Selenium fertilization: plant uptake and residuals in soil

Abstract

Maaperän happamuuden ja matalan hapetus- pelkistyspotentiaalin johdosta ihmisille ja eläimille välttämätön hivenravinne seleeni (Se) esiintyy suomalaisissa maissa pääosin kasveille käyttökelvottomissa, niukkaliukoisissa muodoissa. Suomalaisten riittävä seleeninsaanti onkin varmistettu vuodesta 1985 lähtien kansallisella Se-lannoitusohjelmalla. Ravitsemuksellisesti natriumselenaatin lisääminen lannoitteisiin on ollut menestyksekästä. Vuosittain toistuvien Se-lisäysten kiertoa ympäristössä ei kuitenkaan tunneta tarkasti, mikä varjostaa lannoituskäytäntöä. Tässä tutkimuksessa tarkasteltiin erilaisia maan uuttomenetelmiä pyrkimyksenä löytää rutiinianalyyseihin toiminnallisesti perusteltu, yksinkertainen uuttotapa sekä maan Se-varannon yksityiskohtaisempaan tutkimukseen sopiva menetelmä. Lannoiteseleenin maaperäkäyttäytymisen selvittämiseksi työssä tarkasteltiin Se-lisäysten pitkä- ja lyhytaikaisia vaikutuksia maan Se-varantoon. Kasvien lannoiteseleenin ottotehokkuutta tutkittiin painottaen Se-pidättävien oksidien ja orgaanisen aineksen merkitystä lisätyn Se:n käyttökelpoisuudelle. Lisäksi tarkasteltiin kasvien Se:n oton rytmiä ja Se:n kuljetusta kasvissa. Kokonaisseleenipitoisuudeltaan toisistaan eroavilla Se-lannoitetuilla orgaanisilla ja kivennäismailla tehdyt perättäiset uutot osoittivat maan Se-varannolle tyypillisen jakauman. Vain 1 % maan Se:stä uuttui helppoliukoisena KCl-liuoksella, lähes 20 % oli adsorboituneena, 40 % orgaaniseen ainekseen sitoutuneena, 15 % alkuainemuodossa ja noin 30 % niukkaliukoisena. Seleenilannoituksen aikaanaikaansaamat muutokset maan Se-pitoisuuksissa 13 vuoden tarkastelujaksolla olivat pieniä, mutta kivennäismaalla Se:n havaittiin kertyneen adsorboituneeseen, orgaaniseen sekä niukkaliukoiseen fraktioon. Helppoliukoisen Se:n pieni osuus kuvastaa selenaatin pysymättömyyttä suomalaisissa maissa. Astiakokeissa havaittiin kuitenkin, että kenttäkapasiteettia kuivemmissa olosuhteissa selenaatti voi säilyä maassa läpi kasvukauden. Koska Se kertyy maassa vaikealiukoisiin muotoihin, heikot uuttomenetelmät eivät sovellu maaperän Se-varannon muutosten seurantaan. Työssä testatuista yksittäisuutoista hapan ammoniumoksalaatti ja fosfaattipuskuri korkeassa pH:ssa osoittautuivatkin Se-seurannassa käytettävää kuumavesiuuttoa lupaavammiksi menetelmiksi maan Se-varannon arviointiin. Tehokkuudeltaan kuumaa vettä heikommalla suolaliuoksella maasta uuttui kuitenkin huomattavasti kasvien ottamaa määrää enemmän Se:ä. Nämä heikot uuttomenetelmät ovat siten käyttökelpoisia välittömästi biosaatavissa olevan Se:n tarkasteluun, joskin maauuttojen ja kasvien Se:n ottotehokkuuden välistä yhteyttä tulee selvittää tarkemmin. Vehnä- ja raiheinäkasvustot ottivat 5-50 % astiakokeissa lisätystä lannoiteselenaatista. Vehnän seleeninotto jatkui läpi kasvukauden. Yli 50 % vehnäkasvuston ottamasta Se:stä päätyi jyviin, kun taas edellisen vuoden selenaattilannoituksen jäännöksellä kasvaneen raiheinän ottamasta Se:stä 80 % kertyi juuriin. Seleenin kuljetuksella kasvissa voi siten olla merkittävä vaikutus laskennalliseen Se:n ottotehokkuuteen, jos vain sadoksi korjattu osa kasvista tulee huomioiduksi. Astiakokeissa selenaatin pelkistyminen seleniitiksi oli vähäistä, joten maan Se:ä pidättävillä komponenteilla ei ollut juuri vaikutusta Se:n käyttökelpoisuuteen. Seleniittinä Se kuitenkin pidättyi tehokkaasti sekä puhtaaseen että rautaoksideilla rikastettuun rahkaturpeeseen. Keinotekoisilla mineraalipinnoilla Se:n pidättyminen tapahtui ligandinvaihtomekanismilla, mutta puhtaassa turpeessa pidättymistapa jäi tuntemattomaksi. Tämä työ osoitti, että tulevaisuuden Setutkimuksessa tarvitaan uusia menetelmiä toistaiseksi tuntemattomien, mutta maassa hallitseviksi osoittautuneiden orgaanisten Se-muotojen tarkasteluun. Astiakokeiden tulosten perusteella muut tekijät kuin selenaatin nopea pelkistyminen ja sitä seuraava pidättyminen vaikuttavat määräävän kasvien lannoite-Se:n ottotehokkuuden. Maan helppoliukoisen Se:n kasvien ottoa rajoittavia tekijöitä onkin jatkossa syytä selvittää.

The acidity and low redox potential in soils in Finland render selenium (Se) scarcely soluble, thereby severely restricting its availability to plants. To achieve an adequate intake level of this microelement essential for human beings and animals, a national Se fertilization programme has been in operation in Finland since the 1985 growing season. Nutritionally, supplementing compound fertilizers with sodium selenate has been a success. The practice is, however, challenged by the unknown cycle of annual Se additions in the environment. In this study, several soil extractants were explored to find methods of sound basis for routine soil Se analyses and for a more detailed characterization of the soil Se status. To increase understanding of the behaviour of fertilizer Se in soil, both long- and short-term changes in soil Se reserves in response to Se additions were examined. The efficiency of plant uptake of fertilizer Se was also studied, emphasizing the influence of Se-adsorbing oxides and organic components on the retention of Se in soil. In addition, the uptake rhythm and translocation of Se within plants were determined. Sequential extractions of selenate-fertilized organic and mineral soils with varying Se content revealed a characteristic pattern in the distribution of Se. A mere 1% of the soil Se reserves were extracted with a KCl solution, nearly 20% were recovered in adsorbed, 40% in organically associated, 15% in elemental and around 30% in recalcitrant fractions. The change in soil Se concentrations after a 13-year period of Se fertilization remained small. However, the data indicated that in mineral soils residual fertilizer Se had accumulated as adsorbed selenite and in the organically associated and recalcitrant pools. The minor fraction of salt-soluble Se reflected the instability of selenate in soils in Finland. Pot experiments, however, demonstrated that under moisture conditions drier than field capacity, easily soluble selenate may persist in acidic soils throughout the growing period. Since Se accumulates in poorly soluble pools, very weak extraction methods are not suitable for describing changes in soil Se reserves. Of the single extractions tested, acid ammonium oxalate or phosphate buffer with high pH appeared to be more suitable extractants for estimating the soil Se status than the hot-water extraction used in national monitoring at present. However, salt solutions, which were less efficient than hot water in extracting Se, recovered more Se than what was found within plants. These weak extractants can thus be used in assessing the immediately bioavailable soil Se pool, although the association between the amounts of Se acquired by soil analyses and that absorbed by plants needs to be further clarified. The Se uptake of wheat and ryegrass ranged between 5% and 50% of the amount of fertilizer selenate added in pot experiments. The Se uptake by wheat continued throughout the growth period and wheat transported over 50% of its Se content into the grains. Ryegrass grown in soil with residual Se, however, accumulated over 80% of its total Se uptake in the roots. The translocation pattern within the plant can thus have a marked influence on the apparent uptake efficiency of Se when only the harvested portion of the crop is considered. Since reduction of selenate to selenite was low during the growth period, the content of Se sorption components in the soil had minor influence on the plant availability of Se. As selenite, Se was retained very efficiently in both peat and in peat enriched with iron hydroxides. On artificial mineral surfaces, Se was adsorbed by ligand exchange, but in pure peat an unknown mechanism of retention was operating. This study revealed that new approaches are needed in Se research to unravel the nature of the unfamiliar forms of organically bound Se that dominate Se reserves in soil. The results of the pot experiments suggest that processes other than rapid reduction and subsequent fixation of the added selenate govern the uptake of the annual fertilizer Se addition by plants. Factors limiting plant Se uptake from the soluble pool in soil need to be addressed in future studies.