Heavy metals from phosphate fertilizers in maize-based food-feed energy systems

Niño Savala, Andrea Giovanna

Doctoral Thesis

2023

Heavy metals from phosphate fertilizers in maize-based food-feed energy systems

Niño Savala, Andrea Giovanna

Dissertation_Andrea_Giovanna_Nio_Savala.pdf (2.19 MB)

Abstract (English)

The problem of polluted agricultural lands with heavy metals due to anthropogenic activities, including applying phosphorous (P) fertilizers polluted with cadmium (Cd) and other metal such as uranium, has been extensively studied. Several reviews, including the one in the present dissertation, have elaborated this issue with often the same results: the application of P fertilizers with high Cd levels is strongly correlated to Cd accumulation in arable soil, which could imply environmental risks as well as health risks for humans and animals through the food chain. Therefore, these reviews have often the same conclusion: the application of low Cd-P fertilizers, either mineral, organic or recycled, is diminishing the risks of Cd pollution at the soil, crop and consumption level. However, globalization, trade politics, economy, dependency on Morocco mineral P fertilizers, and the finite stock in the raw material have challenged this possibility, especially in the European Union. Meanwhile, in China, polluted arable soils are related to other anthropogenic activities and type of fertilizers rather than Cd-polluted phosphate rock and mineral P fertilizers. At the farm level, other options to diminish Cd pollution in soil and crops, besides low Cd-P fertilizers, could consist of different fertilizer and crop management. These options were studied in this dissertation. A different P management, including different rate applications and placements, did not influence the total Cd concentration in silage maize grown in Germany, regardless of the developmental stage of the crop and the Cd levels in P fertilizer. Silage maize might take up Cd derived from P fertilizers under unpolluted soils, without high risks due to its high biomass production. However, significant changes in the labile Cd fraction were already visible after applying Cd-polluted P fertilizers at 150% of the required amount to the soil after only two growing seasons. Further research should be done to understand the correlations between the bioavailable metal fraction and the actual Cd uptake by silage maize, especially in unpolluted soils. This recommendation also follows the meta- analysis results presented in the second publication, which indicated a possible bias as most of the studies are performed under polluted conditions. Considering the results of the third and fourth publication, the Cd uptake by silage maize was strongly correlated to labile Zn in the soil and the Zn uptake at the early development stage after two field seasons. Placed P fertilizer had a significant and negative effect on the Zn uptake by young silage maize. Further research is needed to understand the behavior of Cd and Zn in the uptake process by maize under P fertilization in unpolluted soils. According to three of the four publications presented in this dissertation, the soil pH was the main soil characteristic influencing the bioavailability and the plant uptake of Cd under unpolluted conditions, regardless of the P treatment, the development stage, and the maizes intended use. However, the total Cd concentration in the soil was the dominant variable for the Cd concentration in maize grain when the soil was polluted with high Cd levels, which was the case in several experiments analyzed in the second publication. P fertilizers with average Cd contamination might enhance labile Cd accumulation in arable land and crops when applied to low biomass crops, such as wheat and legume crops. In this regard, crop management such as crop rotation in the central field experiment indicated that the wheat rotation induced a lower Cd accumulation in maize-soil systems, owing to wheat likely accumulating Cd at higher levels than other crops. The results presented in the second publication also indicated high Cd accumulation by the wheat crop: the wheat grain accumulated more Cd than the maize grain. Thus, potential hazards related to Cd accumulation in wheat grain should also be considered in wheat-maize systems. In conclusion, suitable crop rotations considering the crop-specific potential of Cd accumulation, efficient P management including soil P levels and nutrient use efficiency, and low Cd-P fertilizers remain the most viable options and the main challenge to avoid Cd accumulation in arable soils.

Abstract (German)

Das Problem der Belastung landwirtschaftlicher Flächen mit Schwermetallen aufgrund anthropogener Aktivitäten, einschließlich des Einsatzes von Phosphor-(P)-Düngemitteln, die mit Cadmium (Cd) und anderen Metallen wie Uran verunreinigt sind, wurde bereits ausführlich untersucht. Mehrere Reviews, einschließlich des Reviews in der vorliegenden Dissertation, haben sich mit diesem Thema befasst und sind häufig zu dem gleichen Ergebnis gekommen: die Anwendung von P-Düngemitteln mit hohem Cd-Gehalt korreliert stark mit der Cd-Anreicherung in Ackerböden, was wiederum sowohl Umweltrisiken als auch Gesundheitsrisiken für Menschen und Tiere über die Nahrungskette zur Folge haben könnte. Daher haben diese Reviews oftmals dieselbe Schlussfolgerung: die Anwendung von mineralischen, organischen oder recycelten P-Düngemitteln mit geringen Cd-Anteilen reduziert die Cd-Belastung auf den Ebenen Boden, Pflanze und Konsum. Die Globalisierung, die Handelspolitik, die Wirtschaft, die Abhängigkeit von P-Mineraldüngern aus Marokko und die Endlichkeit des Rohstoffs erschweren diese Möglichkeit, insbesondere in der Europäischen Union. Währenddessen stehen in China verunreinigte Ackerböden im Zusammenhang mit anderen anthropogenen Aktivitäten und anderen Arten von Düngemitteln als mit Cd-verunreinigtem Phosphatgestein und mineralischen P- Düngemitteln. Andere Möglichkeiten neben P-Düngemitteln mit geringen Cd-Anteilen, um Cd- Verschmutzung auf Betriebsebene in Böden und Pflanzen zu verringern, könnten in einem anderen Dünge- und Pflanzenmanagement bestehen. Diese Möglichkeiten wurden in der vorliegenden Dissertation untersucht. Ein anderes P-Management, einschließlich verschiedener Anwendungsmengen und Platzierungen, hatte keinen Einfluss auf die Gesamtkonzentration an Cd bei Silomais, welcher in Deutschland angebaut wurde, unabhängig vom Entwicklungsstadium der Pflanzen und der Cd-Anteile in den P- Düngemitteln. Silomais könnte auf unbelasteten Böden Cd aus P-Düngemitteln aufnehmen, ohne dass wegen der hohe Biomasseproduktion ein hohes Risiko besteht. Signifikante Veränderungen des labilen Cd-Anteils im Boden waren bereits nach der Ausbringung von Cd-verunreinigten P-Düngemitteln in Höhe von 150% der erforderlichen Menge nach nur zwei Vegetationsperioden zu erkennen. Weitere Untersuchungen sind nötig, um die Zusammenhänge zwischen der bioverfügbaren Metallfraktion und der tatsächlichen Cd- Aufnahme von Silomais zu verstehen, insbesondere in unbelasteten Böden. Diese Empfehlung folgt den Ergebnissen der Metaanalyse in der zweiten Publikation, welche eine mögliche Verzerrung zeigt, da die meisten Studien unter belasteten Bedingungen durchgeführt wurden. Unter Berücksichtigung der Ergebnisse der dritten und vierten Veröffentlichung, korrelierte die Cd-Aufnahme von Silomais mit dem Anteil an labilem Zink (Zn) im Boden und mit der Zn-Aufnahme im frühen Entwicklungsstadium innerhalb von zwei Vegetationsperioden. Platzierte P-Düngung hatte einen signifikanten und negativen Einfluss auf die Zn-Aufnahme durch jungen Silomais. Weitere Untersuchungen sind notwendig, um das Verhalten von Cd und Zn bei der Aufnahme von Mais mit P-Düngemitteln in unbelasteten Böden zu verstehen. In drei der vier Publikationen der vorliegenden Dissertation war der Boden-pH die wichtigste Bodeneigenschaft mit Einfluss auf die Bioverfügbarkeit und die Pflanzenaufnahme von Cd unter unbelasteten Bedingungen, unabhängig von der P-Anwendung, vom Entwicklungsstadium und der beabsichtigten Maisnutzung. Hingegen war die Gesamt-Cd- Konzentration die dominante Variable für die Cd-Konzentration in den Maiskörnern, wenn der Boden mit hohen Cd-Leveln verunreinigt war, was in einigen Experimenten der Fall war, die in der zweiten Publikation analysiert wurden. P-Düngemittel mit durchschnittlicher Cd-Kontamination könnten die labile Cd- Anreicherung in Ackerböden und Pflanzen verbessern, wenn sie auf Pflanzen mit geringer Biomasse, wie Weizen und Leguminosen, ausgebracht werden. In dieser Hinsicht wiesen Pflanzenbaumanagementmaßnahmen wie die Fruchtfolge im Hauptfeldexperiment darauf hin, dass eine Fruchtfolge mit Weizen zu einer geringeren Cd-Akkumulation in Maisanbausystemen führt, was darauf zurückzuführen ist, dass Weizen wahrscheinlich höhere Cd-Konzentrationen anreichert als andere Kulturen. Die Ergebnisse in der zweiten Publikation deuteten ebenfalls auf eine Cd-Akkumulation der Weizenpflanze hin: Die Weizenkörner reicherten mehr Cadmium an als die Maiskörner. Daher sollte das Gefahrenpotential in Weizenkörnern auch bei Weizen-Mais-Fruchtfolgen betrachtet werden. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass geeignete Fruchtfolgen unter Berücksichtigung des pflanzenspezifischen Potentials der Cd-Anreicherung, eines effizienten P-Managements, das den P-Gehalt im Boden und der Effizienz der Nährstoffnutzung einschließt, sowie P- Düngemittel mit niedrigem Cd-Gehalt nach wie vor die praktikabelsten Optionen und die Hauptherausforderung zur Vermeidung von Cd-Anreicherung in Ackerböden bleiben.