The effect of biostimulants and glyphosate on the vertical migration of elements in agricultural soils

Abstract

Метою цього дослідження було оцінити закономірності вертикальної міграції макро- та мікроелементів у південних чорноземах під впливом бінарних сумішей гербіцидів на основі гліфосату та біостимуляторів різних класів. Інтенсифікація сучасних аграрних систем спричинила суттєві зміни в біогеохімічному кругообігу поживних елементів і контамінантів у педосфері. У роботі представлено комплексне дослідження механізмів вертикальної міграції макро- та мікроелементів у модельному ґрунтовому профілі з акцентом на порушення, спричинені сумісним застосуванням гліфосатвмісних гербіцидів і біостимуляторів різної природи (фульвові кислоти, гумати калію та комплексні стерньові біодеструктори). Для кількісної оцінки перерозподілу Fe, K, Ca, Mn, Zn, Cu та Pb у трьох ґрунтових горизонтах контрольованих мікрокосмів застосовано високороздільну енергодисперсійну рентгенофлуоресцентну спектрометрію (ED-XRF). Дослідження виявило діаметрально протилежні геохімічні функції гумусових фракцій: фульвові кислоти («BioFulvo») діяли як агресивні мобілізувальні агенти, вилучаючи перехідні метали з середнього горизонту та посилюючи ризики вимивання (зменшення вмісту Fe на 30,1 % у транзитній зоні), тоді як гумати калію виконували роль стабілізуючих геохімічних бар’єрів, ефективно іммобілізуючи антропогенний свинець і утримуючи поживні елементи в кореневмісному шарі. Ключовим результатом роботи стало виявлення феномену «гіпермобілізації», що виникає внаслідок синергічної взаємодії гліфосату та фульвових кислот і призводить до зростання концентрації розчинного заліза на 39 %, ймовірно, через утворення тернарних фосфонат–фульват–металевих комплексів. Водночас мікробно-гумінові біодеструктори продемонстрували унікальний потенціал «біофортифікації», підтримуючи високу біодоступність цинку та марганцю без порушення стабільності ґрунтового профілю. Отримані результати підкреслили необхідність диференційованого підходу до управління агрохімічними технологіями. Хоча фульвові кислоти сприяють швидкому транспорту поживних елементів, їх поєднання з гербіцидами на чутливих ґрунтах несе суттєві екологічні ризики, які можуть бути нівельовані буферною здатністю високомолекулярних гуматів

The purpose of this study was to evaluate the vertical migration patterns of macro- and microelements in southern chernozem soils under the influence of binary mixtures of glyphosate-based herbicides and various classes of biostimulants. The intensification of contemporary agricultural systems has precipitated a fundamental shift in the biogeochemical cycling of nutrients and contaminants within the pedosphere. This study presented an exhaustive investigation into the vertical migration mechanics of macro- and microelements within a model soil continuum, specifically analysing the perturbations introduced by the co-application of glyphosate-based herbicides and diverse biostimulant classes (fulvic acids, potassium humates, and complex stubble biodestructors). High-resolution Energy Dispersive X-Ray Fluorescence (ED-XRF) spectrometry was utilised to quantify the redistribution of Fe, K, Ca, Mn, Zn, Cu, and Pb across three distinct soil horizons in controlled microcosms. The research delineated the diametrically opposed geochemical functions of humic fractions: fulvic acids (“BioFulvo”) acted as aggressive mobilising agents, stripping transition metals from the medial profile and exacerbating leaching risks (Fe depletion of -30.1% in the transit zone), whereas potassium humates functioned as stabilising geochemical barriers, effectively immobilising anthropogenic lead and retaining nutrients in the root zone. A critical discovery of this study was the identification of a “hyper-mobilisation” phenomenon arising from the synergistic interaction between glyphosate and fulvic acids, which induced a 39% surge in soluble iron concentrations, likely through the development of ternary phosphonate-fulvate-metal complexes. Conversely, microbial-humic biodestructors demonstrated a unique “biofortification” potential, maintaining high zinc and manganese bioavailability without compromising profile stability. These findings underscored the necessity of a differentiated approach to agrochemical management, suggesting that while fulvic acids enhance rapid nutrient transport, their combination with herbicides on sensitive soils poses significant environmental risks, which can be mitigated by the buffering capacity of high-molecular-weight humates