Geochemistry and availability of barium (Ba) to plants grown in soils with ordinary and Ba-enriched mineralogy

Abstract

In recent years there has been an increasing interest for the use of crushed minerals and rocks as soil amendment and slow-release fertilizers in agriculture. Apatite-biotite-carbonatite (short form: carbonatite) rock from the Lillebukt Alkaline Complex (LAC), located at Stjernøy, Northern Norway, contains significant amounts of essential nutrients like calcium (Ca), potassium (K), magnesium (Mg), and phosphorus (P), all in minerals that weather quite easily. The main minerals are calcite (42 wt%), biotite (30 wt%), apatite (7.5 wt%) and some nepheline. Weathering of the carbonatite may supply nutrients to soil in closer agreement with the plants demand than easily soluble mineral fertilizers. However, large amounts are needed in order to achieve the desired fertilizing effect. This practice may alter the content of potentially harmful elements in the soil. Barium (3.2 g Ba kg-1) enriched in the carbonatite may cause undesired uptake to plants when applied to agroecosystems. Prior to assess the agro-ecological risk when considering the carbonatite rock for farming practices, an investigation of the plant availability of Ba from the carbonatite rock powder is requisite. Thus, the present work target to gain new knowledge on factors influencing the geochemistry of Ba in soils with ordinary and Ba-enriched mineralogy, with particular focus on the carbonatite rock, and the availability of Ba to plants under observational and experimental conditions.

I de senere år har interessen for bruk av steinmel som gjødsel i jordbruket økt. Apatitt-biotittkarbonatitt (her kalt karbonatitt) fra det alkalinske komplekset i Lillebukt er lokalisert på Stjernøy i Nord-Norge, og inneholder signifikante mengder av essensielle plantenæringsstoffer som kalsium (Ca), kalium (K), magnesium (Mg) og fosfor (P), alle i bergarter som forvitrer lett. Hovedmineralene er kalsitt (42 vekt%), biotitt (30 vekt%), apatitt (7.5 vekt%), i tillegg til noe nefelin. Forvitring av karbonatitt vil kunne tilføre næringsstoffer til jorden mer tilpasset plantenes næringsbehov, i forhold til lettløselige mineralsalter. Det er derfor nødvendig med større mengder steinmel for å oppnå den ønskede gjødslingseffekten. Dette kan føre til en økt mengde av mindre ønskelige grunnstoffer i jord. I karbonatittsteinmel utgjør de anrikede mengdene av barium (Ba) en mulig risiko dersom karbonatitt tilføres jordbruksjord. Før man kan vurdere den agroøkologiske risikoen ved å bruke karbonatitt-steinmel som gjødsel i landbruk, har det vært nødvendig å undersøke plantetilgjengeligheten av Ba fra karbonatitt-steinmel. Hovedhensikten med dette arbeidet var å øke kunnskapen om faktorer som påvirker geokjemien av Ba i jord med ordinær og Baanriket mineralogi, der karbonatitt-steinmelet var spesielt i fokus. Barium-tilgjengeligheten til planter ble undersøkt både i et observasjonsstudie i felt, samt under eksperimentelle forhold.