Plant-availability of soil and fertilizer zinc in cultivated soils of Finland

Abstract

Suomen viljelymaiden Zn-varojen suuruutta, liukoisuutta ja käyttökelpoisuutta kasveille tutkittiin maa-analyysein ja astiakokein. Erilaisten Zn-lannoitteiden vaikutusta raiheinän, timotein ja ohran satoon ja Zn-pitoisuuteen tutkittiin astia- ja kenttäkokein. Sinkin kokonaispitoisuus (Zn tot) 106 pintamaanäytteen aineistossa oli 10-202 mg kg -1. Kivennäismaissa Zn tot oli positiivisessa korrelaatiossa savespitoisuuden kanssa (r = 0,81 ***) ja eloperäisissä maissa Zn tot korreloi negatiivisesti maan orgaanisen hiilen pitoisuuden kanssa (r = -0,53 **). Useiden savimaiden Zn tot oli yli 150 mg kg -1, kun taas muutamien runsaimmin orgaanista hiiltä sisältävien turvemaiden Zn tot-varat olivat jopa alle 10 mg kg -1 Vesiliukoista ja vaihtuvaa sinkkiä (Zn ex) uutettiin 0,5 M MgCl2-liuoksella. Znex korreloi negatiivisesti maan pH:n kanssa. Pääosin orgaanisen aineksen sitomaksi oletettua sinkkiä uutettiin 0,1 M K4P207-lluoksella (Znpy) ja sen jälkeen samasta näytteestä 0,05 M oksalaattiliuoksella (pH 2,9) (Zn ox) Fe- ja AI-oksidien sitomaksi arveltua sinkkiä. Summan Zn py + Zn ox, katsottiin kuvastavan maan sekundaaristen Zn-varojen suuruutta vastakohtana rapautumattomien mineraalien sisältämälle sinkille. Sekundaarisen sinkin määrä (mediaani 5,9 mg dm -3 , n = 106) oli kaikissa maalajeissa samaa suuruusluokkaa. Sen sijaan sekundaarisen sinkin osuus (%) Zn tot:sta oli pienin savimaissa (mediaani 5 %) ja suurin turvemaissa (mediaani 49 %), mikä kuvastaa maan Zn tot:n määrissä olevia eroja. Maan sinkkiä uutettiin myös viljavuusanalyysissä käytettävänä happamalla ammoniumasetaatti - EDTA -liuoksena (0,5 M CH3C0OH, 0,5 M CH3C0ONH4,0,02 M Na2-EDTA, pH 4,65). Menetelmällä saadut tulokset (ZnAc, mediaani 2,9 mg dm-3 , vaihteluväli 0,6 - 29,9 mg dm -3 , n = 106) olivat kiinteässä vuorosuhteessa Zn py:n kanssa. Voidaankin arvella ZnAc:n sisältävän vesiliukoista, vaihtuvaa, orgaanisen aineksen ja Fe- ja AI-oksidien sitomaa sinkkiä. Zn Ac:n pitoisuus oli muokkauskerroksessa lähes poikkeuksetta suurempi kuin jankossa. Astiakokeessa, jossa kasvatettiin neljä satoa raiheinää, ei maan Zn-varoja saatu ehdytetyiksi, vaikka raiheinän sinkinsaanti vähenikin muutamista turvemaista kokeen loppua kohti. Kasvit ottivat 2 - 68 % (mediaani 26 %, n = 107) sekundaarisen sinkin (Zn py + Zn ox,) varoista. Suhteellisesti runsaimmin Zn-varat ehtyivät happamista, niukasti sinkkiä sisältävistä turvemaista ja muutamista karkeimmista kivennäismaista. Suhteellisesti vähiten Zn-varat ehtyivät runsaasti Zn Ac sisältävistä maista sekä niukemmin Zn Ac sisältävistä neutraaleista maista. Zn Ac, kuvasti melko hyvin raiheinän Zn-ottoa, joskin menetelmä näyttää hieman yliarvioivan kasvin sinkinsaantia maista, joissa oli kesimääräistä korkeampi pH. Kivennäismaissa pH sääteli selvimmin sitä, kuinka tehokkaasti sinkkisulfaattina maahan lisätty Zn (10 mg dm -3) kohotti raiheinän Zn-pitoisuutta. Maan pH:n kohotessa Zn-lannoituksen teho heikkeni. Zn Ac:n niukkuus maassa lisäsi Zn-lannoituksen tehoa. Zn-lannoitus kohotti raiheinän Zn-pitoisuutta eniten niissä eloperäisissä maissa, joiden Zn-varoilla oli taipumus ehtyä suhteellisesti voimakkaimmin. Sinkkilannoituksen vaikutusta timotein Zn-pitoisuuteen tutkittiin kahdessa kaksivuotisessa kenttäkokeessa savi- ja hietamaalla. Ilman Zn-lannoitusta kasvaneen timotein keskimääräinen Zn-pitoisuus oli savimaalla 28 mg kg -1 ja hietamaalla 35 mg kg 1. Sinkkisulfaattina tai rakeisen kipsin ja sinkkisulfaatin seoksena kokeen alussa annettu 3 ja 6 kg Zn ha -1 lannoitus nosti timotein sinkkipitoisuutta 3 ja 7 mg kg-1. Kun näitä lannoitteita levitettiin nurmen pintaan ensimmäisen sadonkorjuuvuoden keväällä, oli vaikutus sama kuin nurmen kylvön yhteydessä maahan muokatulla lannoituksella. Nurmen pintaan levitettyjen sinkkiä sisältävien NPK-lannoitteiden Zn-lannoitusvaikutus oli vähäinen. Kolmivuotisissa kenttäkokeissa ilman Zn-lannoitusta viljellyn ohran jyvien Zn-pitoisuus oli savimaalla 29 mg kg -1, hietamaalla 18 mg kg -1 ja multamaalla 39 mg kg-1. Zn-lannoitus (5,4 kg ha -1 kerralla kokeen alussa tai yhteensä 4,8 - 5,4 kg ha -1 kolmessa osassa) kohotti jyvän Zn-pitoisuutta savimaalla (pH 5,8) 5 mg kg -1, mutta sillä ei ollut vaikutusta hietamaalla (pH 7,1) eikä multamaalla (pH 5,3), jonka jankko sisälsi runsaasti sinkkiä (Zn Ac, 17,2 mg dm -3 ). Lehtilannoitteena annettu Na2Zn -EDTA (1,8 kg Zn ha-1 vuosittain) kohotti jyvän Zn-pitoisuutta kaikissa kokeissa 3 - 4 mg kg -1. Hietamaahan sinkkisulfaattina annettu runsaampi lannoitus (15 ja 30 kg Zn ha -1) kohotti jyvän Zn-pitoisuutta 5 tai 7 mg kg -1, mutta vaikutusta ei havaittu enää seuraavana vuonna, mikä osoittaa sinkin heikkoa käyttökelpoisuutta kyseisellä neutraalilla maalla. Sinkkilannoitus ei vaikuttanut timotein tai ohran sadon määrään. Maan pH vaikuttaa ratkaisevasti sekä luontaisen että varsinkin lannoitteena annetun sinkin käyttökelpoisuuteen. Tästä syystä maan sinkkianalyysin (Zn Ac,) tulkinnassa ja lannoitussuosituksia annettaessa olisi otettava huomioon myös maan pH. Neutraaleilla mailla on turha antaa Zn-lannoitusta maahan sen vähäisen vaikutuksen takia; niillä on mieluummin käytettävä lehtilannoitusta. Happamammissa oloissa myös maahan annettu lannoitus kohottaa kasvien Zn-pitoisuutta.

The Zn status of cultivated soils of Finland was investigated by chemical analyses and bioassays. The effect on ryegrass of different Zn fertilizers and Zn rates was studied in pot experiments and their effect on barley and timothy in field experiments. In an uncontaminated surface soil material of 72 mineral soils and 34 organogenic soils, total Zn (Znt tot) was 10.3 - 202 mg kg -1 (median 66 mg kg -1). In mineral soils, Zn tot correlated positively with clay content (r = 0.81 ***) and in organogenic soils negatively with organic C (r = -0.53 ***). Zinc bound by organic matter and sesquioxides was sequentially extracted by 0.1 M K4P207 (Zn py) and 0.05 M oxalate at pH 2.9 (Zn ox), respectively. The sum Zn py + Zn ox, a measure of secondary Zn potentially available to plants, was 2 - 88% of Zntot and was the lowest in clay (median 5%) and highest in peat soils (median 49%). Water-soluble and exchangeable Zn consisted of 0.3 - 37% (median 3%) of Zn tot, the percentage being higher in acid soils, particularly in peat soils. Zinc was also extracted by 0.5 M ammonium acetate - 0.5 M acetic acid - 0.02 M Na2-EDTA at pH 4.65 (Zn Ac), the method used in soil testing in Finland. The quantities of Zn Ac, (median 2.9 mg dm-3, range 0.6 - 29.0 mg dm-3 ) averaged 50% and 75% of Zn py + Zn ox, in mineral and organogenic soils, respectively, and correlated closely with Zn py. In soil profiles, Zn Ac was with few exceptions higher in the plough layer (0 - 20 cm) than in the subsoil (30 - 100 cm). In an intensive pot experiment on 107 surface soils, four crops of ryegrass took up 2 - 68% (median 26%) of Zn py + Zn ox. The plant-available Zn reserves were not exhausted even though in a few peat soils the Zn supply to grass decreased over time. Variation of Zn uptake was quite accurately explained by Zn Ac, but increasing pH had a negative impact on Zn uptake. Application of Zn (10 mg dm-3 of soil as ZnSO4 - 7H20) did not give rise to yield increases. In mineral soils, increase of plant Zn concentration correlated negatively with soil pH while Zn Ac, was of secondary importance. In those organogenic soils in which the reserves of native Zn were the most effectively utilized, plant Zn concentration also responded most strongly to applied Zn. In two 2-year field experiments, Zn application did not increase timothy or barley yields. Zinc concentration of timothy increased from 30 mg kg -1 to 33 and 36 mg kg-1 when 3 or 6 kg Zn ha-1 was applied, respectively. The efficiency of ZnSO4 × 7H20 alone did not differ from that of a fertilizer where ZnSO4 × 7H2O was granulated with gypsum. Zinc concentration of barley grains increased by foliar sprays of Na2Zn-EDTA but only a marginal response to soil-applied Zn (4.8 or 5.4 kg ha -1 over three years) was detected in three 3-year experiments. High applications of Zn to soil (15 or 30 kg ha -1 as ZnSO4 × 7H2O) were required to increase Zn concentration of barley markedly. In order to prevent undue accumulation of fertilizer Zn in soil, it is proposed that Zn fertilizer recommendations for field crops should he based on both soil pH and Zn Ac. In slightly acid and neutral soils, even if poor in Zn, response of plant Zn concentration to applied Zn remains small while there is a high response in strongly acid soils.