Themadag NVB, Wageningen 8 november 2013

Micronutriënten in de landbouw en het

wereldvoedselsysteem

Principes en uitdagingen

Roelf L. Voortman

Stichting Onderzoek Wereldvoedselvoorziening (SOW-VU)

r.l.voortman@sow.vu.nl

Introductie

• Essentialiteit micronutriënten

• Zink deficiëntie in bodems, planten, mensen

• Oorzaken en oplossingen

• Hoeveel zink is nodig als kunstmest

• Micro-nutrienten schaarste

• Micronutrienten: principes en uitdagingen;

case study in Sub-Sahara Afrika

• Conclusies

Essentiële minerale nutriënten (Macro, Meso, Micro)

Nutrient Pl. Hum. Nutrient Pl. Hum.

Potassium + + Zinc + +

Calcium + + Aluminum ± -

Magnesium + + Chlorine ± +

Phosphorus + + Cobalt ± +

Sulphur + + Nickel ± (+)

Boron + - Selenium ± +

Copper + + Silicon ± +

Iron + + Sodium ± +

Manganese + + Chromium - +

Molybdenum + + Iodine - +

Essentialiteit van minerale nutriënten (Zn) Tekort: slechte groei, ziekte, dood

In planten:

- Beperkte synthese van eiwitten; laag gehalte

- Korte internodes, kleine blaadjes, dode toppen

In mensen:

- Rol in neurotransmissie en enzym reacties

- Betrokken in DNA replicatie

- Vertraagde groei en psychosociale ontwikkeling, verlate seksuele volwassenheid, gevoeligheid voor infecties, chronische diarree

Essentiële minerale nutriënten kunnen niet vervangen worden door iets anders

Zink deficiëntie in bodems en gewassen

Bronnen: Alloway, 2008 en Yang et al., 2007

Zink deficiëntie bij kinderen <5 jaar

China niet

correct: 60%

kinderen sub-

klinisch zink

deficiënt

Yang et al., 2007

Quin et al., 2009

Bron: Black et al., 2008, The Lancet

‘Stunting’: Hoogte voor leeftijd kinderen < 5 jaar

Bron: Black et al., 2008, The Lancet

Gebaseerd op

gemeten

gegevens

(WHO)

Zink deficiëntie en aantal doden

bij kinderen < 5 jaar per regio

Regio Zn deficiëntie (%) Doden (x 1000)

Oost Azië en de Pacific 7 15

Oost Europa en Centraal Azië 10 4

Latijns Amerika en de Caraïben 33 15

Midden Oosten en Noord Afrika 46 94

Zuid Azië 79 252

Sub-Sahara Afrika 50 400

Hoge inkomen landen 5 0

Totaal 2 miljard 800

Aantal doden is dezelfde grootte orde als malaria!

Bron: Caulfield et al., 2006; World Bank

Micro deficiënties in India en China Percentages van het akkerland

Micronutrient India (%) China (%)

Boron 33 34.5

IJzer 5 5.0

Koper 3 6.9

Mangaan 12 21.3

Molybdeen 13 46.8

Zink 49 51.1

Zwavel 46 ?

Andere bronnen voor China:

Koper: 30%; IJzer: 40%

Er is meer aan de hand dan zink alleen

Oorzaken zink deficiëntie in bodem en mens

• Van nature weinig in de bodem: aard

moedermateriaal van de bodem

• Bodemomstandigheden: bijv. organische

bodems, waterverzadigde bodems (paddy)

• Antagonismen tussen Zn en andere elementen

(P, Ca, Mg, Cu, Fe) bij de opname uit de grond

• Menselijk toedoen: ongebalanceerde bemesting

bijv. veel P (groene revolutie; variëteiten; bemesting)

• Menselijk voedsel: veel phytaat en weinig Zn;

ook hier slechte absorptie van Zn; Absorptie uit dierlijk

voedsel gaat beter

Oplossingen

• Gebruik micronutriënten als kunstmest

• Gebruik dierlijke mest indien beschikbaar (Langdurige NPK-Mest onderzoek in Azië)

Win-Win situatie:

• Hogere opbrengst van voedsel van betere

kwaliteit

• Ruimte en arbeid vrij voor diversificatie: groente

fruit, veeteelt, brandstoffen

• Daardoor nog betere voeding, minder ziek, meer

energie om arbeid te verrichten

Echter …

Voorraden essentiële minerale nutriënten

voor planten

0

50

100

150

200

250

300

350

400

450

500

P Pold K Mg B Co Cu Fe Mn Mo Zn Ni

Micronutriënten →

Bron:

USGS, 2011

Jaren

voorraad

bij huidig

consumptie

nivo

Vanaf het

begin:

Uiterste

efficiëntie

De huidige praktijk: Afrika

• Aanbevolen kunstmest: voor het hele land, hoge

doses, zeer restrictief

• Malawi: 90 kg N en 40 kg P

• Zimbabwe: 120 kg N, 30 kg P en 25 kg K

• Vaak geen of negatieve response op P

• Indien positief, stabilisatie of ↓bij 10-20 kg P/ha

• Andere essentiële (micro-)nutriënten zijn of

worden snel deficiënt

• Micronutriënten kunnen resulteren in zeer grote

meeropbrengsten

De ruimtelijke verspreiding van Miombo biome

-Open bossen met

graslaag.

-De boomlaag is

gedomineerd door 2

genera: Brachystegia en

Julbernardia

-Ook in de middle belt van

West Afrika met de

verwante Isoberlinia

Ruimtelijke variabiliteit van bodems in Afrika

In tegenstelling tot wat vaak wordt aangenomen

• Afrikaanse bodems

kunnen ruimtelijk heel

gevarieerd zijn

• Diversiteit kan zeer locaal

gedefinieerd zijn

Implicaties:

• Combineer de noodzaak

van fine-tuning met de

realiteit van ruimtelijke

variatie

• Noodzaak voor locaal

verschillende meststof Angonia district (Moz.): 700,000 ha,

140 land types (Phaeozem-Acrisol)

Mineralogie van moedermateriaal is de sleutel

variabele Direct verband met bodemchemische eigenschappen

Structural

ridge

Ferric

Luvisol

Luvic

Phaeozem

Angonia district (Moz.)

Ecologische diversiteit over een locale en

scherpe mineralogische grens

Bruine klei met hoog gras en wit zand met Miombo vanwege de mineralogie van kristallijn gesteente (Angonia district, Mozambique)

Beide kanten van de ecosysteem grens Boeren kennen het verschil

-Low N, high P, P-induced micron. def.

-Medium TEB, low Ca/Mg, high Mg/K

-Ecto-Mycorrhizeae

-Macrotermes mound-building termites

-High N, Low P

-High TEB, high Ca/Mg

-VA-Mycorrhizeae, Nodulating legumes (BNF)

-Soil-feeding termites

Miombo (niet gecultiveerd) Porphyritic granitoid gneiss

Nguni (gecultiveerd) Mafic Charnokitic granulite/gabbro

Sleutel variabelen (logit regressie) Exchange complex, kation ratios en micronutriënten

• Ca, Mg, K, TEB, (Ca+Mg)/K, Ca/Mg, Mg/K, ESP (individuele kationen, hun som en hun ratios)

• Cu, Fe, Zn, Fe/Zn, Fe/Cu, Zn/Cu (individuele micronutriënten en hun ratios)

• P, P/Fe, P/Cu, P/Zn (fosfor gehalte en ratios van P met micro’s)

• P*(Mg/K), ((Ca+Mg)/K)*Cu (interacties van kation ratios met P en micro’s)

Breed spectrum van nutriënten en nutriënt interacties→

Beschikbaarheid en opname hangt af van niveau anderen

Maïs opbrengst in relatie tot kation ratios Een kwestie van delicate balansen

0.00

1.00

2.00

3.00

4.00

5.00

6.00

7.00

8.00

9.00

1 2 3 4 5

Observations (ordered for increasing Mg/K)

Cat

ion

rat

io v

alu

e

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

3500

Mai

ze y

ield

(kg

/ha0

Ca/Mg Mg/K Maize yield (kg/ha)

K (100 kg): Mg/K = 0.93: -15% Mg/K = 1.75: 3% Mg/K = 3.71: 112%

Malawi;

bron:

Wendt

and

Rijpma,

1997

Controls

Yield response to fertilizer micronutrients Miombo versus Nguni

• Miombo, Dedza Hills (M): – Hoge response S-Zn-B

– Lage response P

• Nguni, Lilongwe Plain: – Hoge response to P

– Lage response to S-Zn-B

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

400 800 1200 1600

P response (kg/ha)

S-Z

n-B

resp

on

se (

kg

/ha)

Miombo

Nguni

Malawi; bron: Wendt and Rijpma, 1997: 96 kg N,18 kg P, 20 kg S, 5 kg Zn, 0.5 kg B

Rsq. 0.83

Research in Miombo, Zimbabwe

• Maize Stand. = 90 kg N, 45 kg P, 45 kg K (75 b.)

• Standard 21 bags

• +8 ton manure 26 bags

• + 11 kg B, 22 kg Zn 64 bags

• Cotton standard (2250 kg) 550 kg

• + 11kg B, 250 kg dol. Lime 2830 kg

• Groundnut standard 820 kg (s.n.)

• + 11 kg Borate 2200 kg (s.n.)

Source: Rodel and Hopley, 1973 (1 bag = 91 kg)

Conclusies

• Micronutriënt deficiënties wijd verbreid

• Ernstig probleem voor gezondheid

• Win-win: meer opbrengst en kwaliteit

• Schaarste: matig en efficiënt gebruik

• Kennis intensief: ecologische diversiteit bodems,

eigenschappen, interacties, processen, bodem biota,

invloed daarop van kunstmest

• De noodzakelijke kennis is schaars in Afrika

• De Braziliaanse weg: kalk (Ca + micro), dol.kalk (Ca +

Mg + micro), gips (Ca + S), Ca/Mg, Mg/K and (Ca+Mg)/K

en micronutriënten

(e.g. Resende 2003 en Yamada, 2004 in Portugees)

Dank U

“We weten meer van de banen van de

hemellichamen dan van de grond onder

onze voeten” Leonardo da Vinci, ongeveer 1500

Boek, 2010, 263 pp.

r.l.voortman@sow.vu.nl