< Terug naar vorige pagina

Project

De beschikbaarheid van fosfor in de bodem in een fosfordepletiescenario

Fosfor (P) is een essentieel nutriënt voor plantengroei. De groeiende intensieve landbouw tijdens de afgelopen eeuw wordt geassocieerd met een tijdperk van excessieve P-bemesting om een optimale voedselproductie te garanderen. Dit was voornamelijk ten gevolge van een excessieve P-bemesting met dierlijke mest aan landbouwbodems in gebieden met intensieve veeteelt, hetgeen geleid heeft tot een accumulatie van P in landbouwbodems (historisch P). De eindigheid van P-bronnen en de milieurisico’s gerelateerd aan de eutrofiëring van oppervlaktewaters hebben geleid tot toenemende vraag naar duurzamer P‑meststoffen gebruik. Dit wordt in de praktijk gezet door de P-bemesting op de landbouwgronden te verminderen en zelfs een negatieve P-balans te bewerkstelligen, d.i. wanneer de jaarlijkse opname van P door het geoogste gewas groter is dan wat er aan de bodem wordt toegevoegd, voor bodems met een uitzonderlijk hoog P-gehalte. Het is wel gekend dat de sorptie- en desorptieprocessen van fosfaatanionen in de bodems hysteresis ondervinden, hetgeen impliceert dat de plant-beschikbaarheid van historisch P kleiner is dan deze van het vers toegevoegde P. Het doel van deze studie is om plant- en bodemfactoren te bepalen die de beschikbaarheid van P in een P-depletiescenario beïnvloeden en om te bepalen welke bodemtesten deze beschikbaarheid kunnen voorspellen. In een P-depletiescenario is de belangrijkste bron van P voor de plant het historisch P in de bodem en niet de P die afkomstig is van de jaarlijkse bemesting, bovendien kan de desorptiesnelheid van P een limiterende factor worden die de beschikbaarheid van P in de bodemoplossing controleert. Het is in een dergelijk scenario mogelijk dat de groeisnelheid van het gewas, dewelke een invloed heeft op de P‑opnamesnelheid, een kritische factor is in het bepalen of een plant P‑deficiëntie ondervindt of niet. In praktijk werd dit getest door eerst bodem‑P‑testen te evalueren in hun capaciteit om de gewasrespons te voorspellen op Europese bodems. Vervolgens werden experimenten en modellen gecombineerd om te bepalen in welke mate dit historisch P beschikbaar is voor planten in een P-depletiescenario.

De evaluatie van de bodem-P-testen in hun capaciteit om gewasrespons te voorspellen (bvb. opbrengst in vergelijking met een maximale opbrengst in een situatie met een optimale P‑beschikbaarheid) in functie van het bodem-P-gehalte werd uitgevoerd op bodems van Europese lange-termijnsproeven en op Vlaamse bodems, deze laatste werden eerst onderwerpen aan een P uitmijningsexperiment. De vijf bodem-P-testen die geëvalueerd werden in deze studie zijn: extractie met ammonium oxalaat (P-Ox), extractie met ammonium lactaat (P-AL), extractie met 0.5 M NaHCO3 (P-Olsen), extractie met 0.01 M CaCl2 (P-CaCl2) en de diffusieve gradiënt in dunne film techniek (P-DGT). De eerste drie testen geven een indicatie van de bodem‑P‑kwantiteit (Q, d.i. de P die reversibel geadsorbeerd is op de vaste fase; Q-testen) en de laatste twee geven een indicatie van de bodem-P-intensiteit (I, d.i. de P in de bodemoplossing; I-testen). De bodem-P-testen werden eerst geëvalueerd op bodems van Europese lange-termijnsproeven waarvan sommige meer dan 100 jaar oud zijn (Hoofdstuk 2). De Olsen- en AL‑extractie scoorden het best in het voorspellen van de relatieve gewasopbrengst gebaseerd op de R2 van de Mitscherlich curven. De bodem-P-testen hadden gelijkaardige, maar kleine 95% betrouwbaarheidsintervallen rond de algemene kritische P‑waarde, d.i. de bodem-P-test waarde waarvoor de relatieve opbrengst 95% is. Daarentegen, wanneer de variantie in kritische P-waarden over verschillende bodems en jaren geëvalueerd werd, scoorde de DGT-techniek het slechtst, en de Ox-extractie was de meest robuuste van de vijf bodem-P-testen in het onderscheiden van de vruchtbare en de P-deficiënte bodems. Een combinatie van twee testen werd ook geëvalueerd en de relatieve opbrengst werd gerelateerd aan een combinatie van een I- en een Q-test. Deze analyse toonde slechts een kleine toegevoegde waarde van de I-testen in het voorspellen van de gewasrespons op de Europese lange-termijnsproeven, met andere woorden de P-beschikbaarheid op Europese bodems wordt momenteel gecontroleerd door de P-kwantiteit van de bodem.

Vervolgens werden de bodem-P-testen geëvalueerd op bodems van een versnelde P‑uitmijningsproef (Hoofdstuk 3). Engels raaigras (Lolium perenne, Melpetra tetra) werd gedurende twee jaar gegroeid in een serre op een 5-cm diepe bodemlaag van acht contrasterende bodems waarbij het gras regelmatig geknipt werd. Elke bodem werd opgesplitst in vier behandelingen, zonder P en met voldoende P en twee stikstof (N) behandelingen, deze laatste om de P-opnamesnelheid te variëren. Het verschil in P-Ox en P-AL waarden tussen de initiële en finale bodemstalen van het depletie-experiment kwam het best overeen met de cumulatieve P‑opname door het gras gedurende deze periode, d.i. deze testen konden het best de massabalans sluiten. Geen enkele van de bodem‑P‑testen kon echter opbrengstverliezen voorspellen op basis van het finale bodem‑P‑gehalte. Daarentegen was de relatie tussen de relatieve P‑opname (gevoeligere parameter dan opbrengst voor P‑beschikbaarheid maar landbouwkundig minder relevant dan opbrengst) en de finale bodem‑P‑test‑waarden het best voor P-DGT en het slechts voor P-Ox. Alle bodem‑P‑testen (uitgezonderd P-Ox) voorspelden de cumulatieve P‑opname door planten goed op het moment dat de relatieve opbrengst daalde onder de 90%, hierna genaamd de kritische cumulatieve P‑opname (CCP), op basis van het initiële gemeten bodem-P‑gehalte. Dit geeft het voorspellend karakter weer van de bodem‑P‑testen. De grootste R²‑waarde voor de relatie tussen CCP en de initiële bodem P-testwaarden werd geobserveerd voor P-DGT en P-AL, en voor P-Olsen volgde de relatie nagenoeg de 1:1­lijn. Het algemene resultaat van de vergelijking van deze bodem‑P‑testen is dat geen enkele van de testen het consistent beter doet dan de andere testen in alle evaluatiecriteria. De resultaten tonen aan dat de bodem-P-kwantiteit momenteel de belangrijkste factor is in het bepalen van de P-beschikbaarheid in Europese bodems.

Het effect van de gewasgroeisnelheid en van uitmijning op de P‑beschikbaarheid in een P‑depletiescenario werd bepaald aan de hand van experimenten en modellering. De gewasgroeisnelheid werd experimenteel gevarieerd door verschillende hoeveelheden N toe te voegen aan het P‑depletie-experiment om verschillende groeisnelheden te induceren, d.i. verschillende snelheden van P‑verwijdering uit de bodem (Hoofdstuk 3). In de behandeling met voldoende N‑toevoeging (+N) groeide het gras sneller en vertoonde het sneller een daling in P‑concentratie dan het gras in de behandeling met gelimiteerde N‑toevoeging (–N). Deze resultaten zijn eerder triviaal, echter, hetgeen belangrijker is, is dat de cumulatieve gewas‑P‑opname waar de opbrengst daalt ten gevolge van P‑deficiëntie gemiddeld een factor 1,7 lager was voor de –N- dan voor de +N‑behandeling. Dit illustreert dat voor een bepaalde P-voorraad in de bodem snel groeiende planten eerder P‑deficiëntie zullen ervaren dan traag groeiende planten.

Het effect van uitmijnen op de chemische beschikbaarheid van P werd geïllustreerd in hoofdstuk 4 aan de hand van desorptietesten in het labo gedurende 77 dagen op de initiële en finale bodemstalen van het P‑depletie-experiment. De desorptie van P in functie van de tijd werd beschreven met een snel reagerende P‑pool (Q1) en een traag reagerende P‑pool (Q2). De verhouding van de grootte van de snelle pool over de trage pool was gemiddeld 0,16 in de initiële bodemstalen. Na P‑opname door de plant daalde deze verhouding tot gemiddeld 0,08; hetgeen aanduidt dat meer P werd opgenomen uit de snelle pool dan dat deze werd heraangevuld vanuit de trage P‑pool. Het effect van de gewasgroeisnelheid en van uitmijnen op de P‑opname door de plant (hetgeen beschouwd wordt als een maat voor de P‑beschikbaarheid) werd gemodelleerd met een mechanistisch nutriënt-opnamemodel (Hoofdstuk 5). Dit model is gebaseerd op het bestaande Barber-Cushman model dewelke werd uitgebreid met nutriënt-opnamekinetieken dewelke afhankelijk zijn van de gewasgroeisnelheid, en met P‑desorptiekinetieken die de vaste stof-vloeistof verdeling van P controleren. Simulaties door het mechanistisch nutriënt-opnamemodel toonden aan dat sneller groeiende planten meer afhankelijk zijn van de P‑desorptiekinetieken van de traag reagerende vaste fase dan de traag groeiende planten. Dit modelleren bevestigt de experimentele data dat sneller groeiende planten minder historisch P kunnen opnemen dan traag groeiende planten vooraleer er opbrengstverliezen worden waargenomen. Het mechanistisch model toonde ook aan dat de daling in de P‑desorptie tussen de initiële en finale bodemstalen van de uitmijningsproef voornamelijk veroorzaakt werd door een daling in grootte van de snel beschikbare P‑pool, dewelke tijdens het uitmijnen eenzelfde dalende trend vertoonde als de P‑concentratie in de bodemoplossing. De grootte van de Q2‑pool daarentegen verminderde wanneer de grootte van de Q1‑pool verminderde, maar vertoonde een verschillende dalende trend. Dit impliceert dat de beschikbaarheid van P daalt met een verminderde grootte van de Q1‑pool, en dat wanneer de Q1‑pool volledig uitgemijnd is, de beschikbaarheid van P gecontroleerd wordt door de desorptiekinetieken van de trage pool.

De P‑beschikbaarheid op de lange-termijn in een P‑depletiescenario werd bepaald door (i) het P‑depletie-experiment en (ii) een empirisch model. De resultaten van de serreproef werden geëxtrapoleerd naar veldcondities waarbij verondersteld werd dat planten enkel P konden opnemen uit de ploeglaag (0–23 cm laag). Hieruit volgde dat gewassen maximaal gedurende 8 jaar konden groeien vooraleer er 10% verlies in gewasopbrengst waargenomen werd (Hoofdstuk 3). Het empirische model voorspelde P‑opname over een langere termijn (Hoofdstuk 5): wanneer P‑bemesting stopgezet wordt op bodems met een hoge P‑beschikbaarheid daalt de jaarlijkse P‑opname met 13% van de huidige P‑opname na tien jaar. Daarna volgt er gedurende 20 jaar een depletie met een nagenoeg constante gewas P‑opname voordat de jaarlijkse opname sterk daalt met meer dan 25% van de initiële waarden. Aangezien een dalende P‑opname mogelijk is zonder opbrengstverliezen (luxe‑consumptie), suggereert dit dat de huidige bodem‑P‑voorraden P‑uitmijning mogelijk maken op landbouwgronden gedurende ongeveer 30 jaar zonder aanzienlijke daling in opbrengsten. Het lange-termijnsmodel vertoonde echter een aanzienlijke hysteresis in de relatie tussen gewas‑P‑opname en bodem‑P‑voorraad tussen de periode van opbouw van de P‑voorraad (excessieve P‑bemesting) en een toekomstig scenario van bodem P‑uitmijning waar de bodem‑P‑voorraad minder beschikbaar is ten gevolge van de trage desorptie van P uit de vaste fase. In theorie wordt dit gerelateerd aan het gebrek van toevoeging van verse P die continu de vaste P pool aanvult in de bodem.

Deze studie toonde aan dat geen van de huidige bodem‑P‑testen consistent beter scoorde dan andere in hun voorspelling van P‑gerelateerde opbrengstverliezen op Europese bodems. De resultaten toonden aan dat het beschikbare P in de Europese bodems momenteel gecontroleerd wordt door de bodem‑P‑kwantiteit. Er werd ook aangetoond dat trager groeiende planten meer historisch P kunnen gebruiken in een P‑depletiescenario dan snel groeiende planten vooraleer er opbrengstverliezen worden waargenomen. Modelleren suggereerde dat de P‑beschikbaarheid in een P‑depletie‑scenario afhangt van de grootte van de snel desorbeerbare P‑pool en dat eens deze pool volledig uitgemijnd is, de P‑beschikbaarheid gecontroleerd wordt door de desorptiekinetiek van de traag desorbeerbare P‑pool. Er wordt gesuggereerd dat bodem‑P‑testen kunnen verbeterd worden door de P‑desorptiekinetieken in rekening te brengen via dynamische P‑testen en dat het mechanistisch modelleren verder uitgebreid moet worden om te bepalen welke processen hierin precies van belang zijn.

Datum:1 okt 2013 →  13 sep 2018
Trefwoorden:phosphorus, availability, quantification
Disciplines:Bodemwetenschappen, uitdagingen en vervuiling, Landbouw, land- en landbouwbedrijfsbeheer
Project type:PhD project