Extraction methods in soil phosphorus characterisation : Limitations and applications

The quantification and characterisation of soil phosphorus (P) is of agricultural and environmental importance and different extraction methods are widely used to asses the bioavailability of P and to characterize soil P reserves. However, the large variety of extractants, pre-treatments and sample preparation procedures complicate the comparison of published results. In order to improve our understanding of the behaviour and cycling of P in soil, it is crucial to know the scientific relevance of the methods used for various purposes. The knowledge of the factors affecting the analytical outcome is a prerequisite for justified interpretation of the results. The aim of this thesis was to study the effects of sample preparation procedures on soil P and to determine the dependence of the recovered P pool on the chemical nature of extractants. Sampling is a critical step in soil testing and sampling strategy is dependent on the land-use history and the purpose of sampling. This study revealed that pre-treatments changed soil properties and air-drying was found to affect soil P, particularly extractable organic P, by disrupting organic matter. This was evidenced by an increase in the water-extractable small-sized (<0.2 µm) P that, at least partly, took place at the expense of the large-sized (>0.2 µm) P. However, freezing induced only insignificant changes and thus, freezing can be taken to be a suitable method for storing soils from the boreal zone that naturally undergo periodic freezing. The results demonstrated that chemical nature of the extractant affects its sensitivity to detect changes in soil P solubility. Buffered extractants obscured the alterations in P solubility induced by pH changes; however, water extraction, though sensitive to physicochemical changes, can be used to reveal short term changes in soil P solubility. As for the organic P, the analysis was found to be sensitive to the sample preparation procedures: filtering may leave a large proportion of extractable organic P undetected, whereas the outcome of centrifugation was found to be affected by the ionic strength of the extractant. Widely used sequential fractionation procedures proved to be able to detect land-use -derived differences in the distribution of P among fractions of different solubilities. However, interpretation of the results from extraction experiments requires better understanding of the biogeochemical function of the recovered P fraction in the P cycle in differently managed soils under dissimilar climatic conditions.

Maaperän fosforin määrä ja kemiallinen luonne ovat tärkeitä tekijöitä sekä kasvintuotannon että vesiensuojelun kannalta. Esiintymismuoto ja sitoutumismekanismi vaikuttavat olennaisesti fosforin biologiseen käyttökelpoisuuteen ja huuhtoutumisherkkyyteen valuma-alueelta vesistöihin. Maan fosforitilaa ja fosforin käyttökelpoisuutta selvitetään yleisesti erilaisilla uuttotesteillä. Tarjolla olevien menetelmien kirjo on laaja ja tietyn funktionaalisen fosforifraktion uuttoon on käytetty useita eri uuttoliuoksia, mikä hankaloittaa tulosten vertailua ja tulkintaa. Myös näytteiden erilaiset esikäsittelyt ja erot näytteiden valmistus- ja uuttoproseduureissa heikentävät tulosten vertailtavuutta. Tässä väitöskirjassa on tutkittu erilaisten esikäsittelyjen, uuttoliuoksen kemiallisen luonteen sekä uutteen käsittelyn vaikutusta maasta uuttuvaan fosforiin. Tutkimuksessa havaittiin näytteen esikäsittelyn vaikuttava maasta uuttuvan fosforin määrään ja laatuun. Ilmakuivaus lisäsi veteen uuttuvaa epäorgaanista fosforia sekä aiheutti rakenteellisia muutoksia orgaanisessa aineksessa siten, että pienikokoiseen orgaaniseen ainekseen sitoutuneen fosforin määrä kasvoi suurikokoisen aineksen kustannuksella. Jäätymisellä ei havaittu olevan merkittäviä vaikutuksia maan fosforin uuttuvuuteen ja pakastamista voidaankin pitää maanäytteiden kannalta hyvänä säilytystapana. Tulokset osoittivat, että uuttoliuoksen kemiallinen luonne vaikuttaa menetelmän herkkyyteen tunnistaa muutoksia fosforin liukoisuudessa. Erityisesti orgaaninen fosfori on herkkä mittausta edeltävän näytteenvalmistusproseduurin suodatus- ja sentrifugointivaiheille, mikä tulisi pitää mielessä vertailtaessa orgaanisen fosforin liukoisuudesta julkaistuja tutkimustuloksia. Käytettäessä puskuroituja uuttoliuoksia maan todellisen pH:n vaikutus fosforin liukoisuuteen jää havaitsematta. Vesiuuton todettiinkin olevan herkkä mm. maan pH:sta ja suolavahvuudesta aiheutuville muutoksille maan fosforin liukoisuudessa. Tutkimuksessa havaittiin myös, että yleisesti käytettyjen fraktiointimenetelmien avulla voidaan selvittää, miten eri maankäyttömuodot vaikuttavat fosforivarojen jakautumiseen kemialliselta luonteeltaan erityyppisiin fraktioihin. Tulosten soveltamisen ja tulkinnan kannalta tarvitaan kuitenkin nykyistä tarkempaa tietämystä eri fraktioihin uuttuneiden fosforimuotojen biologisesta käyttökelpoisuudesta ja roolista fosforin kierrossa erilaisissa maankäyttömuodoissa ja ekosysteemeissä.