Proton release by N2‐fixing plant roots: A possible contribution to phytoremediation of calcareous sodic soils

Abstract With a world‐wide occurrence on about 560 million hectares, sodic soils are characterized by the occurrence of excess sodium (Na + ) to levels that can adversely affect crop growth and yield. Amelioration of such soils needs a source of calcium (Ca 2+ ) to replace excess Na + from the cation exchange sites. In addition, adequate levels of Ca 2+ in ameliorated soils play a vital role in improving the structural and functional integrity of plant cell walls and membranes. As a low‐cost and environmentally feasible strategy, phytoremediation of sodic soils — a plant‐based amelioration — has gained increasing interest among scientists and farmers in recent years. Enhanced CO 2 partial pressure (P CO2 ) in the root zone is considered as the principal mechanism contributing to phytoremediation of sodic soils. Aqueous CO 2 produces protons (H + ) and bicarbonate (HCO 3 ‐ ). In a subsequent reaction, H + reacts with native soil calcite (CaCO 3 ) to provide Ca 2+ for Na + Ca 2+ exchange at the cation exchange sites. Another source of H + may occur in such soils if cropped with N 2 ‐fixing plant species because plants capable of fixing N 2 release H + in the root zone. In a lysimeter experiment on a calcareous sodic soil (pH s = 7.4, electrical conductivity of soil saturated paste extract (EC e ) = 3.1 dS m ‐1 , sodium adsorption ratio (SAR) = 28.4, exchangeable sodium percentage (ESP) = 27.6, CaCO 3 = 50 g kg ‐1 ), we investigated the phytoremediation ability of alfalfa ( Medicago sativa L.). There were two cropped treatments: Alfalfa relying on N 2 fixation and alfalfa receiving NH 4 NO 3 as mineral N source, respectively. Other treatments were non‐cropped, including a control (without an amendment or crop), and soil application of gypsum or sulfuric acid. After two months of cropping, all lysimeters were leached by maintaining a water content at 130% waterholding capacity of the soil after every 24±1 h. The treatment efficiency for Na + removal in drainage water was in the order: sulfuric acid > gypsum = N 2 ‐fixing alfalfa > NH4NO3‐fed alfalfa > control. Both the alfalfa treatments produced statistically similar root and shoot biomass. We attribute better Na+ removal by the N 2 ‐fixing alfalfa treatment to an additional source of H + in the rhizosphere, which helped to dissolve additional CaCO 3 and soil sodicity amelioration. Protonenabgabe durch N 2 ‐fixierende Pflanzenwurzeln: ein möglicher Beitrag zur Phytomelioration von kalkreichen Natriumböden Bei einem weltweiten Vorkommen auf etwa 560 Millionen Hektar sind Natriumböden durch einen Überschuss an Natrium (Na + ) gekennzeichnet, der das Wachstum und den Ertrag von Kulturpflanzenbeständen nachteilig beeinflussen kann. Die Melioration solcher Böden erfordert Calcium (Ca 2+ ), um überschüssiges Na + von Kationen‐Austauscherplätzen zu verdrängen. Außerdem spielt Ca 2+ eine wichtige Rolle bei der Verbesserung der strukturellen und funktionellen Integrität pflanzlicher Zellwände und Membranen. Als kostengünstige und umweltfreundliche Strategie hat die Phytomelioration von Natriumböden — eine auf Pflanzen beruhende Melioration — in den letzten Jahren zunehmendes Interesse bei Wissenschaftlern und Landwirten gefunden. Ein erhöhter CO 2 ‐Partialdruck (P CO2 ) in der Rhizosphäre wird als hauptsächlicher Mechanismus angesehen, der zur Phytomelioration von Natriumböden beiträgt. In Wasser gelöst, erzeugt CO 2 Protonen (H + ) und Bikarbonate (HCO 3 ‐ ). Anschließend reagiert H + mit nativem Calcit (CaCO 3 ), wobei sich Ca 2+ löst und Na + von Austauscherplätzen verdrängt. Eine weitere H + ‐Quelle könnte die H + ‐Abgabe von Wurzeln N 2 ‐fixierender Pflanzen sein, da diese in der Lage sind, H + in die Rhizosphäre abzugeben. In einem Lysimeterversuch mit einem kalkreichen Natriumboden (pH s = 7, 4; EC e = 3, 1 dS m ‐1 ; SAR = 28, 4; ESP = 27, 6; CaCO 3 = 50 g kg ‐1 ) wurde die Möglichkeit einer Phytomelioration mit N 2 ‐fixierender Luzerne ( Medicago sativa L.) im Vergleich zu einer mit mineralischem N ernährten Luzerne (NH 4 NO 3 ) untersucht. In weiteren Varianten (Applikation von Gips bzw. Schwefelsäure) wurde die chemische Melioration einer nicht behandelten Kontrolle gegenübergestellt. Beide Ernährungsformen führten zu statistisch ähnlicher Wurzelund Sprossmasse der Luzerne. Nach zweimonatigem Pflanzenwachstum erfolgte alle 24±1 h eine Dränung der Lysimeter durch Zugabe einer Wassermenge von 130% der maximalen Wasserkapazität zum Boden. Hinsichtlich der Effizienz, Na + über Auswaschung aus dem Boden zu entfernen, zeigte sich folgende Reihenfolge: Schwefelsäure > Gips = N 2 ‐fixierende Luzerne > NH 4 NO 3 ‐ernährte Luzerne > Kontrolle. Wir führen das bessere Meliorationsergebnis in der Variante der N 2 ‐fixierenden Luzerne auf eine zusätzliche H + ‐Quelle in der Rhizosphäre zurück, die zur Lösung von zusätzlichem CaCO 3 beitrug.