Research Collection. Soil zinc and cadmium availability to wheat under green manure and long-term organic fertilizer application.

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1 Research Collection Doctoral Thesis Soil zinc and cadmium availability to wheat under green manure and long-term organic fertilizer application Author(s): Grüter, Roman Publication Date: 2017 Permanent Link: This page was generated automatically upon download from the ETH Zurich Research Collection. For more information please consult the Terms of use. ETH Library

2 DISS. ETH No Soil zinc and cadmium availability to wheat under green manure and long-term organic fertilizer application A thesis submitted to attain the degree of DOCTOR OF SCIENCES of ETH ZURICH (Dr. sc. ETH Zurich) presented by ROMAN GRÜTER Master of Science ETH in Environmental Sciences born on citizen of Hochdorf LU accepted on the recommendation of Prof. Rainer Schulin, examiner Dr. Susan Tandy, co-examiner Prof. Emmanuel Frossard, co-examiner Prof. Ellis Hoffland, co-examiner 2017

3 Summary Zinc (Zn) is an essential micronutrient for plants and humans. Zn deficiency in human populations depending on cereals, such as wheat as a main source of Zn is a global problem in human nutrition. Low concentrations of Zn in wheat grains are usually associated with soils of low plant available (phytoavailable) Zn, which is reduced by high soil ph, high contents of calcium carbonate, available phosphate, clay, iron and aluminium oxides and low moisture content. Enhancing soil Zn availability for plant uptake by organic matter (OM) application is a promising strategy to address the problem of Zn deficiency. Organic matter has the potential to increase the phytoavailability of Zn in soil through various direct and indirect ways, such as the release of Zn-mobilizing organic ligands during decomposition, inputs of Zn into the soil, the improvement of soil structure and soil moisture retention, or through its effects on soil microorganisms and available plant macronutrients. However, wheat is also a major source of cadmium (Cd), a toxic heavy metal, to human diets. Since Zn and Cd are chemically very similar, increasing Zn concentrations in wheat grains (biofortification), while preventing Cd accumulation, is an agronomic challenge. The objective of this thesis was to investigate the potential of OM application for improving the density of Zn in wheat grain for human consumption without increasing grain Cd at the same time. We studied the long-term and short-term effects of organic matter inputs on wheat Zn and Cd uptake on two Swiss long-term field trials and in a pot experiment. In the first field experiment, we investigated the effects of green manure application on phytoavailable soil Zn and Cd on a Luvisol with different long-term fertilizer management. Clover, mustard or no green manure was grown on plots, which had been managed with farmyard manure (FYM) or mineral fertilizers (NPK) for 65 years in Switzerland. After green manure incorporation into the soil, wheat (Triticum aestivum L.) was grown on all plots. The diffusive gradients in thin films (DGT) method and DTPA extraction were used to compare soil Zn and Cd availability among the treatments. In contrast to mustard, clover increased soil mineral nitrogen concentrations and wheat biomass; however, neither increased grain Zn concentrations. DGT-available Zn and Cd increased temporarily after both farmyard manure and mineral nitrogen fertilizer application. Higher soil OM, which increased soil binding capacity for Zn and Cd, higher total and DTPA-extractable soil Zn and Cd, lower wheat grain yields, but higher grain iv

4 Zn concentrations were obtained with farmyard manure compared to mineral fertilizers, independent of the green manure treatment. Clover decomposition increased grain yields, but only marginally lowered grain Zn concentrations. The absence of a stronger dilution of grain Zn was probably due to organic acid and nitrogen release from decomposing clover, which facilitated Zn uptake by wheat. The study revealed that both long- and short-term OM field management alters soil Zn and Cd concentrations but that the long-term effects dominate their uptake by wheat, in Zn sufficient soil. In the second experiment, the same green manure plant species were used as in the first experiment and were grown in pots followed by wheat. The pot experiment had a factorial design with three green manure treatments (clover, mustard or no green manure) and three soil treatments which were a high-zn soil from the farmyard manure treatment of the long-term field trial (FYM), a low-zn soil from Turkey (TURK) and the TURK soil with mineral Zn fertilization (TURK+ZN). In contrast to mustard, clover increased grain Zn concentrations in the FYM and TURK+ZN soils, but not in the TURK soil. The effect appeared to be due to high soil nitrogen inputs and concurrent ph decrease, wheat root biomass increase, and the release of organic ligands from decomposing clover residues, which mobilized soil Zn and Cd. However, the high N inputs also induced S deficiency, high grain N/S ratios and Cd accumulation above critical thresholds. The study suggests that only on Zn sufficient soils or in combination with Zn fertilizer, leguminous green manure can further increase soil Zn accumulation by wheat. In the third part of the thesis, we used two Swiss agricultural long-term field trials (DOK and ZOFE) to investigate the impact of long-term organic, mineral or combined fertilizer inputs on total and phytoavailable concentrations of soil Zn and Cd and their accumulation in wheat grains. Compared to mineral fertilization and unfertilized controls, long-term organic fertilization with composted manure or green waste compost led to higher soil organic carbon, cation exchange capacity and ph, while DGT-available Zn and Cd concentrations were reduced. In contrast to DGT, DTPA-extractable soil Zn and Cd concentrations were more closely related to total soil Zn and Cd concentrations. The DGT method reflected the difference in Zn and Cd phytoavailability between the two trials and was a strong predictor of shoot and grain Cd concentrations, but not for Zn. On the other hand, shoot and grain Zn concentrations correlated with DTPA-extractable soil Zn concentrations in the ZOFE, but not in the DOK trial. Due to these differences in availability and uptake of Zn and Cd, long-term organic fertilization led to lower accumulation of Cd in wheat grains, but did not affect grain Zn and therefore led to higher Zn/Cd ratios in the grains, as desired for human nutrition. Zn and Cd mass balances indicated that high Zn and Cd inputs with organic fertilizers and high Cd inputs with phosphate fertilizers v

5 Summary were the main reasons for positive balances, while mineral fertilization led to the depletion of soil Zn due to higher yields and thus higher Zn exports with harvest than under organic management. The study supports the use of organic fertilizers for improving the nutritional quality of wheat grains with reduced Cd concentrations in the long-term, as long as the quality of the fertilizers is guaranteed. In conclusion, the application of a leguminous plant as green manure affected wheat growth, soil Zn and Cd availability, wheat Zn and Cd concentrations and uptake mainly through its effects on available soil nitrogen. Our findings suggest that Zn biofortification of wheat by applying green manure on low-zn soils might not be successful when wheat growth is limited by nitrogen supply. However, the combination of leguminous green manure and Zn fertilization can improve grain Zn density under these conditions. From the investigation of the field trials, we conclude that there is a potential of long-term application of compost to reduce Cd concentrations in wheat grains. However, this is only valid if the organic matter is not enriched with heavy metals and therefore strongly depends on the origin of composted organic materials. vi

6 Zusammenfassung Zink (Zn) ist ein essentieller Mikronährstoff für Pflanzen und Menschen. Zn-Mangel in Bevölkerungsgruppen, welche auf Getreide, wie zum Beispiel Weizen, als Hauptzinkquelle angewiesen sind, ist ein globales Ernährungsproblem. Tiefe Zn-Konzentrationen in Weizenkörnern kommen normalerweise auf Böden mit einem geringen Anteil an pflanzenverfügbarem Zn vor, welche oft hohe ph-werte, hohe Gehalte an Karbonaten, verfügbarem Phosphat und Eisen- und Aluminiumoxiden, hohe Tonanteile oder tiefe Feuchtigkeitsgehalte aufweisen. Die Verbesserung der Pflanzenverfügbarkeit des schon im Boden vorhandenen Zn mittels Einsatz von organischem Material ist eine vielversprechende Strategie zur Lösung des Problems des Zn-Mangels. Organisches Material verfügt über das Potential die Zn-Verfügbarkeit im Boden in direkter und indirekter Weise zu erhöhen, wie zum Beispiel durch die Freisetzung von Zn-mobilisierenden organischen Liganden bei dessen Zersetzung, durch den Eintrag von Zn in den Boden, durch die Verbesserung der Bodenstruktur und der Wasserspeicherkapazität des Bodens, oder durch dessen Einfluss auf Bodenmikroorganismen und verfügbare Makronährstoffe. Ausser der Rolle des Weizens als Zn-Lieferant ist er jedoch auch eine Hauptquelle des toxischen Schwermetalls Cadmium (Cd) für den Menschen. Wegen der chemischen Ähnlichkeit der Elemente Zn und Cd ist die Erhöhung von Zn-Konzentrationen in Weizenkörnern (Biofortifikation) ohne die gleichzeitige Begünstigung der Cd-Akkumulation eine agronomische Herausforderung. Als Ziel dieser Doktorarbeit untersuchten wir deshalb das Potential des Einsatzes von organischen Substanzen zur Erhöhung von Zn-Konzentrationen in Weizenkörnern unter Berücksichtigung der Cd-Aufnahme. Wir untersuchten langfristige und kurzfristige Auswirkungen des Einsatzes von organischen Düngern auf die Zn- und Cd-Aufnahme ins Weizenkorn auf zwei Schweizer Langzeitfeldversuchen und in einem Topfexperiment. Im ersten Feldversuch untersuchten wir auf Parzellen mit unterschiedlicher Langzeitdüngung, wie sich der Einsatz von Gründüngern auf die Pflanzenverfügbarkeit von Zn und Cd im Boden auswirkt. Klee, Senf oder kein Gründünger wurden auf Teilflächen von Parzellen gesät, welche seit über 65 Jahren mit Kuhmist (FYM) oder Mineraldüngern (NPK) bewirtschaftet wurden. Nach dem Einarbeiten der Gründünger in den Boden, wurde auf allen Parzellen Weizen (Triticum aestivum L.) kultiviert. Sowohl die DGT-Methode ( diffusive gradients in thin films ), als auch die Extraktion mit DTPA wurden eingesetzt, um die Verfügbarkeiten von Zn und Cd im vii

7 Zusammenfassung Boden in den verschiedenen Behandlungen zu vergleichen. Im Gegensatz zum Senf verursachte der Einsatz von Klee-Gründünger erhöhte Konzentrationen von verfügbarem Stickstoff (N) im Boden und höhere Weizenerträge, während keiner der beiden Gründünger die Zn-Konzentrationen in Weizenkörnern erhöhte. Das Ausbringen von Kuhmist oder mineralischem N-Dünger verursachte vorübergehende Erhöhungen des DGT-verfügbaren Zn und Cd im Boden. Im Vergleich zur Langzeitbehandlung mit Mineraldüngern bewirkte der Einsatz von Kuhmist eine Erhöhung der organischen Bodensubstanz, der Bindungskapazität des Bodens für Zn und Cd, höhere Konzentrationen an totalem und DTPA-extrahierbarem Zn und Cd im Boden, tiefere Weizenerträge, aber höhere Zn-Konzentrationen in Weizenkörnern. Die Kleebehandlung führte zu höheren Weizenerträgen aber nur unwesentlich tieferen Zn-Konzentrationen in Körnern. Das Ausbleiben einer stärkeren Verdünnung des Korn-Zn aufgrund hoher Biomasseproduktion war wahrscheinlich durch die Freisetzung von organischen Säuren und Stickstoff vom sich zersetzenden Klee bedingt, welche die Zinkaufnahme durch den Weizen erleichterte. Die Resultate der Studie zeigen auf, dass sowohl der langfristige, als auch der kurzfristige Einsatz von organischen Düngern im Feld die Konzentrationen an verfügbarem Zn und Cd im Boden beeinflussen, dass aber im Boden mit ausreichender Zn-Versorgung die Effekte der Langzeitbehandlung auf die Pflanzenaufnahme von Zn und Cd überwiegen. Im zweiten Experiment wurden dieselben Gründüngerpflanzen wie im ersten Versuch in Töpfen angewendet und danach wiederum Weizen gepflanzt. Der Topfversuch hatte ein faktorielles Versuchsdesign mit drei Gründüngerbehandlungen (Klee, Senf oder kein Gründünger) und drei Bodenbehandlungen: Ein Boden mit hoher Zn-Verfügbarkeit aus dem Kuhmistverfahren des Langzeitversuchs (FYM), ein Boden mit geringer Zn-Verfügbarkeit aus der Türkei (TURK) und der TURK Boden mit mineralischer Zn-Düngung (TURK+ZN). Im Gegensatz zum Senf bewirkte die Kleebehandlung erhöhte Zn-Konzentrationen in Weizenkörnern in den FYM und TURK+ZN Böden, jedoch nicht im TURK Boden. Dieser Effekt wurde einerseits durch die hohen N-Einträge in den Boden und die damit einhergehenden ph-senkungen und durch die Freisetzung von organischen Liganden aus den sich zersetzenden Kleeresten erklärt, welche Zn und Cd im Boden mobilisierten. Andererseits spielte wahrscheinlich die Erhöhung der Wurzelbiomasse eine wichtige Rolle in der Zn-Akquisition. Allerdings verursachten die hohen N- Einträge auch Schwefelmangelerscheinungen am Weizen, hohe N/S Verhältnisse in den Körnern und Cd-Konzentrationen oberhalb kritischer Grenzwerte. Die Resultate dieses Experiments deuten darauf hin, dass N-fixierende Gründünger nur in Böden mit ausreichender Zn- Versorgung oder in Kombination mit mineralischer Zn-Düngung die Zn-Konzentrationen in Weizenkörnern weiter erhöhen können. viii

8 Im dritten Teil dieser Arbeit untersuchten wir den Einfluss von langfristiger organischer, mineralischer oder kombinierter Düngung auf die totalen und pflanzenverfügbaren Zn- und Cd-Konzentrationen im Boden und deren Aufnahme in Weizenkörner in zwei landwirtschaftlichen Langzeitfeldversuchen in der Schweiz (DOK und ZOFE). Im Vergleich zu mineralisch gedüngten und ungedüngten Parzellen führten die langfristigen organischen Düngungen mit Mistkompost und Grüngutkompost zu höheren organischen Kohlenstoffgehalten im Boden, höheren Kationenaustauschkapazitäten und ph-werten, aber zu tieferen DGT-verfügbaren Zn- und Cd- Konzentrationen. Im Unterschied zur DGT-Methode korrelierten die Konzentrationen an DTPA-extrahierbarem Zn und Cd stärker mit deren Totalgehalten im Boden. Die DGT-Methode reflektierte die Unterschiede in pflanzenverfügbarem Zn und Cd zwischen den zwei Feldversuchen. Im Gegensatz zum Zn korrelierte das DGT-verfügbare Cd im Boden zudem stark mit den Cd-Konzentrationen im Weizenstroh und in den Körnern. Im ZOFE, aber nicht im DOK Versuch, korrelierten die Zn-Konzentrationen im Weizenstroh und korn hingegen stark mit dem DTPA-extrahierbaren Zn im Boden. Aufgrund dieser Unterschiede in der Verfügbarkeit und in der Pflanzenaufnahme zwischen Zn und Cd führte die organische Düngung langfristig zu einer tieferen Cd-Akkumulation in Weizenkörnern, beeinflusste aber die Zn-Konzentrationen im Weizenkorn nicht. Dies führte zu höheren Zn/Cd Verhältnissen in den Körnern, was aus Sicht der Ernährung wünschenswert ist. Ausserdem zeigte die Studie auf, dass hohe Zn- und Cd-Einträge mit organischen Düngern und hohe Cd-Einträge durch Cd-haltige Phosphatdünger die Hauptgründe für positive Zn- und Cd-Massenbilanzen darstellen. Andererseits führten höhere Weizenerträge und daher höhere Zn-Austräge durch den Einsatz von Mineraldüngern im Vergleich zu organischen Düngern zu einer Verarmung an Zn-Totalgehalten im Boden. Insgesamt unterstützen die Ergebnisse die Verwendung von organischen Düngern zur langfristigen Verbesserung der Nahrungsmittelqualität von Weizenkörnern mit geringeren Cd- Konzentrationen, sofern die Qualität der eingesetzten Dünger garantiert ist. Zusammenfassend beeinflusste der Einsatz einer N-fixierenden Pflanze als Gründünger das Weizenwachstum, die Verfügbarkeiten von Zn und Cd im Boden und deren Aufnahme und Konzentrationen im Weizenkorn hauptsächlich durch ihren Einfluss auf den verfügbaren Bodenstickstoff. Unsere Ergebnisse deuten darauf hin, dass der Gründüngereinsatz zur Biofortifikation von Weizen mit Zn auf Böden mit geringer Zn-Verfügbarkeit kaum erfolgreich ist, solange N der limitierende Nährstoff für das Weizenwachstum ist. Unter diesen Bedingungen kann allerdings die Kombination von N-fixierenden Pflanzen als Gründünger und mineralischer Zn-Düngung den Zn-Gehalt von Weizenkörnern verbessern. Aus der Untersuchung der Langzeitfeldversuche schliessen wir ein Potential von langfristigem Komposteinsatz zur Reduktion ix

9 Zusammenfassung von Cd-Konzentrationen in Weizenkörnern. Dies gilt allerdings nur für organische Dünger ohne Schwermetallanreicherung und ist deshalb abhängig von der Herkunft und der Zusammensetzung der kompostierten organischen Substanzen. x