Direkt-Charakterisierung von Boden-Phosphaten und Düngemittel-Boden Reaktionen von Recycling-Phosphat-Düngemitteln mittels mikrospektroskopischer Methoden

• Antragsteller: Dr. Christian Vogel
• Fachliche Zuordnung: Bodenwissenschaften ; Pflanzenbau, Pflanzenernährung, Agrartechnik
• Förderung: Förderung von 2015 bis 2019
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 286220554

• Erstellungsjahr: 2020

Zusammenfassung der Projektergebnisse

Für eine nachhaltige Phosphordüngung werden Informationen über die Menge und chemische Form des Phosphors (P) im Boden benötigt. Deshalb wurden im Rahmen dieses Projekts spektroskopische Methoden entwickelt, um Phosphate in Böden zu charakterisieren sowie Düngemittel-Boden-Reaktionen aufzuklären. Es konnte gezeigt werden, dass einige der untersuchten Methoden erfolgreich zur Charakterisierung von Phosphaten in Böden angewendet werden können. Insbesondere die Kopplung von Mikro-Röntgenfluoreszenzanalyse (Mikro-RFA) und P K-Kanten Mikro-Röntgen-Nahkanten-Absorptions-Spektroskopie (engl. XANES) ermöglichte die Identifizierung von verschiedenen anorganischen Phosphaten und in einem eingeschränkteren Maß auch von organischen Phosphaten in Böden. Durch die geringe Ortsauflösung beim Mikro-XANES von bis zu unter 1 µm 2 konnten sogar auf Hawaiianischen Böden apatitische Staubpartikel identifiziert werden, die mit Bulk-spektroskopischen Methoden nicht charakterisiert werden konnten. Außerdem ermöglichte die Kombination von Bulk- und Mikro-XANES Spektroskopie eine Quantifizierung der P-Verbindungen im Boden. Mittels visueller und ultravioletter (UV) Raman Spektroskopie konnten ebenfalls anorganischen Phosphate in Böden bestimmt werden. Der starke UV-Laser zerstörte jedoch die meisten organischen Verbindungen, auch wenn die Bodenproben stark gekühlt wurden. Mittels Infrarot Mikrospektroskopie konnte hingegen nur in einem Hawaiianischen Boden mit einem sehr hohen P Gehalt von fast 2% P die P-Verbindung identifiziert werden. Zudem wurde auch die Synchrotron Mikro-UV Fluoreszenz Spektroskopie angewendet, um organische Phosphate zu charakterisieren. Dabei musste jedoch festgestellt werden, dass mittels UV Fluoreszenz Spektroskopie organische Phosphate von anderen organischen Verbindungen nicht unterschieden werden konnten. Ebenfalls hat sich die Nahfeld Infrarot Spektroskopie mit einer Ortsauflösung von 20-100 nm als unbrauchbar herausgestellt, da durch die sehr lange Messzeit pro Punkt (bis zu 30 min) eine Lokalisierung von P Verbindungen sehr schwierig war und die Phosphate nur ein sehr schwaches Nahfeld-Signal aufweisen. Die angewendeten spektroskopischen Techniken konnten auch Umwandlungsprozesse von Düngemitteln in Böden identifizieren. Bei Apatit-haltigen Düngemitteln konnte hauptsächlich eine Umwandlung in Aluminium- und Eisenphosphate im Boden detektiert werden. Bei weiteren untersuchten P-Düngemitteln konnte eine Adsorption von Phosphaten an Al- und Fe-Minerale beobachtet werden. Zudem wurde die neuartige Stickstoff K-Kanten Mikro- XANES Spektroskopie Technik genutzt, um den Einfluss von Ammonium und Nitrifikationshemmer auf verschiedene P-Düngemittel zu untersuchen. Dabei konnte festgestellt werden, dass durch den Nitrifikationshemmer Ammonium im Boden fixiert wird. Der wiederum bewirkt bei der anschließenden Aufnahme durch die Pflanzen eine Verringerung des pH-Werts in der Rhizosphäre, wodurch P-Düngemittel besser gelöst werden. Dies führt dazu, dass die Pflanzen mehr P aufnehmen können, wodurch die Pflanzenerträge erhöht werden. Des Weiteren wurde die Diffusive Gradients in Thin-films (DGT) Methode erfolgreich zur Charakterisierung der Pflanzenverfügbarkeit von Boden- sowie Düngemittel-Phosphaten angewendet. Dabei zeigte die DGT Methode eine deutlich bessere Korrelation zu P-Aufnahme und Pflanzenerträgen von Mais als herkömmliche Extraktionsmethoden für Böden und P-Düngemittel. Zudem konnten mittels Infrarot- und P L2,3- und K-Kanten XANES-Spektroskopie erfolgreich die pflanzenverfügbaren P-Verbindungen auf der Bindungsschicht des DGT Adsorbers identifiziert werden.

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

• “Characterization of Phosphorus Compounds in Soils by Deep Ultraviolet (DUV) Raman Microspectroscopy”, J. Raman Spectrosc., 2017, 48, 867-871
  C. Vogel, M. Ramsteiner, R. Sekine, A. Doolette, C. Adam
  
• “Phosphorus availability of sewage sludge-based fertilizers determined by the diffusive gradients in thin films (DGT) technique”, J. Plant Nutr. Soil Sci., 2017, 180, 594-601
  C. Vogel, R. Sekine, D. Steckenmesser, E. Lombi, D. Steffens, C. Adam
  
• “Performance of secondary P- fertilizers in pot experiments analyzed by phosphorus X-ray absorption near edge structure (XANES) spectroscopy”, Ambio, 2018, 47, 52-62
  C. Vogel, C. Rivard, V. Wilken, A. Muskolus, C. Adam
  
• “Agronomic performance of P recycling fertilizers and methods to predict it: a review”, Nutr. Cycl. Agroecosyst., 2019, 115, 1-39
  S. Kratz, C. Vogel, C. Adam,
  
• “Combining diffusive gradients in thin films (DGT) and spectroscopic techniques for the determination of phosphorus species in soils”, Anal. Chim. Acta, 2019, 1057, 80-87
  C. Vogel, R. Sekine, D. Steckenmesser, E. Lombi, H. Herzel, L. Zuin, D. Wang, R. Felix, C. Adam
  
• “Effect of nitrification inhibitor on nitrogen forms in soil and phosphorus uptake of plants” Sci. Total Environ. 2020, 715, 136895
  C. Vogel, R. Sekine, J. Huang, D. Steckenmesser, D. Steffens, T. Huthwelker, C.N. Borca, A.E. Pradas del Real, H. Castillo-Michel, C. Adam