolle die Phosphataseaktivität und den Anteil von anorganischem Phosphat (Pi) erhöht. Des Weiteren hat die Analyse mit der 31P-NMR einen Anstieg der Phospholipide und DNA in der Behandlung 400 gezeigt, während gleichzeitig die Phosphomonoesterregion abgenommen hat. Dies belegt, dass eine Kompostdüngung die Mineralisation steigert und es so zu einer Reduktion von Phosphomonoestern kommt.