home    about    browse    search    latest    help 
Login | Create Account

Algae fibre for soil improvement (FIMO)

Løes, Anne-Kristin; Grønmyr, Frode; Pommeresche, Reidun; Rittl, Tatiana and Stensrud, Anniken Fure (2022) Algae fibre for soil improvement (FIMO). NORSØK Report, no. 8, vol 7. NORSØK, Tingvoll.

[thumbnail of NORSOK report no 8 vol 7 2022 Algae fibre for soil improvement.pdf] PDF - Published Version - English


The project “Algae fibre for soil improvement” (FIMO) was conducted at NORSØK during 2021-22, to investigate how residual material from the production of seaweed extracts at a nearby industry, Algea AS in Kristiansund, may be applied as a soil amendment. The residue, called algae fibre, is a black paste with about 30% dry matter. The content of carbon is about 30%, and algae fibre also contains plant macronutrients such as potassium (K), magnesium (Mg) and sulphur (S). However, the material has a high pH (about 9), contains potentially toxic elements («heavy metals»), and has a high concentration of sodium (Na), which can pose a challenge for plant growth. The high content of K may also challenge a balanced uptake of minerals in crop plants. Algae fibre from Algea is currently being incinerated.
Soil applied for potato cultivation is intensively tilled, which may decrease the content of soil organic matter. In such soil, increased content of organic matter may increase the water storage capacity, reduce the mechanical resistance during soil tillage and be positive for soil living organisms. Can algae fibre be applied to increase the content of organic matter in soils which require such amendment? To investigate this overarching question, we carried out activities in five specific tasks (1-5):
1. To describe and quantify how algae fibre performs as a soil amendment.
2. To study how addition of algae fibre to soil affects the content of minerals (Na, K, As, Cd) in potatoes and grass.
3. To study if algae fibre can reduce problems caused by presence of black scurf fungi in the soil (a common disease in potato).
4. To propose a strategy for safe application of algae fibre based on the content of minerals (Na, K, As, Cd) in soil and algae fibre.
5. To communicate new knowledge to relevant end-users.
Two field experiments established in former projects were applied for the FIMO studies. Algae fibre and other marine materials were applied as fertilisers in these experiments in 2019 or 2020. During 2021, several investigations were carried out in field and laboratory. Yields were recorded in ley in the experiment established in 2019, and potatoes and oats were grown with yield recordings in the field experiment established in 2020. For several soil characteristics such as respiration, water storage capacity and biology, the effect of previous application of algae fibre (AF) was studied. For comparison, experimental treatments not receiving any fertiliser (K0), or receiving dried poultry manure (GO) in 2019 (or 2020), were applied.
Alga fibre applied in 2019 or 2020 had a significant positive effect on the growth of subsequent crops in 2021. The second-year grass-clover ley established in 2019 gave 5 tons of dry matter (DM) per hectare over two cuts in 2021 in the non-fertilised control, K0. Treatments fertilised by GO and AF in 2019 gave 9.1 and 16 tons of DM per hectare. Potatoes grown in 2021 gave 29 tons of tubers per hectare for K0, 42 tons for GO and 47 for AF. One of four replicate blocks in the 2020-experiment was used for the growing of oats in 2021. This crop was harvested as green fodder. Here, the yields did not vary significantly between the treatments, possibly due to a shorter growing period than for potatoes. K0 yielded 6.3 tons of DM per hectare, AF 6.6 and GO 7.0.
The application of algae fibre increased soil concentrations of arsenic (As) and cadmium (Cd) but did not increase the content of these elements in potato tubers. In oats, the As-concentration was higher in AF (50 µg per kg DM) than in GO and K0 (7 and 3 µg per kg DM), while the concentration of Cd showed an opposite pattern with 49 µg per kg DM in K0, 47 in GO, and 18 µg per kg DM in AF. The concentration of Na was higher in oats in AF. In potatoes, the concentrations of magnesium and K were slightly higher in AF.
Potentially toxic elements (PTEs) commonly accumulate in soil, and hence, the application of such elements in fertilisers and soil amendments should be controlled and restricted. The national law on pollution states that the concentration of As in soil should not exceed 8 mg per kg dry soil. The national law on fertilisers and soil amendments of organic origin has no upper limit for As, but states that the concentrations of copper and nickel should not exceed 50% of the limits described in the law on pollution. Following the same logic for As, the concentration in dry soil should not exceed 4 mg per kg. From the current average concentration of As in soil typically applied for potato cultivation in the area studied here, 350 tons of algae fibre DM may be applied per hectare to reach this limit (if we assume that all As is accumulated in soil). However, the concentration of Cd in algae fibre categorises this material as a class II soil amendment product according to the law on fertilisers etc. Class II materials may be applied to agricultural soil with up to 20 tons of DM per hectare over a period of 10 years. With 25% DM, 20 tons of dry algae fibre corresponds to 80 tons of fresh material. One ton of algae fibre DM contains about 920 kg of K, which is much more than a potato crop requires. Hence, the amount of alga fibre needs to be adapted towards the smallest amount which may possibly be evenly spread with equipment for spreading of solid animal manure.
A trial to study the effect of algae fibre mixed with soil from Sunndal infested with black scurf on the germination of potatoes was hampered by application of too large proportions of algae fibre, which formed a crust on the soil surface that may have hampered the germination. Soil respiration measured in the soil mixtures revealed that respiration increased significantly and rapidly with application of algae fibre to the soil.
In soil amended with algae fibre, the pH increased, and we also found increased concentrations of ammonium acetate-lactate (AL) soluble K, Mg, calcium (Ca) and Na, and of As and Cd. Water storage capacity was not affected. Loss on ignition, which is a measure of soil organic material content, did not increase. However, the initial content of soil organic matter on the experimental site was high; 9-12%. The concentration of active carbon was lower in AF than in GO in 2021. The soil respiration (a proxy for microbial activity) and the numbers and groups of springtails measured in field in 2021 was higher in AF than in GO and K0 but the differences were not statistically significant. The density of springtails was considerably higher in AF, both for coloured species active on the soil surface and for white species dwelling in the topsoil, but the differences were not statistically significant. Bait lamina sticks were observed over time to record the «grazing» activity of soil fauna. Most bait was removed from the sticks in AF and K0, while the reduction of bait was significantly smaller in GO. For interpretation of soil biology studies, we must consider that fertilisers may affect the soil fauna directly, but also indirectly via the effect on plant production. We could not find any results pointing to a negative effect of algae fibre on the soil fauna.
Overall, the FIMO project has shown that algae fibre can be applied as a soil amendment for potatoes and other agricultural crops. In the soil which was applied for the FIMO field experiments, we did not find any increase in the content of soil organic matter. The content of PTEs in soil needs investigation for safe application of soil amendments in class I or II. The project should be followed up by a field experiment to test application of algae fibre in practice, on soil with less organic material than in the present study, to find practical ways of spreading the material in field and to study how the plants and some key species of soil organisms react. Further investigations are also required to reveal whether algae fibre may increase the content of organic matter in soil where the initial content is low. Even if algae fibre as such may be rapidly decomposed in soil, increased plant growth may increase the amount of plant roots, which may increase the amount of relatively stable soil organic matter. High scores for soil biological activity in several tests indicate a positive effect that calls for further studies.

Summary translation

Prosjektet «Fiber fra havet gir mold i jorda» (FIMO) ble gjennomført i 2021-22 for å bidra til bedre bruk av et restprodukt fra algeindustrien i Kristiansund (Algea AS), ved å vurdere hvordan produktet egner seg til jordforbedring. Algea produserer tangmel og ekstrakt av grisetang som høstes langs kysten. Ekstraktet selges som en flytende gjødsel, og mye går til eksport. Resten etter ekstraksjon kalles algefiber, og er en finkornet, svart masse med ca. 30% tørrstoff. Algefiber inneholder mye karbon, og mineraler som kalium, svovel og magnesium, som er viktige plantenæringsstoff. Samtidig har algefiber en høy pH (ca. 9), inneholder en del tungmetaller (potensielt giftige element), og høyt innhold av natrium og kalium kan være en utfordring. Det har vært prøvd å blande algefiber med kloakkslam for kompostering, men det var krevende å få en god prosess. Derfor blir algefiber per 2022 sendt til forbrenning. Jord som brukes til dyrking av poteter bearbeides mye, og dette tærer på moldinnholdet. I Møre og Romsdal er det en betydelig dyrking av poteter i Sunndal og Rauma, hvor produsentene er tilknyttet Sunndalspotet AS. I Sunndal er det ofte sandjord med lavt moldinnhold der det dyrkes poteter. Et høyere moldinnhold i jorda ville øke vannlagringsevnen og gjøre jorda lettere å bearbeide. Kan algefiber brukes til å øke moldinnholdet i sandjorda i Sunndal?
For å svare på dette overordnede spørsmålet, arbeidet vi med fem delmål i FIMO-prosjektet (1-5):
1: Beskrive og kvantifisere hvordan algefiber virker som jordforbedringsmiddel
2: Undersøke hvordan tilsetning av algefiber påvirker innholdet av mineraler (natrium-Na, kalium-K, arsen-As, kadmium-Cd) i poteter og gras
3: Undersøke om algefiber kan redusere utfordringen med svartskurv i potet
4: Foreslå en strategi for trygg bruk av algefiber ut fra innhold av mineraler (Na, K, As, Cd) i
jord og algefiber
5: Formidle ny kunnskap til aktuelle brukere.
Vi brukte to feltforsøk fra tidligere prosjekt, der algefiber og andre typer marine restråstoff var tilført som gjødsel i 2019 eller 2020, og gjennomførte en rekke målinger og undersøkelser i felt i 2021. Vi registrerte avlinger av eng i forsøksfeltet som ble etablert i 2019, og vi dyrket poteter og havre i forsøket som ble etablert i 2020 og målte avlinger av disse vekstene. For en rekke viktige egenskaper i fulldyrka jord, som næringsinnhold, vannlagringevne og jordbiologi, målte vi effekten av tidligere tilsatt algefiber. Både for avlinger og jordegenskaper var sammenlikningsgrunnlaget forsøksruter som ikke ble gjødslet i 2019 (2020), eller som fikk tilført økologisk godkjent handelsgjødsel i 2019 (2020).
Tilført algefiber i 2019 og 2020 hadde god effekt på avlingsnivået i 2021, til dels betydelig bedre enn fjørfegjødsel tilført i 2019 eller 2020. I 2. års eng ble det i 2021 produsert 500 kg tørrstoff (TS) i sum for to slåtter i kontroll-leddet uten gjødsling (K0). I forsøksrutene som fikk fjørfegjødsel i 2019 (GO) var sumavlinga, målt i 2021 på 910 kg TS, og i forsøksrutene som fikk algefiber i 2019 (AF) var sumavlinga hele 1,6 tonn TS per dekar. For poteter dyrka i 2021 ble avlinga i K0-leddet 2,9 tonn per dekar. Alle forsøksrutene fikk en grunngjødsling med 12 kg N per dekar tilført i tørket fjørfegjødsel i 2021. I GO-leddet var avlinga 4,2 tonn, og i AF-leddet 4,7 tonn per dekar. Ett av de fire gjentakene i forsøket etablert i 2020 ble i 2021 brukt til havre, som ble høstet til grønnfôr. Her var det små forskjeller mellom avlingene i de ulike behandlingene. K0 ga 625 kg TS per dekar, mens AF ga 660 og GO ga 704 kg TS per dekar. Havren hadde en kort vekstperiode sammenliknet med potetene og enga, og det kan forklare at det ikke ble større utslag for gjødsel tilført i 2020 for denne veksten.
Selv om algefiber økte innholdet av arsen og kadmium i jorda, ble det ikke høyere innhold av disse elementene i poteter der det var tilført algefiber. I havre var innholdet av arsen noe høyere i AF-leddet (50 µg per kg TS) enn i GO og K0 (7 og 3 µg per kg TS), mens innholdet av kadmium pekte motsatt vei: 49 µg per kg TS i K0, 47 i GO, og 18 µg per kg TS i AF-leddet. Innholdet av natrium var høyere i AF-leddet i havre. I poteter var konsentrasjonen av magnesium og kalium noe høyere i AF-leddet.
Siden tungmetaller kan anrikes i jord, er det viktig å unngå for høye tilførsler av slike element i gjødsel og jordforbedringsmidler. Forurensningsloven setter en øvre grense for innholdet av arsen (As) på 8 mg per kg tørr jord. Forskrift om gjødselmidler mv. av organisk opphav setter en øvre grense for andre tungmetaller som kopper og nikkel som er 50% av grensa i forurensningsloven. Hvis vi forutsetter et tilsvarende resonnement for arsen, vil grenseverdien for As i dyrka jord være 4 mg per kg tørr jord. Med det arseninnholdet som er i jorda på gårder som dyrker poteter i Sunndal i dag, kan det tilføres 35 tonn tørrstoff av algefiber per dekar før denne grenseverdien overstiges. Imidlertid er kadmiuminnholdet i algefiber såpass høyt at produktet kommer i klasse II etter gjødselvareforskriften. For slike materialer er det tillatt å tilføre inntil 2 tonn tørrstoff per dekar i løpet av en periode på 10 år. Med 25% tørrstoff er dette en mengde på 8 tonn. For hvert tonn med tørrstoff av algefiber (4 tonn ferskvekt) vil det tilføres rundt 92 kg med kalium. Dette er sannsynligvis mer enn ønskelig til poteter, så mengden av tilført algefiber bør nok begrenses ned mot det som er fysisk mulig å spre per dekar med en god fastgjødselspreder.
Forsøk ble gjort med tilsetning av algefiber til jord fra Sunndal med smitte av svartskurv. Mengdene som ble brukt var imidlertid så store at det dannet seg en skorpe som hemmet spiringen av poteter. En måling av jordrespirasjon i dette forsøket viste at respirasjonen økte raskt i jord tilsatt algefiber.
I jord som ble tilsatt algefiber økte pH, og det gjorde også innholdet av AL-løselig K, Mg, Ca og Na, samt innholdet av tungmetallene As og Cd. Vannlagringsevnen ble ikke påvirket av tilsetning av algefiber. Glødetapet i jorda, som er et mål for innholdet av organisk materiale, økte ikke. Innholdet av organisk materie i jorda på forsøksfeltet er imidlertid høyt; 9-12%. Vi målte også innholdet av aktivt karbon, og det var lavere i AF-leddet enn i GO-leddet. Jordrespirasjon målt i felt i 2021 var likevel høyere i AF enn i de andre leddene, men forskjellene var ikke statistisk sikre. Innholdet av spretthaler var vesentlig høyere i AF-leddet enn i øvrige behandlinger, og dette gjaldt både fargede arter som lever på overflaten, og hvite som lever litt lenger nede i jorda. Disse forskjellene var heller ikke statistisk sikre. Det ble satt ned plastpinner med materiale (fôr) som jordboende dyr kunne beite på, og mengde av fôr som forsvant over tid ble målt. Mengden som forsvant var størst i K0-leddet og AF-leddet, mens GO-leddet hadde tydelig mindre fôrforbruk. For å tolke resultater av undersøkelser av jordbiologi må vi ta hensyn til at gjødsling kan påvirke jordlivet direkte, men også indirekte gjennom virkningen som gjødsla har på planteveksten. Vi fant ingen resultater som tydet på at jordlivet tok skade av tilførsel av algefiber.
Oppsummert har FIMO-prosjektet vist at algefiber kan brukes som jordforbedringsmiddel ved dyrking av potet eller andre åkervekster. Innholdet av tungmetaller i jorda bør undersøkes hvis man skal benytte seg av jordforbedringsmidler som er i klasse I eller II. For å kunne følge med på om konsentrasjoner av tungmetaller i jorda endres over tid er det viktig å ta ut prøvene på samme måte hver gang. FIMO-prosjektet bør følges opp med et feltforsøk der tilførsel av algefiber prøves ut i praksis, og på jord med lavere moldinnhold enn vi hadde i våre forsøksfelt på Tingvoll, for å finne gode måter å spre materialet på, og undersøke hvordan plantene og jordlivet reagerer. Det trengs også videre undersøkelser av hvordan algefiberet påvirker innholdet av organisk materiale i jorda, utført i moldfattig jord. Selv om algefiber i seg selv kan være raskt nedbrytbart, vil økt plantevekst gi økt rotvekst, som kan øke mengden med organisk materiale som lagres i jorda. En positiv effekt av algefiber på flere undersøkelser av biologisk aktivitet fortjener også nærmere undersøkelser.

EPrint Type:Report
Keywords:FIMO, algae fibre, potential toxic elements, potato, grass, black scurf fungi, algefiber, tungmetaller, potet
Agrovoc keywords:
heavy metals
soil amendments
Subjects: Soil > Soil quality
Crop husbandry > Crop health, quality, protection
Farming Systems > Farm nutrient management
Crop husbandry > Production systems > Root crops
Research affiliation: Norway > NLR - Norwegian Agricultural Extension Service
Norway > NORSØK - Norwegian Centre for Organic Agriculture
Deposited By: Stensrud, Mrs. Anniken Fure
ID Code:44040
Deposited On:20 May 2022 06:41
Last Modified:20 May 2022 06:41
Document Language:English
Refereed:Not peer-reviewed

Repository Staff Only: item control page