Phosphate ageing in soil and bioavailability of aged phosphates

Abstract

Phosphorus (P) is one of the most limiting plant nutrients. This limitation of P is due to strong retention of phosphate ions with soil particles. Thus, most of the applied P in soils becomes unavailable for plants. In acid soils, phosphate is adsorbed at the surfaces of Fe and Al oxides and then becomes occluded with time, termed phosphate ageing. The aged phosphate is highly unavailable to plants due to its very strong fixation. It is known that plant species have developed various adaptations to enhance P uptake from the soil under P starved conditions. One of these adaptations is the formation of cluster roots. The plant species with the cluster roots such as white lupin, release various exudates into the soil which may mobilize various P fractions in the soil. The objectives of this study were to better understand the process of the phosphate ageing by investigating the kinetics and relationship of the aged and applied P in the soil, and to investigate the bioavailability of the aged P. Soil incubation and plant growth experiments were carried out to achieve these objectives.In the first experiment, a Luvisol topsoil and a Ferralsol were incubated for 1 d, 3 months, and 6 months in a growth chamber at 25°C. There were two pH levels i.e. 7.2 and 5.5 of each soil and two P levels i.e. 0 (P-) and 100 (P+) mg P kg-1 soil. P fertilization had a significant effect on CAL-extractable-P (CAL-P) concentrations after 1 d, 3 months, and 6 months of soil incubation. The CAL-P concentrations were higher in the P+ treatments than in the P- treatments in both of the soils. The soils had a significant effect on the CAL-P concentrations. The CAL-P concentrations were higher in the Luvisol topsoil than in the Ferralsol. These were very low in the Ferralsol. In this soil, most of the applied P (more than 90%) was not extractable with the CAL method. Maize (Zea mays L. cv. Amadeo) and white lupin (Lupinus albus L. cv. Amiga) were grown in the 6 month-incubated soils. Plants grown in the Luvisol topsoil had a higher P content than those grown in the Ferralsol. The maximum P contents were in the P+ treatments. Maize had a higher P content than white lupin when it was grown in the Luvisol topsoil with P application (P+). White lupin had a higher P content than maize when grown in the Ferralsol.In the second experiment, the soils (the Luvisol topsoil and the Ferralsol) were incubated for 0.5 h, 1 h, 2 h, 4 h, 8 h, 12 h and 24 h in pots at 25°C in the growth chamber. P was applied at the rate 100 mg kg-1 soil. The CAL-P concentration data showed that most of the added P in the Ferralsol had become non-CAL-extractable after 1 h. The Luvisol topsoil did not adsorb phosphate in the P+ treatment immediately. After 8 h of incubation, the CAL-P concentration decreased. In the second part of this experiment, these soils were incubated for 24 h in pots with various P levels i.e. 0, 100, 150, 200, 250, 500 mg P kg-1 soil. The CAL P and aged P data showed that most of the P applied in the Ferralsol was aged, in contrast to the Luvisol topsoil.In the third experiment, a Luvisol subsoil was incubated in plastic buckets. Each bucket had 3 kg of soil. There were three pH levels, i.e. 7.2, 5.2, 4.6 and two P levels i.e. with P (P+) and without P (P-). In the P+ treatments, 200 mg P kg-1 soil were applied as KH2PO4. Goethite (Fe oxide) and Gibbsite (Al oxide) minerals were added as P adsorbents at the rate of 300 mmol Fe and Al kg-1 soil. The soils were incubated for 1 week, 3 months, and 6 months, respectively, at 25°C in a growth chamber. The results showed that the aged-P concentrations were affected by the P application, phosphate adsorbent and time. The aged-P concentrations increased after 3 months of incubation in the P+ treatments. The aged-P concentrations were increased where Al oxide was applied as P adsorbent. In the fourth experiment, maize (Zea mays L. cv. Amadeo) and white lupin (Lupinus albus L. cv. Amiga) were cultivated in the Luvisol subsoil in pots. Each pot had 1 kg of soil with one plant. Ten mg P kg-1 soil were applied as Al oxide-occluded P, Fe oxide-occluded P, and Ca(H2PO4)2. These occluded phosphates were synthesized before the start of the experiment. The data from the P contents in plants and the occluded-P concentrations in soil after the plant cultivation showed that white lupin mobilized the Fe oxide-occluded P but not the Al oxide-occluded P, while maize was unable to mobilize both occluded P forms. Phosphor (P) ist einer der meisten limitierenden Pflanzennährstoffe. Durch die starke Bindung von Phosphationen an Bodenpartikel ist ein Großteil des gedüngten Phosphors nicht pflanzenverfügbar. In sauren Böden wird Phosphat an den Oberflächen von Eisen- und Aluminiumoxiden adsorbiert und mit der Zeit okkludiert. Dieser Prozess wird Phosphatalterung genannt. Durch diese starke Bindung ist das gealterte Phosphat sehr wenig pflanzenverfügbar. Es ist bekannt, dass einige Pflanzenarten verschiedene Strategien entwickelt haben, um unter P-Mangelbedingungen weiterhin P aus dem Boden aufnehmen zu können. Eine Strategie ist die Bildung von Proteoidwurzeln. Pflanzenarten wie die Weißlupine geben verschiedene Exsudate aus diesen Proteoidwurzeln in den Boden ab. Diese Exsudate können P aus unterschiedlichen P-Fraktionen im Boden mobilisieren. Ziel dieser Studie war es, die Prozesse der Phosphatalterung aufzuklären. Hierzu wurden die Kinetik und die Beziehung zwischen gealtertem und gedüngtem P im Boden untersucht. Außerdem wurde mittels Bodeninkubations- und Gefäßversuchen mit Pflanzen die Bioverfügbarkeit von gealtertem P bestimmt. Im ersten Experiment wurde der Oberboden eines Luvisols und eines Ferralsols bei 25°C für 1 Tag, 3 Monate und 6 Monate in einer Klimmakammer inkubiert. Beide Böden wurden auf zwei pH-Werte eingestellt (pH 7,2 und pH 5,5) und erhielten unterschiedliche P-Düngermengen 0 (P-) und 100 (P+) mg P kg-1 Boden. Die P-Düngung hatte einen signifikanten Einfluss auf die CAL-extrahierbaren-P-Konzentrationen nach 1 Tag, 3 Monaten und 6 Monaten Inkubationsdauer. Die CAL-P-Konzentrationen waren in beiden Böden höher in den P+-Varianten im Vergleich zu den P--Varianten. Des Weiteren waren die Konzentrationen im Luvisol deutlich höher als im Ferralsol. Im Ferralsol war ein Großteil des gedüngten Phosphats (mehr als 90%) nicht CAL-extrahierbar.Nach der sechsmonatigen Inkubationsdauer wurden Mais (Zea mays L. cv. Aamdeo) und Weiße Lupine (Lupinus albus L. cv. Amiga) auf diesen Böden kultiviert. Sowohl der Mais als auch die Weiße Lupine zeigten höhere P-Gehalte nach der Kultivierung auf dem Luvisol als nach der Anzucht auf dem Ferralsol. In den P+-Varianten wurden bei beiden Pflanzenarten höhere P-Gehalte als in den P-Varianten ermittelt. Nach Anzucht der P+-Varianten auf dem Luvisol wies der Mais höhere P-Gehalte als die Weiße Lupine auf. Jedoch zeigte die Weiße Lupine im Vergleich zum Mais in der P+-Variante auf dem Ferralsol höhere P-Gehalte. Im zweiten Experiment wurden der Luvisol und der Ferrasol für 0,5 h, 1 h, 2 h, 4 h, 8 h, 12 h und 24 h in Gefäßen bei 25°C in der Klimakammer inkubiert. 100 mg P kg-1 Boden wurden jeweils appliziert. Ein Großteil des applizierten Phosphors war im Ferralsol bereits nach 1 h nicht mehr CAL-extrahierbar. Der Oberboden des Luvisols hatte das applizierte P nicht sofort adsorbiert, da ein Abfall des CAL-extrahierbaren Phosphors erst nach 8 h Inkubationsdauer messbar war. Im zweiten Teil des Experiments wurden die Böden für 24 h in Gefäßen mit unterschiedlichen P-Mengen inkubiert (0, 100, 150, 200, 250, 500 mg P kg-1). Die Messergebnisse für das CAL-P und für die Fraktion des gealterten Phosphors zeigen, dass das meiste applizierte P im Ferralsol gealtert war, nicht aber im Luvisol.Im dritten Experiment wurden 3 kg eines Luvisol-Unterbodens in Plastikgefäßen inkubiert. Im Boden wurden drei unterschiedliche pH-Werte eingestellt (pH 7,2, pH 5,2 und pH 4,6) und zwei P-Düngestufen, mit P (P+) und ohne P (P-). In der P+-Variante wurden 200 mg P kg-1 Boden als KH2PO4 appliziert. Jeweils 300 mmol Fe oder Al kg-1 Boden wurden dem Boden als Goethit (Eisenoxid) oder Gibbsit (Aluminiumoxid) als P-Adsorbenten untergemischt. Die Böden wurde nach je 1 Woche, 3 Monaten und 6 Monaten Inkubation bei 25°C in der Klimakammer beprobt. Die Ergebnisse zeigen, dass die Fraktion des gealterten Phosphats durch die P-Applikation, die verwendeten Oxide und die Inkubationsdauer beeinflusst wurde. Die Fraktion des gealterten Phosphat erhöhte sich nach 3 Monaten in der P+-Variante und in der Aluminiumoxid-Variante. In einem vierten Experiment wurden Mais (Zea mays L. cv. Amadeo) und die Weiße Lupine (Lupinus albus L. cv. Amiga) in einem Luvisol Unterboden (je 1 kg Boden pro Pflanze) in Plastikgefäßen kultiviert. 10 mg P kg-1 Boden wurden dem Boden in unterschiedlichen Phosphatformen untergemischt: Aluminiumoxid-okkludiertes P, Eisenoxid-okkludiertes P und Ca(H2PO4)2. Diese okkludierten Phosphate wurden für das Experiment synthetisch hergestellt. Die Pflanzen wurden nach 35-tägiger Anzucht geerntet. Der Mais konnte sich weder das okkludierte Phosphat des Aluminiumoxids noch das okkludierte Phosphat des Eisenoxids aneignen. Die P-Gehalte der Weißen Lupine und die P-Konzentrationen im Boden zeigten jedoch, dass die Weiße Lupine in der Lage war, das okkludierte P aus Eisenoxid, jedoch nicht aus Aluminiumoxid, zu mobilisieren.