PATRCIA ALMENDROS GARCIA

UNIVERSIDAD POLITÉCNICA DE MADRID
ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIEROS AGRÓNOMOS
EFECTO RESIDUAL DE COMPLEJOS ORGÁNICOS DE ZINC EN
SUELOS ÁCIDO Y CALIZO EN CULTIVOS DE JUDÍA (Phaseolus
vulgaris L.) Y LINO (Linum usitatissimum L.) REALIZADOS EN
CONDICIONES DE INVERNADERO. INFLUENCIA DE LAS
DIFERENTES CONDICIONES DE HUMEDAD
RESIDUAL EFFECT OF ORGANIC ZINC COMPLEXES IN ACID
AND CALCAREOUS SOILS ON NAVY BEAN (Phaseolus vulgaris
L.) AND FLAX (Linum usitatissimum L.) CROPS UNDER
GREENHOUSE CONDITIONS. INFLUENCE OF THE MOISTURE
CONDITIONS
TESIS DOCTORAL
PATRICIA ALMENDROS GARCÍA
Ingeniera Agrónoma
MADRID, 2013
DEPARTAMENTO DE QUÍMICA Y ANÁLISIS AGRÍCOLA
ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIEROS AGRÓNOMOS
UNIVERSIDAD POLITÉCNICA DE MADRID
EFECTO RESIDUAL DE COMPLEJOS ORGÁNICOS DE ZINC EN
SUELOS ÁCIDO Y CALIZO EN CULTIVOS DE JUDÍA (Phaseolus
vulgaris L.) Y LINO (Linum usitatissimum L.) REALIZADOS EN
CONDICIONES DE INVERNADERO. INFLUENCIA DE LAS
DIFERENTES CONDICIONES DE HUMEDAD
RESIDUAL EFFECT OF ORGANIC ZINC COMPLEXES IN ACID
AND CALCAREOUS SOILS ON NAVY BEAN (Phaseolus vulgaris
L.) AND FLAX (Linum usitatissimum L.) CROPS UNDER
GREENHOUSE CONDITIONS. INFLUENCE OF THE MOISTURE
CONDITIONS.
PATRICIA ALMENDROS GARCÍA
Ingeniera Agrónoma
DIRECTOR:
JOSÉ MANUEL ÁLVAREZ ÁLVAREZ
Doctor en Ciencias Químicas
MADRID, 2013
Tribunal nombrado por el Mgfco. y Excmo. Sr. Rector de la
Universidad Politécnica de Madrid, el día …….. de …………… de 2013
Presidente
D……………………………..
Vocal D…………………………………………..
Vocal D…………………………………………..
Vocal D…………………………………………..
Secretario D…………………………………………..
Realizando el acto de defensa y lectura de la Tesis el día ……………. de
……………… de 2013 en Madrid
Calificación…………………..
EL PRESIDENTE
LOS VOCALES
EL SECRETARIO
A mis padres
A Antonio
Este trabajo se presenta para obtener el título de Doctor Internacional por el
programa de Doctorado de “Tecnología Agroambiental para una Agricultura
Sostenible”. Ha sido realizado en el Departamento de Química y Análisis Agrícola de la
Escuela Técnica Superior de Ingenieros Agrónomos de la Universidad Politécnica de
Madrid, bajo la dirección del Dr. D. José Manuel Álvarez Álvarez, a quien quiero
expresar mi agradecimiento, ya que esto no habría sido posible sin su ayuda y a quien
también quiero agradecer que me diese la oportunidad de introducirme en este mundo
de la investigación, así como su dedicación y enseñanzas.
Mi más sincera gratitud al Dr. D. Demetrio González Rodríguez por su
disposición y ayuda constantes.
No puedo dejar de expresar un agradecimiento muy especial a la Dra. Dña. Ana
Obrador Pérez y al Dr. D. Luis Manuel López Valdivia por el apoyo, ánimos y el interés
que han mostrado siempre en mi trabajo.
Quiero agradecer a la Dra. Dña. María Isabel Rico Selas sus consejos y
recomendaciones. También quiero dar las gracias al Dr. D. Antonio Vallejo García, al
Dr. D. Miguel Quemada Sáenz-Badillos y a la Dra. Dña Francisca Guerrero López por
los ánimos que me han dado durante estos años.
I would like to thank Prof. D. Erik Smolders, since without the opportunity
he gave me, it would not have been possible to present this thesis with an
"International mention".
Muy especialmente, quiero agradecer a la Dra. Dña. Ana Obrador Pérez y a la
Dra. Dña. María Isabel Rico Selas los consejos y comentarios que han permitido
mejorar algunos de los capítulos de la tesis.
Quiero dar las gracias a Javi, porque con su ayuda todos los aparatos del
laboratorio parecen menos complicados. A Ana Ros por su disposición, consejos, cariño
y paciencia. A Pilar Ortiz porque con su ayuda los problemas que surgen en el
laboratorio siempre tienen solución. A Paloma por su apoyo y colaboración. A Pilar
López y a Estrella las palabras de ánimo durante los años de realización de esta tesis.
A Mari Carmen Blanco y a Carmen Diéguez, por su ayuda con todos los trámites
administrativos, porque con su paciencia y explicaciones ha sido mucho más fácil.
A todos los compañeros, los que han pasado por el laboratorio y que han hecho
que el trabajo fuese muchísimo más ameno, en especial a Gema y María porque nunca
olvidaré nuestros inicios en el laboratorio. A mis compañeros del Dpto: Ángela, Mark,
Diego, Maite, María, Alberto y especialmente a Laura, Sonia y Emi, por los consejos y
ánimos, tan necesarios en algunas fases de este trabajo.
To all workgroup colleagues at Leuven KU who made my stay a great
experience, and specially to Mari Carmen and Six. A special thanks to Liske
because I've learned a lot with her and she has been an excellent colleague.
Por último y muy importante para mí, quiero agradecer a mi familia toda la
fuerza que me han transmitido en esta larga etapa y sobretodo a mis padres, por su
esfuerzo, por su apoyo a lo largo de todos estos años y porque siempre me han animado
a concluir este trabajo. A mi hermana Cristina, por estar siempre ahí, por sus buenos
consejos y por hacerme ver siempre las cosas desde un punto de vista más positivo. A
Antonio, mi marido, mi mayor apoyo, por escucharme y aconsejarme siempre, por sus
constantes palabras de ánimo, su eterna paciencia, por su cariño. Al bebé que viene,
porque ha sido el último empujón que necesitaba para presentar esta tesis.
A todas las personas que de una forma u otra han colaborado en el desarrollo de
este trabajo, muchas gracias a todos.
Índice
Resumen...................................................................................................................................... 10
Summary ..................................................................................................................................... 13
1. Introducción ............................................................................................................................ 16
1.1. El zinc como micronutriente esencial...................................................................... 17
1.2. El zinc en el suelo.................................................................................................... 17
1.3. El zinc en la planta .................................................................................................. 36
2. Objetivos ................................................................................................................................. 42
3. Objectives................................................................................................................................ 45
4. Residual effects of natural Zn chelates on navy bean response, Zn leaching and soil Zn
status............................................................................................................................................ 48
4.1. Abstract ................................................................................................................... 49
4.2. Introduction ............................................................................................................. 49
4.3. Materials and Methods ............................................................................................ 51
4.4. Results ..................................................................................................................... 54
4.5. Discussion ............................................................................................................... 61
5. Navy bean response to residual effects of soil fertilization with synthetic zinc chelates
and zinc leaching......................................................................................................................... 67
5.1. Abstract ................................................................................................................... 68
5.2. Introduction ............................................................................................................. 68
5.3. Materials and Methods ............................................................................................ 70
5.4. Results ..................................................................................................................... 73
5.5. Discussion ............................................................................................................... 84
6. Residual effects of organic Zn fertilizers applied before the previous crop on soil Zn
availability and Zn uptake by flax plant...................................................................................... 88
6.1. Abstract ................................................................................................................... 89
6.2. Introduction ............................................................................................................. 89
6.3. Materials and Methods ............................................................................................ 91
6.4. Results ..................................................................................................................... 94
6.5. Discussion ............................................................................................................. 102
6.6. Conclusions ........................................................................................................... 106
7. Long-term bioavailability effects of synthesized zinc chelates fertilizers on the yield
and quality of a flax................................................................................................................... 107
8
7.1. Abstract ................................................................................................................. 108
7.2. Introduction ........................................................................................................... 109
7.3. Materials and Methods .......................................................................................... 110
7.4. Results ................................................................................................................... 114
7.5. Discussion ............................................................................................................. 120
8. The influence of moisture conditions on the residual effect of zinc applied in the form
of natural organic complexes to two different soils .................................................................. 125
8.1. Abstract ................................................................................................................. 126
8.2. Introduction ........................................................................................................... 126
8.3. Materials and Methods .......................................................................................... 127
8.4. Results and Discussion.......................................................................................... 129
8.5. Conclusions ........................................................................................................... 140
9. Influence of moisture conditions on residual Zn concentrations applied as synthetic
chelates...................................................................................................................................... 141
9.1. Abstract ................................................................................................................. 142
9.2. Introduction ........................................................................................................... 142
9.3. Materials and Methods .......................................................................................... 143
9.4. Results ................................................................................................................... 145
9.5. Discussion ............................................................................................................. 155
9.6. Conclusions ........................................................................................................... 158
10. Discusion general ................................................................................................................ 159
10.1. Efecto del zinc residual de los complejos aplicados en un cultivo de judía,
en condiciones de riego por encima de la capacidad de campo ................................... 160
10.2. Efecto del zinc residual de los complejos aplicados en un cultivo de lino, en
condiciones de riego por debajo de la capacidad de campo ......................................... 191
10.3. Influencia de las condiciones de humedad en el efecto residual del zinc
aplicado en forma de complejos naturales y sintéticos en dos suelos diferentes.......... 218
11. Conclusiones generales ....................................................................................................... 229
12. General conclusions ............................................................................................................ 232
13. References-Bibliografia ...................................................................................................... 235
14. List of publications-Lista de publicaciones......................................................................... 254
9
Resumen
Resumen
El Zn es un elemento esencial para el crecimiento saludable y reproducción de plantas,
animales y humanos. La deficiencia de Zn es una de las carencias de micronutrientes más
extendidas en muchos cultivos, afectando a grandes extensiones de suelos en diferentes áreas
agrícolas. La biofortificación agronómica de diferentes cultivos, incrementando la
concentración de micronutriente Zn en la planta, es un medio para evitar la deficiencia de Zn en
animales y humanos.
Tradicionalmente se han utilizado fertilizantes de Zn inorgánicos, como el ZnSO4,
aunque en los últimos años se están utilizado complejos de Zn como fuentes de este
micronutriente, obteniéndose altas concentraciones de Zn soluble y disponible en el suelo. Sin
embargo, el envejecimiento de la fuente en el suelo puede causar cambios importantes en su
disponibilidad para las plantas. Cuando se añaden al suelo fuentes de Zn inorgánicas, las formas
de Zn más solubles pierden actividad y extractabilidad con el paso del tiempo, transformándose
a formas más estables y menos biodisponibles.
En esta tesis se estudia el efecto residual de diferentes complejos de Zn de origen
natural y sintético, aplicados en cultivos previos de judía y lino, bajo dos condiciones de riego
distintas (por encima y por debajo de la capacidad de campo, respectivamente) y en dos suelos
diferentes (ácido y calizo). Los fertilizantes fueron aplicados al cultivo previo en tres dosis
diferentes (0, 5 y 10 mg Zn kg-1 suelo).
El Zn fácilmente lixiviable se estimó con la extracción con BaCl2 0,1M. Bajo
condiciones de humedad por encima de la capacidad de campo se obtuvieron mayores
porcentajes de Zn lixiviado en el suelo calizo que en el suelo ácido. En el caso del cultivo de
judía realizado en condiciones de humedad por encima de la capacidad de campo se compararon
las cantidades extraídas con el Zn lixiviado real. El análisis de correlación entre el Zn fácilmente
lixiviable y el estimado sólo fue válido para complejos con alta movilidad y para cada suelo por
separado. Bajo condiciones de humedad por debajo de la capacidad de campo, la concentración
de Zn biodisponible fácilmente lixiviable presentó correlaciones positivas y altamente
significativas con la concentración de Zn disponible en el suelo.
El Zn disponible se estimó con varios métodos de extracción empleados habitualmente:
DTPA-TEA, DTPA-AB, Mehlich-3 y LMWOAs. Estas concentraciones fueron mayores en el
suelo ácido que en el calizo. Los diferentes métodos utilizados para estimar el Zn disponible
presentaron correlaciones positivas y altamente significativas entre sí.
La distribución del Zn en las distintas fracciones del suelo fue estimada con diferentes
extracciones secuenciales. Las extracciones secuenciales mostraron un descenso entre los dos
cultivos (el anterior y el actual) en la fracción de Zn más lábil y un aumento en la concentración
de Zn asociado a fracciones menos lábiles, como carbonatos, óxidos y materia orgánica. Se
obtuvieron correlaciones positivas y altamente significativas entre las concentraciones de Zn
asociado a las fracciones más lábiles (WSEX y WS+EXC, experimento de la judía y lino,
respectivamente) y las concentraciones de Zn disponible, estimadas por los diferentes métodos.
Con respecto a la planta se determinaron el rendimiento en materia seca y la
concentración de Zn en planta. Se observó un aumento del rendimiento y concentraciones con el
efecto residual de la dosis mayores (10 mg Zn kg-1) con respecto a la dosis inferior (5 mg Zn
11
kg-1) y de ésta con respecto a la dosis 0 (control). El incremento de la concentración de Zn en
todos los tratamientos fertilizantes, respecto al control, fue mayor en el suelo ácido que en el
calizo. Las concentraciones de Zn en planta indicaron que, en el suelo calizo, serían
convenientes nuevas aplicaciones de Zn en posteriores cultivos para mantener unas adecuadas
concentraciones en planta.
Las mayores concentraciones de Zn en la planta de judía, cultivada bajo condiciones de
humedad por encima de la capacidad de campo, se obtuvieron en el suelo ácido con el efecto
residual del Zn-HEDTA a la dosis de 10 mg Zn kg-1 (280,87 mg Zn kg-1) y en el suelo calizo
con el efecto residual del Zn-DTPA-HEDTA-EDTA a la dosis de 10 mg Zn kg-1 (49,89 mg Zn
kg-1). En el cultivo de lino, cultivado bajo condiciones de humedad por debajo de la capacidad
de campo, las mayores concentraciones de Zn en planta ese obtuvieron con el efecto residual del
Zn-AML a la dosis de 10 mg Zn kg-1 (224,75 mg Zn kg-1) y en el suelo calizo con el efecto
residual del Zn-EDTA a la dosis de 10 mg Zn kg-1 (99,83 mg Zn kg-1).
El Zn tomado por la planta fue determinado como combinación del rendimiento y de la
concentración en planta. Bajo condiciones de humedad por encima de capacidad de campo, con
lixiviación, el Zn tomado por la judía disminuyó en el cultivo actual con respecto al cultivo
anterior. Sin embargo, en el cultivo de lino, bajo condiciones de humedad por debajo de la
capacidad de campo, se obtuvieron cantidades de Zn tomado superiores en el cultivo actual con
respecto al anterior. Esta tendencia también se observó, en ambos casos, con el porcentaje de Zn
usado por la planta.
12
Summary
Summary
Zinc is essential for healthy growth and reproduction of plants, animals and humans.
Zinc deficiency is one of the most widespread micronutrient deficiency in different crops, and
affect different agricultural areas. Agronomic biofortification of crops produced by an increased
of Zn in plant, is one way to avoid Zn deficiency in animals and humans
Sources with inorganic Zn, such as ZnSO4, have been used traditionally. Although, in
recent years, Zn complexes are used as sources of this micronutrient, the provide high
concentrations of soluble and available Zn in soil. However, the aging of the source in the soil
could cause significant changes in their availability to plants. When an inorganic source of Zn is
added to soil, Zn forms more soluble and extractability lose activity over time, transforming into
forms more stable and less bioavailable.
This study examines the residual effect of different natural and synthetic Zn complexes
on navy bean and flax crops, under two different moisture conditions (above and below field
capacity, respectively) and in two different soils (acid and calcareous). Fertilizers were applied
to the previous crop in three different doses (0, 5 y 10 mg Zn kg-1 soil).
The easily leachable Zn was estimated by extraction with 0.1 M BaCl2. Under
conditions of moisture above field capacity, the percentage of leachable Zn in the calcareous
soil was higher than in acid soil. In the case of navy bean experiment, performed in moisture
conditions of above field capacity, amounts extracted of easily leachable Zn were compared
with the real leachable Zn. Correlation analysis between the leachable Zn and the estimate was
only valid for complex with high mobility and for each soil separately. Under moisture
conditions below field capacity, the concentration of bioavailable easily leachable Zn showed
highly significant positive correlations with the concentration of available soil Zn.
The available Zn was estimated with several commonly used extraction methods:
DTPA-TEA, AB-DTPA, Mehlich-3 and LMWOAs. These concentrations were higher in acidic
soil than in the calcareous. The different methods used to estimate the available Zn showed
highly significant positive correlations with each other.
The distribution of Zn in the different fractions of soil was estimated with different
sequential extractions. The sequential extractions showed a decrease between the two crops (the
previous and current) at the most labile Zn fraction and an increase in the concentration of Zn
associated with the less labile fractions, such as carbonates, oxides and organic matter. A
positive and highly significant correlation was obtained between the concentrations of Zn
associated with more labile fractions (WSEX and WS + EXC, navy bean and flax experiments,
respectively) and available Zn concentrations determined by the different methods.
Dry matter yield and Zn concentration in plants were determined in plant. Yield and Zn
concentration in plant were higher with the residual concentrations of the higher dose applied
(10 mg Zn kg-1) than with the lower dose (5 mg Zn kg-1), also these parameters showed higher
values with application of this dose than with not Zn application. The increase of Zn
concentration in plant with Zn treatments, respect to the control, was greater in the acid soil than
in the calcareous. The Zn concentrations in plant indicated that in the calcareous soil, new
applications of Zn are desirable in subsequent crops to maintain suitable concentrations in plant.
14
The highest concentrations of Zn in navy bean plant, performed under moisture
conditions above the field capacity, were obtained with the residual effect of Zn-HEDTA at the
dose of 10 mg Zn kg-1 (280.87 mg Zn kg-1) in the acid soil, and with the residual effect of ZnDTPA-HEDTA-EDTA at a dose of 10 mg Zn kg-1 (49.89 mg Zn kg-1) in the calcareous soil. In
the flax crop, performed under moisture conditions below field capacity, the highest Zn
concentrations in plant were obtained with the residual effect of Zn-AML at the dose of 10 mg
Zn kg-1 (224.75 Zn mg kg-1) and with the residual effect of Zn-EDTA at a dose of 10 mg Zn kg-1
(99.83 mg Zn kg-1) in the calcareous soil.
The Zn uptake was determined as a combination of yield and Zn concentration in plant.
Under moisture conditions above field capacity, with leaching, Zn uptake by navy bean
decreased in the current crop, respect to the previous crop. However, in the flax crop, under
moisture conditions below field capacity, Zn uptake was higher in the current crop than in the
previous. This trend is also observed in both cases, with the percentage of Zn used by the plant.
15
Capítulo 1
Introducción general
1. Introducción general
1.1. EL ZINC COMO MICROELEMENTO ESENCIAL
El zinc (Zn) es un elemento traza considerado indispensable para el crecimiento y la
reproducción de las plantas (Alloway, 2008a). La necesidad biológica de Zn fue identificada por
primera vez por Raulin (1869), cuando observó que el moho de trigo común (Aspergillus niger)
no era capaz de crecer en ausencia de este elemento. La esencialidad del Zn para las plantas
superiores fue establecida por Sommer y Lipman (1926), siendo considerado posteriormente
como un micronutriente esencial para plantas, humanos y animales (Sommer, 1928;
Underwood, 1971; Brown et al., 1993; Vitosh et al., 1994; Srivastava y Gupta, 1996; Fageria et
al., 2002; Graham, 2008).
La deficiencia de Zn de cultivos en condiciones de campo se estableció en 1932, con
cultivos de manzano en California y árboles frutales en el sur de Australia (Chandler et al.,
1932). Aunque el Zn es un micronutriente de importancia vital en la producción de cultivos su
deficiencia ha sido observada a lo largo de todo el mundo (Brown et al., 1993); la deficiencia de
Zn es una de las carencias de micronutrientes más extendidas en muchos cultivos, afectando a
grandes extensiones de suelos en diferentes áreas agrícolas (IZA, 2007).
1.2. EL ZINC EN EL SUELO
1.2.1. CONTENIDOS Y FUENTES DE ZINC
El rango de concentración más común de Zn total en suelos varía entre 10 y 300 mg
kg , considerándose el valor medio 50 mg kg-1 (Lindsay, 1974; Kiekens, 1995). En España se
han encontrado suelos con una concentración desde 10 a 109 mg Zn kg-1 (Sebastian, 2008).
-1
El contenido total de Zn depende principalmente de la composición del material
parental en el que el suelo se ha desarrollado. En la Tabla 1.1 (Kabata-Pendias, 2001), se
observa como los contenidos de Zn son más variables en las distintas rocas sedimentarias que en
las ígneas. La abundancia de Zn en los distintos minerales está influenciada por la concentración
del elemento en el magma, roca premetamórfica, etc., y por la capacidad de la red cristalina para
incorporar este elemento.
Dentro del grupo de las rocas ígneas, la concentración de Zn es más elevada en los
basaltos que en los granitos, debido a las sustituciones en los silicatos de Mg2+ y Fe2 + por Zn2+,
debido a su volumen y radio similar (Wedepohl, 1978; Krauskopf y Bird, 1995). En las rocas
sedimentarias, las mayores concentraciones de Zn corresponden a los esquistos y a los
sedimentos arcillosos, encontrándose adsorbido sobre los materiales de granulometría fina y en
parte de la estructura de los minerales arcillosos (Brady, 1990; Shuman, 1991; White, 2006).
17
Capítulo 1
Tabla 1.1. Concentraciones de Zn en diferentes tipos de rocas.
Tipo de roca
Rocas ígneas
Rocas sedimentarias
Rocas ultrabásicas
Dunitas, peridotitas, piroxenos
Rocas básicas
Basaltos, gabros
Rocas intermedias
Diorita, sionita
Rocas ácidas
Granitos, gneis
Rocas ácidas (volcánicas)
Riolitas, trachitas, dacitas
Zn (mg kg-1 suelo)
40-60
80-120
40-100
40-60
40-100
Sedimentos arcillosos
80-120
Esquistos
80-120
Areniscas
15-30
Calizas, dolomitas
10-25
Además del Zn procedente de los procesos geogénicos, existen inputs o fuentes de Zn
antropogénicas que afectan a la concentración de Zn en el suelo, como son:
(i) Inputs procedentes de la deposición atmosférica. Critchley (1983) identificó la
deposición atmosférica como la principal fuente antropogénica de metales en distintos
suelos agrícolas aunque se observó que, en las zonas de deficiencia del micronutriente,
las cantidades de Zn depositado en el suelo no fueron suficientes para proporcionar el
Zn necesario para los cultivos. La combustión del carbón y de otros combustibles
fósiles, la incineración de residuos, la fundición de metales no férreos y las emisiones
urbanas e industriales son las fuentes que contribuyen a la contaminación del aire y que
aportan Zn al suelo por deposición (Adriano, 2001). Nicholson et al. (2003) obtuvieron
unos valores medios de deposición atmosférica para el Zn y en Europa de 227 g ha-1
año-1, siendo este elemento el que se deposita en mayor cantidad en comparación con el
resto de los elementos traza.
(ii) Inputs procedentes de actividades agrícolas e industriales. Algunos productos como
estiércoles, lodos de depuradora, residuos industriales, productos agroquímicos o
fertilizantes contienen cantidades apreciables de Zn. Este elemento en los estiércoles
procede de las dietas de los animales. Nicholson et al. (2003) obtuvieron, en diferentes
áreas agrícolas, que los estiércoles son responsables de aproximadamente el 40% de los
inputs totales de Zn. Los lodos de depuradora contienen cantidades variables de Zn,
entre 91 y 49000 mg kg-1 (Berrow y Webber, 1972; O’Riordan et al., 1986). Varios
productos derivados de residuos industriales, que se aplican al suelo como enmiendas,
incluyen residuos de la transformación de alimentos, residuos de mataderos, lodos
procedentes de la fabricación de papel reciclado y materiales metalúrgicos como arenas
de fundición y escorias de acería.
Los productos fertilizantes utilizados en agricultura proporcionan una fuente de Zn
importante para los suelos. Según Alloway (2008b), los abonos aplicados proporcionan
un input de Zn de aproximadamente 90 g ha-1 año-1 en los suelos agrícolas.
18
Introducción general
1.2.2. FERTILIZANTES DE ZINC
Para corregir las deficiencias de Zn en los cultivos han sido usadas diferentes fuentes de
este micronutriente (Shuman, 1998). Estas fuentes, de naturaleza inorgánica u orgánica, varían
considerablemente en su composición elemental, solubilidad, formulación y precio (Liñán,
2011).
(i) Fertilizantes de naturaleza inorgánica. Son las fuentes de Zn tradicionalmente usadas,
siendo la más común el sulfato de Zn (ZnSO4) debido a su alta solubilidad (Martens y
Westermann, 1991). El óxido de Zn (ZnO) es menos soluble, por lo que se utiliza como
abono foliar de acción lenta. Otras fuentes inorgánicas de Zn son el carbonato (ZnCO3),
el sulfuro (ZnS), el oxisulfato (xZnO·xZnSO4), el nitrato [Zn(NO3)2], el cloruro (ZnCl2)
o las formas fritadas. Estos últimos productos son obtenidos a partir de materias primas
diversas (óxidos, bióxidos, silicoaluminatos) tratados a alta temperatura (1200ºC), con
un enfriamiento posterior muy rápido y que finalmente son molidos finamente.
(ii) Fertilizantes de naturaleza orgánica. Los quelatos sintéticos y los complejos naturales
orgánicos (que en ocasiones son quelatos) son también de uso común en la actualidad
(García-Marco et al., 2003; Degryse et al., 2006; Gonzalez at el., 2008a; Alvarez,
2010; Hernandez-Apaolaza y Lucena, 2011). Una forma compleja se caracteriza porque
el catión metálico se encuentra rodeado y enlazado a una o más moléculas o iones. La
estructura del complejo o del quelato preserva el ión metálico de la formación de
compuestos insolubles con otros agentes, así como de su fijación por las arcillas y por
otros componentes del suelo. Algunas de las fuentes orgánicas naturales se fabrican
haciendo reaccionar sales metálicas de Zn con subproductos, principalmente aquellos
derivados de la industria de la pulpa de madera tales como fenoles, lignosulfatos y
poliflavonoides.
Para que un complejo o quelato sea eficaz como tratamiento fertilizante debe tener una
estabilidad suficiente para impedir la formación de productos insolubles, y ser lo
suficientemente inestable como para liberar lentamente los iones metálicos (Stevenson y
Ardakani, 1972; Lindsay, 1979; Norwell, 1991).
La constante de estabilidad de un quelato puede definirse como la constante de
equilibrio de la ecuación:
Catión metálico + Agente quelante Quelato
(ecuación 1.1)
Kest = [Quelato] / [Catión metálico] [Agente quelante]
Lindsay (1979) y He et al. (2005) recogen algunas constantes de equilibrio de formación
de complejos (log K) para el Zn con diferentes quelantes (estas constantes fueron establecidas a
una fuerza iónica de 0,01M): EDTA4- (10,7-17,5), DTPA5- (19,5-28,9), HEDTA3- (15,4), ácidos
fúlvicos del suelo (3,7), ácidos húmicos (5,03-5,31) y ácido cítrico (5,6-12,3).
Algunos agentes quelantes sintéticos y complejantes orgánicos naturales utilizados en la
formulación de fertilizantes de Zn se citan en la Tabla 1.2.
19
Capítulo 1
Tabla 1.2. Agentes quelantes sintéticos y complejantes orgánicos naturales utilizados en agricultura (Diario
Oficial de la Unión Europea, 2003; R.D. 824/2005).
Tipo
Agente quelante o complejante
Agentes quelantes
EDTA
Ácido etilendiaminotetraacetico
sintéticos
DTPA
Ácido dietilentriaminopentaacético
HEDTA
Acido hidroxietilendiaminotriacético
EDDHSA
Acido etilendiamino-di (2-hidroxi-5-sulfofenilacético)
EDDHMA
Acido etilendiamino-di (o-hidroxi o-metilfenilacético)
EDDCHA
Acido etilendiamino-di (5-carboxi-2-hidroxifenilacético)
EDDHA
Ácido etilendiamino-di (o-hidroxifenilacético)
Complejantes
EDDS
Ácido etilendiaminodisucccinato
orgánicos
Ácidos húmicos y fúlvicos
naturales
Azúcares
Aminoácidos
Ácidos orgánicos (ácido fenólico, cítrico, acético…)
Flavonoides
Ácidos glucónicos
Otros ácidos orgánicos
Existen numerosos estudios que comparan la efectividad de las diferentes tipos de
tratamientos fertilizantes de Zn (Lopez-Valdivia et al., 2002; Novillo et al., 2002; Smolders y
Degrise, 2002; Poshtmasari et al., 2008; Rico et al., 2009). En general, la efectividad de los
tratamientos dependerá de la fuente utilizada, la dosis de aplicación, las condiciones del suelo y
cultivo y del método de aplicación.
Este último factor influye especialmente en la efectividad de los fertilizantes de
naturaleza inorgánica. Según Mortvedt (1992) la disponibilidad del ZnSO4 varía en el suelo
dependiendo de su forma de aplicación: aplicaciones en forma granular son menos efectivas que
aplicaciones pulverizadas en forma cristalina, debido a la menor superficie específica de los
fertilizantes granulares que resulta en una efectividad más baja. Las aplicaciones foliares suelen
aumentar la eficiencia de estos tratamientos en plantas con respecto a las aplicaciones en suelo.
Existen diferentes publicaciones científicas que comparan la efectividad de diferentes
fuentes de Zn y tipos de aplicación. Mortvedt y Gilkes (1993) obtuvieron que las sales
inorgánicas solubles son tan efectivas como los quelatos sintéticos y los complejos naturales
orgánicos, cuando eran usados en aplicaciones foliares para frutales y vegetales. Goos et al.
(2000) estudiaron la respuesta de la aplicación de tres fuentes diferentes (ZnSO4, Zn-humatolignosulfonato y Zn-EDTA) aplicadas en diferentes formas (ZnSO4 y Zn-humato-lignosulfonato
aplicadas en el suelo en forma granular y pulverizada y Zn-EDTA aplicada en el suelo en
disolución) en dos cultivos sucesivos de maíz. La respuesta a las distintas fuentes empleadas fue
análoga a largo plazo, sin embargo a corto plazo la respuesta dependió del tipo de aplicación y
de la fuente, obteniéndose los mayores valores de toma de Zn por la planta con la aplicación de
Zn-EDTA. Rosolem y Sacramento (2001) estudiaron la eficiencia de formas inorgánicas y
queladas de Zn para corregir deficiencias en planta y, en el caso de cultivos de cítricos, no
obtuvieron diferencias significativas con aplicaciones foliares de Zn-EDTA, Zn-lignosulfonato
y ZnSO4. Sin embargo, en el cultivo de café la aplicación foliar de ZnSO4 fue más efectiva que
la aplicación de los otros tratamientos.
20
Introducción general
Diferentes autores (Loeppert, 1986; Vempati y Loeppert, 1988) estiman que los quelatos
se pueden considerar fertilizantes más efectivos en suelos calizos, en comparación con las
formas inorgánicas que reaccionan con más facilidad con otros componentes del suelo, como el
CaCO3, formando compuestos de baja solubilidad no disponibles a corto plazo para las plantas.
Según Mortvedt y Gilkes (1993) los quelatos sintéticos son generalmente más efectivos que los
quelatos orgánicos naturales en suelos problemáticos, aunque su coste es mayor. Varios estudios
han mostrado que los quelatos sintéticos de Zn son las fuentes más efectivas de Zn orgánico
para ciertos cultivos en suelos calcáreos (Obrador et al., 2003; Gonzalez et al., 2007), sin
embargo, en suelos ácidos, los fertilizantes de Zn orgánicos de origen natural presentan niveles
similares de efectividad que las fuentes sintéticas (Lopez-Valdivia et al., 2002; Gonzalez et al.,
2008a, b).
La capacidad de los agentes quelantes de aumentar la solubilidad de los metales
presentes en el suelo en zonas contaminadas y por lo tanto, de facilitar la toma de estos
compuestos por la planta, ha provocado que varios agentes quelantes se hayan utilizado en
numerosos estudios, para facilitar la fitoextracción de metales en zonas contaminadas (Seuntjens
et al., 2004; Hauser, 2005; Luo et al., 2006a; Tandy et al., 2006; Jalali y Khanlari, 2007;
Lambrechts et al., 2011).
1.2.3. DINÁMICA DEL ZINC. EQUILIBRIOS FÍSICO-QUÍMICOS
Las diferentes fases del suelo (50%, fase sólida; 20-30%, fase líquida; 20-30%, fase
gaseosa) (Saether y Caritat, 1997; Sparks, 2003) interaccionan entre sí, dando lugar a una serie
de equilibrios dinámicos entre sus componentes, que pueden comportar o no reacciones
químicas. Para el estudio de la dinámica de Zn y los equilibrios físico-químicos de este
elemento nos centraremos en las fases sólida y líquida del suelo, ya que como indica Viets
(1962), el contenido total de los micronutrientes en los suelos se distribuye en las siguientes
fracciones:
(i) Fracción soluble en agua, presente en la disolución del suelo.
(ii) Fracción intercambiable, iones atraídos por las cargas eléctricas de las partículas del
suelo.
(iii) Fracción asociada orgánicamente, adsorbida, quelatada o complejada por ligandos
orgánicos.
(iv) Fracción asociada a los minerales secundarios, arcillosos y óxidos metálicos insolubles.
(v) Fracción ligada a los minerales primarios del suelo.
De las formas en las que se encuentra el Zn en el suelo, las fracciones soluble en agua, y
aquellas en las que el ion puede ser fácilmente desorbido, aportan el Zn disponible para las
plantas y el Zn potencialmente lixiviable.
Según Zyrin et al. (1976), el Zn total en los suelos se encuentra asociado a fracciones de
fácil movilidad (1 a 2%), complejos orgánicos (1,5 a 2,3%), óxidos hidratados de Fe y Al (14 al
38%) y minerales de la arcilla (24 a 63% del total). Kiekens y Camerlynck (1982) aportaron que
el Zn en el suelo está distribuido entre Zn2+ en solución, formas complejadas orgánicamente y
formas inorgánicas. Según Kiekens (1995) el Zn en el suelo se puede encontrar en las siguientes
formas:
21
Capítulo 1
(i) En forma de ión libre [Zn2+ y Zn(OH)+] y complejado orgánicamente en la disolución
del suelo.
(ii) Zinc adsorbido e intercambiable en la fracción coloidal del suelo, compuesta por
partículas de arcilla, compuestos húmicos e hidróxidos de Fe y Al.
(iii) Zinc en minerales secundarios y complejos insolubles en la fase sólida del suelo.
Como se puede apreciar en la Figura 1.1, donde se representan los equilibrios químicos
entre el Zn y los principales componentes del suelo, el Zn se encuentra presente en la fase
líquida del suelo formando parte de la fracción adsorbida intercambiable, en la fase sólida del
suelo formando hidróxidos de Zn y sales y en ambas fases del suelo como Zn asociado a
ligandos orgánicos (Alloway, 2008b).
FRACCIÓN ADSORBIDA
INTERCAMBIABLE
FASE LÍQUIDA
L: ligando
orgánico
FASE SÓLIDA
Figura 1.1. Equilibrio químico entre el Zn y los componentes del suelo (Alloway, 2004).
Varios autores señalan que los factores más decisivos que controlan la dinámica del Zn
en el suelo son los minerales de arcilla, óxidos hidratados y el pH (Bolland et al., 1977; AbdElfattah y Wada, 1981; Ellis y Knezek, 1983; Tiller et al., 1984; Barrow, 1987; Payne, 1988;
Liang et al., 1990; Harter, 1991; Jeng y Singh, 1993; Soon, 1994; Chlopecka et al., 1996;
Alvarez, 2007).
En los equilibrios dinámicos que tienen lugar en el suelo pueden verse involucradas
otras especies químicas además del Zn2+, si bien ésta es la más común. En la Figura 1.2 se
recogen otras formas o especies químicas de Zn frecuentes en los suelos (Kabata-Pendias,
2001).
Figura 1.2. Especies iónicas y compuestos de Zn que se encuentran en los suelos.
22
Introducción general
La distribución de las formas de Zn se rige por las constantes de equilibrio de las
correspondientes reacciones en las que el Zn está involucrado. Estas reacciones implican
principalmente procesos de disolución y precipitación, complejación, y adsorción y desorción.
1.2.3.A. Disolución y precipitación
El Zn soluble, presente en la disolución del suelo, es una pequeña proporción del Zn
total del suelo. Su valor estimado varía según los autores: Según Hodgson et al. (1966) los
valores oscilan entre 3·10-8 y 3·10-6 M y otros autores citan valores entre 6,12·10-8 y 4,13·10-6 M,
dependiendo del suelo y de las técnicas usadas para obtener la solución (Kabata-Pendias, 1972;
Hädrich et al., 1977). En los suelos ácidos la solubilidad del Zn es alta, con una concentración
de 9,18·10-6M (para pH < 4) en la disolución del suelo, indicando que la solubilidad del Zn es
mayor a menores valores de pH.
La Figura 1.3. representa la variación de la solubilidad de diferentes compuestos de Zn
[ZnCO3, Zn (OH)2 y Zn3(PO4)2] y del Zn del suelo (Zn sol) (a) y las formas químicas de Zn en
disolución en equilibrio (b) en función del pH (Lindsay, 1979; Loué, 1988). En la Figura 1.3(a)
se puede observar como la solubilidad del Zn asociado a los diferentes componentes del suelo
resulta ser menor que en los sistemas experimentales que contienen solo Zn(OH)2, ZnCO3 o
Zn3(PO4)2, debido a la retención de la materia orgánica y las arcillas del suelo, que compiten por
la posesión del catión. Por lo que, teóricamente, estas sales pueden constituir abonos de Zn más
eficaces cuando son aplicados suficientemente cerca de las raíces en suelos con un pH ácido.
Según la siguiente reacción, la actividad del Zn2+ en los suelos es directamente
proporcional al cuadrado de la actividad de los protones (Kiekens, 1995).
Zn-Suelo + 2 H+ Zn2+ + Suelo
log K= 5,80
(ecuación 1.2)
log Zn2+ = 5,8 – 2pH
pZn = 2pH – 5,8
Como se observa en la Figura 1.3.(b) y según la ecuación 1.2, la solubilidad del Zn2+
aumentará 100 veces por cada unidad de pH del suelo que desciende. A pH 5, la actividad de
Zn2+ en solución es alrededor de 10-4 M (6,5 mg L-1), mientras que a pH 8 decrece hasta 10-10 M
(0,007 µg L-1).
Por debajo de pH 7,7 la especie predominante es el Zn2+, mientras que a altos valores de
pH la forma neutra Zn(OH)2 es la que predomina. Las especies aniónicas Zn(OH)3- y Zn(OH)42no llegan a ser especies predominantes en el rango de pH de los suelos.
(b)
(a)
-2
Zn2+
log actividad, mol/l
-4
-6
Zn (OH)
-8
-10
Zn (OH)2 aq
-12
-14
4
5
6
7
8
9
pH
Figura 1.3. Solubilidad de Zn de varios compuestos y formas químicas del Zn en disolución
en equilibrio con el Zn del suelo.
23
Capítulo 1
El Zn también puede formar complejos inorgánicos solubles con los iones cloruro,
fosfato, sulfato y nitrato (Carrillo-González et al., 2005; Alloway, 2008a). En la Tabla 1.3. se
muestran las reacciones de formación de varias especies solubles de Zn en equilibrio con el Zn
del suelo.
Tabla 1.3. Reacciones de formación de varias especies solubles del Zn en equilibrio con el Zn del suelo.
Especies hidroxiladas
Zn2+ + H2O Zn OH+ + H+
2+
+
Zn2+ + Cl- ZnCl+
Zn2+ + H2PO4- ZnH2PO4+
-
Zn2+ + H2PO4- ZnHPO4+ H+
Zn + 2 Cl ZnCl2
Zn2+ + 3 H2O Zn(OH)3- + 3H+
2-
Otros compuestos
2+
Zn +2 H2O Zn(OH)2 + 2H
2+
Complejos clorurados
+
Zn + 4 H2O Zn(OH)4 + 4H
Zn2+ + 3 Cl- ZnCl32+
-
Zn + 4 Cl ZnCl4
2-
Zn2+ + NO3- ZnNO3+
Zn2+ + 2 NO3- Zn(NO3)2
Zn2+ + SO42- ZnSO4
Los complejos ZnSO4 y ZnHPO4 son los más habituales y contribuyen a la concentración
total de Zn en solución. La actividad de la especie ZnSO4 iguala la de Zn2+ cuando la
concentración de SO42- es 10-2,33 M. El ZnSO4 puede incrementar la solubilidad del Zn2+ en suelos
y por lo tanto aumentar la disponibilidad de Zn cuando se utilizan abonos acidificantes como el
sulfato de amonio [NH4(SO4)2], ya que concentraciones altas de SO42- favorecen la formación de
ZnSO4, que aunque con pequeña movilidad en suelos, es susceptible de aumentar la
asimilabilidad del Zn. La especie ZnHPO4 puede contribuir al aumento de Zn en solución,
particularmente en suelos neutros y alcalinos, dependiendo de la actividad del fosfato. Por otro
lado, aunque la interacción del P con el Zn se refiere a menudo a la formación de Zn3(PO4)2 en el
suelo, a lo cual se atribuye la deficiencia, la solubilidad de dicho compuesto es relativamente
alta, como se muestra en la Figura 1.3 (a).
1.2.3.B. Complejación
Una parte importante del Zn soluble presente en el suelo se encuentra en forma de
complejos orgánicos solubles y según Hodgson et al. (1966) y Geering y Hodgson (1969)
alcanza aproximadamente el 60-75%.
Las sustancias húmicas presentes en el suelo pueden dividirse en base a su solubilidad
en ácidos húmicos, solubles en medio alcalino, y en ácidos fúlvicos, solubles tanto en medio
alcalino como ácido. Su configuración química es similar pero los ácidos húmicos generalmente
tienen pesos moleculares mayores que los ácidos fúlvicos (Jackson, 1964; Stevenson, 1967;
Stevenson y Ardakani, 1972). Ambas sustancias húmicas contienen un gran número de grupos
funcionales (─OH, ─COOH, ─SH, ─C=O), teniendo una gran afinidad por los iones metálicos
como el Zn2+ (Sposito, 1989; Stevenson, 1991).
Los ácidos fúlvicos y los ácidos orgánicos de bajo peso molecular principalmente,
forman complejos solubles y quelatos con el Zn, incrementando la movilidad del metal en el
suelo y aumentando la disponibilidad para las plantas (Pandeya et al., 1998; Datta et al., 2001).
Barrow (1993) comprobó en un oxisol que los ligandos orgánicos reducían las cantidades de Zn
adsorbidas en el suelo. En muchos suelos, la complejación de Zn orgánico con ligandos
orgánicos provoca una disminución de la adsorción en las superficies minerales (Harter, 1991)
aumentando la movilidad del metal.
Algunos autores (Stevenson y Ardakani, 1972; Schnitzer, 1978) aportaron que los ácidos
fúlvicos forman quelatos con iones Zn2+ en un rango amplio de pH, aumentando la estabilidad al
aumentar el valor de pH dentro de un rango de pH ácido. Sin embargo, Alloway (1995)
comprobó que existen dos valores de pH (pH 6 y pH 9) en los que la estabilidad es máxima,
pudiéndose atribuir a la disociación de los grupos funcionales carboxilo e hidroxilo en la
molécula del ácido fúlvico.
24
Introducción general
Los ácidos húmicos muestran una interacción y un patrón de solubilidad más
complicados. Son insolubles en condiciones ácidas y se disuelven a medida que el pH se
incrementa. En medio alcalino son completamente solubles, pero se comportan como un sistema
coloidal, por lo que pueden ser floculados por cationes (Alloway, 1995). Diferentes autores
(Fitch y Stevenson, 1984; Mirave y Orioli, 1989; Chen y Aviad, 1990; Cao et al., 1995) han
estudiado la interacción del Zn y los ácidos húmicos del suelo y la formación del complejo Znácido húmico. García-Mina et al. (2004) obtuvieron que los complejos Zn-ácido húmico
proporcionan Zn disponible para la planta, observándose un aumento de la concentración de Zn
en la planta en presencia de estos complejos.
Los diferentes agentes de quelación difieren mucho en lo que se refiere a su facultad de
formar complejos de Zn en el suelo. El intervalo de pH en el cual un quelato es estable depende
del agente quelante (Marschner, 1993; Richter et al., 1997). La eficacia de algunos agentes de
quelación, a pH correspondiente a los suelos calizos, se puede establecer en el orden siguiente:
DTPA > HEDTA, EDTA > NTA > EDDHA, ácido cítrico, ácido oxálico. Siendo la relación de
Zn quelado respecto al ión Zn2+ alrededor de 106 veces mayor para el DTPA que para los
complejos menos eficaces (Anderson, 1972; Prasad et al., 1976; Mortvedt et al., 1993; Shuman,
1998).
1.2.3.C. Adsorción y desorción
El término general adsorción se usa comúnmente para procesos de sorción (tanto
adsorción como precipitación) de elementos químicos desde la solución del suelo a la superficie
de las partículas del suelo (Kabata-Pendias, 2001). La adsorción es un fenómeno superficial que
tiene lugar en la interfase, y mediante el cual las moléculas de adsorbato se fijan sobre la
superficie del adsorbente. Kiekens (1980) propuso dos mecanismos diferentes de adsorción de
Zn, el intercambio catiónico en medio ácido y la quimisorción en medio alcalino, donde se da
mayoritariamente la disociación de ácidos orgánicos y por lo tanto su posibilidad de unirse al
catión y formar complejos.
Los mecanismos de adsorción tienen un papel muy importante en la disponibilidad del
Zn para la planta, ya que influyen en la concentración del micronutriente en la solución del
suelo y, por lo tanto, en su disponibilidad.
Siendo X un catión divalente, la adsorción de los cationes de Zn en el suelo se expresa
como: Zn2+ + X-suelo Zn-suelo + X2+
(ecuación 1.3)
La adsorción del Zn en los suelos está influenciada por varios factores, como son pH,
minerales arcillosos, capacidad de intercambio catiónico, materia orgánica y tipo de suelo
(Barrow, 1993; McBride et al., 1997; Agbenin y Olojo, 2004; Covelo et al., 2004; Sastre et al.,
2006; Antoniadis et al., 2007; Usman, 2008).
La intensidad de adsorción tiende a aumentar con el incremento de pH y la movilidad de
Zn disminuye por encima de pH 7. En general, a valores normales de pH del suelo la superficie
de la fase coloidal está cargada negativamente. Los coloides, cuya carga eléctrica es función de
una ionización, tienen un punto isoeléctrico a partir del cual varía la naturaleza de la ionización.
La ionización por encima del punto isoeléctrico puede dar lugar a las siguientes cargas
negativas:
Arcilla-OH + OH− → Arcilla-O− + H2O
Fe(OH)3 + OH− → Fe(OH)4−
(ecuación 1.4)
Humus-COOH + OH− → Humus-COO− + H2O
25
Capítulo 1
Los lugares de adsorción con carga negativa están compensados por cantidades
equivalentes de cargas positivas, tales como protones y otros cationes, por ejemplo Zn2+. Éste es
el proceso de intercambio catiónico, también llamado adsorción equivalente. El Zn puede ser
adsorbido reversiblemente mediante intercambio catiónico e irreversiblemente mediante
penetración en los espacios interlaminares en los minerales de arcilla (Ellis y Knezek, 1983).
Navarro (2003) indica que el catión Zn2+ es adsorbido con gran fuerza en el caso de intercambio
catiónico, siendo desplazado en medio ácido, al aumentar el Al3+ soluble.
1.2.4. EL ZINC RESIDUAL EN EL SUELO
En el suelo existen diferentes formas químicas de Zn, las cuales difieren en reactividad,
solubilidad y disponibilidad para las plantas (Reed y Martens, 1996). Cuando los fertilizantes de
Zn son aplicados al suelo, las plantas toman sólo una pequeña fracción de lo que ha sido
aplicado, mientras que una cantidad considerable de micronutriente permanece en el suelo. La
biodisponibilidad de esta cantidad aplicada depende, entre otros factores, de la fuente de Zn
utilizada (Shaver et al., 2007). Al aplicar al suelo una fuente de Zn soluble en agua, ésta es
distribuida rápidamente entre la solución del suelo y los componentes de la fase sólida del
mismo. El Zn soluble en agua de la solución del suelo reacciona fácilmente con los
constituyentes del mismo (materia orgánica, arcillas, óxidos de Fe y Al, sílice, y compuestos de
Fe y Al que se encuentran recubriendo las partículas de arena) para formar compuestos menos
solubles, más estables y menos disponibles para las plantas (Barrow, 1985; 1989).
El efecto residual de los fertilizantes de Zn es importante, porque determina el tiempo
que una sola aplicación proporciona una cantidad de Zn adecuada para la producción de la
planta y cuando son necesarios nuevos aportes de micronutriente.
1.2.4.A. Efecto del “envejecimiento” en el zinc residual del suelo.
Transformaciones y procesos. Influencia de los componentes del suelo.
En general, con el paso del tiempo se suele producir una transformación del elemento
asociado a las fracciones más fácilmente disponibles para las plantas en el elemento asociado a
las fracciones más estables e insolubles, este proceso es el denominado “envejecimiento” o
“aging” de los elementos en el suelo. Dicho efecto se define como el conjunto de las reacciones
lentas que ocurren al aplicar una fuente de micronutriente al suelo (Ma y Uren, 2006) y su
efecto es un descenso en la eficacia de la aplicación inicial de Zn, provocando una disminución
en la absorción de este micronutriente por parte de la planta (Armour et al., 1989; Brennan,
1990; Ma y Uren, 1996).
Estas reacciones del suelo son atribuidas a diferentes procesos, como los siguientes:
-
Difusión del elemento en los microporos del suelo (Ma y Uren, 1997a,b).
-
Precipitación como fase sólida del suelo (Jones y Jarvis, 1981; Davis y Kent, 1990).
-
Adsorción por coloides inorgánicos-arcillas, óxidos y oxihidróxidos de Fe y Mn
(Ellis y Knezeck, 1983; Elliot, 1983), y reacciones de quelación con la materia
orgánica del suelo (Méndez-Romero et al., 2003).
-
Retención del metal en los poros del suelo (Ma y Uren, 1998).
Cuando se añade Zn soluble en agua al suelo, el Zn es rápidamente retenido por el
suelo, en una forma reactiva, transformándose con el tiempo en formas más estables (Follet y
26
Introducción general
Lindsay, 1971; Boawn, 1974; Armour et al., 1989; Sposito, 1989; Shuman, 1991). Este proceso
puede ser explicado principalmente por la retención del metal, debido a la difusión desde la
superficie de las partículas hacia los microporos de los componentes del suelo (Ma y Uren,
1998).
Lock y Janssen (2003) consideran que es posible estimar la influencia que el
“envejecimiento” del metal tiene en la disponibilidad del mismo para un determinado suelo,
calculando la diferencia entre la fracción adsorbida inmediatamente después de la aplicación de
Zn y la fracción que predeciblemente estará adsorbida después de un determinado tiempo, en
función del pH.
Arcillas
El papel de las arcillas en el proceso de “envejecimiento” del metal en el suelo es
fundamental, debido a su capacidad de adsorción de los distintos metales. La composición y
estructura de las arcillas hacen que estos minerales ejerzan una gran influencia sobre las
propiedades físicas y químicas de los suelos (Porta et al., 2003), siendo las arcillas las que
determinan principalmente la adsorción inicial de los metales en el mismo (Anderson y
Christensen, 1988; Büchter et al., 1989; Lee et al., 1996; Eick et al., 2001).
Los diferentes minerales arcillosos varían en su capacidad para adsorber Zn debido a
sus diferencias en la capacidad de intercambio catiónico (CIC), superficie específica y
estructura básica (Porta, 2003). Los resultados obtenidos recogidos por Lock y Janssen (2003)
sobre diferentes experimentos indican que en general, la disponibilidad del metal disminuye con
el tiempo, dependiendo del grado de “envejecimiento” del propio metal y del tipo de arcillas
presentes.
Barrow (1998) explica la importancia de este componente del suelo y la influencia que
en la adsorción tiene el radio iónico. El “envejecimiento” de los metales en los suelos da lugar a
que la disponibilidad de los iones metálicos con pequeño radio iónico (como el Zn) disminuya
con el tiempo, mientras que la disponibilidad de los iones con un mayor radio iónico se ve
menos afectada. Esta característica es debida a que los iones de Al3+, de radio iónico pequeño
que se encuentran principalmente en lugares de la capa octaédrica de los filosilicatos, aunque
también pueden ocupar lugares de la capa tetraédrica precipitadas, pueden ser reemplazados por
otros cationes con radios iónicos similares (sustitución isomórfica), por ejemplo, Ni2+, Zn2+, y
Cu2+, mientras que la incorporación de los cationes más grandes como el Cd2+ y Pb2+
perturbarían esta estructura.
Tiller y Hodgson (1960) aportaron que las arcillas tipo 2:1 (capa octaédrica cubierta por
dos capas tetraédricas) son más reactivas que las del tipo 1:1 (capa tetraédrica unida a una
octaédrica) y dentro de cada grupo de arcillas, la reactividad está relacionada con la estabilidad
a la erosión y al ataque ácido. La mayor CIC corresponde a las montmorillonitas (arcillas tipo
2:1), Lothenbach et al. (1999) observaron una disminución de la concentración de Zn en
disolución a lo largo de 210 días de incubación en presencia de montmorillonita. Según Tiller et
al. (1984), la alta proporción de arcilla montmorillonita produce una adsorción específica de Zn
después de dos semanas.
Lock y Janssen (2003) recogen los resultados obtenidos de diferentes experimentos
realizados para estudiar el “envejecimiento” de varios metales y su efecto en la adsorción por
diferentes tipos de arcillas. En el caso del Zn se estudió la adsorción de este metal por bentonita
27
Capítulo 1
(arcilla tipo 2:1, perteneciente al grupo de las montmorillonitas), illita (arcilla tipo 2:1
perteneciente al grupo de micas no hidratadas) y caolinita (arcilla tipo 1:1). Reddy y Perkins
(1974) obtuvieron que la caolinita fija relativamente pequeñas cantidades de Zn,
independientemente del tratamiento, en comparación con la bentonita y la illita. Las superficies
específicas de la bentoillita y de la illita son mayores que la de la caolinita, además la bentonita
tiene mayor capacidad de fijación frente a la illita ya que el Zn es atrapado en los espacios
interlaminares de la estructura arcillosa cuando éstos se expanden debido a la hidratación y se
encaja cuando la red se contrae al secarse. En el caso de la caolinita la pequeña distancia entre
unidades estructurales impide que puedan comprimirse y expandirse.
Parámetros ambientales como el grado de humedad y pH influyen en este proceso de
“envejecimiento” del metal. La adsorción de Zn en las muestras de incubación en condiciones
de saturación de agua resulta aproximadamente la mitad de la cantidad fijada cuando las
muestras están sometidas a periodos de sequía y humedad. Lock y Janssen (2003) también
recogen diferentes estudios en los que se obtuvo que el Zn fijado a la bentoita y la illita está
directamente relacionado con el pH y la cantidad de Zn añadida. Algunos autores han señalado
que la montmorillonita puede adsorber el Zn a pH cercanos a 7 o mayores. Se sugiere que tal
adsorción pueda ser, en cierto grado, debida a la formación de hidróxidos precipitados dentro de
la estructura arcillosa. Lothenbach et al. (1998) observaron que después de la adición de 10 mM
HCl se producía una correlación positiva entre la cantidad de Al movilizado y Zn disuelto en
presencia de montmorillonita, lo que indica que el Zn fue incorporado a la estructura de la
arcilla, para posteriormente ser movilizado al darse lugar la disolución del hidróxido alumínico
de la estructura arcillosa.
La cantidad de Zn adsorbido también está relacionada con el grado de molienda del
mineral, ya que al aumentar éste, tiende a romperse la estructura de los minerales e implica un
aumento de superficie específica donde la fijación puede tener lugar (Elgabaly, 1944; Brown,
1950).
Óxidos e hidróxidos
En los suelos existe una gran variedad de óxidos e hidróxidos, unos cristalizados y otros
amorfos (Carbonell et al., 1995). Los óxidos e hidróxidos amorfos pueden tener cargas
superficiales negativas, lo que posibilita la adsorción de cationes. Consecuentemente, presentan
una capacidad de cambio de cationes y retención de agua, aunque en un grado muy inferior a
cualquiera de las arcillas (Navarro, 2003). Como ya se ha comentado anteriormente en la
ecuación (1.4), la carga de los óxidos e hidróxidos es función del pH y del punto isoeléctrico de
cada óxido e hidróxido.
En general, la cantidad de Zn adsorbido en los óxidos e hidróxidos de Al, Fe y Mn se
incrementa inicialmente con el tiempo y la temperatura (Trivedi y Axe, 2000). Aunque en
grandes periodos de tiempo, a lo largo del proceso de “envejecimiento”, la capacidad de
adsorción de los óxidos va disminuyendo, alcanzándose para los óxidos “envejecidos” una
capacidad de adsorción aproximadamente 10 veces inferior a la inicial, lo que corresponde a una
disminución de la CIC y de la superficie de intercambio (Shuman, 1977).
La goetita [FeO(OH)] es el compuesto más estable termodinámicamente entre los
óxidos e hidróxidos de Fe, presentando comúnmente sustituciones isomórficas del Fe por el Al
(Sposito, 1989). La gibsita es el hidróxido de Al más común [Al(OH)3]. Ambos compuestos
tienen una capacidad similar de adsorción de Zn a lo largo del proceso de “envejecimiento”.
28
Introducción general
La adsorción de Zn en la goetita se incrementa con el pH, el tiempo de reacción y la
temperatura, sin embargo la adsorción relativa decrece con incrementos en la concentración del
metal (Gerth et al., 1993). Bruemmer et al. (1988) y Barrow et al. (1989) aportaron que el
equilibrio de adsorción no se alcanza completamente en 42 días. Bruemmer et al. (1988)
sugirieron que la adsorción de Zn a la goetita está determinada por tres pasos: la adsorción en
las caras externas de la estructura, la difusión del metal de los lugares externos al interior de la
estructura y por último, la fijación entre las partículas. Siendo este último paso dependiente del
tiempo, la temperatura y la concentración de Zn.
Largos periodos de tiempo inducen a la formación de estructuras estables, como la
gibsita. En tiempos superiores a un año, las fases precipitadas de la gibsita incrementan en
estabilidad, como lo demuestran las cantidades liberadas de algunos metales en los estudios
realizados por Scheckel y Sparks (2000) y Scheckel et al. (2000).
Carbonatos
La etapa inicial del proceso de precipitación de ZnCO3, asociado a la presencia de
carbonato, se considera que es un fenómeno de adsorción y que depende de la extensión de la
superficie expuesta por la calcita y por la concentración de Zn en la disolución.
En general, este proceso se da en suelos con pH neutro o superior, por la presencia del
CaCO3. Además, este proceso puede darse también en suelos ácidos encalados. Como se ha
comentado anteriormente y como se observa en la Figura 1.3, la solubilidad del ZnCO3 es
mayor que la solubilidad del Zn asociado a los diferentes componentes del suelo, por lo que
teóricamente la formación del compuesto carbonatado no disminuiría la solubilidad del Zn
presente.
Sposito (1989) afirma que la precipitación del Zn con la calcita (CaCO3), se produce por
la inclusión del metal en el mineral hidroxicarbonatado, formando la hidrocincita
[Zn5(OH)6(CO3)2]. Según Lock y Janssen (2003), el estudio de la influencia de los oxihidróxidos
y de la calcita en el “envejecimiento” del metal pueden sobrevalorar los resultados reales, ya
que las primeras transformaciones se producen en estos elementos.
Materia orgánica del suelo
En general, la disponibilidad de Zn está afectada por el contenido de agentes quelantes
en los suelos, ya sean exudados por las raíces de las plantas o procedentes de la descomposición
de la materia orgánica (Lindsay, 1974; Awad et al., 1999; Lombi et al., 1999; Römheld y Awad,
2000; Luo et al., 2008). Según Chairidchai y Ritchie (1990) y Stevenson (1994) la relación entre
la fracción orgánica del suelo y los cationes tiene dos efectos opuestos. Por un lado los
compuestos orgánicos pueden formar complejos solubles con el Zn e incrementar su
concentración en la solución del suelo, mientras que la formación de compuestos orgánicos
insolubles puede ser un sumidero para este metal. La baja biodisponibilidad de Zn en suelos
orgánicos puede deberse a la formación de complejos insolubles entre el Zn y la materia
orgánica.
Martínez y McBride (1999), comprobaron que el Zn total disuelto aumenta después de
200 días, observándose también un incremento del carbono orgánico disuelto (DOC). Con el
tiempo, la materia orgánica se descompone en partículas más pequeñas, lo que provoca un
29
Capítulo 1
aumento de la concentración de DOC y que conlleva un incremento en las concentraciones de
metales disueltos.
1.2.4.B. Factores que afectan a la disponibilidad del zinc residual en el suelo
Diferentes autores han estudiado la influencia de diversos factores, que pueden afectar a
los procesos de “envejecimiento” de los metales en el suelo, tanto a la velocidad como al grado
de “envejecimiento”. Estos factores son:
-
Tiempo.
-
Tipo de suelo y contenido de Zn.
-
pH.
-
Contenido de humedad del suelo y periodos de sequía y humedad.
-
Otros factores ambientales, como el efecto de la temperatura y la temperatura del
suelo.
Tiempo
Como se ha comentado anteriormente, el tiempo de “envejecimiento” del metal en el
suelo provoca un cambio en la disponibilidad de los mismos, aunque este proceso se encuentra
altamente influenciado por otros parámetros. En general, un aumento del tiempo de
“envejecimiento” produce un decrecimiento de la solubilidad de algunos metales (Martinez y
McBride, 2000). Después de 3 días el 65Zn en solución de 25 suelos agrícolas continuaba
decreciendo lentamente (Tiller et al., 1972). Xiang y Banin (1996a) observaron una rápida e
inicial (< 1 hora) disponibilidad de Zn, con una reducción posterior de la misma. Según Kuo y
Mikkelsen (1980) la reducción del Zn extraído con DTPA (ácido dietilentriaminopentaacético)
fue rápida durante las primeras semanas y se hizo más lenta con el paso del tiempo.
Tipo de suelo y contenido de zinc en el suelo
Como ya se trató anteriormente en el apartado 1.2.1., el contenido total de Zn está
afectado principalmente por la composición del material parental en el que el suelo se ha
desarrollado y por lo tanto, del tipo de suelo.
Brown et al. (1964) obtuvieron que tanto la concentración de Zn extraída del suelo,
como el rendimiento de cultivos sucesivos de maíz (Zea mays L.) variaba ampliamente con el
tipo de suelo en que los cultivos se desarrollaban. Novillo et al. (2002) estudiaron la movilidad y
distribución de las formas de Zn en columnas con diferentes tipos de suelo tratados con
complejos orgánicos de Zn, obteniendo diferencias en función del tipo de suelo, tanto en la
migración y distribución del Zn a través del suelo, como en la cantidad de Zn lixiviado y en la
concentración de Zn biodisponible para las plantas.
Los suelos con una baja concentración total de Zn tienen más posibilidades de ser
deficientes que aquellos que tienen unas concentraciones altas. Alloway (2008b) explica la
deficiencia de Zn disponible en zonas de suelos calizos de España, Francia, Grecia, Bulgaria y
Hungría por las bajas concentraciones totales de Zn, incrementándose esta deficiencia por otros
factores, como son un alto pH y altos niveles de P. En otras zonas del mundo, como en algunas
regiones de Europa central y occidental o America latina y Caribe, la deficiencia de Zn se asocia
a la baja concentración total de Zn en el suelo.
El proceso de “envejecimiento” del Zn en el suelo también se ve afectado por la
concentración de Zn total que existe en el suelo ya que esta concentración influye en procesos
como son la adsorción, la precipitación o la formación de complejos (Nelson y Melsted, 1955;
Reddy y Perkins, 1974). Diferentes autores (Tiller et al., 1972; Lopez-Valdivia et al., 2002;
Alvarez et al., 2010) obtuvieron que la adición de altas concentraciones de metal dan lugar a un
30
Introducción general
aumento de las fracciones lábiles También Martinez y McBride (2000) observaron una
disminución en el porcentaje de metal retenido al incrementarse la concentración de metal
aportada. Brown et al. (1964) obtuvieron que con la aplicación a un suelo de 2 kg Zn ha-1 se
producía una conversión del micronutriente a formas que no eran extraíbles con 0,1M HCl a una
velocidad de 0,3 mg Zn kg-1 año-1, sin embargo cuando se aplicaban 18 kg Zn ha-1, la velocidad
aumentaba a 1 mg Zn kg-1 año-1.
Reacción del suelo
Según diferentes autores, el pH es el parámetro que influencia en mayor medida el
proceso de “envejecimiento” de los metales en el suelo (Harter, 1983; Schultz et al., 1987;
Bruemmer et al., 1988; Barrow et al., 1989; Xiang et al., 1995; Ma y Liu, 1997; Sauve et al.,
2000; Lock y Janssen, 2003).
En general, el pH de los suelos afecta a la cantidad de Zn en las fracciones más lábiles
del suelo. En suelos con pH elevado, o en suelos fuertemente encalados se encuentran
habitualmente deficiencias de Zn (Gupta et al., 1971; MacLean, 1974; Friesen et al., 1980;
Pepper et al., 1983; Singh y Abrol, 1985). Debido a la escasa solubilidad del Zn en suelos en
presencia de carbonatos, las aplicaciones recientes de cal dan lugar a deficiencias de Zn en el
caso de suelos orgánicos con pH menores a 6 (Lucas y Knezek, 1972; Adriano, 2001). Como ya
se ha comentado en el apartado 1.2.3.A, y como se puede observar en la Figura 1.3, el
contenido de Zn soluble en agua en el suelo disminuye con incrementos de pH. En condiciones
ácidas, generalmente se obtiene una alta concentración de Zn en la fracción intercambiable
(Bar-Yosef et al., 1980; Liang et al., 1990; Chlopecka et al., 1996) y un alto pH provoca que la
mayoría del Zn se encuentre en formas no disponibles para la planta (Payne et al., 1988).
Según Lock y Janssen (2003), en suelos ácidos la fracción del metal que es adsorbida es
prácticamente constante a lo largo del tiempo, después de la adición de Zn, ya que el metal
permanece en la solución a un bajo pH. En cambio, en suelos con pH alto, hay una mayor
influencia del “envejecimiento” del metal en la disponibilidad del mismo en el caso de que la
adsorción inicial del mismo sea baja, que en el caso en que la adsorción inicial sea alta. Esta
diferencia se debe a que, durante el “envejecimiento” del metal, la fracción metálica adsorbida a
alto pH es alta, independiente de la adsorción producida en la fase inicial.
De Groot et al. (1998) encontraron una relación positiva entre el pH del suelo y el
coeficiente de partición Kd, definido como el cociente entre la concentración del metal total en
el suelo (mg kg-1) y la concentración del metal en la fase líquida. Harter (1983) estudió la
cantidad de Zn adsorbida en suelos con diferentes pHs y obtuvo que la cantidad de Zn retenido
dependía del pH de la muestra, incrementándose la retención a valores de pH por encima de 7 a
7,5.
Humedad del suelo. Potencial redox
Las condiciones de oxidación-reducción del suelo afectan al proceso de
“envejecimiento” del metal en el suelo, influyendo en la disponibilidad de dicho metal. En
general, las condiciones redox ejercen un control sobre el pH y las reacciones redox ejercen
gran influencia sobre la solubilidad de los iones metálicos y sobre las formas químicas de iones
y moléculas disueltas en la disolución del suelo (McBride, 1994; Miao et al., 2006).
El potencial redox afecta a la solubilidad, movilidad y toxicidad convirtiendo especies
acuosas en gaseosas, disolviendo componentes de la matriz del suelo y cambiando las formas
más estables de las especies químicas (Hesterberg, 1998). El potencial de oxidación-reducción
(Eh) se considera una variable importante en suelos sometidos a fluctuaciones en el contenido
de agua. Bajo condiciones de saturación de agua, la disminución o pérdida del oxígeno
molecular, debido entre otros factores a la actividad microbiana del suelo, da lugar a una serie
31
Capítulo 1
de reacciones redox que pueden cambiar el pH del suelo. Debido a que el O2 (g) tiene una baja
solubilidad, los suelos saturados de agua se van transformando en más reductores a medida que
la actividad microbiana va consumiendo el O2. En la Figura 1.4. aparecen algunas reacciones
que se producirían en función de las condiciones de oxidación-reducción del suelo
(Masscheleyn, 1990).
SUELO INUNDADO
SUELO ANAERÓBICO
ALTAMENTE
REDUCIDO
REDUCIDO
AEROBICO
MODERADAMENTE
REDUCIDO
OXIDADO
Potencial redox (mV) a pH 7
Figura 1.4. Formas de varios pares redox en suelos
y sedimentos en función de sus condiciones de humedad.
En condiciones de saturación de agua el potencial redox disminuye, disolviéndose los
óxidos de Fe (III) y Mn (III,IV) debido a la reducción del Fe y Mn (Stumm y Sulzberger, 1992).
Este efecto puede causar la redistribución de metales como el Zn entre los componentes de la
fase sólida (Silviera y Sommers, 1977; Williams y McLaren, 1982; Hazra et al., 1987; Patrick y
Jugsujinda, 1992; Hogg et al., 1993; Han y Bannin, 1999).
Según Guo et al. (1997), bajo condiciones de oxidación, el comportamiento del Zn
(entre otros metales) está controlado por los procesos redox de los óxidos de Fe (Fe2O3) y Mn
(MnO2). Sin embargo, bajo condiciones reductoras está controlado principalmente por el
material húmico insoluble de alto peso molecular y los sulfuros. Cuando el Eh aumenta, la
afinidad de dichos óxidos por el Zn aumenta. Cuando el Eh disminuye, la afinidad de los
carbonatos, sulfuros insolubles y material húmico de alto peso molecular con el Zn aumenta y
por tanto, el Zn soluble disminuye. Ghanem y Mikkelsen (1987) observaron que a medida que el
potencial del suelo disminuye, también lo hacen las cantidades de Zn intercambiable y
orgánicamente complejado mientras que, por el contrario, el Zn asociado a sexquióxidos
amorfos y cristalinos aumenta.
De acuerdo con Han y Banin (1996) la principal diferencia entre suelos incubados en
condiciones de saturación de agua y los incubados a capacidad de campo se debe a que en
condiciones de saturación el Mn(IV) del MnO2 se reduce a Mn(II) y es transferido a las
fracciones asociada a carbonatos e intercambiable en una primera fase de la incubación. Han et
al. (2001) realizaron un experimento de incubación bajo ciclos de inundación y secado del
32
Introducción general
suelo, durante un año y observaron que el Zn añadido al suelo era transferido de las fracciones
intercambiable y asociada a carbonatos a las fracciones asociadas a óxidos reducibles (extraídos
con una disolución 0,04M de NH2OH·HCl + 25% HOAc digerida en un baño de agua a 90ºC
durante 3 horas), asociadas a óxidos fácilmente reducibles (extraídos con una disolución 0.04M
de NH2OH·HCl + 25% HOAc agitando durante 30 minutos) y a la fracción residual. Por el
contrario, en los suelos incubados en condiciones de capacidad de campo el Mn(IV) no se
reduce a Mn(II) y el metal es transferido desde la fracción asociada a carbonatos a la fracción
asociada a los óxidos fácilmente reducibles (Han y Banin, 1999).
Sajwan y Lindsay (1988) indican que la deficiencia de Zn en un cultivo de arroz puede
ser parcialmente explicada por un incremento en la reducción y solubilización de Fe y Mn, ya
que tienen un efecto antagonista en la disponibilidad y absorción de Zn por parte de la planta.
Efecto de la luz y temperatura del suelo
Varios autores han estudiado la influencia de estos factores en el proceso de
“envejecimiento” del Zn, observando que afectan a la disponibilidad del metal del suelo (Almas
et al., 1999, 2000).
Hooda y Alloway (1994) obtuvieron que el descenso de metal en las fracciones más
lábiles es más rápida en las muestras obtenidas de un ambiente cálido (25ºC) que en las
obtenidas bajo condiciones más frescas (15ºC). Elevadas temperaturas en suelos de cultivos de
arroz en California aceleraban el proceso de envejecimiento del Zn y reducían la extractabilidad
del metal con DTPA (ácido dietilentriaminopentaacético) (Kuo y Mikkelsen 1980). Barrow
(1986) incubó muestras de suelo durante 30 días, añadiendo Zn(NO3)2, tratando las muestras a
temperaturas de 4ºC a 60ºC y obtuvo una disminución del contenido de Zn soluble a medida que
aumentaba el periodo de incubación, siendo la mayor tasa de descenso a altas temperaturas de
incubación. Barrow (1986) describe un modelo para relacionar los efectos de la temperatura y el
tiempo en el “envejecimiento” del metal, que postula una primera rápida adsorción de iones Zn+
en la superficie heterogénea de las partículas que se encuentran cargadas negativamente,
seguida de una penetración difusiva. Los resultados que obtuvo mostraron que la reacción entre
el suelo y el Zn añadido se prolongaba durante un período muy largo: la reacción era lenta pero
continua, sobretodo en largos periodos de tiempo y a altas temperaturas (500 días a 25°C).
33
Capítulo 1
1.2.5. DETERMINACIÓN DEL ESTADO DE ZINC EN LOS SUELOS
La cantidad de Zn en los tejidos de las plantas es un buen indicador del proceso de
envejecimiento del Zn en el suelo (Brown et al., 1964; Brennan, 1990; Alvarez y Gonzalez,
2006; Obrador et al., 2007; Almendros et al., 2008), debido a que las diferentes formas a las
que evoluciona el Zn tienen diferente disponibilidad para las plantas (Reed y Martens, 1996).
Sin embargo, lo más frecuente es utilizar determinaciones de Zn en el suelo para evaluar su
biodisponibilidad, si bien, se establecen correlaciones entre el valor de la concentración de Zn
obtenido en estas determinaciones y la cantidad de Zn extraída por la planta, para comprobar la
eficacia del método (Kiekens y Camerlynck, 1982).
La determinación de la concentración de Zn biodisponible por medio de reactivos
químicos que extraen parcialmente el Zn del suelo es comúnmente utilizada. Los métodos de
extracción con DTPA-trietanolamina (DTPA-TEA) (Lindsay y Norwell, 1978), Mehlich-3
(Mehlich, 1984) y DTPA-bicarbonato de amonio (DTPA-AB) (Soltanpour, 1991) han sido
ampliamente usados para determinar la cantidad de micronutrientes disponibles para las plantas
(Liang y Karamanos, 1993; Sharma et al., 2000; Alvarez et al., 2001; Alvarez y Rico, 2003;
Franzen et al., 2006; Rao et al., 2008; Alvarez et al., 2009; Alvarez, 2010). En los últimos años
se está utilizando además un nuevo método que emplea como extractante una mezcla de ácidos
orgánicos de bajo peso molecular: ácidos acético, láctico, cítrico, málico y fórmico (LMWOAs)
(Shan et al., 2003; Wang et al., 2003; Feng et al., 2005; Fang et al., 2007; Wang et al., 2007;
Vazquez et al., 2008; Soriano-Disla et al., 2009). Este método se basa en que el extractante
contiene ácidos orgánicos que son exudados por las raíces de las plantas y producidos por la
actividad de hongos y bacterias (Fox y Comerford, 1990; Degryse et al., 2008).
El Zn adsorbido físicamente a los componentes del suelo, es decir, fijado con menor
fuerza que el retenido químicamente se puede considerar Zn fácilmente lixiviable (Raisanen et
al., 1997). La concentración de Zn fácilmente lixiviable se puede estimar por el procedimiento
propuesto por Schultz et al. (2004) utilizando BaCl2 diluido y en los últimos años diferentes
autores han estudiado su idoneidad (Gonzalez et al., 2008b; Alvarez et al., 2009).
La distribución de los metales en los diferentes componentes del suelo es importante
para evaluar el potencial que tiene el suelo para aportar suficientes cantidades de micronutriente
para el crecimiento de las plantas así como para mantener unas adecuadas concentraciones del
metal en el suelo y para predecir las posibles pérdidas por lixiviación. Como se ha comentado
ampliamente en el apartado 1.2.3., el Zn del suelo se encuentra distribuido en diferentes
fracciones, que están asociadas a los distintos componentes del suelo. Con el fraccionamiento
secuencial se puede determinar la variación de las cantidades del Zn asociado a cada fracción a
lo largo del tiempo y así, valorar la influencia del “envejecimiento” del metal en su distribución
en el suelo (Tiller et al., 1972; McGrath y Cegarra, 1992; Pichtel et al., 1997; Martinez y
McBride, 2000; Lu et al., 2005; Ma y Uren, 2006; Almendros et al., 2012)
El Zn que se encuentra en las fracciones solubles en agua e intercambiable se considera
el más disponible para las plantas (Basta y Gradwohl, 2000; McLaughlin, 2002; Kennedy et al.,
1997). La fracción intercambiable es la que se encuentra adsorbida en las superficies de los
componentes del suelo y, según Ma y Uren, (1997b), las formas de Zn retenidas en los
microporos se corresponden con fracciones como las del Zn asociado a los óxidos de Mn,
carbonatos, óxidos de Fe o la fracción residual.
34
Introducción general
Muchos y diferentes fraccionamientos secuenciales han sido desarrollados a lo largo de
los años por varios autores. La extracción de las formas de Zn asociadas a las distintas
fracciones de suelo se basa en la diferencia en el poder extractante de los reactivos químicos
utilizados en cada una de las fases de la extracción secuencial. En la Figura 1.5. se muestra la
capacidad de algunos extractantes utilizados habitualmente (Viets, 1962; Tiller et al., 1972;
Alloway, 1995; Ure, 1995). Se puede observar, por ejemplo, como las extracciones realizadas
con los reactivos DTPA 0,005M y EDTA 0,05 M pueden extraer no sólo el metal que se
encuentra en las fracciones más lábiles, sino que también extraerían parcialmente el metal
asociado a óxidos y a minerales arcillosos secundarios.
Figura 1.5. Diagrama ilustrativo de la capacidad de varios reactivos para
extraer el elemento asociado a diferentes formas del suelo.
Numerosos procedimientos de extracción secuencial han sido y siguen siendo usados
frecuentemente para determinar la especiación de los metales en suelos (Chao, 1972; Shuman,
1979; Tessier et al., 1979; Iyengar, 1981; Hickey y Kittrick, 1984; Shuman, 1985; Singh et al.,
1988; Beckett, 1989; Liang et al., 1990; Jeng y Singh, 1993; Soon, 1994; Ma y Uren, 1995;
Chlopecka et al., 1996; Ma y Uren, 1998; Rauret, 1998; Gleyzes et al., 2002; Obrador et al.,
2002; Gupta y Sinha, 2005; Jalali y Khanlari, 2006; Sebastian et al., 2007; Gonzalez, et al.,
2008b; Rico et al., 2009; Alvarez et al., 2010; Beesley et al., 2010; Abollino et al., 2011; Pardo
et al., 2011).
35
Capítulo 1
1.3. EL ZINC EN LA PLANTA
El Zn es un nutriente esencial para las plantas (Loué, 1988; Srivastava y Gupta, 1996),
requerido para el crecimiento y que tiene una importante función en la estructura de los
vegetales (Welch, 1986; Kitagishi y Obata, 1986; Obata et al., 1999; Shrestha, 2003; Ozturk et
al., 2006). Su deficiencia es uno de los desórdenes más extendidos en numerosos cultivos
(Alloway, 2008b), un estudio realizado por la FAO (Food and Agriculture Organization), mostró
que la deficiencia de Zn es una de las carencias de micronutrientes más común, y que afecta
numerosas áreas agrícolas (IZA, 2007). La deficiencia de Zn afecta también a la salud animal y
humana, por lo que una concentración de Zn adecuada en los cultivos puede evitar carencias en
la población (Niewoehner et al., 1986; Cakmak et al., 1999; Takkar, 1991; Couzy et al., 1993;
Frossard et al., 2000; Hotz y Brown, 2004; Mitra et al., 2006; Cakmak, 2008a).
1.3.1. EFECTO DEL PROCESO DE ENVEJECIMIENTO EN LA TOMA DEL
ZINC RESIDUAL POR LAS PLANTAS
Diferentes autores han estudiado la variación del rendimiento y calidad de los cultivos
al aumentar el tiempo de permanencia del Zn en el suelo, es decir, el efecto que produce el
“envejecimiento” del Zn en la disponibilidad para la planta y como consecuencia, en el
rendimiento y otros parámetros que estiman el estado nutricional de Zn de la misma.
Boawn (1974) estudió la variación de la cantidad de Zn disponible en el suelo a lo largo
de 5 años y la variación, durante este periodo, de la concentración de Zn en plantas de maíz (Zea
mays L.) cultivadas en diferentes suelos. Durante el primer año se produjo un rápido descenso
en la concentración de Zn disponible, observándose un descenso más gradual durante los años 2
y 3 y alcanzándose una concentración constante de Zn extraída durante los años 4 y 5. También
se observó que la concentración de Zn en maíz descendía a lo largo de los 5 años a la vez que lo
hacía la cantidad de Zn extraída con 0,005 M DTPA y 0,1 N HCl. La diferencia entre las
características de los suelos (calcáreos y no calcáreos) influenció la velocidad de decrecimiento,
siendo el Zn extraído en el suelo calcáreo el que presentaba una disminución más rápida en
comparación con el suelo no calcáreo. Sin embargo, cuando la conversión de Zn a formas no
extraíbles parece alcanzar el equilibrio (al final de la experimentación) se obtuvieron las mismas
cantidades de Zn extraídas en los dos suelos.
Brennan (2001) obtuvo resultados que indicaban un descenso del 50% en la efectividad
de la fertilización de Zn al cabo de 13 años en un cultivo de trigo (Triticum aestivum L.) en
campo, en un suelo ácido arenoso deficiente en Zn y Cakmak et al. (1999) obtuvieron que la
aplicación de 28 kg Zn ha-1 como Zn(SO4) es suficiente para corregir la deficiencia de trigo en
un periodo de 4 a 7 años.
Los resultados de experimentos de incubación han mostrado que se producen
disminuciones en la concentración de Zn en la planta o en el rendimiento en periodos de 30 días
o incluso menores. Castellan (1983) propuso un modelo matemático para describir la relación
entre el Zn recuperado y el tiempo de incubación, obteniendo que la cantidad de Zn recuperado
presenta un gran descenso a los 45 minutos de incubación a 40ºC. Siendo,
% Zn recuperado o utilizado = [(concentración de Zn extraído – concentración de Zn en el suelo
sin adición de fertilizante] / cantidad de Zn aplicada]
36
Introducción general
Brennan y Gartrell (1986) obtuvieron que el rendimiento en el trébol disminuía un 60%
con incubaciones de 30 días a 30ºC, respecto a los rendimientos obtenidos en las muestras con
aplicaciones de Zn reciente, reduciéndose también las concentraciones de Zn extraídas del suelo
con DTPA. Así mismo, Brennan (1990) en otro ensayo de incubación, en condiciones análogas,
de 54 suelos con diferentes características observó que se producía una disminución de la
concentración de Zn en la planta y en la cantidad de Zn extraída con DTPA en los suelos con el
tiempo. Armour et al. (1989) llevaron a cabo un experimento en el que aplicaron diferentes
dosis de ZnS04·7H2O, antes o después realizar una incubación del suelo durante 15 días a 40ºC,
posteriormente plantaron plantas de judía (Phaseolus vulgaris L.). Cuando se recogieron las
muestras, a los 22 días de siembra, no hubo diferencias en la materia seca de las plantas, sin
embargo a los 33 días después de la siembra, la materia seca de las plantas fue mayor en el caso
de las aplicaciones de Zn realizadas después de la incubación, excepto cuando se aportó la
mayor concentración de Zn (1 µg Zn g-1) que alcanzaron rendimientos similares. En otro
experimento de incubación, realizado con 4 suelos de diferentes características, los mismos
autores obtuvieron una disminución exponencial con el incremento del tiempo (hasta los 8 días
a 40ºC) de la concentración de Zn extraído con los extractantes 0,1 M HCl, 0,005 M EDTA,
0,005 M DTPA, 0,01 M CaCl2 y 0,002 M CaCl2. Estando el porcentaje de Zn recuperado a los
22 dias de incubación, entre el 50 y el 77% del Zn añadido, dependiendo del extractante
utilizado (DTPA, EDTA ó HCl).
El tiempo en que el Zn permanece disponible depende de la cantidad adicionada, el tipo
de planta y las condiciones de cultivo. Brown et al. (1964) observaron que la aplicación de 2,5
mg Zn kg-1 fue suficiente para un adecuado desarrollo de 6 ó 7 cultivos sucesivos de maíz (Zea
mays L.) y en el caso de la aplicación de 12,5 mg Zn kg-1 los niveles de Zn fueron adecuados
durante 10 cultivos sucesivos.
En un estudio con arroz (Oryza sativa), Singh y Abrol (1985) observaron que la
aplicación de 4,5 kg Zn ha-1 tenía un efecto residual adecuado para los dos cultivos sucesivos
siguientes, aunque en el tercer cultivo se observó una disminución en el rendimiento en grano.
Los resultados obtenidos en el análisis de suelo con el agente DTPA mostraron unos niveles
superiores al nivel crítico en el primer año, el cual se alcanzaba en el segundo año de cultivo
manteniéndose prácticamente invariable hasta el cuarto año.
Algunos autores han estudiado el posible efecto residual de los fertilizantes foliares
aplicados, obteniendo que este efecto es muy pequeño en los posteriores cultivos. Cakmak et al.
(1999) obtuvieron que tratamientos foliares en trigo (Triticum aestivum L.) de 0,015 a 0,25 kg
Zn ha-1 con Zn-EDTA no tenían prácticamente valor residual en el suelo para posteriores
cultivos. Alloway (2008b) aplicó quelatos de Zn mediante un tratamiento foliar para la
deficiencia en este micronutriente en patata (Solanum tuberosum L.) y obtuvo que no existía un
efecto residual después del aporte de esta fuente.
37
Capítulo 1
1.3.2. CULTIVO DE JUDIA. IMPORTANCIA DEL ZINC EN EL CULTIVO.
La judía (Phaseolus vulgaris L.) es una planta de la familia de las Fabáceas, de periodo
anual y herbácea (Figura 1.6.) cultivada por su grano y su vaina. Su sistema radicular es poco
profundo, fasciculado y noduliza mediante una asociación simbiótica con cepas de Rhizobium
leguminosarum phaseoli (Maroto, 2000; Nadal-Moyano et al., 2004). Su porte puede ser de 30
a 40 cm hasta 2 a 3 m de altura, con un tallo principal erguido en las variedades enanas y
voluble y dextrógiro en las judías de enrame. Las hojas son trifoliadas, con pequeñas estípulas
en la base del peciolo. Las flores son generalmente blancas, presentándose en racimos de 4 a 8,
cuyos pedúnculos nacen en las axilas de las hojas o en las terminales de algunos tallos. El fruto
es una legumbre, que contiene de 4 a 6 semillas, en estado avanzado las paredes de la vaina se
refuerzan por tejidos fibrosos. En la composición nutritiva de la judía destaca su alto contenido
en proteínas y fibra (Mateo-Box, 1961; Adams et al., 1985; Escribano et al., 1991; Van
Schoonhoven y Voyset, 1991; Graham y Ranalli, 1997; Guzman-Maldonado y Paredes-López,
1998; Mateo-Box, 2005).
Figura 1.6. Planta de judía (http://www.metafro.be/)
Diferentes autores han estudiado la importancia del Zn en la planta de judía: este
elemento juega un papel importante en la floración (Gabal et al., 1985), en el contenido en
clorofila (Singh et al., 1992; Sanita di Toppi y Gabrielli, 1999), en la síntesis de proteínas y en
la actividad enzimática (Van Assche y Clijsters, 1990; Togay et al., 2004; Poshtmasari et al.,
2008).
El cultivo de judía es sensible a la deficiencia de Zn (Viets et al., 1954; Brown y
LeBaron, 1968; Moraghan, 1984; Armour et al., 1990; Thung y Rao, 1999; Jones, 2001; House
et al., 2002; Alloway, 2008b). La deficiencia del Zn en el cultivo de judía provoca, en general,
la disminución en el rendimiento y en la calidad del cultivo, afectando al rendimiento de las
semillas y a la concentración de Zn en semillas y hojas (Brown y Leggett, 1967; Edwards y
Mohamed, 1973; Brouwer et al., 1981; Moraghan y Grafton, 1999; Westermann y Singh, 2000;
Singh y Westermann, 2002; Almaliotis et al., 2007; Valenciano et al., 2007). Los síntomas
38
Introducción general
visuales más comunes de la deficiencia de este micronutriente en la planta de judía son el
acortamiento de los entrenudos, el retraso en el crecimiento de la planta, la clorosis internervial,
el bronceado de las hojas, la aparición de bandas cloróticas paralelas a los nervios o el retraso en
la floración (Brown y Leggett, 1967; Boawn et al., 1969; Blaylock, 1995; Marschner, 1995;
Reche-Marmol, 2005).
Como han indicado diferentes autores, la respuesta de la judía al aporte de fuentes de Zn
se puede ver afectada por la interacción de este elemento con otros nutrientes. Diversos autores
han comprobado que, en cultivos de judía, la deficiencia de Zn puede ser inducida por
concentraciones de P elevadas ya que, en general, elevados niveles de P en el suelo dan lugar a
una disminución de Zn asimilable (Loneragan y Webb, 1993; Singh et al., 1995). Wallace et al.
(1974) obtuvieron que con bajos aportes de Zn en el cultivo, un aumento de P producía una
disminución en la absorción de Zn por la planta, haciéndose visible en la concentración de Zn
en las diferentes partes de la planta. Singh et al. (1988b) obtuvieron que la mayor concentración
de Zn en la parte aérea de la planta se conseguía al añadir al cultivo una dosis total de 40 mg P
kg-1. Cuando se aplicaron dosis mayores de P y cuando no se aplicó tratamiento de P las
concentraciones de Zn en la planta fueron menores. En este ensayo también se observó que los
mecanismos responsables de la deficiencia de Zn inducida por una alta concentración de P son:
la dilución de la concentración de Zn en los tejidos y la reducción en la translocación de Zn de
las raíces a las partes aéreas. También Hamilton et al. (1993) encontraron una correlación
negativa entre el Zn tomado por la planta y la concentración de P del suelo y según Faria y
Pereira (2000) y Sciortino et al. (2006) altos niveles de P disponible en el suelo o grandes
aplicaciones de fosfato pueden inducir la deficiencia de Zn en la planta de judía. Gianquinto et
al. (2000) observaron menores concentraciones de Zn en las hojas de judía al aumentar la
concentración de P aportado, observándose también una reducción en la longitud de los
entrenudos, aunque con las dosis altas de P se obtuvo un mayor uso eficiente de la luz y mayor
eficiencia en la tasa fotosintética. Alloway (2008b) aportó que esta deficiencia de Zn es debida a
factores fisiológicos, fenómenos de transporte y de distribución en la planta.
La adición de fertilizantes nitrogenados al suelo puede afectar a la disponibilidad del Zn
de diferentes formas: el aumento de formación de proteínas tras la adición de fertilizantes
nitrogenados puede provocar que el Zn sea retenido en la raíz, en forma de complejos Znproteína y no sea translocado por la planta. También los fertilizantes nitrogenados acidificantes,
como nitrato de amonio y sulfato de amonio, pueden conducir a una disminución del pH del
suelo y a un incremento en la disponibilidad del Zn (Soltanpour, 1969). Blaylock (1995) estudió
la relación de los nutrientes Zn y N en el cultivo de judía, obteniendo mayores valores de
rendimiento y concentración de Zn en la planta con incrementos en el aporte de ambos
nutrientes.
También ha sido objeto de estudio el efecto de la interacción entre el Zn y otros metales
en cultivos de judía: el Cd (Abdel-Sabour et al., 1988; Chaoui et al., 1997; Nan et al., 2002;
Hocine-Benabid et al., 2007); el Fe (Singh et al., 1995; Karaman et al., 1999; Donangelo et al.,
2003; Poshtmasari et al., 2008); el Cu (Hardiman et al., 1984; Cuypers et al., 2002;
Poshtmasari et al., 2008); el Mg (Celebi et al., 1988); el Mn (MacDonald et al., 1990; Teixeira
et al., 2004); el Bo y Mo (Kushwaha, 1999); o el Pb (Hardiman et al., 1984), obteniéndose que
el aumento en la cantidad tomada por la planta de estos nutrientes puede afectar al rendimiento
y concentración de Zn en la planta de judía.
39
Capítulo 1
1.3.3. CULTIVO DE LINO. IMPORTANCIA DEL ZINC EN EL CULTIVO:
El lino (Linum ussitatisimum L.) es una planta de la familia de las Lináceas, de periodo
anual y herbácea (Figura 1.7.) cultivada por su fibra y aceite (Herdrich 2001; Berqlund y
Zollinger, 2002; Burton, 2007; Maherani et al., 2007). Sus raíces son cortas y pivotantes. Su
porte suele ser de 40 a 80 cm de altura y tiene un único tallo erguido, con más o menos
ramificaciones según las variedades. Las fibras paralelas que forman la corteza del tallo son las
que constituyen la hilaza (Foulk et al., 2003). Las hojas son enteras, estrechas, ovales y
dispuestas de forma alterna en el tallo. Las flores son de color blanco o azul, con cinco pétalos.
El fruto es una cápsula o globulosa, que contiene aproximadamente 10 semillas brillantes, de
color marrón, de unos 4-5 mm, que se encuentran dentro de cinco carpelos. Estas semillas
oleaginosas, de forma ovalada y plana, con punta afilada y con unas medidas aproximadas de 46 mm son llamadas linaza y de ellas se extrae el aceite conocido con el mismo nombre (Daun et
al., 2003). Esta semilla es rica en grasas, proteína y fibra y contiene ácidos grasos esenciales
para los humanos: ácido alfa-linoléico (ácido graso esencial omega-3) y ácido linoléico (ácido
graso esencial omega-6) (Oomah y Mazza, 1998; McKevith, 2005; Morris, 2007; Ranjzad et al.,
2007; Figuerola et al., 2008).
Figura 1.7. Planta de lino (Linum ussitatisimum L.)
(http://www.meemelink.com).
El lino es un cultivo sensible a la deficiencia de Zn y presenta una alta respuesta a la
adición de este micronutriente (Moraghan, 1984; Loué, 1988; Martens y Westermann, 1991;
Franzen, 2004; Alloway, 2008a; Flax Council of Canadá, 2009). La adición de Zn al cultivo
mejora el crecimiento de la planta, incrementa el rendimiento en semilla y afecta a la calidad
nutricional del cultivo, ya que este elemento tiene una gran importancia en la composición
mineral del lino (Jiao et al., 2007). Según Moraghan (1993), la deficiencia de Zn causa un
retraso en la floración y en la formación de cápsulas de hasta 20 días, provocando la reducción
del tamaño de las semillas.
Cuando la cantidad de Zn en el suelo es inadecuada el rendimiento del cultivo se reduce
y la calidad del cultivo se ve afectada. Un aporte adecuado de fertilizantes de Zn puede corregir
las deficiencias de este micronutriente en las plantas (Prasad y Sinha, 1981; Kádár et al., 2003;
Alvarez et al., 2007). La deficiencia de Zn se manifiesta con pequeñas manchas de color marrón
40
Introducción general
grisáceo, seguido del marchitamiento de las hojas más jóvenes. También provoca entrenudos
cloróticos que se acortan, presentando la planta un aspecto de roseta. Si la deficiencia es grave
se observa el necrosamiento de la parte alta del tallo, los puntos de crecimiento mueren, la
planta se acorta e incluso puede morir (Moraghan 1978; Franzen 2004).
La respuesta del lino al aporte de fuentes de Zn se puede ver afectada por la interacción
de este elemento con otros nutrientes. Varios autores (Loneragan, 1951; Spratt y Smid, 1978;
Loneragan et al., 1979; Moraghan, 1980; Moraghan, 1984) han estudiado la interacción del Zn
con el P, observando la aparición de síntomas de deficiencia de Zn causados por el aporte de
altas cantidades de fosfato, incrementándose la gravedad de los síntomas con el aumento de la
aplicación de fosfato y observándose una disminución de la concentración de Zn en la parte alta
de la planta. Sin embargo, en los estudios realizados por Millikan et al. (1968) no se obtuvieron
efectos significativos en la distribución de 65Zn en la planta de lino con la aplicación de
diferentes dosis de Na2HPO4 y ZnSO4·7H2O, hasta unas concentraciones máximas aplicadas de
60 ppm de P y 0,05 ppm de Zn.
Burleson y Page (1967) encontraron que las interacciones entre el Zn y el P pueden
tener lugar en la superficie de la raíz, disminuyendo la absorción de Zn por la planta o dentro de
la planta de lino, debido a una reducción de la translocación de Zn de la raíz a las partes
superiores de la planta. Un incremento en el aporte de cualquiera de los dos elementos provocó
un incremento en la concentración y en la cantidad tomada tanto en las raíces como en la parte
alta de la planta de lino. A altas concentraciones, un aporte de P en primer lugar, seguido del
aporte de Zn produce un aumento de la concentración de P total en las raíces, y una disminución
de la concentración del P total en la parte superior de la planta. Cuando el Zn se añade en primer
lugar, se produce un incremento de la concentración de Zn total en las raíces, disminuyendo la
concentración de Zn total en la parte alta de la planta. Sin embargo, Jiao et al. (2007) sugieren
que los fertilizantes de P pueden restringir el crecimiento del lino mediante la reducción de la
absorción de Zn, aunque en su estudio observaron un aumento del rendimiento de las semillas
en materia seca, debido a la translocación de otros nutrientes a la semilla.
También ha sido ampliamente estudiada la interacción entre el Zn y el N obteniéndose,
en general, un aumento en el crecimiento del lino con los aportes de ambos nutrientes (Gill,
1987; Kuzmenko, 1999). En el estudio realizado por Moraghan (1993) se alcanzaron
incrementos en el rendimiento de las semillas de lino al aumentar el aporte de N y Zn. Savikurki
(1994) observó un aumento en el crecimiento y calidad de la fibra de lino con incrementos en la
dosis de N.
También ha sido objeto de estudio el efecto de la interacción entre el Zn y otros metales en
cultivos de lino: el Cd (Moraghan, 1993; Chakravarty y Srivastava, 1997; Grant y Bailey,
1997; Grant et al., 2000); el Fe (Lee et al., 1969; Marchenkov et al., 2003); el Cu (Loneragan y
Webb, 1993); el Ca y Mg (Grant y Bailey, 1989; Grant y Bailey, 1993) obteniéndose que el
aumento en la cantidad de estos nutrientes tomados por la planta puede afectar al rendimiento y
concentración de Zn en la planta de lino.
41
Capítulo 2
Objetivos
2. Objetivos
El zinc (Zn) es un elemento traza considerado indispensable para el crecimiento y
reproducción de las plantas (Alloway, 2008a). La deficiencia de Zn es una de las carencias de
micronutrientes más extendidas en muchos cultivos, afectando a grandes extensiones de suelos
en diferentes áreas agrícolas (IZA, 2007). La respuesta de las plantas a la fertilización de Zn
depende de la fuente de Zn usada (Boawn, 1974; Shuman, 1998).
Diferentes autores han estudiado la influencia de la aplicación de fertilizantes que
contienen complejos orgánicos de Zn sobre las diferentes formas de Zn del suelo (Prasad et al.,
1976; Rico et al., 1995; Li and Shuman, 1996; Alvarez et al., 1996a; Obrador et al., 2002;
Jalali and Khanboluki, 2007; Gonzalez et al., 2008a) y el efecto de la aplicación de dichos
fertilizantes en diferentes cultivos (Dhillon y Dhillon, 1983; Goos et al., 2000; Lopez-Valdivia
et al., 2002; Obrador et al., 2003; Gonzalez et al., 2007; Alvarez et al., 2010). Sin embargo,
aunque varios investigadores han realizado estudios sobre el efecto residual de las fuentes
inorgánicas de Zn (Brown et al., 1964; Boawn, 1974; Armour et al., 1989; Barrow, 1998;
Brennan, 2001) los estudios sobre el efecto residual de los complejos orgánicos de Zn aplicados
al suelo son todavía muy reducidos (Almendros et al., 2008a; Naik and Dash, 2008).
El efecto del Zn residual en el suelo está relacionado con el proceso de
“envejecimiento” del metal. Este efecto provoca un cambio en la disponibilidad del Zn en el
suelo (Martinez y McBride, 2000). Este proceso se encuentra altamente influenciado por varios
parámetros, como son las condiciones de humedad y las características físico-químicas de los
suelos (Lock y Janssen, 2003).
El objetivo general de esta investigación fue evaluar el efecto residual de complejos
orgánicos de Zn de origen natural y sintético en el estado del micronutriente en el suelo y en la
respuesta de cultivos sensibles a este micronutriente bajo diferentes condiciones de riego en dos
suelos diferentes.
Para alcanzar este objetivo se realizaron varios experimentos, que coinciden con
diferentes capítulos de esta tesis, y cuyos objetivos específicos son los siguientes:
Objetivo 1: Determinar el efecto del Zn residual de diferentes complejos orgánicos en
un cultivo de judía (Phaseolus vulgaris L.) con riego por encima de la capacidad de
campo del suelo, en dos suelos representativos diferentes, en condiciones de
invernadero.
Objetivo 1.1: Estudiar el efecto residual de complejos orgánicos de Zn
de origen natural en el cultivo de judía.
Objetivo 1.2: Estudiar el efecto residual de complejos orgánicos de Zn
de origen sintético en el cultivo de judía.
Para alcanzar estos objetivos se evaluará el efecto de los complejos orgánicos en la
concentración del Zn lixiviado, en el estado de las formas o asociaciones de Zn en el suelo,
en el Zn biodisponible para la planta y en la calidad y rendimiento del cultivo de judía.
31
Capítulo 2
Objetivo 2: Determinar el efecto del Zn residual de distintos complejos orgánicos en un
cultivo de lino (Linum usitatissimum L.) con riego por debajo a la CC en suelos
representativos de diferentes características y en condiciones de invernadero.
Objetivo 2.1: Estudiar el efecto residual de complejos orgánicos de Zn
de origen natural en el cultivo de lino.
Objetivo 2.2: Estudiar el efecto residual de complejos orgánicos de Zn
de origen sintético en el cultivo de lino.
Para alcanzar estos objetivos se evaluará el efecto de los complejos orgánicos en la
concentración de Zn biodisponible del suelo, en el estado de las formas de Zn en el suelo, y
en la calidad y rendimiento del cultivo de lino.
Objetivo 3: Determinar el efecto de diferentes condiciones de humedad en el Zn
residual de los diferentes complejos orgánicos en los suelos procedentes del segundo
cultivo de lino llevando a cabo un experimento de incubación.
Objetivo 3.1: Estudiar la influencia de diferentes condiciones de
humedad en dos suelos de diferentes características en el efecto residual
de complejos orgánicos de Zn de origen natural a corto plazo.
Objetivo 3.2: Estudiar la influencia de diferentes condiciones de
humedad en dos suelos de diferentes características en el efecto residual
de complejos orgánicos de Zn de origen sintético a corto plazo.
Para alcanzar estos objetivos se evaluarán el Zn residual de los complejos orgánicos, en un
experimento con diferentes condiciones de humedad y tiempos de incubación, estimando el
Zn potencialmente disponible para la planta, el disponible a corto plazo y el Zn soluble en
agua o inmediatamente disponible.
32
Chapter 3
Objectives
3. Objectives
Zinc (Zn) is a trace element considered essential for the growth and reproduction of
plants (Alloway, 2008a). Zinc deficiency is one of the most widespread micronutrient
deficiencies in many cultures, affecting large areas of agricultural soils in different agricultural
areas (IZA, 2007). The plant response to Zn fertilization depends on the source of Zn used
(Boawn, 1974; Shuman, 1998).
Several authors have studied the influence of applying fertilizers containing organic Zn
complexes on the different soil Zn forms (Prasad et al., 1976; Rico et al., 1995; Li and Shuman,
1996; Alvarez et al., 1996a; Obrador et al., 2002; Jalali and Khanboluki, 2007; Gonzalez et al.,
2008a) and the effect of the application of fertilizers on different crops (Dhillon and Dhillon,
1983; Gos et al., 2000; Lopez-Valdivia et al., 2002; Obrador et al., 2003; Gonzalez et al., 2007;
Alvarez et al., 2010). However, although several researchers have conducted studies on the
residual effects of inorganic Zn sources (Brown et al., 1964; Boawn, 1974; Armour et al., 1989;
Barrow, 1998; Brennan, 2001) there are still relatively few studies on the residual effects of
applying organic Zn complexes to soils (Almendros et al., 2008a; Naik and Dash, 2008).
The effect of residual Zn on soil is related to the "aging" process of the metal. This
effect causes a change in the availability of soil Zn (Martinez and McBride, 2000). This process
is highly influenced by several parameters, including soil moisture conditions and the physicochemical characteristics of the soil (Lock and Janssen, 2003).
The overall objective of this research was to evaluate the residual effects of natural and
synthetic organic Zn complexes on the micro-nutrient status of soils and on the response of
crops sensitive to this nutrient under different irrigation conditions in two different soils.
To achieve this goal we conducted several different experiments. These test coincided
with various chapters in this thesis; their specific objectives were:
Objective 1: To determine the residual effect of different organic Zn complexes in a
bean crop (Phaseolus vulgaris L.) in two different representative soils, under irrigation
conditions above the field capacity of the soil and under greenhouse conditions.
Objective 1.1: To study the residual effects of Zn from natural organic
complexes to a bean crop.
Objective 1.2: To study the residual effects of applying Zn from
synthetic organic complexes to a bean crop.
To achieve these objectives, it was assessed the effects of chelates on concentrations of Zn
leachate in all the forms of Zn present in the soil, in the Zn that was bioavailable to plants
and in the quality and yield of the bean crop.
46
Objectives
Objective 2: To determine the residual effects of different organic Zn complexes in a
flax crop (Linum usitatissimum L.) under soil moisture conditions of below field
capacity, in two different representative soils, under greenhouse conditions.
Objective 2.1: To study the residual effects of natural organic Zn
complexes in a flax crop.
Objective 2.2: To study the residual effects of synthetic organic Zn
complexes in a flax crop.
To achieve these objectives it was assessed the effects of chelates on concentrations of soil
available Zn in all the forms of Zn present in the soil and on the quality and yield of the flax
crop.
Objective 3: To determine the effects of different moisture conditions on residual Zn in
soil of the chelates that come from the second crop of flax, in an experiment of
incubation.
Objective 3.1: To study the influence of different moisture conditions
on two soils with different characteristics and on the short-term residual
effects of natural organic Zn complexes.
Objective 3.2: To study the influence of different moisture conditions
on two soils with different characteristics and on the short-term residual
effects of synthetic organic Zn complexes.
To achieve these objectives it was evaluated the residual Zn from chelates in an experiment
involving different moisture conditions and different incubation times and estimated the
amount of Zn potentially available to plants, the amount of short-term available Zn, watersoluble Zn and Zn immediately available in soils, as appropriate.
47
Chapter 4
Residual effects of natural zinc
chelates on navy bean response,
zinc leaching and soil zinc status
4. Residual effects of natural zinc
chelates on navy bean response, zinc
leaching and soil zinc status
Adapted from: Alvarez JM, Almendros P, Gonzalez D. 2009.
Residual effects of natural Zn chelates on navy bean response, Zn leaching and soil Zn status.
Plant Soil 317, 277-291.
4.1. ABSTRACT
A greenhouse experiment was conducted on weakly acidic and calcareous soils to
evaluate the aging and residual effects of three natural organic Zn chelates [Znethylenediaminedisuccinate (Zn-EDDS), Zn-polyhydroxyphenylcarboxylate (Zn-PHP) and Znaminelignosulfonate (Zn-AML)] each administered in a single application to a first navy bean
(Phaseolus vulgaris L.) crop at several different Zn application rates. In a second navy bean
crop, we determined the following parameters: the extent of Zn leaching, the amount of
available Zn remaining in soils, the amount of easily leachable Zn, the size of Zn fractions in
soils, the pH and redox potential, the dry matter yield, and the soluble and total Zn
concentrations in plants. The residual effect after 2 years of Zn fertilization mainly depended on
the aging effect of Zn chelates and losses due to Zn leaching. The data relating to the evolution
from the first to the second crop showed that the aging effect was noticeable in the calcareous
soil. In the latter soil, the Zn-S,S-EDDS treatments showed greater decreases in the Zn uptake
by plants than the other Zn treatments and the greatest Zn uptake by plants occurred when Zn
was applied as Zn-aminelignosulfonate (10 mg Zn kg−1 rate, 6.85 mg Zn per lysimeter; 5 mg Zn
kg−1 rate, 3.36 mg Zn per lysimeter). In contrast, in the calcareous soil, the maximum amount of
Zn uptake, for the three chelates was 0.82 mg Zn per lysimeter. Consequently, a further
application of Zn would be needed to prevent Zn deficiencies in the plants of a subsequent crop.
The behaviour of the pH and Eh parameters in the soils and leachates did not depend on the
natural Zn sources applied. In this study, the easily leachable Zn estimated by BaCl2 extraction
was not adequate to predict Zn leaching from the soils in subsequent crops.
4.2. INTRODUCTION
Zinc fertilizers are commonly applied to many crops around the word (Alloway, 2008b;
Cakmak, 2008b; Prasad and Sinha, 1981). The primary soil factors controlling the potential
bioavailability of metals are soil pH, the accessibility and character of sorption sites on soil
surfaces, the contents of iron and aluminium oxyhydroxides, soil organic matter, and clay
mineral. However, according to US EPA (2003), the first two of these factors are the most
important for controlling the release of metals to pore water and their subsequent
bioavailability. One way to determine the availability of micronutrients to plants is to measure
direct uptake in plant experiments; however, availability can also be estimated by extracting a
49
Chapter 4
portion of the soil micronutrient content with a chemical reagent and relating this portion to
plant response (White and Zasoski, 1999). Several extraction schemes have been developed to
determine the distribution of metals among operationally defined fractions (e.g., Chandi and
Takkar, 1982; Krishnamurti and Naidu, 2002). However, sequential extraction methods do not
cleanly distinguish the occurrence and speciation of different forms of metals in soils (Alvarez
et al., 2006; Ure, 1995). A variety of single soil extractants can also be used to evaluate
micronutrient availability in soils. These soil tests are interesting as they offer the possibility of
considerably simplifying the task of estimating the available and mobilizable fractions of metals
(Li and Shuman, 1997; Obrador et al., 2003). The most widely accepted extractant for
micronutrient cations is 0.05 M DTPA (Hossain et al., 2008; Lindsay and Norvell, 1978; LopezValdivia et al., 2002), although other reagents (e.g., dilute acids, chelating agents and neutral
salts) are also currently used (Jones, 2001; Narwal and Singh, 1998; Sims and Johnson, 1991).
Critical levels for some micronutrients are only normally useful for a limited range of soils and
crops and are closely related to the conditions under which they were determined (White and
Zasoski, 1999).
Some studies have indicated that organic sources are more effective fertilizers than
inorganic ones. Their effectiveness depends on the rate of their disappearance from the soil
solution, which is related to their stability (Alloway, 2008b). Zinc chelates differ in physical
state, chemical reactivity, cost, bioavailability, and susceptibility to leaching. The chelating
agents DTPA, HEDTA and EDTA are some of the strongest synthetic chelating agents; in
combination with Zn, they form much stronger chelates than naturally occurring organic ligands
(Mortvedt and Gilkes, 1993).
Although there is evidence to suggest that some chemical properties of soils, such as pH
and pe [pe=Eh (mV)/59.2] (being pe the negative logarithm of the free electron activity and Eh
the redox potential), can be affected by the addition of fertilizers to soils (Thind and Rowell,
1999), there is a general lack of information regarding the effects of fertilization involving
organic Zn complexes. To improve predictions of Zn mobility and availability when this type of
fertilizer is added to soils, it is therefore interesting to study the evolution of the pH and pe
parameters after fertilizer applications and their possible relation with the distribution of various
Zn forms.
After applying Zn fertilizers, the activity and extractability of Zn added to soils in water
soluble forms continually and slowly decreases, and Zn changes to more stable forms through
slow reactions with soil constituents (Barrow, 1986; Shuman, 1991). This process is referred to
by some authors as aging (Hossain et al., 2008; Ma and Uren, 2006; McLaughlin, 2001). The
slow reactions are attributed to micropore diffusion (Ma and Uren, 1997b), occlusion in solid
phase by co-precipitation and co-flocculation, cavity entrapment (Ma and Uren, 1998), and
solid solution interface formation (Davis and Kent, 1990; Sparks, 2003).
After Zn fertilization, there is normally a period of several years in which the residual
effect provides an adequate supply of Zn to successive crops. The length of this period will
depend on the nature of the soil in question and the crop system applied (e. g., fertilizer type and
micronutrient rate added; Hossain et al., 2008). Using an experimental field on a highly Zn
deficient soil in Western Australia, Brennan (2001) found that the effectiveness of the ZnO
treatment for wheat (Triticum aestivum L.) decreased by 50% over a period of 13 years. In
Turkey, on a highly deficient calcareous soil in Anatolia, Cakmak et al. (1999) found that 28 kg
Zn ha−1 as ZnSO4 was sufficient to correct a Zn deficiency in wheat for between 4 and 7 years.
50
Residual effects of natural zinc chelates on navy bean response,
zinc leaching and soil zinc status
Most of the studies into the residual effects of Zn have been carried out using sewage sludge,
due to the relationship between its residual effect and its potential for pollution (Basta et al.,
2005), or inorganic Zn fertilizers (oxides, sulphates, oxisulphates and others Zn salts) since, as
with most crops, the normal way of correcting Zn deficiencies in soils is to apply these
fertilizers (Brennan and Bolland, 2006; Ma and Uren, 1997a). Until some years ago, chelated
forms of Zn were mainly used in foliar applications as a rescue treatment for a current deficient
crop and, they do not have much residual value for following crops. Now, however, in some
countries, including Spain, fertilizers that contain Zn complexes or chelates are being added to
soils in order to correct Zn deficiencies (Liñán, 2011).
Although some studies have been conducted to discover more about aging and longterm transformations in soils to which inorganic sources of Zn were added, only limited data are
available concerning the aging and residual effects of Zn added as organic complexes. It would
therefore be advisable to study the residual effects of new commercial micronutrient fertilizers
on soils and plants in order to optimize fertilization (and save the expense of unnecessary Zn
applications) and minimize its environmental impact (and ensure that the element does not
accumulate at undesirably high concentrations in soils, plants and/or neighbouring waters).
In light of what has been previously outlined, it was expected the various natural
chelating agents would have different residual effects on a subsequent crop and that these
effects would depend on the type of soil in question. To verify this hypothesis, a greenhouse
experiment was designed in which three organic complexes of natural origin were applied to a
first navy bean crop in two soils (acidic and calcareous) in which a second crop was later
cultivated. The operational objectives were to study the: (1) leaching of the Zn applied, (2)
availability and chemical forms of soil-applied Zn, (3) pH and redox potential of the soil and (4)
effectiveness of three commercial Zn fertilizers on the navy bean’s dry matter yield and its total
and soluble Zn concentrations.
4.3. MATERIALS AND METHODS
4.3.1. SOIL CHARACTERISTICS
The Ap horizons of two representative soils were collected from rural areas of Spain
[weakly acidic soil (acidic soil): latitude 40° 21′ N, longitude 4° 00′ W; calcareous soil: latitude
40° 39′ N, longitude 3° 20′ W]. The acidic soil was classified as a Typic Haploxeralf and the
calcareous soil as a Typic Calcixerept (Soil Survey Staff, 2006). The main soil properties, which
were based on means of three replicates, are reported in Table 4.1. Both were soils commonly
used to cultivate cereals and characterized by their low organic matter contents and low Zn
availability. The clay content was higher in calcareous soil and the X-ray diffraction technique
(Schultz, 1964) showed that the predominant clay in acidic soil was illite and that in calcareous
soil it was smectite.
51
Chapter 4
Table 4.1. Selected properties of the original soils and analytical procedures
used in the experiment
Soil properties
Clay (g kg-1)
Texture (USDA)
Bulk density (g cm-3)
WHC (33 kPa)
(g H2O 100 g-1 soil)
Permeability
pH w (1:2.5)
EC (µS cm-1)
Extractable P (mg kg-1)
Organic mater (g kg-1)
N (g kg-1)
Total CaCO3 (g kg-1)
Free CaCO3 (g kg-1)
CEC (cmolc kg-1)
Fe (mg kg-1) (active Fe2O3)
Total Zn (mg kg-1)
Extractable Zn (mg kg-1)
DTPA-TEA
DTPA-AB
Mehlich-3
BaCl2
Acidic soil
100 ± 6a
sandy loam
1.4 ± 0.1
Calcareous soil
180 ± 5
loamy sand
1.1 ± 0.1
References
Day (1965)
-MAPA (1994)
6.60 ± 0.21
20.5 ± 0.7
Klute (1996)
moderate
6.13 ± 0.09
37.2 ± 1.6
19.89 ± 0.29
2.35 ± 0.13
1.02 ± 0.11
--4.72 ± 0.12
141 ± 2
9.21 ± 0.75
moderate to rapid
8.13 ± 0.03
178 ± 7
12.58 ± 0.48
5.10 ± 0.23
1.10 ± 0.05
134 ± 6
33.4 ± 1.9
23.5 ± 1.0
56.0 ± 1.1
43.40 ± 1.54
Monturiol and Alcalá (1990)
Chapman and Pratt (1961)
Chapman and Pratt (1961)
Bray and Kurtz (1945). Olsen et al. (1954)
Hesse (1971)
Bremner (1996)
Allison and Moodie (1965)
Nijensohn and Pizarro (1960)
Bower et al. (1952)
McKeague and Day (1966)
--
0.73 ± 0.06
0.83 ± 0.04
1.33 ± 0.07
0.90 ± 0.05
0.44 ± 0.04
0.60 ± 0.03
0.96 ± 0.05
0.30 ± 0.03
Lindsay and Norvell, 1978
Soltanpour, 1991
Mehlich, 1984
Schultz et al., 2004
WHC, water-holding capacity; EC, electrical conductivity; CEC, cation exchange capacity; DTPA-TEA,
diethylenetriaminepentaacetate-triethanolamine; DTPA-AB, diethylenetriaminepentaacetate-ammonium bicarbonate.
a
Standard deviation.
4.3.2. GREENHOUSE EXPERIMENTS
4.3.2.A. Soil preparation
The soils used in this study were second-cropped soils from an experiment carried out
the previous year that had involved growing a navy bean crop in lysimeters (Gonzalez et al.,
2007, 2008a, b). The original soils were air-dried and fractions of less than 2 mm were used in
the experiment. The soils were only treated with aqueous suspensions of three liquid fertilizers
of natural origin: Zn-ethylenediaminedisuccinate (Zn-S,S-EDDS; 82 g water-soluble-Zn L−1 and
mass density 1.36 g cm−3), Zn-polyhydroxyphenylcarboxylate (Zn-PHP; 38 g water-soluble-Zn
L−1 and mass density 1.26 g cm−3) and Zn-aminelignosulfonate (Zn-AML; 59 g water-solubleZn L−1 and mass density 1.20 g cm−3) at the beginning of the first experiment. These Zn sources
were produced by commercial companies (Liñán, 2011). The control (no Zn addition) and
fertilizer treatments (5 and 10 mg Zn kg−1) were replicated three times in a completely
randomized design layout.
After the navy bean harvest, the soil was manually removed from each lysimeter and
homogenized and then 9.75 kg of soils was placed in the polypropylene lysimeters (total
number, 42; capacity, 11 L; internal diameter, 24 cm; and height, 25 cm). A polyester mesh and
a 1.5 cm-thick layer of washed gravel were also placed in the bottom of each lysimeter to
facilitate drainage.
52
Residual effects of natural zinc chelates on navy bean response,
zinc leaching and soil zinc status
4.3.2.B. Navy bean crop
In the second year, a new navy bean crop was grown without Zn fertilization. The
leachate was collected with a silicone tube leading to a polyethylene bottle. The nutritional
condition of the soil for the navy bean crop was assessed using the electroultrafiltration
technique (Wiklicky and Nemeth, 1981). Taking previous results into account, basal fertilization
was applied with 50 mg N kg−1 [as (NH2)2CO], 50 mg P kg−1 [as Ca(H2PO4)2] and 50 mg K kg−1
(as K2SO4). Three navy bean seeds (Phaseolus vulgaris L., variety Garrafal oro velez enrame,
Fito S.A., Barcelona, Spain) were cultivated in each lysimeter. The lysimeters were placed in a
greenhouse in which temperatures ranged from 10°C to 32°C and relative air humidity ranged
from 60% to 85%. The soils were irrigated at slightly above field capacity moisture to obtain ten
portions (each of 200 mL) of leachate for a total of 2,000 mL (acidic soil, 0.623 pore volume;
calcareous soil, 0.391 pore volume). To evaluate evapotranspiration, the containers were
weighed (balance A&D Instruments Ltd., UK, model FG-30 KBM) and we estimated the
volume of irrigation water required.
Sixty days after seeding, samples of fresh leaves were collected from between the third
and fourth leaves of the upper parts of the plants. The plants were then cut at soil level, washed
in deionized water and dried in a forced-draft oven at 65°C to a constant weight.
Once weighed, they were ground and kept in sealed containers for later analysis. Soil
samples were also collected and stored for further analysis.
4.3.3. CHEMICAL ANALYSIS
The soluble Zn in fresh matter was determined in a sample of 2 g of young leaves. The
samples were manually homogenized for 5 min in a mortar with 10 mL of 1 mM morpholino
acid (MES: 2-morpholinoethanesulfonic acid, C6H13NO4S·H2O) 10−3 M to pH 6 (ratio 1:5, w:v).
After each extraction, the plant suspension was centrifuged (10,000 rpm for 15 min) and the
supernatant solution was decanted and filtered through Whatman no. 41 filter paper.
Soluble Zn in plant dry matter was extracted by the method proposed by Rahimi and
Schropp (1984) and Cakmak and Marschner (1987), with modifications: 0.25 g of the aerial
part of the plant was weighed and its Zn content was extracted with 10 mL of MES at pH 6
(ratio 1:40, w:v).
Total Zn in plant dry matter was extracted by wet digestion in a microwave oven (CEM
Corporation, model-Mars, Matthews, NC, USA). This involved a two-step process with a
maximum pressure of 170 psi, using 0.3 g of dried ground samples, 4 mL of HNO3 (65%) and 2
mL of HF (48%). The leached liquids were collected and their Zn contents were analyzed. The
pH and redox potential (Eh) parameters of the soils and leachates were determined by
potentiometry, using pH and redox (Pt) electrodes (they were determined at two crop times: 30
and 60 days after germination, for all treatments). For soils, the procedure consisted of making a
hole 2 mm larger than the diameter of the electrode by inserting a stainless steel bar into
previously humidified soil. The electrode was then inserted to a depth of more than 2 cm. The
temperature probe was also inserted into soil. Measurements were taken after between 10 and
53
Chapter 4
15 min, once values had become stable, and three replicates were performed. In the case of
leachates, the electrodes were submerged in the solutions collected from each lysimeter.
Temperature was automatically compensated by connecting a probe to the potentiometer in the
case of pH. To calculate the redox potential (Eh), the potential from the reference electrode was
added to the measured potential of the cell (ISO 11271 2002). Two standard redox checks (212
and 468 mV, Crison Instruments, Barcelona, Spain) were used when measuring the redox
potential. The amount of Zn available to the plant was assessed by extraction using three
common used chemical extractants: DTPA-TEA, DTPA-AB, and Mehlich-3. The easily
leachable Zn fraction was estimated by extraction with 0.01M BaCl2 (Schultz et al., 2004). Zinc
distribution in the different soil fractions was determined by the sequential fractionation method
proposed by Krishnamurti and Naidu (2002). The Zn fractions were sequentially determined in
seven steps (using a 1 g soil sample) with the following extractants: 10 mL of 1 M NH4NO3 pH
7.0 for 4 h (WSEX, water soluble plus exchangeable); 25 mL of 1 M NaOAc pH 5.0 for 6 h
(CAR, carbonate bound); 30 mL of 0.1 M Na4P2O7 pH 10.0 for 20 h (OC, organically
complexed); 20 mL of 0.1 M NH2OH·HCl in 0.01 M HNO3 for 30 min. (RMO, easily reducible
metal oxide bound); 30% H2O2 pH 2.0 + 0.02 M HNO3 and 10 mL of 2 M NH4NO3 in 20%
HNO3 for 30 min. (OM, organically bound); 10 mL of 0.2 M (NH4)2C2O4/0.2 M H2C2O4 pH 3
for 4 h in the dark (AMC, amorphous minerals colloids bound); 25 mL of 0.2 M (NH4)2C2O4/0.2
M H2C2O4 pH 3 in 0.1 M ascorbic acid for 30 min. (CFeO, crystalline Fe oxide bound). The
residual fraction (RES) was calculated as the difference between total Zn, extracted by wet
acidic digestion in a microwave oven, and the sum of the other fractions. All samples were
extracted and analyzed in triplicate using each of the procedures.
The “Perkin-Elmer Pure” standard checks were used for the Quality Assurance System
(certified by NIST-SRM). Standard solutions of Zn were prepared for each extraction in a
background solution of the extracting agents. In all cases, Zn concentrations were determined by
flame atomic absorption spectrophotometry (Perkin-Elmer Aanalyst 700).
4.3.4. STATISTICAL ANALYSIS
Descriptive, simple and stepwise multiple regression analyses and other statistical
studies were conducted using Statgraphics-Plus 5.1 software (Manugistic Inc., Rockville, MD,
USA). Multifactor analysis of variance was carried out to determine the main effects and
interactions of the different parameters. Multiple comparisons of variables were made using
Duncan’s separations of means procedures. A probability level of P≤0.05 was selected to
establish statistical significance.
4.4. RESULTS
4.4.1. METAL LEACHING STUDY
In the acidic soil, the residual effect produced by the Zn treatments applied in the first
crop with respect to the amount of Zn leached (mg per lysimeter) during the second crop is
shown in Fig. 4.1. The amounts of Zn leached in the control (no Zn addition) and in the soil
treated with Zn-S,S-EDDS at a rate of 5 mg kg-1 were small. The cumulative quantity of Zn
collected in 2 L of leachate (at 60 days) from the control soil was 0.38 mg, and the quantities
54
Residual effects of natural zinc chelates on navy bean response,
zinc leaching and soil zinc status
from soils treated with Zn-S,S-EDDS were 0.53 mg (1.1% of applied Zn) and 1.61 mg (1.6%)
for rates 5 and 10 mg Zn kg-1 soil, respectively. However, in soils amended with Zn-AML, the
total amounts of leached Zn were respectively 1.67 (3.3%) and 3.17 mg (3.2%) for the two
rates, while in soil amended with Zn-PHP, they were 1.71 (3.4%) and 1.88 mg (1.9%) for the
same rates.
5.0
4.5
a
Zn leached (mg)
4.0
3.5
3.0
2.5
2.0
1.5
1.0
0.5
0.0
0.000 0.062 0.125 0.187 0.249 0.312 0.374 0.436 0.498 0.561 0.623
Pore volume
4.0
Zn leached (mg L -1)
3.5
b
3.0
2.5
2.0
1.5
1.0
0.5
0.0
0.000 0.062 0.125 0.187 0.249 0.312 0.374 0.436 0.498 0.561 0.623
Pore volume
S,S-EDDS 5
S,S-EDDS 10
PHP 5
AML 5
AML 10
Control
PHP 10
Figure 4.1. Residual effect produced by the Zn treatments [0(control), 5 and 10 mg Zn kg-1 soil as Zn-S,S-EDDS,
Zn-polyhydroxyphenylcarboxylate (Zn-PHP) and Zn-aminelignosulfonate (Zn-AML)] in acidic soil with respect to
the cumulative quantities (a, top) and concentration (b,bottom) of Zn leached. Vertical bar indicates the maximum
standard error from the means for each leachate portion.
55
Chapter 4
In the calcareous soil, the control and all the Zn treatments produced a very small
amount of leached Zn (Fig. 4.2a), with values ranging between 0.17 (0.2%) and 0.36 mg (0.7%)
and, the maximum Zn concentration being associated with the first leachate portion for all
treatments (Fig. 4.2b).
0.8
Zn leached (mg)
a
0.6
0.4
0.2
0.0
0.000 0.039 0.078 0.117 0.156 0.196 0.235 0.274 0.313 0.352 0.391
Pore volume
0.8
Zn leached (mg L -1)
b
0.6
0.4
0.2
0.0
0.000 0.039 0.078 0.117 0.156 0.196 0.235 0.274 0.313 0.352 0.391
Pore volume
S,S-EDDS 5
S,S-EDDS 10
PHP 5
AML 5
AML 10
Control
PHP 10
Figure 4.2. Residual effect produced by the Zn treatments [0(control), 5 and 10 mg Zn kg-1 soil as Zn-S,S-EDDS,
Zn-polyhydroxyphenylcarboxylate (Zn-PHP) and Zn-aminelignosulfonate (Zn-AML)] in calcareous soil with respect
to the cumulative quantities (a, top) and concentration (b,bottom) of Zn leached. Vertical bar indicates the maximum
standard error from the means for each leachate portion.
pH and redox potential (Eh) were determined for all leached portions. In the acidic soil,
the mean pH value (for all Zn treatments and the control) ranged from 6.62, for the first leached
portion, to 5.70, for the tenth, while Eh varied from 452 to 582 mV for these same portions. In
the calcareous soil, the mean pH value only ranged from 7.37 for the first leached portion to
7.66 for the tenth, while Eh varied from 432 to 483 mV for these same portions. In general, the
56
Residual effects of natural zinc chelates on navy bean response,
zinc leaching and soil zinc status
values obtained were similar in each soil for all of the lysimeters fertilized with Zn and also for
the control. Zinc complexes of natural origin did not, therefore, exhibit any variation with
respect to the control treatment. Any possible changes that the natural complexes would
produce with respect to the control would not be observed due to the fact that any leachates in
contact with the ambient atmosphere oxidation would immediately modify the redox potential.
4.4.2. POTENTIAL AVAILABILITY AND DISTRIBUTION OF ZINC
FRACTIONS IN SECOND-CROPPED SOILS
The values for the concentrations of Zn extracted from the two soils by each of the three
methods used to estimate available Zn (DTPA-TEA, DTPA-AB and Mehlich-3) at the time of
the second navy bean harvest are shown in Table 4.2.
Table 4.2. Residual effect of Zn fertilization with 0 (control), 5 and 10 mg Zn kg-1 soil as Zn-S,S-EDDS, Znpolyhydroxyphenylcarboxylate (Zn-PHP) and Zn-aminelignosulfonate (Zn-AML)] in the extractable Zn (mg kg-1) in
soils at the time of the second navy bean harvest.
Zn-S,S-EDDS
Extraction Method
Zn-PHP
Zn-AML
Control
rate 5
rate 10
rate 5
rate 10
rate 5
rate 10
Acidic soil
DTPA-TEA
0.56a
4.95b
7.70c
5.24b
8.33c
8.51c
10.15d
DTPA-AB
0.68a
6.10b
9.80c
6.15b
9.83c
9.15c
12.35d
M-3
1.55a
6.80b
10.70c
8.15b
11.77cd
10.95c
13.85d
DTPA-TEA
0.33a
2.12b
2.68b
2.10b
5.44c
3.12b
4.49c
DTPA-AB
0.38a
2.43b
3.06b
2.35b
6.65c
3.92b
5.72c
M-3
1.00a
4.25b
5.45bc
4.70bc
11.10d
6.25c
9.75d
Calcareous soil
Values within a row were compared using a Duncan multiple range test at the 95 % level. Homogeneous groups are
denoted with the same letter.
In the acidic soil, the available Zn concentrations in the control soil for the three
extraction methods were near what constitute critical levels for most plants (Lindsay and
Norvell, 1978; Soltanpour, 1991; Tran and Simard, 1993). The concentrations obtained for all
Zn treatments (applied only in the first crop) were higher than those in the control and ranged
between 4.4 and 18.2 times the control values, while significant differences were found between
fertilizer treatments (P < 0.0001). The treatments that produced the smallest quantities of
available Zn were Zn-S,S-EDDS and Zn-PHP sources applied at a rate of 5 mg Zn kg−1. In
contrast, the treatment that produced the largest quantities of available Zn for subsequent crops
was the Zn-AML source applied at a rate of 10 mg Zn kg−1. The lower rate of this source
produced similar quantities of available Zn to the higher rate of the other two Zn sources.
In the calcareous soil, the available Zn concentrations in the control soil were lower
than those reported as critical for most plants in calcareous soils. However, the concentrations
obtained for all of the Zn treatments were higher than these critical levels (between 4.2 and 17.5
times greater than the control values), although not all treatments behaved in the same way. The
57
Chapter 4
10mg Zn kg−1 application rate of both the Zn-PHP and Zn-AML chelates produced the largest
quantities of available Zn for subsequent crops.
The distribution of Zn fractions in both of the second-cropped soils at the time of the
second navy bean harvest are shown in Fig. 4.3. In the acidic soil, the Zn concentrations (mg
kg−1) in the fractions of the control treatment decreased in the following order: CFeO (2.50),
OM (2.20), OC (1.89), RES (1.64), AMC (1.12), RMO (0.45) and WSEX (0.17). Zinc
concentration values were examined for each fraction using multifactor variance analysis to
determine the main effects of fertilizer treatments and repetition. Significant differences were
found between treatments (P values ranged between 0.0001 and 0.05) in the WSEX, OC, RMO,
and CFeO fractions. The Zn fertilizers generally produced a significant increase in the Zn
content in fractions such as WSEX (from 17.3% to 31.2% of applied Zn) and OC (from 36.2%
to 78.8%), which could be considered very important for the Zn nutrition of any subsequent
crop. The biggest Zn concentrations in the most labile fraction (WSEX) were associated with
Zn-AML followed by applications of Zn-PHP fertilizer, both at a rate of 10 mg Zn kg−1
(respectively, 17.2 and 13.3 times greater than in the control soil). Zn-S,S-EDDS was the source
associated with the smallest amounts of Zn in this fraction (7.0 and 10.8 times greater than in
the control soil for application rates of 5 and 10 mg kg−1, respectively).
In the calcareous soil, the Zn concentrations (mg kg−1) in the fractions of the control
treatment decreased in the following order: RES (21.05), CFeO (10.63), OC (3.40), AMC
(2.90), OM (2.35), CAR (1.38), RMO (0.28) and WSEX (0.18). Significant differences were
found between treatments in all Zn fractions (with similar probability levels to those for acidic
soil). The Zn fertilizers generally produced a significant increase in Zn content in the first three
fractions: WSEX (from 0.2% to 2.2% of applied Zn), CAR (from 7.5% to 38.7%) and OC (from
7.0% to 79.0%) of the second-cropped soil. The biggest Zn concentrations in the WSEX
fraction were associated with Zn-AML (2.2 times greater than in the control soil for the
application rate of 10 mg Zn kg−1). Zn-PHP was the source associated with the smallest amount
of Zn in this fraction (only 1.1 times greater than in the control soil for the application rate of 10
mg Zn kg−1).
58
Residual effects of natural zinc chelates on navy bean response,
zinc leaching and soil zinc status
Acidic soil
Zn concentration (mg kg -1 soil)
70
DTPA-TEA
60
RES
50
CFeO
40
AMC
30
OM
20
RMO
10
OC
WSEX
0
C
tro
on
l
Zn
SS,
ED
D
S
5
Zn
E
SS,
D
D
S
10
Zn
PH
P
5
Zn
PH
P
10
Zn
AM
L
5
Zn
AM
L
10
Treatment
Calcareous soil
Zn concentration (mg kg -1 soil)
70
DTPA-TEA
60
RES
50
CFeO
AMC
40
OM
30
RMO
20
OC
10
CAR
WSEX
0
C
tro
on
l
Zn
SS,
ED
D
S
5
Zn
SS,
ED
D
S
10
Zn
H
-P
P
5
Zn
PH
P
10
Zn
M
-A
L
5
Zn
AM
L
10
Treatment
Fig. 4.3. Distribution of Zn fractions and DTPA-TEA extractable Zn in second-cropped soils (acidic and calcareous)
at the time of the second navy bean harvest. Vertical bar indicates the standard error from the mean of the total Zn
59
Chapter 4
pH and redox potential (Eh) parameters were determined in both of the second-cropped
soils at two crop times: after 30 and 60 days (end of the experiment) for all treatments. In the
acidic soil, the Duncan’s separation of averages method established that the pH increased with
time (P < 0.0001) in the course of crop development (from 5.84 to 6.52), while Eh significantly
diminished (P < 0.0001; from 621 to 572 mV). In the calcareous soil, both parameters
significantly diminished with time in the course of crop development (P < 0.0001; from 7.73 to
7.34 for pH, and from 519 to 477 mV for Eh).
4.4.3. NAVY BEAN RESPONSE TO ZINC FERTILIZATION
The residual effect of Zn fertilizer treatments on navy bean dry matter yield and Zn
concentration (soluble and total) in second harvest plants is shown in Table 4.3. The
concentrations of soluble Zn in fresh matter from leaves for all Zn treatments were greater in
acidic soil than in calcareous soil. In the acidic soil, the high rate of Zn-AML chelate application
was associated with the highest concentration in fresh matter (5.44 mg Zn kg−1). However, in
the calcareous soil the highest concentration (3.62 mg Zn kg−1) was associated with the ZnS,SEDDS source applied at the high rate.
Table 4.3. Residual effect of Zn fertilization with 0 (control), 5 and 10 mg Zn kg−1 soil as Zn-S,S-EDDS, Znpolyhydroxyphenylcarboxylate (Zn-PHP) and Zn-aminelignosulfonate (Zn-AML)] in the extractable Zn (mg kg-1) in
the response of the second navy bean crop.
Zn-S,S-EDDS
Extraction Method
Zn-PHP
Zn-AML
Control
rate 5
rate 10
rate 5
rate 10
rate 5
rate 10
2.31ab
3.28bc
2.07a
3.08a-c
3.96c
5.44d
Acidic soil
Soluble Zn conc. FM
(mg kg-1)
Dry matter yield
(g per lysimeter)
Total Zn conc. DM
(mg kg-1)
Soluble Zn conc. DM
(mg kg-1)
2.02a
14.4a
27.9a
17.2a
18.8b
103b
37.6b
20.2b
201d
54.5c
18.0b
118bc
38.5b
17.8b
234e
58.0c
26.3c
128c
51.1c
25.4c
269.3f
94.7d
Calcareous soil
Soluble Zn conc. FM
1.92a
2.92d
3.62e
2.61cd
2.08ab
2.39bc
2.34bc
(mg kg-1)
Dry matter yield
15.2a
25.6b
30.8c
27.6b
30.5c
25.6b
27.5b
(g per lysimeter)
Total Zn conc. DM
19.9ab
26.3d
26.5d
18.1a
19.4ab
21.6bc
24.0cd
(mg kg-1)
Soluble Zn conc. DM
15.1a
19.5bc
22.0c
15.0a
14.5a
17.3ab
18.2a-c
(mg kg-1)
Values within a row were compared using a Duncan multiple range test at the 95 % level. Homogeneous groups are
denoted with the same letter.
FM, fresh matter of leaves, DM, dry matter of whole shoots.
In the acidic soil, all fertilizer treatments produced increases in dry matter yield and Zn
concentration in plant dry matter with respect to the control. For both parameters, the highest
increase was produced by the Zn-AML chelate. With respect to the control treatment, the high
60
Residual effects of natural zinc chelates on navy bean response,
zinc leaching and soil zinc status
application rate of this source increased both dry matter yield (11.0 g per lysimeter) and Zn
concentration (241 mg Zn kg−1 DM). For all the Zn treatments, the values of Zn concentration in
plant dry mater, were greater than that cited by McDonald et al. (1981) as the amount of Zn
required by plants used for animal fodder (50 mg kg−1). However, there were no significant
differences among the application rates of each Zn source with respect to dry matter yield.
In the calcareous soil, all the Zn treatments applied in the first crop increased dry matter
yield in the second crop, and increasing the application rate of each Zn source produced an
increase in dry matter yield, except for the Zn-AML source. It was noticeable that the control
exhibited Zn tissue concentrations of almost 20 mg kg−1, which is cited by some authors
(Alloway, 2008; Jones, 2001) as the critical concentration for dried whole shoots of navy beans.
However, only direct application to the soil of the Zn-S,S-EDDS chelate (at both rates) and ZnAML chelate (at the high rate) increased Zn concentrations in plant dry matter. Even so, at the
very most, this increase amounted to about 7 mg Zn kg−1. All treatments therefore produced Zn
concentrations of less than 50 mg Zn kg−1 and none of the treatments improved the nutritional
value of the second navy bean harvest.
4.5. DISCUSSION
4.5.1. METAL LEACHING STUDY
The application of organic Zn complexes to the soil produced different cumulative
quantities of collected Zn in the leachates. These quantities depended on the Zn source used, the
soil type and the length of time after Zn was last applied.
In previous papers (see Gonzalez et al., 2007, 2008a, b), only the Zn-S,S-EDDS chelate
produced a significant amounts of total leached Zn for both soils in the first crop. These
amounts were higher in calcareous soil than in acidic soil, despite calcareous soil presenting
some physical and chemical characteristics that favoured the retention of Zn (its alkaline pH,
high smectite clay and free carbonate content), this soil was more permeable than acidic soil
(see Table 4.1).
In contrast, in the second crop (see Figs. 4.1 and 4.2), leaching was greater in the acidic
soil than in the calcareous soil. In the acidic soil, the homogenization of the soils after the first
harvest produced a redistribution of micronutrient throughout the soil, which favoured Zn
leaching of the less mobile sources (Zn-AML and Zn-PHP) and facilitate the lixiviation of the
Zn applied as Zn-S,S-EDDS, at a rate of 10 mg kg−1, that was not leached in the first crop year.
According to Hauser et al. (2005) and Luo et al. (2006), the Zn-S,S-EDDS chelate would also
have biodegraded in the soil with its Zn being retained by soil components. This could also
explain the smaller amounts of Zn leached in the second crop, particularly at the lowest Zn rate.
Furthermore, leached Zn from the Zn-AML and Zn-PHP sources showed maximum Zn
concentrations between the fifth and seventh leachate portions (see Fig. 4.1b), i.e. with in the
1,000–1,400 mL interval of leached volumes (0.312 and 0.436 pore volumes, respectively).
After that, Zn was retained by the soil and Zn leaching was limited. This could be explained by
61
Chapter 4
recovery of the soil structure (Duchaufour, 1987) after these portions had been leached, as
reported by Alvarez et al. (2001) for a similar soil in a column experiment.
In the calcareous soil, the change in the total amount of leached Zn from the first to the
second crop could be explained by losses of Zn from the soil during the first crop year and,
according to Lu et al. (2005), Ma and Uren (1998) and Obrador et al. (2002), by the aging
effect that changes Zn from labile pools to more residual pools.
The amount of Zn estimated to be easily leachable was determined by the BaCl2
extraction procedure, after the first harvest. Estimated amounts of easily leachable Zn were
much greater than the amount of Zn actually leached during the second crop year in the control
and in all the Zn treatments involving both soils (Fig. 4.4). In this study with Zn chelates of
natural origin, the amount of Zn estimated as being easily leachable and the amount of Zn
actually leached did not correlate by linear regression analysis, although the experimental
conditions did favour Zn leaching, because a sufficient number of irrigations were performed in
order to collect ten leachate portions (each of 200 mL). These results indicated that this
extraction (Schultz et al., 2004) was not appropriate for predicting Zn leaching in subsequent
crops to which natural chelates with limited mobility were applied.
80
Acidic soil
Calcareous soil
Amount of Zn (mg)
70
60
Easily leachable Zn
Leached Zn
50
40
30
20
10
C
Zn
on
-S
tro
,S
l
-E
Zn
D
-S
D
S
,S
5
-E
D
D
S
10
Zn
-P
H
P
Zn
5
-P
H
P
10
Zn
-A
M
L
Zn
5
-A
M
L
10
C
Zn
on
-S
tro
,S
l
-E
Zn
D
-S
D
S
,S
5
-E
D
D
S
10
Zn
-P
H
P
Zn
5
-P
H
P
10
Zn
-A
M
L
Zn
5
-A
M
L
10
0
Treatment
Fig. 4.4. Amounts of easily leachable Zn after the first harvest and Zn really leached during the second crop
year in the control and in all the treatments involving both soils. Vertical bar at each of the data points
represents the standard error from the mean.
62
Residual effects of natural zinc chelates on navy bean response,
zinc leaching and soil zinc status
4.5.2. POTENTIAL AVAILABILITY AND DISTRIBUTION OF ZINC
FRACTIONS IN SECOND-CROPPED SOILS
DTPA-TEA-extractable Zn in the control soils slightly decreased in the second crop
with respect to the original soils (see Tables 4.1 and 4.2). For both soils and crop years, the
order (from highest to lowest) of available Zn concentrations extracted using the three different
methods (mean values for all repetitions and fertilizer treatments) were: Mehlich-3, DTPA-AB
and DTPA-TEA. It is also interesting to note that in soils fertilized with the higher rate of the
Zn-S,S-EDDS chelate, as in the control treatments, the available Zn slightly decreased during
the second crop year. In contrast, in both soils fertilized with the Zn-PHP and Zn-AML chelates,
the available Zn increased during the same period. This could have been due to the fact that the
Zn-S,S-EDDS chelate is biodegraded in the soil and that the aging effect produced a reduction
in the availability of Zn. According to Nörtemann (2005), the aminopolycarboxylate chelating
agents (e.g. EDDS) generally form complexes with relatively low or moderately high stability
constants which are readily degradable. However, the Zn-PHP and Zn-AML chelates are
immobile sources of Zn and they did not exhibit any significant leaching during the first crop
year and therefore were not lost and were able to provide available Zn to the second crop. For a
typical inorganic Zn fertilizer, such as ZnSO4, a rapid decline in DTPA extractable Zn has been
reported during the first year after application (Boawn, 1974). In contrast, in our study, Zn-PHP
and Zn-AML organic fertilizers of natural origin exhibited the opposite behaviour, since
available Zn slightly increased during the second crop year.
The distribution of Zn fractions depended on the soil type and fertilizer treatments
applied (see Fig. 4.3). It is interesting to note that during the second crop on the acidic soil only
Zn-AML at application rates of 5 and 10 mg kg−1 and Zn-PHP at the lower application rate
produced an increase in Zn content in the WSEX and OC fractions. However, in the calcareous
soil the Zn content in the WSEX decreased from the first to the second crop in all the fertilized
soil as well as in the control soil. In contrast, the Zn content in the CAR fraction increased and
the greatest increase was associated with the Zn-AML and Zn-PHP sources at both application
rates. These sources also produced a greater increase in the OC fraction. This confirms that Zn
added to soils (in various forms) was slowly transferred from labile fractions (such as WSEX) to
more residual fractions (such as CAR and OC) and that this aging effect was more important in
the calcareous soil than in the acidic soil. Following an incubation experiment in calcareous
soils involving the addition of ZnCl2, Jalali and Khanlari (2008) observed that the metal
content associated with the most weakly bound fraction tended to decrease, while there were
corresponding increases in other more strongly bound fractions during incubation. Xiang et al.
(1995), also observed a more rapid transformation of labile fractions to more stable Zn fractions
in calcareous than in acidic and neutral soils.
According to Ure (1995), the extractants DTPA and EDTA could be used to extract
elements from: water soluble, exchangeable, sorbed and organically bound pools and also from
bound pools occluded in oxides and secondary clay minerals. This could possibly explain why,
despite the observed decrease in WSEX fraction in the calcareous soil in all the Zn fertilizer
treatments and in the control soil, available Zn generally increased in soils fertilized with the
Zn-PHP and Zn-AML chelates.
63
Chapter 4
It is also interesting that there were positive and highly significant correlations between
the three methods used to estimate available Zn (r ranged from 0.95 to 0.99; P < 0.0001). This
seems to suggest that they could be used in a similar way to predict the availability of Zn for
plants. The amount of soil-extractable Zn for three DTPA-TEA and DTPA-AB extractions was
also positively correlated with Zn concentration in the WSEX and RMO extracted fractions (r
ranged from 0.90 to 0.92; P < 0.0001). Furthermore, Zn concentrations in the WSEX and RMO
fractions were negatively correlated with the Zn concentrations in the most residual forms
(AMC, CFeO and RES fractions; r ranged from -0.73 to -0.81; P ranged from < 0.05 to < 0.001)
which were also intercorrelated.
In this experiment, the evolution of the pH and Eh parameters in soils was not clearly
related to the source of Zn used and was probably influenced by the amount of water drained
and the urea added as basal fertilization. According to Haynes and Swift (1987) and Barak et al.
(1997), the urea added to the soil produces ammonium and consumes protons in the first phase,
this increases the soil pH, and the subsequent nitrification of NH4+ cations produces
acidification of the soil due to the production of protons. This last process is slow in acidic soils
and this would explain the increase in pH of 0.7 observed in the acidic soil in this experiment.
As the NH4+ cations produced are very soluble in soils (Malhi et al., 2000), they can be readily
leached, causing an appreciable decrease in the pHs of leachate. The nitrification process is fast
in calcareous soils, which would explain the decrease in the pH of this soil (by 0.4). This
relatively small decrease in pH, despite the great production of protons associated with the
nitrification process, was probably due to the buffer effect of the calcareous soil. This would
also explain the very limited variation observed in the pHs of the leachates.
The observed variations in Eh in the soils and leachates could have been partly due to
the washing effect of adding water to ionic species. In addition, as previously was indicated, a
slight increase in the Eh of leachates could be due to the ambient atmosphere oxidation. In our
study, the evolution over time of each pH and Eh parameter showed opposite behaviour for soils
and leachates. At the end of the experiment, the pH and Eh parameters of the two soils jointly
correlated with those determined for the leachates (P < 0.0001). Values of soil pH and Eh
corresponded to normal (oxic) soils [pH+pe > 14, Patrick et al. (1996)]; however acidic soil
exhibited more oxidant conditions than calcareous soil. The experimental conditions associated
with the crop produced a decrease in the oxidant status of both soils.
4.5.3. NAVY BEAN RESPONSE TO ZINC FERTILIZATION
The Zn uptake varied with soil type and fertilizer treatment. In the acidic soil, the ZnAML produced the highest levels of Zn uptake, with respective increases for the 5 and 10 mg
Zn kg−1 rates of 2.97 and 6.44 mg Zn per lysimeter with respect to the control treatment. The
other two Zn fertilizers provided similar increases in Zn uptake which ranged from 1.55 to 3.76
mg Zn per lysimeter for the same Zn application rates. In the calcareous soil, however, there
were only small differences in Zn uptake by plants between the control treatment and all the
other Zn treatments and the increases ranged from 0.20 for the 5 mg Zn kg−1 rate of Zn-PHP to
0.51 mg Zn per lysimeter for the 10 mg Zn kg−1 rate of Zn-S,S-EDDS. It is interesting to note
that an increase in the rate of fertilizer application (from 5 to 10 mg Zn kg−1) produced an
increase in Zn uptake, although this increase was much smaller in calcareous soil.
For each soil, multifactor variance analysis showed that the crop year significantly
influenced the Zn uptake by navy bean plants. For all the fertilized soils, both dry matter yield
64
Residual effects of natural zinc chelates on navy bean response,
zinc leaching and soil zinc status
and Zn concentration in the navy bean crop decreased from the first (see Gonzalez et al. 2007,
2008a, b) to the second harvest (in both soils P < 0.0001). Furthermore significant interactions
were obtained between crop-year and treatment factors (P < 0.01). In the acidic soil, the Zn-S,SEDDS chelate produced the greatest decrease in Zn uptake (with decreases for the 5 and 10 mg
Zn kg−1 rates of 1.50 and 2.04 mg Zn per lysimeter, respectively). In the calcareous soil,
however, the greatest decreases occurred with the high application rates of the Zn-S-SEDDS
(0.48 mg Zn per lysimeter) and Zn-AML (0.73 mg Zn per lysimeter).
The observed behaviour of the S,S-EDDS chelate was probably due to the greater
mobility, which produced greater losses of Zn due to leaching than the Zn-PHP and Zn-AML
chelates. The homogenization of the soil before the second harvest may have redistributed Zn
throughout the soil, thereby improving the interception of Zn by plant roots. This could also
have made Zn from less mobile sources more accessible to plants (e.g. Zn-PHP and Zn-AML
sources). However, the aging effect reduced the Zn uptake from all Zn chelates in the second
harvest and new applications of all Zn fertilizers would therefore probably be required each year
to prevent Zn deficiencies in calcareous soil. In the acidic soils, however, new applications of
Zn fertilizers would not be necessary for successive crops for several years. These results also
indicate that calcareous soil, which had a free carbonate content, higher pH and greater clay
content than the acidic soil, suffered a more pronounced aging effect.
In addition, the amounts of Zn removed by crop uptake and leaching during the first
harvest were therefore significant in some cases and could partially explain the variations
observed in the availability, leaching and uptake of Zn by plants in the second harvest. In this
second crop year, Zn mass balances were performed considering the amounts of total Zn
initially present in soils and recovered from the leachates (see Figs. 4.1 and 4.2) and plants (see
Table 4.3), and total Zn in soils after crop (see Fig. 4.3). In the acidic soil, the Zn percentages
recovered ranged from 101% for the control treatment to 106% for the 10 mg Zn kg−1 rate of
Zn-AML, and in the calcareous soil, they ranged from 98% for the control treatment to 103%
for the 5 mg Zn kg−1 rate of Zn-PHP. Therefore, in the second crop year the mass balance
showed percentages of recovered Zn of around 100%, as also occurred in the first crop year
(Gonzalez et al., 2007, 2008a, b).
Significant correlations and positive coefficients were observed between Zn uptake and
the WSEX and RMO Zn fractions (P < 0.0001, n=14). It is interesting to highlight the
relationship between the Zn uptake by the plant and the more labile Zn fraction:
Zn-uptake = -0.02 + 2.00 × Zn-WSEX
(R2 = 0.96)
In our study, it was therefore possible to predict the Zn uptake by the navy bean crop
with a significant level of accuracy by determining the water soluble plus exchangeable fraction
in the soil at the moment of the harvest. High correlations were also obtained between Zn
uptake and DTPA-TEA-, DTPA-AB- and Mehlich-3-extractable Zn (with respective
65
Chapter 4
probabilities of less than 0.0001, 0.0001 and 0.01). Soluble Zn, in both dry and fresh matter and
total Zn concentration in plant dry matter showed similar tendencies in the correlations that the
previously presented for the Zn uptake. However correlations for soluble Zn in fresh matter
exhibited a lower degree of significance or even showed P > 0.05.
In this experiment, the relationship between total Zn concentration and soluble Zn
concentration (extracted with reactive MES) from dry matter could the expressed by the
equations:
Total-Zn = -34.47 + 3.63 × Soluble-Zn
(R2 = 0.93; P < 0.0001)
Therefore, the Zn soluble MES in dried whole shoots of navy bean could be used to
estimate the nutritional state of plants with respect to this microelement.
In conclusion, this study showed that Zn source and soil characteristics have a great
influence on the residual effect of Zn fertilization. The residual effect after 2 years of natural Zn
chelates depended on the aging effect and also on Zn losses. The aging effect was greater in
calcareous than in acidic soils. In both soils, there were significant decreases from the first to the
second crop for the three natural organic Zn chelates in terms of total leached Zn, Zn
concentration in the most labile fraction (WSEX) and total Zn uptake by plants. This effect was
greater for the Zn-S, S-EDDS chelate than for the Zn-AML and Zn-PHP sources. In the second
crop grown in calcareous soil, there was no significant lixiviation of micronutrient. However,
the three Zn sources applied to the acidic soil were associated with Zn leaching (although in
amounts of less than 3.5% of total Zn applied), with the Zn-S,S-EDDS being the source that
produced the lowest level of Zn leaching. In the acidic soil, the Zn-AML treatments produced
the highest levels of Zn uptake, and similar levels were taken up by navy bean plants for the
three treatments in the calcareous soil. New applications of Zn would be necessary to prevent
Zn deficiencies in the navy bean plants of a subsequent crop grown in a calcareous soil. For a
crop grown in an acidic soil, it would not be necessary to apply a new Zn treatment. It is
necessary to conduct further studies into the residual effect over a longer period. According to
the findings of other researches (Boawn, 1974; Brennan, 2001), inorganic Zn sources such as
ZnO or ZnSO4 have a greater residual effect in calcareous soils than the natural sources of
organic Zn chelates used in this experiment.
66
Chapter 5
Navy bean response to residual
effects of soil fertilization with
synthetic zinc chelates and zinc
leaching
5. Navy bean response to residual
effects of soil fertilization with
synthetic zinc chelates and zinc
leaching
Adapted from: Alvarez JM, Almendros P, Obrador A. 2010.
Navy Bean response to residual effects of soil fertilization with synthetic zinc chelates.
Soil Sci Soc Am J 74, 1228-1238
5.1. ABSTRACT
The aim of this study was to determine the residual effects of Zn applied from five
synthetic commercial chelates (Zn-ethylenediaminetetraacetate [EDTA]-hydroxyethylethylenediaminetriacetate [HEDTA], Zn-HEDTA, Zn-diethylenetriaminepentaacetate [DTPA]HEDTA-EDTA [Zn-D-H-E], Zn-EDTA, and Zn-ehtylenediaminedihydroxysulfophenylacetate
[EDDHSA]) to two soils: Soil 1 (weakly acidic, with moderate permeability) and Soil 2
(calcareous, with moderate to rapid permeability), in a greenhouse experiment. Beneficial
effects of Zn on navy bean (Phaseolus vulgaris L.) response (dry matter yield, total and soluble
Zn concentration, and the utilization of applied Zn) were observed, with significant increases in
all of the determined plant parameters, especially in Soil 1, in comparison with the control (no
Zn addition). The rates of increase varied among sources depending on the soil. For Soil 1, the
greatest increases were usually observed for the Zn-HEDTA fertilizer, while for Soil 2 the
greatest increases were exhibited for the Zn-D-H-E and Zn-EDTA sources. The fertilizers that
produced the biggest total Zn leaching losses were the three sources that contained EDTA and
DTPA, especially in the case of Soil 2. The amounts of easily leachable Zn (estimated using the
dilute BaCl2 extraction) were significantly correlated with the amounts of Zn actually leached.
The amounts of potentially available Zn and Zn in the water-soluble-plus-exchangeable fraction
(as assessed by single and sequential extractions) generally decreased in the second cropping
year; this could have been due mainly to Zn leaching and to aging processes, especially in Soil
2.
5.2. INTRODUCTION
Plants are known to differ in their susceptibility to a mineral deficiency, e.g., common
bean is generally susceptible to soil Zn deficiency (Ibrikei and Moraghan, 1993; Moraghan and
Grafton, 1999); furthermore, navy bean cultivars tend to be more susceptible to Zn-deficient
soils than other types of common bean (Gelin et al., 2007). Certain soil conditions, such as high
68
Navy bean response to residual effects of soil fertilization with
synthetic zinc chelates and zinc leaching
pH, poor aeration, low organic matter content, high clay content, and P supply are known to
promote Zn deficiency (Rashid and Ryan, 2004). Such soils therefore need Zn supplements.
There are numerous commercially available Zn fertilizers, varying in price, elemental
composition, solubility, and formulation. Inorganic sources (mainly ZnSO4) have been
traditionally used as Zn fertilizers, but organic Zn sources such as synthetic chelates and natural
organic complexes are also commonly used (Martens and Westerman, 1991; Gangloff et al.,
2002). Various studies have reported that synthetic Zn chelates are the most effective sources of
organic Zn for certain crops in calcareous soils (Obrador et al., 2003; Gonzalez et al., 2007). In
acidic soils, however, various organic Zn fertilizers of natural origin, e.g., Zn-lignosulfonate,
Zn-ethylenediaminedisuccinate, and Zn-aminelignosulfonate, presented similar levels of
effectiveness as synthetic sources (Lopez-Valdivia et al., 2002; Gonzalez et al., 2008a,b).
Moreover, various researchers (Alvarez, 2007) have also reported that the Zn source and soil
characteristics influenced the downward movement of fertilizer Zn in the soil. Li and Shuman
(1997) reported that metal movement and leaching with soluble organic compounds in soil
columns may represent a long-term process under natural field conditions. Taking into account
the fact that Zn can be toxic to plants and animals in high concentrations and can constitute a
potential soil contaminant (Catlett et al., 2002; He et al., 2006), according to the type of soil in
question, some Zn sources may be more appropriate than others for reducing the transport of the
metal from land to water. Management should aim to supply fertilizers that are appropriate for
crop demands and can be applied in ways that minimize losses and maximize the efficiency of
use (Timsina and Connor, 2001).
The total Zn content of a soil provides little information about the mobility and
availability of the metal. Single and sequential extraction schemes have been developed with the
aim of assessing trace-element availability to plants and studying the environmental
accessibility of metals in soils (Sposito et al., 1982; D’Amore et al., 2005). Plant-available Zn in
soil consists of mobile fractions that are readily taken up by plants. In recent decades, a large
number of single extraction methods have been proposed for determining “plant-available”
metals in soils, focusing on chelating agents, neutral salts, and dilute acids (Ure, 1995; Jones,
2001). Chemical sequential extraction techniques have been widely applied in soils to separate
metals into operationally defined geochemical fractions. The water-soluble and exchangeable
fractions are considered to be the most potentially bioavailable forms of metals, while the
residual fraction is considered immobile and strongly bound and is not expected to be released
under natural conditions (Shuman, 1985). Fractions bound to carbonate, Fe-Mn oxides, and
organic matter could be considered relatively active according to the physicochemical properties
of the soils (Lu et al., 2005).
Wherever micronutrient deficiencies occur in soils, accurate information is required on
the length of time that applied nutrients remain effective in meeting crop needs. According to
Gupta and Kalra (2006), it would be desirable to provide information about the potential
residual effects of micronutrient fertilization. Besides productivity and the nutritional quality of
the crop, other factors such as the residual effect of each source should also be considered when
choosing Zn fertilizers, even for similar soils. After using Zn fertilizers, the activity and
extractability of the water-soluble Zn added to soils slowly but continuously decreases and Zn
gradually changes to more stable forms through slow reactions with soil constituents (Barrow,
1986; Shuman, 1991).
69
Chapter 5
An abundance of data supports the theory that metal availability often decreases with
time because of aging processes. It is still difficult, however, to assess the rate and extent of
metal aging because several different environmental parameters seem to simultaneously affect
aging processes. Soil moisture content, repeated drying and rewetting cycles, temperature, and
pH may all have an influence on the rate of the aging process, but pH seems to be the most
important factor for determining the extent of the influence that aging has on metal availability
(Lock and Janssen, 2003). Furthermore, most of the studies about the residual effects of Zn
have been performed using sewage sludge, due to the relationship between their residual effect
and potential pollution (Obrador et al., 1997; McBride et al., 2000), or using inorganic Zn
fertilizers (oxides, sulfates, oxisulfates, and other Zn salts) because, as with most crops, the
traditional way to correct Zn deficiencies in soils is to apply these fertilizers (Ma and Uren,
1997b; Brennan, 2001; Brennan and Bolland, 2006, 2007). In various countries, fertilizers
containing Zn complexes or synthetic chelates are currently being added to soils to correct Zn
deficiencies (Alloway, 2008b). There is a general lack of knowledge and awareness of the
potential residual effects of adding Zn to soil from organic Zn sources such as synthetic
chelates.
In relation to what has been previously outlined, it was expected that the various
chelating agents would have different residual effects on subsequent crops and moreover that
these effects would depend on the type of soil in question. To verify this hypothesis, a
greenhouse experiment was designed in which five Zn sources of synthetic origin were applied
to a first navy bean crop in acidic and calcareous soils in which a second crop was later
cultivated. The operational objectives were to study (i) the effectiveness of five synthetic Zn
fertilizers on navy bean dry matter yield and Zn uptake, (ii) the mobility and leaching of the
applied Zn, and (iii) the potential availability and chemical fractions of soil-applied Zn.
5.3. MATERIALS AND METHODS
5.3.1. ORIGINAL SOIL CHARACTERIZATION
The original soils were from two different rural areas of Spain (Soil 1: 40°21˝ N, 4°0˝
W; Soil 2: 40°39˝ N, 3°20˝ W). Surface soil was taken from the Ap horizon (0-26 cm in Soil 1
and 0-20 cm in Soil 2), air dried, and ground to < 2 mm. These soils were characterized in a
previous work, using standard analytical determinations (Gonzalez et al., 2008b). Soil 1 was
classified as a Typic Haploxeralf and Soil 2 as a Typic Calcixerept (Soil Survey Staff, 2006).
The general soil properties, based on means from three replicates, are reported in Table 5.1.
Both were soils commonly used to cultivate cereals and characterized by their low organic
matter contents. Soil 1 was acidic (or weakly acidic), while, in contrast, Soil 2 was calcareous
with significant free CaCO3 content. The clay content was higher in the calcareous soil, and an
x-ray diffraction technique (Schultz, 1964) showed that the predominant clay in the acidic soil
was illite and that in the calcareous soil it was smectite. The total Zn concentration was higher
in Soil 2 (43.40 mg kg-1) than in Soil 1 (9.21 mg kg-1), while the DTPA-triethanolamine (TEA)extractable Zn was higher in Soil 1 (0.73 mg kg-1) than in Soil 2 (0.44 mg kg-1).
Table 5.1. Selected properties of the original soils
70
Navy bean response to residual effects of soil fertilization with
synthetic zinc chelates and zinc leaching
(1)
(2)
Soil properties(1)
Soil 1
Soil 2
Clay (g kg-1)
Texture (USDA)
Bulk density (g cm-3)
WHC (33 kPa) (g H2O 100 g-1 soil)
Permeability
pH w (1:2,5)
EC (µS cm-1)
Extractable P (mg kg-1)
Organic mater (g kg-1)
N (g kg-1)
Total CaCO3 (g kg-1)
Free CaCO3 (g kg-1)
CEC (cmolc kg-1)
Fe (mg kg-1) (active Fe2O3)
100 ± 6(2)
sandy loam
1.47 ± 0.03
6.60 ± 0.21
moderate
6.13 ± 0.09
37.2 ± 1.6
19.89 ± 0.29
2.35 ± 0.13
1.02 ± 0.11
--4.72 ± 0.12
141 ± 2
180 ± 5
loamy sand
1.06 ± 0.02
20.5 ± 0.7
moderate to rapid
8.13 ± 0.03
178 ± 7
12.58 ± 0.48
5.10 ± 0.23
1.10 ± 0.05
134 ± 6
33.4 ± 1.9
23.5 ± 1.0
56.0 ± 1.1
WHC, water-holding capacity; EC, electrical conductivity; CEC, cation exchange capacity.
Standard deviation.
5.3.2. GREENHOUSE EXPERIMENTS
5.3.2.A. SOIL PREPARATION
To evaluate the influence of Zn source and application rate on the residual effects of Zn
fertilization, the soils used in this study were soils coming from an experiment performed the
previous year that had involved the original soils described above (Soils 1 and 2). This previous
experiment had consisted of growing a navy bean crop in lysimeters (Gonzalez et al., 2007,
2008a,b). The original soils were treated in the first crop year with aqueous suspensions of five
liquid fertilizers of synthetic origin: Zn-EDTA-HEDTA (77.0 g water-soluble Zn L-1, mass
density (ρ) = 1.29 g cm-3), Zn-HEDTA (88.3 g water-soluble Zn L-1, ρ = 1.26 g cm-3), Zn-D-H-E
(90.0 g water-soluble Zn L-1, ρ = 1.29 g cm-3), Zn-EDTA (100.0 g water-soluble Zn L-1, ρ = 1.38
g cm-3), and Zn-EDDHSA (45.0 g water-soluble Zn L-1, ρ = 1.26 g cm-3). These sources of Zn
are commercially produced by different companies (Liñan, 2011). For each soil, the control
(with no Zn addition) and fertilizer treatments (5 and 10 mg Zn kg-1) were replicated three times
according to a randomized complete block design and a factorial arrangement treatment
structure. After the first navy bean crop was harvested, the soil was removed from each
lysimeter. It was then manually homogenized and 9.75 kg of soil was again placed in the
polypropylene lysimeters (total number, 66; capacity, 11 L; internal diameter, 24 cm; and
height, 25 cm). A polyester mesh and a 1.5-cm-thick layer of washed gravel were placed in the
bottom of each lysimeter to facilitate drainage.
5.3.2.B. NAVY BEAN CROP
In the second year, a new navy bean crop was grown in the same lysimeters without Zn
fertilization. The nutritional condition of the soil, in terms of its N, P, and K contents, was
assessed for the crop using the electroultrafiltration technique (Wiklicky and Nemeth, 1981).
Taking previous results into account, basal fertilization was applied with 50 mg N kg-1 as
(NH2)2CO, 50 mg P kg-1 as Ca(H2PO4)2, and 50 mg K kg-1 as K2SO4. Three navy bean seeds
71
Chapter 5
(cultivar Garrafal Oro Velez Enrame, Fito S.A., Barcelona, Spain) were cultivated in each
lysimeter. The lysimeters were placed in a greenhouse in which temperatures ranged from 10 to
32°C and relative air humidity ranged from 60 to 85%. The soils were irrigated at slightly above
field capacity moisture to obtain 10 portions of leachate, each of 200 mL (Soil 1, 0.062 pore
volume; and Soil 2, 0.039 pore volume), for a total of 2000 mL. To evaluate evapotranspiration,
the containers were weighed on a balance (Model FG-30 KBM, A&D Instruments Ltd.,
Abingdon, UK) and we estimated the volume of irrigation water required. The leachates were
collected with a silicone tube leading to a polyethylene bottle.
Sixty days after seeding, samples of fresh leaves were collected between the third and
fourth leaves of the upper part of the plants. The plants were then cut at soil level, washed in
deionized water, and dried in a forced-draft oven at 65°C to a constant weight. Once weighed,
they were ground and kept in sealed containers for later analysis. Soil samples were also
collected, dried at 45°C, and stored for further analysis.
5.3.3. PLANT, LEACHATE AND SOIL ANALYSES
The total Zn concentrations in the plant dry matter (DM) and in the soil were
determined by wet acid digestion in Teflon bombs in a microwave oven (model Mars, CEM
Corp., Matthews, NC). The soluble Zn concentrations in the fresh matter (FM) and DM were
determined from young leaves and the whole aerial part of the plant, respectively, using 10-3
mol L-1 MES [2-(N-morpholino)ethanesulfonic acid] to pH 6 as the reagent (Rahimi and
Schropp, 1984; Gonzalez et al., 2008b).
The leached liquids were collected and their Zn contents were analyzed. Zinc available
to the plant was assessed by extracting it with three commonly used chemical extractants:
DTPA-TEA (Lindsay and Norvell, 1978), DTPA-ammonium bicarbonate (AB) (Soltanpour,
1991), and Mehlich 3 (Mehlich, 1984). The Zn distribution in the different soil fractions was
determined by the sequential fractionation method proposed by Krishnamurti and Naidu (2002).
The sequentially determined Zn fractions were as follows: water soluble plus exchangeable
(WSEX); carbonate bound (CAR); organically complexed (OC); easily reducible metal oxide
bound (RMO); organically bound (OM); amorphous mineral colloid bound (AMC); and
crystalline Fe oxide bound (CFeO). The residual fraction (RES) was calculated as the difference
between the total Zn and the sum of all the other fractions. All samples were extracted and
analyzed in triplicate using each of the procedures. Zinc concentrations in all extracts were
determined by flame atomic absorption spectrophotometry (PerkinElmer, AAnalyst 700,
Norwalk, CT).
5.3.4. STATISTICAL ANALYSIS
Descriptive, simple, and stepwise multiple regression analyses and other statistical
studies were made using Statgraphics-Plus 5.1 software (Manugistic, Rockville, MD).
Multifactor analyses of variance of the different parameters were performed to determine the
main effects of Zn source, Zn rate (5 and 10 mg Zn kg-1), and experimental repetition, and the
interactions between them. Due to the existence of a highly significant interaction between the
factors Zn source and Zn rate, a new multifactor analysis of variance was performed to
determine the main effects of fertilizer treatment (Zn source × Zn rate) and experimental
repetition. A least significant difference value [LSD (0.05)] was calculated for comparing all
fertilizer treatments. Orthogonal contrasts were used to compare the effects of the different Zn
72
Navy bean response to residual effects of soil fertilization with
synthetic zinc chelates and zinc leaching
sources and Zn rates in the extractable Zn concentrations in soils and in the plant parameters
(plant growth and plant Zn concentrations).
5.4. RESULTS
5.4.1. CROP RESPONSE TO RESIDUAL EFFECTS OF ZINC
FERTILIZATION
In the second cropping year, beneficial effects of Zn fertilization were observed, with
significant increases in all plant parameters with respect to the control (Tables 5.2 and 5.3). In
both soils, the application of Zn fertilizers produced a similar range of variation in soluble Zn
concentrations determined in FM from leaves, but the rates of increase varied according to the
sources, and largely depended on the soil in question. For Soil 1 the greatest increase in soluble
Zn was recorded for the Zn-HEDTA source (see Table 5.2). In contrast, for Soil 2 the greatest
increases in soluble Zn were observed when the Zn-D-H-E and Zn-EDTA sources were applied
(see Table 5.3).
Table 5.2. Response of a second navy bean crop to rates and forms of Zn-chelates applied to acidic soil (Soil 1) one
year before (Zn-D-H-E = Zn-DTPA-HEDTA-EDTA). (1)
Treatment
Control
Zn-EDTA-HEDTA
Zn-HEDTA
Zn-D-H-E
Zn-EDTA
Zn-EDDHSA
Zn rate
Soluble Zn
conc. in
FM
Dry matter
yield
Total Zn
conc. in DM
Soluble Zn
conc. in DM
mg kg-1
mg kg-1
g lysimeter-1
mg kg-1
mg kg-1
0
5
10
5
10
5
10
5
10
5
10
2.02
2.57
3.76
4.16
4.98
3.14
4.32
2.80
4.20
3.27
4.69
14.44
18.50
18.52
23.15
24.87
25.03
25.59
29.01
28.42
27.44
26.54
27.86
105.38
208.98
141.80
280.87
107.52
204.92
104.38
192.51
100.90
197.62
17.24
42.84
59.73
45.30
82.39
38.85
55.19
41.75
47.82
37.37
58.87
1.19
29.83
2.99
19.95
14.24
45.68
7.75
34.09
LSD (0.05)
CV, %
Contrasts: (2)
0 (control) vs. 5 and 10 mg kg-1 Zn rates
5 vs. 10 mg kg-1 Zn rate
Zn-HEDTA vs. other Zn treatments
-17.69**
6.01**
-102.70***
0.81
-1366.3***
524.90***
-337.68***
97.89***
7.78*
-6.94
468.49***
128.34***
(1)
Significant differences between fertilizer treatments: soluble Zn conc. in FM P < 0.001; and for the other three
parameters P < 0.0001.
(2)
Contrast values are the difference between treatment means.
*** **
, and * denote significance at 0.0001, 0.001 and 0.05 levels.
The increases in plant DM yield with respect to the control (expressed as percentages)
were similar in both soils. For Soil 1, the greatest increases in DM yield were exhibited for both
rates of application of the Zn-EDTA and Zn-EDDHSA chelates (for example, for Zn-EDTA,
101 and 97% for rates of 5 and 10 mg Zn kg-1, respectively). For Soil 2, on the other hand, they
were associated with the high Zn rate of the Zn-D-H-E source (93.5%), although this was
73
Chapter 5
similar to another Zn treatment (Zn-EDDHSA and Zn-HEDTA). In contrast, the application of
Zn fertilizers produced very different tissue Zn concentrations in the two soils.
Table 5.3. Response of fresh matter (FM) and dry matter (DM) of a second navy bean crop to rates and forms of Zn
chelates applied to a calcareous soil (Soil 2) 1 yr before (1)
Treatment
Control
Zn-EDTAHEDTA
Zn-HEDTA
Zn-D-H-E
Zn-EDTA
Zn-EDDHSA
Rate
mg kg-1
0
5
10
5
10
5
10
5
10
5
10
Soluble Zn
conc. in
FM
mg kg-1
1.92
2.69
3.15
3.00
3.36
3.30
5.15
3.37
3.67
2.51
2.76
0.76
LSD (0.05)
CV, %
27.50
Contrasts(2)
0 (control) vs. 5 and 10 mg kg-1 Zn rates
-13.79**
5 vs. 10 mg kg-1 Zn rate
3.22**
Zn-D-H-E and Zn-EDTA vs. other Zn treatments
5.77***
Dry matter
yield
Total Zn conc. in
DM
Soluble Zn conc.
in DM
g lysimeter -1
15.23
26.38
25.21
26.79
27.09
23.06
29.47
24.58
24.70
28.68
27.08
mg kg-1
19.88
26.36
35.72
26.53
32.49
36.43
49.89
32.29
42.75
25.35
25.62
mg kg-1
15.10
20.84
24.40
21.44
22.49
30.07
35.91
21.89
34.83
22.60
19.56
3.34
15.86
4.52
27.27
4.01
26.73
-110.72***
4.06
-134.67***
39.51***
-103.05***
20.35**
-8.52
69.97***
52.73***
(1)
Significant differences between fertilizer treatments for the four parameters were at P < 0.0001.
Contrast values are the difference between treatment means Significant differences
*** **
, and * denote significance at 0.0001, 0.001 and 0.05 levels.
(2)
In Soil 1, Zn fertilizer applications appreciably increased both the total and soluble Zn
concentrations, but the rates of increase varied from source to source. For this soil, the highest
Zn concentrations for both application rates were observed with the Zn-HEDTA source. For all
Zn sources, the total Zn concentration in plant DM nearly doubled as the Zn application rate
increased from 5 to 10 mg kg-1. The soluble Zn concentration also increased as the Zn
application rate increased, but at a lower rate than for total Zn. All the treatments produced total
Zn concentrations that were much greater than 50 mg kg-1, the concentration cited by some
researchers as the amount of Zn required in plants for feeding (McDonald et al., 1981). The
results therefore showed that for this soil, all the Zn application treatments were effective in
supplying Zn to a new navy bean crop 1 yr after fertilizer application.
For Soil 2, all Zn sources also produced increases in Zn tissue concentrations with
respect to the control, but the rates of increase were lower than for Soil 1. For all the Zn chelates
except Zn-EDDHSA, both the total and soluble Zn concentrations increased as Zn application
rates increased from 5 to 10 mg kg-1. All the Zn applications produced total Zn concentrations in
plant DM of > 20 mg kg-1, the concentration usually considered critical for dried whole shoots
of navy beans (Jones, 2001; Alloway, 2008b). Nevertheless, these concentrations were
significantly below 50 mg kg-1, except in the case of Zn-D-H-E applied at a rate of 10 mg Zn kg1
, which produced a Zn tissue concentration of approximately 50 mg kg-1. The Zn-EDTA source
applied at the same Zn rate also produced a high total Zn tissue concentration although it was
quite significantly less than 50 mg kg-1. Moreover, these Zn treatments also produced the
highest soluble Zn concentrations.
74
Navy bean response to residual effects of soil fertilization with
synthetic zinc chelates and zinc leaching
5.4.2. ZINC LEACHING
The total amount of leached Zn (in milligrams per lysimeter) in the second cropping
year varied for both soils and depended on the fertilizer treatment. In both control soils (no Zn
additions), the cumulative quantities of Zn recovered from 2000 mL of leachate (at 60 d) were
0.38 and 0.25 mg for Soils 1 and 2, respectively (Fig. 5.1 and 5.2).
In Soil 1, although the net loss of Zn due to leaching was low, it was significantly
higher than in the control for all the Zn treatments, except for the Zn-EDTA source applied at a
rate of 5 mg Zn kg-1. The total amount of Zn leached ranged from around 2% (for Zn-EDTA at
both rates) to 4% (for Zn-EDTA-HEDTA at both rates) with respect to the applied Zn. The Zn
concentrations in each one of the 10 collected leachates showed a generally comparable
tendency for the five fertilizers studied, with a slightly marked peak in the fifth or sixth leachate
portion [at leaching volumes of 1000 mL (0.310 pore volume) and 1200 mL (0.372 pore
volume] and low Zn concentrations in all leachates (< 4 mg L-1) (Fig. 5.3).
In Soil 2, the amount of leached Zn in treatments with Zn-EDDHSA, for both applied
Zn doses, was comparable with that leached from the control. For the other four fertilizers
studied, the total amount of leached Zn was significantly higher than the control, producing a
net loss of Zn due to leaching that ranged between 2.2% (Zn-HEDTA at a rate of 10 mg Zn kg-1)
and approximately 10% (Zn-EDTA at both rates and Zn-D-H-E at a rate of 10 mg Zn kg-1) with
respect to the total applied Zn. Except for the Zn-EDDHSA source, the Zn concentrations in the
10 collected leachates showed a generally comparable tendency, with peaks and maximum Zn
concentrations in the first two leachates (at leaching volumes of 200 mL [0.039 pore volume]
and 400 mL [0.078 pore volume]), especially in the first case. There was then a decline in
subsequent leachate portions (see Fig. 5.3). Moreover, Zn concentrations in the first leachate
varied considerably, depending on the fertilizer treatment applied; concentrations ranged from
2.2 mg L-1 for the Zn-HEDTA fertilizer applied at a rate of 5 mg Zn kg-1 to 22.3 mg L-1 for the
Zn-EDTA source applied at a rate of 10 mg Zn kg-1 (4.5% of applied Zn). It should be noted
that in this calcareous soil, the Zn-EDTA, Zn-EDTA-HEDTA, and Zn-D-H-E chelates applied
at both rates produced greater total Zn leaching than Zn-HEDTA and particularly Zn-EDDHSA
sources. In contrast, in the acidic soil (Soil 1), the total amounts of Zn leached were similar for
all Zn fertilizers, and Zn-HEDTA and Zn-EDDHSA exhibited similar levels of mobility, or
were even more mobile, than the other three synthetic chelates.
75
Chapter 5
First cropping year
15
Amount of Zn (mg)
f
Zn leached
f
Zn uptake
e
10
g
g
fg
fg
e
5
d
cd
d
d
cd
b
d
bc
a
a
ab
ab
a
a
0
Second cropping year (residual effect)
Amount of Zn (mg)
15
10
g
f
f
5
d
c b bc
bc
c
e
cd
ab
c
bc
f
e
f
de
cd
c
aa
Zn
-E
D
C
on
tro
TA
-H
l
E
Zn DT A
-H
ED 5
Zn T A
5
-D
-H
E
Zn
5
Zn ED
TA
Zn
-E ED
DH 5
D
TA
SA
-H
ED 5
T
Zn
-H A 1
0
ED
Zn T A
1
-D
-H 0
E
Zn
10
-E
Zn
D
TA
-E
D
DH 10
SA
10
0
Treatment
Fig. 5.1. Amounts of Zn leached from an acidic soil (Soil 1) and Zn uptake by plants in the first and second
cropping years with 0 (control), 5, and 10 mg Zn kg-1 soil as Zn-EDTA-HEDTA, Zn-HEDTA, Zn-DTPA-HEDTAEDTA (Zn-D-H-E), Zn-EDTA, and Zn-EDDHSA. The vertical line at each data point represents the standard
deviation of the mean. For each cropping year and parameter, Zn amounts followed by different letters are
significantly different at P ≤ 0.05 by the LSD test (Zn leached, roman letters; Zn uptake, italic letters).
76
Navy bean response to residual effects of soil fertilization with
synthetic zinc chelates and zinc leaching
First cropping year
35
30
Amount of Zn (mg)
h
i
Zn leached
Zn uptake
25
g
20
f
15
e
d
10
c
c
5
a a
b
b bc
cd b b
cd
e
e
cd
d
cd
0
Second cropping year (residual effect)
35
Amount of Zn (mg)
30
25
20
15
f
ef
e
10
d
5
a a
b b
b
bc
c
b
b-d
b-d a bc
de
cd
f
e
a b
Zn
-E
D
C
TA ontr
ol
-H
ED
T
Zn
-H A 5
ED
Zn T A
5
-D
-H
E
Zn
5
Zn ED
TA
Zn
-E ED
DH 5
D
TA
-H SA
5
E
Zn DT A
-H
ED 10
Zn T A
1
-D
-H 0
E
Zn
10
Zn ED
TA
-E
D
DH 10
SA
10
0
Treatment
Fig. 5.2. Amounts of Zn leached from a calcareous soil (Soil 2) and Zn uptake by plants in the first and second
cropping years with 0 (control), 5, and 10 mg Zn kg-1 soil as Zn-EDTA-HEDTA, Zn-HEDTA, Zn-DTPA-HEDTAEDTA (Zn-D-H-E), Zn-EDTA, and Zn-EDDHSA. The vertical line at each data point represents the standard
deviation of the mean. For each cropping year and parameter, Zn amounts followed by different letters are
significantly different at P ≤ 0.05 by the LSD test (Zn leached, roman letters; and Zn uptake, italic letters).
77
Chapter 5
Zn-EDTA-HEDTA
Zn-HEDTA
Zn-D-H-E
Zn-EDTA
Zn-EDDHSA
-1
-1
Soil 1: rate 5 mg Zn kg
Soil 1: rate 10 mg Zn kg
7
6
Zn in leachate fractions
(mg L -1)
Zn in leachate fractions
(mg L -1 )
7
5
4
3
2
1
0
6
5
4
3
2
1
0
0
200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000 2200
0
200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000 2200
Volume of leachate (mL)
Volume of leachate (mL)
-1
-1
Soil 2: rate 5 mg Zn kg
Soil 2: rate 10 mg Zn kg
35
Zn in leachate fractions
(mg L -1 )
Zn in leachate fractions
(mg L -1)
15
10
5
0
0
200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000 2200
30
25
20
15
10
5
0
0
200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 200 220
0
Volume of leachate (mL)
0
Volume of leachate (mL)
Fig. 5.3. Concentrations of Zn in 10 leachate portions vs. the volume of leachate from soils amended with 0 (control),
5, and 10 mg Zn kg-1 soil as Zn-EDTA-HEDTA, Zn-HEDTA, Zn-DTPA-HEDTA-EDTA (Zn-D-H-E), Zn-EDTA,
and Zn-EDDHSA. Vertical bars represent the LSD(0.05) values for each leachate portion.
78
Navy bean response to residual effects of soil fertilization with
synthetic zinc chelates and zinc leaching
5.4.3. POTENTIAL AVAILABILITY AND DISTRIBUTION OF ZINC IN
SOILS AT SECOND CROP HARVEST
Values for Zn extracted from each soil by each of the three methods used to estimate the
available Zn at the time of the second navy bean harvest are shown in Table 5.4. The critical Zn
concentrations in soils, according to these three methods, are as follows: 0.5 to 1.0 mg kg-1 by
DTPA-TEA extraction (Lindsay and Norvell, 1978), 1.0 to 1.5 mg kg-1 by DTPA-AB extraction
(Soltanpour, 1991), and 1.2 to 1.8 mg kg-1 by Mehlich 3 extraction (Tran and Simard, 1993).
Therefore, in Soil 1, the available Zn concentrations in the control soil were close to those
reported as critical levels for most plants. In Soil 2, the Zn concentrations in the control were
lower than those reported as critical for most plants in calcareous soils; this could have been due
to its special physicochemical characteristics. In the fertilized soils, the quantities of potentially
available Zn would be still sufficient to satisfy the requirements of most crops, although greater
amounts of available Zn were extracted from Soil 1 than from Soil 2. In both soils, the lowest
available Zn concentrations were associated with the Zn-D-H-E source applied at a rate of 5 mg
Zn kg-1. In contrast, the largest quantities of Zn available for subsequent crops were associated
with Zn-HEDTA applied at a rate of 10 mg Zn kg-1 (see Table 5.4).
Table 5.4. Diethylenetriaminepentaacetate-triethanolamine (DTPA-TEA), diethylenetriamine-pentaacetate-ammonium
bicarbonate (DTPA-AB) and Mehlich-3 (M-3) extractable Zn in soils with the application of different Zn fertilizer treatments
(mg Zn kg-1 soil). (1)
Treatment
Rate
Control
Zn-EDTA-HEDTA
0
5
10
5
10
5
10
5
10
5
10
Zn-HEDTA
Zn-D-H-E
Zn-EDTA
Zn-EDDHSA
LSD (0.05)
CV (%)
DTPA-TEA
0.56
5.30
8.95
7.20
10.90
4.19
7.70
4.60
8.05
5.30
8.50
Soil 1
DTPA-AB
0.68
6.45
10.90
8.00
12.17
5.47
9.90
5.05
8.80
5.94
9.50
M-3
1.55
8.25
12.60
10.20
14.57
6.07
10.57
6.35
10.40
6.60
10.95
DTPA-TEA
0.33
1.96
3.19
2.44
7.95
1.74
2.96
1.81
3.30
1.90
3.60
Soil 2
DTPA-AB
0.38
2.27
3.83
2.89
9.77
1.99
3.44
2.15
3.70
2.26
4.20
M-3
1.00
4.25
6.60
5.10
15.03
3.80
6.17
4.15
6.73
4.40
7.75
0.87
42.97
1.19
42.34
0.99
39.65
0.62
66.89
0.74
69.68
1.07
58.64
75.37***
20.36***
81.05***
21.61***
27.55***
11.16***
32.70***
13.37***
53.99***
20.58***
Contrasts (2)
0 (control) vs. 5 and 10 Zn rates
65.12***
5 vs. 10 Zn rates
17.51***
Contrast: Zn-HEDTA vs. other Zn treatments
19.81***
18.66***
27.28***
21.08***
26.79***
36.68***
(1)
Significant differences between fertilizer treatments for the three parameters in both soils were at P < 0.0001.
Contrast values are the difference between treatment means.
*** **
, and * denote significance at 0.0001, 0.001 and 0.05 levels.
(2)
79
Chapter 5
Zinc distributions among fractions for both soils and for the different fertilizer
treatments at the time of the second navy bean harvest are shown in Fig. 5.4. The Zn
concentrations in the different soil fractions depended on both the soil and the different fertilizer
treatments applied. In Soil 1, the Zn concentration in the fractions for the control decreased in
the following order: CFeO (2.50 mg kg-1), OM (2.20 mg kg-1), OC (1.89 mg kg-1), RES (1.63
mg kg-1), AMC (1.12 mg kg-1), RMO (0.45 mg kg-1) and WSEX (0.18 mg kg-1). In the soils
treated with Zn, however, the order of Zn distribution (the mean value of the Zn concentration
for all the fertilizers and Zn rates applied) was as follows: OC (5.86 mg kg-1) > CFeO (3.04 mg
kg-1) > OM (2.41 mg kg-1) > WSEX (1.84 mg kg-1) ~ RES (1.80 mg kg-1) > AMC (1.22 mg kg-1)
~ RMO (1.05 mg kg-1). One year after the Zn applications, a higher Zn concentration was found
in the treated soils than in the control for all fractions. The application of Zn fertilizers to this
soil had a significant effect on the Zn content in the two most labile fractions: WSEX (from 14
to 34% of added Zn) and OC (from 39 to 89% of applied Zn) fractions. This could have
important implications for the Zn nutrition of any subsequent crop. The highest Zn
concentrations in the most potentially available fraction (WSEX) were associated with ZnHEDTA (7.9 and 16.0 times greater than in the control soil for application rates of 5 and 10 mg
Zn kg-1, respectively) and Zn-EDTA (10.4 and 15.6 times greater than in the control soil for
application rates of 5 and 10 mg Zn kg-1, respectively), followed by applications of Zn-DHE
fertilizer (6.1 and 15.6 times greater than in the control soil for application rates of 5 and 10 Zn
mg kg-1, respectively). On the other hand, Zn-EDDHSA (with Zn concentrations 5.6 and 10.9
times greater than in the control soil for application rates of 5 and 10 Zn mg kg-1, respectively)
and Zn-EDTA-HEDTA (5.5 and 8.8 times greater than in the control soil for application rates of
5 and 10 mg Zn kg-1, respectively) were the sources associated with the smallest amounts of Zn
in this fraction.
In Soil 2, the order of Zn distribution (from highest to lowest) between the fractions in
the control was as follows: RES (21.1 mg kg-1), CFeO (10.6 mg kg-1), OC (3.40 mg kg-1), AMC
(2.90 mg kg-1), OM (2.35 mg kg-1), CAR (1.38 mg kg-1), RMO (0.28 mg kg-1) and WSEX (0.18
mg kg-1). In the soils treated with Zn, the order of Zn distribution (the mean value of the Zn
concentration for all the fertilizers and Zn rates applied) was as follows: RES (19.4 mg kg-1) >
CFeO (10.5 mg kg-1) > OC (6.89 mg kg-1) > AMC (4.46 mg kg-1) ~ OM (3.99 mg kg-1) ~ CAR
(3.40 mg kg-1) > RMO (0.67 mg kg-1) ~ WSEX (0.49 mg kg-1). One year after Zn application,
the order of the different Zn fractions was the same as in the control, but higher Zn
concentrations were found in the treated than in the untreated soils for almost all fractions. The
addition of Zn fertilizers to this soil had a significant effect on the Zn content in the most labile
fractions, especially in the organically complexed: WSEX (0.5- 8% of added Zn), CAR (1057% of added Zn) and OC (22-88% of applied Zn). In this soil, the highest Zn concentrations in
the most potentially available fraction (WSEX) were associated with the Zn-D-H-E fertilizer
(3.3 and 5.3 times greater than in the control soil for application rates of 5 and 10 Zn mg kg-1,
respectively). In contrast, Zn-EDDHSA was the source associated with the lowest
concentrations of Zn in this fraction (only 1.1 and 1.3 times greater than in the control soil for
application rates of 5 and 10 mg Zn kg-1, respectively).
80
Navy bean response to residual effects of soil fertilization with
synthetic zinc chelates and zinc leaching
Soil 1
25
ef
de
bc
b
15
f
ef
cd
20
Zn (mg kg-1)
ef
b
b
a
10
5
0
Soil 2
60
b-d
Zn (mg kg-1)
50
bc
b
a
bc
de
cd
de
e
cd
b
40
30
20
10
Zn
-
ED
C
TA ontr
ol
-H
ED
T
Zn
-H A 5
ED
Zn T A
5
-D
-H
E
Zn
5
Zn ED
TA
Zn
-E ED
DH 5
D
TA
-H S A
5
E
Zn DT A
-H
ED 1 0
Zn T A
1
-D
-H 0
Zn -E 1
0
Zn ED
TA
-E
D
DH 10
SA
10
0
Treatment
WSEX
CAR
OC
RMO
OM
AMC
CFeO
RES
Fig. 5.4. Zinc fractions in soils at the moment of navy bean harvest with 0 (control), 5,
and 10 mg Zn kg-1 soil as Zn-EDTA-HEDTA, Zn-HEDTA,
Zn-DTPA-HEDTA-EDTA (Zn-D-H-E), Zn-EDTA, and Zn-EDDHSA.
81
Chapter 5
For each fraction, statistical differences between fertilizer treatments in Soil 1 were:
water soluble plus exchangeable (WSEX) and organically complexed (OC) Zn, P < 0.0001;
easily reducible metal oxide bound (RMO) and organically bound (OM) Zn, P < 0.05;
amorphous mineral colloid bound (AMC) Zn, P > 0.05 (not significant); crystalline Fe oxide
bound (CFeO) Zn, P < 0.05; and residual (RES) Zn, P < 0.001. In all cases, P < 0.0001 in Soil 2
(including carbonate-bound [CAR] Zn). For total Zn, the vertical line at each data point
represents the standard deviation of the mean. For each soil, total Zn concentrations followed by
different letters are significantly different at P ≤ 0.05 by the LSD test.
The three methods used to estimate available Zn (DTPA-TEA, DTPA-AB, and Mehlich
3) showed highly significant (r = 0.95-0.99, P < 0.0001) and positive correlations among
themselves (Table 5.5). The amount of soil-extractable Zn for all the single reagents was also
positively correlated with the Zn concentration in the WSEX (r = 0.66-0.81, P < 0.001; n = 22)
and CAR (r = 0.82-0.85, P < 0.05; n = 11) fractions. The possible relationships between the
amounts of Zn in the different soil chemical fractions (single and sequential extractions) and
plant parameters (plant growth and Zn concentrations) were studied by correlation analysis. For
both soils jointly, no significant correlation was found between DM yield and any of the single
or sequential amounts of Zn extracted (only in the case of Soil 1 [n = 11] was a significant
correlation found between DM yield and the WSEX fraction, with r = 0.62 and P < 0.05). All
Zn concentrations determined in plants (total and MES soluble in DM and FM) were correlated
significantly and positively with the amount of soil-extractable Zn for each of the single soil
extractants (DTPA-TEA, DTPA-AB, and Mehlich 3) (P = 0.05-0.0001, r = 0.6-0.88; see Table
5.5). Therefore, the Zn concentration in navy bean plants could be described as a function of
soil-extractable Zn for all single reagents. All Zn concentrations determined in plants were
positively correlated with the WSEX and RMO fractions. Also, plant parameters and the WSEX
and RMO fractions (and the CAR fraction in Soil 2) were correlated, especially the total Zn
concentration in the plant with the Zn concentration in the WSEX fraction. In contrast, negative
and significant correlations were obtained between plant Zn concentrations and the AMO,
CFeO, and RES fractions (the most immobile and strongly bound Zn).
82
Navy bean response to residual effects of soil fertilization with
synthetic zinc chelates and zinc leaching
Table 5.5. Simple correlation coefficients (r) for relationships between diethylenetriaminepentaacetate- triethanolamine (DTPA-TEA), diethylenetriaminepentaacetate-ammonium bicarbonate
(DTPA-AB), Mehlich-3 (M-3), sequential extracted Zn fractions† in soils, and plant parameters (n = 22, except for CAR , fraction n=11)
Single extractions
DTPA-TEA
DTPA-AB
Sequential extraction
M-3
WSEX
CAR
OC
RMO
OM
AMC
DTPA-AB
0.99***
M-3
0.95***
0.96***
***
0.80***
0.66**
0.82*
0.85**
0.64
**
0.08
0.77*
0.79***
0.76*
0.39
0.73
0.80***
0.53
0.61*
-0.27
0.39
0.25
-0.66**
0.55*
0.77***
0.17
0.03
**
0.40
0.68**
0.03
WSEX
0.81
CAR
0.83*
OC
RMO
OM
0.46
0.47
0.66
0.77***
0.77***
0.67**
-0.08
AMC
-0.37
CFeO
-0.53
RES
-0.68
-0.06
0.17
-0.35
-0.52
**
-0.68
**
-0.34
*
-0.11
-0.57
-0.31
-0.66**
-0.53
**
-0.66
CFeO
RES
0.01
-0.66
0.93***
Soluble Zn conc. in FM
0.68**
0.66**
0.65**
0.69**
0.74*
0.36
0.63*
Total Zn conc. in DM
0.88***
0.87***
0.72**
0.93***
0.86**
0.06
0.77***
Soluble Zn conc. in
DM
0.86***
0.84***
0.72**
0.89***
0.91**
0.12
0.78***
0.91***
-0.09
-0.22
-0.24
-0.44
-0.66**
-0.70**
-0.70**
-0.37
-0.58*
-0.64*
-0.63*
83
Chapter 5
5.5. DISCUSSION
5.5.1. CROP RESPONSE TO RESIDUAL EFFECTS OF ZINC
FERTILIZATION
A parameter for studying the relative efficiency of the different Zn treatments in the
second cropping year can be defined as the percentage of Zn used by navy bean plants with
respect to the amount of Zn applied in the previous year, based on the following equation:
Zn used (% ) =
Zn uptake ( treatment) − Zn uptake (control)
100
Zn added
Orthogonal contrasts showed that the addition of Zn (5 and 10 mg Zn kg-1) to the soils
improved the amount of Zn used compared with the control (0 mg Zn kg-1) (P < 0.0001).
Moreover, the most effective treatments involved the Zn-HEDTA fertilizer in Soil 1 (5.8 and
6.6% for 5 and 10 mg Zn kg-1, respectively) and the Zn-D-H-E fertilizer in Soil 2 (1.1 and 1.2%
for 5 and 10 mg Zn kg-1, respectively) (in both cases, P < 0.0001). In contrast, the least effective
treatments involved Zn-EDTA-HEDTA (3.1 and 3.5% for 5 and 10 mg Zn kg-1, respectively) in
Soil 1 and Zn-EDDHSA (0.9 and 0.4% for 5 and 10 mg Zn kg-1, respectively) in Soil 2. It is
interesting to point out that the residual effectiveness of the Zn sources was basically influenced
by soil characteristics. Once again, this was greater in Soil 1 than in Soil 2.
Some researchers have reported that the concentration of soluble Zn in cotton
(Gossypium hirsutum L.) roots and maize (Zea mays L.), millet (Panicum miliaceum L. ssp.
miliaceum), tobacco (Nicotiana tabacum L.), sugarbeet (Beta vulgaris L. ssp. vulgaris) and
grape (Vitis vinifera L.) leaves provides a good indicator or their Zn nutritional status (Cakmak
and Marschner, 1988). In this experiment, both the total Zn concentration in plant DM and total
Zn uptake by plants were significantly correlated with concentrations of soluble Zn extracted
with the reactive MES (as much from young FM leaves as from whole DM shoots). These
correlations showed a higher degree of significance for soluble Zn in whole DM shoots [total Zn
= -68.63 + 4.44(MES-soluble Zn), R2 = 93%, P < 0.0001] than for soluble Zn in young FM
leaves (P < 0.001). A similar relationship was obtained for a first navy bean crop (see Gonzalez
et al., 2007, 2008a,b). The MES-soluble Zn in whole DM shoots of navy bean could therefore
be used to estimate the nutritional state of this crop with respect to this microelement.
In comparison with the first navy bean crop, both the DM yields and total Zn
concentrations were smaller in the second cropping year, except for the Zn concentration in the
plant when the Zn-HEDTA source was applied to the acidic soil. The consequent reduction in
Zn plant uptake varied, depending on soil type and Zn fertilizer. In Soil 1 (see Fig. 5.1), the
greatest decreases in Zn uptake in comparison to the first crop occurred with the Zn-D-H-E and
Zn-EDTA-HEDTA sources (both exhibited reductions in total Zn uptake of > 25%). Although
Zn uptake by the second navy bean crop was reduced for all the Zn treatments applied to this
soil, new Zn applications would not be required for successive crops for several years. In Soil 2
(see Fig. 5.2), the greatest decreases in Zn uptake in comparison to the first crop were observed
with the Zn-EDTA and Zn-EDDHSA sources, especially with the high rate of Zn application.
Bearing in mind the amount of Zn previously cited as being required by plants for feeding (50
84
Navy bean response to residual effects of soil fertilization with
synthetic zinc chelates and zinc leaching
mg kg-1), new applications of all Zn sources would probably be required in each crop year to
ensure appropriate nutritional quality in the Zn micronutrient in this calcareous soil.
The effectiveness (percentage of Zn used) of the different Zn sources for navy bean
crops also decreased in the second crop year in comparison to the first, except in the case of the
Zn-HEDTA source applied to Soil 1 at a rate of 10 mg Zn kg-1, for which the percentage of Zn
used increased (for Zn-EDDHSA at 5 mg Zn kg-1, the percentage of Zn used was the same in
both crops). In the other cases, the decrease was usually larger in Soil 2 (ranging from 18% for
the high rate of Zn-D-H-E to 55% for the high rate of Zn-EDDHSA) than in Soil 1 (ranging
from 5% for the low rate of Zn-HEDTA to 42% for the low rate of Zn-EDTA-HEDTA).
Environmental parameters such as temperature, moisture content, drying and rewetting cycles,
and soil pH affect the rate of aging, but pH seems to be the most important factor for
determining the extent of the influence of aging on metal bioavailability (Lock and Janssen,
2003).
5.5.2. ZINC LEACHING AND SOIL ZINC STATUS
Soil application of the five Zn chelates studied produced very different total amounts of
leached Zn. These quantities much depended on the type of soil and the cropping year (see Fig.
5.1 and 5.2). Despite the fact that Soil 2 presented some physical and chemical characteristics
that, a priori, favored soil retention of Zn, Zn leaching was notably greater in this soil than in
Soil 1. This could have been due to the fact that Soil 2 was more permeable than Soil 1 (see
Table 5.1). Considering the values of leached Zn in both crop years, the sources that produced
the largest total Zn leaching losses, and were therefore the most mobile sources in both soils,
were the three synthetic chelates that contained EDTA and DTPA: Zn-EDTA (ranging from 4.0
mg Zn in Soil 1 to 40 mg Zn in Soil 2), Zn-EDTA-HEDTA (ranging from 3.4 mg Zn in Soil 1 to
28 mg Zn in Soil 2), and Zn-D-H-E (ranging from 4.1 mg Zn in Soil 1 to 42 mg Zn in Soil 2). In
contrast, the sources that produced the smallest total Zn leaching losses were Zn-EDDHSA
(ranging from 1.8 mg Zn in Soil 1 to 6.3 mg Zn in Soil 2) and Zn-HEDTA (ranging from 1.9 mg
Zn in Soil 1 to 7.7 mg Zn in Soil 2).
The total amounts of Zn leached from both soils were usually smaller in the second crop
year after Zn was applied than in the first navy bean crop. The change in the total amount of
leached Zn from the first to the second crop could be explained by Zn losses from the soil
during the first crop year and by possible aging processes that could have transferred soil Zn
from labile pools to more residual pools (Ma and Uren, 1998; Obrador et al., 2002; Lu et al.,
2005). In contrast, in Soil 1 (acidic), for the Zn-EDDHSA and Zn-HEDTA sources, we
observed that Zn leaching in the second crop was higher than in the previous crop. This could
have been would have produced a redistribution of Zn throughout the soil, which favored Zn
leaching of these less mobile sources.
After the first navy bean harvest, the easily leachable Zn fraction (physical adsorption)
that remained in the soils was estimated using the BaCl2 extraction procedure (Gonzalez et al.,
2007, 2008a,b). The estimated amounts of easily leachable Zn were much larger than the
amount of Zn actually leached during the second crop, especially in Soil 1. These results
indicated that this extraction overestimated Zn leaching, although the experimental conditions
would have favored it, because a sufficient number of irrigations were performed to collect 10
leachate portions (each of 200 mL). This was probably due to the fact that other soil parameters,
85
Chapter 5
such as structure, which has a major influence on permeability (Duchaufour, 1987; Rowell,
1994), were not regarded in the BaCl2 extraction. Nevertheless, in our experiment with synthetic
Zn chelates, significant correlations were found between the two values. Soil determination of
easily leachable Zn could therefore have been used to know the amounts of Zn leached in the
second crop year (R2 values of the obtained equations were 48% for Soil 1 and 68% for Soil 2).
The DTPA-TEA-extractable Zn that remained in both control soils (no Zn addition) at
the time of the second crop harvest slightly decreased with respect to the original soils (see
Table 5.4). According to Boawn (1974), with typical inorganic fertilizers, such as ZnSO4, a
rapid decline in available Zn is observed during the first year after application. In contrast, in
our study, the potential availability of applied Zn increased during the second crop year in the
soils fertilized with Zn-HEDTA and Zn-EDDHSA sources. This could be due to the conditions
of the experiments and the fact that neither of the two fertilizers exhibited significant levels of
leaching during the first crop year. As a result, no significant amounts of Zn were lost and Zn
was available to the second crop. In soils fertilized with the sources that contained DTPA or
EDTA chelating agents, however, the amount of potentially available Zn generally decreased
with time, possibly due to Zn leaching. These could be related to differences in the stability
constant (K) of the Zn chelates studied under these soil and plant conditions; the Zn sources that
contain the most stable chelates (log KZn-DTPA = 19.5, log KZn- EDTA = 17.5, with an ionic strength
of 0.01 mol L-1) maintain greater amounts of Zn in the soil solution, migrate through the soil
profile, and are leached. In contrast, for Zn sources that contain the least stable chelates, for
example Zn-HEDTA (log KZn-HEDTA = 15.3, with an ionic strength of 0.01 mol L-1), the metal is
retained by the soil components. There should therefore be an inverse relationship between
retention in the soil and the stability of Zn chelates. Moreover, the smaller amounts of Zn
leached from the acidic soil (Soil 1) could be explained by some of the physicochemical
characteristics of the soil used (Soil 1, moderate permeability; Soil 2, moderate to rapid
permeability). While various researchers have reported that alkaline pH, high CaCO3 content,
and high clay content cause the immobilization of Zn through the formation of hydroxide and
carbonate, and Zn adsorption on clays, in this study these characteristics were not the most
decisive. The mobility of Zn at depth depends on the soil texture and other characteristics but,
according to Duchaufour (1987), the movement of Zn (the metal included in the soil solution) is
closely related to the permeability of the soil profile and there is clearly a predominant influence
of structure, rather than texture, on permeability.
The distribution of the Zn fractions also depended on the time after Zn application. In
our experiment with synthetic Zn chelates, the size of the most labile fraction (WSEX) was
usually found to decrease with time. In Soil 2, WSEX usually showed, a year after Zn
application, greater decreases in Zn content in comparison with the same fertilizer treatments
applied to Soil 1, especially for the high rate of Zn application with the most mobile sources (Zn
chelated with EDTA or DTPA) and for both application rates of the least mobile Zn source (ZnEDDHSA). In the case of highly mobile Zn sources, this could, at least in part, be explained by
outlets of Zn from the soil during the second crop (leached Zn and Zn uptake by plants). These
were especially important for the high rate of Zn application of these fertilizers in the calcareous
soil. In the case of the Zn-EDDHSA source, however, the decrease could have mainly been due
to aging processes that changed soil Zn from labile pools to more residual pools, particularly in
calcareous soils (Xiang et al., 1995; Lock and Janssen, 2003; Jalali and Khanlari, 2008). It
seems logical to think that these aging processes could particularly affect to the less stable Zn
sources. As was predictable, in the majority of cases, these organic Zn fertilizers also produced
86
Navy bean response to residual effects of soil fertilization with
synthetic zinc chelates and zinc leaching
an increase in Zn content in the organically complexed fraction (OC). It is interesting to note
that there were significant decreases from the first to the second crop for the five Zn chelates in
terms of Zn concentration in the most labile fraction (WSEX) but not always in terms of
potential available Zn concentration. In our study, the Zn sources that produced small quantities
of leached Zn (Zn-HEDTA and Zn-EDDHSA) exhibited the opposite behavior, with the
potentially available Zn increasing with time. Finally, bearing in mind the results obtained in
both crop years with the five Zn chelates studied, it would be advisable to use the Zn-HEDTA
source in the acidic soil because it was one of the most effective and was not associated with
important metal leaching. The sources that contained Zn chelated by EDTA or DTPA showed
higher levels of relative effectiveness in the calcareous soil, but due to their high mobility, they
produced Zn leaching in this soil with moderate to rapid permeability.
87
Chapter 6
Residual effects of organic Zn fertilizers applied before the previous crop on soil Zn availability
and Zn uptake by flax plant
6. Residual effects of organic Zn
fertilizers applied before the
previous crop on soil Zn availability
and Zn uptake by flax plant
Adapted from: Almendros P, Gonzalez D, Alvarez JM.
Residual effects of organic Zn fertilizers applied before the previous crop
on soil Zn availability and Zn uptake by flax plant.
J Plant Nutr Soil Sc. Accepted July 2012
6.1. ABSTRACT
The objective of this study was to compare the residual effect of Zn from three Zn
chelates (Zn-aminelignosulphonate, Zn-AML; Zn-polyhydroxyphenylcarboxylate, Zn-PHP; and
Zn-ethylenediaminedisuccinate, Zn-EDDS), applied at two rates (5 and 10 mg Zn kg-1 soil,
respectively) to a previous crop, for a flax crop (Linum usitatissimum L). For the greenhouse
experiment two different soils were used: a weakly acidic soil, classified as Typic Haploxeralf
(Soilacid), and a calcareous soil, classified as Typic Calcixerept (Soilcalc). Plant availability of soil
Zn was evaluated using the DTPA-triethanolamine (TEA), Mehlich-3, low-molecular-weight
organic acids (LMWOAs) methods. Easily leachable Zn was determined and soil Zn status was
characterized based on the Zn distribution in different fractions obtained by a sequential
extraction. The Zn reserves after the previous crop were substantial and ranged from 2.85 % to
5.61 % of Zn available (Mehlich-3 extractable) with respect to the applied Zn. Plant parameters
such as dry matter yield, total Zn and soluble Zn concentrations were measured, and Zn
utilization by plants was calculated. In both soils, the highest concentrations of available Zn
were associated with the application of Zn-AML at a rate of 10 mg Zn kg-1. In Soilacid the largest
quantity of easily leachable Zn was also observed with Zn-AML fertilizer. Similarly, Zn-AML
resulted in the highest Zn concentration in flax seeds (229 mg Zn kg-1 and 72 mg Zn kg-1 for the
highest rate of Zn application in Soilacid and Soilcalc, respectively). The results suggest these Zn
organic fertilizers resulted in a residual effect in soils with appropriate concentrations of the
most labile fractions of Zn and available Zn, particularly when Zn-AML was applied at the
highest rate. This chelate was more effective in Soilacid than in Soilcalc. In the weakly acidic soil
at the lowest Zn level it was associated with the highest percentage of Zn utilization by the flax
plant and the most effective Zn transfer from soil to the plant.
6.2. INTRODUCTION
When Zn fertilizers are applied to soils, plants take up only a small portion of the Zn
applied, while a considerable quantity of Zn remains in the soil, where it is either fixed by soil
particles or lost due to leaching. The plant availability of this residual Zn depends, amongst
89
Chapter 6
other factors, on the source of the Zn used. Organic Zn sources such as synthetic chelates and
organic complexes are nowadays commonly used (Aboulroos, 1981; Al-Mustafa et al., 1994;
Lucena et al., 2010). Gangloff et al. (2002) have reported that Zn chelates are highly effective
sources of organic Zn for crops.
The degree and strength by which Zn is fixed to the soil depends on factors such as soil
pH and carbonate content (Barrow, 1993). To improve predictions of Zn mobility and
availability when chelated fertilizers are added to soil, it is essential to study the distribution of
various Zn chemical associations or forms after fertilizer application. The Zn associations in
soils have varying degrees of reactivity, solubility and availability to plants (Viets, 1962;
Bruemmer et al., 1986). Sequential extraction procedures have often been used to perform
chemical speciation of metals in soils (Tessier et al., 1979; Shuman, 1985) and simple
extraction methods that contain a chelating agent like DTPA (diethylenetriaminepentaacetate)
have been widely used to determine the quantity of available micronutrient to plants (Lindsay
and Norwell, 1978). It is also currently common to use other reagents such as dilute acid, EDTA
and salt solutions (i.e. Mehlich-3 and BaCl2 methods), or low-molecular-weight organic acids
(Tran and Simard, 1993; Feng et al., 2005). However, with time Zn forms tend to undergo
transformations and the most available fractions change into more stable and less labile Zn
fractions. The transformation is much more rapid for calcareous than for acidic or neutral soils
(Xiang et al., 1995).
This decrease with time could be attributed to micropore diffusion, occlusion in solid
phases by co-precipitation and co-flocculation, cavity entrapment and/or solid solution
formation (Ma and Uren, 2006). Water-soluble Zn in soil solution readily reacts with soil
constituents (organic matter, clays, oxides of Fe, Mn and Al, silica) to form less soluble, more
stable compounds that are less available to plants (Barrow, 1985). These reactions continue over
time, reducing the long-term effectiveness of added Zn for plant production (Brennan, 1990).
According to Brennan and Bolland (2006), the residual effect of Zn fertilizer applied to soil is a
result of the desorption of Zn sorbed by soil constituents, the mineralization of Zn from soil
organic matter, the removal of Zn from soil in agricultural produce, and/or the leaching of Zn
from soil. Several environmental parameters can simultaneously influence the residual effect of
Zn fertilizers: temperature, repeated drying and rewetting, soil moisture content, pH and total
metal concentration (Lock and Janssen, 2003).
Boawn (1974) reported that Zn applied as ZnSO4 was relatively rapidly converted to not
DTPA- and HCl-extractable forms during the first year. This was then followed by a less rapid
rate of reaction during the second and third years. The percentage of extractable Zn then
remained essentially unchanged during the fourth and fifth years. While several studies have
been conducted regarding the residual effects of supplying soil-applied inorganic Zn sources to
different crops (Boawn, 1974; Singh and Abrol, 1985; Brennan, 2001; Ma and Uren, 2006;
Shawer et al., 2007; Alloway, 2008a), only limited data are available about the residual effect of
chelated fertilizers (Alvarez et al., 2009).
Brennan and Bolland (2006) suggest that the residual effect of Zn in soil varied with
different crop species. Flax (Linum usitatisimum L.) is a crop that is very susceptible to Zn
deficiency and exhibits a notable response to the addition of Zn (Franzen, 2004). Jiao et al.
(2007) reported that adding Zn to flax improved growth, increased seed yield and positively
affected the nutritional quality of the crop.
90
Residual effects of organic Zn fertilizers applied before the previous
crop on soil Zn availability and Zn uptake by flax plant
The transfer factor (TF) is usually used to refer to the quantity of metal that moves from
the soil to the plant (Kabata-Pendias, 2004). The influence of chelating agents on the mobility,
and availability, of Zn in the soil and its movement to the plant can therefore also be evaluated
using this index.
The present experiment was designed to study the residual effect of Zn from three
organic Zn chelates applied to a previous flax crop in a weakly acid and a calcareous soil, in
which a second flax crop was subsequently cultivated. The objectives were: (i) to determine the
relative effectiveness of different Zn sources for the flax crop; and (ii) to establish the relative
status of soil Zn fractions and the plant availability of soil-applied Zn estimated with different
extraction methods.
6.3. MATERIALS AND METHODS
6.3.1. SOIL CHARACTERIZATION
Two soils were collected from two different regions of Spain: a weakly acid soil
(Soilacid) was sampled in Madrid (latitude 40°17′ N, longitude 4°01′ W) and a calcareous soil
(Soilcalc) was collected in Guadalajara (latitude 40°39′ N, longitude 3°19′59″ W). The two soils
were cultivated previously with cereals or vines under conventional tillage management.
Surface soil was taken from the Ap horizon (depth 0-25 cm) and each soil was air-dried and
sieved ( < 2 mm). Some of the main soil properties are listed in Table 6.1. Soilacid was classified
as a Typic Haploxeralf and Soilcalc was classified as a Typic Calcixerept (Soil Survey Staff,
2006). For the initial nil-Zn soil (which was obtained from an experiment carried out during the
previous year), the total Zn concentration was 10.03 mg Zn kg-1 soil in Soilacid and 44.11 mg Zn
kg-1 soil in Soilcalc.
Table 6.1: Selected properties of the initial nil-Zn soil (EC, electrical conductivity;
CEC, cation exchange capacity) collected from the 0-25 cm soil profile.
Soil properties
Texture (USDA)
Clay (g kg-1)
Predominant clay
Water-holding capacity (33 KPa, g H2O kg-1
soil)
pHw(1:2.5 w/v)
EC (µS m-1)
Oxidizable organic matter (g kg-1)
Total N (g kg-1)
Soilacid
Sandy loam
Soilcalc
Loamy sand
References
100 ± 6a
Illite
180 ± 5
Smectite
Day (1965)
Schultz (1964)
66.0 ± 2.1
205 ± 7
Klute (1996)
6.13 ± 0.09
0.37 ± 0.02
5.00 ± 0.08
1.02 ± 0.11
8.13 ± 0.03
1.78 ± 0.07
12.9 ± 0.1
1.10 ± 0.05
Available P (g kg-1)
19.9 ± 0.3
12.6 ± 0.5
47.2 ± 1.2
141 ± 2
-
235 ± 10
56.0 ± 1.1
134 ± 6
33.4 ± 1.9
Chapman and Pratt (1961)
Chapman and Pratt (1961)
Hesse (1971)
Bremner (1996)
Bray and Kurtz (1945);
Olsen et al. (1954)
Bower et al. (1952)
McKeague and Day (1966)
Nijensohn and Pizarro (1960)
Allison and Moodie (1965)
-1
CEC (mmol+ kg )
Active Fe oxide (Fe2O3) (mg kg-1)
Total CaCO3 (g kg-1)
Free CaCO3 (g kg-1)
a
Standard deviation.
91
Chapter 6
6.3.2. GREENHOUSE EXPERIMENTS
The soils used in this study had been used previously for an experiment conducted one
year earlier to determine the response of a flax crop to aqueous suspensions of three Zn chelate
fertilizers at 5 and 10 mg Zn kg-1 soil (Alvarez, 2010). The fertilizers used in the previous study
were: Zn aminelignosulphonate (Zn-AML: 59 g water-soluble-Zn dm-3 and mass density 1.20 g
cm-3), Zn-polyhydroxyphenylcarboxylate (Zn-PHP: 38 g water-soluble-Zn dm-3 and mass
density 1.26 g cm-3) and Zn-EDDS (Zn-S,S’-ethylenediaminedisuccinate: 82 g water-soluble-Zn
dm-3 and mass density 1.36 g cm-3). The control treatment (no added Zn, nil-Zn) and the Zn
fertilizer treatments were replicated 3 times using a randomized complete block design. For the
present study, soil from each container in the previous study was air-dried and homogenized and
was then returned to the containers. The soil in the containers was rewetted to approximately
80% of the field capacity. The containers were kept in a greenhouse in which temperatures
ranged from 12 ºC (night) to 38 ºC (day) and the relative air humidity ranged from 60% to 85%
(using Fic-Fog spray nozzle technology to maintain these values). The soil was left to stand for
nine months (from July to February) to equilibrate under these greenhouse conditions.
The nutritional status of the soil for N, P and K was assessed using the
electroultrafiltration technique (Wiklicky and Nemeth, 1981). Additional N, P, K and S were
applied at rates of: 100 mg N kg-1, 120 mg P kg-1, 146 mg K kg-1 and 60 mg S kg-1 [applied as
(NH2)2CO, Ca(H2PO4)2 and K2SO4]. For the flax crop of the present study no further Zn was
applied so as to evaluate the residual effect of applied Zn.
Plants were grown in polythene containers (capacity 15 dm3; internal diameter 26.5 cm;
height 27.5 cm) containing 13.5 kg of air-dried soil. Fifty linseed flax plants (Linum
usitatissimum L., cv. Natasja, AGROSA, Guadalajara, Spain) were grown in each container.
The experiment was performed from 1 March to 15 June with “high” ambient light intensities.
The containers were irrigated with water until reaching 60% soil field capacity (Soilacid, 39.6 g
H2O kg-1; Soilcalc, 123 g H2O kg-1). Once a week the containers were weighed to estimate the
volume of irrigation water required.
Ninety days after emergence, the plants were harvested. Soil adhering to the roots was
carefully shaken into the containers. The soil in each container was air-dried and manually
mixed. A soil sample of approximately 200 g was taken from each container, sieved to < 2 mm,
and then stored in double seam hermetic flasks for analysis.
6.3.3. PLANT ANALYSIS
At the end of the experiment the plants were washed with deionized water. Fresh leaves
were collected between the seventh and fifteenth positions on the upper part of the plants. Dry
matter (DM) yields of the different plant parts (root, stem, leaf and seed) were determined at the
end of the experiment, after they had been dried to a constant weight in a forced-draft oven at 60
ºC. The soluble Zn MES [2-(N-morpholino)ethanesulfonic acid] concentration in dry leaf was
determined using 0.25 g of ground dry leaf with 10 cm3 of 1 mM MES at pH 6. The Zn
concentration was determined by flame atomic absorption spectrophotometry (FAAS; AAnalyst
700, Perkin-Elmer, Norwalk, USA). “Perkin-Elmer Pure” standard checks were used for the
Quality Assurance System (certified by National Institute of Standards and Technology –
Standard Reference Materials). Standard solutions of Zn were prepared for extraction procedure
in a background solution of the extracting agents.
92
Residual effects of organic Zn fertilizers applied before the previous
crop on soil Zn availability and Zn uptake by flax plant
Total Zn concentration was determined in the different plant parts by acid digestion, using 0.25
g of dried ground samples and 10 cm3 of acid mixture [5 cm3 15 M HNO3, 2 cm3 27 M HF and 3
cm3 H2O)] in a microwave oven with a rotating tray (Mars Microwave System, CEM
Corporation, Matthews, NC, USA).
Zinc utilization, which is an important parameter for the relative efficiency of fertilizers by the
crop, was determined as follows: [Zn uptake (fertilizer treatment) – Zn uptake (nil-Zn)] x 100 /
Zn applied.
6.3.4. SOIL ANALYSIS
Total Zn, Zn distribution in the different soil fractions, available Zn, and easily
leachable Zn were all determined from soil samples. Total Zn was determined by acid digestion
after treating 1 g of soil with 14 cm3 15 M HNO3 and 6 cm3 27 M HF followed by digestion in
Teflon bombs in a microwave oven (Mars Microwave System, CEM Corporation, Matthews,
NC, USA). This involved a two-step process with a maximum pressure of 1.2 MPa (Shuman,
1985).
The distribution in different Zn fractions was obtained by sequential extraction method
proposed by various authors (Mehra and Jackson, 1960; Chao, 1972; Tessier et al., 1979) with
slight modifications. The Zn fractions were sequentially determined in six steps (Table 6.2).
The soil (g)/extractant solution (cm3) ratio was 1:10. After each step, the soil suspension was
centrifuged (4000 g for 600 s) and the supernatant solution was decanted. The residual Zn
fraction (fraction 7, RES) was then calculated as the difference between total Zn and the sum of
the other fractions. Percentages of Zn distributed in each fraction after the previous crop and
following harvest in both soils were determined as follow: [(Zn concentration of a particular
chemical form of Zn in a treated soil – Zn concentration of the particular chemical form of Zn in
nil-Zn soil) x 100 / (total Zn concentration in a treated soil – total Zn concentration in nil-Zn
soil)].
Table 6.2: Selective sequential extraction (SSE) procedure of Zn from soil.
References
Step
1
2
3
Fraction
Extraction solution
Conditions
Water-soluble Zn, WS
Exchangeable Zn, EXC
Carbonate bound Zn, CAR
shake for 1 h
shake for 1 h
shake for 5 h
-Tessier (1979)
Tessier (1979)
4
Mn oxides bound Zn, MnOX
Deionized water
1 M MgCl2, pH 7.0
0.1 M NaOAc, pH 5.0
0.05 M NH2OH•HCl,
pH 2.0
shake for 30 min
Chao (1972)
5
Organic matter bound Zn, OM
0.02 M
9M H2O2
6
Iron oxides bound Zn, FeOX
2 M NH4NO3 +
4.5M HNO3
0.3 M Na3C6H5O7•2H2O
(trisodium citrate) +
0.12 M NaHCO3, pH
7.0
1 g of Na2S2O4 (sodium
dithionite)
7
Residual, RES
HNO3
+
two extractions in a
boiling water bath
Tessier (1979)
for 2 h (85 ºC)
shake for 30 min
in a bath of boiling
Mehra and Jackson
water for 15 min
(1960)
in a bath of boiling
water for 30 min
93
Chapter 6
The concentration of potentially plant available Zn in the soil was estimated by three
extractions: DTPA-TEA (Lindsay and Norvell, 1978), Mehlich-3 (Tran and Simard, 1993) and
the rhizosphere-based method (low-molecular-weight organic acids: LMWOAs; Feng et al.,
2005). This method is based on the simulation of the rhizosphere soil condition and the reagent
used is a mixture of acetic, lactic, citric, malic, and formic acids (total concentration 0.01 M,
and molar ratio 4:2:1:1:1 c/c).
The easily leachable Zn was estimated by using 0.01 M BaCl2 (Schultz et al., 2004).
The Zn concentrations in the soil extracts were determined by FAAS.
The transfer factors (TF) were evaluated for the different Zn treatments and were
determined as follows: total Zn concentrations in the plant / total Zn concentrations extracted
from the soil.
6.3.5. STATISTICAL PROCEDURES
Correlation analysis and statistical analyses were performed with Statgraphics Plus
software, Version 5.1 (Manugistic, Inc., Rockville, MD, USA). Multifactor analysis of variance
(Anova) of the different parameters was performed. The main effects of Zn source and Zn rate
were differentiated using Fisher LSD test at a probability level of P ≤ 0.05. Orthogonal contrasts
were used to compare the effects of the different Zn rates and Zn sources in the extractable Zn
concentrations in the plant and soils parameters (nil-Zn vs. 5 and 10 mg Zn kg−1 rates, 5 vs. 10
mg Zn kg−1 rates and Zn fertilizer treatment with the highest or lowest content vs. other Zn
treatments). Simple linear regression analyses were calculated for Zn concentrations obtained
with different Zn extraction methods, as well as for plant Zn concentrations and the different Zn
concentrations obtained in soils, taking into account the means values of the seven treatments
(i.e. nil-Zn and the three fertilizers, at two rates for the two soils: n = 14).
6.4. RESULTS
6.4.1. FLAX GROWTH AND ZN UPTAKE
In both soils, the residual effects of Zn applied before the previous crop, showed
statistically significant differences between Zn fertilizer treatments, for DM yield and total Zn
concentration in flax plants (Table 6.3).
Increases were observed in DM yield associated with the residual effect produced by the
Zn treatments with respect to the nil-Zn treatment. These ranged from 1% to 11% in Soilacid and
from 9% to 12% in Soilcalc, compared to nil-Zn treatment. In Soilacid, no significant differences
were found for DM yield when the Zn application rate of each source was doubled for each
fertilizer. In Soilcalc significant differences were only observed between the nil-Zn and the Zn
fertilizer treatments.
For Soilacid the increases in total Zn concentration obtained with respect to nil-Zn ranged
between 107 and 273% (Zn-EDDS applied at a rate of 5 mg Zn kg-1 and Zn-AML applied at 10
mg Zn kg-1, respectively). The increases with respect to the nil-Zn for Soilcalc ranged between 67
and 191% (Zn-PHP applied at a rate of 5 mg Zn kg-1 and Zn-EDDS applied at 10 mg Zn kg-1,
respectively).
94
Residual effects of organic Zn fertilizers applied before the previous
crop on soil Zn availability and Zn uptake by flax plant
The results obtained for Zn utilization (Table 6.3) depended on the soil studied, the
chelate used and the rate of application. The highest percentage of Zn utilization by the crop in
Soilacid was obtained with Zn-AML at 5 mg Zn kg-1 and the lowest utilization was for Zn-PHP
applied at 10 mg Zn kg-1. In Soilcalc Zn-EDDS applied at 5 mg Zn kg-1 was associated with the
highest percentage of Zn utilization and the lowest percentages were obtained when Zn-PHP
was applied at both rates.
Table 6.3: Response of flax plants in different soils to different organic Zn chelates (Zn-AML,
Zn-aminelignosulfonate; Zn-PHP, Zn-polyhydroxyphenylcarboxylate; Zn-S,S-EDDS, Znethylenediaminedisuccinate; DM, dry matter).
Soil
Soilacid
Treatment
Nil-Zn
Zn-AML
Zn-PHP
Zn-EDDS
Dry matter
yield
mg kg-1 soil
g per
container
34.03 a
37.74 c
37.90 c
36.09 bc
36.27 bc
34.36 ab
35.45 ab
2.02
mg kg-1 DM
60.21 a
153.50 c
224.69 e
130.06 b
161.44 c
124.94 b
184.33 d
21.64
-13.58 b
-1.41
9.11b
-8.39 b
-617.82 d
-162.06 d
155.67 d
-51.12
33.53 a
37.29 b
37.43 b
36.75 b
37.40 b
36.65 b
37.43 b
2.24
16.57 a
31.88 c
47.34 e
27.59 b
36.68 d
35.54 d
48.26 e
3.43
0.91 b
0.87 b
0.65 a
0.58 a
1.07 c
0.89 b
0.15
-21.78 c
-1.58
-0.70
-0.51
-127.85 d
-37.28 d
24.12 d
-34.48 d
-0.29 b
0.34
0.91 d
0
5
10
5
10
5
10
LSD 0.05a
Contrast
0 (nil-Zn) vs. 5 and 10 mg kg−1 Zn
rates
5 vs. 10 mg kg−1 Zn rates
Zn–AML vs. other Zn treatments
Zn–EDDS vs. other Zn treatments
Soilcalc
Nil-Zn
Zn-AML
Zn-PHP
Zn-EDDS
%Zn
utilization of
Zn applied
Amount of Zn
added
0
5
10
5
10
5
10
LSD 0.05
Contrast
0 (nil-Zn) vs. 5 and 10 mg kg−1 Zn
rates
5 vs. 10 mg kg−1 Zn rates
Zn–EDDS vs. other Zn treatments
Zn–PHP vs. other Zn treatments
Total Zn conc.
5.34 d
4.61 cd
3.77 bc
2.72 a
3.19 ab
3.20 ab
0.85
-1.78 b
7.02 d
-3.66 b
Least significant differences between treatments at P ≤ 0.05. b Significant at the 0.05 level.
Significant at the 0.001 level. d Significant differences between fertilizer treatments for the
four parameters were at P < 0.0001. Contrast values are the difference between treatment
means.
a
c
95
Chapter 6
Total Zn uptake by flax plants in both crops (previous and current) is shown in Fig. 6.1.
In both soils, statistically significant differences were found between Zn fertilizer treatments.
The total Zn uptake in Soilacid ranged from 1.8 to 2.3 times that of the nil-Zn, for the 5 mg Zn
kg-1 and from 2.4 to 3.2 times that of the nil-Zn at the 10 mg Zn kg-1. The values for total Zn
uptake in Soilcalc ranged between 2.1 and 2.8 and between 2.9 and 4.1 times the nil-Zn,
respectively, for application rates of 5 and 10 mg Zn kg-1. The values for the second crop were
higher than those for the first, except in the case of Zn-EDDS in Soilcalc.
previous crop
current crop
Zinc uptake (mg kg -1 soil)
soilacid
0.70
d
0.60
0.50
c
c
c
b
0.40
f
0.30
a
0.20
0.10
bc
b
e
b
cd
b -d
a
0.00
Nil-Zn
Zn-AML 5 Zn-AML 10 Zn-PHP 5
Zn-PHP
10
Zn-EDDS Zn-EDDS
5
10
Treatment
Zinc uptake (mg kg -1 soil)
soilcalc
0.18
0.16
0.14
0.12
0.10
0.08
0.06
0.04
0.02
0.00
e
d
d
d
c
bc
a
bc
c
b
c
b
b
a
Nil-Zn
Zn-AML 5 Zn-AML 10 Zn-PHP 5
Zn-PHP
10
Zn-EDDS Zn-EDDS
5
10
Treatment
Figure 6.1: Zinc uptake by flax plants (previous and current crop) in two soils treated with different Zn
fertilizers (Zn-AML [Zn-aminelignosulfonate], Zn-PHP [Zn-polyhydroxyphenylcarboxylate], Zn-EDDS
[Zn-ethylenediaminedisuccinate]) at 0, 5 and 10 mg Zn kg-1. Statistical differences at P ≤ 0.05 (LSD test)
are presented by different letters. The vertical line at each of the data represents the standard deviation from
the mean.
96
Residual effects of organic Zn fertilizers applied before the previous
crop on soil Zn availability and Zn uptake by flax plant
In Soilacid the highest Zn concentrations in flax stems and seeds were observed with ZnAML at the high Zn rate (Table 6.4). Total Zn concentration in leaves (see Table 6.4) showed
their highest value with Zn-EDDS applied at 10 mg Zn kg-1. At 5 mg Zn kg-1 Zn-AML showed
the highest Zn concentrations. The percentage of soluble Zn in DM with respect to the total Zn
concentration was much higher in Soilcalc than in Soilacid. Applying Zn increased this percentage
(from 66% in the control to 73-80% in the Zn treatments in Soilcalc). For each soil the
application of Zn-AML at 10 mg Zn kg-1 showed the highest concentrations of soluble Zn in
DM. In Soilcalc the highest Zn concentrations in stems and leaves (total and soluble Zn
concentrations) were obtained with the highest application rate of Zn-EDDS (10 mg Zn kg-1).
However, the highest total Zn concentrations in seeds were achieved by applying Zn-AML at 10
mg Zn kg-1.
6.4.2. ZINC FRACTIONS AND AVAILABLE AND EASILY-LEACHABLE ZN
After harvest in Soilacid the different Zn fractions for the nil-Zn treatment decreased in
the following order: OM, FeOX, EXC, MnOX, RES and WS (Table 6.5). The mean Zn
concentration for fertilizer treatments in this soil decreased in the following order: EXC OM,
MnOX, FeOX, RES, WS. In Soilacid the application of Zn fertilizers resulted in a significant
increase in Zn content in the most labile fractions (WS, EXC and MnOX) compared to
treatment nil-Zn.
In Soilcalc the order of mean Zn concentration in the nil-Zn soil was: RES, FeOX, OM,
CAR, EXC, MnOX and WS (Table 6.5). The mean Zn concentration in the fertilizer treatments
applied to Soilcalc decreased in the following order: RES, FeOX, OM, CAR, MnOX, EXC, WS.
In Soilcalc the addition of Zn fertilizers resulted in only small (in most cases non-significant)
increases in fractions WS, EXC and MnOX.
In Soilacid the application of Zn-AML at 10 mg Zn kg-1 lead to the highest Zn
concentrations in the soil, with soil Zn extractable values 4, 4.5 and 4.3 greater than for
treatment nil-Zn for DTPA-TEA, Mehlich-3 and LMWOAs, respectively (Fig. 6.2.). In Soilcalc
the highest plant available Zn concentrations were obtained with the DTPA-TEA and Mehlich-3
with the application of Zn-AML at 10 mg Zn kg-1 (about 4.3 times that extracted from the nilZn).
The relationships between plant Zn uptake and available Zn in soils were analyzed by
correlation analysis (n=14). The highest positive significant correlation (P < 0.0001 in all cases)
between total Zn uptake by plant and available Zn concentration in soil was obtained with the
LMWOAs-method (r = 0.97, total Zn uptake = 1.02 + 0.91 x Zn-LMWOAs). Also high positive
significant correlations were obtained between total Zn uptake by plant and DTPA-TEA (r =
0.90, total Zn uptake = -0.66 + 0.96 x Zn-DTPA-TEA) and Mehlich-3-extractable Zn (r = 0.87,
total Zn uptake = 1.02 + 0.91 x Zn-Mehlich-3).
For Soilacid, the highest concentrations of the easily leachable Zn were also obtained
when applying Zn-AML at 10 mg Zn kg-1 (3.25 times greater than the nil-Zn) and the lowest
concentration was obtained when applying Zn-PHP and Zn-EDDS at 5 mg Zn kg-1 (1.38 and
1.53 times greater than the nil-Zn, respectively). In Soilcalc there were no significant differences
97
Chapter 6
between the results obtained with the different fertilizer treatments for BaCl2-extractable Zn. In
Soilcalc the easily leachable Zn concentrations extracted were extremely low (mean
concentration of 0.20 mg Zn kg-1). The relationship between plant Zn uptake and easily
leachable Zn revealed a high positive significant correlations (r = 0.98, P < 0.0001, total Zn
uptake = 1.03 + 1.16 x Zn-BaCl2).
Table 6.4: Response of flax stems, seeds and leaves to different organic Zn chelates (Zn-AML,
Zn-aminelignosulfonate;
Zn-PHP,
Zn-polyhydroxyphenylcarboxylate;
Zn-S,S-EDDS,
Znethylenediaminedisuccinate; DM, dry matter).
Soil
Soilacid
Treatment
Nil-Zn
Zn-AML
Zn-PHP
Zn-EDDS
Amount of
Zn
added
mg kg-1 soil
0
5
10
5
10
5
10
LSD 0.05 a
Contrast
0 (nil-Zn) vs. 5 and 10 mg
kg−1 Zn rates
5 vs. 10 mg kg−1 Zn rates
Zn–AML vs. other Zn
treatments
Zn–EDDS vs. other Zn
treatments
Soilcalc
Nil-Zn
Zn-AML
Zn-PHP
Zn-EDDS
0
5
10
5
10
5
10
LSD 0.05
Contrast
0 (nil-Zn) vs. 5 and 10 mg
kg−1 Zn rates
5 vs. 10 mg kg−1 Zn rates
Zn–AML vs. other Zn
treatments
Zn–EDDS vs. other Zn
treatments
Stems
Seeds
Leaves
Total Zn Soluble Zn
conc.
conc.
DM
DM
mg kg-1
mg kg-1
95.4 a
53.5 a
236.5 bc
136.9 d
288.8 d
173.4 e
208.4 b
115.8 bc
275.6 cd
136.3 d
227.0 b
105.5 b
293.8 d
132.6 cd
47.3
18.3
Total Zn
conc. DM
Total Zn
conc. DM
mg kg-1
41.6 a
107.4 d
192.0 f
90.9 c
108.5 d
73.7 b
134.5 e
16.0
mg kg-1
78.8 a
185.7 bc
229.4 c
165.2 b
198.1 bc
171.7 b
212.3 bc
53.4
-457.7 d
-689.4 d
-957.8
-479.5 d
-163.0 d
-117.3 b
-186.3 c
-84.2 d
191.3 d
82.8
45.7
130.3
-82.5 c
-10.2
-32.4
-86.2 c
8.1 a
13.8 cd
18.7 e
10.7 ab
12.5 bc
15.6 d
22.1 f
2.7
32.7 a
57.1 bc
71.8 d
51.2 b
69.4 d
60.2 c
70.1 d
8.5
28.8 a
61.0 b
100.7 d
55.0 b
75.7 c
72.1 c
107.1 d
10.0
19.1 a
44.8 b
75.8 d
39.7 b
56.4 c
58.2 c
85.9e
5.8
-44.8 d
-13.2 d
-183.8 d
-42.8 d
-298.9 d -246.0 d
-95.3 d -75.4 d
4.2
6.8
13.5
0.9
19.6 d
11.1
66.1 d
71.4 d
Least significant differences between treatments at P ≤ 0.05. b Significant at the 0.05 level.
Significant at the 0.001 level. d Significant differences between fertilizer treatments for the four
parameters were at P < 0.0001. Contrast values are the difference between treatment means.
a
c
98
Residual effects of organic Zn fertilizers applied before the previous
crop on soil Zn availability and Zn uptake by flax plant
In Soilacid Zn-AML applied at both rates showed the most effective Zn transfer (Fig.
6.3.) to the plant in comparison with other Zn fertilizer treatments (with TF values of 11.11 and
12.54 at application rates of 5 and 10 mg Zn kg-1, respectively). In Soilcalc, Zn-AML and ZnEDDS applied at 10 mg Zn kg-1 showed the highest TF (with values of 0.87 and 0.90,
respectively). The lowest TF values were obtained for the nil-Zn in both soils (with values of
6.40 in Soilacid and 0.38 in Soilcalc).
Table 6.5: Zinc fractions (mg kg-1 soil) in soils with the application of different organic Zn fertilizer treatments (ZnAML,
Zn-aminelignosulfonate;
Zn-PHP,
Zn-polyhydroxyphenylcarboxylate;
Zn-S,S-EDDS,
Znethylenediaminedisuccinate; WS, water-soluble; EXC, exchangeable; CAR, carbonate bound; MnOX, Mn oxides
bound; OM, organic matter bound; FeOX, Fe oxides bound; RES, residual fraction).
Soil
Soilacid
Treatment
Amount of
Zn added
WS
(mg
kg-1
soil)
Initial nil-Zn
0
soil
0
Nil-Zn
5
Zn-AML
10
5
Zn-PHP
10
Zn-S,S5
EDDS
10
LSD 0.05 a
EXC
Soilcalc
5 vs. 10 mg kg Zn rates
Initial nil-Zn
0
soil
0
Nil-Zn
MnOX
OM
FeOX
RES
TOTAL
4.21
9.95
0.21
1.13
1.13
1.50
1.77
0.30 a
0.50 b
1.71 a
3.62 b
1.34 a
2.50 b
2.74 a
3.22 a-c
2.35 a
1.00 a
2.73 a-c 1.27 ab
9.44
13.84
0.70 d
5.61 c
0.60 b-d 3.51 b
3.77 cd
2.44 b
3.71 cd
3.14 ab
2.88 bc
2.56 ab
1.29 ab
1.50 b
17.96
13.75
0.67 cd
5.55 c
3.84 d
3.34 bc
3.19 c
1.38 ab
17.97
0.57 bc
3.48 b
2.98 bc
2.88 cb
3.16 c
1.19 ab
14.26
18.88
0.63 cd
5.59 c
4.41 d
4.03 d
3.00 bc
1.22 ab
0.12
0.83
0.82
0.57
0.51
0.44
Contrast
0 (nil-Zn) vs. 5 and 10 mg
kg−1 Zn rates
-1.87 c
−1
CAR
0.33
b
-17.08 d
-6.14
-11.92 d
d
-4.10
0.11
0.28
0.69
0.38
d
-3.86b
-1.86
b
3.85
-3.41b
-1.86
-0.62
-0.07
2.76
36.05
44.12
0.13 a
0.20 a
0.98 a
0.15 a
3.03 a
7.88 a
31.40 a
43.77
Zn-AML
5
0.17 ab
0.27 a
2.75 bc 0.35 b
5.03 c
10.23 c
31.52 a
50.32
Zn-PHP
10
5
10
0.17 ab
0.17 ab
0.30 a
0.23 a
4.87 f
2.41 b
0.40 bc
0.30 b
6.33 e
4.30 b
10.27 c
9.43 bc
32.41 a
34.55 a
54.75
51.39
0.22 ab
0.27 a
3.41 d
0.40 b
5.40 cd
10.03 c
33.51 a
53.24
0.20 ab
0.20 ab
0.08
0.23 a
0.27 a
0.20
2.86 c
4.15 e
0.36
0.39 b
0.50 c
0.10
4.11 b
5.73 de
0.62
8.43 ab
10.20 c
1.51
31.91 a
32.37 a
4.12
48.13
53.42
-0.37
-0.1
-14.53 d -1.47 d
-4.41 d -0.26b
-12.71 d
-4.02 d
-11.30b
-2.40
-7.07
-1.09
Zn-S,SEDDS
5
10
LSD 0.05
Contrast
0 (nil-Zn) vs. 5 and 10 mg
kg−1 Zn rates
-0.32
5 vs. 10 mg kg−1 Zn rates
-0.05
Least significant differences between treatments at P ≤ 0.05. b Significant at the 0.05 level. c Significant at the 0.001 level.
Significant differences between fertilizer treatments for the four parameters were at P < 0.0001. Contrast values are the
difference between treatment means.
a
d
99
Chapter 6
Initial nil-Zn
Nil-Zn
Zn-AML 5
Zn-AML 10
Zn-PHP 5
Zn-PHP 10
Zn-EDDS 5
Zn-EDDS 10
soilacid
16
e
Zinc concentration in soil
(mg kg-1)
14
e
12
d
d
10
c
c
c
c
8
6
4
e
b
e
c
b
a
a
f
d
c
b
b
b
de
a
c
b
d
b
a
2
0
DTPA-TEA
Mehlich-3
LMWOAs
BaCl2
Extraction procedure
soilcalc
16
Zinc concentration in soil
(mg kg-1)
14
12
10
e
8
e
d
6
d
c
4
2
b
b
a
b
c
bc
d
b
a
b b b b b
a ab
ns
0
DTPA-TEA
Mehlich-3
LMWOAs
BaCl2
Extraction procedure
Figure 6.2: Concentrations of DTPA-TEA-, Mehlich-3-, low-molecular-weight organic acids soil extracts and
BaCl2-extractable Zn in two soils treated with different Zn fertilizers (Zn-AML [Zn-aminelignosulfonate], ZnPHP [Zn-polyhydroxyphenylcarboxylate], Zn-EDDS [Zn-ethylenediaminedisuccinate]) at 0, 5 and 10 mg Zn kg-1.
Statistical differences at P ≤ 0.05 (LSD test) are presented by different letters. The vertical line at each of the data
represents the standard deviation from the mean.
100
Residual effects of organic Zn fertilizers applied before the previous
crop on soil Zn availability and Zn uptake by flax plant
Soilacid
14
d
12
cd
Transfer factor
b
b
b
10
bc
a
8
6
4
2
0
ol
ntr
o
C
AM
L5
L
AM
10
C
PF
5
C
PF
10
DS
ED
5
DS
ED
10
Treatment
Soilcalc
1.0
d
d
c
0.8
Transfer factor
bc
c
b
0.6
0.4
a
0.2
0.0
ol
ntr
Co
L
AM
5
L
AM
10
C
PF
5
C
PF
10
DS
ED
5
DS
ED
10
Treatment
Figure 6.3: Transfer factor (total Zn concentrations in the plant / total Zn concentrations extracted
from the soil) in two soils treated with different Zn fertilizers (Zn-AML [Zn-aminelignosulfonate],
Zn-PHP [Zn-polyhydroxyphenylcarboxylate], Zn-EDDS [Zn-ethylenediaminedisuccinate]) at 5
and 10 mg Zn kg-1. Statistical differences at P ≤ 0.05 (LSD test) are presented by different letters.
The vertical line at each of the data represents the standard deviation from the mean.
101
Chapter 6
6.5. DISCUSSION
6.5.1. FLAX GROWTH AND ZN UPTAKE
Mean DM yield for Zn treatments (applied to the previous crop) increased 1.1 times the
nil-Zn yield in both soils, but there were no statistically significant differences between the two
Zn application rates. Grant and Bailey (1989) found increases in flax DM yield that ranged
from 0.81 to 4.74 times with respect to the nil-Zn treatment when ZnSO4 was applied at a dose
of 12 kg Zn ha-1 in that crop. Singh and Abrol (1985) showed that high Zn applications in the
crop increased the Zn availability in the soil and Zn content in plants, but did not increase rice
and wheat yield grown in an alkaline soil.
The total Zn concentration of whole flax plants grown without Zn application (nil-Zn)
in Soilcalc remained below the critical Zn tissue concentration of 20 mg Zn kg-1 (Alloway,
2008a). In an experiment performed with residual Zn and these same organic Zn fertilizers,
during two navy bean crops, Alvarez et al. (2009) obtained total Zn concentrations that ranged
between 27.9 and 269 mg Zn kg-1 in an acidic soil with similar properties. In a calcareous soil
with similar properties to that in this experiment, the total Zn concentrations ranged between
19.9 and 26.5 mg Zn kg-1.
For Soilacid all Zn treatments showed total plant Zn concentrations that were much
higher than 50 mg Zn kg-1, which is according to McDonald et al. (2002) the concentration as
the amount of Zn required in plants for animal nutrition. In contrast in Soilcalc none of the
treatments exceeded 50 mg Zn kg-1. In Soilcalc in the previous flax crop only the Zn-EDDS
treatment had total Zn concentrations that exceeded 50 mg kg-1 (Alvarez, 2010).
The normal Zn concentration in dried whole stems of different plants ranges between 30
and 100 mg Zn kg-1 (Kabata-Pendias, 2001). All Zn concentrations in stems of plants grown on
Soilacid were in excessive range (more than 100 mg Zn kg-1), with the exception of Zn-PHP and
Zn-EDDS at 5 mg Zn kg-1. On the contrary, Zn concentration of plant grown on Soilcalc were in
the range of deficiency. In the previous flax crop, Zn concentrations in stems were in the normal
range of Zn concentration except in the case of Zn-PHP application at the rate of 5 mg Zn kg-1
that fell below 25 mg kg-1.
All the Zn treatments showed Zn concentrations in flax seeds (from 78.83 to 229.4 in
Soilacid and from 32.65 to 71.78 in Soilcalc) that were much higher than the values obtained by
Grant et al. (2000) which ranged from 28 to 56 mg kg-1. High concentrations of Zn in flax seeds
are recommended for people whose diets lack meat (Flax Council of Canada, 2011). The Zn
concentrations in flax seeds were three times higher in Soilacid than in Soilcalc.
The Zn concentration in mature leaf tissue is considered sufficient between 25 and 150
mg kg (Kabata-Pendias and Mukherjee, 2007) while it is considered excessive or toxic if it is
higher than 300 mg Zn kg-1 (Vitosh et al., 1994). The total leaf Zn concentration for flax grown
on Soilacid was almost an excessive or toxic value. Also in the previous flax crop Zn-EDDS
applied at 10 mg Zn kg-1 resulted in total Zn concentrations considered excessive or toxic for
Soilacid. However, the residual effect of the fertilizers applied at 10 mg Zn kg-1 did not exceed
the excessive or toxic Zn concentration. In Soilcalc the total Zn concentration in mature leaf
-1
102
Residual effects of organic Zn fertilizers applied before the previous
crop on soil Zn availability and Zn uptake by flax plant
tissue was in the range considered as sufficient according to Kabata-Pendias and Mukherjee for
all the applied Zn treatments.
The aging processes of Zn in soil transferred soluble Zn to more insoluble forms, which
lowered the Zn available for uptake and hence resulted in lower Zn concentration in the plant.
Total Zn concentration and Zn concentrations in the stems, seeds and leaves were higher in
Soilacid than in Soilcalc. These results indicate that the calcareous soil, with higher pH and greater
clay content than the acidic soil, resulted in a more pronounced aging effect on soil Zn
previously available for plant uptake (Mettwally et al., 1993; Alloway, 2008a). According to
Lock and Janssen (2003), factors such as temperature, moisture content, drying and rewetting
cycles, and soil pH affect the rate of aging, but soil pH seems to be the most important factor for
determining the extent of the influence of aging on metal bioavailability.
In the previous flax crop Zn-EDDS applied at 10 mg Zn kg-1 reduced Zn uptake by the
flax crop and decreased % Zn utilization compared to 5 mg Zn kg-1 in Soilacid. However, in
Soilacid, the aging effect of Zn-EDDS in the current crop resulted in greater Zn uptake and % Zn
utilization than in the previous crop. This is in agreement with previous findings which showed
that applying EDDS increased plant Zn contents (Takahashi et al., 1997; Ylivainio et al., 2006).
However, in the current crop Zn-EDDS in Soilcalc resulted in lower Zn uptake and % Zn
utilization than in the previous crop.
6.5.2. ZINC FRACTIONS AND AVAILABLE AND EASILY-LEACHABLE ZN
OF SOIL
In Soilacid applying different Zn rates had a significant effect on the Zn content in the
most labile fractions (Fig. 6.4.): WS (with an increase from 3.5 to 7.0% of Zn in this fraction),
EXC (from 36.7 to 45.7% of Zn in this fraction) and MnOX (from 25.7 to 34.2% of Zn in this
fraction). In Soilcalc applying the Zn fertilizers resulted in only small increases in the most labile
fractions: WS + EXC (from 0.9 to 2.4% of Zn in these fractions). In both soils, these
percentages were lower than after the previous flax crop. The applied Zn therefore appeared to
be predominantly associated with the RES + CAR + FeOX + MnOX fractions (in which the Zn
content increased from 63.5 to 82.4% of Zn in these fractions) and the OM fraction (with an
increase from 16.7 to 34.8%). These results confirm that aging processes transferred soil Zn
from labile pools to less soluble forms (Lock and Janssen, 2003; Lu et al., 2005; Ma and Uren,
2006). However, in general, the experimental conditions in this experiment caused a decrease in
RES fraction and an increase of OM and Ox fractions respect to the previous flax crop .
According to Franzen (2004) it is recommendable to add Zn, if soil Zn levels (DTPATEA-extractable Zn) are below 1 mg Zn kg-1. In Soilacid the available Zn extracted by the
DTPA-TEA and Mehlich-3 were above than the critical concentrations proposed for acidic soils
(Lindsay and Norvell, 1978; Tran and Simard, 1993) for all Zn treatments. In Soilcalc, the soil
available Zn concentrations were higher in all the Zn treatment than the critical Zn
concentration, except in the case of nil-Zn. The soil Zn concentration values extracted by
DTPA-TEA and Mehlich-3 with the nil-Zn treatment were lower than the range of values that
would be considered sufficient or normal (Lindsay and Norwell, 1978; Tran and Simard, 1993).
103
Chapter 6
RES
soilacid
FeOX
MnOX
CAR
EXC
WS
100
90
Zinc distributed (%)
80
70
60
50
40
30
20
10
0
Zn-AML 5
Zn-AML 10
Zn-PHP 10
Zn-PHP 5
Zn-EDDS 5
Zn-EDDS 10
Treatment
soilcalc
RES
FeOX
OM
MnOX
CAR
EXC
WS
100
90
Zinc distributed (%)
80
70
60
50
40
30
20
10
0
Zn-AML 5
Zn-AML 10
Zn-PHP 5
Zn-PHP 10
Zn-EDDS 5
Zn-EDDS 10
Treatment
Figure 6.4: Zinc distribution in several soil fractions (WS, water-soluble; EXC, exchangeable; CAR, carbonate
bound; MnOX, Mn oxides bound; OM, organic matter bound; FeOX, Fe oxides bound; RES, residual fraction)
after harvest of the previous (left columns) and actual flax crop (right columns) in two soils treated with different
Zn fertilizers (Zn-AML [Zn-aminelignosulfonate], Zn-PHP [Zn-polyhydroxyphenylcarboxylate], Zn-EDDS [Znethylenediaminedisuccinate]) at 5 and 10 mg Zn kg-1.
104
Residual effects of organic Zn fertilizers applied before the previous
crop on soil Zn availability and Zn uptake by flax plant
In general, applying Zn-AML at 10 mg Zn kg-1 resulted in the highest available Zn
concentrations in soils and the largest Zn concentrations in the most labile soil fractions.
Applying Zn-EDDS resulted in a high Zn availability during the growing period of the previous
crop, especially in the acidic soil, but Zn availability declined in the following year. This effect
may be due to the fact that EDDS is a biodegradable chelating agent in the soil and the [S,S]isomer rapidly mineralizes in the soil (Takahashi et al., 1997). The Zn chelates applied in this
study were of medium or high stability and it can be assumed that Zn was transferred from the
chelates to soil binding sites to provide the plant with an adequate Zn concentration under these
conditions.
The correlations obtained between the total Zn uptake by plant and the available Zn
concentrations in soil obtained with the different extraction methods indicated that the
LMWOAs method was the best method predicting Zn availability in soils. The soil Zn
concentrations obtained with the DTPA-TEA- and Mehlich-3 reagents were highly and
positively correlated with the Zn concentrations obtained from the cumulative sum of the first
four fractions (WS + EXC + CAR + MnOX) (r = 0.98 and r = 0.92, respectively; P < 0.0001).
According to Ure (1995) it is possible to use the reagents DTPA (0.005M) and EDTA (0.05M)
to extract metals from water soluble, exchangeable, sorbed and organically-bound pools and
also from some bound pools occluded in oxides and secondary clay minerals. There were
positive significant correlations between LMWOAs- and BaCl2-extractable Zn and WS + EXC
Zn fractions (r = 0.98; P < 0.0001). The LMWOAs reagent extracts may correspond to the Zn
of the short-term available pool, while the BaCl2 reagent can only extract Zn adsorbed on soil
particles (Ure, 1995; Feng et al., 2005).
A positive correlation with high levels of significance existed between the total Zn
concentration in the plant and WS + EXC (r = 0.97, P < 0.0001). These results indicated that
the degree of Zn uptake by the plants is controlled by their chemical forms in soils, and
consequently the effectiveness of organic Zn fertilizers concerning plant uptake depends on
their capacity of maintaining the soil Zn in these forms.
In Soilacid Zn-AML applied at both rates and in Soilcalc Zn-AML and Zn-EDDS applied
at 10 mg Zn kg-1 resulted in the most effective Zn transfer from soil to the plant in comparison
with other Zn fertilizer treatments. Kabata-Pendias and Mukherjee (2007) reported TF values of
0.10, although the TF values differed greatly for different plants. Podlesáková et al. (2001)
obtained TF values that ranged from 0.60 to 3.57 for barley (Hordeum vulgare L.) grown in
different soil types. However, in our study the TF values in Soilacid (from 6.40 to 12.54) with
residual effect of the organic Zn fertilizers were much higher than TF values obtained.
105
Chapter 6
6.6. CONCLUSIONS
This study shows that the residual effects and effectiveness of the different Zn
treatments depended on both the source and rate of Zn application and on the soil type. In the
weakly acidic soil, the residual effect of Zn applied in the form of the chelate Zn-AML resulted
in the greatest percentages of Zn utilization and increased Zn transfer rates from the soil to the
plant. However, in the calcareous soil the residual effect of the chelate Zn-EDDS was the most
effective with respect to these parameters. The aging effect was greater in the calcareous soil
than in the weakly acidic soil. Soil properties such as high soil pH and high CaCO3 and clay
contents influenced the aging effect. In both soils significant reductions were recorded in the
levels of the three organic Zn fertilizers with respect to previous crops in terms of the Zn
concentrations in the most labile fractions. Even so, the residual effects of all the organic Zn
fertilizers resulted in adequate concentrations of Zn being available for the subsequent flax crop.
Taking into account the values of soil-available and easily-extractable Zn in the applied Zn
treatments in this pot trial, it would not be necessary to make any new applications of Zn to
prevent Zn deficiencies in subsequent crops in either of the soils to which the Zn treatments
were applied.
106
Chapter 7
Long-term bioavailability
effects of synthesized zinc
chelates fertilizers on the
yield and quality of a flax
(Linum usitatissimum L.) crop
7. Long-term bioavailability effects of
synthesized zinc chelates fertilizers on
the yield and quality of a flax
(Linum usitatissimum L.) crop
Adapted from: Almendros P, Gonzalez D, Alvarez JM. 2012.
Long-term bioavailability effects of synthesized zinc chelates fertilizers on
the yield and quality of a flax (Linum usitatissimum L.) crop
Plant Soil In press: DOI 10.1007/s11104-012-1502-2
7.1.ABSTRACT
The aim of this study was to compare the residual effects of applying Zn from different
commercial synthetic chelates on soils and its influence on a subsequent flax crop (Linum
usitatissimum L.). The chelates used were: Zn-EDDHSA (Zn-ethylenediamine-N,N'-bis(2hydroxyphenylacetate), Zn-EDTA (Zn-ethylenediaminetetraacetate), Zn-HEDTA (Zn-N-2hydroxyethyl-ethylenediaminetriacetate), Zn-EDTA-HEDTA and Zn-DTPA-HEDTA-EDTA
(Zn-DTPA, Zn-diethylenetriaminepentaacetate). The experiment was conducted in a
greenhouse, using two different soils (Soilacid: a weakly acidic soil and Soilcalc: a calcareous soil).
Each treatment was administered to a previous flax crop (by means of a single application) at
different Zn application rates. The yield and some of the flax crop quality parameters were
determined in the subsequent flax crop. Soil Zn behavior was then evaluated by single and
sequential extraction. In Soilacid, the Zn-HEDTA and Zn-EDDHSA fertilizers produced the
highest plant parameter values (total Zn concentration, total uptake Zn), percentages of Zn
utilization, and values for the transfer factor, TF. In contrast, in Soilcalc these fertilizers produced
the lowest in-plant values, with this soil producing the highest yield, quality, percentage of
utilization and TF associated with the application of the Zn-DTPA-HEDTA-EDTA and ZnEDTA fertilizers. However, applications of Zn-EDTA to Soilacid and Zn-DTPA-HEDTA-EDTA
to Soilcalc were associated with the highest levels of bioavailable Zn found in the soil and also
with the highest Zn concentrations associated with the sum of the most labile fractions (water
soluble plus exchangeable fractions). The residual Zn produced by the different fertilizer
treatments, which was estimated using the DTPA (diethylenetriaminepantaacetate), Mehlich-3and LMWOAs (low molecular weight organic acids) methods,- was available in sufficient
quantities for it to be unnecessary to add any further Zn (which could have resulted in overfertilization) to either soil for the subsequent crop.
108
Long-term bioavailability effects of synthesized zinc chelates fertilizers on
the yield and quality of a flax (Linum usitatissimum L.) crop
7.2.INTRODUCTION
Zinc is an essential micronutrient for plants (Loué, 1988; Srivastava and Gupta, 1996) as
it plays an important role in plant structure and function (Kabata-Pendias, 2001) and Zn
deficiency is one of the most widespread disorders affecting a number of crops (Alloway, 2012).
A study conducted by the Food and Agriculture Organization (FAO) showed that zinc
deficiency is the most common micronutrient deficiency and that it affects a wide range of soil
types in many different agricultural areas (IZA, 2007). Zinc deficiency is also a common
nutritional problem in humans, particularly in developing countries, where diets are rich in
cereal-based foods and poor in animal protein (Cakmak et al., 1999; White and Broadley, 2009).
Zinc is considered one of the fundamental elements for the natural growth of crops such
as flax (Linum usitatisimum L.) (Moraghan 1984; Loué 1988; Martens and Westermann, 1991;
Franzen, 2004; Alloway, 2012). Adding Zn to flax improves its growth, increases seed yield and
influences its nutritional quality, as it has a great impact on its mineral composition (Jiao et al.,
2007; Alloway, 2008a).
To evaluate nutritional quality and yield in plants, it is frequent to use such plant
parameters as in-plant Zn concentration, total yield, or Zn uptake (Moraghan and Grafton 1999;
Goos et al., 2000; Luo et al., 2005; Basta et al., 2005; Valenciano et al., 2010). Other plant
parameters can also be used to estimate plant quality, including how much of their content is
soluble in water, diluted acids, or chelators (Marschner, 1995; Alvarez et al., 2010) and how
much chlorophyll they contain (Farghali, 1997; Pietrini et al., 2003). Other factors, such as
transfer factors (TF), were also used to determine in-plant micronutrient levels and to estimate
the quality of plants used as food or feed (Vera-Tome et al., 2003; Chojnacka et al., 2005;
Kabata-Pendias and Mukherjee, 2007).
Several Zn sources have been used to correct Zn deficiencies in crops (Shuman, 1998).
Appropriate correction can result in a residual effect that benefits subsequent crops, although the
benefits obtained will largely depend on the nature of the soil and the crop system employed
(Goos et al., 2000; Gonzalez et al., 2008a). The chemical properties of Zn fertilizers also
influence Zn nutrition and the yield potential of the crops grown. In recent years, fertilizers
containing Zn complexes or synthetic chelates have been added to soils in order to correct Zn
deficiencies (Liñan, 2011). Zinc chelates may differ in their physical state, chemical reactivity,
cost, bioavailability and susceptibility to leaching (Alvarez et al., 2010). The stability of the
metal-chelate bond determines the amount of chelated metal made available to plants; an
effective chelate is one in which the rate of substitution of the chelated metal by other cations
present in the soil is quite low (Norwell, 1991).
Measuring the total Zn concentration in a soil does not provide information about its
mobility, availability, or reactivity to chemical forms (McBride, 1995). The distribution of
metals among soil components is important for assessing the potential of soils to supply
sufficient micronutrients for plant growth and to retain larger quantities of metals (Adriano,
2001). Several cationic trace elements are available to plants in water-soluble and ionexchangeable forms. Kennedy et al. (1997) reported that trace elements in soluble or weakly
adsorbed pools should be regarded as more available than those in strongly adsorbed and
occluded forms. The availability and effectiveness of fertilizer treatments have been directly
related to levels of water soluble Zn (Mortvedt, 1992; Amrani et al., 1999).
109
Chapter 7
Adding Zn fertilizer to soils tend to produce maximum availability immediately after
application followed by decreases in Zn availability (Logan and Chaney, 1983). The activity
and extractability of Zn added to soils in water-soluble forms slowly and continually decreases,
with Zn changing into more stable forms through slow reactions with soil constituents (Shuman,
1991; Slaton et al., 2005). Zinc applied to soil may be involved in several physical, chemical
and biological reactions that determine its concentration in the soil solution (Iyengar et al.,
1981; Shuman, 1998). This process has been referred to by some authors as aging (McLaughlin,
2001; Ma and Uren, 2006).
Selective chemical extraction methods are based on using successively selective reagents
of increasing strength to determine the distribution of metals in soils. These types of extraction
are generally used to explain the chemistry of heavy metals on their interaction with other soil
components, such as clay minerals, organic matter and the soil solution (Ure, 1996; Bacon et
al., 2005). These metal fractions exhibit differences in their mobility, bioavailability and
chemical behavior in soil (Han et al., 1995; Jalali and Khanboluki, 2007). Some chemical
properties of soils, such as pH and redox potential (Eh), can be affected by the addition of
fertilizers to soils (Gonzalez et al., 2008a; Valenciano et al., 2010) because of the chemical
properties that govern trace element sorption, precipitation, solubility and availability (Basta et
al., 2005).
DTPA-(diethylenetriaminepantaacetate) and Mehlich-3-extractable Zn are two of the
indexes used to estimate the bioavailability of Zn in different soils all over the world. Other
reagents, such as low-molecular-weight organic acids (LMWOAs) (Feng et al., 2005), are
currently being used to evaluate the bioavailability of Zn in soils (Krishnamurti et al., 2002;
Wang et al., 2003). The amount of easily leachable Zn can also be determined by the BaCl2
extraction procedure (Schultz et al. 2004).
While several studies have examined the residual effects of adding inorganic sources of
Zn to different crops (Ma and Uren 2006; Alloway 2008a) on soils, only limited data are
available about the residual effects of synthesized zinc chelates fertilizers (Alvarez et al. 2010).
The objectives of this greenhouse study were to determinate the residual effects of commercial
synthetic Zn chelates on: (i) the yield and quality of a flax crop, relative to total Zn
concentration, total Zn uptake, TF and the percentage of Zn utilization; and (ii) the distribution
and availability of Zn in two soils with different characteristics in which subsequent crops were
cultivated.
7.3. MATERIALS AND METHODS
7.3.1. SOIL CHARACTERIZATION
The original soils used in this study were from two different rural areas of Spain
(Soilacid: a weakly acidic soil, from latitude 40º21’ N, longitude 4º00’ W, Madrid; Soilcal: a
calcareous soil, from latitude 40º39’ N, longitude 3º20’ W, Guadalajara). The two soils had
been previously cultivated with cereals or vines under conventional tillage. Samples from the
Ap horizon (depth 0-25 cm) of the two soil profiles were air-dried and sieved, and a fraction of
less than 2 mm was used for the study. Soilacid and Soilcalc were respectively classified as Typic
Haploxeralf and Typic Calcixerept (Soil Survey Staff, 2006). The general properties of the soils
are reported in Table 7.1.
110
Long-term bioavailability effects of synthesized zinc chelates fertilizers on
the yield and quality of a flax (Linum usitatissimum L.) crop
Table 7.1. Selected properties of the original soils (weakly acidic soil, Soilacid and calcareous soil,
Soilcalc) and analytical procedures used in the experiment (EC, electrical conductivity; CEC, cation
exchange capacity) (Means of three replicates ± standard deviation)
Soil properties
Texture (USDA)
Clay (g kg-1)
Predominant clay
pHw(1:2.5 w/v)
EC (µS cm-1)
Oxidizable organic matter (g kg-1)
Total N (g kg-1)
Available P (g kg-1)
CEC (mmol+ kg-1)
Active Fe oxide (Fe2O3) (mg kg-1)
Total CaCO3 (g kg-1)
Free CaCO3 (g kg-1)
a
Standard deviation.
Acidic soil
Sandy loam
Calcareous soil
Loamy sand
100 ± 6a
Illite
6.13 ± 0.09
37.2 ± 1.6
5.00 ± 0.08
1.02 ± 0.11
19.89 ± 0.29
180 ± 5
Esmectite
8.13 ± 0.03
178 ± 7
12.9 ± 0.1
1.10 ± 0.05
12.58 ± 0.48
47.2 ± 1.2
141 ± 2
-
235 ± 10
56 ± 1
134 ± 6
33.4 ± 1.9
7.3.2. GREENHOUSE EXPERIMENT. SOIL PREPARATION
The soils used in this study were residual soils from an experiment conducted the
previous year that involved growing a first flax crop. For the first crop, the different soils were
treated with aqueous suspensions of three fertilizers at different rates of Zn application (0, 5 and
10 mg kg-1). The control treatment (with no added Zn) and the Zn fertilizer treatments were
replicated 3 times according to a randomized complete block design (total number of pots: 66).
The
fertilizers
used
were:
Zn-EDDHSA
[Zn-ethylenediamine-di-(2-hydroxy-5sulfophenylacetate)],
Zn-EDTA (Zn-ethylenediaminetetraacetate), Zn-HEDTA (Zn-N-2hydroxyethyl-ethylenediaminetriacetate), Zn-EDTA-HEDTA and Zn-D-H-E (Zn-DTPAHEDTA-EDTA; Zn-DTPA, Zn-diethylenetriaminepentaacetate). These fertilizers are marketed
by several different companies and have Zn concentrations (w/w) of 3.6, 7.3, 7.0, 6.0 and 6.9%,
respectively (Liñan, 2011).
After the first crop, soil from each container was air-dried on polyethylene plastic and
homogenized. 13.5 kg of these soils were then placed in the polyethylene containers (capacity,
15 L; internal diameter, 26.5 cm; and height, 27.5 cm) and left to stand for eight months (from
July to February) to equilibrate.
7.3.3. FLAX CROP
The containers were placed in a greenhouse in which temperatures ranged from 12 ºC
(night) to 38 ºC (day) and the relative air humidity, determined using Fig-fog spray nozzle
technology, ranged from 60% to 85%. The experiment was performed in spring (from 1st March
to 15th June) with “high” ambient light intensities. To evaluate evapotranspiration, the
containers were weighed (balance A&D Instruments Ltd., UK, model FG-30 KBM) once a
week and we estimated the volume of irrigation water required. The containers were irrigated
with water to 60% soil field capacity (Soilacid, 39.6 g H2O kg-1; Soilcalc, 123 g H2O kg-1), a level
that was then maintained. The nutritional condition of the soil, in terms of N, P and K, was
assessed using the electroultrafiltration technique (Wiklicky and Nemeth, 1981). Additional
111
Chapter 7
doses of N, P and K were applied at rates of 100 mg N kg-1 (N was applied in two doses of 50
mg N kg-1, at the beginning of the experiment and after 74 days), 120 mg P kg-1, 146 mg K kg-1
and 60 mg S kg-1 [applied as (NH2)2CO, Ca(H2PO4)2 and K2SO4]. Fifty linseed plants (Linum
usitatissimum L., Natasja variety, AGROSA S.A., Guadalajara, Spain) were subsequently
cultivated in each container. No Zn was applied before this second crop; it was therefore
possible to evaluate the residual effect of the Zn applied before the first crop.
The total growing time of this crop was one hundred days from when the seedlings and
plants reached an approximate height of 80-90 cm. The plants were then harvested and washed
twice in deionized water. Fresh leaves were collected between the seventh and fifteenth
positions on the upper parts of the plants to determine the chlorophyll content in fresh matter.
The plants were then dried in an oven at 60º C to a constant weight. Once weighed, the leaves,
stems, roots and seeds were separated, weighed and kept in sealed containers for later analysis.
The soil from each container was air-dried and manually homogenized. A soil sample of
approximately 200 g was taken from each container, sieved to a size of less than 2 mm, and then
stored for further analysis in the laboratory.
7.3.4. PLANT ANALYSIS
The chlorophyll content in fresh leaves was determined at the end of the experiment. The
method described in the Official Methods of Analysis (AOAC, 1990) was followed to
determinate chlorophyll content: 0.2 g of fresh material was macerated in a mortar with 50 mL
of acetone (85%) until the leaves turned a whitish color. The resulting suspension was then
filtered through a Whatman nº 41 in a 50 mL flask covered with aluminum paper. The
absorbance of the filtrate was measured at 660.0 and 642.5 nm with a UV-1603 spectrometer
(Shimadzu). The chlorophyll content was calculated as follows:
Total chlorophyll = 7.12 A660.0 + 16.8 A642.5
Chlorophyll a = 9.93 A660.0 – 0.777 A642.5
Chlorophyll b = 17.6 A660.0 – 2.81 A642.5
At the end of the experiment, the DM (dry matter) yield was determined by weight after
drying the samples to a constant weight in a forced-draft oven at 60ºC. The total Zn
concentration in the DM was determined for different parts of the plants by acid digestion in a
microwave oven (CEM Corporation, model-Mars, Matthews, NC, USA). This was done in two
steps (maximum pressure of 1.17 MPa), using 0.25 g of dried ground samples and 10 mL of
acid mixture [5 mL HNO3 (65%), 2 mL HF (48%) and 3 mL H2O).
The soluble Zn concentrations in the dry leaves were determined using 0.25 g of ground
dry leaf mixed with 10 cm3 of 1 mM MES [2-(N-morpholino)ethanesulfonic acid] at pH 6 (ratio
1:40 w/v) shaken for 5 h at 120 rpm. They were then centrifuged (at 10,000 rpm for 15 min) and
the leaf-extractant suspension was filtered with Whatman nº 41. The Zn concentrations were
determined in the supernatant solution by flame absorption spectrophotometry (FAAS) (PerkinElmer AAnalyst 700) involving direct aspiration of the aqueous solution by an air-acetylene
flame.
112
Long-term bioavailability effects of synthesized zinc chelates fertilizers on
the yield and quality of a flax (Linum usitatissimum L.) crop
To evaluate the relative effectiveness of the Zn treatments, in this second crop, we
calculated the Zn utilization by flax plants with respect to the total amount of Zn added to the
previous crop (% Zn utilization). This parameter was calculated as:
Zn utilization (%) = [Zn uptake (treatment) – Zn uptake (control)] × 100 / Zn added
7.3.5. SOIL ANALYSIS
Soil samples were analyzed to estimate total, available and easily leachable Zn and the
distribution of Zn within the different soil fractions. Total Zn was determined by acid digestion
after treating 1 g of soil with 14 mL HNO3 (65%) and 6 mL HF (48%), followed by digestion in
Teflon bombs in a microwave oven; this took place in three steps (maximum pressure 700 kPa)
and involved the use of a rotating tray.
The distribution of Zn within the component parts of the soil solid-phases was determined
by selective sequential extraction (SEE). The SSE used was a six-step procedure, performed
according to slightly modified versions of methodologies previously used by other authors
(Mehra and Jackson, 1960; Chao, 1972; Tessier et al., 1979) (Table 7.2). The soil
(g)/extractant solution (mL) ratio was 1:10. After each step, the soil suspension was centrifuged
(4000 g for 10 min) and the supernatant solution was decanted and filtered (with Albet 400
paper filter). The residual Zn fraction (fraction 7, RES) was calculated as the difference between
total Zn and the sum of the other six fractions.
The amount of Zn available to plants was assessed by three different extraction methods:
the DTPA-TEA (TEA, triethanolamine) (Lindsay and Norvell, 1978), Mehlich-3 (Mehlich,
1984) and LMWOAs (rhizosphere-based extraction) methods (Feng et al., 2005). Easily
leachable Zn was extracted using the BaCl2 reagent, according to Schultz et al. (2004), in a
modified version of the ISO 11260 Norm (1994). Standard solutions of Zn were prepared for
each extraction in a background solution of the extracting agents. The Zn concentrations in the
different extracts from plants and soils were determined by FAAS (Perkin Elmer, AAnalyst
700); this procedure involved direct aspiration of the aqueous solution by an air-acetylene
flame.
The pH and redox potential (Eh) parameters were measured in water at a 1:2.5 (w:v)
soil:water ratio 45 and 90 days after germination, using Hamilton manufactures pH (LP238285,
KCl 3 M plus glycol electrolyte) and redox (LP238145, Pt, KCl 3 M electrolyte) electrodes (ISO
11271, 2002). Two standard redox checks (212 and 468 mV) were used to measure the Eh
parameter.
The transfer factor (TF) was also calculated (total Zn concentration in the plant / Zn
concentration extracted from the soil) in order to relate the parameters respectively determined
in the soil and flax plant (Prasad and Sinha 1981; Kabata-Pendias 2001).
113
Chapter 7
Table 7.2. Selective sequential extraction (SSE) procedure of Zn from soil
Step
1
Fraction
Water-soluble Zn, WS
Extraction solution
Deionized water
Conditions
shake for 1 h
2
Exchangeable Zn, EXC
1 M MgCl2, pH 7.0
shake for 1 h
3
Carbonate bound Zn, CAR
0.1 M NaOAc, pH 5.0
shake for 5 h
4
Mn oxides bound Zn, MnOX
5
Organic matter bound Zn, OM
6
Iron oxides bound Zn, FeOX
7
Residual, RES
0.05 M NH2OH•HCl,
pH 2.0
(1) 0.02 M HNO3 +
H2O2 (30%)
(2) 2 M NH4NO3 +
HNO3 (20%)
(1)
0.3
M
Na3C6H5O7•2H2O
(trisodium citrate) + 0.12
M NaHCO3, pH 7.0
(2) 1 g of Na2S2O4
(sodium dithionite)
shake for 30 min
References
-Tessier et al.
(1979)
Tessier et al.
(1979)
Chao (1972)
(1) two extractions in a boiling
water bath for 2 h (85 ºC)
Tessier et al.
(1979)
(2) shake for 30 min
(1) in a bath of boiling water for
15 min
Mehra and
Jackson
(2) in a bath of boiling water for (1960)
30 min
7.3.6. STATISTICAL PROCEDURES
Correlation analysis and other statistical studies were performed with Statgraphics Plus
software, Version 5.1 (Manugistic, Rockville, MD). Multifactor analysis of variance was
performed to determine the main effects and interactions of the different parameters. Due to the
highly significant interaction between the Zn source and Zn rate (5 and 10 mg kg-1), we
performed a new multifactor analysis of variance to determinate the main effects of fertilizer
treatment (Zn source x Zn rate) and experimental repetition. Multiple comparisons of variables
were made using the means separation test (LSD). A probability level of P ≤ 0.05 was chosen to
establish the statistical significance.
7.4. RESULTS
7.4.1. FLAX GROWTH AND ZINC UPTAKE
The residual effects of the synthetic Zn chelates on this flax crop in terms of DM yield,
total plant Zn concentration, and Zn uptake by flax plants are shown in Table 7.3.
According to the LSD test, the DM yields for each soil were statistically different for the
different fertilizer treatments applied to each soil, including the control treatment (P < 0.05). In
Soilacid, applying Zn-EDTA, Zn-EDTA-HEDTA and Zn-D-H-E at the rate of 5 mg Zn kg-1
produced similar or greater yields than applying 10 mg Zn kg-1. Furthermore, in these
treatments, the high rate of application (10 mg Zn kg-1) did not produce any significant
differences with respect to the control treatment (without Zn fertilization). The Zn-EDDHSA
and Zn-HEDTA treatment applied at the rate of 10 mg Zn kg-1 produced the highest DM yields,
with increases of 19.60 and 17.63% with respect to the control treatment. In Soilcalc, the highest
application rate (10 mg Zn kg-1) did not produce any significant differences with respect to the 5
mg Zn kg-1 rate of application for any of the fertilizers tested. Even, when Zn-D-H-E was
applied at the rate of 10 mg Zn kg-1, the DM yield still decreased by 7.65% with respect to the
same source applied at the lowest rate (5 mg Zn kg-1). The Zn-EDDHSA source produced the
highest DM yield when applied to this soil at both rates.
114
Long-term bioavailability effects of synthesized zinc chelates fertilizers on
the yield and quality of a flax (Linum usitatissimum L.) crop
Adding Zn chelates significantly increased both the total Zn concentration and Zn uptake
by the plant, with respect to the control treatment, in both of the soils (P < 0.0001) (see Table
7.3). Applying fertilizers at the rate of 10 mg Zn kg-1 produced greater values than applying
them 5 mg Zn kg-1 for both plant parameters and in both soils.
Table 7.3. Response of flax plants in different soils to different synthetic Zn chelates. DM, dry matter. Total Zn
uptake column is a combination of the other columns.
Amount of Zn
Soil
Treatment
Dry matter yield Total Zn conc. Total Zn uptake
added
-1
mg kg soil
g per container
mg kg-1 DM
mg per container
1 (acidic)
Control
0
34.03 a
60.21 a
2.05 a
Zn-EDDHSA
5
38.52 d-f
122.43 c
4.71 c
10
40.70 f
174.88 f
7.12 e
Zn-EDTA
5
36.87 a-d
105.45 b
3.88 b
10
34.93 ab
142.02 d
4.97 c
Zn-HEDTA
5
38.28 c-f
123.72 c
4.74 c
10
40.03 ef
179.15 f
7.17 e
Zn-EDTA-HEDTA 5
36.49 a-d
124.04 c
4.53 c
10
35.07 ab
159.90 e
5.61 d
Zn-D-H-E
5
37.41 b-e
104.20 b
3.90 b
10
35.62 a-c
130.45 c
4.64 c
LSD 0.05a
2.88
11.37
0.53
2 (calcareous) Control
0
33.53 a
16.57 a
0.56 a
Zn-EDDHSA
5
38.77 c
39.78 b
1.54 b
10
39.21 c
52.31 c
2.04 c
Zn-EDTA
5
36.61 a-c
62.71 de
2.29 d
10
36.31 a-c
99.83 h
3.62 g
Zn-HEDTA
5
37.87 bc
34.58 b
1.31 b
10
37.93 bc
64.03 e
2.43 d
Zn-EDTA-HEDTA 5
35.24 ab
55.87 cd
1.97 c
10
36.64 a-c
86.67 g
3.17 f
Zn-D-H-E
5
37.68 bc
74.04 f
2.78 e
10
34.80 ab
92.09 gh
3.20 f
LSD 0.05
3.30
8.08
0.25
a
Least significant differences between treatments at P ≤ 0.05.
The Zn concentrations in stems, seeds and leaves in DM are shown in Fig. 7.1. According
to the ANOVA multifactor test (P < 0.0001), applying Zn chelates increased the Zn
concentrations in stems, seeds and leaves with respect to the control treatment, in both soils.
These Zn concentrations showed a positive and significant correlation with total plant Zn
concentrations in both soils (P < 0.001 and r ranged from 0.95 to 0.99, except in the case of Zn
concentrations in seeds and the total plant Zn concentration in Soilacid: where P < 0.05, r = 0.82).
In Soilacid, the highest Zn concentrations in stems, seeds and leaves were observed with the
application of Zn-EDDHSA, Zn-HEDTA and Zn-EDTA-HEDTA. In contrast, in Soilcalc, the
highest Zn concentrations were observed when Zn-EDTA and Zn-D-H-E were applied. The
soluble Zn concentration in DM extracted with the MES reagent showed a positive and
significant correlation with Zn concentrations in leaves (P < 0.001, r = 0.87 in Soilacid, and P <
0.0001, r = 0.99 in Soilcalc).
115
Chapter 7
In both soils, the total chlorophyll content in the flax leaves (chlorophyll types a and b)
showed no significant differences between fertilizer treatments. The total chlorophyll content in
Soilacid ranged from 2.12 to 2.68 mg g-1 (for Zn-EDDHSA applied at the rate of 5 mg Zn kg-1
and Zn-EDTA applied at the rate of 10 mg Zn kg-1, respectively) and in Soilcalc it ranged from
1.56 to 2.17 mg g-1 (for the control treatment and for Zn-D-H-E applied at the rate of 5 mg Zn
kg-1, respectively).
stems
Soilacid
seeds
350
g
Zinc concentration
(mg Zn kg-1 soil)
300
e
fg
ef
250
cd
de
cd
200
bc
b
g cd
150
a
100
50
leaves
g
a
ef
b
de
bc b
g de
cd
d
f e
c
c
bc
b
cd b
b
a
0
control
5
10
5
Zn-EDDHSA
10
Zn-EDTA
5
10
Zn-HEDTA
5
10
5
Zn-D-H-E
Zn-EDTA-HEDTA
stems
Soilcalc
seeds
350
Zinc concentration
(mg Zn kg-1 soil)
300
leaves
g
f
250
200
d
de
150
c
100
b
b
50
10
a
aa
e
d
e
cd
cd
c
f
c
b
f
d
c
b
e
b
c
f
e
cd
e
d
cd
f
0
control
5
10
Zn-EDDHSA
5
10
Zn-EDTA
5
10
Zn-HEDTA
5
10
Zn-EDTA-HEDTA
5
10
Zn-D-H-E
Figure 7.1. Zinc concentrations of stems, seeds and leaves in both soils treated with different Zn fertilizers and rates
(0, 5 and 10 mg Zn kg-1). Statistical differences at P ≤ 0.05 (LSD test) are presented by different letters (steams, bolt
letters; seeds, roman letters and leaves, italic letters). The vertical line at each of the data represents the standard
deviation from the mean
116
Long-term bioavailability effects of synthesized zinc chelates fertilizers on
the yield and quality of a flax (Linum usitatissimum L.) crop
7.4.2. ZINC FRACTIONS, AVAILABLE ZINC AND EASILY LEACHABLE
ZINC
The distributions of Zn fractions in both soils for this second crop are shown in Fig. 7.2.
In Soilacid, significant differences were obtained between treatments for all of the fractions
studied except the RES fraction [P < 0.0001 for the WS (water-soluble), EXC (exchangeable)
and MnOX (Mn oxides) fractions and P < 0.05 for the OM (organic matter) and FeOX (iron
oxides) fractions]. The highest concentrations in the most labile Zn fractions (WS + EXC) were
observed when Zn-EDTA was applied at the rate of 10 mg Zn kg-1. The lowest concentrations in
the most labile Zn fractions were obtained when Zn-HEDTA was applied at the rate of 5 mg Zn
kg-1.
In Soilcalc, significant differences were obtained between treatments for the WS, CAR
(carbonate), MnOX, and OM fractions (P < 0.0001) and the FeOX fraction (P < 0.001). The
highest concentrations in the most labile Zn fractions (WS + EXC) were observed for the Zn-DH-E treatment applied at the rate of 10 mg kg-1. The lowest concentration associated with these
Zn fractions was observed with Zn-EDDHSA applied at the rate of 5 mg Zn kg-1. The highest
Zn concentrations associated with the CAR fraction were obtained with Zn-EDTA applied at the
rate of 10 mg kg-1, and the lowest with Zn-D-H-E applied at the rate of 5 mg kg-1.
Potentially available Zn concentrations were extracted using the DTPA-TEA, Mehlich-3
and LMWOAs methods (Fig. 7.3). The concentration of bioavailable Zn in Soilacid was greater
than the amount of Zn extracted from Soilcalc for each Zn treatment. In both soils, significant
differences (P < 0.0001) were obtained between treatments applying the different extraction
methods. In all the treatments, the Zn concentrations extracted were higher for the 10 mg Zn kg1
application rate than for that of 5 mg Zn kg-1. In Soilacid, the available Zn concentration
obtained with the DTPA-TEA method ranged from 2.15 to 12.30 mg Zn kg-1; using Mehlich-3,
it ranged from 2.93 to 17.57 mg Zn kg-1; and applying the LMWOAs method, it ranged from
1.63 to 9.83 mg Zn kg-1 (for the control and for Zn-EDTA applied at the rate of 10 mg kg-1,
respectively, in all cases). The Zn concentrations extracted from this soil were considered
normal or adequate for the growth of most plants (Lindsay and Norwell 1978; Tran and Simard
1993). In contrast, in Soilcalc, the Zn concentrations extracted in the control treatment were 0.91,
1.6 and 0.13 mg Zn kg-1 (according to the DTPA-TEA, Mehlich-3, and LMWOAs methods,
respectively); these available Zn concentrations were lower than the critical Zn level for a
calcareous soil. In this soil, the highest available Zn concentrations were obtained with
Zn-D-H-E applied at the rate of 10 mg kg-1 (6.6 and 1.13 mg Zn kg-1, for DTPA-TEA and
LMWOAs methods, respectively) and with Zn-EDTA applied at 10 mg kg-1 (10.83 mg Zn kg-1,
applying the Mehlich-3 method).
The concentration of Zn estimated to be easily leachable was determined by the BaCl2
extraction method (see Fig. 7.3). Significant differences (P < 0.0001) were obtained between
treatments in both soils. In Soilacid, the control treatment registered a concentration of 1.90 mg
Zn kg-1. In this soil, the highest Zn concentration was obtained with Zn-EDTA applied at the
rate of 10 mg kg-1 (8.73 mg Zn kg-1). In Soilcalc, the control treatment produced a Zn
concentration of 0.19 mg Zn kg-1. The most easily leachable Zn concentration was obtained with
Zn-D-H-E applied at both rates (0.90 and 1.77 mg Zn kg-1 at rates of 5 and 10 mg kg-1,
respectively).
117
Chapter 7
The pH and redox potential (Eh) parameters were measured in both soils at two times: 45
and 90 days after seed germination. The mean pH values for Soilacid were 6.28 and 5.78,
respectively, for the different crop times; in Soilcalc they were 7.77 and 8.33, respectively. In
Soilacid, the mean Eh values for the different crop times were 492 and 602, respectively, and in
Soilcalc, they were 680 and 474, respectively, for the different crop times.
30
Soilacid
20
RES
15
FeOX
10
5
MnOX
0
EXC
on
tro
DH l
Zn
-E
SA
D
DH -5
SA
-1
Zn
0
-E
D
T
Zn
A-E
5
D
Zn TA10
-H
Zn EDT
-H
A
Zn
ED -5
-E
D
TA T AZn
10
-H
-E
D
ED
TA
-H T A5
ED
TA
Zn
-D 10
-H
Zn
-D E-5
-H
-E
-1
0
OM
WS
Zn
-
ED
C
Zinc concentration
(mg Zn kg-1 soil)
25
70
Soilcalc
Zinc concentration
(mg Zn kg-1 soil)
60
50
RES
40
FeOX
30
OM
20
MnOX
10
CAR
0
on
tro
Zn
DH l
-E
D SADH
5
SA
Zn
-E 10
Zn DTA
-E
-5
D
Zn TA
-H -10
Zn ED
Zn
-H T A
-E
E D -5
D
Zn
TA T A
-E
-H -10
D
TA ED
-H T A
E D -5
T
Zn A-D 10
Zn -H-D E-5
-H
-E
-1
0
EXC
Zn
-
ED
C
WS
Figure 7.2: Zinc fractions (mg kg-1 soil) in soils with the application of different synthetic Zn
fertilizer treatments [Zn-EDDHSA, Zn-ethylenediamine-N,N'-bis(2-hydroxyphenylacetate); ZnEDTA, Zn-ethylenediaminetetraacetate; Zn-HEDTA, Zn- hydroxyethylenediaminetriacetate; ZnD-H-E, Zn-DTPA-HEDTA-EDTA;WS, water-soluble; EXC, exchangeable; CAR, carbonate
bound; MnOX, Mn oxides bound; OM, organic matter bound; FeOX, Fe oxides bound; RES,
residual fraction]
Soilacid
118
soil)
Mehlich-3
LMWOAs
BaCl2
20
18
-1
DTPA-TEA
g
16
f
ef
Long-term bioavailability effects of synthesized zinc chelates fertilizers on
the yield and quality of a flax (Linum usitatissimum L.) crop
Figure 7.3: Concentrations of DTPA-TEA-, Mehlich-3-, LMWOAs-(low-molecular-weight organic acids) and BaCl2extractable Zn in both soils treated with different Zn fertilizers and rates. Statistical differences at P ≤ 0.05 (LSD test)
are presented by different letters (DTPA-TEA, bolt letters; M-3, roman letters; LMWOAs, italic letters and BaCl2, bolt
and italic letters). The vertical line at each of the data represents the standard deviation from the mean.
119
Chapter 7
7.5. DISCUSSION
7.5.1. DRY MATTER PRODUCTION AND ZINC UPTAKE
Moraghan (1984) reported that flax (Linum usitatisimum L.) presents a very clear
response to the addition of Zn. Applying Zn to soil can result in a residual effect for subsequent
flax crops whose benefits will depend on the effectiveness of the Zn fertilizers and the nature of
the soil. In our study, it was found that applying synthetic Zn chelates considerably increased
the total Zn concentration and Zn uptake by flax plants with respect to the control treatment, in
both soils.
In Soilacid, the total Zn concentrations for all the treatments were much greater that those
proposed by McDonald et al. (2002) as the amount of plant Zn required for animal nutrition (50
mg Zn kg-1). In Soilcalc, applying Zn-EDDHSA and Zn-HEDTA at the rate of 5 mg Zn kg-1 did
not produce this level of Zn, but it did result in a quantity of Zn that exceeded the critical
concentration in plant tissue proposed by Alloway (2008a) and Jones (2001) (20 mg Zn kg-1).
Vitosh et al. (1994) reported that plant tissues contents of between 30 and 100 mg kg-1 of Zn
could be considered normal, and that concentrations of over 300 mg kg-1 could be considered
excessive or even toxic. In our study, the control treatment in Soilcalc, produced a plant Zn
concentration that was considered lower than normal. The Zn concentrations in flax seeds in the
control treatment in Soilcalc were also low. According to Wise (1995) and Kiralan et al. (2010),
high concentrations of Zn in flax seeds are recommended for human consumption.
According to Nörtermann (2005) and Sykora et al. (2001), the biodegradability of the
chelate agents depends on the type and number of substitutions in their molecules. According to
these authors –COOH substituent gives to the metallic chelates great stability and reduces their
degradation. In our study, in Soilacid the highest total Zn concentrations and total Zn uptakes
were obtained with Zn-EDDHSA and Zn-HEDTA. In acidic soils –with smaller incidences of
nutritional disease than calcareous soils- polyaminocarboxylic acids derived from EDDHA,
such as EDDHSA, are very efficient chelating agents because they contain two –SO3H
substituents and two –COOH substituents (Lucena et al., 2005). The HEDTA chelating agent is
relatively readily subject to degradation because it contains three –COOH substituents and one –
CH2OH substituent. According to Sykora et al. (2001), the biodegradability of ethylenederivates decreases in the order: –CH2OH, –COOH.
In Soilcalc the different treatments produced lower Zn concentrations and total Zn
uptakes than when Zn-D-H-E and Zn-EDTA fertilizers were applied. Chelate agents such as
DTPA and EDTA (with five and four –COOH groups in the structures of their respective
molecules) are not very biodegradable and this has therefore been proposed as a way of
enhancing the uptake of heavy metals in calcareous soils.
Alvarez et al. (2009) reported similar behavior in total Zn concentrations associated
with Zn-HEDTA in a weakly acidic soil and with Zn-D-H-E and Zn-EDTA fertilizers in a
calcareous soil in which a navy bean crop was grown in Zn fertilized residual soils. Otherwise,
the control treatment in Soilacid showed higher total Zn concentrations and total Zn uptakes than
some of the treatments applied to Soilcalc. This suggests that the soil characteristics of Soilacid
were more beneficial to total Zn concentrations and plant Zn uptake than those of Soilcalc,
However, this effect was not observed in the DM yield, for which similar values were registered
for both soils.
120
Long-term bioavailability effects of synthesized zinc chelates fertilizers on
the yield and quality of a flax (Linum usitatissimum L.) crop
Besides having a great influence on plant quality, as shown in the high values for Zn
concentrations in plants, applying the synthetic chelates Zn-HEDTA (to Soilacid) and Zn-EDTA
(to Soilcalc) also produced high Zn concentrations in stems, seeds and leaves. These Zn
concentrations in leaves would be considered excessive according to Kabata-Pendias and
Mukherjee (2007), who consider appropriate Zn concentrations in mature leaf tissue to lie
between 27 and 150 mg kg-1 and dry matter Zn concentrations of between 100 and 400 mg kg-1
to be excessive. Even so, it should be underlined that the values proposed by these authors were
not for either very sensitive or for highly tolerant plant species like flax.
The percentage of Zn used (percentage Zn utilization) is an important parameter in any
study of the relative efficiency of a fertilizer and determines the percentage of Zn use by a
particular crop (Prasad and Sinha, 1981). The Zn utilization by the crop depended on the type
of chelate used, the rate of application and the characteristics of the soil studied (Fig. 7.4). For
each fertilizer, the percentage of Zn used was similar or greater for the 5 mg Zn kg-1 rate of
application than for that of 10 mg Zn kg-1; the only exception was the case of Zn-HEDTA
applied to Soilcalc. In Soilacid, applying the Zn-HEDTA and Zn-EDDHSA fertilizers at both rates
produced the highest utilization values (over 3.50 %). However these treatments were the least
effective (according to the percentage of Zn utilization) in Soilcalc. In this calcareous soil, Zn-DH-E applied at the rate of 5 mg Zn kg-1 was the treatment with the greatest percentage of Zn
utilization (3.18 %); however this fertilizer was not very effective in Soilacid. In Soilcalc ZnEDTA also produced high values for the percentage of Zn utilization (2.19 and 2.48 % at
application rates of 5 and 10 mg Zn kg-1, respectively). Soil properties (mainly pH, clay content,
and carbonate content) condition the effectiveness of residual Zn sources. In calcareous soils
greater demands are placed on different Zn sources than in acidic soils.
The concentrations of soluble Zn in cotton roots and in maize, millet, tobacco, sugar beet,
grape leaves and navy bean provide good indicators of their respective Zn nutritional statuses
(Wiklicky and Nemeth, 1981; Rahimi and Schropp, 1984; Cakmak and Marschner, 1988;
Gonzalez et al., 2008a). In our study, the determination of soluble Zn extracted with MES in
DM could therefore be used to know the nutritional status of a flax plant with respect to this
microelement.
Soil acid
Soilcalc
5
4
utilization (%)
utilization (%)
4
3
2
3
2
1
1
0
0
5
10
Zn-EDDHSA
5
10
Zn-EDTA
5
10
Zn-HEDTA
5
10
Zn-EDTAHEDTA
5
10
Zn-D-H-E
5
10
Zn-EDDHSA
5
10
Zn-EDTA
5
10
Zn-HEDTA
5
10
Zn-EDTAHEDTA
5
10
Zn-D-H-E
Figure 7.4: Zinc utilization by the crop in both soils treated with different Zn fertilizers and rates (0, 5 and 10 mg Zn
kg-1). The vertical line at each of the data represents the standard deviation from the mean
121
Chapter 7
7.5.2. ZINC FRACTIONS, AVAILABLE ZINC AND EASILY LEACHABLE
ZINC
In all the cases studied, applying Zn fertilizers in the first crop-year had a positive effect
on the Zn concentrations available in the second crop year. This, as shown by the sum of the
most labile fractions (WS + EXC), was applicable to both soils. In the control treatment, the
sums of labile fractions produced values equivalent to 21.32 and 0.76% of the total Zn
concentrations, in Soilacid and Soilcalc respectively. When the fertilizers were applied, the mean
sums of the labile fractions (WS + EXC) reached 35.50 and 1.75% of the total Zn
concentrations in Soilacid and Soilcalc, respectively. The distribution of Zn fractions also
depended on the fertilizer treatment applied and the soil used. According to several authors
(Iyengar et al., 1981; Hazra et al., 1987; Lu et al., 2005), the Zn values associated with the
most labile fractions (WS, EXC) tend to be greater in acidic than in calcareous soils, in terms of
the percentage of total Zn.
Obrador et al. (2003) reported that about 92% of Zn was found in the RES fraction of a
calcareous soil (pH, 8.3) amended with Zn complexed by natural amino acids and Zn chelated
with a mixture of three synthetic chelating agents: DTPA, HEDTA and EDTA after a maize
crop. In our study, the effect of applying Zn treatments was a mean decrease in the percentage
of the RES fraction with respect to the total Zn content, with values ranging from 10.57% to
71.73%, in Soilacid and from 8.14 to 57.18%, in Soilcalc.
In Soilacid, applying the Zn treatments caused a mean increase in the Zn concentration in
the MnOX fraction (with values increasing from 14.16% in the control treatment to 20.11%)
and a mean decrease in the Zn concentrations in the OM and FeOX fractions (from 20.06 to
19.24% and from 21.18 to 12.53%, respectively). In Soilcalc, applying the Zn treatments
produced increases in the Zn concentrations in the MnOX and OM fractions (from 0.33 to
0.99% and from 6.93 to 11.91%, respectively), while the Zn concentration in the FeOX fraction
decreased from 4.57 to 3.90%. According to Ma and Uren (1997) and Lu et al. (2005), aging
processes resulted in the transfer of soil Zn from labile pools to less soluble forms or more
residual pools. This effect was less pronounced in the fertilizer treatments than in the control,
particularly in the case of Soilacid and when Zn-D-H-E was applied to Soilcalc.
Sources that contained EDTA or DTPA chelating agents were observed to exhibit
potentially available Zn and the highest Zn concentration in the WS + EXC fraction. This
behavior could be related to differences in the stability constant (K) of the chelates studied
under these soil and plant conditions; the Zn sources that contain the most stable chelates (log K
-1
Zn-EDTA = 17.5 and log K Zn-DTPA = 19.5 with an ionic strength of 0.01 mol L ) (Lindsay 1979;
Martell et al. 2001) maintain greater amounts of Zn in their soil solutions. In contrast, in the
case of Zn sources that contain less stable chelates, for example Zn-HEDTA (log K Zn-HEDTA =
15.3 with an ionic strength of 0.01 mol L-1), the metal is retained by the soil components. There
should therefore be an inverse relationship between Zn retention by the soil and the stability of
Zn chelates.
Zinc associated with the WS + EXC fractions exhibited a significant negative correlation
with soil pH (P < 0.0001, r = -0.89), while RES Zn forms showed a significant positive
correlation with pH (P < 0.0001, r = 0.97). Zinc extracted by the DTPA-TEA, Mehlich-3,
LMWOAs and BaCl2 methods also showed significant negative correlations with pH (P <
0.001, r = -0.68; P < 0.05, r = -0.59; P < 0.0001, r = -0.91 and P < 0.0001, r = -0.90,
respectively). According to Mortvedt and Giordano (1967), the mobility of Zn fertilizer in soil
122
Long-term bioavailability effects of synthesized zinc chelates fertilizers on
the yield and quality of a flax (Linum usitatissimum L.) crop
decreases as soil pH increases, with the amount of Zn extracted from the most labile fractions
increasing as soil pH decreases.
Simple linear regression analysis (Table 7.4) showed the highest linear correlation
coefficient between WS + EXC and both DTPA-TEA and LMWOAs methods and between the
CAR and Mehlich-3 method. The easily leachable Zn extracted by BaCl2 showed the highest
linear correlation with the Zn associated with the most labile fraction (WS+EXC) and the
LMWOAs method (see Table 7.4). This was due to the difference in strength of the different
reagents used (Viets, 1962). Cieśliński et al. (1998) reported that Zn extracted by the LMWOAs
method corresponded to the portion responsible for the short-term available pool. The BaCl2
reagent extracts metallic elements which are adsorbed onto soil particles (Räisänen et al., 1997).
The increase in bioavailable Zn and the most labile forms of Zn in the two soils had a
positive effect on the plant parameters. As shown in Table 7.4, the total Zn concentrations and
total Zn uptakes were positive and significantly correlated with bioavailability and with both
easily leachable Zn and the sum of the Zn in the most labile fractions (WS + EXC); even so, the
Zn fraction considered least available to plants (RES) showed a negative correlation with total
Zn concentration and total Zn uptake by plants. Ma and Rao (1997) and He et al. (2005)
considered the WS and EXC fractions to be bioavailable, and the mineral fraction mainly
unavailable to either plants or microorganisms.
Various authors have assessed the mobility of metals in plants by calculating the TF,
which is defined as the ratio between the concentration of plant material and the total
concentration of the element in the soil (Sauerbeck, 1991; Podlesáková et al., 2001). A high TF
value is generally regarded as indicating more mobile and available nutrients (Intawongse and
Dean, 2006), while a low value tends to indicate a greater tendency for nutrient deficiencies
(Alloway, 2005). In our study, significant differences in TF were observed for the different
treatments (P < 0.001 in Soilacid, and P < 0.0001 in Soilcalc). The highest TF value (Fig. 7.5) in
Soilacid, was observed when Zn-HEDTA and Zn-EDDHSA were applied at the rate of 10 mg Zn
kg-1. In Soilcalc the highest values corresponded to applications of Zn-EDTA and Zn-D-H-E at
the rate of 10 mg Zn kg-1. In both soils, the lowest values were obtained with the control
treatment. TF provides a good indicator of crop quality, showing high linear correlation
coefficients with other plant parameters such as total chlorophyll (P < 0.0001, r = 0.79), soluble
Zn in the plant (P < 0.05, r = 0.62), Zn concentrations in stems (P < 0.0001, r = 0.92), Zn
concentrations in seeds (P < 0.05, r = 0.63), Zn concentrations in leaves (P < 0.05, r = 0.61) and
also the percentage of Zn utilization (P < 0.001, r = 0.75).
In conclusion, this study shows that the Zn source and soil have a major influence on the
residual effect of Zn fertilization on a subsequent crop and therefore also on crop quality and
yield. The residual Zn produced by the different fertilizer treatments in the two soils tested was
available in sufficient quantities to allow a subsequent crop; it would not, therefore, be
necessary to apply an additional Zn treatment. The Zn-EDTA and Zn-D-H-E treatments
produced the highest available Zn concentrations in the two soils, but the effect of this
availability on the flax crop differed between soils. The residual effect in the second crop
showed that it was not necessary to apply fertilizers containing the most stables chelates
(EDTA, DTPA) to the weakly acidic soil in order to obtain greater agronomic biofortification.
Applying these stable chelates would imply an unnecessary extra cost per unit of production. In
123
Chapter 7
contrast, in Soilcalc these fertilizers produced the highest values of the plant parameters (total Zn
concentrations and total Zn uptakes), percentages of Zn utilization and TF.
Table 7.4. Linear correlation coefficient (r) for relationships between WS+EXC, CAR and RES fractions, available
and easily leachable Zn, total Zn concentration and total uptake Zn (for all parameters n=22, except CAR fraction n= 11)
WS, water-soluble; RES, residual; DTPA-TEA, Diethylenetriaminepentaacetate-triethanolamine; LMWOAs, Lowmolecular-weight organic acids).
Total Zn
WS +
DTPAMehlichCAR
RES
LMWOAs
BaCl2
concentrat
EXC
TEA
3
ion
0.31
-0.84 *** 0.90 ***
0.83 ***
0.98 ***
0.99 ***
0.88 ***
WS + EXC
-0.51
CAR
0.86 **
0.93 ***
-0.61 *
RES
-0.53 *
0.98 ***
DTPA-TEA
0.76 *
0.33
-0.86 ***
-0.85 ***
-0.76 ***
0.89 ***
0.90 ***
0.86 ***
0.83 ***
Mehlich-3
LMWOAs
BaCl2
Total uptake
Zn
*** **
.
0.83 *
0.83 ***
0.84 ***
0.99 ***
0.87 ***
0.84 ***
0.85 ***
0.83 *
-0.75 **
0.82 ***
0.80 ***
0.84 ***
0.81 ***
0.99 ***
and * significant at 0.01. 0.1 and 5% levels.
Soilacid
Soilcalc
2.0
12
10
1.6
8
TF
TF
1.2
6
0.8
4
2
0
5
0
5
0
0
5
5
5
0
ol
10
ntr HSA SA 1 D TA TA 1 DTA TA 1 DTA TA -H -E -E 1
Co
H
D
- E - ED - HE HED - HE HED n- D - D-H
D
D
n
Z
Z
-E
ED
Zn
Zn
Zn Zn- D TA TAZn Zn-E
ED
Zn Zn-
0.4
0.0
0
0
5
0
0
5
5
5
0
5
ol
-E -E 1
A1
ntr
A1
A 1 TA
TA
A 1 TA
SA
Co DH DHS - ED ED T HED EDT HED EDT - D-H D-H
D
n
n
H
H
D
E
n
n
Z
Z
A
n
E
Z
Z
Z
Zn ED T D TA
Zn ZnE
Zn Zn-
Figure 7.5: Transfer factors (TF) in both soils treated with different Zn fertilizers and rates (0, 5 and 10 mg Zn kg-1).
The vertical line at each of the data represents the standard deviation from the mean
124
Chapter 8
The influence of moisture
conditions on the residual effect
of zinc applied in the form
of natural chelates to two
different soils
8. The influence of moisture
conditions on the residual effect of
zinc applied in the form of natural
organic complexes to two different
soils
Adapted from: Almendros P; Gonzalez D; Alvarez JM. 2012.
The influence of moisture conditions on the residual effect of zinc applied in
the form of natural organic complexes to two different soils
In Review: Journal of Soil Science and Plant Nutrition (JSSPN)
8.1. ABSTRACT
The aim of this study was to compare the behaviour of the residual Zn from three
natural organic complexes
(Zn-AML, Zn-aminolignosulfonate; Zn-PHP, Znpolyhidroxifenilcarboxilate and Zn-EDDS, Zn-ethylenediaminodisuccinate) applied at different
rates (0, 5 and 10 mg Zn/kg soil) to a flax crop grown during the previous year. This incubation
experiment was carried out over 75 days and under two different moisture conditions (60% field
capacity and waterlogged) and in two different soils (Soilacid, acidic and Soilcalc, calcareous).
Potential available Zn concentration and short-term available Zn were estimated under both
moisture conditions, using the DTPA-TEA and LMWOAs (low-molecular-weight organic
acids) methods, respectively. Water-soluble Zn was estimated in both soils under 60% field
capacity conditions. Immediately-available Zn (Zn concentration in the soil solution) was
estimated under waterlogged conditions. pH and Eh parameters were also determined in both
soils. Incubations of both soils under both moisture conditions showed decreases in potential
available Zn concentration and short-term available Zn. Water-soluble Zn concentrations in
soils under 60% field conditions, immediately available Zn in soils, and the Eh parameter under
waterlogged conditions also showed decreases with time. The residual effect of Zn-AML
applied at the rate of 10 mg Zn/kg in Soilacid produced the highest available and short-term Zn
concentrations and the residual effect of Zn-EDDS produced the highest short-term Zn
concentration in Soilcalc.
8.2. INTRODUCTION
When Zn is applied to soil, the water-soluble Zn is distributed between solid phases and
soil solution. The aging time of this metal in soil causes changes in Zn availability and, over
intermediate and longer periods, also causes reductions in the activity and extractability of Zn
forms and changes to its more stable forms (Barrow, 1986; Shuman, 1991; Ma and Uren, 2006).
126
The influence of moisture conditions on the residual effect of zinc applied in the form of natural organic complexes to two
different soils
This process is influenced by various parameters, such as moisture conditions, soil
characteristics and time.
Soil moisture content has an effect on nutrient bioavailability as it influences the
mineralisation of nutrients form soil organic matter. In soils, redox conditions affect aging
processes and also the availability of metals. Redox conditions generally exert a control over pH
and influence the availability of metal ions and the chemical forms of ions and molecules
dissolved in soil solution (McBride, 1994; Violante et al., 2010). Different soil pHs also
influence Zn availability over time. In general, the concentration of water-soluble Zn decreases
as pH increases. According to Liang et al. (1990), under acidic soil conditions the concentration
of exchangeable Zn is high. Payne et al. (1988) reported that ZnSO4 applications associated
with high soil pH values resulted in most of the Zn not being available to plants.
According to Martinez and McBride (2000), increasing the aging time causes a decrease
in Zn solubility. Various studies have reported: differences in available Zn concentrations over
periods of 8 days with applications of ZnSO4 fertilizer (Armour et al., 1989); decreases in
soluble Zn concentrations over periods of 30 days with Zn(NO3)2 applications (Barrow, 1986);
and decreases in the amount of Zn in soil solutions over 3 days with carrier-free 65Zn (Tiller et
al., 1972).
Different Zn fertilizers applied to soils demonstrate different levels of reactivity,
solubility and availability. In recent years, the use of Zn organic complexes has been proposed
as way of providing this micronutrient to obtain high concentrations of water-soluble Zn and
available Zn in soils, especially in calcareous soils (Obrador et al., 2002). The effectiveness of
these sources depends on the stability of the complex in question. Several studies have shown
the evolution of available Zn and Zn in soil solutions (immediately-available Zn) in soils with
maize crops (Lopez-Valdivia et al., 2002, Alvarez and Rico, 2003). However, studies of the
residual effect of applying Zn in the form of natural organic complexes , the influence of
moisture conditions on the availability of Zn and the short term evolution of residual Zn are still
very limited (Almendros et al., 2011).
In this study, we carried out an incubation experiment to compare changes in
availability residual-Zn from Zn natural organic complexes applied to soils according to the
moisture conditions in two different soils.
8.3. MATERIALS AND METHODS
The two original soils used in this study were surface horizons and came from two
different regions of Spain. Soilacid was from Madrid (40º17’ N, 4º 03’ W) and Soilcalc was from
Guadalajara (40º39’ N, 3º20’ W). Soilacid was classified as a Typic Haploxeralf. The main soil
characteristics were: sand, 840 g/kg; silt, 60 g/kg; clay, 100 g/kg; bulk density, 1.42 g cm-3;
water-holding capacity (33 kPa), 6.60 g H2O/100g soil; pH, 6.13; redox potential, 458 mV;
electrical conductivity, 0.037 dS/m; extractable P, 19.9 mg/kg; oxidizable OM, 5.00 g/kg; total
N, 1.00 g/kg; cation exchange capacity, 4.72 cmolc/kg; Fe (active Fe2O3), 141 mg/kg; total Zn,
9.97 mg/kg. Soilcalc was classified as a Typic Calcixerept. Its main characteristics were: sand,
560 g/kg; silt, 260 g/kg; clay, 180 g/kg; bulk density, 1.06 g/cm3; water-holding capacity (33
127
Chapter 8
kPa), 20.5 g H2O/100 g soil; pH, 8.13; redox potential, 380 mV; electrical conductivity, 0.178
dS/m; extractable P, 12.6 mg/kg; oxidizable OM, 12.9 g/kg; total N, 1.10 g/kg; cation exchange
capacity, 23.5 cmolc/kg; Fe (active Fe2O3), 56 mg/kg; total Zn, 44.25 mg/kg (Sparks et al.,
1996).
The soils were obtained from an experiment performed the previous year which had
consisted of growing a flax crop in a greenhouse from March to June. Before growing the flax
crop, these soils were treated with aqueous suspensions of three natural organic complexes: ZnAML, Zn-aminolignosulfonate; Zn-PHP, Zn-polyhidroxifenilcarboxilate and Zn-EDDS, Znethylenediaminodisuccinate, at different rates of application (0, 5 and 10 mg Zn/kg) (Alvarez
2010). The soil from the pots was homogenized and the pots were then left in a greenhouse for
six months. 500 g of soil from each pot was then placed in a polyethylene container (with a
capacity of 600 mL). We used 84 containers in all: 21 for each soil and moisture condition with
two rates of three natural organic complexes and a control soil (Nil-Zn). Incubation was
performed under two different moisture conditions: 60% field capacity and waterlogged
conditions. Waterlogged conditions were determined when the water level was 1 cm above
ground level. This meant that Soilacid was five times the field capacity and Soilcalc was at three
times field capacity. The containers were then sealed with Parafilm (PM-996) to prevent
evaporation. The soil was mixed twice a week and the moisture level was controlled by weight.
We collected samples after 0, 15, 45 and 75 days. We then recalculated the amount of water that
had to be added in order to maintain the moisture conditions.
A homogeneous sample of soil necessary to obtain 60 g of dry sample was dried at 37ºC
in drying cabinets with forced air circulation, this conditions correspond to a dry soil period. In
the 60% field capacity samples, the available Zn concentration and short-term available Zn
concentration were determined with DTPA-TEA (Lindsay and Norwell, 1978) and LMWOAs
(low-molecular-weight organic acids) (Feng et al., 2005) reagents, respectively. The watersoluble Zn was performed with 2.5 g of dry soil and 25 mL of deionised water; the solution was
shaken for 30 min and then centrifuged (4000 rpm, for 10 and 20 min, for Soilacid and Soilcalc,
respectively). The weight of dry soil used was corrected based on the previous moisture
calculation. Soil pH and redox potential (Eh) were measured using a Hamilton pH (LP238285,
KCl 3 M plus glycol electrolyte) and redox (LP238145, Pt, KCl 3 M electrolyte) electrode.
In waterlogged samples, 5 ml of the supernatant was removed and filtered with a
syringe to determine the Zn content in the soil solution (immediately-available Zn). We
measured pH and Eh in incubation containers. The available Zn concentration (DTPA-TEA)
and short-term available Zn concentration (LMWOAs) were then determined. The weight of dry
soil used was corrected with the previous moisture calculation.
The Zn concentrations in the different extracts were determined with a “Perkin-Elmer
precisely, AAS AAnalyst 700” using flame atomic absorption spectrometry involving direct
aspiration of the aqueous solution by an air-acetylene flame. AA Spectroscopy with a graphite
furnace was used for low absorbance samples.
Statistical analyses were performed using Statgraphics Plus-5.1 software (Manugistic
Inc., Rockville, MD, USA). Multiple comparisons of variables were made using the LSD
separations of means procedure. A probability level of P ≤ 0.05 was selected to establish
statistical significance.
128
The influence of moisture conditions on the residual effect of zinc applied in the form of natural organic complexes to two
different soils
8.4. RESULTS AND DISCUSSION
8.4.1. INCUBATION UNDER MOISTURE CONDITIONS OF 60% FIELD
CAPACITY
Mean Zn concentrations during soil incubation under 60% field capacity moisture
conditions are shown in Table 8.1. In Soilacid, there were significant differences between mean
Zn concentrations over time (P < 0.05) (Fig. 8.1).
Table 8.1: Mean Zn concentrations under moisture conditions of 60% field capacity, in both soils as residual effect
of Zn fertilizers influenced by the incubation period (days) and Zn source, during incubation(a)
Soilcalc
Soilacid
Short-term
Water-soluble
Short-term
WaterAvailable Zn
Available Zn
Source of variation
available Zn
Zn
available Zn soluble Zn
-1 (b)
-1
(mg kg )
(mg kg )
(mg kg-1) (c)
(µg L-1) (d)
(µg kg-1)
(µg L-1)
Incubation period (days)
0
5.41 b
4.7 c
57.82 c
2.52 b
109.1 d
15
5.31 ab
4.53 bc
55.42 bc
2.13 a
96.68 c
18.29 c
15.43 b
45
5.3 ab
4.32 ab
52.86 b
2.06 a
72.74 b
14.14 a
75
5.22 a
4.22 a
49.43 a
1.99 a
60.42 a
13.71 a
Nil-Zn
1.81 a
1.38 a
31.0 a
0.81 a
44.0 a
9.8 a
Zn-AML-5
4.08 b
3.94 c
50.0 b
1.89 c
55.5 b
13.5 b
15.5 c
Treatment
Zn-AML-10
8.32 d
6.72 e
62.3 cd
3.33 f
81.5 e
Zn-PHP-5
3.66 b
3.23 b
59.0 c
1.64 b
57.3 c
13.3 b
Zn-PHP-10
7.63 c
6.08 d
63.5 d
2.45 d
68.2 d
19.8 e
Zn-EDDS-5
4.33 b
3.84 c
52.3 b
2.00 c
134.8 f
17.5 d
7.34 c
5.91 d
3.11 e
152.0 g
Zn-EDDS-10
59.2 c
18.5 de
(a)
Values compared using LSD multiple range test at the 0.05 level of probability. Homogeneous groups are
denoted with the same letter.
(b)
Estimated by DTPA-TEA method.
(c)
Estimated by LMWOAs (low-molecular-weight organic acids) method.
(d)
2.5 g of dry soil and 25 mL of deionised water, the solution was shake during 30 min, and centrifuged.
In this soil, we observed significant differences between the mean available Zn
concentrations in soils (P < 0.0001) receiving the different treatments. The residual effect of the
natural complex Zn-AML applied at the rate of 10 mg Zn/kg produced the highest available and
short-term available Zn concentrations. The available Zn concentrations obtained for all the Zn
treatments were higher than those reported as critical for plants under acidic soils proposed by
Lindsay and Norwell (1978); the observed values were between 6.10 and 13.87 times greater
than the critical level (Zn-PHP applied at the rate of 5 mg Zn/kg and Zn-AML applied at 10 mg
Zn/kg, respectively). This was in line with the short-term available Zn concentration values,
which ranged between 2.34 and 4.87 times the Zn concentration with Nil-Zn treatment (Zn-PHP
applied at a rate of 5 mg Zn/kg and Zn-AML applied at 10 mg Zn/kg, respectively). The ZnEDDS treatments produced values similar to AML applied at a rate of 5 mg Zn/kg and to ZnPHP applied at 10 mg Zn/kg. When this natural complex was applied at the high rate (10 mg
Zn/kg) to the previous crop, it produced an excessive concentration of available Zn and, as a
consequence, produced phytotoxicity in flax plants grown in the acidic soil in that previous
crop. The residual effect of Zn-PHP applied at the rate of 10 mg Zn/kg produced the highest
water-soluble Zn concentration. These Zn concentrations ranged between 1.61 and 2.05 times
129
Chapter 8
those associated with Nil-Zn treatment (Zn-AML applied at a rate of 5 mg Zn/kg and Zn-PHP
applied at 10 mg Zn/kg, respectively).
In Soilcalc, there were significant differences between mean available Zn concentrations
over time (P < 0.05) (Fig. 8.1). Short-term available Zn concentrations also showed differences
between mean Zn concentrations over time (P < 0.0001). Water-soluble Zn concentrations
showed differences between mean Zn concentrations over time (P < 0.001). In this soil, we
observed significant differences between the mean available Zn concentrations in soil (P <
0.0001) with the application of different treatments. The residual effect of the natural complex
Zn-AML, applied at the rate of 10 mg Zn/kg, produced the highest available concentration. The
available Zn concentrations obtained for all the Zn treatments were higher that what constitutes
the critical level for most plants grown in calcareous soils, with values reaching between 1.89
and 3.33 times the critical level (Zn-AML applied at a rate of 5 mg Zn/kg and Zn-AML applied
at 10 mg Zn/kg, respectively). On the other hand, Zn-EDDS applied at both rates produced the
highest short-term available Zn concentrations. These Zn concentrations ranged between 1.26
and 3.45 times greater than the Zn concentration with Nil-Zn treatment (Zn-AML applied at a
rate of 5 mg Zn/kg and Zn-EDDS applied at 10 mg Zn/kg, respectively). The residual effect of
Zn-PHP applied at a rate of 10 mg Zn/kg produced the highest water-soluble Zn concentration.
Zn-EDDS applied at both rates also produced high water-soluble Zn concentrations.
Aminopolycarboxylate chelating agents (e.g. EDDS) generally form complexes with high
stability constants (log KZn-EDDS = 13.4) and this causes a high short-term availability of the
micronutrient over time (Martell et al., 2001; Tandy et al., 2004; Nörtemann, 2005; Nowack et
al., 2006).
In Soilacid, the mean Zn concentrations were 2.44 (available Zn), 52.43 (short-term
available Zn) and 3.50 (water-soluble Zn) times greater than those in Soilcalc. The characteristics
of Soilcalc, which included its alkaline pH, high CaCO3 concentration and high clay content,
caused Zn immobilization due to the formation of hydroxides and carbonates and the adsorption
of Zn to the clay.
The differences between the Zn concentrations extracted by the different methods were
due to the different extraction capacities of the reagents. The available Zn concentration, or
DTPA-TEA, method extracts water-soluble metal which is exchangeable, sorbed and
organically associated, some of which are occluded in oxides and secondary clay minerals
(Viets, 1962; Ure, 1995). However, the short-term available Zn, or LMWOAs, method extracts
the amount of metal responsible for short-term availability (Cieśliński et al., 1998) and for most
of the metal available to the plant. Water-soluble Zn is the most labile micronutrient fraction.
The highest correlation between the different Zn concentrations obtained from the two
soils related short-term available Zn to water-soluble Zn and showed a significant positive
correlation (r = 0.96; P < 0.0001). We obtained the following regression equation:
Zn-(water-soluble) = 16.7 + 7.92 Zn-(short-term available) (R2 = 91.81%)
Under 60% field capacity conditions, significant differences were obtained between
experimental times for redox potential values (P < 0.001 in Soilacid, P < 0.0001 in Soilcalc). In
Soilacid, we observed an increase in this parameter, with mean Eh values ranging between 488
mV at 0d and 598 mV at 75d. On the other hand, in Soilcalc, the mean Eh values ranged between
673 mV at 0d and 477 mV at 75d. Under these moisture conditions, we also observed
significant differences between experimental times for soil pH (P < 0.05 in Soilacid, P < 0.001 in
130
The influence of moisture conditions on the residual effect of zinc applied in the form of natural organic complexes to two
different soils
Soilcalc). In Soilacid, the mean soil pH values ranged between 6.33 at 0d and 6.07 at 75d. In
Soilcalc, the mean pH values ranged between 7.84 at 0d and 8.30 at 75d.
The parameter pH + pe [pe = Eh (mV) / 59.2], where pe is the negative logarithm of free
electron activity, provides a convenient single-term expression for defining the redox status of
soil systems. This parameter showed significant differences under 60% field capacity conditions
(P < 0.001 and P < 0.0001, Soilacid and Soilcalc, respectively). In Soilacid, pH + pe increased with
time, while in Soilcalc, it decreased from 0 to 75d. According to Sparks (1996), the pH and pe
values that were obtained for the two soils under 60% field capacity conditions would
correspond to “oxic” or “normal” soils (pH + pe > 14).
131
a)
Nil-Zn
Zn-AML-5
Zn-AML-10
Zn-PHP-5
Zn-PHP-10
Zn-EDDS-5
Zn-EDDS-10
soilacid
Available Zn concentration
4.5
10
8
6
4
2
0
Available Zn concentration
3.5
3.0
2.5
2.0
1.5
1.0
0.5
0.0
0
15
45
Time (days)
132
soilcalc
4.0
Zn concentration (mg Zn/kg)
Zn concentration (mg Zn/kg)
12
75
0
15
Time (days)
45
75
b)
Nil-Zn
Zn-AML-5
Zn-AML-10
Zn-PHP-5
Zn-PHP-10
Zn-EDDS-5
Zn-EDDS-10
soilacid
Short-term available Zn
250
7
Zn concentration (µg Zn/kg)
Zn concentration (mg Zn/kg)
Short-term available Zn
soilcalc
8
6
5
4
3
2
1
0
200
150
100
50
0
0
15
45
Time (days)
75
0
15
45
75
Time (days)
133
c)
Nil-Zn
Zn-AML-5
Zn-AML-10
Zn-PHP-5
Zn-PHP-10
Zn-EDDS-5
Zn-EDDS-10
Water-soluble Zn
Water-soluble Zn
30
80
Zn concentration (µg Zn/kg)
Zn concentration (µg Zn/kg)
70
60
50
40
30
20
10
0
25
20
15
10
5
0
0
15
45
Time (days)
75
0
15
45
75
Time (days)
Figure 8.1: Evolution with time of available (a), short-term available Zn (b) and water soluble (c) Zn concentrations in both soils, with the residual effect of each treatment, during incubation
under 60% field capacity conditions.
134
The influence of moisture conditions on the residual effect of zinc applied in the form of natural organic complexes to two
different soils
8.4.2. INCUBATION UNDER WATERLOGGED MOISTURE CONDITIONS
Mean zinc concentrations during soil incubation under waterlogged moisture conditions
are shown in Table 8.2. In Soilacid, there were significant differences between the mean Zn
concentrations over time (P < 0.05 for available and short-term available Zn, and P < 0.0001
for immediately-available Zn) (Fig.8.2).
Table 8.2: Mean Zn concentrations under waterlogged conditions in both soils, as residual effect of Zn
fertilizers influenced by the incubation period (days) and Zn source, during incubation(a)
Soilcalc
Soilacid
Short-term
Short-term
Available
ImmediatelyAvailable
ImmediatelySource of
available
available
Zn
available Zn
available Zn
Zn
variation
Zn
Zn
(mg kg-1) (b)
(mg L-1) (d)
(mg kg-1)
(µg L-1)
-1 (c)
-1
(µg kg )
(mg kg )
Incubation period (days)
0
3.95 b
3.79 c
2.00 d
1.96 c
107 d
15
3.74 ab
3.61 bc
1.77 c
1.86 bc
91.7 c
29.7 d
26.7 c
45
3.59 a
3.54 ab
1.40 b
1.76 ab
58.7 b
20.7 b
75
3.47 a
3.38 a
1.16 a
1.72 a
42.6 a
15.3 a
Treatment
Nil-Zn
1.36 a
1.09 a
0.43 a
0.64 a
25.8 a
17.5 a
Zn-AML-5
3.21 c
2.96 c
1.37 c
1.45 b
46.8 b
19.8 b
Zn-AML-10
6.63 f
5.93 e
2.58 e
2.73 e
67.5 c
28.8 d
Zn-PHP-5
2.30 b
2.31 b
1.11 b
1.45 b
44.5 b
20.8 b
Zn-PHP-10
4.84 d
4.62 d
1.99 d
2.08 d
60.3 c
21.3 b
Zn-EDDS-5
2.24 b
3.25 c
1.50 c
1.60 c
130 d
25.5 c
Zn-EDDS-10 5.26 e
4.90 d
2.12 d
2.85 f
150 e
28.3 d
(a)
Values compared using LSD multiple range test at the 0.05 level of probability. Homogeneous groups
are denoted with the same letter. (b) Estimated by DTPA-TEA method. (c) Estimated by LMWOAs (lowmolecular-weight organic acids) method. (d) Zinc in soil solution.
In this Soilacid, we observed significant differences between the mean Zn concentrations
in soil (P < 0.0001) with the different treatments. The residual effect of the natural complex ZnAML when applied at the highest rate (10 mg Zn/kg) produced the greatest available, shortterm available and immediately-available Zn concentrations. The available Zn concentrations
obtained for all the Zn treatments were higher than those reported as critical for plants grown in
acidic soils. These concentrations reached values that were between 3.73 and 11.05 times
greater than the critical concentration (Zn-EDDS applied at a rate of 5 mg Zn/kg and Zn-AML
applied at 10 mg Zn/kg, respectively). Short-term available and immediately-available Zn
concentrations also produced high values in treatments involving residual Zn. The short-term
available Zn concentrations were between 2.12 and 5.44 times greater than the Nil-Zn
concentration and the immediately-available Zn concentrations were between 2.58 and 6.00
times greater than the Nil-Zn concentration (Zn-PHP applied at the rate of 5 mg Zn/kg and ZnAML applied at 10 mg Zn/kg, in both cases). In Soilcalc, there were significant differences
between mean Zn concentrations over time (P < 0.05, available Zn concentration and P <
0.0001, short-term available and immediately-available Zn concentrations).
In Soilcalc, there were significant differences between the Zn concentrations associated
with the different treatments (P < 0.0001). The residual effect of Zn–EDDS applied at the
highest rate (10 mg Zn/kg) produced the highest available, short-term available and
immediately-available Zn concentrations. The residual effect of Zn-EDDS applied at a rate of 5
135
Chapter 8
mg Zn/kg also produced high Zn concentrations which, in some cases, were even greater than
those obtained with other natural organic complexes , such as Zn-PHP and Zn-AML at a rate of
10 mg Zn/kg. This behaviour of Zn-EDDS could be explained by the high stability of the
complex and, more specifically, by the relatively strong complexing ability of Zn, which
provides high Zn concentrations even under waterlogged conditions. Zinc concentrations, and
especially available and short-term available Zn, in Zn-EDDS showed major decreases at both
of the doses applied (Fig.2). This effect was in line with those reported by Tandy et al. (2006)
who obtained decreases in metal concentrations over time that were clearly coupled to the
degradation of EDDS. That study showed that under temporarily anoxic conditions (for 24
hours) in three saturated different soils, the application of EDDS resulted in initially high
soluble Zn concentrations gradually decreasing to only trace levels by day 21; after day 35,
concentrations of the Zn-EDDS complex were extremely low.
In Soilacid, the available, short-term and immediately-available mean Zn concentrations
were 1.96, 21.33 and 82.8 times higher than those in Soilcalc. The alkaline pH probably made the
Zn less soluble. Immediately-available Zn, or the Zn concentration in the soil solution, is the
water-soluble form (ion, small molecule or dissolved gas) of Zn that can rapidly move through
protein transporter channels in plants and microbial, cell membranes (Hedley, 2008). The
correlation between the different Zn concentrations obtained in the two soils between
immediately-available Zn and short-term available Zn showed a significant negative correlation
(r = -0.79; P < 0.001). The following regression equation was obtained:
Zn-(Immediately-available) = 20.19 – 4.29 Zn-(short-term available) (R2 = 63.13%)
In both soils, the redox potential values measured under waterlogged conditions showed
a significant decrease (P < 0.0001 and P < 0.05, Soilacid and Soilcalc, respectively) between 0
and 75d. In Soilacid, these values ranged between 379 and 327 mV, at 0 and 75d, respectively. In
Soilcalc, the mean values at 0 and 75d were 266 and 245 mV, respectively. pH values did not
show any significant differences between 0 and 75d, with the mean values ranging between
5.10 and 5.29 in Soilacid and between 7.19 and 7.27 in Soilcalc. Under waterlogged conditions,
the pH + pe parameter did not show any significant differences with time. According to Sparks
(1996), the pH and pe values obtained for the two soils would correspond to “wet” or
“seasonally saturated” soils.
We compared the available Zn concentrations in soil under different moisture
conditions: the available Zn concentration under moisture conditions of 60% field capacity was
compared with the sum of the available Zn concentration and immediately-available Zn
concentrations under waterlogged conditions (considering bulk density). The percentage of
recovered Zn under 60% field capacity conditions, with respect to under waterlogged
conditions, was 8.81% for Soilacid and 19.51% for Soilcalc. We also compare the short-term
available Zn under 60% field capacity conditions and the sum of the short-term available Zn
concentration and the immediately-available Zn concentrations under waterlogged conditions.
The percentage of recovered Zn under waterlogged conditions with respect to under 60% field
capacity reached 11.54 for Soilacid and 11.87% for Soilcalc. These results could be explained by
the fact that under waterlogged conditions, the redox potential decreases and Fe (III) and Mn
(III, IV) oxides are dissolved because of the reduction of Fe and Mn (Millaleo et al., 2010).
This effect could have been caused by the Zn redistribution and an increase in the Zn
concentration in the most labile fractions in the form of immediately-available and short-term
available Zn.
136
a)
Nil-Zn
Zn-AML-5
Zn-AML-10
Zn-PHP-5
Zn-PHP-10
Zn-EDDS-5
Zn-EDDS-10
soilacid
soilcalc
4.0
7
3.5
Zn concentration (mg Zn/kg)
Zn concentration (mg Zn/kg)
Available Zn concentration
8
6
5
4
3
2
1
0
0
15
45
75
Available Zn concentration
3.0
2.5
2.0
1.5
1.0
0.5
0.0
0
15
45
75
Time (days)
Time (days)
137
b)
Nil-Zn
Zn-AML-5
Zn-AML-10
Zn-PHP-5
Zn-PHP-10
Zn-EDDS-5
Zn-EDDS-10
soilacid
250
Zn concentration (µg Zn/kg)
Zn concentration (mg Zn/kg)
7
6
5
4
3
2
200
150
100
50
1
0
0
0
15
45
Time (days)
138
Short-term available Zn
soilcalc
Short-term available Zn
8
75
0
15
45
Time (days)
75
c)
Nil-Zn
Zn-AML-5
Zn-AML-10
Zn-PHP-5
Zn-PHP-10
Zn-EDDS-5
Zn-EDDS-10
Immediatly-available Zn
soilcalc
4
45
3.5
40
Zn concentration (µg Zn/kg)
Zn concentration (mg Zn/kg)
soilacid
3
2.5
2
1.5
1
Immediatly-available Zn
35
30
25
20
15
10
5
0.5
0
0
0
15
45
Time (days)
75
0
15
45
75
Time (days)
Figure 8.2: Evolution with time of available (a), short-term available (b) and immediately-available (c) Zn concentrations in both soils, with the residual effect of each treatment, during
incubation under waterlogged conditions.
139
8.5. CONCLUSIONS
Moisture conditions have an influence on the different Zn concentrations (available,
short-term available, immediately-available and water-soluble Zn) in soils. These Zn
concentrations also depend on the length of the experiment, the soil type and the Zn-complex
used. Over time, changes were observed in Zn concentrations in residual Zn from the natural
organic complexes in both soils and under both moisture conditions. Available, short-term
available and immediately-available Zn concentrations decreased from 0 to 75 days. Under
waterlogged conditions, short-term available Zn and immediately-available Zn concentrations
increase with respect to 60% field capacity conditions. In general, the residual effects of ZnAML applied at a rate of 10 mg Zn/kg in Soilacid and Zn-EDDS applied in Soilcalc, showed the
highest Zn concentrations under both moisture conditions. The Zn concentrations in soils that
received Zn treatments were sufficient to meet the needs of most crops, particularly in the acidic
soil, wherever Zn concentrations reached their highest values.
140
Chapter 9
Influence of moisture
conditions on residual Zn
concentrations applied as
synthetic chelates
9. Influence of moisture conditions on
residual Zn concentrations applied as
synthetic chelates
Adapted from: Almendros P; Gonzalez D; Gonzalez V; Alvarez JM. 2012.
Influence of moisture conditions on residual Zn concentrations applied as synthetic chelates
Sent to: Communications in Soil Science and Plant Analysis
9.1. ABSTRACT
The aim of this study was to compare the behaviour of residual Zn from different synthetic
chelates containing the chelating agents EDTA (ethylenediaminetetraacetate acid), HEDTA
(hydroxyethyl-ethylenediaminetriacetate acid) and DTPA (diethylenetriaminepentaacetate acid): ZnEDTA, Zn-HEDTA, Zn-EDTA-HEDTA and Zn-DTPA-HEDTA-EDTA applied at different rates (0,
5 and 10 mg Zn kg-1 soil) to a flax crop grown during the previous year. This incubation experiment
was carried out over 75 days and under two different moisture conditions (60% field capacity and
waterlogged) and in two different soils from the central region of Spain (Soilacid, Typic Haploxeralf
and Soilcalc, Typic Calcixerept). The potentially available Zn concentration and short-term available
Zn were estimated under both moisture conditions, using the DTPA-TEA and LMWOAs (lowmolecular-weight organic acids) methods, respectively. In both soils, the amount of water-soluble Zn
was estimated under 60% field capacity conditions. Immediately-available Zn (the Zn concentration
in the soil solution) was estimated under waterlogged conditions. pH and Eh parameters were also
determined in both soils. The Zn concentrations depended on the soil type, the experimental time and
the Zn-chelate used. Under both moisture conditions, the soil characteristics caused the residual
effects of Zn-EDTA in Soilacid and Zn-DTPA-HEDTA-EDTA applied to Soilcalc, to produce the
highest Zn concentrations.
9.2. INTRODUCTION
When Zn fertilizers are applied to soil, plants only take up a small fraction of the applied Zn,
with a considerable amount of micronutrient remaining in the soil. The availability of this applied
amount depends, amongst other factors, on the source applied (Shaver et al., 2007) or on the soil
properties, e.g. in calcareous soils the presence of hydroxides and carbonates can produce a low
availability (Alloway, 2005). Zinc chelates provide this micronutrient to produce high concentrations
of water-soluble Zn and available Zn in soils, though the effectiveness of these chelates depends on
their stability. Zinc chelates differ in their physical state, chemical reactivity, cost, bioavailability and
susceptibility to leaching. The chelating agents EDTA, HEDTA and DTPA are some of the strongest
synthetic chelating agents and in combination with Zn, they form much stronger chelates than
naturally occurring organic ligands (Mortvedt and Gilkes, 1993).
142
Influence of moisture conditions on residual Zn concentrations applied as synthetic chelates
When Zn is applied to soil, the water-soluble Zn is distributed between the soil solution and
the solid phases. The water-soluble Zn in the soil solution readily reacts with the soil constituents
(organic matter, clay, Fe and Al oxides, silica and Fe and Al compounds that coat to the sand
particles) to form less soluble, more stables compounds that are less available for plants (Barrow,
1985; 1989). The process of the transformation of the fractions that are more readily available to
plants into more stable and insoluble fractions is known as aging (McLaughlin, 2001; Lock and
Janssen, 2003). The aging of Zn in soil causes changes to its metal availability and, over medium
length and long periods, also causes reductions in the activity and extractability of Zn forms which
change to more stable forms (Shuman, 1991; Ma and Uren, 2006). This process is influenced by
various parameters, including moisture conditions, soil characteristics and experimental time.
Soil moisture content has an effect on nutrient bioavailability as it influences the
mineralisation of nutrients from soil organic matter. In soils, redox conditions affect aging processes
and the availability of metals and also exert a control over pH. Redox conditions generally influence
the availability of metal ions and the chemical forms of ions and molecules dissolved in the soil
solution (McBride, 1994; Violante et al., 2010). Different soil pHs also influence Zn availability over
time (Payne et al., 1988).
Various studies carried out with inorganic sources such as ZnSO4 (Armour et al., 1989),
Zn(NO3)2 (Barrow, 1986) and 65Zn (Tiller et al., 1972) have reported the differences in available Zn
concentrations over time. However, the number of studies of the residual effect of applying Zn in the
form of synthetic chelates, the influence of moisture conditions on the availability of Zn, and the
short term evolution of residual Zn still remains very limited. In this study, we carried out an
incubation experiment to compare changes in the availability of residual-Zn from Zn-EDTA, ZnHEDTA, Zn-EDTA-HEDTA and Zn-DTPA-HEDTA-EDTA applied to two different soils in a
previous crop with respect to the moisture conditions. This experiment studied the Zn availability at
the beginning of a second crop.
9.3. MATERIALS AND METHODS
Representative soils were collected from two different regions of Spain, Soilacid was from
Madrid (40º17’ N, 4º 03’ W) and Soilcalc was from Guadalajara (40º39’ N, 3º20’ W). Soilacid was
classified as a Typic Haploxeralf and Soilcalc was classified as a Typic Calcixerept. Surface material
was taken from the Ap horizon (at a depth of 26 cm in Soilacid and 20 cm in Soilcalc). In the first 125
cm of the soil, Soilacid profile had also a Bt horizon without any red colouring and without any
morphological concentrations of limestone powder. Soilcalc profile had Bw horizon and Ck horizon
with high CaCO3 concentrations. The main soil characteristics are shown in Table 9.1 (Sparks et al.,
1996).
143
Chapter 9
Table 9.1. Selected properties of the original soils
Soil propertiesa
Soilacid
Texture (USDA)
Sand (g kg-1)
Silt (g kg-1)
Clay (g kg-1)
Bulk density (g cm-3)
WHC (33 kPa) (g H2O 100 g-1 soil)
Permeability
pH w (1:2,5)
Redox Potential (mV)
EC (µS cm-1)
Total N (g kg-1)
Extractable P (mg kg-1)
CEC (cmolc kg-1)
Oxidable organic mater (g kg-1)
Total CaCO3 (g kg-1)
Free CaCO3 (g kg-1)
Fe (mg kg-1) (active Fe2O3)
Total Zn conc (mg kg-1)
a
b
sandy loam
840 (8)b
60 (2)
100 (6)
1.37 (0.11)
6.6 (0.2)
moderate
6.14 (0.09)
458 (8)
37 (2)
1.0 (0.1)
19.9 (0.3)
4.7 (0.1)
5 (0.1)
--141 (2)
9.97 (0.06)
Soilcalc
loamy sand
560 (4)
260 (3)
180 (8)
1.06 (0.02)
20.5 (0.7)
moderate to rapid
8.13 (0.03)
380 (5)
178 (7)
1.1 (0.1)
12.6 (0.5)
23.5 (1.0)
12.9 (0.2)
134 (6)
33.4 (1.9)
56 (1)
4.25 (0.03)
WHC, water-holding capacity; EC, electrical conductivity; CEC, cation exchange capacity.
Standard deviation.
These soils were treated with aqueous suspensions of four Zn sources: Zn-EDTA, Znethylenediaminetetraacetate; Zn-HEDTA, Zn-hydroxyethyl-ethylenediaminetriacetate; Zn-EDTAHEDTA and Zn-DTPA-HEDTA-EDTA (Zn-DTPA, Zn-diethylenetriaminepentaacetate), at different
rates of application (0, 5 and 10 mg Zn kg-1). The different treatments maintain the molar relation 1:1
between Zn2+ and the quelatant agent or sum of quelatant agents. A flax crop was then grown in a
greenhouse from March to June, but before this was done, the soil from the pots was homogenized
and the pots were left in a greenhouse. The soil was left to stand for six months in order to
equilibrate. Then, 500 g of soil from each pot was then placed in a polyethylene container (with a
capacity of 600 mL). The incubation was performed in a greenhouse in which the temperature ranged
from 15 to 20ºC and the relative humidity was maintained at a constant 60%. The experiment was
performed over 75 days in the months of February, March and April, with a constantly high light
intensity. The control treatment (no added Zn, nil-Zn) and the Zn fertilizer treatments were then
replicated 3 times using a randomized complete block design. We used 108 containers in all: 2 soils,
9 treatments, 2 moistures and 3 replicates.
For our study, incubation was performed under two different moisture conditions: 60% field
capacity and waterlogged conditions. The waterlogged conditions were determined when the water
level was 1 cm above ground level. This meant that Soilacid was at five times the field capacity and
Soilcalc was at three times field capacity. The containers were then sealed with Parafilm (PM-996) to
prevent any evaporation. The soil was mixed twice a week and the moisture level was controlled by
weight. Samples were collected after 0, 15, 45 and 75 days. The amount of water was then
recalculated and more was added in order to maintain the same moisture conditions.
A homogeneous sample of soil sufficient to provide 60 g dry sample was dried at 37ºC in
drying cabinets with a forced air circulation; these conditions corresponded to a dry soil period. In the
60% field capacity samples, the available Zn concentration was determined with the DTPA-TEA
144
Influence of moisture conditions on residual Zn concentrations applied as synthetic chelates
reagent using 10 g of soil and 20 mL of reagent (Lindsay and Norvell, 1978). The short-term
available Zn concentration was determined with LMWOAs (low-molecular-weight organic acids)
reagent using 2 g of soil and 20 mL of reagent (Feng et al., 2005). The water-soluble Zn experiment
was performed with 2.5 g of dry soil and 25 mL of deionised water; the solution was shaken for 30
min and then centrifuged (4000 rpm, for 10 and 20 min, for Soilacid and Soilcalc, respectively). The
weight of the dry soil used was then corrected based on the previous moisture calculation. Soil pH
and redox potential (Eh) were measured using a Hamilton pH (LP238285, KCl 3 M plus glycol
electrolyte) and redox (LP238145, Pt, KCl 3 M electrolyte) electrode.
In the waterlogged samples, 5 ml of the supernatant was removed and filtered with a syringe
to determine the Zn content in the soil solution (immediately-available Zn). Then available Zn
concentration (DTPA-TEA) and short-term available Zn concentration (LMWOAs) were
subsequently determined. The weight of dry soil used was corrected by applying the previous
moisture calculation.
The Zn concentrations in the different extracts were determined with a “Perkin-Elmer
precisely, AAS AAnalyst 700” using flame atomic absorption spectrometry involving direct
aspiration of the aqueous solution by an air-acetylene flame (Atomic absorption conditions:
wavelength: 213.9 nm, detection limit: 0.018 mg L-1). AA Spectroscopy with a graphite furnace
(“HGA Graphite Furnace, Perkin-Elmer”) was used for low absorbance samples (detection limit: 0.02
× 10-3 mg L-1 ).
Statistical analyses were performed using Statgraphics Plus-5.1 software (Manugistic Inc.,
Rockville, MD, USA). Multiple comparisons of variables were made using the means separations test
(LSD). A probability level of P ≤ 0.05 was selected to establish the statistical significance.
9.4. RESULTS
9.4.1. INCUBATION UNDER MOISTURE CONDITIONS OF 60% FIELD
CAPACITY
The mean Zn concentrations during soil incubation under 60% field capacity moisture
conditions are shown in Table 9.2. In Soilacid, there were significant differences between the mean Zn
concentrations in soils for the different treatments (P < 0.0001). The residual effect of the synthetic
chelate Zn-EDTA applied at the rate of 10 mg Zn kg-1 resulted in the highest available, short-term
available and water-soluble Zn concentrations. The residual effect of Zn-EDTA-HEDTA and ZnEDTA applied at the rate of 5 mg Zn kg-1 showed water-soluble Zn concentrations of higher than or
similar to the residual effect of the other synthetic chelates applied at the rate of 10 mg Zn kg-1
(Zn-DTPA-HEDTA-EDTA and Zn-HEDTA).
145
Chapter 9
Table 9.2: Mean Zn concentrations under moisture conditions of 60% field capacity, in both soils as residual effect of Zn
fertilizers influenced by the Zn source, during incubation a
Source of variation
Available Zn
(mg kg-1)b
Soilacid
Short-term
available Zn
(mg kg-1)c
Watersoluble Zn
(mg kg-1)d
Soilcalc
Short-term
Available Zn
available Zn
(mg kg-1)
(mg kg-1)
Water-soluble
Zn
(mg kg-1)
Treatment
Nil-Zn
1.81 a
0.03 a
0.82 a
0.04 a
0.009 a
5.53c
0.23 f
2.73 d
0.15 d
0.068 b-d
11.23f
1.09 h
5.03 g
0.27 f
0.125 e
3.88 b
0.10 b
1.83 b
0.08 b
0.035 ab
8.34 e
7.89d
0.16 d
3.22 e
0.16 d
0.083 cd
Zn-EDTA-HEDTA-5
5.27 c
5.03 c
0.19 e
2.36 c
0.11 c
0.048 bc
Zn-EDTA-HEDTA-10
9.90 f
9.01de
0.49 g
3.86 f
0.21 e
0.093 de
Zn-D-H-E-5
6.31 d
5.44c
0.13 c
2.86 d
0.60 g
0.430 f
Zn-EDTA-5
5.78 cd
1.38 a
Zn-EDTA-10
13.18 g
Zn-HEDTA-5
4.60 b
Zn-HEDTA-10
10.03 f
9.41e
0.18 de
5.64 h
1.89 h
1.510 g
Zn-D-H-E-10
a
Values compared using LSD multiple range test at the 0.05 level of probability. Homogeneous groups are denoted with
the same letter.
b
Estimated by DTPA-TEA method.
c
Estimated by LMWOAs (low-molecular-weight organic acids) method.
d
Soluble Zn in deionised water.
The evolutions over the experimental time of available, short-term available and watersoluble Zn concentrations for each treatment in Soilacid are shown in Fig. 9.1. The available Zn
concentrations in all the treatments, including the Nil-Zn treatment, were higher than 0.6 mg kg-1,
which constitutes the critical or adequate level for most of the plants grown as proposed by Lindsay
and Norvell (1978) in acidic soils with similar characteristic to the soil used in this experiment. After
75 days of incubation, these concentrations reached values of between 2.7 and 21.4 times greater than
the critical level (Nil-Zn and Zn-EDTA applied at a rate of 10 mg Zn kg-1, respectively).
In Soilcalc, there were also significant differences between the mean Zn concentrations in the
soil for the different treatments (P < 0.0001). The residual effect of the synthetic chelate Zn-DTPAHEDTA-EDTA applied at the rate of 10 mg Zn kg-1 produced the highest available Zn
concentrations. The residual effect of this fertilizer at both rates of application (5 and 10 mg Zn kg-1)
produced the highest short-term available and water-soluble Zn concentrations.
The evolutions over experimental time of available, short-term available and water-soluble Zn
concentrations for each treatment in this Soilcalc are shown in Fig. 9.1. The available Zn
concentrations in all the Zn treatments were higher than 1.0 mg kg-1, which constitutes the critical or
adequate level for most plants grown as proposed by Lindsay and Norvell (1978) in calcareous soils
with similar characteristics to the soil used in this experiment. After 75 days of incubation, these soils
reached values of between 1.9 and 5.3 times the critical level (Zn-HEDTA applied at a rate of 5 mg
Zn kg-1 and Zn-DTPA-HEDTA-EDTA applied at a rate of 10 mg Zn kg-1, respectively). The
available Zn concentration of the Nil-Zn treatment did not reach the critical level in any of the
experimental times.
146
a)
Nil-Zn
Zn-EDTA-10
Zn-EDTA-HEDTA-10
Zn-D-H-E-10
Zn-HEDTA-10
Available Zn
concentration
Zn-EDTA-5
Zn-EDTA-HEDTA-5
Zn-D-H-E-5
Zn-HEDTA-5
soilcalc
16
7
14
6
Zn concentration
(mg Zn/kg)
Zn concentration
(mg Zn/kg)
soilacid
12
10
8
6
4
2
5
,
4
3
2
1
0
0
0
15
Time (days)
45
75
0
15
Time (days)
45
75
147
Nil-Zn
Zn-EDTA-10
Zn-EDTA-HEDTA-10
Zn-D-H-E-10
Zn-HEDTA-10
Short-term
available Zn
b)
soilaci d
Zn-EDTA-5
Zn-EDTA-HEDTA-5
Zn-D-H-E-5
Zn-HEDTA-5
soilcalc
14
Zn concentration
(mg Zn/kg)
Zn concentration
(mg Zn/kg)
3.00
12
10
8
,
6
4
2
2.00
,
1.50
1.00
0.50
0.00
0
0
0
148
2.50
15
Time (days)
45
75
15
45
Time (days)
75
Nil-Zn
Zn-EDTA-10
Zn-EDTA-HEDTA-10
Zn-D-H-E-10
Zn-HEDTA-10
Water-soluble Zn
c)
soilacid
Zn-EDTA-5
Zn-EDTA-HEDTA-5
Zn-D-H-E-5
Zn-HEDTA-5
soilcalc
1.40
Zn concentration
(mg Zn/kg)
Zn concentration
(mg Zn/kg)
1.20
1.00
0.80
,
0.60
0.40
0.20
0.00
0
15
Time (days)
45
75
2.00
1.80
1.60
1.40
1.20
1.00
0.80
0.60
0.40
0.20
0.00
0
15
Time (days)
45
75
Figure 9.1: Evolution with time of available (a), short-term available Zn (b) and water soluble (c) Zn concentrations in both soils, with the residual effect of each treatment, during incubation
under 60% field capacity conditions.
149
Chapter 9
Although the different treatments did not show any significant differences either in soil
pH nor in soil Eh in either soil, differences were observed in both parameters over time (Fig.
9.2). In Soilacid, significant differences (P < 0.05) were obtained between the mean pH along
experimental time, which decreased from day 0 to 45. Significant differences were also obtained
for the mean Eh over time (P < 0.0001), which showed an increase between days 0 and 15 and
between days 45 and 75. In Soilcalc, significant differences (P < 0.001) were obtained between
the mean pH over time, which showed an increase from day 0 to day 45. Significant differences
were also obtained in the mean Eh over time (P < 0.0001), which showed a decrease between
days 0 and 75.
pH
Eh
Soilacid
pH
Eh
Soilcalc
7.4
600
9.5
7.2
550
9.3
650
7
500
9.1
600
6.8
450
8.9
6.6
400
6.4
350
6.2
300
6
5.8
250
5.6
200
0
15
45
75
8.7
700
Nil-Zn
Zn-EDTA-5
Zn-EDTA-10
Zn-EDTA-HEDTA-5
550
Zn-EDTA-HEDTA-10
Zn-D-H-E-5
500
Zn-D-H-E-10
Zn-HEDTA-5
Zn-HEDTA-10
Nil-Zn
450
8.5
400
8.3
350
Zn-EDTA-5
Zn-EDTA-10
8.1
300
Zn-EDTA-HEDTA-5
Zn-EDTA-HEDTA-10
7.9
250
Zn-D-H-E-5
Zn-D-H-E-10
Zn-HEDTA-5
Zn-HEDTA-10
7.7
200
0
Time (days)
15
45
75
Time (days)
Figure 9.2: Evolution with time of pH and Eh parameters, with the residual effect of each treatment, during incubation
under 60% field capacity conditions. The blocs in the graphics show pH and lines show Eh parameter (mV).
9.4.2. INCUBATION UNDER WATERLOGGED MOISTURE CONDITIONS
Mean zinc concentrations during soil incubation under waterlogged moisture conditions
are shown in Table 9.3. In Soilacid, there were significant differences between the mean Zn
concentrations in the soil for the different treatments (P < 0.0001). The residual effect of the
synthetic chelate Zn-EDTA applied at the rate of 10 mg Zn kg-1 produced the highest available,
short-term available and immediately-available Zn concentrations.
Table 9.3: Mean Zn concentrations under waterlogged conditions in both soils, as residual effect of Zn
fertilizers influenced by the Zn source, during incubationa
Soilacid
Soilcalc
Short-term
ImmediatelyShort-term
ImmediatelyAvailable Zn
Available Zn
Source of variation
available Zn
available Zn
available Zn
available Zn
-1 b
-1
(mg kg )
(mg kg )
(mg kg-1)c
(mg L-1)d
(mg kg-1)
(mg L-1)
Treatment
Nil-Zn
1.36 a
1.09 a
0.43 a
0.64 a
0.026 a
0.018 a
Zn-EDTA-5
4.34 d
4.13 d
2.95 f
2.33 c
0.068 a-c
0.097 b-d
Zn-EDTA-10
7.96 g
7.68 g
15.30 h
3.81e
0.113 cd
0.210 e
Zn-HEDTA-5
2.66 b
2.48 b
1.12 b
1.83 b
0.058 ab
0.044 ab
Zn-HEDTA-10
5.75 e
5.49 e
1.86 cd
2.83 d
0.088 b-d
0.104 cd
Zn-EDTA-HEDTA-5
4.26 d
4.09 d
2.56 ef
1.93 b
0.060 ab
0.062 a-c
Zn-EDTA-HEDTA-10
6.00 e
5.66 ef
5.56 g
3.72 e
0.120 d
0.130 d
Zn-D-H-E-5
3.26 c
3.03 c
1.49 bc
2.51 c
0.300 e
0.480 f
6.79 f
6.09 f
2.30 de
4.69 f
1.146 f
1.395 g
Zn-D-H-E-10
Values compared using LSD multiple range test at the 0.05 level of probability. Homogeneous groups are denoted with the
same letter. b Estimated by DTPA-TEA method. c Estimated by LMWOAs (low-molecular-weight organic acids) method.
d
Zinc in soil solution.
a
150
Influence of moisture conditions on residual Zn concentrations applied as synthetic chelates
The evolution over experimental time of available, short-term available and immediatelyavailable Zn concentrations for each treatment in Soilacid (see Fig. 9.3) showed that in all the
treatments, including the Nil-Zn treatment, the available Zn concentrations were higher than the
critical or adequate level in acidic soils. After 75 days of incubation, these concentrations
reached values of between 2.2 and 11.2 times the critical level (Nil-Zn and Zn-DTPA-HEDTAEDTA applied at a rate of 10 mg Zn kg-1, respectively).
In Soilcalc, there were also significant differences (P < 0.0001) between the mean Zn
concentrations in soil for the different treatments. The residual effect of the synthetic chelate
Zn-DTPA-HEDTA-EDTA applied at the rate of 10 mg Zn kg-1 produced the highest available,
short-term available and immediately-available Zn concentrations (see Table 9.3).
The evolution over experimental time of available, short-term available and
immediately-available Zn concentrations for each treatment in this Soilcalc (see Fig. 9.3) showed
that in all the Zn treatments, the available Zn concentrations were higher than what constitutes
the critical or adequate level in calcareous soils. After 75 days of incubation, these
concentrations reached values of between 1.8 and 4.4 times the critical level (Zn-HEDTA
applied at a rate of 5 mg Zn kg-1 and Zn-DTPA-HEDTA-EDTA applied at a rate of 10 mg Zn
kg-1, respectively). The available Zn concentration of the Nil-Zn treatment did not reach the
critical or adequate level in any of the experimental times.
In both soils, the different treatments failed to show any significant differences either in
soil pH or in soil Eh. However differences in both parameters were observed over time (Fig.
9.4) and these variations were related to the available Zn concentrations in the soil. In Soilacid,
significant differences (P < 0.0001) were obtained between the mean pH over time, which
showed an increase from day 0 to day 45. Significant differences were also obtained between
the mean Eh over time (P < 0.0001), which showed a decrease between days 0 and 75. In
Soilcalc, significant differences (P < 0.05) were obtained between the mean pH over time, which
showed an increase from day 15 to day 75. Significant differences were also obtained between
the mean Eh over time (P < 0.0001), which showed a decrease between days 15 and 45.
151
a)
Nil-Zn
Zn-EDTA-5
Zn-EDTA-10
Zn-EDTA-HEDTA-5
Zn-EDTA-HEDTA-10
Zn-D-H-E-5
Zn-D-H-E-10
Zn-HEDTA-5
Zn-HEDTA-10
Available Zn
concentration
soilacid
10
8
Zn concentration
(mg Zn/kg)
Zn concentration
(mg Zn/kg)
6
,
6
4
2
5
4
3
,
2
1
0
0
0
15
45
Time (days)
152
soilcalc
75
0
15
45
Time (days)
75
b)
Nil-Zn
Zn-EDTA-5
Zn-EDTA-10
Zn-EDTA-HEDTA-5
Zn-EDTA-HEDTA-10
Zn-D-H-E-5
Zn-D-H-E-10
Zn-HEDTA-5
Zn-HEDTA-10
Short-term
available Zn
soilacid
8
6
,
4
2
0
0
soilcalc
Zn concentration
(mg Zn/kg)
Zn concentration
(mg Zn/kg)
10
15
45
Time (days)
75
2.00
1.80
1.60
1.40
1.20
1.00
0.80
0.60
0.40
0.20
0.00
0
15
45
75
Time (days)
153
c)
Nil-Zn
Zn-EDTA-5
Zn-EDTA-10
Zn-EDTA-HEDTA-5
Zn-EDTA-HEDTA-10
Zn-D-H-E-5
Zn-D-H-E-10
Zn-HEDTA-5
Zn-HEDTA-10
Immediatelyavailable Zn
20
18
16
14
12
10
8
6
4
2
0
soilcalc
Zn concentration
(mg Zn/L)
Zn concentration
(mg Zn/L)
soilacid
0
15
45
Time (days)
75
2.00
1.80
1.60
1.40
1.20
1.00
0.80
0.60
0.40
0.20
0.00
0
15
45
75
Time (days)
Figure 9.3: Evolution with time of available (a), short-term available (b) and immediately-available (c) Zn concentrations in both soils, with the residual effect of each treatment, during
incubation under waterlogged conditions.
154
Influence of moisture conditions on residual Zn concentrations applied as synthetic chelates
pH
7
Eh
Soilacid
360
6.5
320
6
280
5.5
pH
Eh
Soilcalc
300
8.1
7.9
260
7.7
220
7.5
140
7.1
4.5
200
1D
15D
45D
75D
Time
Zn-EDTA-5
Zn-EDTA-10
Zn-EDTA-HEDTA-5
Zn-EDTA-HEDTA-10
Zn-D-H-E-5
Zn-D-H-E-10
Zn-HEDTA-5
Zn-HEDTA-10
Nil-Zn
Zn-EDTA-5
Zn-EDTA-10
Zn-EDTA-HEDTA-5
Zn-EDTA-HEDTA-10
Zn-D-H-E-5
Zn-D-H-E-10
Zn-HEDTA-5
Zn-HEDTA-10
180
7.3
240
5
Nil-Zn
6.9
100
1D
15D
45D
Time
75D
Figure 9.4: Evolution with time of pH and Eh parameters, with the residual effect of each treatment, during
incubation under waterlogged conditions. The blocs in the graphics show pH and lines show Eh parameter (mV).
9.5. DISCUSSION
9.5.1. INCUBATION UNDER MOISTURE CONDITIONS OF 60% FIELD
CAPACITY
In Soilacid, it was observed that, in general, the sources that only contained the synthetic
chelating agent EDTA showed the highest available Zn, short-term available Zn and watersoluble Zn concentrations). This chelate has a high stability constant (log K Zn-EDTA = 17.5, with
an ionic strength of 0.01 mol L-1) (Lindsay, 1979; Martell et al., 2001) and can maintain greater
amounts of available Zn in the soil. The Zn-HEDTA sources showed the lowest Zn
concentrations. The stability constant of this chelate is lower (log K Zn-HEDTA = 15.3 with an
ionic strength of 0.01 mol L-1) and, as a result, the available Zn concentration was relatively
low.
In Soilcalc the Zn concentrations in all the different treatment were, in each rate and in
descending order: Zn-DTPA-HEDTA-EDTA, Zn-EDTA, Zn-EDTA-HEDTA and Zn-HEDTA.
In this soil, a greater influence of the chelating agent DTPA was observed than in Soilacid. This
chelating agent affected the availability of the Zn concentration, which in this soil reached
higher Zn concentrations with the application of the treatment that contained DTPA, EDTA and
HEDTA than when the obtained only contained EDTA. This behaviour could be related to
differences in the stability constant (K) of the chelate; the Zn sources that contain the most
stable chelates EDTA and DTPA (log K Zn-DTPA = 19.5 with an ionic strength of 0.01 mol L-1)
maintain greater amounts of available Zn. Both chelates are fairly stable at pH of below 7, but
above this pH, Zn-DTPA is more stable (Lindsay and Norvell, 1969). It can be generally stated
that Zn-DTPA is unstable in acidic soils, moderately stable in slightly acidic soils and fairly
stable in calcareous and alkaline soils (Lindsay and Norvell, 1969; Norvell and Lindsay, 1972).
This low stability under acidic conditions is apparently caused by the relatively high solubility
of soil Fe at low pH, while at high pH the cation can be displaced by Ca2+ ions, which is
followed by the precipitation of Zn as sparingly soluble compounds (Adriano, 2001). In
contrast, for Zn sources that contain lower stable chelates, for example Zn-HEDTA, the metal is
retained by the soil components.
The different behaviour of the treatments in the two different soils was also shown by
the mean Zn concentrations obtained. In Soilacid, the available, short-term and water-soluble
mean Zn concentrations were respectively 2.30, 16.75 and 1.08 times higher than those in
155
Chapter 9
Soilcalc. The characteristics of Soilcalc, including its alkaline pH, high CaCO3 concentration and
high clay content, caused Zn immobilization due to the formation of hydroxides and carbonates
and the adsorption of Zn to the clay (Lindsay, 1979; Shuman, 1991; Adriano, 2001).
The variations in pH and Eh were related to variations in the Zn concentration over time.
Different correlations were obtained between the Zn concentrations and pH and Eh values under
moisture conditions of 60% field capacity. The highest correlation obtained for pH related
short-term available Zn concentration to pH and showed a significant negative correlation
(r = -0.87; P < 0.0001; n = 72). This was obtained by applying the following regression
equation:
Short-term Zn available (mg kg-1) = 24.57 – 2.97 × pH.
Significant negative correlations were also obtained between pH and available Zn
(r = -0.68; P < 0.0001; n = 72). In general, according to Payne et al. (1988) the concentration of
available Zn decreases as pH increases.
The parameter pH + pe [pe = Eh (mV) / 59.2] for free electron activity, provides a
convenient single-term expression for defining the redox status of soil systems. In the Soilacid, an
increase (P < 0.0001) with time was observed from day 0 to day 15 and from day 45 to day 75
(Table 9.4). This increase was influenced by the pe parameter, which increased with time, with
the same behaviour. In the Soilcalc, a decrease (P < 0.0001) was observed with time, from day 15
to day 75. According to Sparks (1996), the pH and pe values that were obtained for these soils,
under 60% field capacity conditions would correspond to “oxic” or “normal” soils
(pH + pe > 14).
Table 9.4: Mean pH + pe and pe values in both soils and moisture conditions a
pH + pe
60% field capacity
pe
Soilacid
Soilcalc
Soilacid
Soilcalc
0 Days
15 Days
45 Days
14.43 a
14.91 b
15.22 bc
19.27 cd
18.78 c
18.05 b
8.07 a
8.69 b
9.05 bc
11.44 d
10.70 c
9.77 b
75 Days
15.87 d
16.92 a
9.77 d
8.57 a
0 Days
10.86 b
11.49 b
5.86 bc
4.27 b
15 Days
10.80 b
11.52 b
5.66 bc
4.27 b
Waterlogged
45 Days
10.78 b
11.00 a
5.49 b
3.71 a
75 Days
10.50 a
11.08 a
5.20 a
3.74 a
a
Values compared using LSD multiple range test at the 0.05 level of probability. Homogeneous
groups are denoted with the same letter.
The study of the different correlations between the available Zn, short-term available
Zn and water-soluble Zn concentrations under moisture conditions of 60% field capacity
showed that these Zn concentrations were all correlated. The highest correlations obtained for
the different Zn concentrations in both soils under moisture conditions of 60% field capacity
are:
Short-term Zn available (mg kg-1) = -2.10 + 1.07 × available Zn
(r = 0.93; P < 0.0001)
Water-soluble Zn
(r = 0.50; P < 0.0001)
156
(mg kg-1) = -0.04 + 0.06 × available Zn
(mg kg-1)
(mg kg-1)
Influence of moisture conditions on residual Zn concentrations applied as synthetic chelates
The differences between the Zn concentrations extracted by the different methods were
due to the different extraction capacities of the reagents. The available Zn concentration, or
DTPA-TEA, method extracts water-soluble metal which is exchangeable, sorbed and
organically associated, with some of its content being occluded in oxides and secondary clay
minerals (Viets, 1962; Ure, 1995). However, the short-term available Zn, or LMWOAs, method
extracts the amount of metal responsible for short-term availability (Cieśliński et al., 1998) and
most of the metal available to the plant; water-soluble Zn is also the most labile micronutrient
fraction.
9.5.2. INCUBATION UNDER WATERLOGGED MOISTURE CONDITIONS
In both soils, the behaviour of all the synthetic chelates was the same as in the
incubation under moisture conditions of 60% field capacity. The Zn-EDTA fertilizer in Soilacid
and Zn-DTPA-HEDTA-EDTA in Soilcalc produced the highest available Zn, short-term
available Zn and immediately-available Zn concentrations. The different characteristics of the
soils also influenced the different mean Zn concentrations obtained. In Soilacid, the available,
short-term and immediately-available mean Zn concentrations were 1.74, 20.08 and 13.22 times
higher than those in Soilcalc.
The variations in pH and Eh were related to variations in the Zn concentrations over
time. Different correlations were obtained between the Zn concentrations and pH or Eh values
under moisture conditions of 60% field capacity. The highest correlation obtained for pH
related available Zn concentration to pH and showed a significant negative correlation
(r = -0.49; P < 0.0001). We obtained the following regression equation:
Zn short-term available (mg kg-1) = 9.23 – 0.90 × pH.
In the Soilacid, a decrease (P < 0.05) was observed in the parameter pH + pe with time,
from day 45 to day 75 days (see Table 9.4). In Soilcalc, a decrease (P < 0.0001) was observed
with time, from day 15 to day 45. According to Sparks (1996), the pH and pe values obtained
for the two soils would correspond to “wet” or “seasonally saturated” soils.
The study of the different correlations between the available Zn, short-term available
Zn and immediately-available Zn concentrations under waterlogged conditions showed
significant positive correlations (P < 0.0001). The highest correlations obtained for the different
Zn concentrations in both soils under waterlogged moisture conditions are:
Short-term Zn available (mg kg-1) = -1.85 + 1.13 × available Zn (mg kg-1) (r = 0.86;
P < 0.0001)
Immediately-available Zn (mg L-1) = -0.50 + 1.08 × short-term available Zn (mg kg-1)
(r = 0.77; P < 0.0001).
According to Hedley (2008), immediately-available Zn (or the Zn concentration in the
soil solution) is the water-soluble form of Zn that can move most rapidly through the protein
transporter channels in plants and microbial, cell membranes.
157
Chapter 9
9.6. CONCLUSIONS
Moisture conditions had an influence on the different Zn concentrations (available,
short-term available, immediately-available and water-soluble Zn) in the soils to which the
synthetic Zn chelates were applied. The available Zn and short-term available Zn under
waterlogged conditions showed higher concentrations than under 60% field capacity conditions.
Zinc concentrations also depended on the Zn-chelate, the experimental period, and the soil type.
Under both moisture conditions, the characteristics of soils caused residual effects of Zn-EDTA
in Soilacid and Zn-DTPA-HEDTA-EDTA applied to Soilcalc, which the highest Zn concentrations
under both moisture conditions. In Soilacid under waterlogged conditions, the application of ZnEDTA (especially at the rate of 10 mg kg-1) caused Zn concentrations to decrease over
experimental time. Under conditions of 60% field capacity, this treatment produced a much
smaller decrease in Zn concentrations. In Soilcalc under waterlogged conditions, Zn-DTPAHEDTA-EDTA (especially when applied at the rate of 10 mg kg-1) produced a reduction in
short-term and immediately-available Zn concentrations with experimental time. Under
conditions of 60% field capacity, this treatment also caused a much smaller decrease in Zn
concentrations.
158
Capítulo 10
Discusión general
10. Discusión general
10.1. EFECTO DEL ZINC RESIDUAL DE LOS COMPLEJOS
APLICADOS EN UN CULTIVO DE JUDÍA DESARROLLADO EN
CONDICIONES DE RIEGO POR ENCIMA DE CAPACIDAD DE CAMPO.
10.1.1. PÉRDIDAS POR LIXIVIACIÓN DEL ZINC RESIDUAL
Para el estudio de la lixiviación del Zn residual del suelo en el cultivo de judía, en función de
los diferentes tratamientos con Zn aplicados en el cultivo previo, fueron recogidos un total de diez
lixiviados, siendo el volumen total de lixiviado recogido en cada uno de los dos suelos estudiados
(ácido y calizo) equivalente a un poro volumen de 0,623 en el Sueloacido y de 0,391en el Suelocal. Las
cantidades totales de Zn perdidas por lixiviación durante el desarrollo del segundo cultivo de judía
en los dos suelos estudiados se muestran en la Fig. 10.1.
Zn lixiviado acumulado (mg Zn)
Suelo acido
Suelo cal
12
10
8
6
4
2
co
Zn nt ro
-A l
Zn ML
-A -5
M
Zn L-1
-P 0
Zn HP
-P -5
Zn HP
-E -10
Zn DD
-E S
Zn DD -5
-E
S
Zn DD -10
-E H S
D
DH A-5
S
Zn A-E 10
Zn Zn DT
-E -E A
Zn DT DT -5
-E A- A1
H
D
TA ED 0
-H T
E D A -5
Zn T A
-D -1
Zn -H 0
-D -E
-5
Zn H-E
-H -1
Zn ED 0
-H T
ED A-5
TA
-1
0
0
Figura 10.1. Efecto del Zn de los diferentes tratamientos en la cantidad de Zn lixiviado en el
cultivo actual (efecto residual). Las barras verticales representan la desviación estándar de la
media. Zn-D-H-E: Zn-DTPA-HEDTA-EDTA.
Como se puede observar, las cantidades de Zn lixiviado dependieron del tipo de suelo, de las
fuentes (Zn-AML, Zn-PHP, Zn-EDDS, Zn-EDDHSA, Zn-EDTA, Zn-EDTA-HEDTA, Zn-DTPAHEDTA-EDTA y Zn-HEDTA) y de las dosis de Zn (0, 5 y 10 mg Zn kg-1) aplicadas en el cultivo
previo. En este segundo año de cultivo se observó un comportamiento muy diferente de los
fertilizantes en cuanto a las cantidades de Zn residual perdidas por lixiviación dependiendo del tipo
de suelo. En el suelo calizo las cantidades de Zn lixiviadas fueron claramente superiores cuando
fueron aplicados tres de los fertilizantes estudiados (Zn-EDTA, Zn-EDTA-HEDTA y Zn-DTPA160
Discusión general
HEDTA-EDTA). Sin embargo, en el suelo ácido dichas cantidades fueron más parecidas para todos
los fertilizantes aplicados. Además, para los tres fertilizantes que dieron lugar en el suelo calizo a
mayores cantidades de Zn lixiviadas, estas cantidades fueron muy superiores a las que se perdieron
cuando estas mismas fuentes fueron aplicadas en el suelo ácido. Por el contrario, para los cuatro
fertilizantes que dieron lugar a menores pérdidas de Zn por lixiviación en el suelo calizo (Zn-AML,
Zn-PHP, Zn-EDDS, Zn-EDDHSA) estas cantidades fueron inferiores a las que se perdieron cuando
estas mismas fuentes fueron aplicadas en el suelo ácido. El Zn-HEDTA presentó un comportamiento
intermedio entre ambos grupos de fuentes, siendo en este caso las cantidades totales de Zn residual
lixiviadas similares en ambos suelos. En cuanto a la influencia de la dosis de Zn aplicada, en general
se observó que las cantidades de Zn lixiviadas fueron mayores cuando se aplicó la dosis superior (10
mg Zn kg-1), especialmente para aquellos fertilizantes que dieron lugar a mayores pérdidas de Zn
residual por lixiviación.
Los resultados del análisis de varianza multifactorial de la cantidad total de Zn lixiviado para
los efectos principales: suelo, fertilizante, dosis aplicada y repetición y las interacciones entre éstos
se muestran en la Tabla 10.1. Este análisis demostró la existencia de diferencias significativas en
cuanto a la cantidad de Zn lixiviado entre los diferentes suelos, fertilizantes y dosis aplicadas y la
existencia de una interacción especialmente significativa entre los factores suelo y fertilizante. Por
ello, a continuación se realizó por separado el estudio estadístico de los resultados obtenidos en cada
uno de los dos suelos estudiados.
Tabla 10.1. Análisis de varianza multifactorial de la cantidad de Zn lixiviado acumulado (mg Zn).
Fuente de variación
Suelo
Fertilizante
Dosis
Repetición
Grados de libertad
F-coeficiente
P-valor
1
7
1
2
21,7
22,1
19,6
NS
**
***
**
NS
7
1
7
7
14,6
26,2
5,97
7,02
***
**
*
*
Interacciones significativas
Suelo × fertilizante
Suelo × dosis
Fertilizante × dosis
Suelo × fertilizante × dosis
***, **, * indican niveles de significación del 99,99%; 99,9% y 95,0%,
respectivamente.
Un nuevo análisis de varianza multifactorial para los efectos principales tratamiento
fertilizante (fertilizante × dosis) y repetición indicó para cada suelo la existencia de diferencias
significativas (P < 0,0001) entre los diferentes tratamientos aplicados. El contraste ortogonal de las
medias obtenidas para cada tratamiento demostró que para ambos suelos existen diferencias
significativas en cuanto a la cantidad de Zn lixiviada entre el tratamiento control y el resto de los
tratamientos aplicados (Tabla 10.2). Por otro lado, como ya se observó anteriormente en la Fig.
10.1, el contraste ortogonal corroboró que los fertilizantes aplicados en la dosis inferior (5 mg kg-1)
produjeron en su conjunto cantidades de Zn lixiviadas significativamente menores que cuando esos
mismos fertilizantes fueron aplicados en la dosis superior (10 mg kg-1).
161
Capítulo 10
Tabla 10.2. Contrastes ortogonales para la cantidad de Zn lixiviado (mg Zn).
Contrastes ortogonales1
Sueloacido:
Dosis 0 (control) vs. 5 y 10 mg Zn kg−1
Dosis 5 vs. 10 mg Zn kg−1
Zn-EDDS vs. resto de fertilizantes
Zn-EDTA-HEDTA vs. resto de fertilizantes
-26,35 ***
-9,79 ***
-15,19 ***
18,29 ***
Suelocal:
Dosis 0 (control) vs. 5 y 10 mg Zn kg−1
Dosis 5 vs. 10 mg Zn kg−1
Zn-AML, Zn-PHP, Zn-EDDS y Zn-EDDHSA vs. resto de fertilizantes
-40,83 ***
-19,88 ***
-39,70 ***
1
Los valores de contraste indican la diferencia entre la media de los tratamientos.
***, **, * indican niveles de significación del 99,99%; 99,9% y 95,0%, respectivamente.
En el Sueloacido la prueba estadística de separación de medias LSD (P < 0,05) reveló, como
también se observa en la Fig. 10.1, que cuando fue aplicado el complejo natural Zn-EDDS a la
dosis de 5 mg Zn kg-1 se produjeron las menores pérdidas de Zn por lixiviación, siendo el valor
similar a las cantidades de Zn lixiviadas en el tratamiento control. El contraste ortogonal de las
medias demostró que en este suelo se produjeron pérdidas de Zn por lixiviación significativamente
inferiores cuando fue aplicada esta fuente, en comparación a las producidas cuando fueron aplicados
el resto de fertilizantes (Tabla 10.2). Las mayores pérdidas de Zn por lixiviación para este suelo se
dieron con el fertilizante Zn-EDTA-HEDTA, siendo significativamente superiores las cantidades de
Zn lixiviadas cuando fue aplicado este producto en comparación con las que se produjeron con el
resto de fertilizantes.
En el Suelocal, la prueba estadística de separación de medias LSD (P < 0,05) indicó que
cuando se aplicaron los complejos de origen natural (Zn-AML, Zn-PHP y Zn-EDDS) y el
fertilizante Zn-EDDHSA, se produjeron pequeñas cantidades de Zn lixiviadas, siendo éstas del
mismo orden que las que se produjeron en el tratamiento control. El contraste estadístico ortogonal
de las medias demostró que cuando se aplicaron los fertilizantes Zn-AML,
Zn-PHP, Zn-EDDS y Zn-EDDHSA las cantidades de Zn lixiviadas fueron en su conjunto
significativamente inferiores que las que se produjeron con el resto de los fertilizantes aplicados
(Tabla 10.2).
Como se observa en la Fig. 10.2, los porcentajes de Zn lixiviado respecto al Zn aplicado
variaron para cada año de cultivo y para cada fuente aplicada. En general, en el Sueloacido los
porcentajes de Zn lixiviado en el cultivo actual de judía (respecto al Zn aplicado) fueron menores
que los porcentajes de Zn lixiviado con respecto al Zn aplicado el primer año de cultivo, excepto en
el caso de los fertilizantes menos móviles (Zn-AML, Zn-PHP, Zn-EDDHSA y Zn-HEDTA), siendo
éstos los complejos de origen natural y el menos estable de los sintéticos. Los valores del porcentaje
de Zn lixiviado variaron en el cultivo anterior de judía entre el 0,25% (Zn-PHP a la dosis de 10 mg
Zn kg-1) y el 11,93% del Zn aplicado (Zn-EDTA a la dosis de 10 mg Zn kg-1) y en el cultivo actual
entre el 1,07% (Zn-EDDS a la dosis de 5 mg Zn kg-1) y el 4,44% del Zn aplicado (Zn-EDTAHEDTA a la dosis de 10 mg Zn kg-1).
En el Suelocal, en general, los porcentajes de Zn lixiviado respecto al Zn aplicado en el
primer año de cultivo fueron mayores que los que se produjeron en el cultivo actual. En este suelo y
en el primer cultivo los porcentajes tomaron valores entre el 0,08% (Zn-PHP a la dosis de 10 mg Zn
kg-1) y el 32% del Zn aplicado (Zn-DTPA-HEDTA-EDTA a la dosis de 10 mg Zn kg-1). En el
cultivo actual los valores se situaron entre el 0,16% (Zn-EDDS a la dosis de 10 mg Zn kg-1) y el
10,17% del Zn residual (Zn-DTPA-HEDTA-EDTA a la dosis de 10 mg Zn kg-1). Esta disminución
162
Discusión general
en la cantidad de Zn lixiviado en el segundo año, con respecto al primero es debido a que las formas
de Zn más lábiles se transforman en formas de Zn más “residuales” y por tanto, menos disponibles
debido al efecto de “envejecimiento” del micronutriente en el suelo o efecto “aging” (Barrow, 1985,
1989; Ma y Uren, 1998; Obrador et al., 2002; Lu et al., 2005; Ma y Uren, 2006). Xiang et al. (1995)
observaron que en suelos calizos la transformación de las fracciones más lábiles en formas más
estables es más rápida que en los suelos ácidos y neutros, lo que explica el mayor porcentaje de Zn
lixiviado en el Suelocal en el primer año de cultivo en comparación con el segundo año.
Sueloacido
cultivo actual
cultivo anterior
45
Zn lixiviado (%)
40
35
30
25
20
15
10
5
0
Suelocal
45
40
Zn lixiviado (%)
35
30
25
20
15
10
5
Zn
-A
M
Zn
L
-A -5
M
L10
Zn
-P
H
P
Zn
-P -5
H
Zn P-1
0
-E
D
DS
Zn
-E
-5
D
D
Zn
-E S-1
D
0
D
Zn
-E H S
A
D
DH -5
S
Zn A-1
0
-E
D
T
Z
A
n
Zn
-E -ED -5
D
T
A
T
Zn
-E A-H -10
D
TA ED
-H T A
ED -5
T
Zn A-D 10
Zn -H-E
-D
-H 5
Zn -E10
-H
Zn EDT
-H
A
ED -5
TA
-1
0
0
Figura 10.2. Porcentaje de Zn lixiviado en el cultivo anterior y en el cultivo actual
respecto al Zn aplicado. Zn-D-H-E: Zn-DTPA-HEDTA-EDTA.
En el caso de los complejos sintéticos que contienen los agentes quelantes sintéticos EDTA
y DTPA y el complejo natural Zn-EDDS, el porcentaje de Zn lixiviado fue notablemente mayor en
el Suelocal que en el Sueloacido (Fig. 10.2), este efecto también se observó en el cultivo previo en
todos los complejos de origen sintético. De acuerdo con Duchaufour (1987), el movimiento del Zn
en la solución del suelo está relacionado con la permeabilidad del perfil del suelo, siendo en este
caso el Suelocal el que presenta una mayor permeabilidad (permeabilidad de moderada a rápida,
frente a la permeabilidad moderada del Sueloacido) lo que puede influir en la lixiviación de estas
fuentes más estables de Zn. Otro factor importante que puede influir en la lixiviación es la carga de
la fuente de Zn aplicada, ya que la aplicación de quelatos con altas cargas negativas (-3 y -2) a
163
Capítulo 10
suelos alcalinos provoca menores interacciones con los diferentes componentes del suelo. En suelos
similares al suelo calizo del presente experimento, con contenidos altos de carbonato y arcilla, se
produce una menor retención de los quelatos de Zn por parte de los componentes del suelo debido a
sus cargas negativas. Este comportamiento tiene una gran influencia en el suelo calizo (alcalino)
-con mayores cargas negativas en la superficie de las partículas del suelo- que en el ácido, lo que
provoca una mayor movilidad de fuentes como Zn-DTPA(3-) frente a Zn-EDTA(2-) y Zn-EDDS(2-), a
su vez mayores que la de fuentes como el Zn-HEDTA(1-). En esta menor retención por parte del
suelo calizo también influye el contenido en materia orgánica -que presenta carga negativa neta- y
que es aproximadamente 2,2 veces superior en este suelo calizo, aunque ambos suelos presentan una
cantidad de materia orgánica inferior al 1%.
En general, considerando los valores de lixiviación totales obtenidos en los dos cultivos y en
ambos suelos, las fuentes que producen una mayor cantidad de pérdidas de Zn, y por lo tanto las
fuentes más móviles en ambos suelos, fueron los fertilizantes que contenían los agentes complejos
sintéticos EDTA y DTPA. Este diferente comportamiento de los complejos puede ser atribuido a las
grandes estabilidades de las moléculas de estos complejos sintéticos. Según Lindsay (1979) los
logaritmos de las constantes de estabilidad de las moléculas de los complejos de Zn, a fuerza iónica
0,01 M, son los siguientes: log KZn-DTPA = 19,56; log KZn-EDTA = 17,44 y log KZn-HEDTA = 15,35 y según
Martell et al (2001) el log KZn-EDDS = 13,40. Por el contrario, cuando las moléculas contienen
ligandos débiles, como son el polihidroxifenilcarboxilato o el aminolignosulfonato, estos no
protegen al metal de la retención por parte de los componentes del suelo provocando una menor
movilidad. Según estos resultados y de acuerdo con Alvarez y Rico (2003), existe una relación
inversa entre la retención del metal en el suelo y la estabilidad de las formulaciones de Zn.
En cuanto a las concentraciones de Zn en los lixiviados del Sueloacido, las concentraciones de
Zn más altas correspondieron a las porciones 5ª, 6ª y 7ª de los diez lixiviados recogidos (que
corresponden a un poro volumen de 0,312; 0,374 y 0,436 respectivamente), siendo la concentración
máxima de 3,6 mg Zn L-1, producida cuando se aplicó Zn-EDTA-HEDTA a la dosis de 10 mg Zn
kg-1 (Fig. 4.1, 4.2 y 5.3). Sin embargo, en el caso del Suelocal, las mayores concentraciones fueron
halladas en las dos primeras porciones de lixiviado recogidas (que corresponden a un poro volumen
de 0,039 y 0,078 respectivamente), siendo el valor máximo de concentración de 22,3 mg L-1
(Zn-EDTA a la dosis de 10 mg Zn kg-1). En este Suelocal, después de estos primeros lixiviados, el Zn
permaneció retenido en el suelo y la lixiviación de Zn fue muy limitada. El movimiento del agua a
través del suelo y por tanto, los nutrientes disueltos en la misma están relacionados en primer lugar
con la estructura del suelo, y en segundo, con su distribución granulométrica (Duchaufour, 1997;
Alvarez et al., 2001). Las diferentes características de los suelos: el Sueloacido con pH 6,13 y de
textura arenoso-franca, con un 10% de arcilla, de la cual el 40% es esmectita y el 50% de illita y el
Suelocal con pH 8,13; 13,4% de carbonatos totales; 3,3% de caliza activa y textura franco arenosa
con un mayor porcentaje de arcilla (18%) de la cual un alto porcentaje es esmectita (65%) y un 30%
es ilita pueden explicar esta diferencia en la concentración de Zn a lo largo de los lixiviados (ver
capítulos 4.3.1 y 5.3.1).
Después del primer cultivo de judía, fue estimada la fracción de Zn fácilmente lixiviable del
Zn que permanece en el suelo, usando la extracción con BaCl2 (Gonzalez et al., 2007, 2008a, b).
Esta extracción se utiliza para predecir el Zn lixiviable en posteriores cultivos (Schultz et al., 2004),
ya que extrae los elementos metálicos que se encuentran adsorbidos en las partículas del suelo
(Räisänen et al., 1997). Como se observa en la Fig. 10.3, las cantidades estimadas después del
primer cultivo en el Sueloacido fueron mucho mayores que las obtenidas experimentalmente durante
el segundo cultivo. Estos resultados indican que esta extracción sobreestimó el Zn lixiviable, lo cual
se puede explicar teniendo en cuenta que algunos parámetros del suelo como la estructura, que tiene
164
Discusión general
una alta influencia en la permeabilidad (Duchaufour, 1987; Rowell, 1994), no son tenidos en cuenta
en la extracción con BaCl2. Sin embargo, en el Suelocal las diferencias entre el Zn lixiviado y el
lixiviable fueron mucho menores.
Sueloacido
Zn facilmente lixiviable
Zn lixiviado
90
Cantidad de Zn (mg)
80
70
60
50
40
30
20
10
0
Suelocal
90
Cantidad de Zn (mg)
80
70
60
50
40
30
20
10
co
n
Zn t rol
-A
M
L
Zn
-A -5
M
L
Zn -10
-P
H
P
Zn
-P -5
H
Zn P-1
0
-E
D
DS
Zn
-E
-5
Zn D D
S-E
10
D
D
Zn
-E HS
A
D
DH -5
SA
-1
Zn
0
-E
D
Zn Zn - TA
ED -5
-E
D
TA TA
Zn
-H -10
-E
D
ED
TA
- H T A5
ED
T
Zn A-1
-D
0
Zn -H-E
-D
-H 5
Zn -E10
-H
Zn EDT
-H
A
ED -5
TA
-1
0
0
Figura 10.3. Comparación de la cantidad estimada de Zn fácilmente lixiviable (considerando los
lixímetros de 9,75 kg de suelo) y la cantidad de Zn lixiviado realmente en el cultivo. Las barras
verticales representan la desviación estándar de la media. Zn-D-H-E: Zn-DTPA-HEDTA-EDTA.
El análisis de correlación lineal entre la cantidad de Zn fácilmente lixiviable estimada con
BaCl2 y la cantidad de Zn lixiviada indicó que, teniendo en cuenta conjuntamente los resultados
obtenidos en ambos suelos para todos los tratamientos, no se encontraron significativamente
correlacionadas entre sí. Sin embargo, cuando este análisis se realizó para cada uno de los suelos por
separado, se obtuvieron correlaciones significativas (P < 0,05) y positivas en ambos casos (r = 0,50
y r = 0,71, para el Sueloacido y Suelocal, respectivamente).
Un nuevo análisis de correlación lineal, en cada uno de los suelos, teniendo en cuenta
únicamente los resultados obtenidos en los tratamientos con los complejos de elevada movilidad
(aquellos que tienen los agentes quelantes DTPA y EDTA) demostró la existencia de correlaciones
significativas (P < 0,05) y positivas (r = 0,69 y r = 0,85, para el Sueloacido y Suelocal,
respectivamente) entre la cantidad de Zn fácilmente lixiviable estimada con BaCl2 y la cantidad de
Zn realmente lixiviada. Sin embargo no se encontraron correlaciones significativas entre ambas
cantidades cuando solo fueron tenidos en cuenta los valores obtenidos en los tratamientos con los
165
Capítulo 10
fertilizantes que contienen complejos de origen natural. Estos resultados indican que la extracción
con BaCl2 no es apropiada para predecir el Zn lixiviado en posteriores cultivos cuando son aplicados
complejos con movilidad limitada. En el caso de aplicar complejos con alta movilidad, la
determinación del Zn fácilmente lixiviable podría ser utilizada para conocer en un determinado suelo
las cantidades de Zn que se lixiviarían en un cultivo posterior.
10.1.2. ESTADO DEL ZINC RESIDUAL EN EL SUELO
ZINC POTENCIALMENTE BIODISPONIBLE
El Zn potencialmente disponible del suelo fue estimado con diferentes métodos de
extracción: DTPA-TEA, DTPA-AB y Mehlich-3 (Lindsay y Norvell, 1978; Soltanpour, 1991;
Mehlich, 1984) en cada uno de los dos suelos estudiados. En la Figura 10.4 se representa la
concentración de Zn potencialmente disponible, extraída con estos métodos.
Sueloacido
DTPA-TEA
DTPA-AB
Mehlich-3
Zn disponible (mg Zn kg-1)
16
14
12
10
8
6
4
2
0
Suelocal
Zn disponible (mg Zn kg-1)
16
14
12
10
8
6
4
2
0
Figura 10.4. Concentración de Zn potencialmente biodisponible, obtenida con los métodos DTPATEA, DTPA-AB y Mehlich-3. Las barras verticales representan la desviación estándar de la media.
Zn-D-H-E: Zn-DTPA-HEDTA-EDTA.
166
Discusión general
Como se observa en la figura, en ambos suelos, el orden que siguen las concentraciones de
Zn extraídas, dependiendo del método empleado, fue de mayor a menor (valores medios para todas
las repeticiones y tratamientos fertilizantes): Mehlich-3, DTPA-AB y DTPA-TEA. En general, con
todos los métodos de extracción, las concentraciones en el Sueloacido fueron mayores que en el
Suelocal.
En el Sueloacido, el Zn residual de los tratamientos fertilizantes provocó una concentración de
Zn disponible entre 3,9 y 19,5 veces superior al valor de la concentración en el tratamiento control.
El tratamiento de origen natural Zn-AML y el tratamiento con el complejo sintético Zn-HEDTA,
ambos aplicados a la dosis superior, fueron los que mostraron las mayores concentraciones de Zn
potencialmente biodisponible. En el Suelocal, el Zn residual de los tratamientos fertilizantes
incrementó la concentración de Zn disponible entre 4,2 y 25,7 veces el valor del tratamiento control
y las mayores concentraciones se obtuvieron con el tratamiento Zn-HEDTA a la dosis 10 mg kg-1.
En ambos suelos, las menores concentraciones con los tratamientos de Zn se obtuvieron con ZnDTPA-HEDTA-EDTA y Zn-EDTA a la dosis de 5 mg kg-1. En estas menores concentraciones de Zn
disponible influyeron la dosis de aplicación (5 mg Zn kg-1) y que estos tratamientos presentaron una
alta lixiviación total en los dos cultivos sucesivos. Como ya se ha indicado en la Fig. 10.2, en el
Sueloacido se obtuvieron porcentajes de Zn lixiviado en ambos cultivos, respecto al aplicado, del 3,5 y
4,5% para el Zn-AML y Zn-HEDTA a la dosis de 10 mg Zn kg-1 y del 8,0 y 8,2% para el Zn-EDTA
y Zn-DTPA-HEDTA-EDTA a la dosis de 5 mg Zn kg-1. En el Suelocal se obtuvieron porcentajes de
Zn lixiviado de 7,7% para el Zn-HEDTA a la dosis de 10 mg Zn kg-1 y del 31,4 y 33,7% para el ZnEDTA y Zn-DTPA-HEDTA-EDTA a la dosis de 5 mg Zn kg-1, respectivamente.
En suelos ácidos, los valores de concentración de Zn extraído en el suelo considerados como
críticos para la planta por estos tres métodos son: 0,6 mg kg-1, para la extracción con DTPA-TEA
(Lindsay y Norwell, 1978); 1,0 mg kg-1, para la extracción DTPA-AB (Soltanpour, 1991) y 1,2 mg
kg-1, para la extracción Mehlich-3 (Tran y Simard, 1993). En los suelos calizos, estas
concentraciones críticas se consideran 1,0 mg kg-1, para la extracción con DTPA-TEA (Lindsay y
Norwell, 1978); 1,5 mg kg-1, para la extracción DTPA-AB (Soltanpour, 1991) y 1,8 mg kg-1, para la
extracción Mehlich-3 (Tran y Simard, 1993). En el Sueloacido, la concentración de Zn disponible en
el tratamiento control tuvo un valor cercano al nivel crítico para las plantas. Por otro lado, en el
Suelocal, la concentración de Zn en el tratamiento control fue menor a la concentración crítica. Este
hecho puede ser debido a las características físico-químicas de dicho suelo ya que su pH alcalino, su
alto contenido en CaCO3 y su alto contenido en arcilla pueden causar la inmovilización del Zn por la
formación de hidróxidos y carbonatos y la adsorción del metal en las arcillas, disminuyendo la
concentración de Zn potencialmente disponible (Sposito, 1989; Barrow, 1993; Agbenin, 2004).
Los resultados del análisis de varianza multifactorial de la concentración de Zn
potencialmente disponible para los efectos principales: suelo, fertilizante, dosis aplicada y repetición
y las interacciones entre éstos, para cada uno de los métodos de extracción utilizados, se muestran en
la Tabla 10.3. Este análisis demostró la existencia de diferencias significativas en cuanto a la
concentración de Zn biodisponible entre suelos, fertilizantes y dosis aplicadas para todos los métodos
de extracción utilizados, así como una interacción significativa entre los factores suelo y fertilizante
en el caso de la concentración extraída con los métodos DTPA-TEA y DTPA-AB.
167
Capítulo 10
Tabla 10.3. Análisis de varianza multifactorial para la concentración de Zn potencialmente disponible en el suelo.
DTPA-TEA
DTPA-AB
Mehlich-3
Fuente de variación
Suelo
Fertilizante
Dosis
Repetición
Interacciones significativas
F-coef
P-valor
1143
42,0
468
NS
***
***
***
NS
F-coef
1003
33,9
466
NS
P-valor
F-coef
P-valor
***
***
***
NS
266
33,2
304
NS
***
***
**
NS
Suelo × fert
4,78
*
4,56
*
NS
NS
Suelo × dosis
20,0
**
21,0
**
NS
NS
Fert × dosis
8,24
**
6,69
*
3,22
*
Suelo × fert × dosis
5,05
*
5,96
*
NS
NS
***, **, * indican niveles de significación del 99,99%; 99,9% y 95,0%, respectivamente.
Un posterior análisis de varianza multifactorial para los efectos principales: tratamientos
fertilizantes (fertilizante × dosis) y repetición indicó, para cada suelo, la existencia de diferencias
significativas (P < 0,0001) entre los tratamientos aplicados, pero no entre las repeticiones (P > 0,05).
El contraste ortogonal de las medias obtenidas para cada tratamiento (Tabla 10.4) corroboró que,
para ambos suelos, la concentración de Zn potencialmente disponible obtenida al aplicar un
tratamiento fertilizante de Zn en alguna de sus dosis (5 ó 10 mg Zn kg-1) fue siempre superior a la
concentración obtenida con el tratamiento control. Por otro lado, también demostró que los
fertilizantes aplicados en la dosis inferior (5 mg Zn kg-1) produjeron en su conjunto concentraciones
de Zn potencialmente disponible menores que cuando los fertilizantes eran aplicados en la dosis
superior.
Tabla 10.4. Contrastes ortogonales para la concentración de Zn potencialmente disponible en el suelo.
Contrastes ortogonales1
Sueloacido:
Dosis 0 (control) vs. 5 y 10 mg Zn kg−1
Dosis 5 vs. 10 mg Zn kg−1
Zn-AML y Zn-HEDTA vs. resto de fertilizantes
Suelocal:
Dosis 0 (control) vs. 5 y 10 mg Zn kg−1
Dosis 5 vs. 10 mg Zn kg−1
Zn-HEDTA vs. resto de fertilizantes
DTPA-TEA
DTPA-AB
Mehlich-3
-106,7 ***
-124,7 ***
-134,0 ***
-25,00 ***
-30,95 ***
-25,22 ***
31,46 ***
31,11 ***
39,50 ***
-45,52 ***
-54,55 ***
-89,49 ***
-16,43 ***
-20,10 ***
-31,68 ***
32,29 ***
40,63 ***
55,58 ***
1
Los valores de contraste indican la diferencia entre la media de los tratamientos.
***, **, * indican niveles de significación del 99,99%; 99,9% y 95,0%, respectivamente.
La prueba estadística de separación de medias LSD corroboró lo que ya se ha observado
anteriormente: en el Sueloacido las concentraciones de Zn potencialmente disponible con los
fertilizantes Zn-AML y Zn-HEDTA, aplicados en la dosis superior y en el Suelocal, las
concentraciones de Zn potencialmente disponible del fertilizante Zn-HEDTA, aplicado también a la
dosis más alta, fueron mayores que las concentraciones obtenidas con el resto de tratamientos. El
contraste ortogonal de medias demostró que las concentraciones obtenidas en cada uno de los
suelos al aplicar estas fuentes de micronutriente fueron mayores que las obtenidas con el resto de
las fuentes.
En ambos suelos, el porcentaje de Zn disponible respecto al Zn total que había en el suelo en
el tratamiento control disminuyó después del cultivo, con respecto al año anterior (Fig. 10.5, 10.6 y
10.7). También se observó una disminución del Zn potencialmente disponible estimado con los
168
Discusión general
métodos DTPA-TEA y DTPA-AB, en los suelos fertilizados con la dosis superior (10 mg kg-1) del
Zn-EDDS y con ambas dosis de los fertilizantes que contienen EDTA y DTPA. Según Nörtemann
(2005), los agentes quelantes aminopolicarboxilatos, como el EDDS, generalmente forman
complejos de relativamente bajas o moderadamente altas constantes de estabilidad siendo fácilmente
degradables en el suelo y produciéndose una reducción de la disponibilidad del Zn debido al efecto
de envejecimiento. La cantidad de Zn potencialmente disponible en los suelos fertilizados con
fuentes que contienen los agentes quelantes DTPA o EDTA también disminuyó con el tiempo lo
que, como ya se ha indicado anteriormente, puede deberse a la alta cantidad de Zn lixiviado. Este
efecto podría ser explicado por diferencias en la constante de estabilidad de los complejos estudiados
bajo esas condiciones particulares de suelo y cultivo, que proporcionan altas cantidades de Zn a la
solución del suelo, migrando a través del perfil del suelo y perdiéndose por lixiviación.
Por otro lado, el efecto residual de la aplicación de ambas dosis del Zn-AML y Zn-HEDTA
y de la dosis menor (5 mg Zn kg-1) del Zn-PHP, Zn-EDDHSA y Zn-EDTA-HEDTA provocó un
aumento del Zn disponible durante este periodo. En el caso de las fuentes de Zn que contienen
complejos sintéticos menos estables, como el Zn-HEDTA, el metal es retenido en los componentes
del suelo. Los complejos Zn-PHP o Zn-AML son fuentes inmóviles de Zn, que no produjeron
grandes pérdidas de Zn por lixiviación durante el primer cultivo y por tanto pueden proporcionar Zn
disponible en el segundo cultivo.
Sueloacido
Zn disponible año anterior DTPA-TEA
Zn disponible actual DTPA-TEA
60
Zn disponible (%)
50
40
30
20
10
0
Suelocal
18
16
Zn disponible (%)
14
12
10
8
6
4
2
0
Figura 10.5. Efecto de los diferentes tratamientos en el porcentaje de Zn
potencialmente disponible (método DTPA-TEA) respecto al total que hay en
el suelo, en el año anterior y en el actual (efecto residual).
Zn-D-H-E: Zn-DTPA-HEDTA-EDTA.
169
Capítulo 10
Sueloacido
Zn disponible año anterior DTPA-AB
Zn disponible actual DTPA-AB
80
70
Zn disponible (%)
60
50
40
30
20
10
0
20
Suelocal
18
16
14
Zn disponible (%)
12
10
8
6
4
2
0
Figura 10.6. Efecto de los diferentes tratamientos en el porcentaje de Zn potencialmente disponible
(método DTPA-AB) respecto al total que hay en el suelo, en el año anterior y en el actual (efecto residual).
Zn-D-H-E: Zn-DTPA-HEDTA-EDTA.
170
Discusión general
Sueloacido
Zn disponible año anterior Mehlich-3
Zn disponible actual Mehlich-3
80
Zn disponible (%)
70
60
50
40
30
20
10
0
Suelocal
30
Zn disponible (%)
25
20
15
10
5
0
Figura 10.7. Efecto de los diferentes tratamientos en el porcentaje de Zn potencialmente
disponible (método Mehlich-3) respecto al total que hay en el suelo, en el año anterior y en el
actual (efecto residual). Zn-D-H-E: Zn-DTPA-HEDTA-EDTA.
Con los valores de Zn biodisponible en ambos suelos estudiados conjuntamente (n = 34) se
obtuvieron correlaciones lineales significativas (P < 0,0001) entre los tres métodos de extracción
utilizados. Las ecuaciones de regresión obtenidas fueron las siguientes:
Zn extraído con DTPA-AB = 0,06 + 1,17 × Zn extraído con DTPA-TEA (r = 0,99)
Zn extraído con Mehlich-3 = 2,20 + 0,97 × Zn extraído con DTPA-AB (r = 0,94)
Zn extraído con Mehlich-3 = 2,26 + 1,14 × Zn extraído con DTPA-TEA (r = 0,93)
Estas ecuaciones indican una alta correlación entre los diferentes métodos de extracción y
explican un porcentaje muy alto de la variabilidad (del 87,14% en la última ecuación, al 98,74% de
la primera ecuación). Varios autores han obtenido ecuaciones de regresión similares para los
diferentes métodos de extracción del Zn potencialmente disponible en el suelo (Novillo et al., 2002;
Gonzalez et al., 2008b).
171
Capítulo 10
DISTRIBUCIÓN DE LAS FRACCIONES DE ZINC EN EL SUELO
En las Fig. 10.8, 10.9, 10.10 y 10.11 se representan los porcentajes de Zn asociado a cada
una de las diferentes fracciones del suelo, determinadas por el método de extracción secuencial
propuesto por Krishnamurti and Naidu (2002) (ver capítulo 4.3.3), a las dosis 0 (control), 5 y 10 mg
Zn kg-1, y en ambos suelos objeto de estudio. Se observa como la distribución del Zn dependió del
tipo de suelo y de los tratamientos fertilizantes aplicados.
En los tratamientos control, las concentraciones de Zn (mg kg-1) obtenidas en las diferentes
fracciones variaron en el siguiente orden de mayor a menor:
-
Sueloacido: CFeO (asociado a óxidos de hierro cristalinos; 2,50), OM (asociado
orgánicamente; 2,20), OC (complejado orgánicamente; 1,89), RES (residual; 1,64),
AMC (asociado a minerales coloidales amorfos; 1,12), RMO (asociado a óxidos
metálicos fácilmente reducibles; 0,45), WSEX (soluble en agua e intercambiable;
0,17).
-
Suelocal: RES (21,05), CFeO (10,63), OC (3,40), AMC (2,90), OM (2,35), CAR
(asociado a carbonatos; 1,38), RMO (0,28), WSEX (0,18).
El Zn residual presente en el suelo, procedente de la aplicación de los fertilizantes de Zn en
el cultivo previo, proporcionó concentraciones altas de este micronutriente en las fracciones más
lábiles del suelo, en comparación con las obtenidas en el tratamiento control. Con la aplicación de
los tratamientos fertilizantes de Zn, los valores medios de concentración del micronutriente asociado
a la fracción WSEX fueron 11 y 2,3 veces superiores a la concentración en dicha fracción en el
tratamiento control, para el Sueloacido y Suelocal, respectivamente. Las concentraciones de Zn
asociado a la fracción OC en ambos suelos y a la fracción CAR en el Suelocal también fueron muy
superiores respecto al tratamiento control (3,1 veces en el Sueloacido y 2,3 y 2,5 veces en el Suelocal
OC y CAR, respectivamente).
En el Sueloacido, los fertilizantes que contenían, EDTA, HEDTA y AML fueron los que
mostraron las mayores concentraciones de Zn asociado a la fracción más lábil (WSEX). Además,
como se muestra en las Fig. 10.8 y 10.9, los mayores porcentajes de Zn en esta fracción, respecto al
Zn total, correspondieron para la dosis de 5 mg Zn kg-1, al Zn-EDTA (12,9%) y, para la dosis de 10
mg Zn kg-1, al Zn-AML y al Zn-DTPA-HEDTA-EDTA (15,2% en ambos casos). También es
destacable que, mientras el porcentaje de Zn en la fracción residual (RES) del tratamiento control
alcanzó valores del 16,4%, en el caso de los tratamientos con Zn-AML se obtuvieron valores del
3,7%, para ambas dosis.
En el Suelocal las mayores concentraciones de Zn asociado a la fracción más lábil se observó
con el fertilizante que contenía los complejos DTPA, HEDTA y EDTA. Los mayores porcentajes de
Zn en esta fracción, respecto al Zn total, correspondieron también al Zn-DTPA-HEDTA-EDTA (1,3
y 1,8% para la dosis de 5 y 10 mg Zn kg-1, respectivamente) (Fig. 10.10 y 10.11). También es
destacable que, mientras el porcentaje de Zn en la fracción residual (RES) del tratamiento control
alcanzó valores del 49,9%, en el caso de los tratamientos con Zn-DTPA-HEDTA-EDTA este
porcentaje fue menor, obteniéndose valores del 39,8% y del 40,0% (dosis de 5 y 10 mg Zn kg-1,
respectivamente).
172
Discusión general
control
16,4%
Zn-WSEX
1,7%
Zn-OC
19,0%
Zn-RMO
Zn-OM
4,5%
Zn-AMC
25,1%
Zn-CFeO
22,1%
11,2%
Zn-AML-5
Zn-RES
Zn-EDTA-5
4,5%
3,7% 11,2%
12,9%
18,4%
18,8%
8,0%
7,9%
37,8%
14,8%
34,2%
16,1%
6,0%
5,6%
Zn-PHP-5
11,5%
Zn-EDTA-HEDTA-5
8,5%
8,9%
6,5%
18,8%
17,9%
36,4%
31,7%
8,7%
7,6%
16,7%
4,3%
15,0%
5,7%
Zn-EDDS-5
5,0%
6,2%
Zn-D-H-E-5
8,0%
8,9%
18,7%
21,3%
32,4%
36,8%
8,6%
9,4%
17,1%
15,5%
6,6%
Zn-HEDTA-5
Zn-EDDHSA-5
4,9%
7,3%
7,1%
11,4%
20,3%
8,5%
17,2%
36,0%
37,8%
8,5%
6,9%
15,9%
7,3%
13,4%
4,9%
Figura 10.8. Distribución del Zn residual en el Sueloacido (dosis 0 y 5 mg kg-1) asociado a cada
una de las fracciones estudiadas después del segundo cultivo de judía.
Zn-D-H-E: Zn-DTPA-HEDTA-EDTA.
173
Capítulo 10
control
Sueloacido
Zn-WSEX
Zn-OC
1,7%
16,4%
Zn-RMO
Zn-OM
19,0%
4,5%
Zn-AMC
Zn-CFeO
25,1%
22,1%
Zn-RES
11,2%
Zn-AML-10
13,6%
Zn-EDTA-10
3,7% 15,2%
10,4%
14,5%
17,3%
6,2%
10,7%
30,3%
43,9%
7,4%
6,7%
6,2%
13,8%
Zn-PHP-10
Zn-EDTA-HEDTA-10
11,0%
17,1%
8,1%
17,9%
17,0%
14,9%
30,5%
5,9%
34,7%
6,2%
13,5%
4,8%
12,9%
Zn-D-H-E-10
Zn-EDDS-10
8,9%
9,8%
15,8%
28,3%
31,7%
7,0%
14,0%
5,8%
13,9%
6,4%
Zn-HEDTA-10
Zn-EDDHSA-10
9,6%
20,7%
28,5%
19,1%
5,7% 11,4% 5,0%
15,2%
16,9%
18,2%
8,0%
5,3%
6,8%
15,8
%
14,2
%
6,6%
35,8
%
13,7
%
7,0%
Figura 10.9. Distribución del Zn residual en el Sueloacido (dosis 0 y 10 mg kg-1) asociado a
cada una de las fracciones estudiadas después del segundo cultivo de judía.
Zn-D-H-E: Zn-DTPA-HEDTA-EDTA.
174
Discusión general
control
Suelocal
0,4%
3,3%
Zn-WSEX
Zn-CAR
Zn-OC
Zn-RMO
Zn-OM
Zn-AMC
Zn-CFeO
Zn-RES
8,1%
0,7%
5,6%
49,9%
6,9%
25,2%
Zn-AML-5
Zn-EDTA-5
7,4%
0,5%
0,9% 4,0%
8,9%
0,8%
9,0%
0,6%
5,6%
7,0%
47,1%
48,8%
7,2%
6,9%
23,7%
21,3%
Zn-PHP-5
4,2%
0,5%
Zn-EDTA-HEDTA-5
0,7%
5,5%
15,4%
48,1%
6,1%
0,9%
44,3%
15,7%
1,6%
7,1%
6,8%
8,0%
18,7%
16,4%
Zn-EDDS-5
0,5%
Zn-D-H-E-5
1,3%
3,4%
17,4%
49,1%
0,8%
5,0%
6,4%
17,4%
41,3%
15,3%
39,8%
2,1%
9,7%
16,0%
Zn-EDDHSA-5
0,4%
5,5%
10,3%
Zn-HEDTA-5
4,1%
1,1%
8,1%
8,6%
16,7%
0,8%
41,2%
6,0%
1,9%
10,1%
6,4%
24,3%
17,7%
11,3%
Figura 10.10. Distribución del Zn residual en el Suelocal (dosis 0 y 5 mg kg-1) asociado a cada
una de las fracciones estudiadas después del segundo cultivo de judía.
Zn-D-H-E: Zn-DTPA-HEDTA-EDTA.
175
Capítulo 10
control
0,4%
Suelocalc
Zn-WSEX
Zn-CAR
Zn-OC
Zn-RMO
Zn-OM
Zn-AMC
Zn-CFeO
Zn-RES
3,3% 8,1%
0,7%
5,6%
49,9%
6,9%
25,2%
Zn-EDTA-10
Zn-AML-10
0,8%
1,0% 6,2%
10,0%
12,5%
11,5%
40,6%
1,1%
8,3%
0,8%
6,1%
44,6%
6,9%
7,5%
21,9%
20,1%
Zn-EDTA-HEDTA-10
Zn-PHP-10
0,4%
10,1%
41,1%
15,6%
0,9%
7,3%
34,1%
18,8%
1,0%
1,4%
7,6%
7,7%
8,8%
7,0%
21,1%
17,1%
Zn-D-H-E-10
Zn-EDDS-10
1,8%
0,4% 4,4%
6,8%
11,3%
16,8%
51,3%
0,7%
5,1%
6,0%
15,4%
40,0%
1,7%
7,9%
9,8%
20,7%
Zn-EDDHSA-10
0,4%
Zn-HEDTA-10
5,8%
1,0%
11,2%
42,0%
30,1
%
0,7%
6,7%
8,6%
1,8%
6,6%
26,5%
13,4
%
19,1
%
12,5
%
13,6
%
Figura 10.11. Distribución del Zn residual en el Suelocal (dosis 0 y 10 mg kg-1) asociado a cada una
de las fracciones estudiadas después del segundo cultivo de judía.
Zn-D-H-E: Zn-DTPA-HEDTA-EDTA.
176
Discusión general
Los resultados del análisis de varianza multifactorial de la concentración de Zn en el suelo
asociado a las diferentes fracciones, para los efectos principales: suelo, fertilizante, dosis aplicada y
repetición y las interacciones entre éstos se muestran en la Tabla 10.5. Este análisis demostró la
existencia de diferencias significativas en cuanto a la concentración de Zn entre los diferentes suelos,
fertilizantes y dosis aplicada en todas las fracciones, excepto en el Zn asociado a la fracción CAR,
que sólo se extrajo en el Suelocal, y en el asociado a la fracción RES, que no mostró diferencias entre
las dosis aplicadas. Debido a la existencia de una interacción significativa entre los factores suelo y
fertilizante se realizó por separado el estudio estadístico para cada suelo.
Tabla 10.5. Análisis de varianza multifactorial para la concentración de Zn en el suelo asociado a las diferentes
fracciones (el análisis de varianza de la concentración de Zn asociado a la fracción CAR se realizó con los efectos
principales fertilizante, dosis aplicada y repetición).
Fuente de
variación
F-coef
WSEX
P-valor
Suelo (s)
3807
***
Fertilizante (f)
51,73
***
Dosis (d)
573,7
***
Repetición (r)
NS
NS
Interacciones significativas
s×f
36,62
***
s×d
430,7
***
f×d
13,01
***
s×f×d
4,97
*
Fuente de
variación
F-coef
CAR
P-valor
F-coef
OC
P-valor
----NS
6,52
NS
-----NS
0,0206
NS
62,12
57,84
295,1
NS
***
***
***
NS
--------NS
-----
----------NS
------
11,42
34,80
12,30
10,76
**
***
**
**
F-coef
AMC
P-valor
F-coef
CFeO
P-valor
OM
F-coef
Suelo (s)
250,6
Fertilizante (f)
14,63
Dosis (d)
35,82
Repetición (r)
NS
Interacciones significativas
s×f
17,13
s×d
7,52
f×d
3,43
s×f×d
3,30
P-valor
F-coef
RMO
P-valor
223,3
9,92
23,81
NS
***
**
**
NS
6,03
10,22
NS
NS
*
*
NS
NS
RES
F-coef
P-valor
***
***
***
NS
5592
79,71
79,73
NS
***
***
***
NS
9520
65,72
146,5
NS
***
***
***
NS
3351
22,10
NS
NS
***
***
NS
NS
***
*
*
*
85,48
40,12
11,70
10,71
***
***
**
**
55,58
28,68
11,53
12,64
***
**
**
***
21,12
21,63
9,94
5,20
***
**
**
*
***, **, * indican niveles de significación del 99,99%; 99,9% y 95,0%, respectivamente.
La prueba estadística de separación de medias LSD (P < 0,05), reveló que en el Sueloacido se
obtuvieron mayores concentraciones de Zn asociado a las fracciones WSEX y RMO que en el
Suelocal. Sin embargo, la concentración del Zn asociado a las fracciones OC, OM, AMC, CFeO y
RES fue mayor en el Suelocal que en el Sueloacido.
Un nuevo análisis de varianza multifactorial para los efectos principales tratamientos
fertilizantes (fertilizante × dosis) y repetición indicó, para cada suelo, la existencia de diferencias
significativas (P < 0,0001) en la concentración asociada a la fracción más lábil (WSEX) entre los
diferentes tratamientos aplicados. El contraste ortogonal de las medias obtenidas para cada
tratamiento demostró, para ambos suelos, la existencia de diferencias significativas en cuanto a la
concentración de Zn asociada a la fracción WSEX entre el tratamiento control y el resto de
tratamientos aplicados (Tabla 10.6). Por otro lado, también corroboró que los fertilizantes aplicados
en la dosis inferior (5 mg Zn kg-1) produjeron en su conjunto, concentraciones de Zn asociado a la
fracción más lábil significativamente menores que cuando fueron aplicados a la dosis superior (10
mg Zn kg-1).
177
Capítulo 10
Tabla 10.6. Contrastes ortogonales de la concentración de Zn asociado a la fracción más lábil (WSEX).
Contrastes ortogonales1
Sueloacido:
Dosis 0 (control) vs. 5 y 10 mg Zn kg−1
−1
-27,37 ***
Dosis 5 vs. 10 mg Zn kg
-8,57 ***
Zn-EDTA, Zn-HEDTA y Zn-AML vs. resto de fertilizantes
39,85 ***
Dosis 0 (control) vs. 5 y 10 mg Zn kg−1
-3,67 ***
Suelocal:
−1
Dosis 5 vs. 10 mg Zn kg
Zn-D-H-E vs. resto de fertilizantes
-0,62 ***
5,93 ***
1
Los valores de contraste indican la diferencia entre la media de los tratamientos.
***, **, * indican niveles de significación del 99,99%; 99,9% y 95,0%, respectivamente.
Zn-D-H-E: Zn-DTPA-HEDTA-EDTA.
En el Sueloacido, el contraste estadístico ortogonal de las medias indicó que, las
concentraciones de Zn asociado a la fracción más lábil (WSEX) obtenidas con la aplicación de
Zn-EDTA, Zn-HEDTA y Zn-AML fueron significativamente mayores que las obtenidas con el resto
de los fertilizantes aplicados en este suelo.
En el Suelocal, la concentración de Zn asociado a la fracción más lábil obtenida con la
aplicación del fertilizante Zn-DTPA-HEDTA-EDTA fue significativamente mayor que las del resto
de los fertilizantes. Como ya se ha indicado anteriormente, estos complejos sintéticos tienen una
constante de estabilidad que les permite mantener altas cantidades de Zn en la solución del suelo.
El Zn residual de los complejos aplicados produjo diferentes concentraciones de Zn asociado
a las distintas fracciones del suelo, dependiendo del tiempo transcurrido desde la aplicación de la
fuente de Zn. En el Sueloacido, el análisis de varianza multifactorial y la prueba estadística de
separación de medias LSD (P < 0,05) realizados para la concentración de Zn en el suelo en los dos
cultivos sucesivos, indicaron una reducción en la concentración media de Zn asociado a la fracción
WSEX (P < 0,05), en el segundo año respecto al primero (2,18 y 1,78 mg Zn kg-1, en el primer y
segundo año respectivamente). Sin embargo, el Zn asociado a las fracciones OM (P < 0,0001) y
CFeO (P < 0,05) se incrementó en el segundo año (1,74 y 2,81 mg Zn kg-1 en el primer año y 2,43 y
3,02 mg Zn kg-1 en el segundo año, respectivamente). Jalali y Khanlari (2008) observaron, en un
experimento de incubación, que el contenido en metal asociado a las fracciones más débilmente
ligadas tendía a decrecer con el tiempo, mientras que se producían incrementos en otras fracciones
más fuertemente ligadas a los componentes del suelo a lo largo del tiempo. Según Trivedi y Axe
(2000) la cantidad de Zn adsorbido a los óxidos hidróxidos de Fe incrementa gradualmente con el
tiempo.
En el Suelocal, el análisis de varianza multifactorial y la prueba estadística de separación de
medias LSD (P < 0,05) realizados para la concentración de Zn en el suelo en los dos cultivos
sucesivos, también indicaron una reducción en la concentración media de Zn asociado a la fracción
WSEX (P < 0,0001) en el segundo año, respecto al primero (0,84 y 0,39 mg Zn kg-1, en el primer y
segundo año, respectivamente). Sin embargo, las concentraciones de Zn asociado a las fracciones
CAR, OC, RMO, OM, AMC (P < 0,0001, excepto OM, P < 0,001) fueron superiores durante el
segundo año de cultivo (1,43; 4,27; 0,39; 2,96 y 2,17 mg Zn kg-1, en el primer año, y 3,28; 6,62;
0,56; 3,65 y 4,02 mg Zn kg-1 en el segundo año, respectivamente). Según Lock y Janssen (2003), la
transformación del Zn añadido en las fracciones asociadas a los óxidos y carbonatos disminuye la
disponibilidad del metal, aunque estas transformaciones suelen producirse a un ritmo lento en suelos
178
Discusión general
naturales. Según Chairidchai y Ritchie (1990) y Stevenson (1994) en general, los compuestos
orgánicos insolubles pueden actuar como un sumidero para los metales.
En ambos suelos, la concentración de Zn asociado a la fracción más lábil (WSEX) descendió
en el segundo año, respecto al primero, aunque este descenso fue mucho mayor en el Suelocal (22,5%
en el Sueloacido y 115,4% en el Suelocal). Este efecto se debe principalmente al proceso de
envejecimiento del micronutriente en el suelo, que consiste en la transformación del Zn del suelo de
las fracciones más lábiles, a Zn asociado a fracciones más residuales, particularmente en suelos
calizos (Lock y Jannsen, 2003; Jalali y Khanlari, 2008). Xiang et al. (1995) observaron en suelos
calizos una transformación más rápida de las fracciones más lábiles a fracciones de Zn más estables
que en suelos ácidos y neutros.
Los mayores descensos en la fracción más lábil (WSEX) se observaron con el fertilizante
Zn-EDTA-HEDTA en el Sueloacido, y con el Zn-EDDS en el Suelocal. Este efecto puede deberse, en
el primer caso, a las pérdidas de Zn producidas durante el cultivo, ya que estas fuentes móviles de
Zn (EDTA y HEDTA) pueden ser lixiviadas y consumidas por las plantas con mayor facilidad que
las fuentes menos móviles; en el caso de la fuente Zn-EDDS puede deberse principalmente al
proceso de envejecimiento del Zn en el suelo, observado de forma notoria en este suelo calizo.
Como ya se ha comentado anteriormente, los agentes quelantes aminopolicarboxilatos, como el
EDDS, son fácilmente degradables en el suelo, consecuencia de su constante de estabilidad, por lo
que se puede producir una reducción de la fracción más lábil de Zn debido al efecto del
envejecimiento.
El análisis de correlación lineal (n = 34) entre las concentraciones de Zn potencialmente
disponible obtenidas en ambos suelos con los diferentes extractantes y la concentración de Zn
asociado a las diferentes fracciones, indicó que existen correlaciones altamente significativas
(P < 0,0001) y positivas con la concentración de Zn asociado a la fracción WSEX (valores de r
desde 0,63 hasta 0,83), a la fracción OC (valores de r desde 0,43 hasta 0,62) y a la fracción RMO
(valores de r desde 0,61 hasta 0,73). Según Ure (1995), los extractantes DTPA y EDTA podrían ser
usados para extraer los elementos asociados a las formas: soluble en agua, intercambiable, ligada a
las formas adsorbida y orgánica y también las formas ocluidas en óxidos y en minerales de la arcilla
secundarios.
El análisis de correlación lineal también indicó que las concentraciones de Zn asociado a la
fracción más lábil (WSEX) y a las fracciones OC y RMO están positivamente correlacionadas
(valores de r desde 0,44 hasta 0,91) entre ellas. Sin embargo, están negativamente correlacionadas
(valores de r desde -0,43 hasta -0,85) con las concentraciones de Zn asociado a las formas más
residuales (OM, AMC, CFeO, y RES).
Parámetros como el pH del suelo y las condiciones redox pueden afectar el proceso de
envejecimiento y modificar la solubilidad de los metales del suelo. Los complejos influyeron en una
evolución significativa del pH y del Eh en el suelo a lo largo del segundo cultivo. En el Sueloacido, el
pH incrementó con el tiempo (P < 0,001), alcanzando valores medios desde 5,85 a 6,73 (a los 30 y
60 días después de la germinación, respectivamente), mientras que el Eh disminuyó
significativamente (P < 0,0001) con valores de 618 a 558 mV (30 y 60 días después de la
germinación, respectivamente). En condiciones ácidas generalmente se obtiene una alta fracción de
Zn intercambiable (Bar-Yosef et al., 1980; Liang et al., 1990; Chlopecka et al., 1996) y el contenido
de Zn soluble en agua en el suelo disminuye con incrementos de pH.
En el Suelocal tanto el pH como el Eh disminuyeron significativamente (P < 0,05 y
P < 0,001, respectivamente) con el tiempo, alcanzando valores de 7,71 a 7,41 para el pH y de 519 a
179
Capítulo 10
476 mV para el Eh. Un alto pH provoca que la mayoría del Zn se encuentre en formas no
disponibles para la planta (Payne et al., 1988). Cuando el Eh disminuye, la afinidad de los
carbonatos, sulfuros insolubles y material húmico de alto peso molecular con el Zn aumenta y por
tanto, el Zn soluble disminuye (Ghanem y Mikkelsen, 1987; Guo et al., 1997). Los valores pH y Eh
del suelo correspondieron a suelos normales (óxicos) [pH + pe > 14, Patrick et al. (1996)] en ambos
casos, sin embargo el Sueloacido presentó condiciones más oxidantes que el Suelocal. Las condiciones
experimentales asociadas al cultivo produjeron un descenso en el estado oxidante de ambos suelos.
10.1.3. RESPUESTA DEL CULTIVO DE JUDÍA AL ZINC RESIDUAL DEL
SUELO
En las Fig. 10.12 y 10.13 se representan los valores de rendimiento y concentración de Zn en
las plantas de judía en ambos suelos. Como se observa, el efecto residual de los distintos
tratamientos fertilizantes de Zn tuvo influencia en el rendimiento en MS y en la concentración de Zn
total en la planta, en ambos suelos.
En todos los casos, se observa que el rendimiento en MS de la planta fue mayor para los
tratamientos de Zn que en el caso del tratamiento control. En el Sueloacido, el mayor valor se alcanzó
con el tratamiento Zn-EDTA a la dosis de 5 mg kg-1 (29,0 g MS de planta) y en el Suelocal el mayor
valor se alcanzó con el tratamiento Zn-EDDS a la dosis de 10 mg Zn kg-1 (30,8 g MS de planta).
En ambos suelos la concentración de Zn en la planta también fue mayor en el caso de los
tratamientos con complejos de Zn que en el caso del tratamiento control. El incremento de la
concentración de Zn en los tratamientos fertilizantes, respecto al control fue mayor en el Sueloacido
que en el Suelocal.
En el Sueloacido, el valor de las concentraciones de Zn en planta obtenidas con todos los
tratamientos fertilizantes fue superior a 50 mg Zn kg-1, concentración recomendada por McDonald et
al. (1981) como la concentración mínima requerida para la alimentación de diferentes animales. En
este suelo destacó el tratamiento con Zn-HEDTA a la dosis de 10 mg Zn kg-1, con una concentración
de 280 mg Zn kg-1. Sin embargo, en el Suelocal el valor mínimo requerido propuesto por McDonald
et al. (1981) no se superó con ninguno de los tratamientos, siendo incluso para los tratamientos con
Zn-PHP cercano a 20 mg Zn kg-1, valor citado por algunos autores (Jones, 2001; Alloway, 2008a)
como la concentración crítica en MS de la parte aérea de la judía. En este Suelocal el tratamiento con
el complejo sintético Zn-DTPA-HEDTA-EDTA a la dosis superior, produjo en este suelo la mayor
concentración de Zn en planta, con una concentración cercana a 50 mg Zn kg-1 en MS.
180
Discusión general
250
20
200
15
150
10
100
50
5
0
0
200
15
150
10
100
5
50
0
20
200
15
150
10
100
5
50
0
0
300
25
250
20
200
15
150
10
100
5
50
20
200
15
150
10
100
5
50
0
0
30
300
25
250
20
200
15
150
10
100
5
50
0
10
0
control
5
10
250
20
200
15
150
10
100
5
50
0
0
10
Rendimiento
25
Concentración Zn
300
30
300
25
250
20
200
15
150
10
100
5
50
0
Concentración Zn
Zn-HEDTA
Zn-D-H-E
30
Rendimiento
10
Concentración Zn
250
Rendimiento
25
5
5
Zn-EDTA-HEDTA
Concentración Zn
Rendimiento
0
control
300
control
10
30
Zn-EDTA
5
5
0
10
30
control
0
control
Concentración Zn
250
5
250
20
Zn-EDDHSA
300
25
control
300
25
10
Zn-EDDS
30
Rendimiento
5
Rendimiento
control
Concentración
Zn-PHP
30
Rendimiento
25
Concentración Zn
Rendimiento
300
Concentración Zn
Zn-AML
30
Rendimiento
Concentración Zn
Sueloacido
0
control
5
10
Figura 10.12. Influencia del Zn residual de los diferentes tratamientos y dosis en el rendimiento (g MS de planta) y
concentración de Zn (mg kg-1) en las plantas de judía en el Sueloacido.
Zn-D-H-E: Zn-DTPA-HEDTA-EDTA.
181
Capítulo 10
Rendimiento
Suelocal
Zn-AML
Zn-PHP
50
40
30
20
10
0
control
Rendimiento
Concentración Zn
5
10
Rendimiento
Concentración Zn
60
50
40
30
20
10
0
control
40
30
20
10
0
control
5
10
50
40
30
20
10
0
control
5
10
Zn-EDTA-HEDTA
Zn-EDTA
60
60
Rendimiento
Concentración Zn
Rendimiento
Concentración Zn
10
60
50
50
40
30
20
10
0
control
5
50
40
30
20
10
0
10
control
60
50
50
Rendimiento
Concentración Zn
60
40
30
20
10
0
control
5
5
10
Zn-HEDTA
Zn-D-H-E
Rendimiento
Concentración Zn
5
Zn-EDDHSA
Zn-EDDS
Rendimiento
Concentración Zn
Rendimiento
Concentración Zn
60
60
Concentración
10
40
30
20
10
0
control
5
10
Figura 10.13. Influencia del Zn residual de los diferentes tratamientos y dosis en el rendimiento (g MS de planta) y
concentración de Zn (mg kg-1) en las plantas de judía en el Suelocal.
Zn-D-H-E: Zn-DTPA-HEDTA-EDTA.
Los resultados del análisis de varianza multifactorial del rendimiento en materia seca (MS),
concentración de Zn en la planta y Zn tomado por la planta, para los efectos principales: suelo,
fertilizante, dosis aplicada y repetición y las interacciones entre éstos se muestran en la Tabla 10.7.
182
Discusión general
Tabla 10.7. Análisis de varianza multifactorial para rendimiento, concentración de Zn en planta y Zn tomado por la planta.
Rendimiento
Concentración de Zn
Zn tomado
Fuente de variación
F-coef
116,8
14,91
8,30
NS
Suelo
Fertilizante
Dosis
Repetición
P-valor
***
***
*
NS
F-coef
7668
25,13
1312
NS
P-valor
***
***
***
NS
F-coef
7966
83,00
1556
NS
P-valor
***
***
***
NS
Interacciones significativas
29,36
Suelo × fert
***
39,28
***
79,22
***
Suelo × dosis
6,07
*
1077
***
1149
***
Fert × dosis
3,43
*
4,70
*
11,27
**
Suelo × fert × dosis
NS
NS
6,13
*
11,69
**
***, **, * indican niveles de significación del 99,99%; 99,9% y 95,0%, respectivamente.
Este análisis demostró la existencia de diferencias significativas en cuanto al rendimiento,
concentración de Zn en la planta y Zn tomado, entre los diferentes suelos, fertilizantes y dosis
aplicadas y la existencia de una interacción especialmente significativa entre los factores suelo y
fertilizante. Por ello, a continuación se realizó por separado el estudio de los resultados obtenidos en
cada uno de los dos suelos estudiados.
La prueba estadística de separación de medias LSD (P < 0,05) indicó que el rendimiento en
el Suelocal fue mayor que en el Sueloacido. Sin embargo, la concentración de Zn en la planta y el Zn
tomado por la planta (concentración de Zn en la planta × rendimiento) fueron mayores en el
Sueloacido que en el Suelocal.
Un nuevo análisis de varianza multifactorial, para los tres parámetros de la planta
estudiados, para los efectos principales tratamientos fertilizantes (fertilizante × dosis) y repetición
indicó para cada suelo la existencia de diferencias significativas (P < 0,001 y P < 0,0001) entre los
diferentes tratamientos aplicados.
El contraste ortogonal de las medias obtenidas para cada tratamiento demostró, para ambos
suelos, la existencia de diferencias significativas en cuanto a estos tres parámetros de la planta entre
el tratamiento control y el resto de los tratamientos aplicados (Tabla 10.8). Por otro lado, el
contraste ortogonal también indicó que los fertilizantes aplicados en la dosis inferior produjeron
valores significativamente menores de estos tres parámetros de la planta, que cuando fueron
aplicados en la dosis superior.
Como se puede deducir de la Tabla 10.8 en el Sueloacido el rendimiento con el fertilizante
Zn-EDTA, teniendo en cuenta ambas dosis de aplicación, fue significativamente superior que el del
resto de fertilizantes aplicados. La concentración de Zn en la planta fue superior con el fertilizante
Zn-HEDTA y el Zn tomado con los fertilizantes Zn-HEDTA y Zn-AML. En el Suelocal el
rendimiento con el fertilizante Zn-EDDS, teniendo en cuenta ambas dosis de aplicación, fue
significativamente superior que el del resto de fertilizantes aplicados. La concentración de Zn en la
planta y el Zn tomado fueron superiores con el fertilizante Zn-DTPA-HEDTA-EDTA.
183
Capítulo 10
Tabla 10.8. Contrastes ortogonales para el rendimiento, concentración de Zn en planta y Zn tomado.
Contrastes ortogonales1
Rendimiento
Sueloacido:
Dosis 0 (control) vs. 5 y 10 mg Zn kg−1
Concentración
de Zn
Zn tomado
-142,6 ***
-2252 ***
-56,54 ***
Dosis 5 vs. 10 mg Zn kg−1
-1,09 ***
-878,9 ***
-20,71 ***
Zn-EDTA vs. resto de fertilizantes
85,77 ***
Zn-HEDTA vs. resto de fertilizantes
683,2 ***
Zn-HEDTA y Zn-AML vs. resto de fertilizantes
18,73 ***
Suelocal:
Dosis 0 (control) vs. 5 y 10 mg Zn kg−1
-186,9 ***
-151,3 ***
-7,72 ***
Dosis 5 vs. 10 mg Zn kg−1
-14,09 *
-40,29 ***
-1,57 ***
Zn-EDDS vs. resto de fertilizantes
20,32 ***
Zn-D-H-E vs. resto de fertilizantes
221,3 ***
5,94 ***
1
Los valores de contraste indican la diferencia entre la media de los tratamientos.
***, **, * indican niveles de significación del 99,99%; 99,9% y 95,0%, respectivamente.
Zn-D-H-E: Zn-DTPA-HEDTA-EDTA.
A continuación se realizó el análisis de varianza multifactorial y la prueba estadística de
separación de medias LSD (P < 0,05) para la concentración de Zn soluble en las hojas extraída con
el reactivo MES, en materia fresca (MF). En este caso, la concentración de Zn soluble con el
tratamiento Zn-AML a la dosis de 10 mg Zn kg-1 fue el valor más alto de los obtenidos en el
Sueloacido y con el tratamiento Zn-DTPA-HEDTA-EDTA a la dosis de 10 mg Zn kg-1 en el Suelocal
(5,44 y 5,15 mg Zn kg-1 respectivamente).
Diferentes investigadores han obtenido que la concentración de Zn soluble en las hojas de
diferentes cultivos, como algodón (Gossypium hirsutum L.), maíz (Zea mays L.), mijo (Panicum
miliaceum L. ssp. miliaceum), tabaco (Nicotiana tabacum L.), remolacha azucarera (Beta vulgaris L.
ssp. vulgaris) y viña (Vitis vinifera L.) es un buen indicador de su estado de Zn (Cakmak y
Marschner, 1988). En este experimento, la concentración de Zn soluble extraída con el reactivo
MES estuvo correlacionada positiva (r = 0,61) y significativamente (P < 0,001) con la concentración
de Zn en la planta, por lo que puede usarse para estimar el estado nutricional de la planta con
respecto a este micronutriente, habiéndose obtenido la siguiente ecuación de regresión:
Concentración Zn en la planta = -86,21 + 54,93 × Concentración de Zn soluble (MES)
González et al. (2007, 2008 a,b) también obtuvieron una correlación similar entre ambos parámetros
en la planta de judía.
Comparando los resultados obtenidos en este cultivo, con los obtenidos el año anterior
(Fig. 10.14, 10.15 y 10.16), se observa en el Sueloacido, una disminución significativa (P < 0,0001) de
los valores medios de rendimiento en MS, descendiendo el valor medio de 28,28 g por lisímetro, a
22,83 g en el segundo año. También se observa una reducción significativa (P < 0,001) en la
cantidad de Zn tomado, disminuyendo de 4,63 a 3,73 mg Zn del primer al segundo cultivo. En el
Suelocal se obtuvieron disminuciones significativas (P < 0,0001) en el rendimiento en MS
(reduciéndose de 30,64 a 26,23 g por lisímetro), en la concentración total de Zn (disminuyendo de
43,17 a 28,78 mg Zn kg-1) y en el Zn tomado por la planta (reduciéndose de 1,32 a 0,76 mg Zn). En
este suelo sería conveniente una nueva aplicación de Zn para un posterior cultivo de judía, ya que
como se ha mencionado anteriormente los valores de concentración de Zn total en la planta son
inferiores a 50 mg Zn kg-1 MS de planta, concentración mínima recomendada para la alimentación
de los animales.
184
Discusión general
35
Sueloacido
Cultivo anterior
Cultivo actual
Rendimiento (g lisímetro -1)
30
25
20
15
10
5
0
Suelocal
35
25
20
15
10
5
0
co
nt
Zn rol
-A
M
L
Zn
-A -5
M
L
Zn -10
-P
H
P
Zn
-P -5
H
Zn P-1
0
-E
D
DS
Zn
-E
-5
D
DS
Zn
-E
-1
D
DH 0
Zn
-E
SA
D
DH -5
S
Zn A-1
0
-E
D
T
Z
A
Zn
n
-E -ED -5
D
TA TA
Zn
-H -1 0
-E
D
ED
TA
-H T A5
ED
TA
Zn
-D 10
Zn -H-E
-D
-H 5
E
Zn
-H -10
ED
Zn
-H T A5
ED
TA
-1
0
Rendimiento (g lisímetro -1)
30
Figura 10.14. Efecto del Zn de los diferentes tratamientos fertilizantes en el rendimiento del cultivo previo y
del actual. Las barras verticales representan la desviación estándar de la media.
Zn-D-H-E: Zn-DTPA-HEDTA-EDTA.
185
Capítulo 10
Sueloacido
Cultivo anterior
Cultivo actual
Concentración (mg Zn kg -1)
350
300
250
200
150
100
50
0
Suelocal
100
Concentración (mg Zn kg -1)
90
80
70
60
50
40
30
20
10
co
n
Zn t rol
-A
Zn ML
-A -5
M
L
Zn -10
-P
Zn HP
-P -5
H
Zn P-E 10
D
D
Zn
-E S-5
Zn DD
S-E
10
Zn DD
-E H S
D
A
DH -5
SA
Zn
-1
0
-E
D
Zn Zn- TA
ED -5
-E
Zn DTA TA
-E
-H -1 0
D
TA ED
-H T A
ED -5
T
Zn A-D 10
Zn -H-D E-5
-H
Zn -E
-H -1 0
Zn ED
-H T A
ED -5
TA
-1
0
0
Figura 10.15. Efecto del Zn de los diferentes tratamientos fertilizantes en la concentración de Zn en la planta en
el cultivo previo y en el actual (efecto residual). Las barras verticales representan la desviación estándar de la
media. Zn-D-H-E: Zn-DTPA-HEDTA-EDTA.
186
Discusión general
Sueloacido
Zn tomado cultivo anterior
Zn tomado cultivo actual
Zinc tomado (mg lisímetro-1)
8
7
6
5
4
3
2
1
0
Suelocal
Zinc tomado (mg lisímetro-1)
2,5
2,0
1,5
1,0
0,5
0,0
Figura 10.16. Efecto del Zn de los diferentes tratamientos fertilizantes en el Zn tomado por la planta en el cultivo
previo y en el actual (efecto residual). Las barras verticales representan la desviación estándar de la media.
Zn-D-H-E: Zn-DTPA-HEDTA-EDTA.
187
Capítulo 10
En el estudio de la eficiencia en planta de los diferentes complejos se evaluó el porcentaje de
Zn usado o Zn utilizado, definido como:
Zn usado o utilizado (%) = (Zn tomado por la planta en cada tratamiento ─ Zn tomado por la planta
en el tratamiento control) × 100 / Zn añadido.
Realizado un análisis de varianza multifactorial para el Zn utilizado se obtuvieron en ambos
suelos diferencias significativas (P < 0,0001) entre los tratamientos. En el Sueloacido la prueba
estadística de separación de medias LSD (P < 0,05) reveló que los mayores valores se obtuvieron
con los fertilizantes Zn-HEDTA y Zn-AML, corroborándose que los valores de Zn usado con estos
fertilizantes son superiores al del resto, con el contraste ortogonal de las medias. En el Suelocal el
mayor valor de Zn usado se obtuvo con el fertilizante Zn-DTPA-HEDTA-EDTA.
La evolución del porcentaje de Zn usado en los dos cultivos sucesivos (Fig. 10.17) mostró
un descenso significativo (P < 0,05) en ambos suelos, disminuyendo en el Sueloacido desde un 3,94
hasta un 3,32% y en el Suelocal desde un 0,77 hasta un 0,48%.
Tanto en este segundo cultivo, como en el estudio conjunto de los dos cultivos sucesivos, se
observa que en el Sueloacido las fuentes de Zn que tienen una mayor influencia, mejorando la calidad
del cultivo (concentración de Zn en planta y Zn tomado) y con un mayor porcentaje de Zn utilizado,
fueron los fertilizantes Zn-HEDTA y Zn-AML. La aplicación de estas fuentes de Zn en el Sueloacido
también produjo altas cantidades relativas de Zn lixiviado, así como altas concentraciones de Zn
potencialmente disponible y la mayor concentración de Zn asociado a la fracción más lábil (WSEX),
lo que indica una gran movilidad de estas fuentes de Zn y, por lo tanto, una alta disponibilidad para
la planta.
En el Suelocal y en el cultivo actual, el fertilizante Zn-DTPA-HEDTA-EDTA fue el que
produjo mejores valores de calidad en el cultivo y efectividad, entre las diferentes fuentes de Zn
aplicadas. En el estudio conjunto de los dos cultivos sucesivos los fertilizantes Zn-DTPA-HEDTAEDTA y Zn-EDTA consiguieron los mejores resultados. Los agentes quelantes sintéticos DTPA,
EDTA y HEDTA poseen unas constantes de estabilidad relativamente altas, protegiendo al metal de
la retención por parte de los componentes del suelo y favoreciendo la movilidad y la disponibilidad
del Zn para las plantas. Las fuentes Zn-EDTA y Zn-DTPA-HEDTA-EDTA produjeron también altas
cantidades de Zn lixiviado, lo que indica una gran movilidad de estas fuentes, la fuente Zn-HEDTA
produjo la mayor cantidad de Zn asociado a la fracción más lábil (WSEX).
El análisis estadístico realizado con los valores de ambos cultivos para estudiar la influencia
del tipo de suelo en los parámetros de la planta, indicó que existieron diferencias significativas
(P < 0,0001) en ambos suelos en la concentración de Zn en la planta, Zn tomado y porcentaje de Zn
usado, alcanzándose en todos estos casos valores medios en el Sueloacido mayores que en el Suelocal.
Los valores medios de concentración, Zn tomado y porcentaje de Zn usado en el Sueloacido fueron
161,86 mg Zn kg-1; 4,18 mg y 3,63%, respectivamente. Los valores medios de concentración, Zn
tomado y porcentaje de Zn usado en el Suelocal fueron 35,98 mg Zn kg-1; 1,04 mg y 0,63%,
respectivamente. Según Lock y Janssen (2003) uno de los factores más importantes en la medida de
la influencia del envejecimiento del micronutriente en el suelo, en la biodisponibilidad del metal, es
el pH del suelo. Los resultados obtenidos en la planta indicaron que en el Suelocal, que contiene
carbonatos libres, presenta un mayor pH y un mayor contenido en arcilla que el Sueloacido, se
produce un mayor envejecimiento del micronutriente, disminuyendo el Zn que puede ser tomado por
la planta y, en definitiva, afectando a la calidad del cultivo.
188
Discusión general
Sueloacido
cultivo anterior
cultivo actual
8
7
Zinc usado (%)
6
5
4
3
2
1
0
6
Suelocal
Zinc usado (%)
5
4
3
2
1
0
Figura 10.17. Efecto del Zn de los diferentes tratamientos fertilizantes en el Zn usado por la planta en el cultivo
previo y en el actual (efecto residual), en ambos suelos. Las barras verticales representan la desviación estándar
de la media. Zn-D-H-E: Zn-DTPA-HEDTA-EDTA.
Para analizar globalmente los resultados obtenidos, se ha llevado a cabo un balance de
Zn, cuyos resultados se presentan en la Tabla 10.9. El Zn recuperado se define como la suma
del Zn total que permanece en el suelo, el Zn lixiviado y el tomado por la planta. El Zn
recuperado se compara con el Zn que había en el suelo antes de este experimento, considerado
el 100 %. Los porcentajes de recuperación en el Sueloacido varían entre el 100,48 % y 114,06 %
y en el Suelocalc entre el 90,34 % y 106,76 %, valores que se consideran aceptables para
experimentos en cultivos de invernadero.
189
Capítulo 10
Tabla 10.9. Estudio de la recuperación de Zn en ambos suelos según los tratamientos fertilizantes y dosis aplicadas.
Sueloacido
control
Zn total
permanece en
suelo (mg)
99,65
Zn
recuperado
(mg)
100,435
Zn-AML-5
154,07
Zn-AML-10
Suelocal
101,04
Zn total
permanece en
suelo (mg)
421,46
Zn
recuperado
(mg)
422,019
159,108
114,06
491,86
492,772
96,66
200,75
210,761
111,93
523,23
524,177
96,41
Zn-PHP-5
158,94
162,773
105,29
477,93
478,757
99,60
Zn-PHP-10
212,33
218,373
104,89
518,77
519,683
99,50
Zn-EDDS-5
139,43
141,913
103,59
510,22
511,225
104,01
Zn-EDDS-10
194,52
200,190
105,36
574,25
575,234
106,70
Zn-EDDHSA-5
139,82
144,135
101,86
515,45
516,492
106,76
Zn-EDDHSA-10
204,27
212,307
110,12
537,41
538,587
100,39
Zn-EDTA-5
145,66
149,609
100,48
464,21
469,894
95,22
Zn-EDTA-10
194,10
201,398
105,06
513,35
524,189
98,55
Zn-EDTAHEDTA-5
Zn-EDTAHEDTA-10
151,64
155,492
107,09
513,94
516,331
100,39
196,84
205,146
105,42
531,68
541,546
97,79
Zn-D-H-E-5
137,06
141,328
104,92
478,01
481,712
102,04
Zn-D-H-E-10
184,54
191,845
105,87
516,53
528,168
101,08
Zn-HEDTA-5
167,71
172,445
113,08
433,92
436,344
90,34
Zn-HEDTA-10
202,25
212,532
109,84
527,61
530,692
98,62
Tratamiento
% de
recuperación
Zn-D-H-E: Zn-DTPA-HEDTA-EDTA.
190
% de
recuperación
95,67
Discusión general
10.2. EFECTO DEL ZINC RESIDUAL DE LOS COMPLEJOS
APLICADOS EN UN CULTIVO DE LINO DESARROLLADO EN
CONDICIONES DE RIEGO POR DEBAJO DE CAPACIDAD DE CAMPO.
10.2.1. ESTADO DEL ZINC RESIDUAL EN EL SUELO
ZINC POTENCIALMENTE BIODISPONIBLE
En la Figura 10.18 se representa la concentración de Zn potencialmente disponible en
función de los diferentes tratamientos fertilizantes aplicados en un cultivo previo de lino, obtenida
con los tres métodos utilizados: DTPA-TEA, LMWOAs y Mehlich-3 (Lindsay y Norvell, 1978;
Feng et al., 2005; Mehlich, 1984).
Sueloacido
DTPA-TEA
LMWOAs
Mehlich-3
Zinc disponible (mg Zn kg-1)
20
18
16
14
12
10
8
6
4
2
20
18
Suelocal
16
14
12
10
8
6
4
2
0
co
Zn nt ro
-A l
Zn M
-A L-5
M
Zn L-1
-P 0
Zn HP
-P -5
Zn HP
-E -10
Zn DD
S
Zn ED -5
-E DS
Zn DD -10
-E H
D SA
DH 5
Zn SA
1
Zn Z ED 0
-E n-E TA
Zn DT D -5
-E A TA
D -H -1
TA E
0
-H DT
A
ED 5
Zn T A
-D -10
Zn -H
-D -E
Zn -H-E 5
-H -1
Zn ED 0
-H T
ED A-5
TA
-1
0
Zinc disponible (mg Zn kg-1)
0
Figura 10.18. Efecto de los diferentes tratamientos en la concentración de Zn
potencialmente disponible, obtenida con los métodos DTPA-TEA, LMWOAs y
Mehlich-3 en el cultivo actual (efecto residual). Las barras verticales representan la
desviación estándar de la media. Zn-D-H-E: Zn-DTPA-HEDTA-EDTA.
Como se observa en la figura, en ambos suelos, el orden de las concentraciones de Zn
extraídas usando los tres diferentes métodos fueron, de mayor a menor (valores medios para todas
las repeticiones y tratamientos fertilizantes): Mehlich-3, DTPA-TEA y LMWOAs.
191
Capítulo 10
En el Sueloacido, el Zn residual de los tratamientos fertilizantes de Zn provocó un incremento
de la concentración de Zn potencialmente disponible entre 1,9 y 6 veces con respecto al valor del
tratamiento control. El tratamiento con el complejo sintético Zn-EDTA, a la dosis de 10 mg kg-1, fue
el que produjo las mayores concentraciones de Zn disponible.
En el Suelocal, la concentración de Zn potencialmente disponible, obtenida con los
tratamientos con Zn, alcanzó valores de entre 1,8 y 8,5 veces el valor del tratamiento control. Las
mayores concentraciones de Zn disponible fueron obtenidas con los tratamientos Zn-DTPAHEDTA-EDTA a la dosis 10 mg kg-1 para las extracciones DTPA-TEA y LMWOAs y con el
Zn-EDTA a la dosis 10 mg kg-1 para la extracción Mehlich-3. En ambos suelos, la menor
concentración de Zn disponible, cuando se aplicaron los tratamientos fertilizantes de Zn, se obtuvo
con el tratamiento Zn-PHP a la dosis de 5 mg kg-1.
En suelos ácidos, los valores de concentración de Zn extraídos en el suelo considerados
como críticos para la planta para las extracciones con DTPA-TEA y Mehlich-3 son 0,6 mg kg-1 y 1,2
mg kg-1, respectivamente (Lindsay y Norwell, 1978; Tran y Simard, 1993). En los suelos calizos,
estas concentraciones críticas se consideran 1,0 mg kg-1 y 1,8 mg kg-1, para dichas extracciones,
respectivamente. En el Sueloacido, la concentración de Zn disponible en el tratamiento control
presentó un valor superior a la concentración crítica. Sin embargo en el Suelocal, la concentración de
Zn obtenida en el tratamiento control fue menor a la crítica. Como ya se comentó en el apartado
anterior, este efecto puede deberse a las características de este suelo, que tiene un pH alcalino, alto
contenido en CaCO3, alto contenido en arcilla y esmectita como tipo de arcilla predominante
(Tabla 6.1). La formación de hidróxidos y carbonatos y la adsorción del metal en las arcillas pueden
disminuir la concentración de Zn potencialmente disponible en este suelo.
Los resultados del análisis de varianza multifactorial para las concentraciones de Zn
potencialmente disponibles con los efectos principales: suelo, fertilizante, dosis aplicada y repetición
y las interacciones entre éstos, para cada uno de los métodos de extracción utilizados se muestran en
la Tabla 10.10. Este análisis demostró la existencia de diferencias significativas en cuanto a la
concentración de Zn biodisponible entre suelos, fertilizantes y dosis aplicada para todos los métodos
de extracción utilizados, así como una interacción significativa entre los factores suelo y fertilizante
en el caso de la concentración extraída con los métodos DTPA-TEA y LMWOAs. Por ello, a
continuación se realizó por separado el estudio estadístico de los resultados obtenidos en cada uno
de los dos suelos estudiados.
Tabla 10.10. Análisis de varianza multifactorial para la concentración de Zn potencialmente disponible en el suelo.
DTPA-TEA
LMWOAs
Mehlich-3
Fuente de variación
F-coef
Suelo
Fertilizante
Dosis
Repetición
287
8,87
195
NS
P-valor
F-coef
P-valor
F-coef
P-valor
***
***
***
NS
2558
9,37
212
NS
***
***
***
NS
817
34,2
817
NS
***
***
***
NS
Interacciones significativas
Suelo × fert
8,24
**
5,43
*
NS
NS
Suelo × dosis
121
***
149
***
70,3
***
Fert × dosis
4,85
*
3,99
*
8,93
**
Suelo × fert × dosis
3,89
*
NS
NS
NS
NS
***, **, * indican niveles de significación del 99,99%; 99,9% y 95,0%, respectivamente.
192
Discusión general
Un posterior análisis de varianza multifactorial para los efectos principales: tratamiento
fertilizante (fertilizante × dosis) y repetición indicó, para cada suelo, la existencia de diferencias
significativas (P < 0,0001) entre los tratamientos aplicados, pero no entre las repeticiones (P < 0,05).
El contraste ortogonal de las medias obtenidas para cada tratamiento (Tabla 10.11) corroboró que,
para ambos suelos, la concentración de Zn potencialmente disponible obtenida al aplicar un
tratamiento fertilizante de Zn en alguna de sus dosis (5 ó 10 mg Zn kg-1) fue siempre superior a la
concentración obtenida con el tratamiento control. Por otro lado, también demostró que los
fertilizantes aplicados en la dosis inferior (5 mg Zn kg-1) produjeron en su conjunto concentraciones
de Zn potencialmente disponible menores que cuando los fertilizantes eran aplicados en la dosis
superior.
Tabla 10.11. Contrastes ortogonales para la concentración de Zn potencialmente disponible en el suelo.
Contrastes ortogonales1
Sueloacido:
Dosis 0 (control) vs. 5 y 10 mg Zn kg−1
DTPA-TEA
LMWOAs
Mehlich-3
-78,89 ***
-69,50 ***
-122,9 ***
-31,58 ***
-23,43 ***
-46,15 ***
Zn-EDTA vs. resto de fertilizantes
35,56 ***
24,10 ***
44,32 ***
Suelocal:
Dosis 0 (control) vs. 5 y 10 mg Zn kg−1
-43,39 ***
-5,05 **
-72,64 ***
-14,05 ***
-2,05 ***
-25,21 ***
17,51 ***
4,42 ***
28,63 ***
−1
Dosis 5 vs. 10 mg Zn kg
−1
Dosis 5 vs. 10 mg Zn kg
Zn-D-H-E y Zn-EDTA vs. resto de
fertilizantes
1
Los valores de contraste indican la diferencia entre la media de los tratamientos.
***, **, * indican niveles de significación del 99,99%; 99,9% y 95,0%, respectivamente.
El contraste ortogonal de medias también corroboró lo ya observado anteriormente: en el
Sueloacido, las concentraciones de Zn potencialmente disponible al aplicar los tratamientos de
Zn-EDTA fueron mayores que las obtenidas con el resto de las fuentes, mientras que en el Suelocal,
las concentraciones de Zn biodisponible fueron mayores al aplicar los fertilizantes Zn-DTPAHEDTA-EDTA y Zn-EDTA que en el resto de los casos.
En la Fig. 10.19, se representa el porcentaje de la concentración de Zn disponible (obtenida
con el método Mehlich-3) respecto al Zn total que hay en el suelo en los dos cultivos sucesivos. En
general, en el Sueloacido se observa una disminución del porcentaje de Zn disponible en el segundo
cultivo. Esta disminución es más acusada cuando fueron aplicados los tratamientos que contienen
complejos más móviles, como el Zn-DTPA-HEDTA-EDTA, Zn-EDTA-HEDTA y Zn-EDTA. Sin
embargo, en el Suelocal no se observa ningún descenso del porcentaje de Zn disponible en el segundo
cultivo con respecto al primero.
Con los valores de la concentración de Zn potencialmente disponible de ambos suelos
estudiados conjuntamente (n = 34) se obtuvieron correlaciones significativas (P < 0,0001) entre los
tres métodos de extracción utilizados, siendo las ecuaciones de regresión obtenidas las siguientes:
Zn extraído con DTPA-TEA = 2,75 + 0,77 Zn extraído con LMWOAs (r = 0,90)
Zn extraído con Mehlich-3 = 0,85 + 1,40 Zn extraído con DTPA-TEA (r = 0,98)
Zn extraído con Mehlich-3 = 4,78 + 1,05 Zn extraído con LMWOAs (r = 0,85)
193
Capítulo 10
Sueloacido
Zn disponible cultivo anterior Mehlich-3
Zn disponible cultivo actual Mehlich-3
90
Zn disponible (%)
80
70
60
50
40
30
20
10
0
Suelocal
Zn disponible (%)
20
15
10
5
co
Zn nt ro
-A l
Zn ML
-A -5
M
Zn L-1
-P 0
Zn HP
-P -5
Zn HP
-E -1
Zn DD 0
-E S
Zn DD -5
-E
S
Zn DD -10
-E H
D SA
DH S 5
Zn A1
Zn Z ED 0
T
n
-E A
Zn DT ED -5
T
-E A- A
H D
TA ED 10
-H T
ED A-5
Zn T A
-D -1
Zn -H 0
-D -E
-5
Zn H-E
-H -1
Zn ED 0
-H T
ED A-5
TA
-1
0
0
Figura 10.19. Efecto de los diferentes tratamientos en el porcentaje de Zn potencialmente
disponible respecto al Zn total del suelo, obtenido con el método Mehlich-3 en el cultivo previo y
en el actual (efecto residual). Las barras verticales representan la desviación estándar de la media.
Zn-D-H-E: Zn-DTPA-HEDTA-EDTA.
ZINC FÁCILMENTE LIXIVIABLE
Las cantidades de Zn fácilmente lixiviable extraídas con BaCl2 en ambos suelos se presentan
en la Figura 10.20. Los distintos fertilizantes y la dosis aplicada en el cultivo previo, tuvieron
influencia en la cantidad de Zn lixiviado en el segundo cultivo. Como es lógico, en general se
observa una mayor cantidad de Zn fácilmente lixiviable cuando se aplicó la dosis de 10 mg Zn kg-1
que con la de dosis de 5 mg Zn kg-1. También se puede observar que la concentración de Zn
fácilmente lixiviable es notablemente mayor en el Sueloacido que en el Suelocal. Los fertilizantes con
los que se observó una mayor concentración de Zn fácilmente lixiviable fueron Zn-EDTA y
Zn-DTPA-HEDTA-EDTA para el Sueloacido y el Suelocal, respectivamente. Las menores
concentraciones corresponden a los tratamientos con Zn-EDDS y Zn-PHP. En el Sueloacido la
concentración de Zn fácilmente lixiviable en los tratamientos con los diferentes fertilizantes alcanzó
valores entre 1,4 y 4,6 veces la concentración del tratamiento control. En el Suelocal la concentración
194
Discusión general
de Zn fácilmente lixiviable en los tratamientos en los que se aplicó fertilizante de Zn alcanzó valores
entre 1,0 y 9,1 veces la concentración del tratamiento control.
Zinc fácilmente lixiviable
suelo acido
suelo cal
-1
(mg Zn kg )
12
10
8
6
4
2
co
n
Zn t ro
-A l
Zn ML
-A -5
M
Zn L-1
-P 0
Zn HP
-P -5
Zn HP
-E -10
Zn DD
-E S
Zn DD -5
-E SZn DD 1 0
-E HS
D
DH A-5
S
Zn A-E 10
Zn Zn DT
-E -E AZn DT DT 5
-E A- AH
1
D
TA ED 0
-H T A
ED -5
Zn T A
-D -10
Zn -H
-D -E5
Zn H-E
-H -1
Zn ED 0
-H T A
ED -5
TA
-1
0
0
Figura 10.20. Efecto de los diferentes tratamientos en el Zn fácilmente lixiviable en
el cultivo actual (efecto residual). Las barras verticales representan la desviación
estándar de la media. Zn-D-H-E: Zn-DTPA-HEDTA-EDTA.
Los resultados del análisis de varianza multifactorial de la concentración de Zn estimada
como fácilmente lixiviable para los efectos principales: suelo, fertilizante, dosis aplicada y repetición
y las interacciones entre éstos se muestran en la Tabla 10.12. Este análisis demostró la existencia de
diferencias significativas en cuanto a la concentración de Zn estimada como fácilmente lixiviable,
entre suelos, fertilizantes y dosis aplicadas, así como una interacción significativa entre los factores
suelo y fertilizante. Por ello, a continuación se realizó por separado el estudio estadístico de los
resultados obtenidos en cada uno de los suelos estudiados.
Tabla 10.12. Análisis de varianza multifactorial para la
concentración de Zn fácilmente lixiviable en el suelo.
Fuente de variación
Suelo
Fertilizante
Dosis
Repetición
Interacciones significativas
BaCl2
F-coef
3454
28,06
340,0
NS
P-valor
***
***
***
NS
Suelo × fert
16,01
***
Suelo × dosis
273,1
***
Fert × dosis
4,69
*
Suelo × fert × dosis
3,61
*
***, **, * indican niveles de significación del 99,99%; 99,9% y
95,0%, respectivamente.
Un posterior análisis de varianza multifactorial para los efectos principales: tratamiento
fertilizante (fertilizante × dosis) y repetición indicó que, para cada suelo, existieron diferencias
significativas (P < 0,0001 y P < 0,001 para el Sueloacido y el Suelocal, respectivamente) entre los
tratamientos aplicados pero no entre las repeticiones (P > 0,05). El contraste ortogonal de las medias
obtenidas para cada tratamiento (Tabla 10.13) corroboró que, para ambos suelos, la concentración
195
Capítulo 10
de Zn fácilmente lixiviable obtenida al aplicar un tratamiento fertilizante con Zn en alguna de sus
dosis (5 ó 10 mg Zn kg-1) fue siempre superior a la concentración obtenida con el tratamiento
control. Por otro lado, también demostró que los fertilizantes aplicados en la dosis inferior (5 mg Zn
kg-1) produjeron en su conjunto concentraciones de Zn fácilmente lixiviable menores que cuando los
fertilizantes fueron aplicados en la dosis superior.
Tabla 10.13. Contrastes ortogonales para la concentración de Zn fácilmente lixiviable en el suelo.
Contrastes ortogonales1
Sueloacido:
Dosis 0 (control) vs. 5 y 10 mg Zn kg−1
Dosis 5 vs. 10 mg Zn kg−1
Zn-EDTA vs. resto de fertilizantes
Zn-PHP y Zn-EDDS vs. resto de fertilizantes
Suelocal:
Dosis 0 (control) vs. 5 y 10 mg Zn kg−1
Dosis 5 vs. 10 mg Zn kg−1
BaCl2
-46,73 ***
-21,13 ***
27,40 ***
-16,60 ***
-3,00 **
-1,16 ***
Zn-D-H-E vs. resto de fertilizantes
15,24 ***
Zn-PHP y Zn-EDDS vs. resto de fertilizantes
-2,73 ***
1
Los valores de contraste indican la diferencia entre la media de los tratamientos.
***, **, * indican niveles de significación del 99,99%; 99,9% y 95,0%, respectivamente.
El contraste ortogonal de medias también demostró que las concentraciones de Zn
fácilmente lixiviable al aplicar Zn-EDTA en el Sueloac y Zn-DTPA-HEDTA-EDTA en el Suelocal
fueron mayores que las obtenidas con el resto de las fuentes. En ambos suelos, las concentraciones
obtenidas al aplicar Zn-PHP y Zn-EDDS fueron menores que las obtenidas con el resto de los
fertilizantes.
Como se puede observar en la Fig. 10.21, el porcentaje de Zn fácilmente lixiviable respecto
al Zn aplicado, en el Sueloacido fue muy superior al del Suelocal. En el Sueloacido, la concentración
media de Zn fácilmente lixiviable fue de 4,43 y 4,65 mg Zn kg-1 (60,73 y 63,51% respecto al Zn
aplicado), en el primer y segundo año de cultivo respectivamente. En el Suelocal, estas
concentraciones fueron de 0,84 y 0,37 mg Zn kg-1 (11,49 y 5,05% respecto al Zn aplicado), en el
primer y segundo año respectivamente. Según Xiang et al. (1995) las transformaciones de las
fracciones más lábiles a fracciones de Zn más estables se producen con mayor rapidez en el caso de
los suelos calizos que en los suelos ácidos y neutros.
En el Sueloacido, el porcentaje de Zn fácilmente lixiviable con los tratamientos Zn-DTPAHEDTA-EDTA y Zn-EDTA-HEDTA a la dosis de 10 mg Zn kg-1 fue menor en el cultivo actual que
en el cultivo anterior, aunque los valores obtenidos fueron relativamente altos en comparación con
los del resto de tratamientos. Este efecto también se observó con todos los tratamientos del Suelocal,
excepto con el Zn-AML, que se mantuvo aproximadamente con los mismos valores ambos años.
Debido a las características del Suelocal el Zn puede quedar retenido en las partículas del suelo, en
formas insolubles. Las mayores variaciones del porcentaje de Zn fácilmente lixiviable entre el
primer y el segundo cultivo fueron observadas en el Suelocal con Zn-EDTA y Zn-DTPA-HEDTAEDTA a la dosis de 10 mg Zn kg-1 (con disminuciones en dicho porcentaje de un 23,75 y un 23,95%,
respectivamente); estos tratamientos, que contienen los complejos más estables, produjeron
concentraciones muy altas de Zn fácilmente lixiviable en el primer año.
196
Discusión general
Zinc fácilmente lixiviable (%)
Sueloacido
cultivo anterior
cultivo actual
90
80
70
60
50
40
30
20
10
0
Zinc fácilmente lixiviable (%)
Suelocal
50
45
40
35
30
25
20
15
10
5
0
Figura 10.21. Porcentaje de Zn fácilmente lixiviable en el cultivo anterior y
en el cultivo actual respecto al Zn aplicado.
Zn-D-H-E: Zn-DTPA-HEDTA-EDTA.
El análisis de correlación realizado entre la concentración de Zn fácilmente lixiviable
estimada con BaCl2 y la concentración de Zn potencialmente biodisponible obtenida con los tres
métodos de extracción llevados a cabo, demostró que dichas concentraciones se encuentran
correlacionadas entre sí (Tabla 10.14). La mejor correlación fue la obtenida entre la concentración
de Zn fácilmente lixiviable y la concentración potencialmente biodisponible extraída con la mezcla
de ácidos orgánicos débiles (LMWOAs).
Tabla 10.14. Coeficientes de correlación simple (r) entre la concentración de Zn fácilmente lixiviable y
la concentración de Zn potencialmente biodisponible obtenida con diferentes métodos de extracción.
BaCl2
DTPA-TEA
LMWOAs
Mehlich-3
0,90 ***
0,99 ***
0,85 ***
***, **, * indican niveles de significación del 99,99%; 99,9% y 95,0%, respectivamente.
Las ecuaciones de regresión obtenidas fueron las siguientes:
Conc. Zn biodisponible (DTPA-TEA) = 2,75 + 0,95 Conc. Zn fácilmente lixiviable (BaCl2)
Conc. Zn biodisponible (LMWOAs) = 0,08 + 1,19 Conc. Zn fácilmente lixiviable (BaCl2)
Conc. Zn biodisponible (Mehlich-3) = 4,81 + 1,28 Conc. Zn fácilmente lixiviable (BaCl2)
El procedimiento de extracción con BaCl2 extrae los elementos metálicos que se encuentran
adsorbidos en las partículas del suelo (Räisänen et al., 1997) y el realizado con LMWOAs extrae los
metales disponibles a corto plazo (Cieśliński et al., 1998). Sin embargo, los extractantes DTPA-TEA
y Mehlich-3 también extraen el metal que se encuentra más fuertemente retenido en los
componentes del suelo (Ure, 1995).
197
Capítulo 10
DISTRIBUCIÓN DE LAS FRACCIONES DE ZINC EN EL SUELO
En las Fig. 10.22, 10.23, 10.24 y 10.25 se representan los porcentajes de Zn asociado a cada
una de las diferentes fracciones del suelo, siguiendo un método de extracción secuencial propuesto
por varios autores (Mehra y Jackson, 1960; Chao, 1972; Tessier et al., 1979) (ver Tablas 6.2 y 7.2),
a las dosis 0 (control), 5 y 10 mg Zn kg-1, y en ambos suelos objeto de estudio. Se puede observar
como la distribución del Zn en el suelo depende del tipo de suelo y de los tratamientos fertilizantes
aplicados. En los tratamientos control, las concentraciones de Zn (mg kg-1) obtenidas en las
diferentes fracciones variaron siguiendo el orden decreciente:
-
Sueloacido OM (asociado a materia orgánica; 2,74), FeOX (asociados a óxidos de hierro;
2,35), EXC (intercambiable; 1,71), MnOX (asociado a óxidos de manganeso; 1,34),
RES (residual; 1,00), WS (soluble en agua; 0,3).
-
Suelocal: RES (31,40), FeOX (7,88), OM (3,03), CAR (asociado a carbonatos; 0,98),
EXC (0,20), MnOX (0,15), WS (0,13).
El Zn residual presente en el suelo, procedente de la aplicación de los fertilizantes en el cultivo
previo, proporcionó concentraciones de Zn altas en las fracciones más lábiles, en comparación con
las del tratamiento control. Con la aplicación de los tratamientos fertilizantes de Zn, los valores
medios de concentración de micronutriente asociado a la fracción WS fueron 2,9 y 3,3 veces
superiores a la concentración en dicha fracción en el tratamiento control, en el Sueloacido y Suelocal
respectivamente. Las concentraciones de Zn asociado a la fracción EXC en el Sueloacido, CAR en el
Suelocal y MnOX con los tratamientos de Zn aplicados en ambos suelos también fueron superiores a
las del tratamiento control. En el Sueloacido las concentraciones de Zn asociado a las fracciones EXC
y MnOX fueron 2,8 y 2,5 veces las del control, respectivamente y en el Suelocal las concentraciones
de Zn asociado a las fracciones CAR y MnOX fueron 4,05 y 3,17 veces las del control,
respectivamente.
En el Sueloacido, los fertilizantes que contenían, EDTA y DTPA fueron los que mostraron las
mayores concentraciones de Zn asociado a la fracción más lábil (WS). Como se observa en las Fig.
10.22 y 10.23, los mayores porcentajes de Zn en esta fracción, respecto al Zn total, correspondieron
al Zn-EDTA-HEDTA para la dosis de 5 mg Zn kg-1 (7,5%) y al Zn-EDTA para la dosis de 10 mg Zn
kg-1 (11,8%). También los fertilizantes que contenían estos dos quelatos mostraron altas
concentraciones en la fracción intercambiable (EXC). Los mayores porcentajes de Zn en esta
fracción correspondieron al Zn-DTPA-HEDTA-EDTA para la dosis de 5 mg Zn kg-1 (28,5%) y al
Zn-EDTA-HEDTA para la dosis de 10 mg Zn kg-1 (35,1%). También es destacable que, mientras el
porcentaje de Zn en la fracción residual (RES) del tratamiento control alcanzó valores del 10,6%, en
el caso de los tratamientos con Zn se obtuvieron valores inferiores, llegando a ser del 6,5%
(Zn-EDDS y Zn-HEDTA a la dosis de 10 mg Zn kg-1).
En el Suelocal la mayor concentración de Zn asociado a la fracción más lábil (WS) se
observó con el fertilizante que contenía los complejos DTPA, HEDTA y EDTA. Los mayores
porcentajes de Zn en esta fracción, respecto al Zn total correspondieron de nuevo al Zn-DTPAHEDTA-EDTA (2,9 y 4,3% a las dosis 5 y 10 mg Zn kg-1 respectivamente) (Fig. 10.24 y 10.25).
También este fertilizante produjo un mayor porcentaje, en comparación con el tratamiento control,
de Zn asociado a la fracción intercambiable (EXC), alcanzando valores de 0,8 y 0,9% para las dosis
de 5 y 10 mg Zn kg-1, respectivamente. Es destacable que, mientras el porcentaje de Zn en la
fracción residual (RES) del tratamiento control alcanzó valores del 71,7%, en el caso de los
tratamientos con Zn-DTPA-HEDTA-EDTA se obtuvieron valores del 62,1% y del 51,6% (dosis de
5 y 10 mg Zn kg-1, respectivamente).
198
Discusión general
control
Sueloacido
10,6% 3,2%
WS
18,1%
EXC
MnOx
24,9%
OM
14,2%
FeOx
RES
29,1%
Zn-AML-5
Zn-EDTA-5
9,2% 3,6%
9,0% 5,9%
26,2%
27,7%
19,0%
19,7%
20,0%
18,5%
18,1%
23,2%
Zn-PHP-5
Zn-EDTA-HEDTA-5
10,9% 4,4%
8,2% 7,5%
25,5%
15,1%
18,6%
25,6%
19,9%
23,7%
17,8%
22,8%
Zn-D-H-E-5
Zn-EDDS-5
4,0%
10,4% 5,2%
8,4%
24,4%
22,1%
28,5%
15,9%
20,9%
20,2%
19,8%
20,0%
Zn-EDDHSA-5
Zn-HEDTA-5
2,7%
9,3% 3,8%
19,3%
9,6%
21,9%
24,6%
24,4%
20,2%
19,8%
22,8%
21,6%
Figura 10.22. Distribución en el Sueloacido de la concentración de Zn residual
(dosis 5 mg kg-1) asociado a cada una de las fracciones estudiadas después del
segundo cultivo de lino. Zn-D-H-E: Zn-DTPA-HEDTA-EDTA.
199
Capítulo 10
control
Sueloacido
WS
10,6% 3,2%
EXC
18,1%
MnOx
OM
24,9%
FeOx
14,2%
RES
29,1%
Zn-AML-10
Zn-EDTA-10
3,9%
7,1%
7,2%
31,2%
16,0%
11,8%
14,7%
32,4%
15,2%
20,7%
18,8%
21,0%
Zn-EDTA-HEDTA-10
Zn-PHP-10
7,7% 3,7%
7,1% 6,5%
30,9%
11,8%
17,7%
35,1%
19,1%
18,6%
20,3%
21,4%
Zn-D-H-E-10
Zn-EDDS-10
6,5%
3,4%
6,6% 8,7%
29,6%
15,9%
14,2%
33,3%
21,3%
23,4%
17,7%
19,6%
Zn-EDDHSA-10
7,6%
16,6%
21,5%
Zn-HEDTA-10
5,5%
6,5%
31,7%
17,1%
3,7%
18,9%
32,8%
17,5%
20,6%
Figura 10.23. Distribución en el Sueloacido de la concentración de Zn residual
(dosis 10 mg kg-1) asociado a cada una de las fracciones estudiadas después del
segundo cultivo de lino. Zn-D-H-E: Zn-DTPA-HEDTA-EDTA.
200
Discusión general
control
Suelocal
0,5%
0,3%
WS
EXC
CAR
MnOx
OM
FeOx
RES
2,2%
0,3%
6,9%
18,0%
71,7%
Zn-AML-5
0,5%
0,3%
Zn-EDTA-5
5,5%
0,7%
0,6%
0,6%
7,8%
0,9%
10,2%
13,9%
20,7%
62,1%
58,3%
17,8%
Zn-PHP-5
Zn-EDTA-HEDTA-5
4,7%
0,5%
0,3%
0,4% 0,6%
0,6%
0,7%
8,4%
9,7%
18,4%
67,2%
7,5%
18,4%
62,7%
Zn-EDDS-5
0,4%
0,5%
Zn-D-H-E-5
5,9%
2,9%
0,8%
6,1%
0,8%
0,8%
8,5%
9,6%
17,5%
66,3%
62,1%
Zn-EDDHSA-5
0,4%
0,5%
Zn-HEDTA-5
6,6%
0,5%
9,5%
22,2%
0,5%
8,4%
1,2%
0,7%
60,1%
17,7%
11,9%
53,8%
23,5%
Figura 10.24. Distribución en el Suelocal de la concentración de Zn residual
(dosis 5 mg kg-1) asociado a cada una de las fracciones estudiadas después del
segundo cultivo de lino. Zn-D-H-E: Zn-DTPA-HEDTA-EDTA.
201
Capítulo 10
control
Suelocal
0,5%
0,3%
2,2%
0,3%
WS
EXC
6,9%
CAR
MnOx
18,0%
OM
71,7%
FeOx
RES
Zn-AML-10
Zn-EDTA-10
0,5%
0,3%
8,9%
0,6%
0,7%
12,0%
0,6%
1,4%
11,6%
15,1%
18,8%
59,2%
51,3%
Zn-PHP-10
19,0%
Zn-EDTA-HEDTA-10
0,5% 6,4%
0,4%
0,4%
0,7%
0,5%
9,6%
1,0%
10,1%
13,4%
18,8%
57,0%
18,1%
63,0%
Zn-D-H-E-10
Zn-EDDS-10
0,5%
0,4%
4,3%
7,8%
0,9%
10,4%
0,9%
10,7%
1,1%
11,6%
51,6%
60,6%
19,1%
20,1%
Zn-EDDHSA-10
0,5%
0,7%
Zn-HEDTA-10
0,7%
0,5%
8,3%
6,9%
1,0%
0,9%
11,0%
13,5%
55,8%
20,3%
59,1%
20,9%
Figura 10.25. Distribución en el Suelocal de la concentración de Zn residual
(dosis 10 mg kg-1) asociado a cada una de las fracciones estudiadas después del
segundo cultivo de lino. Zn-D-H-E: Zn-DTPA-HEDTA-EDTA.
202
Discusión general
Los resultados del análisis de varianza multifactorial de la concentración de Zn en el suelo
asociado a las diferentes fracciones, para los efectos principales: suelo, fertilizante, dosis aplicada y
repetición y las interacciones entre éstos se muestran en la Tabla 10.15. Este análisis demostró la
existencia de diferencias significativas en cuanto a la concentración de Zn entre los diferentes suelos,
excepto en el Zn asociado a la fracción CAR, que sólo se extrajo en el Suelocal. También se
obtuvieron diferencias significativas entre los diferentes fertilizantes en las fracciones WS, CAR,
OM, FeOX y RES y entre las dosis aplicadas en todas las fracciones excepto en la RES.
Tabla 10.15. Análisis de varianza multifactorial para la concentración de Zn en el suelo asociado a las diferentes
fracciones (el análisis de varianza de la concentración de Zn asociado a la fracción CAR se realizó con los efectos
principales fertilizante, dosis aplicada y repetición).
Fuente de
variación
WS
F-coef
EXC
P-valor
F-coef
Suelo (s)
71,83
***
Fertilizante (f)
30,96
***
Dosis (d)
32,22
**
Repetición (r)
NS
NS
Interacciones significativas
P-valor
P-valor
----17,47
185,8
NS
-----***
***
NS
1323
NS
47,57
NS
***
NS
***
NS
NS
NS
-----
------
6,03
*
------
10,21
s×d
9,14
*
199,5
***
-----
4,73
*
NS
NS
10,27
NS
NS
NS
-----
OM
F-coef
Suelo (s)
656,4
Fertilizante (f)
5,59
Dosis (d)
110,6
Repetición (r)
NS
Interacciones significativas
NS
NS
------
NS
NS
FeOX
P-valor
F-coef
P-valor
RES
F-coef
P-valor
***
*
NS
NS
***
*
***
NS
2886
8,32
14,87
NS
***
***
***
NS
4882
2,89
NS
NS
17,59
**
3,03
***
2,78
s×d
5,25
**
5,00
***
NS
f×d
5,79
NS
*
**
s×f
s×f×d
P-valor
***
NS
***
NS
f×d
Fuente de
variación
F-coef
2932
NS
220,1
NS
16,28
NS
MnOX
F-coef
s×f
s×f×d
***
CAR
*
NS
*
NS
NS
NS
NS
NS
NS
NS
NS
NS
***, **, * indican niveles de significación del 99,99%; 99,9% y 95,0%, respectivamente.
La prueba estadística de separación de medias LSD (P < 0,05) reveló que en el Sueloacido las
concentraciones de Zn asociado a las fracciones WS, EXC y MnOX fueron mayores que en el
Suelocal. Sin embargo, la concentración del Zn asociado a las fracciones OM, FeOX y RES fue
superior en el Suelocal que en el Sueloacido.
Como se puede observar en la Fig. 10.26, los fertilizantes que presentaron una mayor
concentración de Zn en la fracción más lábil (WS) fueron en el Sueloacido el Zn-EDTA, el Zn-DTPAHEDTA-EDTA y el Zn-EDTA-HEDTA. En el Suelocal destacó la concentración de Zn asociado a la
fracción más lábil del fertilizante Zn-DTPA-HEDTA-EDTA.
Un nuevo análisis de varianza multifactorial para los efectos principales tratamiento
fertilizante (fertilizante × dosis) y repetición indicó, para cada suelo, la existencia de diferencias
significativas (P < 0,0001) en la concentración de Zn asociada a la fracción más lábil (WS) entre los
diferentes tratamientos aplicados. El contraste ortogonal de las medias obtenidas para cada
tratamiento demostró, para ambos suelos, la existencia de diferencias significativas en cuanto a la
203
Capítulo 10
concentración de Zn asociada a la fracción WS entre el tratamiento control y el resto de tratamientos
aplicados (Tabla 10.16). Por otro lado, también corroboró que los fertilizantes aplicados en la dosis
inferior (5 mg Zn kg-1) produjeron en su conjunto, concentraciones de Zn asociado a la fracción más
lábil significativamente menores que cuando fueron aplicados a la dosis superior (10 mg Zn kg-1).
Sueloacido
Zn-WS año anterior
Zn-WS actual
Concentración de Zn (mg kg-1)
5
4
3
2
1
0
Suelocal
Concentración de Zn (mg kg-1)
6
5
4
3
2
1
0
Figura 10.26. Efecto de los diferentes tratamientos en la concentración de Zn
asociada a la fracción WS del suelo, en el cultivo previo y en el actual (efecto
residual). Zn-D-H-E: Zn-DTPA-HEDTA-EDTA.
Tabla 10.16. Contrastes ortogonales de la concentración de Zn asociado a la fracción más lábil (WS).
Contrastes ortogonales1
Sueloacido:
Dosis 0 (control) vs. 5 y 10 mg Zn kg−1
−1
-9,11 ***
Dosis 5 vs. 10 mg Zn kg
-3,55 ***
Zn-EDTA, Zn-D-H-E y Zn-EDTA-HEDTA vs. resto de fertilizantes
38,59 ***
Zn-AML, Zn-HEDTA, Zn-EDDS y Zn-PHP vs. resto de fertilizantes
-4,42 ***
Dosis 0 (control) vs. 5 y 10 mg Zn kg−1
-4,85 **
Suelocal:
−1
1
204
Dosis 5 vs. 10 mg Zn kg
-1,08 *
Zn-D-H-E vs. resto de fertilizantes
23,82 ***
Los valores de contraste indican la diferencia entre la media de los tratamientos. ***, **, * indican niveles de
significación del 99,99%; 99,9% y 95,0%, respectivamente. Zn-D-H-E: Zn-DTPA-HEDTA-EDTA.
Discusión general
En el Sueloacido, el contraste estadístico ortogonal de las medias indicó que, las
concentraciones de Zn asociado a la fracción más lábil (WS) obtenidas con la aplicación de
Zn-EDTA, Zn- DTPA-HEDTA-EDTA y Zn-EDTA-HEDTA fueron significativamente mayores que
las obtenidas con el resto de los fertilizantes aplicados en este suelo.
En el Suelocal, la concentración de Zn asociado a la fracción más lábil obtenida con la
aplicación del fertilizante Zn-DTPA-HEDTA-EDTA fue significativamente mayor que las del resto
de los fertilizantes. Como se indicó anteriormente, estos complejos sintéticos tienen una constante de
estabilidad que les permite mantener altas cantidades de Zn en la solución del suelo (log KZn-DTPA =
19,56; log KZn-EDTA = 17,44 y log KZn-HEDTA = 15,35, a fuerza iónica 0,01 M).
Como se puede observar en la Fig. 10.26, los diferentes tratamientos con Zn aplicados
produjeron diferentes concentraciones de Zn asociado a la fracción WS del suelo, dependiendo del
tiempo transcurrido desde la aplicación de la fuente de Zn. En el Sueloacido, en general, se observó
una reducción en la concentración media de Zn asociado a la fracción WS en el segundo año de
cultivo respecto al primero, siendo las concentraciones medias obtenidas 0,94 y 0,84 mg Zn kg-1,
para el primer y segundo año respectivamente. En el Suelocal, la disminución en la concentración
media de Zn asociado a la fracción WS fue más acusada, siendo esta concentración media de
0,88 mg Zn kg-1 en el primer año y 0,42 mg Zn kg-1 en el segundo. Sin embargo, el análisis de
varianza multifactorial realizado con todos los tratamientos indicó que no existían diferencias
significativas entre los dos años, en cada uno de los suelos.
Un nuevo análisis de varianza multifactorial para los efectos principales tratamiento
fertilizante (fertilizante × dosis), año de cultivo y repetición indicó, para el Sueloacido, la existencia de
diferencias significativas en la concentración asociada a la fracción OM (P < 0,0001) y en la
concentración asociada a la fracción FeOX (P < 0,05) entre los dos años consecutivos. Las
concentraciones medias de Zn asociado a las fracciones OM y FeOX aumentaron en el segundo año,
con respecto al primero, siendo estas concentraciones medias de 1,69 y 3,19 mg Zn kg-1 para la
fracción OM y de 2,44 y 2,78 mg Zn kg-1 para la fracción FeOX en el primer y segundo año,
respectivamente.
El análisis de varianza multifactorial en el Suelocal indicó la existencia de diferencias
significativas en la concentración asociada a la fracción EXC (P < 0,001) y en la concentración
asociada a la fracción FeOX (P < 0,0001) entre los dos años consecutivos. La concentración media
de Zn asociado a la fracción EXC disminuyó en el segundo año, con respecto al primero, siendo las
concentraciones medias de 0,49 y 0,30 mg Zn kg-1 en el primer y segundo año, respectivamente. La
concentración media de Zn asociado a la fracción FeOX aumentó en el segundo año, con respecto al
primero, siendo las concentraciones medias de 4,79 y 9,90 mg Zn kg-1 para el primer y segundo año,
respectivamente.
Jalali y Khanlari (2008) observaron, en un estudio de incubación, que el contenido en metal
asociado a las fracciones más débilmente ligadas tendía a decrecer con el tiempo, mientras que se
producían incrementos en otras fracciones más fuertemente ligadas a lo largo del tiempo. Por
ejemplo, la cantidad de Zn adsorbido a los óxidos hidróxidos de Fe incrementa gradualmente con el
tiempo (Trivedi y Axe, 2000).
En general, en el Suelocal, la diferencia entre las concentraciones de Zn asociado a las
distintas fracciones en cada uno de los años es mayor que en el caso del Sueloacido. Este efecto se
debe principalmente al proceso de envejecimiento del Zn en el suelo, que produce la transformación
del Zn aplicado al suelo de las fracciones más lábiles, a Zn asociado a fracciones más estables e
205
Capítulo 10
incluso a la fracción residual (Lock y Jannsen, 2003; Jalali y Khanlari, 2008), siendo esta
transformación más rápida en suelos calizos que en ácidos o neutros (Xiang et al., 1995).
El análisis de correlación lineal entre la concentración de Zn asociado a cada una de las
fracciones en ambos suelos (Tabla 10.17) mostró correlaciones positivas entre la concentración de
Zn asociado a la fracción WS y la concentración de Zn asociado a la fracción EXC. También se
obtuvieron correlaciones positivas entre las concentraciones de Zn asociado a las fracciones EXC y
CAR, entre las concentraciones de Zn asociado a las fracciones EXC y MnOX y entre las
concentraciones de Zn asociado a las fracciones CAR, MnOX, OM y FeOX. La concentración de Zn
asociado a la fracción RES mostró una correlación negativa con la concentración de Zn asociado a la
fracción MnOX.
También se obtuvieron correlaciones positivas y significativas entre las concentraciones de
Zn extraídas con los métodos de extracción simples utilizados para estimar el Zn biodisponible
(Mehlich-3, DTPA-TEA y LMWOAs) y Zn fácilmente lixiviable (BaCl2) con las concentraciones de
Zn asociado a algunas de las fracciones. Se puede destacar la correlación entre la concentración de
Zn fácilmente lixiviable, estimada con BaCl2 y la concentración de Zn asociado a la fracción WS, así
como las correlaciones entre la concentración de Zn potencialmente biodisponible estimada con
Mehlich-3 con las concentraciones de Zn asociado a las fracciones CAR, MnOX y OM. Como se ha
comentado anteriormente, los extractantes utilizados en las extracciones simples (Mehlich-3,
DTPA-TEA, LMWOAs y BaCl2) tienen diferentes fuerzas de extracción. Según Ure (1995), el
DTPA puede ser usado para extraer los elementos asociados a las formas: soluble en agua,
intercambiable, ligada a las formas adsorbida y orgánica y también las formas ocluidas en óxidos y
en minerales de la arcilla secundarios. Al igual que el método de extracción Mehlich-3, este método
también extrae el metal que se encuentra más fuertemente retenido en los componentes del suelo
(Ure, 1995). La extracción realizada con BaCl2 extrae los elementos metálicos que se encuentran
adsorbidos en las partículas del suelo (Räisänen et al., 1997) y la realizada con la mezcla de ácidos
orgánicos débiles (LMWOAs) extrae los metales disponibles a corto plazo (Cieśliński et al., 1998).
Tabla 10.17. Coeficientes de correlación simple (r) entre las concentraciones de Zn asociado a cada una de las fracciones
de Zn y la concentración de Zn potencialmente biodisponible obtenida con diferentes métodos de extracción.
WS
EXC
CAR
EXC
0,76 **
CAR
NS
MnOX
NS
0,51 *
0,89 ***
OM
NS
NS
0,90 ***
FeOX
NS
NS
0,51 *
RES
NS
NS
NS
MnOX
OM
FeOX
RES
0,52 *
0,86 ***
0,57 *
-0,57 *
0,48 *
NS
NS
Mehlich-3
NS
0,63 *
0,94 ***
0,84 ***
0,87 ***
NS
NS
DTPA-TEA
0,61 *
0,76 **
0,88 ***
0,78 **
0,78 **
NS
NS
LMWOAs
0,70 *
0,71 *
0,74 **
0,74 **
0,59 *
NS
NS
BaCl2
0,99 ***
0,76 **
NS
NS
NS
NS
NS
***, **, * indican niveles de significación del 99,99%; 99,9% y 95,0%, respectivamente.
Para estudiar la influencia de los parámetros pH y Eh en las diferentes fracciones del Zn se
realizó un análisis de varianza multifactorial en ambos suelos, que mostró que no existieron
diferencias significativas entre estos valores para los diferentes fertilizantes. Sin embargo, sí se
observó una evolución significativa del pH y del Eh en el suelo en este segundo cultivo. En el
Sueloacido, el pH disminuyó entre los 30 y los 60 días de la incubación (P < 0,001), mostrando
valores de 6,27 y 5,90 respectivamente, mientras que los valores de Eh aumentaron
206
Discusión general
significativamente (P < 0,0001) desde 497 a 605 mV. Por el contrario, en el Suelocal el pH aumentó
entre los 30 y los 60 días de experimento (P < 0,0001), mostrando valores de 7,78 y 8,34
respectivamente y los valores de Eh disminuyeron significativamente (P < 0,0001), desde valores de
450 hasta 478 mV.
En este experimento, se obtuvo una correlación significativa (P < 0,05) y negativa
(r = -0,44) entre el valor de pH y la cantidad de Zn asociado a la fracción WS. También se observó
una correlación significativa (P < 0,05) y positiva (r = 0,39) entre el valor de Eh y la cantidad de Zn
asociado a la fracción WS. El contenido de Zn soluble en agua en el suelo disminuye con
incrementos de pH y en condiciones ácidas generalmente se obtiene un alto contenido de Zn en la
fracción intercambiable (Bar-Yosef et al., 1980; Liang et al., 1990; Chlopecka et al., 1996). Un
elevado pH provoca que la mayoría del Zn se encuentre en formas no disponibles para la planta
(Payne et al., 1988). Según Ghanem y Mikkelsen (1987) y Guo et al. (1997) cuando el Eh disminuye,
el Zn soluble también lo hace, ya que la afinidad de los carbonatos, sulfuros insolubles y material
húmico de alto peso molecular con el Zn aumenta.
10.2.2. RESPUESTA DEL CULTIVO DE LINO AL ZINC RESIDUAL DEL
SUELO
En las Fig. 10.27 y 10.28 se representan los valores de rendimiento y concentración de Zn en
las plantas de lino en ambos suelos. Como se observa, el efecto residual de los tratamientos
fertilizantes de Zn tuvo influencia en el rendimiento en MS y en la concentración de Zn total en
ambos suelos.
Los menores valores de rendimiento en MS de la planta se observaron con el tratamiento
control. En ambos suelos, el mayor valor de rendimiento se consiguió con el tratamiento
Zn-EDDHSA a la dosis de 10 mg kg-1.
En ambos suelos, los menores valores de concentración de Zn en la planta se observaron con
el tratamiento control. En el Sueloacido destacó la concentración de Zn en la planta con el tratamiento
Zn-AML a la dosis de 10 mg Zn kg-1, con una concentración de 225 mg Zn kg-1. En el Suelocal el
tratamiento con el complejo sintético Zn-EDTA a la dosis superior (10 mg Zn kg-1), produjo la
mayor concentración de Zn en planta, con una concentración cercana a 100 mg Zn kg-1.
En el Sueloacido, el valor de las concentraciones obtenidas en todos los tratamientos
fertilizantes fue superior a 50 mg Zn kg-1, concentración propuesta por McDonald et al. (1981) como
la concentración mínima requerida en la planta para alimentación. Sin embargo, en el Suelocal este
valor mínimo no se superó con los tratamientos Zn-AML, Zn-PHP y Zn-EDDS a ambas dosis ni con
los tratamientos Zn-HEDTA y Zn-EDDHSA a la dosis de 5 mg Zn kg-1, siendo incluso para el
tratamiento control menor a 20 mg Zn kg-1, valor citado por varios autores (Jones, 2001; Alloway,
2008a) como la concentración crítica de Zn en MS de la parte aérea del lino.
207
Capítulo 10
Rendimiento
Sueloacido
20
10
0
20
100
10
0
20
100
10
0
0
300
40
150
100
20
10
50
0
0
10
control
40
250
200
30
150
100
20
10
50
0
0
10
control
5
Concentración Zn
10
0
10
Zn-HEDTA
40
250
200
30
150
100
50
20
10
0
0
10
300
Rendimiento
300
Concentración Zn
Zn-D-H-E
Rendimiento
10
300
Rendimiento
20
Concentración Zn
30
5
5
Zn-EDTA-HEDTA
300
250
200
150
100
50
0
40
Rendimiento
250
200
30
Zn-EDTA
control
10
Concentración Zn
200
5
0
5
40
250
30
200
150
20
100
10
50
0
0
control
5
Concentración Zn
Rendimiento
300
30
control
200
control
40
5
30
Zn-EDDHSA
Zn-EDDS
control
40
10
Rendimiento
5
300
Rendimiento
30
Concentración Zn
Rendimiento
40
Concentración Zn
300
250
200
150
100
50
0
Concentración Zn
Zn-PHP
Zn-AML
control
Concentración
10
Figura 10.27. Influencia del Zn residual de los diferentes tratamientos y dosis en el rendimiento (g MS de planta)
y concentración de Zn (mg kg-1) en las plantas de lino en el Sueloacido.
Zn-D-H-E: Zn-DTPA-HEDTA-EDTA.
208
Discusión general
Rendimiento
Zn-PHP
60
20
40
10
20
0
0
80
30
60
20
40
10
20
0
0
5
20
0
100
40
60
20
40
10
20
0
0
control
20
40
10
20
0
0
100
80
30
60
20
40
10
20
0
10
0
control
10
80
30
60
20
40
10
20
0
0
10
100
40
Rendimiento
40
Concentración Zn
100
Rendimiento
5
Zn-HEDTA
Zn-D-H-E
5
10
40
Rendimiento
60
Concentración Zn
80
30
control
5
Zn-EDTA-HEDTA
40
Rendimiento
80
30
10
100
5
10
Zn-EDDHSA
Zn-EDTA
control
0
5
Concentración Zn
control
40
10
control
100
40
60
20
80
30
60
20
40
10
20
0
0
control
5
Concentración Zn
Rendimiento
Zn-EDDS
80
30
10
Rendimiento
5
100
40
Concentración Zn
80
30
Concentración Zn
Rendimiento
40
Rendimiento
100
Concentración Zn
Zn-AML
control
Concentración
Concentración Zn
Suelocal
10
Figura 10.28. Influencia del Zn residual de los diferentes tratamientos y dosis en el rendimiento (g MS de planta)
y concentración de Zn (mg kg-1) en las plantas de lino en el Suelocal.
Zn-D-H-E: Zn-DTPA-HEDTA-EDTA.
209
Capítulo 10
Los resultados del análisis de varianza multifactorial del rendimiento en materia seca (MS),
concentración de Zn en la planta y Zn tomado por la planta (concentración de Zn en la planta ×
rendimiento), para los efectos principales: suelo, fertilizante, dosis aplicada y repetición y las
interacciones entre éstos se muestran en la Tabla 10.18.
Este análisis demostró la existencia de diferencias significativas en cuanto al rendimiento,
entre los diferentes fertilizantes y en cuanto a la concentración de Zn en la planta y el Zn tomado,
entre los diferentes suelos, fertilizantes y dosis aplicadas. También indicó la existencia de una
interacción especialmente significativa entre los factores suelo y fertilizante en cuanto a la
concentración de Zn en la planta y el Zn tomado. Por ello, a continuación se realizó por separado el
estudio de los resultados obtenidos en cada uno de los dos suelos estudiados.
Tabla 10.18. Análisis de varianza multifactorial para el rendimiento, la concentración de Zn en planta y el Zn tomado.
Fuente de variación
Suelo
Fertilizante
Dosis
Repetición
Interacciones significativas
Suelo × fert
Suelo × dosis
Fert × dosis
Rendimiento
F-coef
NS
8,27
NS
NS
P-valor
NS
**
NS
NS
NS
NS
3,17
Suelo × fert × dosis
NS
Concentración de Zn
Zn tomado
F-coef
2961
9,69
398,1
NS
P-valor
***
**
***
NS
F-coef
3259
14,63
439,5
NS
P-valor
***
***
***
NS
NS
68,04
***
80,60
***
NS
57,78
***
69,06
***
*
3,21
*
6,08
*
NS
4,76
*
7,73
**
***, **, * indican niveles de significación del 99,99%; 99,9% y 95,0%, respectivamente.
La prueba estadística de separación de medias LSD (P < 0,05) indicó que la concentración
de Zn en la planta y el Zn tomado fueron mayores en el Sueloacido que en el Suelocal.
Un nuevo análisis de varianza multifactorial, para los tres parámetros de la planta
estudiados, para los efectos principales tratamientos fertilizantes (fertilizante × dosis) y repetición
indicó para cada suelo la existencia de diferencias significativas (P < 0,001) entre los diferentes
tratamientos aplicados. El contraste ortogonal de las medias obtenidas para cada tratamiento
demostró, para ambos suelos, la existencia de diferencias significativas en cuanto a estos tres
parámetros entre el tratamiento control y el resto de los tratamientos aplicados (Tabla 10.19). Por
otro lado, el contraste ortogonal también indicó que los fertilizantes aplicados en la dosis inferior
produjeron valores significativamente menores de concentración de Zn y Zn tomado, que cuando
éstos fueron aplicados en la dosis superior, no ocurriendo lo mismo para el rendimiento en MS.
Como corrobora este contraste ortogonal, en el Sueloacido el rendimiento con el fertilizante
Zn-EDDHSA, teniendo en cuenta ambas dosis de aplicación, fue significativamente superior que el
del resto de fertilizantes aplicados. La concentración de Zn en la planta y el Zn tomado fueron
mayores con el fertilizante Zn-AML. En el Suelocal el rendimiento con el fertilizante Zn-EDDHSA,
teniendo en cuenta ambas dosis de aplicación, fue significativamente superior que el del resto de
fertilizantes aplicados. La concentración de Zn en la planta y el Zn tomado fueron superiores con los
fertilizantes DTPA-HEDTA-EDTA, Zn-EDTA y Zn-EDTA-HEDTA.
210
Discusión general
Tabla 10.19. Contrastes ortogonales para el rendimiento, la concentración de Zn en planta y el Zn tomado.
Contrastes ortogonales1
Rendimiento
Concentración de
Zn
Zn tomado
Sueloacido:
Dosis 0 (control) vs. 5 y 10 mg Zn kg−1
-47,14 *
-1381 ***
-54,13 ***
Dosis 5 vs. 10 mg Zn kg−1
-0,20
-368,6 ***
-13,88 ***
Zn-EDDHSA vs. resto de fertilizantes
42,09 ***
680,7 ***
27,49 ***
Zn-AML vs. resto de fertilizantes
Suelocal:
Dosis 0 (control) vs. 5 y 10 mg Zn kg−1
Dosis 5 vs. 10 mg Zn kg−1
Zn-EDDHSA vs. resto de fertilizantes
Zn D-H-E, Zn-EDTA y Zn-EDTA-HEDTA vs. resto de
fertilizantes
-57,57 *
-0,3
-624,0 ***
-23,89 ***
-165,2 ***
-6,00 ***
245,6 ***
75,67 ***
29,84 *
1
Los valores de contraste indican la diferencia entre la media de los tratamientos.
***, **, * indican niveles de significación del 99,99%; 99,9% y 95,0%, respectivamente.
Zn-D-H-E: Zn-DTPA-HEDTA-EDTA.
En la Fig. 10.29, se representan las concentraciones de Zn en el tallo, semilla y hojas de las
plantas de lino. En el Sueloacido, todas las concentraciones de Zn en tallo, incluidas las del
tratamiento control, presentaron valores comprendidos o incluso superaron el rango de
concentraciones consideradas como normales (30-100 mg Zn kg-1). Sin embargo, en el Suelocal sólo
los tratamientos con Zn-DTPA-HEDTA-EDTA a ambas dosis y Zn-EDTA-HEDTA y Zn-EDTA a
la dosis de 10 mg Zn kg-1 superaron el valor mínimo de 30 mg Zn kg-1. En este suelo en el
tratamiento control se obtuvo un valor de la concentración de Zn en el tallo muy bajo (8,10 mg Zn
kg-1).
Las concentraciones altas de Zn en las semillas de lino son recomendables en la
alimentación, principalmente para personas con dietas pobres en carne, como los vegetarianos (Wise,
1995). Para esta población, el consumo de semillas de lino es una importante fuente de
micronutrientes. En el Sueloacido se obtuvieron valores de concentración de entre 79 y 229 mg Zn
kg-1 (control y Zn-AML a la dosis de 10 mg Zn kg-1, respectivamente) y en el Suelocal entre 33 y 109
mg Zn kg-1 (control y Zn-EDTA a la dosis de 10 mg Zn kg-1, respectivamente). Los valores fueron
superiores a los obtenidos por Grant et al. (2000) en varios cultivos de lino (de 27,7 a 56,2 mg Zn
kg-1). Se observó que las concentraciones de Zn obtenidas en las semillas alcanzaron también valores
mayores en el Sueloacido que en el Suelocal. Los diferentes comportamientos observados en ambos
suelos y que pueden afectar a la concentración de Zn en la planta, y especialmente en la semilla son
debidos, como ya se ha comentado, a las diferentes características de ambos suelos. Según Lock y
Janssen (2003), el pH del suelo influye en el grado de envejecimiento del metal, afectando a su
biodisponibilidad en el suelo y consecuentemente, a la concentración y calidad del cultivo.
Según Kabata-Pendias y Mukherjee (2007) la concentración de Zn en hojas es considerada
suficiente o normal cuando se sitúa entre 25 y 150 mg Zn kg-1. En ambos suelos, todas las
concentraciones de Zn en hoja superan el límite inferior. Sin embargo, en el Sueloacido, el tratamiento
con Zn-EDDS a la dosis de 10 mg Zn kg-1 produjo concentraciones de Zn en hoja de 294 mg Zn
kg-1, cercanas al límite propuesto por Vitosh et al. (1994) como excesivo o tóxico (300 mg Zn kg-1).
En el Suelocal el tratamiento con el que se obtuvo la mayor concentración de Zn en hojas fue
Zn-EDTA a la dosis de 10 mg Zn kg-1 (251 mg Zn kg-1).
211
Capítulo 10
Concentración de Zn (mg kg-1)
Sueloacido
350
tallo
semillas
hojas
300
250
200
150
100
50
Concentración de Zn (mg kg-1)
0
350
Suelocal
300
250
200
150
100
50
0
Figura 10.29. Efecto del Zn residual de los diferentes tratamientos fertilizantes en la concentración de
Zn en tallo, semillas y hojas del cultivo actual. Las barras verticales representan la desviación estándar
de la media. Zn-D-H-E: Zn-DTPA-HEDTA-EDTA.
En cuanto a la concentración de Zn soluble en hoja (extraída con el reactivo MES), ésta
estuvo correlacionada positiva (r = 0,90) y significativamente (P < 0,001) con la concentración de
Zn en la planta, por lo que podría usarse para estimar el estado nutricional de la planta con respecto a
este micronutriente. Se obtuvo la siguiente ecuación de regresión:
Concentración Zn en la planta = -18,32 + 6,05 × Concentración de Zn soluble (MES) (R2 = 80,29%)
212
Discusión general
Comparando los resultados obtenidos en este cultivo, con los obtenidos el cultivo anterior
(Fig. 10.30, 10.31 y 10.32), se observó en el Sueloacido, un aumento significativo (P < 0,0001) de los
valores de rendimiento en MS, aumentando el valor medio de 19,76 g por tiesto a 36,81 g, en el
primer y segundo año respectivamente. Sin embargo, no se obtuvieron diferencias significativas en
la concentración de Zn en planta entre ambos años.
En el Suelocal también se observó un aumento significativo (P < 0,0001) en el rendimiento
en MS del primer al segundo año (aumentando de 16,00 a 36,91g por tiesto), aunque se produjo una
disminución significativa (P < 0,05) en la concentración total de Zn (disminuyendo de 83,43 a
53,28 mg Zn kg-1, en el primer y segundo cultivo respectivamente).
Estos resultados sugieren que los aportes de Zn en el primer año de cultivo en forma de
complejos sintéticos a la dosis superior (10 mg Zn kg-1) fueron excesivos, por lo que el rendimiento
de la planta se vio afectado en el primer cultivo, especialmente en el Sueloacido, observándose una
disminución del rendimiento a la dosis 10 mg Zn kg-1 con respecto a la dosis 5 mg Zn kg-1 en estos
tratamientos. Sin embargo, en el segundo cultivo no se observó este descenso en el rendimiento con
la dosis más alta, pero sí que un aumento de la dosis no supuso un aumento en el rendimiento.
Sueloacido
cultivo anterior
cultivo actual
50
Rendimiento (g tiesto -1)
45
40
35
30
25
20
15
10
5
0
Suelocal
45
Rendimiento (g tiesto -1)
40
35
30
25
20
15
10
5
co
Zn nt ro
-A l
Zn ML
-A -5
M
Zn L-1
-P 0
Zn HP
-P -5
Zn HP
-E -10
Zn DD
-E S Zn DD 5
-E
S
Zn DD -10
-E H S
D
DH A-5
S
Zn A-E 1 0
D
Zn Zn
T
-E -E A Zn DT DT 5
-E A- AH
1
D
TA ED 0
-H T A
ED -5
Zn T A
-D -10
Zn -H
-D -E 5
Zn H-E
-H -1
Zn ED 0
-H T A
ED -5
TA
-1
0
0
Figura 10.30. Efecto del Zn de los diferentes tratamientos fertilizantes en el
rendimiento del cultivo previo y del actual. Las barras verticales representan
la desviación estándar de la media. Zn-D-H-E: Zn-DTPA-HEDTA-EDTA.
213
Capítulo 10
En cuanto a la concentración de Zn en la planta, en el Sueloacido no se observaron diferencias
entre los dos cultivos, obteniéndose en ambos años concentraciones medias de Zn en planta altas
(142,8 y 141,5 mg Zn kg-1 en el primer y segundo año, respectivamente). En el Suelocal se observó
una disminución de la concentración de Zn en la planta, que puede ser explicado por las
características de este suelo y que provoca que el Zn aportado en el primer año sufra un mayor
envejecimiento, disminuyendo el Zn que puede ser tomado por la planta y, en definitiva, afectando a
la calidad del cultivo.
En el Suelocal, sería conveniente una nueva aplicación de Zn para un posterior cultivo de
lino, excepto en los tratamientos que contienen EDTA (Zn DTPA-HEDTA-EDTA, Zn-EDTA y
Zn-EDTA-HEDTA) a ambas dosis, Zn-HEDTA a la dosis 10 mg Zn kg-1 y Zn-EDDHSA a la dosis
de 10 mg Zn kg-1 ya que como se ha mencionado anteriormente los valores de concentración de Zn
total en la planta en el resto de los tratamientos son inferiores a 50 mg Zn kg-1 MS de planta,
concentración mínima recomendada para alimentación.
Concentración de Zn en planta
(mg kg-1)
Sueloácido
cultivo anterior
cultivo actual
450
400
350
300
250
200
150
100
50
0
Concentración de Zn en planta
(mg kg-1)
Suelocal
450
400
350
300
250
200
150
100
50
0
Figura 10.31. Efecto de los diferentes tratamientos fertilizantes en la concentración de Zn en
la planta en el cultivo previo y en el actual (efecto residual). Las barras verticales representan
la desviación estándar de la media. Zn-D-H-E: Zn-DTPA-HEDTA-EDTA.
214
Discusión general
Zn tomado (mg tiesto-1)
Sueloacido
cultivo anterior
cultivo actual
10
8
6
4
2
0
Zn tomado (mg tiesto-1)
5
Suelocal
4
3
2
1
co
Zn nt ro
-A l
Zn M
-A L-5
M
Zn L-1
-P 0
Zn HP
-P -5
Zn HP
-E -1
Zn DD 0
-E S
Zn DD -5
-E
S
Zn DD -10
-E H
D SA
DH 5
Zn SA
1
Zn Z ED 0
T
n
-E A
Zn DT ED -5
T
-E A
D -H A-1
TA E
0
-H DT
A
ED 5
Zn T A
-D -1
Zn -H 0
-D -E
Zn -H-E 5
-H -1
Zn ED 0
-H T
ED A-5
TA
-1
0
0
Figura 10.32. Efecto de los diferentes tratamientos fertilizantes en el Zn tomado por la planta en el cultivo previo y en
el actual (efecto residual). Las barras verticales representan la desviación estándar de la media.
Zn-D-H-E: Zn-DTPA-HEDTA-EDTA.
En el estudio de la eficiencia en planta de los diferentes complejos se evaluó el porcentaje de
Zn usado o utilizado, definido como:
Zn usado (%) = (Zn tomado por la planta en cada tratamiento ─ Zn tomado por la planta en el
tratamiento control) × 100 / Zn añadido.
Realizado un análisis de varianza multifactorial para el Zn utilizado se obtuvieron
diferencias significativas (P < 0,0001) entre los tratamientos. En el Sueloacido la prueba estadística de
separación de medias LSD (P < 0,05) reveló que el mayor valor se obtuvo con el fertilizante
Zn-AML. En el Suelocal los mayores valores se obtuvieron con los fertilizantes Zn-DTPA-HEDTAEDTA y Zn-EDTA, corroborándose que los valores de Zn usado con estos fertilizantes son
superiores a los del resto.
215
Capítulo 10
La evolución del porcentaje de Zn usado en los dos cultivos sucesivos (Fig. 10.33) mostró
un aumento significativo (P < 0,0001) en el Sueloacido (un 1,71 y un 3,31%, en el primer y segundo
cultivo, respectivamente), pero se mantuvo prácticamente constante en el Suelocal (un 1,13 y 1,46%,
en el primer y segundo cultivo, respectivamente).
Sueloacido
cultivo anterior
cultivo actual
6
Zinc usado (%)
5
4
3
2
1
0
Suelocal
6
Zinc usado (%)
5
4
3
2
1
0
Figura 10.33. Efecto del Zn de los diferentes tratamientos fertilizantes en el Zn usado por la
planta en el cultivo previo y en el actual (efecto residual), en ambos suelos. Las barras verticales
representan la desviación estándar de la media. Zn-D-H-E: Zn-DTPA-HEDTA-EDTA.
En general, en el Sueloacido la fuente de Zn que tiene un mejor comportamiento tanto desde el
punto de vista de la calidad del cultivo (concentración de Zn en planta y Zn tomado) como de la
efectividad del Zn aplicado fue el fertilizante Zn-AML. En el Suelocal y en el cultivo actual, los
fertilizantes Zn-DTPA-HEDTA-EDTA, Zn-EDTA-HEDTA y Zn-EDTA consiguieron los mejores
valores de calidad en el cultivo y de efectividad del Zn residual entre las diferentes fuentes de Zn
aplicadas. Los agentes quelantes sintéticos DTPA, EDTA y HEDTA poseen unas relativamente altas
constantes de estabilidad, protegiendo el metal de la retención por parte de los componentes del
suelo y favoreciendo la movilidad y la disponibilidad del Zn para las plantas. Estas fuentes también
presentaron unas altas cantidades de Zn potencialmente biodisponible y de Zn asociado a la fracción
más lábil (WS).
216
Discusión general
Para analizar globalmente los resultados obtenidos, se llevó a cabo un balance de Zn, cuyos
resultados aparecen en la Tabla 10.20. El Zn recuperado se define como la suma del Zn total que
permanece en el suelo y el Zn tomado por la planta. Este Zn recuperado se compara con el Zn había
en el suelo antes de este cultivo, considerado el 100%. Los porcentajes de recuperación en el
Sueloacido varían entre el 95,82 y 101,33 % y en el Suelocal entre el 95,89 y 103,07 %, valores que se
consideran aceptables para experimentos en cultivos de invernadero.
Tabla 10.20. Estudio de la recuperación de Zn en ambos suelos.
% de
recuperación
Zn total
permanece en
suelo (mg)
Suelocal
Zn
recuperado
(mg)
96,463
96,95
437,84
438,400
99,37
138,30
144,090
99,72
495,37
496,557
98,43
Zn-AML-10
179,58
188,100
100,11
547,46
549,227
99,86
Zn-PHP-5
137,48
142,176
96,72
514,00
515,013
101,14
Zn-PHP-10
179,57
185,425
101,33
532,35
533,722
100,53
Zn-EDDS-5
142,58
146,876
99,11
481,36
482,664
99,25
Zn-EDDS-10
188,87
195,402
100,62
534,15
535,956
97,91
Zn-EDDHSA-5
140,59
145,309
99,80
502,00
503,539
99,65
Zn-EDDHSA10
181,69
188,811
100,01
539,34
541,395
99,14
Zn-EDTA-5
146,90
150,788
99,07
471,02
473,319
95,89
Zn-EDTA-10
186,30
191,261
95,82
538,95
542,575
100,42
Zn-EDTAHEDTA-5
Zn-EDTAHEDTA-10
138,50
143,026
99,67
479,61
481,576
99,38
188,70
194,308
99,09
534,13
537,308
100,32
Zn-D-H-E-5
133,43
137,331
99,30
510,50
513,288
103,07
Zn-D-H-E-10
184,60
189,247
99,45
540,70
543,901
102,03
Zn-HEDTA-5
138,40
143,136
97,84
484,97
486,279
99,24
Zn-HEDTA-10
191,40
198,571
99,24
540,88
543,304
99,45
Tratamiento
Zn total
permanece en
suelo (mg)
Sueloacido
Zn
recuperado
(mg)
control
94,41
Zn-AML-5
% de
recuperación
Zn-D-H-E: Zn-DTPA-HEDTA-EDTA.
217
Capítulo 10
10.3. INFLUENCIA DE LAS CONDICIONES DE HUMEDAD EN EL
EFECTO RESIDUAL DEL ZINC APLICADO EN FORMA DE COMPLEJOS
NATURALES Y SINTÉTICOS EN DOS SUELOS DIFERENTES
10.3.1. RESPUESTA DE LOS COMPLEJOS DE ZINC A LA INCUBACIÓN EN
CONDICIONES DE HUMEDAD DEL 60% DE LA CAPACIDAD DE CAMPO
Los suelos procedentes de un cultivo de lino, donde se aplicaron los diferentes tratamientos
de Zn (Zn-AML, Zn-PHP, Zn-EDDS, Zn-EDDHSA, Zn-EDTA, Zn-EDTA-HEDTA, Zn-DTPAHEDTA-EDTA y Zn-HEDTA, a dosis de 0, 5 y 10 mg Zn kg-1) fueron utilizados para el presente
experimento de incubación, llevado a cabo durante 75 días y bajo dos condiciones de humedad. Las
concentraciones medias de Zn obtenidas en la incubación del suelo bajo condiciones de humedad del
60% de la CC se muestran en la Tabla 10.21.
Tabla 10.21: Influencia del tiempo de incubación y de las fuentes de Zn en las concentraciones medias de Zn
disponible (total, disponible a corto plazo e inmediatamente disponible) obtenidas en el experimento bajo condiciones
de humedad del 60% de la CC, en cada uno de los suelosa
Sueloacido
Suelocal
Zn
Zn
Zn
Zn
Zn
Zn
disponible
inmediatamente
Fuente
de disponible
disponible a inmediatamente
disponible
a
corto
variación
disponible
total
corto plazo
disponible
total
plazo
(µg kg-1)
(mg kg-1) b
(mg kg-1) c
(µg kg-1) d
(mg kg-1)
-1
(µg kg )
Periodo de incubación (días)
0
7,46 b
6,69 b
236,1 c
3,37 b
387,8 d
215,5 c
15
7,14 a
6,40 ab
212,7 b
45
7,08 a
6,18 a
200,1 ab
3,06 a
347,4 c
182,7 b
2,91 a
230,4 b
75
7,05 a
6,02 a
164,3 a
189,9 a
2,86 a
193,9 a
151,2 a
Control
1,82 a
1,38 a
32,2 a
0,81 a
44,0 a
Zn-AML-5
10,3 a
4,08 bc
3,94 b
50,0 b
1,89 bc
55,5 ab
13,5 a
Zn-AML-10
8,32 g
6,72 e
62,3 b
3,33 g
81,5 c
15,5 a
Zn-PHP-5
3,66 b
3,23 b
59,0 b
1,64 b
57,3 ab
13,3 a
Zn-PHP-10
7,63 f
6,08 de
63,5 b
2,45 d
68,2 bc
19,8 a
Zn-EDDS-5
4,33 c
3,84 b
52,3 b
2,00 c
134,8 e
17,5 a
Zn-EDDS-10
7,34 f
5,91 c-e
3,11 fg
152,0 f
Zn-EDTA-5
5,78 de
5,53 cd
59,2 b
230, 0 g
2,73 e
153,3 f
18,5 a
67,5 cd
Tratamiento
13,18 i
11,23 h
1087,5 i
5,03 i
272,7 h
5,26 d
5,03 c
187,5 f
2,36 d
105,7 d
47,5 bc
9,90 h
9,01g
485,0 h
3,86 h
208,0 g
92,5 d
Zn-D-H-E-5
6,30 e
5,54 cd
130,0 d
2,86 ef
595,0 i
429,6 f
Zn-D-H-E-10
10,03 h
9,41g
175,0 ef
5,64 j
1893,0 j
1510,0 g
Zn-HEDTA-5
4,60 c
3,88 b
100,0 c
1,83 bc
Zn-EDTA-10
Zn-EDTAHEDTA-5
Zn-EDTAHEDTA-10
79,0 c
125,0 e
35,0 ab
8,34 g
7,81 f
162,5 e
3,22 g
159,3 f
82,5 d
Zn-HEDTA-10
a
Los valores han sido comparados usando el test de rango múltiple LSD con un nivel de confianza del 95% Los
grupos homogéneos están designados con la misma letra.
b
Estimado por el método DTPA-TEA.
c
Estimado por el método LMWOAs (low-molecular-weight organic acids).
d
Se utilizaron 2.5 g de suelo seco y 25 mL de agua desionizada, la solución fue agitada durante 30 min y
posteriormente fue centrifugada.
218
Discusión general
El análisis de varianza multifactorial realizado con los resultados obtenidos en el
experimento de incubación con el Sueloacido indicó que existieron diferencias significativas
(P < 0,05) en las concentraciones medias de Zn disponible, disponible a corto plazo e
inmediatamente disponible entre los diferentes periodos de la incubación. El análisis estadístico de
separación de medias LSD mostró que en el primer periodo de la incubación (de 0 a 15 días) se
produjo el principal descenso en las diferentes concentraciones disponibles de Zn. La concentración
de Zn disponible total en este suelo se mantuvo sin diferencias significativas en el periodo
comprendido entre los 15 y 75 días de la incubación. Sin embargo, tanto en las concentraciones de
Zn disponible a corto plazo como en la inmediatamente disponible se observó un descenso de la
concentración de Zn en el periodo comprendido entre los 15 y 45 días. Como se puede observar en
la Fig. 10.34, estos descensos medios en las concentraciones de Zn disponible a corto plazo e
inmediatamente disponible estuvieron influenciados por el comportamiento del Zn-EDTA a la dosis
de 10 mg kg-1.
En el Suelocal el análisis de varianza multifactorial mostró la existencia de diferencias
significativas en la concentración de Zn disponible total (P < 0,05), disponible a corto plazo
(P < 0,0001) e inmediatamente disponible (P < 0,001) entre los diferentes tiempos de incubación. El
análisis estadístico de separación de medias LSD indicó que en el periodo de 0 a 15 días se produjo
el principal descenso en la concentración disponible total de Zn. Sin embargo, la concentración de
Zn disponible a corto plazo descendió en el periodo de 0 a 75 días de incubación y la concentración
de Zn inmediatamente disponible lo hizo en el periodo de 0 a 45 días. En este suelo, el tratamiento
Zn-DTPA-HEDTA-EDTA a la dosis de 10 mg Zn kg-1 tuvo una gran influencia en el descenso de las
concentraciones medias de Zn disponible a corto plazo e inmediatamente disponible a lo largo de
este periodo de incubación, como se puede apreciar en la Fig. 10.35.
En el Sueloacido las concentraciones disponibles de Zn, en todos los tratamientos, alcanzaron
niveles superiores a los propuestos por Lindsay y Norwell (1978) como niveles críticos de Zn para el
crecimiento de las plantas en los suelos ácidos: 0,60 mg kg-1. Estas concentraciones alcanzaron
valores, después de 75 días de incubación, entre 2,65 y 21,42 veces superiores al nivel crítico
(control y Zn-EDTA a la dosis de 10 mg Zn kg-1, respectivamente). Las mayores concentraciones de
Zn disponible total, disponible a corto plazo e inmediatamente disponible se obtuvieron con el
tratamiento Zn-EDTA a la mayor dosis de aplicación.
En el Suelocal las concentraciones de Zn disponible total, en todos los tratamientos
fertilizados con este micronutriente, alcanzaron niveles superiores a los propuestos por Lindsay y
Norwell (1978) como niveles críticos de Zn para el crecimiento de las plantas en los suelos calizos:
1,00 mg kg-1. Estas concentraciones, en los tratamientos fertilizados con Zn, alcanzaron después de
75 días de incubación valores entre 1,69 y 5,28 veces superiores al nivel crítico (Zn-AML a la dosis
de 5 mg Zn kg-1 y Zn-DTPA-HEDTA-EDTA a la dosis de 10 mg Zn kg-1, respectivamente). La
concentración de Zn disponible total en el tratamiento control fue inferior al nivel crítico a lo largo
de toda la incubación. Las mayores concentraciones de Zn disponible total, disponible a corto plazo
e inmediatamente disponible se obtuvieron con el tratamiento Zn-DTPA-HEDTA-EDTA a la mayor
dosis (10 mg Zn kg-1). En este suelo, el complejo sintético DTPA tuvo una mayor influencia en los
valores medios de Zn disponible que en el Sueloacido.
219
Capítulo 10
control
Zn-AML-10
Zn-PHP-10
Zn-EDDS-10
Zn-EDTA-10
Zn-EDTA-HEDTA-10
Zn-D-H-E-10
Zn-HEDTA-10
sueloacido
Zinc disponible total
16
Zn-AML-5
Zn-PHP-5
Zn-EDDS-5
Zn-EDTA-5
Zn-EDTA-HEDTA-5
Zn-D-H-E-5
Zn-HEDTA-5
14
Concentración (mg Zn/kg)
12
10
8
6
4
2
0
0
15
45
75
45
75
45
75
Tiempo (dias)
sueloacido
Zinc disponible a corto plazo
14
12
Concentración (mg Zn/kg)
10
8
6
4
2
0
0
15
Tiempo (dias)
sueloacido
Zinc inmediatamente disponible
1400
Concentración (µg Zn/kg)
1200
1000
800
600
400
200
0
0
15
Tiempo (dias)
Figura 10.34. Evolución de las concentraciones de Zn disponible total, disponible a corto plazo
e inmediatamente disponible en el Sueloacido bajo condiciones de humedad del 60% CC.
220
Discusión general
control
Zn-AML-10
Zn-PHP-10
Zn-EDDS-10
Zn-EDTA-10
Zn-EDTA-HEDTA-10
Zn-D-H-E-10
Zn-HEDTA-10
suelocal
Zinc disponible total
Zn-AML-5
Zn-PHP-5
Zn-EDDS-5
Zn-EDTA-5
Zn-EDTA-HEDTA-5
Zn-D-H-E-5
Zn-HEDTA-5
7
Concentración (mg Zn/kg)
6
5
4
3
2
1
0
0
15
45
75
Tiempo (dias)
suelocal
Zinc disponible a corto plazo
3000
Concentración (µg Zn/kg)
2500
2000
1500
1000
500
0
0
15
Tiempo (dias)
45
75
suelocal
Zinc inmediatamente disponible
2000
1800
Concentración (µg Zn/kg)
1600
1400
1200
1000
800
600
400
200
0
0
15
45
75
Tiempo (dias)
Figura 10.35. Evolución de las concentraciones de Zn disponible total, disponible a corto plazo
e inmediatamente disponible en el Suelocal bajo condiciones de humedad del 60% CC.
221
Capítulo 10
El diferente comportamiento de los complejos en los suelos está relacionado con las
diferentes constantes de estabilidad (K); las fuentes que contienen los complejos sintéticos más
estables: EDTA y DTPA (log K Zn-EDTA = 17,5; log K Zn-DTPA = 19,5 con una fuerza iónica de
0,01 mol L-1) (Lindsay, 1979; Martell et al., 2001), mantienen altas concentraciones de Zn
disponible en ambos suelos. Sin embargo, mientras en el Sueloacido las mayores concentraciones
se obtuvieron con el complejo que contenía el agente quelante EDTA, en el Suelocal fue con el
tratamiento que contenía el agente quelante DTPA con el que se obtuvieron mayores
concentraciones de Zn disponible en el suelo.
Ambos agentes quelantes son estables a pH por debajo de 7, pero por encima de este
pH, según Lindsay y Norvell (1969), el Zn-DTPA es más estable. En general, el Zn-DTPA se
puede considerar relativamente menos estable en suelos ácidos, moderadamente estable en
suelos débilmente ácidos y muy estable en suelos calcáreos y calizos (Lindsay y Norvell, 1969;
Norvell y Lindsay, 1972). La menor estabilidad en condiciones ácidas es aparentemente causada
por la solubilidad relativamente alta del Fe del suelo a bajos pHs, que puede desplazar al Zn2+
en los quelatos, formándose quelatos de hierro de una alta estabilidad (log K Fe-DTPA = 29,2 con
una fuerza iónica de 0,01 mol L-1). La formación de los quelatos dependerá también de la
concentración de ligando y del pH, existiendo diagramas de estabilidad para cada quelato en
función del pH.
El diferente comportamiento de los tratamientos en los dos suelos también se observa
en las concentraciones medias de Zn obtenidas. En el Sueloacido las concentraciones medias de
Zn disponible total, disponible a corto plazo e inmediatamente disponible fueron 2,35; 21,81 y
1,18 veces mayores que las del Suelocal. A altos pH, el Zn2+ de los quelatos es desplazado por
Ca2+, provocando la precipitación del Zn en forma de compuestos poco solubles (Adriano,
2001). Las características del Suelocal (ver Tabla 9.1), con un pH alcalino, alta concentración de
CaCO3 y alto contenido en arcilla pueden causar la inmovilización del Zn debido a la formación
de hidróxidos y carbonatos y la adsorción del Zn a las arcillas.
Los valores de pH y Eh indicaron que no existen diferencias en cuanto a estos dos
parámetros entre los diferentes tratamientos. Los valores medios de pH fueron 6,21 y 8,14 en el
Sueloacido y Suelocal, respectivamente. Los valores medios de Eh fueron 526 y 599 mV en el
Sueloacido y Suelocal, respectivamente. Estos valores de pH y pe [pe = Eh (mV) / 59.2] obtenidos
en los suelos bajo condiciones de humedad del 60% CC correspondieron a suelos normales o
óxicos (pH + pe > 14; Sparks, 1996).
En la Fig. 10.36 se pueden observar las ecuaciones de los modelos de regresión lineal
para cada uno de los suelos. Las diferentes correlaciones obtenidas entre las concentraciones de
Zn disponible total, disponible a corto plazo e inmediatamente disponible en condiciones de
humedad de 60% de la CC indicaron la existencia de correlaciones positivas y significativas
entre estas concentraciones de Zn.
Las diferencias entre las concentraciones de Zn extraídas por los diferentes métodos de
extracción fueron debidas a las diferentes capacidades de extracción de los reactivos. El método
de extracción utilizado para obtener la concentración de Zn disponible total (método
DTPA-TEA) extrae el metal soluble en agua (o inmediatamente disponible), intercambiable,
adsorbido y asociado orgánicamente (Viets, 1962) e incluso parte del metal asociado a óxidos
libres (Ure, 1995). Sin embargo, con el método de extracción de los ácidos orgánicos de bajo
peso molecular (LMWOAs), que simula las condiciones existentes en la rizosfera, se extrae el
222
Discusión general
Concentración de Zn
disponible a corto plazo
(mg kg-1)
Zn disponible a corto plazo (Cieśliński et al., 1998). El Zn inmediatamente disponible es el
metal que se encuentra en la fracción más lábil o soluble en agua.
16
y = 1,11x + 0,18
R² = 0,97
14
12
y = 1,80x + 2,27
R² = 0,42
10
8
suelo acido
suelo calizo
6
4
2
0
0
2
4
6
8
10
12
14
Concentración de Zn
disponible a corto plazo
(mg kg-1)
Concentración de Zn disponible (mg kg-1)
16
14
12
10
8
6
4
2
0
y = 7,53x + 4,22
R² = 0,52
suelo acido
suelo calizo
y = 1,25x + 0,06
R² = 0,93
0
0,5
1
1,5
2
Concentración de Zn
inmediatamente-disponible
(mg kg-1)
Concentración de Zn inmediatamente-disponible
(mg kg-1)
2,0
1,8
1,6
1,4
1,2
1,0
0,8
0,6
0,4
0,2
0,0
suelo acido
suelo calizo
y = 0,18x - 0,33
R² = 0,40
0
y = 0,06x - 0,21
R² = 0,53
5
10
Concentración de Zn disponible (mg
15
kg-1)
Fig. 10.36: Ecuaciones de los modelos de regresión lineal para cada uno de los suelos bajo condiciones de
humedad del 60% CC.
223
Capítulo 10
10.3.2. RESPUESTA DE LOS COMPLEJOS DE ZINC A LA INCUBACIÓN EN
CONDICIONES DE INUNDACIÓN
Las concentraciones medias de Zn obtenidas en la incubación del suelo en condiciones
de inundación se muestran en la Tabla 10.22.
Tabla 10.22: Influencia del tiempo de incubación y de las fuentes de Zn en las concentraciones medias de Zn
disponible (total, disponible a corto plazo e inmediatamente disponible) obtenidas en el experimento bajo condiciones
de inundación, en cada uno de los suelosa
Sueloacido
Suelocal
Zn
Zn
Zn
Zn
Zn
Zn
Fuente de disponible
disponible a inmediatamente
disponible disponible a inmediatamente
corto plazo
disponible
total
corto plazo
disponible
variación
total
(mg kg-1) b
(mg kg-1) c
(mg L-1) d
(mg kg-1)
(µg kg-1)
(µg L-1)
Periodo de incubación (días)
5,07 c
0
4,83 c
3,80 d
2,74 c
263,2 d
251,5 d
4,64 bc
3,42 c
2,63 bc
230,1 c
219,8 c
117,9 b
165,5 b
15
4,87 bc
45
4,68 ab
4,44 ab
2,95 b
2,55 ab
75
4,48 a
4,28 a
2,47 a
2,49 a
96,22 a
129,7 a
1,36 a
1,09 a
0,43 a
0,64 a
25,8 a
17,5 a
Zn-AML-5
3,21 d
2,96 c
1,37 bc
1,45 b
46,8 ab
19,8 ab
Zn-AML-10
6,63 i
5,93 fg
2,58 gh
2,73 f
67,5 bc
28,8 ab
Tratamiento
Control
Zn-PHP-5
2,30 b
2,31 b
1,11 b
1,45 b
44,5 ab
20,8 ab
Zn-PHP-10
4,84 f
4,62 e
1,99 ef
2,08 d
60,3 a-c
21,3 ab
Zn-EDDS-5
2,24 b
3,25 c
1,50 cd
1,60 b
130,3 e
25,5 ab
Zn-EDDS-10
5,26 g
4,34 e
4,90 e
4,13 d
2,12 ef
2,95 h
2,85 f
2,33 e
150,5 e
67,5 bc
28,3 ab
96,7 cd
7,96 j
7,69 h
3,81 g
112,5 de
4,26 e
4,09 d
2,56 g
1,93 cd
6,00 h
5,66 fg
5,56 i
3,72 g
Zn-D-H-E-5
3,26 d
3,03 c
1,49 b-d
2,51 e
300,0 f
480,0 f
Zn-D-H-E-10
6,79 i
6,09 g
2,30 fg
4,69 h
1146,3 g
1395,0 g
Zn-HEDTA-5
2,66 c
2,48 b
1,12 bc
1,83 c
Zn-EDTA-5
Zn-EDTA-10
Zn-EDTAHEDTA-5
Zn-EDTAHEDTA-10
15,30j
59,5 a-c
120,0 de
57,5 a-c
210,3 e
62,3 bc
129,7 d
43,5 ab
5,75 h
5,49 f
1,86 de
2,83 f
87,5 cd
103,5 cd
Zn-HEDTA-10
a
Los valores han sido comparados usando el test de rango múltiple LSD con un nivel de confianza del 95% Los
grupos homogéneos están designados con la misma letra.
b
Estimado por el método DTPA-TEA.
c
Estimado por el método LMWOAs (low-molecular-weight organic acids).
d
Se utilizaron 2.5 g de suelo seco y 25 mL de agua desionizada, la solución fue agitada durante 30 min y
posteriormente fue centrifugada.
El análisis de varianza multifactorial realizado en el Sueloacido indicó que existieron
diferencias significativas en las concentraciones de Zn disponible total (P < 0,05), disponible a corto
plazo (P < 0,05) e inmediatamente disponible (P < 0,0001) entre los diferentes tiempos de
incubación. El análisis estadístico de separación de medias LSD reveló que se produjo un descenso
de las concentraciones de Zn durante el periodo comprendido entre los 0 y 75 días. Como se puede
observar en la Fig. 10.37 este descenso estuvo principalmente influenciado por el comportamiento
del tratamiento Zn-EDTA a la dosis de 10 mg Zn kg-1.
224
Discusión general
En el Suelocal el análisis de varianza multifactorial indicó que también existieron diferencias
significativas en la concentración de Zn biodisponible total (P < 0,05), disponible a corto plazo
(P < 0,0001) e inmediatamente disponible (P < 0,0001) entre los diferentes tiempos de incubación.
El análisis estadístico de separación de medias LSD mostró un descenso de las concentraciones
durante los 75 primeros días de la incubación. En este suelo, el comportamiento del fertilizante
Zn-DTPA-HEDTA-EDTA a la dosis de 10 mg Zn kg-1 tuvo una gran influencia en el descenso
medio de las concentraciones de Zn disponible a corto plazo e inmediatamente disponible a lo largo
del periodo de incubación (Fig. 10.38).
En el Sueloacido las concentraciones de Zn disponible total, en todos los tratamientos,
alcanzaron niveles superiores a los propuestos por Lindsay y Norwell (1978) como niveles críticos
de Zn para el crecimiento de las plantas en suelos ácidos. Estas concentraciones alcanzaron, después
de 75 días de incubación, valores entre 2,23 y 11,17 veces superiores al nivel crítico (control y
Zn-DTPA-HEDTA-EDTA a la dosis de 10 mg Zn kg-1, respectivamente). Las mayores
concentraciones de Zn disponible total, disponible a corto plazo e inmediatamente disponible fueron
obtenidas con el tratamiento Zn-EDTA a la mayor dosis.
En el Suelocal las concentraciones disponibles de Zn, en todos los tratamientos fertilizados
con este micronutriente, también alcanzaron niveles superiores a los propuestos por Lindsay y
Norwell (1978) como niveles críticos de Zn para el crecimiento de las plantas en suelos calizos.
Estas concentraciones en los tratamientos fertilizados con Zn, alcanzaron valores entre 1,30 y 4,42
veces el nivel crítico (Zn-AML a la dosis de 5 mg Zn kg-1 y Zn-DTPA-HEDTA-EDTA a la dosis de
10 mg Zn kg-1, respectivamente) después de 75 días de incubación. La concentración de Zn
disponible en el tratamiento control no alcanzó este nivel crítico en ninguno de los tiempos
experimentales de la incubación. Las mayores concentraciones de Zn disponible total, disponible a
corto plazo e inmediatamente disponible se obtuvieron con el tratamiento Zn-DTPA-HEDTA-EDTA
a la mayor dosis de aplicación (10 mg Zn kg-1).
El comportamiento de los complejos en los diferentes suelos fue similar al comportamiento
bajo las condiciones de humedad del 60% de la CC, obteniéndose las mayores concentraciones de
Zn con las fuentes que contienen los complejos más estables: EDTA y DTPA. Las características de
los suelos también influyeron en las concentraciones medias de Zn disponible total, disponible a
corto plazo e inmediatamente disponible, que en el Sueloacido presentaron valores 1,83; 25,72 y 16,47
veces superiores a los del Suelocal.
Los valores de pH y Eh indicaron que tampoco existieron diferencias en cuanto a estos
parámetros entre los diferentes tratamientos. Los valores medios obtenidos de pH fueron 5,18 y 7,27
en el Sueloacido y Suelocal, respectivamente. Los valores medios de Eh fueron 329 y 237 mV en el
Sueloacido y Suelocal, respectivamente. Estos valores de pH y pe [pe = Eh (mV) / 59,2] obtenidos en
los suelos bajo las condiciones de inundación correspondieron a suelos húmedos o saturados
estacionalmente (Sparks, 1996).
225
Capítulo 10
control
Zn-AML-10
Zn-PHP-10
Zn-EDDS-10
Zn-EDTA-10
Zn-EDTA-HEDTA-10
Zn-D-H-E-10
Zn-HEDTA-10
sueloacido
Zinc disponible total
10
Zn-AML-5
Zn-PHP-5
Zn-EDDS-5
Zn-EDTA-5
Zn-EDTA-HEDTA-5
Zn-D-H-E-5
Zn-HEDTA-5
9
Concentración (mg Zn/kg)
8
7
6
5
4
3
2
1
0
0
15
45
75
45
75
45
75
Tiempo (dias)
sueloacido
Zinc disponible a corto plazo
10
9
Concentración (mg Zn/kg)
8
7
6
5
4
3
2
1
0
0
15
Tiempo (dias)
sueloacido
Zinc inmediatamente disponible
20
18
Concentración (mg Zn/L)
16
14
12
10
8
6
4
2
0
0
15
Tiempo (dias)
Figura 10.37. Evolución de las concentraciones de Zn disponible total, disponible a corto plazo
e inmediatamente disponible en el Sueloacido bajo condiciones de inundación.
226
Discusión general
suelocal
control
Zn-AML-10
Zn-PHP-10
Zn-EDDS-10
Zn-EDTA-10
Zn-EDTA-HEDTA-10
Zn-D-H-E-10
Zn-HEDTA-10
Zinc disponible total
6
Zn-AML-5
Zn-PHP-5
Zn-EDDS-5
Zn-EDTA-5
Zn-EDTA-HEDTA-5
Zn-D-H-E-5
Zn-HEDTA-5
Concentración (mg Zn/kg)
5
4
3
2
1
0
0
15
Tiempo (dias)
45
75
45
75
45
75
suelocal
Zinc disponible a corto plazo
2000
Concentración (µg Zn/kg)
1800
1600
1400
1200
1000
800
600
400
200
0
0
15
Tiempo (dias)
suelocal
Zinc inmediatamente disponible
Concentración (µg Zn/L)
2500
2000
1500
1000
500
0
0
15
Tiempo (dias)
Figura 10.38. Evolución de las concentraciones de Zn disponible, disponible a corto plazo e
inmediatamente disponible en el Suelocal bajo condiciones de inundación.
227
Capítulo 10
Concentración de Zn
disponible a corto plazo
(mg kg-1)
En la Fig. 10.39 se pueden observar las ecuaciones de los modelos de regresión lineal para
cada uno de los suelos.
10
9
8
7
6
5
4
3
2
1
0
y = 2,15x + 1,98
R² = 0,35
suelo acido
suelo calizo
y = 1,07x - 0,06
R² = 0,96
0
2
4
6
8
Concentración de Zn
disponible a corto plazo
(mg kg-1)
Concentración de Zn disponible (mg
12
10
8
6
4
2
0
10
kg-1)
y = 0,37x + 3,03
R² = 0,49
suelo acido
suelo calizo
y = 0,82x + 0,02
R² = 0,91
0
5
10
15
20
Concentración de Zn
inmediatamentedisponible (mg L-1)
Concentración de Zn inmediatamente-disponible (mg L-1)
20
suelo acido
suelo calizo
16
12
8
y = 0,21x - 0,32
R² = 0,41
4
y = 1,18x - 2,26
R² = 0,45
0
0
2
4
6
Concentración de Zn disponible (mg
8
10
kg-1)
Fig. 10.39: Ecuaciones de los modelos de regresión lineal para cada uno de
los suelos bajo condiciones de inundación.
Las diferentes correlaciones obtenidas entre las concentraciones de Zn disponible total,
disponible a corto plazo e inmediatamente disponible en condiciones de inundación indicaron la
existencia de correlaciones positivas y significativas entre estas concentraciones de Zn. Al igual que
en las concentraciones de Zn extraídas en condiciones de humedad del 60% de la CC, las diferencias
entre las concentraciones de Zn obtenidas con los diferentes métodos de extracción fueron debidas a
las distintas capacidades de extracción de los diferentes reactivos utilizados.
228
Capítulo 11
Conclusiones generales
11. Conclusiones generales
1. Experimento con judía bajo condiciones de humedad por encima de capacidad de campo.
La fuente de Zn aplicada y las características del suelo tienen una gran influencia en el efecto
residual de la fertilización con Zn.

El efecto fertilizante residual después de dos años depende del envejecimiento del Zn y
de las pérdidas del micronutriente.
o
La disminución del primer al segundo año del Zn lixiviado total, de la
concentración de Zn en la fracción más lábil (WSEX), del rendimiento del cultivo y
del Zn usado y Zn tomado por las plantas depende del suelo utilizado.
o
La concentración de Zn disponible disminuye con el tiempo en ambos suelos, con
los tratamientos Zn-EDDS, a la dosis superior y Zn-EDTA, Zn-DTPA-HEDTAEDTA y Zn-EDTA-HEDTA, a ambas dosis.
o
El efecto “aging” o de envejecimiento de Zn depende del tipo de suelo y del agente
quelante utilizado. Este efecto es mayor en el suelo calizo que en el ácido y,
atendiendo a la reducción de Zn en la fracción más lábil, es mayor para el ZnEDTA-HEDTA en el suelo ácido y para el complejo que contiene EDDS en el suelo
calizo.
o
La presencia de los agentes quelantes EDTA y DTPA da lugar a que la lixiviación
del micronutriente sea mayor (alcanzando valores en los dos años incluso del 42%
en el suelo calizo).

La estimación del Zn fácilmente lixiviable realizada con el método del BaCl2 sólo es
válida para complejos con alta movilidad y para cada suelo por separado, según se
deduce del análisis de correlación.

La biofortificación agronómica, debida al efecto residual del Zn añadido en el primer
cultivo, es mayor con la dosis superior añadida en forma de Zn-HEDTA en el suelo
ácido y de Zn-DPTA-HEDTA-EDTA en el suelo calizo.

Nuevas aplicaciones de Zn para prevenir deficiencias del micronutriente en un posterior
cultivo de judía sólo serían necesarias en el suelo calizo.
2. Experimento con lino bajo condiciones de humedad por debajo de capacidad de campo.
La efectividad de los diferentes tratamientos de Zn depende tanto de la fuente y de la dosis de
aplicación como del suelo usado, debido a las diferentes cantidades y formas en que se
encuentra el Zn residual.

230
Con los tratamientos Zn-EDTA y Zn-DTPA-HEDTA-EDTA se obtiene la mayor
concentración de Zn disponible en ambos suelos, pero el efecto de esta disponibilidad
en el cultivo de lino es diferente en cada suelo.
Conclusiones generales

La concentración de Zn disponible y la concentración de Zn en las fracciones más
lábiles (WS y EXC) en el suelo entre el primer y el segundo cultivo disminuyen. La
menor concentración de Zn disponible en el segundo cultivo puede ser la causa de que,
en este caso, el incremento de rendimientos respecto al control sea mayor que en el
cultivo anterior, para los complejos más estables y especialmente en el suelo ácido.

El efecto de envejecimiento de Zn es mayor en el suelo calizo que en el suelo ácido.

El efecto de envejecimiento del Zn provoca que, en el suelo calizo, se produzca una
disminución en la concentración de Zn en la planta en el segundo cultivo con respecto
al primero.

La mayor biofortificación agronómica se obtiene debido al efecto residual del
Zn-AML a la dosis superior en el suelo ácido y del Zn-EDTA a la dosis superior en el
suelo calizo.

En el segundo cultivo en el suelo ácido no es necesario aplicar los fertilizantes que
contienen los quelatos más estables (EDTA, DTPA) para obtener una alta
biofortificación agronómica. Aplicar estos quelatos implicaría un coste extra
innecesario por unidad de producción.

En el segundo cultivo en el suelo calizo los fertilizantes que contienen los quelatos
EDTA y DTPA son los que producen los mayores valores de concentración de Zn total
en planta, Zn tomado, porcentaje de utilización de Zn y factores de transferencia (TF).
Nuevas aplicaciones de Zn podrían ser necesarias para prevenir deficiencias de Zn en
un posterior cultivo de lino en el suelo calizo, excepto en los tratamientos indicados
anteriormente.
3. Experimento de incubación realizado en ambas condiciones de humedad.
Las condiciones de humedad tienen influencia en las diferentes concentraciones de Zn
(disponible total, disponible a corto plazo, inmediatamente disponible y soluble en agua) en los
suelos. Estas concentraciones de Zn también dependen de la duración del experimento, del suelo
estudiado y del complejo usado.

Con los tratamientos Zn-EDTA en el suelo ácido y Zn-DTPA-HEDTA-EDTA en el
suelo calizo se obtienen las mayores concentraciones de Zn disponible en ambas
condiciones de humedad.

Las concentraciones de Zn disponible total y disponible a corto plazo son mayores en
condiciones de humedad por debajo de capacidad de campo que en condiciones de
inundación.

La concentración de Zn en ambos suelos es suficiente para las necesidades de la
mayoría de los cultivos, particularmente en el suelo ácido, donde las concentraciones de
Zn alcanzaron los valores mayores.
231
Chapter 12
General conclusions
12. General conclusions
1. Experiment with navy bean under moisture conditions of above soil field capacity.
Zinc sources and soil characteristics have a great influence on the residual effect of Zn
fertilization.

The residual effect after two years depends on the aging effect and also on Zn losses.
o
There are significant decreases from the first to the second crop in terms of:
total leached Zn, Zn concentration in the most labile fraction of the soil
(WSEX), crop yield, used Zn and total Zn uptake by plants. These decreases
depend on the soil used.
o
Decreases over time in available Zn concentrations in soil are obtained with the
residual effect of Zn-EDDS, applied at the highest rate and with the complex
containing EDTA and DTPA, applied at both low and high rates.
o
The aging effect is greater in calcareous than in acidic soils. In terms of
decrease in the most labile fraction, this aging effect is greatest for Zn-EDTAHEDTA in the acidic soil and for the chelate that contained EDDS in the
calcareous soil.
o
Fertilizers that contain EDTA and DTPA chelating agents produce a greater
lixiviation of micronutrient, with values of up to 42% in both years, in the
calcareous soil.

The estimation of easily leachable Zn using the BaCl2 method is only valid for
complexes with high mobility and in each soil separately, as derive from the correlation
analysis.

The highest level of agronomic biofortification is obtained with the residual effect of
Zn-HEDTA applied at the highest rate in the acidic soil and with Zn-DPTA-HEDTAEDTA applied at the highest rate in the calcareous soil.

New applications of Zn to prevent Zn deficiencies in a subsequent navy bean crop
would only be necessary in the calcareous soil.
2. Experiment with flax under moisture conditions of below soil field capacity.
The effectiveness of the different Zn treatments depends on both the source and rate of Zn
application and on the soil, because of the different amounts and forms of residual Zn.

The Zn-EDTA and Zn-DTPA-HEDTA-EDTA treatments produce the highest available
Zn concentrations in the two soils, but the effect of this availability on the flax crop
differs for each soil.

The concentrations of available Zn and Zn in the labile fractions (WS and EXC) of soils
decrease from the first to the second crop. The presence of this less available Zn
concentration in the second crop could be the cause of this. In this case, the yield
233
Chapter 12
increase with respect to the control is greater than in the previous crop for the most
stable complexes and especially in the acidic soil.

The aging effect is greater in the calcareous soil than in the acidic soil.

In the calcareous soil, the aging effect of Zn produces, a decrease in the total Zn
concentration in plants in the second crop with respect to those in the first.

The highest agronomic biofortification is obtained with the residual effect of Zn-AML
applied to the acidic soil at the highest rate and with Zn-EDTA applied to the calcareous
soil at the highest rate.

In the second crop, in the acidic soil, it is not necessary to apply fertilizers containing
the most stable chelates (EDTA, DTPA) in order to obtain greater agronomic
biofortification. However, applying these stable chelates would imply an unnecessary
extra cost per unit of production.

In the second crop, in calcareous soil, fertilizers containing EDTA and DTPA chelates
produces the highest values of: total Zn concentration in plants; Zn uptake; percentage
of Zn utilization and TF (transfer factor). New applications of Zn would be necessary to
prevent Zn deficiencies in flax plants in a subsequent crop grown in a calcareous soil,
except in the treatments listed above.
3. Experiment of incubation under both moisture conditions: below soil field capacity and
waterlogged conditions.
Moisture conditions have an influence on the different Zn concentrations (available, short-term
available, immediately-available and water-soluble Zn) in soils. These Zn concentrations also
depend on the length of the experiment, the soil type and the Zn-complex used.
234

Under both moisture conditions, the characteristics of soils cause a residual effects
of Zn-EDTA in the acidic soil and Zn-DTPA-HEDTA-EDTA in the calcareous soil,
which the highest Zn concentrations under both moisture conditions.

The available Zn and short-term available Zn under waterlogged conditions show
lower concentrations than under 60% field capacity conditions.

The Zn concentrations in soils that received Zn treatments are sufficient to meet the
needs of most crops, particularly in the acidic soil, wherever Zn concentrations
reach their highest values.
References/Bibliografía
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