Einfluss der Struvit-Düngung (Crystal Green) auf den Bodenelementgehalt, bestimmt durch verschiedene Methoden beim Sojaanbau

Wissenschaftliche Berichte Band 13, Artikelnummer: 12702 (2023) Diesen Artikel zitieren

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Struvit gilt als vielversprechende Phosphordünger-Alternative zu Mineraldüngern; Vor der Düngung sollten jedoch Bodentests durchgeführt werden, um Düngeempfehlungen zu ermitteln. Im Mai 2022 wurden Bodenproben aus einem Topfversuch mit Phosphoranwendung entnommen, der an der Universität Breslau und den Umwelt- und Biowissenschaften durchgeführt wurde. Die chemische Analyse des Bodens umfasste den gesamten und verfügbaren Phosphor, Kalium und Magnesium, bestimmt nach den Methoden Egner-Riehm, Mehlich 3 und Yanai. Der Zweck des Artikels besteht darin, die Extraktion von Bodenelementen durch drei verschiedene Methoden unter Struvitdüngung und deren Verwendung im Sojaanbau zu vergleichen. Die Anwendung dieser Methoden zeigte einen eindeutigen Anstieg des Mg-Gehalts im Boden nach der Anwendung von Struvit. Die flächendeckende Düngung mit Sojabohnen beeinflusste den Phosphorgehalt des Bodens. Die Ergebnisse der Studie zeigten, dass unterschiedliche Extraktionsmethoden unterschiedliche P-Gehalte im Boden aufwiesen. Der Gehalt an verfügbarem Phosphor betrug etwa 122–156 mg kg-1 dm, 35,4–67,5 mg kg-1 dm und 100–159 mg kg-1 dm nach den Methoden Mehlich, Yanai und Egner-Riehm. Es wurde eine positive Korrelation zwischen dem Gehalt an Mg und K im Boden festgestellt, der mit der Mehlich-3- und der Yanai-Methode bestimmt wurde, was darauf hindeuten könnte, dass die Yanai-Methode in die standardmäßige chemische Bodenanalyse in Polen eingeführt werden könnte. Eine solche Korrelation wurde für Phosphor nicht gefunden, da dieses Element aufgrund der Vielzahl von Faktoren, die seine Verfügbarkeit beeinflussen, schwierig zu bestimmen ist.

Phosphor ist ein wichtiges Element, das den Nährstoffreichtum und die Fruchtbarkeit von Böden steigert. Es ist außerdem eine zentrale Komponente, die für das reibungslose Funktionieren der Pflanzen verantwortlich ist und zu hohen Mengen und qualitativ hochwertigen Erträgen führt. Das tatsächliche Ausmaß der kommerziell nutzbaren weltweiten Phosphatgesteinsreserven war in den letzten Jahren weiterhin Gegenstand erheblicher Unsicherheit1. Es wird geschätzt, dass bei der derzeitigen Verbrauchsrate die globale Phosphorreserve (P) für 600–1000 Jahre ausreicht2,3. Die P-Gesteinsreserven werden erschöpft und gefährden so die langfristige globale Ernährungssicherheit. Daher werden Alternativen für P untersucht.

Eine vielversprechende Möglichkeit ist Struvit (MgNH4PO46H2O), das aus Klärschlamm gewonnen werden kann. Die Rückgewinnung von Struvit hat nicht nur im Agrarsektor, sondern auch in Kläranlagen mehrere zusätzliche Vorteile4,5,6, da Struvit als alternative Quelle für Elemente wie Phosphor, Stickstoff und Magnesium für landwirtschaftliche Zwecke gilt7,8,9. Struvit hat einen theoretischen P-Gehalt, der dem von Phosphatgestein nahe kommt (12,6 % Trockengewicht [DW]) und hat sich insbesondere in sauren Böden als wirksamer P-Dünger erwiesen und gilt als Düngemittel mit langsamer Freisetzung, das P-Verluste reduzieren kann Umwelt10,11. Struvit enthält auch einige Schwermetalle, da Abwasser eine erhebliche Menge solcher Elemente enthält; Diese treten jedoch in akzeptablen Grenzen auf, wie unsere eigene Forschung12 gezeigt hat. Experimentelle Daten verschiedener Pflanzenarten belegen, dass die Düngung mit Struvit zu ähnlichen Pflanzenerträgen führt wie die mineralische Düngung7,8,12,13,14,15.

Unter den Nährstoffen ist Phosphor im Boden aufgrund seiner verschiedenen Formen einer der am schwierigsten zu analysierenden, z. B. als in der Bodenlösung gelöstes P; P absorbiert in Tonmineralien, Fe- und Al-(Hydr-)Oxiden; P in Primärmineralien organisches P; und mikrobielle P-Pools16. Der Phosphorgehalt wird normalerweise mit Bodentests analysiert, die in den letzten sechs Jahrzehnten entwickelt wurden17,18,19. Die Interpretation von Phosphortests im Boden ist mit erheblichen Unsicherheiten behaftet. Bodenphosphortests versuchen, die Pflanzenaufnahme darzustellen, indem sie dieses den Pflanzen zur Verfügung stehende Element ganz oder teilweise extrahieren. Die Untersuchung des Phosphorgehalts des Bodens hilft bei der Bestimmung der geeigneten Phosphordosis20. Weltweit werden zahlreiche Tests zur Bestimmung des P-Gehalts im Boden eingesetzt, wobei in Amerika mehr als 13 Phosphortests für agronomische Empfehlungen entwickelt wurden. Die Testauswahl hängt normalerweise von den örtlichen Bodenbedingungen ab (z. B. sind einige Tests besser auf Bedingungen mit hohem oder niedrigem pH-Wert vorbereitet als andere), obwohl historische und institutionelle Faktoren hauptsächlich die Testauswahl in verschiedenen Gebieten beeinflussen. Ursprünglich wurden alle Bodentests kolorimetrisch analysiert, beispielsweise mit der von Murphy und Riley21 entwickelten Molybdänblau-Methode. Nach der Einführung der Spektrometrie mit induktiv gekoppeltem Plasma (ICP) wurden in den 1970er und 1980er Jahren neue Bodentests entwickelt, die die gleichzeitige Messung vieler Elemente aus einem einzigen Bodenextrakt ermöglichten16. In Polen wird seit einigen Jahren die Egner-Riehm-Methode verwendet, um den Bodenreichtum an pflanzenverfügbarem Phosphor und Kalium zu bestimmen22. Dabei werden mit Salzsäure angesäuertes Calciumlactat (CH3-CHOH-COO)2Ca) Phosphorverbindungen aus dem Boden extrahiert. Die für die Extraktion verwendete Lösung ist 0,04 N Calciumlactat und 0,02 N Salzsäure22. Diese Methode erweist sich jedoch häufig als unzureichend präzise für die genaue Bestimmung der optimalen Pflanzendosen von Phosphor, um eine hohe Effizienz der Düngung zu gewährleisten und einen mindestens durchschnittlichen Bodenreichtum aufrechtzuerhalten in pflanzenverfügbarem Phosphor. Daher sollten andere, kompliziertere Methoden verwendet werden, die die Bestimmung des Bodengehalts an verschiedenen Phosphorfraktionen ermöglichen.

Mehlich 3 ist ein zentraler Bestandteil der Düngeempfehlungen für Phosphor (P), Kalium (K), Kalzium (Ca), Magnesium (Mg) und einige Spurenelemente, um einen optimalen Ertrag zu erzielen; Allerdings ist es in Polen in Chemie- und Landwirtschaftsbetrieben nicht so beliebt23. Diese Methode wird hauptsächlich in der Tschechischen Republik sowie in großen Teilen Kanadas und den USA24 angewendet. Der beabsichtigte Zweck dieses Tests besteht darin, Teile mehrerer verschiedener P-Pools zu isolieren, die mit der Phosphormenge korrelieren, die den Pflanzen während der Vegetationsperiode zur Verfügung steht23. Der Grund für die Implementierung der Mehlich-3-Methode für agrochemische Tests in Polen besteht darin, dass sie eine relativ einfache Bestimmung von Kalium, Kalzium, Natrium, Magnesium, Eisen, Mangan, Kupfer, Zink, Bor, Schwefel und insbesondere Phosphor in einem einzigen extrahierten Bodenextrakt ermöglicht . Die Bestimmung des Phosphorgehalts nach der Methode Mehlich 3 wird hauptsächlich von Bodenfaktoren wie Bodentyp, Tongehalt, Mineralogie und pH-Wert beeinflusst. Die universelle Extraktionslösung (pH 2,5 ± 0,01) ist für die Bestimmung von Bodenproben mit saurem und neutralem pH-Wert konzipiert, die den Großteil der landwirtschaftlich genutzten Böden in Polen ausmachen. Die Nachteile von Mehlich 3 sind folgende: NO3−N kann nicht ausgewertet werden; das F−-Ion im Extraktor kann K aus Glasflaschen lösen; und EDTA im Extraktor fällt nach längerer Lagerung aus25. Eine andere Methode, die stattdessen verwendet werden kann, ist die Yanai-Methode, bei der eine einzige Extraktionslösung verwendet wird, um gleichzeitig NO3-N, verfügbares P und B, austauschbares K, Ca und Mg, leicht reduzierbares Mn und HCl-lösliches Zn zu extrahieren Cu25,26.Um die Analysezeit und die Laborkosten zu minimieren, konzentriert sich die Forschung auf die Entwicklung von Multinährstoffmethoden, mit denen Makro- und Mikronährstoffe aus demselben Extrakt analysiert werden können. Eine modifizierte Multielementmethode wurde von Yanai25,26 vorgeschlagen, wobei die Zusammensetzung der Extraktionslösung wie folgt ist: 0,2 M CH3COOH, 0,25 M NH4Cl, 0,005 M Zitronensäure und 0,05 M HCl. Darüber hinaus kann damit der Nitratgehalt des Bodens bestimmt werden, da die Lösung keine Nitrationen enthält26.

In der Arbeitshypothese gingen wir davon aus, dass sowohl der P- als auch der Mg-Gehalt des mit Struvit behandelten Bodens in dem mit allen Methoden ermittelten Boden ansteigen würden und dass die Yanai-Methode bei der Analyse von P und K im Boden genauso vielversprechend sein würde wie Mehlich 3.

Die Ziele der vorliegenden Studie waren: (1) die Wirkung der Struvitdüngung auf den P-, K- und Mg-Gehalt im Boden unter Sojabohnendüngung zu verstehen; (2) Vergleichen Sie drei verschiedene Labormethoden zur Analyse des Elementgehalts im Boden, die durch ein Topfexperiment ermittelt wurden. und (3) die am besten geeignete Methode zur Analyse des Elementinhalts auswählen.

Es gab keinen signifikanten Einfluss der untersuchten Faktoren auf den Sojabohnenertrag, dh die K-, Mg- und P-Aufnahme. Tatsächlich wurde der meiste Phosphor in Sojabohnen unter Struvitdüngung gefunden (Tabelle 1).

Die Auswirkungen der Methode der Düngemittelausbringung und verschiedener Phosphordünger auf den K-, P- und Mg-Gehalt im Boden beim Sojaanbau sind in Tabelle 2 dargestellt. Der höchste Gehalt an K, P, Mg und pH-Wert wurde bei Banddüngung ermittelt, während der für Der Salzgehalt wurde unter Rundfunkdüngung festgestellt (Tabelle 2). Unter der Struvitdüngung wurden die höchsten Gehalte der untersuchten Elemente unter der Struvitdüngung beobachtet. Die Struvitdüngung führte bei Mg zu einem Anstieg der untersuchten Elemente im Vergleich zur Kontrolle, bei K und P gegenüber der Kontrolle und dem Superphosphat. Die Phosphordüngung verringerte den Salzgehalt im Boden. Im Hinblick auf das Zusammenspiel der untersuchten Faktoren führte die Banddüngung zu einem Rückgang des K-Gehalts im Boden und zu einem Anstieg bei der Streudüngung. Der höchste P-Gehalt wurde bei der Struvit-Banddüngung festgestellt. Das Zusammenspiel der untersuchten Faktoren führte zu einer Verringerung des Salzgehalts des Bodens. Auch der Magnesiumgehalt erhöhte sich nach der Struvitdüngung: um 17 % im Vergleich zur Kontrolle (alle Unterschiede statistisch nicht signifikant).

Die Art der Ausbringung von Phosphatdüngern ergab vergleichbare Werte für den K-, P- und Mg-Gehalt im Boden (Tabelle 3, Abb. 1a). Phosphordünger verursachte Unterschiede im Gehalt aller getesteten Elemente. Bei der Struvit-Düngung stieg der Kaliumgehalt im Vergleich zur Kontrolle um 2 % und im Vergleich zur Dreifach-Superphosphat-Düngung um 14 %. Auch der Magnesiumgehalt stieg nach der Struvit-Düngung: um 17 % im Vergleich zur Kontrolle. Der Phosphorgehalt nahm nach der Struvitdüngung ab; Dies könnte jedoch durch den leicht sauren pH-Wert des Bodens verursacht worden sein. Polnische Böden reagieren stark sauer bzw. säurehaltig und beeinträchtigen dadurch die Phosphorverfügbarkeit. Die Wechselwirkung zwischen Faktoren führte zu einem Anstieg des K-Gehalts, wenn Struvit-Granulat in der Nähe der keimenden Samen ausgebracht wurde. Der größte Magnesiumgehalt im Boden wurde sowohl bei der Breitbanddüngung als auch bei der Banddüngung mit Superphosphat festgestellt (Tabelle 3, Abb. 1a,b). Der Gehalt an Phosphor und Kalium in den Proben war im Vergleich zur Kontrolle statistisch signifikant niedriger (mit Ausnahme von K nach Struvit-Gabe) nach der Gabe jedes Düngers im Streuverfahren. Der Mg-Gehalt hingegen war nach Düngemittelgabe in fast allen Kombinationen statistisch signifikant höher als in den Kontrollproben.

(a) Mg-, K- und P-Gehalt, bestimmt von Egner-Riehm unter verschiedenen Düngermethoden (mg kg − 1 dm). (b) Mg-, K- und P-Gehalt bestimmt nach Egner-Riehm unter Phosphordüngung (mg kg−1 TS).

Die Methode der Phosphoreinbringung unterschied den K-Gehalt im Boden, während P und Mg auf dem gleichen Niveau lagen (Abb. 2a). Bei der Methode Mehlich 3 waren die Werte für alle Elemente unter Struvitdüngung höher. Der Magnesiumgehalt stieg unter Struvitdüngung im Vergleich zur Kontrolle um 65 % und im Vergleich zu Superphosphat um 50 % (Tabelle 4, Abb. 2b). Basierend auf den von Kęsik22,26 entwickelten Grenzwertzahlen für Mehlich 3 wurde der Phosphorgehalt des Experiments nach der Anwendung von Superphosphat und Struvit unter Berücksichtigung der Bodenreaktion (5,6–5,8) als durchschnittlich, der Kaliumgehalt als hoch und der Magnesiumgehalt als niedrig bestimmt. Der Magnesiumgehalt stieg unter Struvitdüngung statistisch signifikant an: um 65 % im Vergleich zur Kontrolle und 50 % im Vergleich zu Superphosphat (Tabelle 4, Abb. 2b).

(a) Mg-, K- und P-Gehalt, bestimmt durch Mehlich 3 unter verschiedenen Düngermethoden (mg kg−1 dm). (b) Mg-, K- und P-Gehalt bestimmt nach Mehlich 3 unter Phosphordüngung (mg kg−1 TS).

Der höchste Gehalt an K, P, Mg wurde bei der Breitdüngung beobachtet (Tabelle 5, Abb. 3a). Die Struvitdüngung führte zu einem Anstieg des P- und Mg-Gehalts im Boden. Wie auch bei der Mehlich-3-Methode stieg der Mg-Gehalt unter Struvitdüngung um 19 % im Vergleich zur Kontrolle und um 60 % im Vergleich zu Superphosphat (Abb. 3b). Der Mg-Gehalt war unter Superphosphatdüngung im Vergleich zur Kontrolle statistisch signifikant um 24 % niedriger, bei Banddüngung um 24 % und bei Streudüngung um 27 %.

(a) Mg-, K- und P-Gehalt, bestimmt von Yanai unter verschiedenen Düngemittelplatzierungs-Phosphordüngungsmethoden (mg kg − 1 dm). (b) Mg-, K- und P-Gehalt bestimmt von Yanai unter Phosphordüngung (mg kg−1 dm).

Die Mehlich- und Yanai-Methoden liefern korrelierte Ergebnisse, was bedeutet, dass zwischen ihnen ein statistisch signifikanter, linearer Zusammenhang besteht (Tabellen 6, 7). Somit können die durch die Methoden generierten Hinweise als proportional angesehen werden. Auf der Grundlage statistischer Analysen wurde eine positive Korrelation zwischen dem Mg- und K-Gehalt im Boden festgestellt, der mit den Methoden Mehlich 3 und Yanai bestimmt wurde. Für die Egner-Riehm-Methode wurde kein solcher Zusammenhang gefunden. Hinsichtlich des Phosphorgehalts gab es keine Korrelation zwischen den Methoden, was darauf hindeuten könnte, dass Phosphor ein empfindlich zu bestimmendes Element ist und von vielen Faktoren abhängt, von denen der pH-Wert des Bodens der wichtigste ist.

Phosphormessungen mit jeder Methode zeigten unterschiedliche Ergebnisse. Es ist nicht möglich, einen linearen Zusammenhang für die erhaltenen Konzentrationen für ein Paar von Messmethoden mit einer statistischen Signifikanz auf dem Niveau von α = 0,05 anzugeben (Tabelle 8).

Die statistische Signifikanz der linearen Korrelation wird durch das Streudiagramm in Abb. 4 bestätigt. Die Regressionslinie \(Mg\left(M\right)=0,932\times Mg\left(Y\right)+14,0\) mit einer statistisch signifikanten (mit ∝ = 0,05) Eine mit der Methode der kleinsten Quadrate angepasste Steigung von 0,932 ermöglicht eine Schätzung der Ergebnisse für eine Methode auf der Grundlage der mit einer anderen Methode erhaltenen Werte. Alle linearen Regressionsannahmen werden erfüllt (die Modellresiduen entsprechen der Normalverteilung, Residuen sind Heteroskedastizität, keine Autokorrelation der Residuen). Die Schätzung unterliegt einem großen Fehler (Standardschätzfehler 10,6) und dem Maß für die Anpassungsgüte \({R}^{2}=0,48\).

Streuung des Mg-Gehalts im Boden, bestimmt mit den Methoden Yanai und Mehlich 3.

Durch die Bestimmung dieses Elements mit der Egner-Riehm-Methode wurde ein signifikanter Einfluss der Phosphordüngung auf den K-Gehalt des Bodens festgestellt. Mit den anderen beiden Methoden wurde kein solcher Zusammenhang gefunden (Tabelle 9).

Die Methode der Phosphordüngung hatte einen erheblichen Einfluss auf den Phosphorgehalt des Bodens, der mit den Methoden Egner-Riehm und Yanai bestimmt wurde. Die Phosphordüngung veränderte den Gehalt dieses Elements im Boden deutlich, wie er mit der Egner-Riehm-Methode bestimmt wurde (Tabelle 10).

Die Art der Phosphordüngung hatte einen signifikanten Einfluss auf den Magnesiumgehalt des Bodens, der mit der Egner-Riehm-Methode bestimmt wurde. Die Phosphordüngung hatte einen erheblichen Einfluss auf den Gehalt dieses Elements, der mit den drei getesteten Methoden bestimmt wurde (Tabelle 11).

In dieser Studie haben wir die Leistung von drei Methoden zur P-, Mg- und K-Bestimmung in Böden unter Struvitdüngung im Sojabohnenanbau bewertet. Sims et al.27 behaupteten, dass die Anwendung von Phosphordüngung in Form von organischen Abfällen und Phosphordüngern auf der Grundlage des Bodenreichtums einen Test erfordert, der in die Anforderungen der landwirtschaftlichen Praxis für die Bewirtschaftung dieses Nährstoffs integriert ist und diese berücksichtigt Umweltrisiken.

In unserer Studie nahm der P-Gehalt unter Struvit nach der Sojabohnenernte ab, anders als in der Studie von Bastid et al.28, wo die P-Verfügbarkeit in Böden mit Struvit am höchsten war. In der Studie von Bastid et al.28 war die P-Verfügbarkeit nach einem Monat geringer. Dieser Rückgang der P-Verfügbarkeit über einen Monat kann auf die Ausfällung von P als Al-, Fe- und Ca-Phosphate und die Aufnahme durch Pflanzen zurückzuführen sein29,30. Dieser Rückgang wurde auch in unserer Studie beobachtet und kann auch durch P-Ausfällung erklärt werden, die durch einen niedrigen pH-Wert angezeigt wird. pH-Wert und Salzgehalt sind die Hauptfaktoren, die das Sorptions- und Desorptionsverhalten von P in Böden beeinflussen31. Liu et al.32 beobachteten, dass die P-Sorption an Sedimenten bei niedrigem Salzgehalt zunimmt, während sie mit zunehmendem Salzgehalt (> 5‰) abnimmt. Die Düngung mit Struvit führt zu einer Verringerung des Salzgehalts. Unsere Studie weist auf einen Anstieg der P-Sorption hin. In unserem Experiment reduzierte die Anwendung von Struvit den Phosphorgehalt im Boden. Unter dem Einfluss der Struvitanwendung nahm die Bodenreaktion weiter ab. Eine Phosphordüngung kann zu einer nicht ungleichen Erhöhung des Gehalts der verfügbaren Phosphorformen im Boden führen. In sauren und schwach sauren Böden kann Phosphor in Form von auslaugbarem und P-Al vorkommen. Dies bedarf weiterer Forschung, um die verschiedenen Formen (einschließlich Fraktionen: leicht löslich, austauschbar, an organisches Material gebunden, an stabile organisch-mineralische und mineralische Verbindungen gebunden, Rest) von P zu bestimmen. Die verfügbaren Gehalte an P, K, Ca und Mg können nehmen im Laufe der Zeit nach der Düngung aufgrund ihrer Absorption und Aufnahme durch die Pflanzen ab.

Mit Struvit gedüngte Böden weisen einen etwas niedrigeren verfügbaren P-Gehalt und einen höheren verfügbaren Mg-Gehalt auf, was möglicherweise mit der höheren Löslichkeit von Superphosphat gemäß Ref. 33 und der höheren Menge an Mg in Struvit zusammenhängt.

In unserer Studie hatte die Struvitdüngung keinen größeren Einfluss auf den Samenertrag und die Phosphoraufnahme als in anderen Studien15,34,35, sie hatte jedoch einen Einfluss auf den Phosphorgehalt der Samen. Trotz des Fehlens signifikanter Unterschiede können höhere Werte des Samenertrags und der P-Aufnahme hauptsächlich auf die größere Menge an Mg im Crystal Green-Dünger und dessen synergistische Wirkung auf die P-Aufnahme zurückgeführt werden36. In Übereinstimmung mit 34 waren die P- und Mg-Aufnahme signifikant von der P-Düngung abhängig, während die P-Dosis keinen signifikanten Einfluss auf Salat hatte.

Die Phosphordüngung erfordert effiziente Düngetechnologien; Daher betrifft dieses Problem auch Struvit. In Talboys et al.9 sorgten Struvit-Granulat, das zusammen mit dem Saatgut platziert wurde, nicht für die gleiche Phosphorversorgung wie das DAP-Granulat (Diamoniumphosphat) für früh wachsenden Sommerweizen. Allerdings wurden bei der Ernte gleichwertige P-Aufnahme-, Ertrags- und scheinbare Düngemittelrückgewinnungsraten erzielt, obwohl sich nur 26 % der Struvitkörnchen vollständig aufgelöst hatten. In unserer Studie war der Phosphorgehalt im Boden, in den Streudünger eingebracht wurde, höher. Aufgrund des großen Konzentrationsgradienten im Vergleich zur P-Broadcast-Platzierung ist die P-Diffusion hoch, wenn sie im Wurzelsystem platziert wird. Wenn jedoch der P-Wert des Massenbodentests hoch ist, werden die Vorteile des gebänderten P verringert, und dies war in unserer Studie wahrscheinlich der Fall. Daher ist die Kenntnis der P-Werte von Bodentests von entscheidender Bedeutung bei der Bestimmung der Platzierungsoptionen. Das optimale Gleichgewicht zwischen P-Banding und Broadcast-Anwendung ist schwer zu erreichen37,38. Wurzeln nehmen Phosphat in Form von H2PO4-Ionen auf. Wenn der pH-Wert von 6 auf 4 gesenkt wird, erhöht sich die Geschwindigkeit der Phosphataufnahme durch die Wurzeln, die Menge des aus dem Boden desorbierten Phosphats nimmt zu und die Menge des vom Boden sorbierten Phosphats nimmt häufig zu, aber dies wird in unserer Studie nicht bestätigt. Dort versorgte oberflächlich aufgetragener Phosphor den Boden mit diesem Element.

Fei et al.39 zeigten, dass die langfristige, kontinuierliche Einführung von Phosphor in den Gewächshausboden – sowohl in Form von mineralischen als auch natürlichen (Müll-)Düngemitteln –, die in der Gemüseproduktion verwendet werden, zu einer Anreicherung im Boden und einer Anreicherung seiner oberen Schichten führt. Die Autoren stellten fest, dass der Gesamtphosphorgehalt nach 13-jähriger Anwendung im Vergleich zum Ausgangswert um das Vierfache anstieg. Der Gesamtphosphorgehalt des Bodens schwankt üblicherweise zwischen 500 und 800 (50–3000) mg P kg−1 Boden und hängt von vielen Faktoren ab. Die höchste Menge findet sich in den oberflächennahen Bodenschichten und nimmt mit der Tiefe des Bodenprofils ab. In unserer Studie schwankt der Gesamt-P-Gehalt zwischen 255 und 366 mg kg−1 d m.

Unsere Forschung zeigt, dass Struvit eine gute Magnesiumquelle ist. Im Vergleich zur Kontrolle wird mit den Methoden Yanai, Mehlich 3 und Egner-Riehm ein deutlicher Anstieg des Magnesiumgehalts im Boden unter der Anwendung von Struvit festgestellt. STR ist eine vom Düngemittelmarkt benötigte P-Quelle mit agronomischen und ökologischen Vorteilen wie der Bereitstellung von verfügbarem Mg. Der spezifische Mechanismus der Mg-Freisetzung aus dem Boden nach der Anwendung von Struvit bleibt jedoch ungeklärt. In Polen bedecken Sandböden mehrere Millionen Hektar. Bei den meisten handelt es sich gleichzeitig um unterdüngte Böden mit Magnesiummangel. Daher sollten weitere Untersuchungen durchgeführt werden. Der Einsatz von Düngemitteln könnte das Magnesiumdefizit in den Böden Mittel- und Osteuropas beheben. Wie in unserer Studie wurde auch von Szymanska et al.13,40 ein deutlich erhöhter Magnesiumgehalt im ersten Jahr nach der Anwendung von Struvit festgestellt.

Nach der Egner-Riehm-Methode führte die Anwendung von Struvit zu einer deutlichen Erhöhung des Kaliumgehalts im Boden. In der Studie von Kas et al.41 erhöhte die organische Düngung den K-Gehalt der Böden im Vergleich zur mineralischen Düngung fast um das Doppelte. In Böden mit Kontrolle und NPK wurde ein deutlich geringerer K-Gehalt festgestellt. Cong et al.42 zeigten, dass ein Mangel an N, P und Mg die Wirksamkeit des angewendeten K verringerte und möglicherweise die Ursache für eine erhöhte Auswaschung von K aus der Ackerschicht war; Dies steht im Einklang mit unserer Studie. Struvit enthält in seiner Zusammensetzung N und P und im Vergleich zu Superphosphat, das auf diesem Boden verwendet wird, ist der K-Gehalt erhöht. Dieser Anstieg kann sich aufgrund des Antagonismus, der zwischen K und Mg42 auftreten kann, auf die K-Konzentration im Boden auswirken.

Chemisch gesehen ist Phosphor ein Element mit geringer Mobilität, das Pflanzen nur direkt aus dem Wurzelraum zur Verfügung steht und dessen Aufnahme stark von der Bodenreaktion und der Temperatur abhängt; daher die Idee der obigen Studie43. Die Formen, in denen sich Phosphor im Boden ansammelt, hängen von Bewirtschaftungspraktiken, Düngemittelquellen und Anwendungsmethoden ab, die eine unterschiedliche Löslichkeit von Phosphor und seine Aufnahme durch Pflanzen begünstigen können44.

Die Methoden von Mehlich und Yanai ermöglichen die Untersuchung in einem einzigen Bodenextrakt nicht nur auf den Gehalt an grundlegenden Makronährstoffen wie Phosphor, Kalium und Magnesium, sondern auch auf andere wichtige Nährstoffe, z. B. Mikronährstoffe wie Bor, Kupfer und andere24. Das Ergebnis ist eine deutliche Reduzierung des Energie- und Wasserverbrauchs sowie eine deutliche Reduzierung der Arbeitsintensität und der Reagenzienkosten. Dadurch wird die Methode günstiger und umweltfreundlicher. Aus Sicht des Landwirts besteht der wichtigste Vorteil der Mehlich-3-Methode in den Kosten für die Bestimmung von P, K und verfügbarem Mg (und pH-Wert) in einer Bodenprobe. Die Kosten für die Elementbestimmung mit der Egner-Riehm-Methode sind im Vergleich zu Mehlich 3 um etwa 27 % höher. Die Mehlich-3-Methode wird in Polen seit 2015 schrittweise eingeführt. Für Mehlich wurden Grenzwertzahlen für jedes Element ermittelt, solche Zahlen jedoch nicht für die Yanai-Methode ermittelt, was zu einem mangelnden Interesse an der Einführung dieser Methode in größerem Maßstab führte22,25,26.

Es wurde ein Gewächshausexperiment durchgeführt, um die Wirkung der Struvit-Düngung auf die Gehaltselemente im Boden beim Sojaanbau zu bewerten. Die Bodentiefe von 0–30 cm wurde im Experiment mit Proben aus der Versuchsstation der Universität für Umwelt- und Biowissenschaften Breslau (Pawłowice) (geografische Lage 17° 7′ E und 51° 08′ N in der Woiwodschaft Niederschlesien, Breslau) verwendet , Polen). Im Jahr 2022 wurde an der Versuchsstation der Breslauer Universität für Umwelt- und Biowissenschaften (Pawłowice) ein Topfexperiment mit Düngemitteln aus Klärschlamm (Crystal Green) beim Sojaanbau eingerichtet. Das Zwei-Faktor-Experiment wurde in sechs Wiederholungen durchgeführt. Der erste Faktor war die unterschiedliche Platzierung von Phosphordünger (Band und Rundfunk). Die Oberflächendüngung bestand aus der zufälligen Platzierung von Düngemitteln auf der Oberfläche des Topfes, während die Streuung durch Platzierung von Düngemittelkörnern in einer Tiefe von etwa 5 cm unter dem gesäten Sojabohnensamen erfolgte. Der zweite Faktor waren differenzierte Phosphordünger gegenüber der Kontrolle. Im Experiment wurden zwei Phosphordünger verwendet: traditionelles Dreifach-Superphosphat (SUP), das häufig im Sojabohnenanbau verwendet wird, und Crystal Green (CG). Im Experiment wurde die Wirkung eines auf der Basis von Klärschlamm hergestellten Düngemittels mit dem Handelsnamen Crystal Green (hergestellt von Ostara Nutrient Technologies) im Vergleich zum herkömmlichen Düngemittel Triple Superphosphat26 untersucht. Die weißen Struvitkörner hatten einen Durchmesser von etwa 1–2 mm. Die Phosphorrückgewinnung umfasste die Ausfällung von Phosphormineralien aus Klärschlamm als Struvit (Magnesium-Ammoniumphosphat-Hexahydrat, MgNH4PO4 · 6H2O). Struvit enthält N (2 %), P (24 %) und Mg (10 %) und zeichnet sich im Vergleich zu Dreifach-Superphosphat durch einen geringen Schwermetallgehalt aus7,15. Aus chemischer Sicht handelt es sich nicht um reines Struvit.

Die Gesamtzahl der Töpfe betrug 36. Der Topfdurchmesser betrug 20 cm, die Tiefe 20 cm und das Volumen etwa 5000 cm3. Die Töpfe wurden mit Erde gefüllt, die mit SUP, CG, Stickstoff- und Kaliumdünger vermischt war. Die Partikelgrößenverteilung der Mineralanteile entsprach sandigem Ton.

Im Experiment wurde Boden mit folgenden Parametern verwendet:

Methode Mehlich 3: P – 126, K – 134, Mg – 49 mg kg−1 dm (durchschnittlicher P-Gehalt gemäß Grenzwertzahlen, K – geringer Gehalt, Mg – geringer Gehalt)26,45.

Yanai-Methode: P 45,2, K – 151, Mg – 45,6 mg kg−1 dm (Grenzwerte wurden nicht entwickelt).

Egner-Riehm-Methode: P – 103, K – 220, Mg – 38 mg kg–1 dm (P – mittlerer Gehalt, K – hoher Gehalt, Mg – niedriger/durchschnittlicher Gehalt)22,45.

Die Düngemitteldosen im Experiment basierten auf dem Optimum für den Anbau von Sojabohnen unter Feldbedingungen, d. h. 70 kg ha−1 P2O5, 120 kg ha−1 K2O und einer Anfangsdosis Stickstoff von 30 kg ha−1 N. Nur Stickstoff und Kalium waren vorhanden in gleicher Dosierung angewendet. Folgende Düngerdosen pro Topf wurden ausgebracht (umgerechnet):

Struvit – 0,76 g,

Superphosphat – 0,54 g,

Ammoniumnitrat – 0,27 g,

Kaliumsalz – 1,25 g.

Abellina-Sojasamen wurden im zweiten Jahrzehnt des Monats Mai 2022 in 4er-Töpfe ausgesät. Die behandelten Sojabohnensamen wurden von Saatbau bereitgestellt und waren beimpft46. Sojabohnensamen wurden mit der Fix Fertig-Technologie beimpft, bei der die Samen werkseitig mit ruhenden Bakterien beschichtet werden. Die Samen waren mit Bradyrhizobium japonicum-Bakterien beschichtet.

Vor der Aussaat wurde die Keimfähigkeit anhand aktueller Standards ermittelt. Die Keimfähigkeit der getesteten Sorte betrug durchschnittlich 75 %. Die Anzahl der pro Topf ausgesäten Samen basierte auf der optimalen Dichte der Sojabohnensamen unter diesen Bedingungen. Während des Experiments wurden in der Sojabohne keine nennenswerten Schädlinge oder Unkräuter festgestellt, sodass der Einsatz von Herbiziden nicht erforderlich war. Sojabohnen wurden regelmäßig gegossen.

Nach Ende der Vegetationsperiode wurden Proben für die chemische Analyse entnommen. Der Gehalt an Phosphor, Magnesium und Kalium im Pflanzenmaterial wurde kolorimetrisch bestimmt: P mittels Ammoniumvanadomolybdat, Mg mittels der Titangelb-Methode und K kolorimetrisch. Die Aufnahme von P, Mg und K basierte auf dem Ertrag der Sojabohnensamen und dem Gehalt dieser Makronährstoffe in den Sojabohnensamen. Der Saatgutertrag wurde pro Hektar bei einem Feuchtigkeitsgehalt von 15 % umgerechnet.

Nach dem Ende der Sojaanbausaison (Oktober 2022) wurden mit einem Egner-Stab Bodenproben aus der 0–20 cm dicken Schicht entnommen. Für Streu- und Banddüngungsbehandlungen wurden durch Teilprobennahme Bodenproben aus jedem Topf erstellt. Anschließend wurde der Boden von drei oder vier Standorten gemischt, um eine Teilprobe zu bilden. Dieses Verfahren wurde für jeden Topf dreimal wiederholt und diese wurden gemischt, um eine Oberflächenprobe zu bilden. Bodenproben wurden luftgetrocknet, mit einem Porzellanstößel und -mörser zerkleinert und auf < 2 mm gesiebt. Ein Teil jeder Probe wurde zur Analyse weiter fein gemahlen. Der Boden für die Töpfe wurde durch ein Sieb mit einer Maschenweite von 10 mm gesiebt. Die Partikelgrößenverteilung des Mineralanteils wurde mit einem Mastersizer 2000 Laserdiffraktometer bestimmt.

Der pH-Wert des Bodens wurde mit einer Glas-pH-Elektrode gemessen (1:5 Boden:deionisiertes Wasser, Messungen nach 30 Minuten) und die Leitfähigkeit wurde mit einem Leitfähigkeitsmessgerät beurteilt (die Leitfähigkeitsmethode). Der Gesamtgehalt an Phosphor, Kalium und Magnesium wurde nach der Mikrowellenmineralisierung bestimmt, während die verfügbaren Formen mit den Methoden Egner-Riehm, Mehlich 3 und Yanai bestimmt wurden.

Phosphor- und Kaliumverbindungen in einem Boden nach der Egner-Riehm-Methode wurden mit einem Laktatpuffer bestehend aus Calciumlactat und Milchsäure extrahiert. Die beschriebene Reaktion läuft nach der Formel ab:

Die verwendete Extraktionslösung hatte einen pH-Wert von 3,55 (bei diesem Säuregehalt bleiben die Extraktionsbedingungen unabhängig von der anfänglichen Bodenreaktion erhalten)26. Der Phosphor-, Kalium- und Magnesiumgehalt im Boden wurde nach der Egner-Riehm-Methode bestimmt, Einzelheiten siehe Tabelle 12.

Die lufttrockene Bodenprobe wurde mit Mehlich 3-Lösung (einer Lösung enthaltend 0,2 mol l−1 CH3COOH, 0,25 mol l−1 NH4NO3, 0,015 mol l−1 NH4F, 0,013 mol l−1 HNO3 und 0,001 mol l−1) extrahiert EDTA). Die lufttrockene Bodenprobe wurde mit Mehlich 3-Lösung im Volumenverhältnis 1:10 extrahiert. Dazu wurden zwei Gramm trockene Erde in ein Extraktionsgefäß (eine Plastikflasche mit einem Fassungsvermögen von ca. 150 ml) eingewogen und anschließend 20 ml Mehlich-Lösung 3 zugegeben. Die Probe wurde 5 Minuten lang bei 220 Zyklen pro Minute auf einer Schüttelmaschine geschüttelt und durch mittlere Filter filtriert. Die so hergestellte Lösung wurde mittels induktiv gekoppelter Plasmaemissionsspektrometrie ICP-OES auf Kalium-, Phosphor- und Magnesiumgehalt analysiert (Tabelle 12).

Eine lufttrockene Bodenprobe wurde mit Yanai-Lösung (einer Lösung, die 0,2 mol l−1 CH3COOH, 0,25 mol l−1 NH4Cl, 0,005 mol l−1 C6H8O7 und 0,05 mol l−1 HCl enthielt) mit einem Volumenverhältnis von 1 extrahiert :10. Dazu wurden 5 g Boden in eine 100 ml Extraktionsflasche aus Kunststoff eingewogen, 50 ml Extraktionsmittel zugegeben und die Mischung 30 min lang mit einer Geschwindigkeit von 180 Zyklen min−1 geschüttelt. Das Schütteln erfolgte auf einem Bodenschüttler. Die Lösung wurde dann durch Advantec Toyo-Filterpapier Nr. 5 filtriert. Die so hergestellte Lösung wurde mittels induktiv gekoppelter Plasmaemissionsspektrometrie ICP-OES auf Kalium-, Phosphor- und Magnesiumgehalt analysiert. Eine Probe des resultierenden Bodenextrakts wurde in Nebelform gebracht und in einen Plasmabrenner überführt, wo sie mit hoher Frequenz angeregt und die atomare Strahlungsemission für die entsprechenden Wellenlängen gemessen wurde.

Daten aus chemischen Analysen (P, Mg, K, pH, Salzgehalt) wurden einer statistischen Anova/Manova-Analyse in der Statistica-Software (Version 13.1 StatSoft, Polen) unterzogen47. Das Signifikanzniveau betrug α = 0,05. Es wurden ein- und zweiseitige Durchschnittsanalysen durchgeführt, um die Auswirkungen von P-Dünger auf chemische Analysen des Bodens zu bestimmen. Korrelationen und Zahlen wurden mit der Software Statistica erstellt.

Zusammenfassend lässt sich festhalten, dass herkömmliche Phosphordünger durch Struvit ersetzt werden können, was gleichzeitig eine Kreislaufwirtschaft unterstützen würde. Basierend auf den Ergebnissen der Studie kam es nach der Anwendung von Struvit im Vergleich zu Superphosphat zu einem Anstieg des verfügbaren Magnesiums im Boden um 34–37 %; dies war abhängig von der Analysemethode (Mehlich 3 und Yanai). Der verfügbare Phosphorgehalt im Boden stieg unter der Anwendung von Struvit um 4 % im Vergleich zu Superphosphat und um 16 % im Vergleich zur Kontrolle (Mehlich 3). Zur Messung einer nachhaltigen Phosphordüngung in der Landwirtschaft sind jedoch langfristige Feldversuche erforderlich, da sie zu einem besseren Verständnis der Auswirkungen von Struvit beitragen und untersuchen, welche Anteile von Phosphor im Boden nach der Anwendung von Struvit im Hinblick auf die Wirkung dominieren Pflege und Schutz der Bodenumwelt. Darüber hinaus sind auch ähnliche Feldexperimente erforderlich, um die Makronährstoffhäufigkeitsklassen im Boden für die Yanai-Methode zu bewerten, die – aufgrund ihrer geringeren Kosten im Vergleich zur Egner-Riehm-Methode – in der Lage ist, einen größeren Pool an Elementen zu bestimmen als die beiden anderen Methoden . Daher wäre es im Falle der Einführung der Yanai-Methode in die Analytik an chemisch-landwirtschaftlichen Stationen erforderlich, Grenzwerte auf der Grundlage solcher Langzeit-Feldversuche zu entwickeln.

Alle während dieser Studie generierten oder analysierten Daten sind in diesem veröffentlichten Artikel enthalten. Experimentelle Forschung und Feldstudien an Pflanzen (entweder kultiviert oder wild), einschließlich der Sammlung von Pflanzenmaterial, entsprechen den einschlägigen institutionellen, nationalen und internationalen Richtlinien und Gesetzen. Ich erkläre, dass das für unsere Studie verwendete Pflanzenmaterial als Saatgut von der Firma SAATBAU in Środa Śląska (Polen) gekauft wurde. Wir haben für die Experimente keine gefährdeten Pflanzenarten verwendet.

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Anna Jama-Rodzieńska

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Joanna A. Kamińska

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AJR, BG – schrieben das Hauptmanuskript. AJ – chemische Analyse des Bodens. AST – Literatur, Visualisierung. JAK – statistische Analyse.

Korrespondenz mit Bernard Gałka.

Die Autoren geben an, dass keine Interessenkonflikte bestehen.

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Nachdrucke und Genehmigungen

Jama-Rodzeńska, A., Gałka, B., Szuba-Trznadel, A. et al. Einfluss der Struvit-Düngung (Crystal Green) auf den Bodenelementgehalt, bestimmt durch verschiedene Methoden beim Sojaanbau. Sci Rep 13, 12702 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-39753-8

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Eingegangen: 02. Februar 2023

Angenommen: 30. Juli 2023

Veröffentlicht: 05. August 2023

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-023-39753-8

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