home    about    browse    search    latest    help 
Login | Create Account

Trace element status of soil and organically grown herbage in relation to animal requirements

Govasmark, Espen (2005) Trace element status of soil and organically grown herbage in relation to animal requirements. [Sporstoffer i jord og økologisk dyrket grovfôr vurdert i henhold til dyrenes behov.] Thesis, Norwegian University of Life Sciences, Department of Plant- and Environmental Sciences. Norwegian University of Life Sciences.

[img] PDF
2413Kb

Summary

To obtain a general picture of the herbage zinc (Zn), iron (Fe), manganese (Mn), copper (Cu), molybdenum (Mo), cobalt (Co) and selenium (Se) concentrations on organic livestock farms, we analysed soil (2001) and herbage (2001 and 2002) samples from 28 farms from four regions in Norway. We analysed animal blood plasma Cu, B12 (Co), α- and γ-tocopherol (vitamin E) and whole blood Se to investigate if the farms feeding practice met the dietary need of Cu, Co, Se and vitamin E in animals.
The first cut herbage median (10th-90th percentile) Zn, Fe, Mn, Cu, Mo, Co and Se concentrations were 19 (14-34), 50 (36-88), 34 (22-86), 5.3 (3.9-6.8), 1.5 (0.6-4.8), <0.05 (<0.05-0.08) and <0.01 (<0.01-0.03) mg kg-1 DM, respectively. The herbage trace element concentration was generally higher in the second cut. The second cut herbage median (10th-90th percentile) Zn, Fe, Mn, Cu, Mo, Co and Se concentrations were 21 (16-37), 84 (52-171), 66 (36-205), 7.0 (5.7-9.3), 3.3 (1.6-10.1), 0.06 (<0.05-0.15) and 0.02 (<0.01-0.06) mg kg-1 DM, respectively. The plasma Cu and B12 (except one sheep herd) concentration were within the suggested normal range set by the Norwegian Veterinary Institute. Whole blood Se concentrations were 0.10 (0.04-0.15) µg g-1 in dairy cattle and 0.14 (0.03-0.26) µg g-1 in sheep. Vitamin E concentrations were 4.2 (2.7-8.4) mg L-1 in dairy cattle and 1.3 (0.9-2.4) mg L-1 in sheep.
The results of mixed model analyses of herbage Zn, Fe, Mn, Cu and Mo indicated that soil pH, soil texture, botanical composition and phenological stage at harvest mostly influenced the herbage trace element concentrations within regions. There was a poor relationship between soil and herbage trace element concentrations, except for Zn. None of the soil and plant variables explained the variation in the herbage Se or Co concentration, but the number of samples was too low to draw clear conclusions on these two elements. There were some differences in soil and herbage trace element concentrations between regions.
It was generally concluded that Zn, Fe, Mn, Cu and Mo did not limit plant growth. The herbage concentrations of Fe, Mn, Cu and Mo were sufficient to meet the dietary needs of ruminants. The herbage Zn concentration was insufficient to meet the dietary needs of dairy cattle. The herbage Co and Se concentrations and the Cu/Mo ratio were not alone balanced to meet the dietary needs of ruminants. The on-farm feeding practises fulfilled the dietary needs of Cu and Co. Selenium contents were generally insufficient on dairy farms under prevailing feeding regimes, whereas the vitamin E was insufficient on sheep farms. It is therefore highly recommended to use trace element mixtures and/or concentrates fortified with Cu, Co, Se and vitamin E on Norwegian organic livestock farms.
Most open vessel digestion procedures of biological material utilize a mixture of acids that include perchloric acid. There have been many accidents associated with the use of perchloric acid where serious injury has resulted. Therefore, a microwave digestion procedure of biological material, avoiding the use of perchloric acid while maintaining accurate selenium recoveries, was developed. Biological material was digested in two steps using nitric acid followed by hydrogen peroxide. Following the addition of phosphoric acid, remaining nitric acid and hydrogen peroxide were removed by evaporation, and Se-oxides were reduced to selenite using hydrochloric acid. Samples were adjusted to a buffered pH of 1.75 and reacted with 2,3-diaminonaphthalene. The resulting piazselenol complex was extracted into cyclohexane. A normal phase HPLC method, using an amino phase column and a cyclohexane/ethyl acetate mobile phase, was used to separate the piazselenol complex from any remaining impurities before fluorescence detection on a HPLC-FLD. The relationship between peak height and selenium concentration was linear between 0 and 2 mg L-1. The mass detection limit of the complete procedure was 0.29 ng of selenium. Recoveries of Se were within the certified range for the material analysed.
A pot experiment was used to investigate the relationship between ammonium-nitrate and selenate in the wheat uptake and leaching water loss of Se. Ammonium-nitrate was applied by two methods, (i) entire dose at sowing (ii) in split application as 75 % at sowing and 25 % at stem elongation. Selenate was applied at sowing, tillering, stem elongation, head emergence and at milking growth stage. Split N application increased the protein content and Se concentration in grain, but decreased the Se concentration in leaf and straw. The highest Se concentration in the plant was achieved when the soil N potentially was highest. The Se leaching losses increased with response uptake by plants, being highest at highest Se uptake by plants, but decreasing with split N application.
Conclusions of the work:
• Supplement of Cu, Co, Se and vitamin E are recommended to both dairy cattle and sheep and Zn to dairy cattle in organic husbandry in Norway.
• It is possible to determine Se in biological material without use of perchloric acid.
• Applying selenate and ammonium-nitrate together after tillering increases the wheat grain Se concentration and total Se uptake, split N application having the lowest leaching losses of Se.

Summary translation

For å undersøke og vurdere innholdet av sink (Zn), jern (Fe), mangan (Mn), kopper (Cu), molybden (Mo), kobolt (Co) og selen (Se) i engavlinga (grovfôr) på økologiske husdyrgårder, ble jord (2001) og grovfôr (2001 og 2002) analysert fra 28 gårder fordelt på 4 regioner i Norge. Det var ukjent om gardbrukerens foringspraksis tilfredsstilte dyrenes behov av Cu, Co, Se og vitamin E. Blod fra dyrene ble innsamlet (våren 2002) og analysert for innhold av plasma Cu, B12 (Co) og α- og γ-tokoferol (vitamin E) og innhold av Se i fullblod.
Grovfôrets median (10-90 persentil) innhold av Zn, Fe, Mn, Cu, Mo, Co and Se fra førsteslåtten var henholdsvis 19 (14-34), 50 (36-88), 34 (22-86), 5,3 (3,9-6,8), 1.5 (0,6-4,8), <0,05 (<0,05-0,08) and <0,01 (<0,01-0,03) mg kg-1 tørrstoff (TS). Grovfôrets innhold av de sporstoffer var generelt høyest i andreslåtten. Grovfôrets median (10-90 persentil) innhold fra andreslåtten av henholdsvis Zn, Fe, Mn, Cu, Mo, Co og Se var 21 (16-37), 84 (52-171), 66 (36-205), 7,0 (5,7-9,3), 3,3 (1,6-10,1), 0,06 (<0,05-0,15) and 0,02 (<0,01-0,06) mg kg-1 TS. Konsentrasjonen av Cu og B12 (unntagen en sauegård) i blodplasma var innenfor normverdiene foreslått av Norges Veterinærinstitutt. Selen i fullblod var 0,10 (0,04-0,15) µg g-1 hos melkeku og 0,14 (0,03-0,26) µg g-1 hos sau. Vitamin E konsentrasjonen var 4,2 (2,7-8,4) mg L-1 hos melkeku og 1,3 (0,9-2,4) mg L-1 hos sau.
Faktorer som påvirket innholdet av sporstoffer i grovfôret ble analysert statistisk med mixed model. Resultatene indikerte at grovfôrets innhold av Zn, Fe, Mn, Cu og Mo innenfor regionene var påvirket av jord pH, jord tekstur, botanisk sammensetning og plantenes fenologisk utviklingstrinn ved høsting. Det var liten sammenheng mellom innhold av sporstoffer i jord og planter, unntagen for Zn. Det var ingen sammenheng mellom grovfôrets innhold av Se eller Co sett opp mot de målte parametrene, men antall prøver er for lite til å trekke klare slutninger. Det var variasjoner i innhold av sporstoffer i både jord og planter mellom regionene.
Det ble generelt konkludert med at Zn, Fe, Mn, Cu og Mo ikke begrenset planteveksten. Grovfôrets innhold av Fe, Mn, Cu og Mo var tilstrekkelig for å møte dyrenes behov. Grovfôrets innhold av Zn var ikke tilstrekkelig for melkeku. Grovfôrets innhold av Co og Se samt forholdet mellom Cu og Mo var lavt. Foringspraksisene på gårdene tilfredsstilte dyrenes Cu og Co krav. Den totale forrasjonen til melkeku inneholdt ikke tilstrekkelig Se, mens det på sauegårdene var for lite vitamin E. Det anbefales å tilføre grovfôrrasjonen ekstra Cu, Co, Se og vitamin E på norske økologiske gårder.
Mange metoder for bestemmelse av Se i biologisk materiale bruker en blanding av syrer, der perklorsyre er en av syrene, til oppslutning av prøven. Perklorsyre har gjennom tiden vært årsaken til flere alvorlige ulykker. Derfor ble en oppslutningsprosedyre utviklet som omfattet bruk av mikrobølgeovn, har god presisjon og uten bruk av perklorsyre. Biologisk materiale blir først oppsluttet i salpetersyre og deretter i hydrogenperoksid. Fosforsyre blir tilsatt før fordampingen av resterende mengder salpetersyre og hydrogenperoksid. Saltsyre reduserer Se-oksidene til selenitt. Substratet blir deretter pH justert til 1.75 og tilført 2,3-diamonaphtalene. Det blir da dannet et piazselenol kompleks som ekstraheres inn i sykloheksan. For bestemmelse av mengde Se i prøven ble det brukt en HPLC-FLD utstyrt men aminkolonne der den mobile fasen var en blanding av sykloheksan og etylacetat.
Forholdet mellom utslaget på kromatogrammet og selenkonsentrasjonen var lineær mellom 0 to 2 mg L-1. Deteksjonsgrensen for metoden er 0,29 ng Se. Gjenfunnet Se i analysert standard referansemateriale var innenfor de oppgitte verdiene for referansematerialet.
Et potteforsøk for å undersøke opptaket av selenat i hvete ved tilførsel av ammoniumnitrat ble gjennomført. Etter høsting av hveteplantene ble det undersøkt hvordan gjødslingsintervallet påvirket utvaskingen av Se fra jord. Ammoniumnitrat ble tilført på to måter; (i) alt tilført ved såing (ii) delt gjødsling der 75 % ble tilført ved såing og 25 % ved stengelstrekking. Selenat ble tilført ved såing, busking, stengelstrekking, aks-skyting og ved kornkjerneutvikling. Delt N gjødsling økte kornets proteininnhold og selenkonsentrasjon, men reduserte Se konsentrasjonen i både blad og stengel. Høyest Se konsentrasjonen i planten ble oppnådd når det var mest N tilgjengelig i jorda. Utvasking av Se økte med økende planteopptak men ble redusert med delt N gjødsling.
Konklusjoner fra arbeidet:
• Det er anbefalt å gi supplement av Cu, Co, Se og vitamin E til både ku og sau og sink til ku på økologiske gårder i Norge.
• Det er mulig å bestemme Se i biologisk materiale uten bruk av perklorsyre.
• Gjødsling med selenat og ammoniumnitrat etter busking øker Se-konsentrasjonen i hvetekorn og det totale selen opptaket, og reduserer utvaskingen av Se.

EPrint Type:Thesis
Thesis Type:Ph.D. thesis
Keywords:Organic farming, Zinc, Iron, Manganese, Copper, Molybdenum, Cobalt, Selenium, Vitamin E, Dairy cattle, sheep, soil, herbage, trace element, MINERALSIP
Subjects: Crop husbandry > Crop health, quality, protection
Soil > Nutrient turnover
Crop husbandry > Production systems > Pasture and forage crops
Animal husbandry > Production systems > Dairy cattle
Farming Systems > Farm nutrient management
Animal husbandry > Production systems > Sheep and goats
Animal husbandry > Feeding and growth
Research affiliation: Norway > NORSØK - Norwegian Centre for Ecological Agriculture
Norway > UMB - Norwegian University of Life Sciences
Related Links:http://orgprints.org/perl/search/advanced?addtitle%2Ftitle=&addtitle%2Ftitle_merge=ALL&authors=&authors_merge=ALL&editors=&editors_merge=ALL&abstract%2Fengabstract=&abstract%2Fengabstract_merge=ALL&keywords=MINERALSIP&keywords_merge=ALL&subjects_merge=ANY, http://www.norsok.no/prosjekter/mineral.htm
Deposited By: Govasmark, Ph.D. Espen
ID Code:6923
Deposited On:13 Feb 2006
Last Modified:12 Apr 2010 07:32
Document Language:English
Status:Published
Refereed:Not peer-reviewed

Repository Staff Only: item control page