Partición y transformación del fósforo orgánico/inorgánico en procesos de larga duración.

Scientific Reports volumen 13, número de artículo: 11122 (2023) Citar este artículo

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La identificación y cuantificación de los diferentes niveles de fracciones de fósforo (P) del suelo son importantes para mejorar la productividad agrícola y desarrollar prácticas de manejo sostenible en estos suelos agrícolas bajo cultivo a largo plazo. Sin embargo, se han realizado pocos estudios para investigar el nivel de fracciones de P y su transformación en estos suelos. Este estudio se realizó para caracterizar las fracciones de P afectadas por diferentes edades de cultivo de arroz (200, 400 y 900 años) en suelos de la llanura del delta del río Perla en China. Se empleó un esquema de fraccionamiento químico secuencial y espectroscopia de resonancia magnética nuclear de 31P (RMN de 31P) para cuantificar varias fracciones de P y especiación. Los resultados mostraron que el P fácilmente lábil, el P moderadamente lábil y el P no lábil del suelo tuvieron una relación positiva con el P total (TP) y el P disponible (AP). El análisis con espectroscopía de RMN 31P reveló que el P inorgánico, incluidos el ortofosfato (Ortho-P) y el pirofosfato (Pyro-P), aumentó con la edad de cultivo, mientras que las especies orgánicas monoéster fosfato (Mono-P) y diéster fosfato (Diester-P) disminuyeron. Además, los contenidos de fosfatasa ácida (AcP), fosfatasa neutra (NeP), Ca intercambiable y arena son los principales factores que afectaron la transformación de la composición de P del suelo, y el P no lábil (Dil.HCl-Pi) y Pyro-P tuvieron niveles significativos. contribución a la disponibilidad de P en el suelo al afectar el coeficiente de activación del P. Por lo tanto, el cultivo de arroz a largo plazo, influenciado por estos parámetros del suelo, incluidos NeP, AcP, Ca intercambiable y arena, aceleró la transformación del P orgánico/P no lábil del suelo en P inorgánico.

El fósforo (P) es uno de los principales nutrientes que limitan el crecimiento de las plantas y la producción agrícola1,2,3. La transformación entre formas orgánicas e inorgánicas durante el desarrollo del ecosistema ejerce una influencia crucial en la fertilidad del suelo y las propiedades del ecosistema4,5. Los procesos involucrados en el ciclo del P incluyen reacciones de disolución-precipitación, interacciones de sorción-desorción entre la solución y las fases sólidas, y reacciones de mineralización-inmovilización entre formas solubles orgánicas e inorgánicas6. El P orgánico constituye del 20 al 80% del P total en los suelos superficiales y no está directamente disponible para las plantas. El P de forma orgánica se puede convertir en forma de P de solución del suelo, quedando disponible para las plantas a través de procesos bióticos como el proceso de mineralización7,8. Sin embargo, la mayor parte del P en solución se transforma en formas de fosfatos inorgánicos insolubles y estrechamente unidos y, por lo tanto, no están disponibles para el crecimiento de las plantas. Por lo tanto, la transformación de las formas de P en solución, así como el bajo nivel de P nativo en los suelos, hacen que este nutriente sea limitante para la producción agrícola en el sur de China.

Por el contrario, los suelos de arroz muy fertilizados suelen tener una acumulación de P a niveles que superan con creces el óptimo agronómico requerido para una producción agrícola satisfactoria9. Este exceso de P puede provocar una elevada pérdida de P en las masas de agua y provocar la eutrofización de lagos, ríos y estuarios10. Por lo tanto, la investigación sobre la cuantificación de las fracciones de P, así como las reacciones químicas que gobiernan la disponibilidad de P en estos suelos de arroz con una larga historia de cultivo, es esencial para mejorar nuestra comprensión de los requisitos de P para la producción de cultivos, las prácticas de manejo adecuadas, así como las vías de transformación y transporte en el agroecosistema.

El efecto del cultivo de arroz sobre la composición de P del suelo ha sido ampliamente estudiado en diferentes suelos agrícolas9,11. Por ejemplo, se ha descubierto que el cultivo a corto plazo reduce el contenido de P inorgánico extraíble con NaHCO3 (NaHCO3-Pi), P inorgánico extraíble con NaOH (NaOH-Pi), P inorgánico extraíble con HCl (HCl-Pi) y P inorgánico extraíble con HCl (HCl-Pi). P en sistema de arroz de doble cultivo12. Huang et al.9 encontraron que el P total y diversas fracciones de P (como fosfatos de calcio, fosfatos orgánicos y P ocluido y no ocluido) pueden acumularse hasta un máximo después de 50 y 150 años de cultivo que incluye cultivos a largo plazo. Además P. Además, las enzimas fosfatasa del suelo, incluidas la fosfatasa ácida y la fosfatasa neutra, desempeñan funciones críticas en la hidrólisis del P orgánico y condensado y en la disponibilidad de P para los cultivos. La actividad de estas enzimas puede verse afectada por la labranza13. Las prácticas de uso y gestión de la tierra (es decir, labranza, fertilización y entrada de residuos) pueden aumentar significativamente diferentes fracciones de P y actividades de fosfatasa debido a la mayor unión de P resultante de un aumento en el contacto entre la solución P y las partículas del suelo9,13. Sin embargo, la mayoría de las investigaciones anteriores se basaron en análisis de suelos a corto plazo, y se sabía poco sobre cómo las fracciones de P del suelo y la especiación responden al cultivo de cultivos en escalas de tiempo de uso de la tierra agrícola a largo plazo.

La metodología de fraccionamiento secuencial se usa comúnmente para determinar las formas de los constituyentes elementales del suelo. Por ejemplo, se ha utilizado para determinar depósitos existentes de metales traza en suelos contaminados14. Este enfoque ha demostrado ser eficaz para comprender el estado de P del suelo en estudios previos3,15 y los estudiosos del suelo reconocen el método de fraccionamiento químico secuencial como un método de clasificación sistemático e integral16. El poder de este método para la adquisición de P aumenta mediante el uso adicional de espectroscopía de resonancia magnética nuclear de solución 31P (RMN 31P) para cuantificar fracciones de P orgánico17,18. El uso tanto del fraccionamiento como de este método analítico de RMN debería resultar valioso para estudiar la transformación del P en suelos que difieren en la edad de cultivo.

El clima de la región del delta del río Perla (PRD) en el sur de China es húmedo y subtropical, con más de 2000 años de cultivo19. Es bien sabido que las altas temperaturas y las precipitaciones pueden mejorar la erosión de las rocas, que suministraban el nutriente esencial P para sustentar un alto ciclo biológico20. Además, la mejora de la meteorización química y el transporte hidrológico, así como la absorción biológica, dan como resultado un bajo TP en el suelo y los sedimentos20. Por lo tanto, estos procesos pueden reducir significativamente el contenido de TP en regiones con clima tropical y subtropical20. Durante las últimas tres décadas, el PRD ha experimentado una rápida industrialización y urbanización, convirtiéndose en un importante centro manufacturero21. Debido al rápido desarrollo económico en la región del PRD, la tierra disponible para la agricultura está disminuyendo, lo que aumenta la necesidad de un enfoque revisado para la gestión de las tierras agrícolas22. Se necesitan ajustes para dar cabida a cultivos múltiples, con coexistencia de arroz, hortalizas, árboles frutales y otros cultivos comerciales23. Una variedad de procesos directos e indirectos inducidos por los usos de la tierra pueden alterar potencialmente las existencias, las fracciones y la disponibilidad de P24 en el suelo. Estas demandas de uso de la tierra han aumentado la necesidad de un uso adecuado de los nutrientes para maximizar la absorción y el rendimiento de los cultivos, minimizando al mismo tiempo la fijación de P o la pérdida de nutrientes en los cuerpos de agua25. Además, las variaciones en las fracciones y la disponibilidad de P del suelo bajo los usos de la tierra pueden ser impulsadas indirectamente a través de cambios en las propiedades del suelo, la diversidad y/o riqueza de las plantas y la actividad microbiana26. Estudios anteriores han observado mejoras en el estado de los nutrientes, incluido el P, después del abandono de las tierras agrícolas, debido al aumento de los aportes de residuos vegetales, la aceleración del recambio microbiano y la mejora de las propiedades físicas del suelo, como la densidad aparente y la humedad del suelo27. Por lo tanto, explorar los procesos de transformación de la composición de P del suelo en tierras agrícolas (por ejemplo, arrozales) es de vital importancia para el desarrollo agrícola sostenible en la región del PRD.

Maximizar la disponibilidad de P en el suelo en la región del PRD manteniendo cantidades adecuadas de P en el suelo mediante la aplicación de fuentes de P inorgánico y/u orgánico es fundamental para la sostenibilidad a largo plazo de los sistemas de cultivo28. Estudios anteriores han demostrado que el cultivo puede afectar significativamente la composición, el contenido y la disponibilidad de plantas de P del suelo, y revelaron algunos mecanismos de transformación de P del suelo29. Debido a su larga historia agrícola y los cambios posteriores en el uso de la tierra, el PRD presenta un lugar importante para examinar los efectos del cultivo a largo plazo en suelos agrícolas y determinar vías potenciales de transformación entre las formas de P del suelo.

Este estudio se realizó para investigar el impacto del tiempo de cultivo en diferentes fracciones y especies de P del suelo, y si influye en la abundancia y composición de la fosfatasa relacionada con el ciclo de P. Nuestra hipótesis es que (i) el momento del cultivo del arroz alteraría la cantidad y distribución de P y su biodisponibilidad; (ii) la composición del P diferiría entre suelos y con la profundidad en ubicaciones individuales; y (iii) la abundancia y especies de enzimas fosfatasas relacionadas con el ciclo de P estarían estrechamente relacionadas con la composición de P y otros factores fisicoquímicos.

El P total del suelo (TP) osciló entre 0,6 y 2,0 g kg-1 con un promedio de 0,79 g kg-1 (Tabla 1). Fue más alto en el suelo de 900 años. La AP del suelo osciló entre 3,9 y 227,2 mg kg-1 y también fue más alta en el suelo de 900 años (Tabla 1). La distribución en profundidad del coeficiente de activación de P (PAC) fue generalmente uniforme en todos los perfiles del suelo para la misma edad de cultivo (Tabla 2). El PAC osciló entre 0,7 y 3,0% con un promedio de 1,63%, y fue mayor en el suelo de 900 años (Tabla 2). La acumulación de AP en ambos subsuelos indicó que la adición de P mediante el cultivo de arroz no solo resultó en un enriquecimiento de P en la superficie sino que también provocó un movimiento significativo de P hacia horizontes inferiores.

La fracción de P del suelo en estos suelos aluviales estuvo dominada por P inorgánico (Pi), la fracción extraída por HCl concentrado (HCl-Pi concentrado) (10,9–49,7% de TP), mientras que NaOH-Po representa 0,8–10,4% de TP (Fig. .1). El TP en horizontes superficiales (Ap1) es más alto en el suelo con 900 años de cultivo (Tabla 2, Fig. 1). En los subsuelos (debajo del plato de arado), el TP disminuyó a lo largo de la edad de cultivo (Tabla 2), lo que puede atribuirse principalmente a una disminución en la fracción de P extraída por HCl 1,0 M (Dil.HCl-Pi) (considerado como Ca unido). P) a pesar de un ligero aumento en las fracciones menos fácilmente extraíbles (como el residuo P) (Fig. 1). La distribución del P del suelo en el subsuelo estuvo relativamente inalterada en los primeros 400 años de cultivo, pero cambió sustancialmente en el suelo más antiguo (900 años) que acompañó la formación de horizontes enriquecidos con Fe y arcilla (Fig. 1). Por ejemplo, TP fue generalmente más alto en los horizontes Br2 y G del suelo de 200 años y en los horizontes Br3 y G del suelo de 400 años que otros subsuelos (Fig. 1). Las concentraciones promedio de Pi y Po en la capa superior del suelo fueron 0,73 y 0,07 g kg-1, respectivamente, lo que comprende el 90,8% y el 9,2% de la TPsum (la suma de Pi y Po), respectivamente. Además, los lábiles Po y Pi (NaHCO3-Pi y NaHCO3-Po) constituyen una pequeña fracción de la composición total, representando sólo del 1,8 al 24,0 % y del 0,6 al 4,1 % del reservorio total de P extraíble, respectivamente (Fig. 1). , Tabla 2).

Distribución del fraccionamiento secuencial de P en perfiles de suelo en tres edades de cultivo del suelo. La profundidad de un horizonte de suelo específico no es directamente comparable al ancho de la barra. (NaHCO3-Pi, P inorgánico extraíble con NaHCO3; NaHCO3-Po, P orgánico extraíble con NaHCO3; NaOH-Pi, P inorgánico extraíble con NaOH; NaOH-Po, P orgánico extraíble con NaOH; HCl-Pi diluido, HCl- P inorgánico extraíble, Conc.HCl-Pi, P inorgánico concentrado extraíble con HCl, Conc.HCl-Po, P orgánico concentrado extraíble con HCl, P Residual, P residual inorgánico y orgánico, PF200, PF400 y PF900 fueron las edades de cultivo. de 200, 400 y 900 años, respectivamente).

Los depósitos de P del suelo se vieron significativamente afectados por la edad de cultivo debido a los cambios en las fracciones de P. Los depósitos de Pi, que incluyen Pi moderadamente lábil (NaOH-Pi) y Pi no lábil (Conc.HCl-Pi) a una profundidad de 20 a 120 cm, aumentaron en el suelo de 400 años en comparación con el suelo de arroz de 200 años (Figs. S2, S3). En contraste, los pools de Po que incluyen Po fácilmente lábil (NaHCO3-Po) y Po moderadamente lábil (NaOH-Po) entre 20 y 120 cm mostraron una disminución en el sitio de 400 años. Los pools de Pi (incluido Pi fácilmente lábil ( NaHCO3-Pi), Pi moderadamente lábil (NaOH-Pi) y Pi no lábil (Dil.HCl-Pi) dentro de 0 a 60 cm para el suelo de 900 años mostraron un aumento en comparación con el suelo de 400 años. de NaHCO3-Pi y NaHCO3-Po, Pi y Po a 60-120 cm tendieron a disminuir progresivamente con el desarrollo del suelo de arroz (Figs. S2, S3). Los depósitos de Pi y Po de P moderadamente lábil (extraído con NaOH 0,1 M) y no lábil (extraído con HCl 1,0 M, HCl-Pi concentrado y P residual) cambió en un patrón similar al de Pi dentro de 60 a 120 cm (Figs. S2, S3), y los cambios en estas fracciones representaron más de 90% de los cambios en TP (Fig. 1, S3). Nuestros resultados (Figs. 1, 2, S3) sugieren que el aumento de años de cultivo provocó la redistribución de las formas de P dentro de los horizontes del suelo.

Espectros de resonancia magnética nuclear de 31P de extractos de NaOH-EDTA para suelos seleccionados en diferentes cambios químicos, que muestran picos y los correspondientes compuestos de P. (Orto-P, ortofosfato; Mono-P, monoéster fosfato; Diéster-P, diéster; Pyro-P, pirofosfato. PF200, PF400 y PF900 fueron las edades de cultivo de 200, 400 años y 900 años, respectivamente).

La concentración total de P extraído por NaOH-EDTA (TPalkali) en suelos de arrozales osciló entre 112 y 1543 mg kg-1, equivalente al 30,8 al 75,5% del P total (TPacid) en los suelos (Tabla 3), respectivamente. Las especies de Pi determinadas por RMN de 31P en nuestro estudio consistieron principalmente en ortofosfato inorgánico (Ortho-P) y pirofosfato (Pyro-P) (Tabla 3, Fig. 2). En este estudio, Ortho-P representó del 84,1% al 99,7% del TPálkali extraíble y fue el principal constituyente de Pi en todos los suelos analizados, mientras que Pyro-P sólo existió en el horizonte Ap de los 400 años (0,4%) y 900-años. año (0,6%) y horizonte Br2 del suelo de 900 años. La proporción de Ortho-P aumentó con la edad de cultivo, oscilando entre un promedio de 91,6% y 94,7% en los perfiles de suelo de 200 y 900 años, respectivamente. Además, Ortho-P en suelos de 200 y 400 años se encontró principalmente en el horizonte G, mientras que existió principalmente en el horizonte Br en suelos de 900 años.

El Po detectado por RMN de 31P incluyó monoésteres de ortofosfato (Mono-P) y diésteres (Diéster-P) (Fig. 2). El mono-P, 1.5–15.0% del P extraído con NaOH-EDTA, fue mayor en suelos de 200 y 400 años que en suelos de 900 años (Tabla 3, Fig. 2). El diéster-P fue mayor en suelos de 200 años que en suelos de 400 y 900 años, y comprendió entre 0,2 y 1,5% del P extraído con NaOH-EDTA (Tabla 3). En nuestro estudio, la edad de cultivo tuvo un gran efecto sobre el Diéster-P (Tabla 3). El perfil del suelo de 200 años mostró niveles más altos de Diéster-P que otros suelos. Además, Mono-P en suelos de 200 y 400 años disminuyó con la profundidad del suelo, mientras que Mono-P en suelos de 900 años aumentó con la profundidad (Tabla 3). Con el aumento de la edad de cultivo, la proporción y composición de los compuestos de P del suelo cambiaron hasta cierto punto. Como se muestra en la Fig. 2, los contenidos de Mono-P y Diester-P en suelos cultivados a corto plazo (200 años) disminuyeron en comparación con los suelos cultivados a largo plazo (900 años) (Tabla 3; Fig. 2).

Las actividades de la fosfatasa ácida y neutra (AcP y NeP) en los suelos de arroz se vieron afectadas por la edad de cultivo y la profundidad del suelo (Fig. 4). En general, la actividad de AcP fue mayor que la de NeP. Las actividades de AcP y NeP en el horizonte Ap1 fueron mayores que en el otro horizonte, y ambas actividades disminuyeron con la profundidad (Fig. 3). Las actividades de AcP y NeP del suelo en el horizonte Ap1 aumentaron al aumentar la edad de cultivo. Los suelos de arroz de 400 años y 900 años en los horizontes Ap2, Br1 y Br2 tuvieron menores actividades de AcP y NeP en comparación con los de 200 años, aunque se encontraron actividades similares de AcP y NeP en los horizontes Br2, Br3 y G para las tres edades del suelo. Por lo tanto, el cultivo a largo plazo en suelos de arroz aumentó las actividades de AcP y NeP en la capa superior del suelo y el subsuelo superior (Ap1, Ap2 y Br1), pero se mantuvo estable en el subsuelo inferior (Fig. 4).

Actividad de fosfatasas del suelo en tres edades de cultivo. (AcP, actividades de fosfatasa ácida; NeP, actividades de fosfatasa neutra. PF200, PF400 y PF900 fueron las edades de cultivo de 200, 400 años y 900 años, respectivamente).

Análisis de trayectoria entre el coeficiente de activación de P (PAC), las propiedades fisicoquímicas del suelo y la composición de P mediante extracción química secuencial y resonancia magnética nuclear 31P. norte = 16; Los datos rojos son coeficientes de ruta directa, los datos negros son coeficientes de correlación. *, ** y *** indican una correlación extremadamente significativa en el nivel P <0,05, P <0,01 y P <0,001 (de dos colas), respectivamente. (Dil.HCl-Pi, P inorgánico extraíble con HCl diluido; Conc.HCl-Po, P orgánico extraíble con HCl concentrado; NaOH-Po, P orgánico extraíble con NaOH; Residual-P, P residual inorgánico y orgánico; TP, Total -P; AP, P disponible; Pyro-P, pirofosfato).

La contribución relativa de cada fracción de P al cambio en TP durante el desarrollo del suelo se puede determinar entre el cambio en esa fracción de P en relación con TP (Fig. S3). El P (AP) disponible en el suelo tuvo una correlación positiva con NaHCO3-Pi y una correlación negativa con el pH del suelo (P <0,01) (Fig. 5). El análisis de ruta mostró que AP, Dil.HCl-Pi, Pyro-P y Conc.HCl-Po tuvieron un efecto significativamente positivo sobre PAC, mientras que NaOH-Po y Residual-P tuvieron un efecto significativamente negativo sobre este factor (Fig. 4). Además, TP, AP y PAC se correlacionaron positivamente con P fácilmente lábil, P moderadamente lábil y P no lábil (Fig. S4, p <0,01).

Coeficientes de correlación de Pearson utilizando Origin 2021b (OriginLab, Nueva York, EE. UU.) entre las propiedades fisicoquímicas del suelo, las actividades de las fosfatasas y las composiciones de P determinadas mediante extracción química secuencial y espectroscopia de RMN 31P con diferentes edades de cultivo y profundidad del suelo (*P < 0,05; **P < 0,01, ***P < 0,001). El azul y el rojo indican correlaciones positivas y negativas, respectivamente. (SOC, C orgánico del suelo; CIC, capacidad de intercambio catiónico; ECa, calcio intercambiable; EMg, magnesio intercambiable; Fed, hierro libre; Fec, hierro activo; AcP, actividades de fosfatasa ácida; NeP, actividades de fosfatasa neutra; Pi, P inorgánico; Po, P orgánico; NaHCO3-Pi, P inorgánico extraíble con NaHCO3; NaHCO3-Po, P orgánico extraíble con NaHCO3; NaOH-Pi, P inorgánico extraíble con NaOH; NaOH-Po, P orgánico extraíble con NaOH; Dil.HCl-Pi , P inorgánico extraíble con HCl diluido; HCl-Pi concentrado, P inorgánico extraíble con HCl concentrado; HCl-Po concentrado, P orgánico extraíble con HCl concentrado; P-residual, P inorgánico y orgánico residual; AP, P disponible; PAC , coeficiente de activación del fósforo; Ortho-P, ortofosfato; Mono-P, monoéster fosfato; Diéster-P, diéster; Pyro-P, pirofosfato).

El análisis de correlación mostró que Ortho-P se correlacionó significativa y positivamente con las bases intercambiables y negativamente con NaOH-Po, Conc.HCl-Po y SOC (P <0,05) (Figs. 4 y 5). Mono-P tuvo una correlación positiva significativa con NaOH-Po, Conc.HCl-Po y SOC, y una relación negativa con Ortho-P, mientras que Pyro-P y Ortho-P se correlacionaron significativa y positivamente (P <0,05). Además, en este estudio no se encontró relación entre las actividades de fosfatasa del suelo y Conc.HCl-Pi y Residual-P (P > 0.05), sin embargo, las actividades de AcP y NeP del suelo tuvieron una correlación positiva significativa con PAC, AP, NaHCO3-Pi del suelo. , NaHCO3-Po, NaOH-Pi, NaOH-Po, Dil.HCl-Pi y Conc.HCl-Po (P < 0,05) (Figs. 4 y 5). Se encontraron relaciones positivas entre la actividad de AcP y el COS, la arena y el Mono-P del suelo (P < 0,05). Se encontraron relaciones negativas entre la actividad de AcP con el Orto-P del suelo y la arcilla (P < 0,05). La actividad de NeP del suelo tuvo una correlación positiva significativa con la arena y AcP, y se correlacionó negativamente con el pH, la arcilla, el limo y el Fe total (P <0,05). No se encontró relación entre las fosfatasas del suelo, Diéster-P y Piro-P (P > 0.05).

El análisis PCA del P total, P disponible, diferentes especiaciones de P y propiedades del suelo en suelos con diferentes edades de cultivo se muestra en la Fig. 6. Los dos ejes de componentes principales explicaron el 62,5% de la variabilidad total. Los puntos de muestras de diferentes edades de cultivo se distribuyeron principalmente a lo largo del eje horizontal (Fig. 6). Además, parece que hay un gradiente entre los tres grupos. El sitio de 200 años estaba a unos 20 grados de la vertical, el sitio de 400 años está a unos 45° de la vertical y el sitio de 900 años está a unos 100° de la vertical (Fig. 6). Aunque el sitio de 900 años se encuentra en un cuadrante diferente (Fig. 6). Para confirmar el grado de efecto de las propiedades del suelo sobre las fracciones y especies de P, se realizó el diagrama de secuencia bidimensional del análisis de redundancia (RDA) (Fig. 7). El espacio biplot originado por los dos primeros ejes de ordenación de la RDA explicó el 93,7% de la varianza total, con un 75,7% enraizado en el primer eje de ordenación y un 18,0% enraizado en el segundo eje de ordenación (Fig. 7). Las tasas de contribución de NeP (56,2%), Ca intercambiable (11,9%), AcP (8,9%) y arena (7,2%) en las especies de P fueron significativamente más altas que otras propiedades del suelo, por lo que NeP, Ca intercambiable, AcP y arena fueron los Factores clave que afectan a las especies de P.

Análisis de componentes principales (PCA) de diferentes especies de P mediante 31P-NMR, extracción química secuencial con P total y disponible y propiedades del suelo en arrozales con diferentes edades de cultivo. Los círculos sólidos negros, rojos y verdes representan un 95 % de confianza para PF200, PF400 y PF900, respectivamente. (SOC, C orgánico del suelo; CIC, capacidad de intercambio catiónico; ECa, calcio intercambiable; EMg, magnesio intercambiable; Fed, hierro libre; Fec, hierro activo; AcP, actividades de fosfatasa ácida; NeP, actividades de fosfatasa neutra; Pi, P inorgánico; Po, P orgánico; NaHCO3-Pi, P inorgánico extraíble con NaHCO3; NaHCO3-Po, P orgánico extraíble con NaHCO3; NaOH-Pi, P inorgánico extraíble con NaOH; NaOH-Po, P orgánico extraíble con NaOH; Dil.HCl-Pi , P inorgánico extraíble con HCl diluido; HCl-Pi concentrado, P inorgánico extraíble con HCl concentrado; HCl-Po concentrado, P orgánico extraíble con HCl concentrado; P-Residual, P inorgánico y orgánico residual; P-Olsen, P disponible ; PAC, coeficiente de activación del fósforo; Ortho-P (AP), ortofosfato; Mono-P, monoéster fosfato; Diéster-P, diéster; Pyro-P, pirofosfato; PF200, PF400 y PF900 fueron las edades de cultivo de 200, 400- años y 900 años, respectivamente).

Diagrama de secuencia bidimensional de análisis de redundancia (RDA) entre propiedades del suelo y fracciones de P y especiación por 31P-NMR, extracción química secuencial con P total y disponible en diferentes suelos arroceros con diferentes edades de cultivo, respectivamente (SOC, C orgánico del suelo; CEC , capacidad de intercambio catiónico; ECa, calcio intercambiable; EMg, magnesio intercambiable; Fed, hierro libre; Fec, hierro activo; C/P, relación entre C orgánico del suelo y P total; AcP, actividades de fosfatasa ácida; NeP, actividades de fosfatasa neutra ; Olsen-P (AP), P disponible; PAC, coeficiente de activación del fósforo; Easy-P, P fácilmente lábil; Moder-P, P moderadamente lábil; Non-P, P no lábil; Ortho-P, ortofosfato; Mono-P, monoéster fosfato; Diéster-P, diéster; Pyro-P, pirofosfato).

Examinamos los efectos del cultivo a largo plazo sobre la composición y el ciclo del P en suelos de arroz con tres edades diferentes (200, 400 años y 900 años). Estos arrozales de la región del PRD habían recibido aplicaciones de fertilizantes similares, incluido fertilizante químico para la producción de cultivos. Nuestros resultados mostraron que el cultivo y manejo a largo plazo en suelos de arroz causaron cambios marcados en las concentraciones de P, especialmente para el P inorgánico que osciló entre 30,8 y 75,5% de TP (Fig. 1). En nuestro estudio, el P total (TP) del suelo se acumuló en la capa superior del suelo y disminuyó con la profundidad a medida que aumentaban las edades de cultivo (Fig. 1). Este aumento en los horizontes superiores resulta de recibir aportes anuales de fertilizantes químicos y/o estiércol. Si bien estas fuentes de P aumentaron la producción, también pueden ser fuentes importantes de P en aguas superficiales debido a la lixiviación y la erosión por escorrentía29. Estudios previos han reportado la acumulación de una gran cantidad de P (Pi) inorgánico o P (Po) orgánico en las capas superiores del suelo debido a la aplicación continua de fertilizantes fosfatados o abonos orgánicos durante muchos años30,31, aumentando así el contenido de TP. Nuestro estudio tuvo el mismo nivel de aplicación de fertilizante que el de los agricultores locales, pero el contenido de TP del suelo aumentó a lo largo de la edad de cultivo en la capa superior del suelo (Fig. 1). Sin embargo, no hubo cambios similares en los otros horizontes del suelo, lo que podría atribuirse a la pérdida de P del suelo debido al agua subterránea después de la aplicación de fertilización química, especialmente fertilizante fosfatado.

Además, en todos los tipos se detectó P mineral, como P unido a Ca (determinado por Dil.HCl-Pi), P no lábil (Conc.HCl-Pi) y P altamente resistente (P ocluido, P-residual). de fracciones P (Fig. 1). Este grado de detección se debió a la alta concentración de P32 no lábil, que se transforma fácilmente entre biomasa microbiana y P no lábil. La inmovilización de P del suelo por parte de microorganismos mantiene una alta disponibilidad de P después del recambio de biomasa microbiana33. Por lo tanto, el P del suelo está asociado principalmente con óxidos de Ca y la disponibilidad estacional se sustenta en la inmovilización del P por parte de los microbios. En los horizontes superficiales (Ap1 y Ap2) se encuentran concentraciones más altas de Pi fácilmente lábil (NaHCO3-Pi), Po moderadamente lábil (NaOH-Po) y Pi no lábil (Conc.HCl-Pi) (Figs. 1 y 2). ). A diferencia de los suelos de 200 y 400 años, el horizonte G en el suelo de 900 años tiene una mayor concentración de estos tres depósitos de P. Este hecho puede explicarse por la aplicación continua de fertilizantes con tiempo creciente y actividad microbiana sostenida, manteniendo algo de P en formas móviles que se translocan más fácilmente a través del suelo30. Además, la aplicación de fertilizantes orgánicos proporcionó N fácilmente disponible para las plantas, lo que aumenta la biomasa vegetal. Los residuos de cultivos que se generan con estas aplicaciones se incorporan, lo que resulta en acumulaciones de materia orgánica (es decir, C y N orgánico)30. Para el cultivo de arroz, los suelos generalmente están sumergidos en agua durante la mayor parte de la temporada de crecimiento del arroz, lo que resulta en un aumento del P soluble en agua proveniente de la hidrólisis de los fosfatos de Fe y Al, la liberación de P retenido por el intercambio aniónico en la arcilla y óxidos hidratados de Fe y Al y la reducción de Fe3+ a Fe2+ con liberación de P11 absorbido y unido químicamente. Además, la alternancia de mojado y secado del cultivo de arroz puede dar como resultado una reducción estacional y la solubilización de los óxidos de Fe y Mn del suelo, y contribuir a la liberación de P34 tanto adsorbido como precipitado. Esto puede deberse a que el P desorbido durante la inmersión de los suelos de arroz ha migrado y absorbido a óxidos de hierro y arcillas en los subsuelos11. Además, los suelos de arroz se derivan de una variedad de materiales parentales con diferentes sensibilidades a las actividades antropogénicas y probablemente diferentes umbrales pedogénicos para la retención de nutrientes. Por lo tanto, la sostenibilidad a largo plazo del cultivo de arroz afecta las formas de Pi y Po y su transformación debido a la solubilización de los óxidos de Fe y Mn del suelo y los cambios de la arcilla y la materia orgánica del suelo. Huang et al.11 consideraron que las actividades antropogénicas (es decir, el cultivo de arroz) alteran tanto la tasa como la trayectoria de las transformaciones del P durante la etapa inicial del desarrollo del suelo arrocero. Además, nuestros resultados muestran que se ha producido una translocación de P al subsuelo y demuestran la conversión entre las formas Po y Pi y su respectiva conversión en P soluble debido a la actividad microbiana del suelo y la fertilización.

El análisis con 31P NMR mostró que la composición del P estaba influenciada por la edad de cultivo y la profundidad del suelo (Tabla 3, Fig. 2). Ortho-P fue la principal especiación de Pi extraíble en todos los suelos de arroz y aumentó con el tiempo de cultivo (Tabla 3, Fig. 2). Formas de P orgánicas dominadas por mono-P, ya que se estabilizan en suelos mediante asociación con óxidos metálicos amorfos y también pueden producirse mediante degradación alcalina de ARN y fosfolípidos35. El aumento del P inorgánico (incluido el Pyro-P) con el aumento de la edad de cultivo (Tabla 3, Fig. 2) podría atribuirse al aumento de la mineralización en condiciones de cultivo y labranza a largo plazo35. Además, la RMN de 31P mostró que el P orgánico consistía principalmente en Mono-P y Diéster-P, lo que concordaba con otros estudios36. Sin embargo, el Diester-P se degrada más fácilmente por microbios y enzimas que el Mono-P37. Por lo tanto, el agotamiento de Pi resulta en una mayor dependencia del ciclo de Po a través de la mineralización, es decir, el agotamiento del normalmente recalcitrante depósito de Diéster-P37.

Asimismo, la fracción relativamente grande de P orgánico total extraído con HCl, que no está disponible para la absorción de las plantas, es una reserva de P muy importante30. Esto ayudará a amortiguar la disponibilidad de P a través de la mineralización del P orgánico mediante fosfatasas38, una vez que el P lábil y en solución sea insuficiente para el crecimiento de las plantas39. Además, bajo la condición de ciclo seco-húmedo de los suelos de arroz, la solución P puede formar fácilmente compuestos estables con hierro, mientras que el P orgánico puede trasladarse más profundamente al suelo40. En general, el cultivo antropogénico a largo plazo afecta la composición, activación y transformación del P del suelo.

Las enzimas del suelo son indicadores importantes de los cambios en las propiedades biológicas de los suelos debido a su sensibilidad a las prácticas de manejo del suelo13. En este estudio, las actividades de AcP y NeP del suelo fueron mayores en la capa superior del suelo y disminuyeron con la profundidad del suelo (Fig. 3). Ambas enzimas aumentaron en la capa superior del suelo con el tiempo tanto por la adición de enmiendas como por el cultivo agrícola a largo plazo (Fig. 3). Este aumento se produce porque la actividad de la fosfatasa del suelo está significativamente influenciada por la actividad microbiana del suelo30. Los cultivos agrícolas y los fertilizantes a largo plazo pueden mejorar las actividades microbianas del suelo39. La actividad microbiana aumentaría con el aumento de las fuentes de C resultantes de la entrada de residuos13. Las actividades enzimáticas aumentan con el aumento de los aportes de residuos del cultivo de arroz a largo plazo (Fig. 3). Por lo tanto, el aumento de la actividad podría atribuirse a dos factores: (1) aumento de los sustratos de fosfatasas del suelo procedentes de residuos de cultivos y (2) aumento de las actividades microbianas, ya que se cree que las fosfatasas del suelo se derivan principalmente de microorganismos13,41.

La actividad de AcP se correlacionó significativa y positivamente con AP, SOC, TP y arena del suelo (Fig. 4). Estas correlaciones positivas demuestran que AcP es un índice sensible para el almacenamiento de nutrientes y podría usarse como indicador de la calidad del suelo42. Además, la actividad de NeP se correlacionó significativa y positivamente con TP y AP, lo que sugiere que NeP podría desempeñar un papel importante en la hidrólisis y movilización de P unido al suelo en estos suelos42. Además, AcP tuvo una relación negativa con Ortho-P, pero se correlacionó positivamente con Mono-P, lo que sugiere que Ortho-P y Mono-P fueron influenciados y regulados por la actividad de AcP (Fig. 4). Se encontraron correlaciones positivas significativas entre AcP, NeP y P fácilmente lábil (NaHCO3-Pi y NaHCO3-Po), P moderadamente lábil (NaOH-Pi y NaOH-Po) y P no lábil (Conc.HCl-Po y Dil .HCl-Pi) (Fig. 4), lo que indica que AcP y NeP probablemente desempeñan un papel importante en la transformación de las composiciones de P del suelo en estos suelos42.

Además, las fosfatasas del suelo catalizan la hidrólisis de compuestos orgánicos que contienen P, liberando P inorgánico y aumentando así el P43 disponible en el suelo. De hecho, diferentes fosfatasas tienen efectos únicos sobre la composición individual de P41. Brevemente, los monoésteres pueden ser hidrolizados por AcP y NeP para liberar Ortho-P. Las altas concentraciones de P inorgánico pueden reducir la actividad de la fosfatasa en suelos cultivados a largo plazo al inhibir la secreción de fosfatasa del suelo por microorganismos y plantas44. Además, los compuestos orgánicos de fosfato no son fácilmente degradados por los microorganismos del suelo y las fosfatasas en suelos ácidos debido a la mayor capacidad de adsorción de los suelos con pH bajo45.

El análisis de correlación mostró que el pH del suelo se correlacionaba significativamente con Pi, mientras que el COS se correlacionaba significativamente con Po (Fig. 5). Esta correlación indica que la disponibilidad de P se ve afectada tanto por el valor del pH como por la concentración de COS. Aunque el material parental y el pH del suelo tienen una influencia considerable en la distribución de fosfatos inorgánicos entre Ca (PCa) y sorbentes de óxidos metálicos (Fe y Al) (PFe+Al)30,32, los tres suelos se desarrollaron a partir de materiales parentales aluviales similares. Por lo tanto, evaluamos cuantitativamente la fracción de Pi entre estos sorbentes asignando P extraíble con ácido (Dil.HCl-Pi) a los sorbentes de Ca y P extraíble con base (NaHCO3-Pi + NaOH-Pi) a los sorbentes de óxido metálico y comparamos el P con Proporción de P total en cada uno de estos extractos. Los suelos en los tres sitios, con un pH mantenido entre 6.2 y 7.0, liberaron de 1 a 4 veces el contenido de P en la extracción ácida que en la extracción alcalina (Tabla 1, Fig. S2), lo que coincide con una mayor cantidad de P asociado con sustancias inorgánicas. minerales de Ca que aquellos con óxidos de Fe y Al15. Por lo tanto, el cultivo de arroz a largo plazo puede ser una vía de degradación del suelo, ya que la pérdida de materiales del suelo (p. ej., Fe, óxidos de Al, pH y COS) por procesos físicos y químicos dañan las fracciones y composiciones de P (y posibles otros nutrientes) y P capacidad de retención.

El P disponible en el suelo (AP) se considera un factor importante tanto para evaluar la capacidad de suministro de P del suelo como para determinar la tasa de fertilización con P. Además, se hizo referencia a Olsen-P como "P disponible" para enfatizar su disponibilidad en este estudio. La AP del suelo en suelos altamente meteorizados es generalmente baja y depende de la mineralización de fosfato orgánico39. El Po del suelo en el pool disponible (NaHCO3-Po) es muy importante porque aumenta la disponibilidad aparente de P46. De manera similar, el Po que se produce en el pool moderadamente responsable (NaOH-Po) es tan importante como el NaHCO3-Po porque contribuye a las reservas de P39. TP representa el potencial a largo plazo del suministro de P, mientras que Pi, fácilmente lábil, representa la biodisponibilidad a corto plazo2. El P fácilmente lábil, el P moderadamente responsable y el P no disponible aumentaron en los horizontes superficiales (Ap1 y Ap2) con el aumento de la edad de cultivo (Fig. 2). El fósforo en estos depósitos contribuye al aumento del P total en el cultivo de arroz a largo plazo mediante la fertilización (Fig. 1). Además, el P fácilmente responsable, el P moderadamente responsable y el P no disponible en los horizontes Br2 y G disminuyeron con la edad de cultivo entre 400 y 900 años, mientras que estos suelos tenían altos contenidos de P en los horizontes Ap1 y Ap2. Estas tendencias indican que el P podría acumularse en el suelo tropical debido al cultivo de arroz y a los fertilizantes fosfatados47.

En este estudio, el Dil.HCl-Pi y el Pyro-P del suelo aumentaron al aumentar la edad de cultivo (Cuadro 3, Figuras 1 y 2), lo que indicó que el cultivo de arroz a largo plazo aumentó la reserva de P inorgánico del suelo. a la descomposición microbiana y la mineralización de enmiendas orgánicas del suelo provenientes del cultivo, con más minerales de fosfato secundarios formados que resultan en más P inorgánico en la capa superior del suelo30,39.

En muchos ecosistemas, la reserva de P se considera el regulador de los ciclos de C y N del suelo48. Además, el P es un macronutriente esencial y su disponibilidad gobierna directamente la producción agrícola mundial2,49. Nuestros resultados extienden las investigaciones de cambios decenales en la especiación superficial de P en sistemas agrícolas a escalas milenarias de cambios de perfil, lo que indica que el cultivo agrícola a largo plazo puede ser un factor extremadamente importante que afecta la transformación de las formas de P del suelo en el perfil. Por lo tanto, caracterizar las características de distribución y transformación de las fracciones y composiciones de P del suelo mediante diversos métodos es de gran importancia para comprender el ciclo biogeoquímico del depósito de P en el ecosistema terrestre.

Este estudio examinó el cambio de fracciones de P en tres suelos de arroz de diferentes edades de cultivo utilizando métodos de fraccionamiento secuencial y resonancia magnética nuclear 31P. Las distribuciones de las fracciones de P orgánico e inorgánico del suelo estuvieron fuertemente influenciadas por las edades de cultivo. Los contenidos de P inorgánico del suelo fueron mayores que los de P orgánico en los tres suelos de arroz. El P orgánico estaba compuesto principalmente de HCl-Po y NaOH-Po, y NaHCO3-Po comprendía una pequeña fracción, lo que indica que la disponibilidad de P orgánico total era baja, especialmente en el subsuelo. Además, la enzima fosfatasa ácida tuvo mayor actividad que la fosfatasa neutra en estos suelos, lo que tuvo una correlación significativamente positiva con los monoésteres de fosfato y una correlación negativa con los ortofosfatos. El cultivo a largo plazo pareció mejorar las actividades de fosfatasa del suelo, y el aumento de las concentraciones de ortofosfato y la disminución de los monoésteres y diésteres de fosfato indirectamente promovieron aún más la transformación del P orgánico en P inorgánico. El P orgánico del suelo mineralizado a P inorgánico en el cultivo agrícola a largo plazo desempeña un papel importante. papel vital para el aumento de la disponibilidad de P en el suelo. Desde estas perspectivas, comprender los factores que impulsan el ciclo del P y la disponibilidad biológica del P es fundamental para maximizar la productividad agrícola y el uso adecuado de los nutrientes aplicados en cultivos agrícolas a largo plazo.

El delta del río Perla (PRD) (21°34′–23°45′ N, 112°07′–114°39′ E), un área dentro de la provincia de Guangdong en el sur de China, caracterizada por ser una zona climática monzónica subtropical con una media temperatura anual de 21 a 24 °C y precipitación media anual de 1301 a 2700 mm. En esta región, se seleccionaron como muestra las ciudades de Jiangmen y Fuoshan (Tabla S1). La ciudad de Jiangmen (21°27′–22°51′ N, 111°59′–113°15′ E) está situada en la orilla occidental del delta del río Perla, que pertenece a la provincia de Guangdong, en el sur de China, y tiene una tasa media anual temperatura del aire de 22,0 °C y una precipitación media anual de 2078 mm. La ciudad de Foshan (23°02′ N, 113°06′ E) está situada en la parte trasera del delta del río Perla, que pertenece a la provincia de Guangdong en el sur de China y tiene una temperatura media anual del aire de 23,2 °C y una temperatura media anual de 23,2 °C. precipitación anual de 1653 mm. Jia et al.50 recopilaron una serie de anales de las ciudades de Jiangmen y Fuoshan que registran en detalle las situaciones de cultivo de arroz según la historia de recuperación en la región del PRD de zhao y Yang19 y Deng51. Esta cronología se utilizó en el presente estudio para estimar las edades del cultivo del arroz11. Por lo tanto, Jia et al.50 obtuvieron las edades de cultivo en los suelos de arroz de la región del PRD, incluidos tres perfiles con edades de cultivo de 200 (PF200), 400 años (PF400) y 900 años (PF900) (Tabla S1). ). Según la Base de Referencia Mundial para los Recursos del Suelo52, los suelos de los arrozales se clasificaron como Antrosoles Estágnicos derivados del material parental de aluvión de río. Los tres sitios estaban en posiciones topográficas geomórficamente estables sin pendiente, condiciones climáticas relativamente consistentes y el mismo material parental, minimizando el efecto del material topográfico, climático y parental.

En la región del PRD, el manejo del cultivo de arroz es casi idéntico dentro de cada cronosecuencia, como lo confirman los agricultores locales y nuestras observaciones de campo. Los sistemas de cultivo de arroz dominantes en las ciudades de Jiangmen y Foshan son todos de arroz doble, en los que las dosis habituales de aplicación de fertilizantes fosfatados fueron aproximadamente de 40 a 80 kg de P2O5 ha-1 año-1 en forma de superfosfato de calcio inorgánico en las ciudades de Jiangmen y Foshan. Además, las tasas de aplicación de fertilizantes de N y K fueron aproximadamente 130 ~ 200 kg ha-1 año-1 de urea (46% N) y 50 ~ 100 kg ha-1 año-1 de cloruro de potasio (60% K2O). Esta estimación se basa en encuestas extensas con agricultores locales y asesores agrícolas gubernamentales en la región del PRD. Además, según los agricultores locales, todas las pajas de arroz se devolvían a los arrozales cada año. Por lo tanto, la eliminación de P por los cultivos se equilibró con el aporte de P proveniente de la fertilización antropogénica (por ejemplo, estiércol humano y de ganado y paja de cultivos) para mantener rendimientos estables de los cultivos, ya que no hay registros de rendimientos decrecientes19.

Dentro de cada área con una historia idéntica de cultivo de arroz, se eligieron dos sitios representativos de perfil de suelo de arroz (PF200 y PF400) en la ciudad de Jiangmen y un sitio representativo de perfil de suelo de arroz (PF900) en la ciudad de Foshan para tomar muestras de suelo según el paisaje del suelo y las características geomorfológicas. del área del PRD. Seleccionamos tres parcelas de muestreo (cada parcela era de 5,0 × 5,0 m2) en los tres sitios de suelo de arroz cuando los campos fueron drenados después de la cosecha de arroz en noviembre de 2015 (Tabla S1). Luego, se excavaron tres subparcelas con un tamaño de 1,0 × 1,0 m2 para suelos de arroz, que se seleccionaron al azar en cada parcela, para recolectar una muestra de suelo en cada horizonte genético (Tabla S1). Los perfiles del suelo fueron descritos y muestreados de acuerdo con horizontes genéticos siguiendo pautas estándar de descripción de campo por Zhang y Li53. Se recolectaron un total de 16 muestras de tres suelos de arroz representativos con diferentes edades de cultivo (Tabla S1). Todas las muestras se dividieron en dos partes: una muestra secada al aire en interiores para análisis de parámetros del suelo y fraccionamiento de P; y otra muestra se mantuvo en campo húmedo y refrigerada a 4 °C para análisis enzimático.

Los suelos secados al aire se tamizaron a 2 mm y 0,15 mm antes del análisis, respectivamente. Los métodos de caracterización utilizados están documentados en Zhang et al.54. El pH del suelo se determinó utilizando un electrodo de pH (PB-10, Beijing Selidos Scientific Instruments Co, LTD) en agua destilada (relación suelo:solución 1:2,5). El análisis del tamaño de partículas determinó arena (2 a 0,05 mm), limo (0,05 a 0,002 mm) y arcilla (< 0,002 mm) utilizando el método de la pipeta después del tratamiento con peróxido de hidrógeno. El carbono orgánico del suelo (COS) se midió utilizando un método de oxidación con dicromato calentado. La capacidad de intercambio catiónico (CIC) se determinó con acetato de amonio 1,0 M (pH 7,0). El Ca2+ (ECa) y el Mg2+ (EMg) intercambiables se midieron utilizando un método de espectrometría de absorción atómica con ácido bórico. El hierro activo (Fec) se determinó con extracción con oxalato de amonio y el hierro libre (Fed) con ditionito-citrato-bicarbonato (Tabla 1). El P total se determinó mediante dos métodos: (1) el TP se determinó mediante digestión con HNO3-HF-HClO4 seguida de un análisis anticolorimétrico de molibdeno y antimonio en un espectrofotómetro ultravioleta; (2) La suma TP se obtuvo mediante la suma de las fracciones de P inorgánico y P orgánico mediante el método de extracción secuencial. El P disponible (AP u Olsen-P) se determinó extrayendo suelos con bicarbonato de sodio a pH 8.5 usando análisis anticolorimétrico de molibdeno antimonio en un espectrofotómetro ultravioleta (Tabla 2).

Utilizamos el procedimiento de extracción secuencial de Hedley et al.55 modificado por Tiessen y Moir56 para evaluar las fracciones de P del suelo (Tabla S2). Las muestras se extrajeron secuencialmente usando NaHCO3 0,5 M, NaOH 0,1 M, HCl 1,0 M y HCl concentrado en caliente, y una digestión final del residuo con HNO3-HF-HClO4 usando el método colorimétrico3. Para facilitar las interpretaciones, las fracciones de P se clasificaron en tres grupos principales56: (i) P fácilmente lábil, P que se considera fácilmente disponible para las plantas, es decir, NaHCO3-Pi y NaHCO3-Po; (ii) P moderadamente lábil, P que es fuertemente adsorbido por óxidos de Al y Fe, es decir, NaOH-Pi y NaOH-Po; (iii) no lábil, aquel P asociado al calcio (Ca-P) y al P-residual, considerado como P no disponible para las plantas, es decir, P-HCl y P-residual. En este estudio, el contenido de materia orgánica de las muestras de suelo fue de 0,7 a 3,9% (Tabla 1), por lo que clasificamos el P-residual como P inorgánico debido al menor contenido de materia orgánica7. El P (Pi) inorgánico es la suma de las fracciones de P con NaHCO3-Pi, NaOH-Pi, Dil.HCl-Pi, Conc.HCl-Pi y Residual-P, mientras que el fósforo orgánico (Po) es la suma de todas las fracciones de NaHCO3. -Po, NaOH-Po y Conc.HCl-Po, respectivamente.

La precisión del TP mediante digestión con HNO3-HF-HClO4 se evaluó comparándola con la suma de todas las fracciones de Pi y Po (TPsum), con una relación esperada de 1:1 entre los dos parámetros para todos los horizontes del suelo (Fig. S1, norte = 15). La hipótesis nula de una relación lineal no se pudo refutar (Fig. S1). Las dos medidas estaban muy fuertemente correlacionadas (r2 = 0,98). Por lo tanto, la eficiencia de la extracción secuencial de los suelos en este estudio fue excelente.

Se utilizó un procedimiento modificado de Cade-Menun y Preston57 para la espectroscopía de RMN de solución 31P para identificar especies de P, incluidas Pi (ortofosfato, Orto-P; pirofosfato, Pyro-P) y Po (monoésteres de ortofosfato, Mono-P; diésteres, Diester-P). ). Las muestras molidas (3 g) se agitaron con 60 ml de NaOH 0,25 M y Na2EDTA 0,05 M en un tubo de centrífuga de 100 ml a 20 °C durante 16 h. El extracto se centrifugó (10.000 xg durante 30 min a 16 °C), el sobrenadante se filtró con una membrana de 0,45 µm y luego se liofilizaron (liofilizaron) 15 ml del filtrado. El polvo se disolvió en 1 ml de NaOH 0,25 M y se centrifugó a 8000 xg durante 5 minutos a 4 °C. Luego, se retiraron 0,6 ml del sobrenadante en un tubo de RMN de 5 mm, seguido de 0,05 ml de óxido de deuterio (D2O) para bloquear la señal. Mientras tanto, 5 ml del filtrado se sometieron a digestión (H2SO4-HClO4) y se midieron para determinar el P total (TPálcali).

Los espectros de RMN de 31P en solución se obtuvieron utilizando un espectrómetro Bruker AMX 600 (Bruker, Alemania) que operaba a 243 MHz con una sonda de 5 mm58,59. Utilizamos un ancho de pulso de 30 °, un tiempo total de adquisición de 1,5 s (retardo de pulso 0,808 s, tiempo de adquisición 0,673 s) y desacoplamiento de protones de banda ancha (se adquirieron espectros adicionales para algunas muestras sin desacoplamiento de protones). El tiempo de retraso utilizado aquí permite una relajación suficiente de la red de espín entre exploraciones de compuestos de P en NaOH-EDTA, confirmado por un estudio detallado reciente de los tiempos de relajación para compuestos de P en varios extractantes del suelo60. La temperatura se reguló a 24 °C. Se recogieron entre 80 y 400 exploraciones para obtener señales aceptables. Los cambios químicos se midieron en relación con un estándar externo de 85% H3PO4 después de una convolución de Lorentz con un ancho de 10 Hz. Utilizamos el proceso de deconvolución del programa Bruker WinNMR para determinar el desplazamiento químico, el ancho de línea y el área de señales individuales. Los espectros se trazaron utilizando un ensanchamiento de línea de 5 Hz. Los espectros se recolectaron inmediatamente después de la preparación (generalmente dentro de 1 h) y se repitieron a intervalos durante el almacenamiento a temperatura ambiente para determinar la degradación, con la misma cantidad de escaneos recolectados cada vez. No se observó degradación a menos que se especifique58,61.

Las muestras de suelo húmedo se extrajeron por duplicado con agua destilada (proporción suelo-solución 1:4) en un agitador alternativo durante 1 h62. El extracto se centrifugó a 10.000 xg durante 10 min y se filtró a través de filtros de membrana de 0,45 mm. Se determinaron dos actividades de la enzima fosfatasa involucradas en los ciclos del P. Las actividades de fosfatasa ácida (AcP) y neutra (NeP) se analizaron con fosfato de p-nitrofenol como sustratos con valores de pH de tampón universal modificado de 5 y 7, respectivamente. Las actividades de AcP y NeP se expresaron como mg de p-nitrofenol kg-1 de suelo (peso seco) h-1.

El coeficiente de activación del fósforo (PAC) es un indicador importante de la disponibilidad de P en el suelo y de la transformación de las fracciones de P63. Una PAC más alta significa una capacidad de activación más fuerte del P del suelo, por lo que promueve la absorción de P por las plantas. El PAC del suelo está relacionado con AP y TP de la siguiente manera:

Para el procesamiento de datos y la cartografía se utilizaron Microsoft Excel 2016 y Origin 2021b (OriginLab, Nueva York, EE. UU.). Los datos se analizaron estadísticamente utilizando el software IBM SPSS Statistics 24.0 (SPSS Inc. Chicago, EE. UU.). Se utilizaron análisis de correlación de Pearson para identificar relaciones entre diferentes especies de P y P total, contenidos de P disponible y propiedades fisicoquímicas del suelo. Se utilizó el Análisis de Componentes Principales (PCA) para evaluar las diferencias generales entre las especies de P y las propiedades del suelo en arrozales.

Los datos de resonancia magnética nuclear se procesaron utilizando Mnova 5.3.1 (Qingdao Tenglong Microwave Technology Co, LTD). La concentración de especies de P en muestras de suelo identificadas en el espectro de RMN de 31P se calculó utilizando el área de pico correspondiente64 y los espectros de RMN de 31P se trazaron con Origin 2021b. La concentración proporcional en el suelo de especies específicas de P identificadas en los espectros 31PNMR se calculó utilizando el área del pico correspondiente y la recuperación de P en extractos de NaOH-EDTA en relación con los contenidos correspondientes de P en el suelo64. Mediante análisis de espectro, Ortho-P y Pyro-P tuvieron un promedio de desplazamiento químico de 6,0 ppm y 4,0 ppm, respectivamente, y los desplazamientos químicos de Mono-P y Diester-P fueron de entre 3,0 y 5,0 ppm y −2,0 a 0,0 ppm (Tabla 3, figura 2).

La relación entre las propiedades seleccionadas del suelo y los compuestos de P se evaluó con correlación, regresión lineal y análisis de ruta utilizando SPSS 24.0 (IBM, SPSS, Nueva York, EE. UU.). Se utilizaron mapas de calor de correlación y PCA para reducir la cantidad de variables y comprender las relaciones entre las propiedades seleccionadas del suelo y las composiciones de P utilizando Origin 2021b. Se utilizó el análisis de redundancia (RDA) para visualizar las relaciones entre las variables de respuesta (es decir, composiciones de P) y los factores explicativos (es decir, propiedades del suelo) utilizando Canoco 5.0 (Canoco, NY, EE. UU.).

Todos los datos generados o analizados durante esta investigación están incluidos en este artículo publicado y su información complementaria vuela. Los conjuntos de datos utilizados y/o analizados durante el estudio actual están disponibles del autor correspondiente previa solicitud razonable.

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Agradecemos sinceramente las útiles sugerencias de los revisores anónimos y del editor, que sirvieron para mejorar este manuscrito. Esta investigación fue apoyada financieramente por la Fundación Nacional de Ciencias de China (42277290) y el Proyecto Especial de Investigación Básica Nacional de Ciencia y Tecnología (No. 2008FY110600).

Facultad de Recursos Naturales y Medio Ambiente, Universidad Agrícola del Sur de China, Guangzhou, 510642, República Popular de China

Xian Tang, Hongyi Liu, Hailong Qin, Bo Li y Ying Lu

Facultad de Recursos Naturales y Medio Ambiente, Universidad de Ciencia y Tecnología de Anhui, Chuzhou, 233100, República Popular de China

Xian Tang, Jianrong Zhao y Hong Wang

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XT y HYL diseñaron el estudio, interpretaron los resultados y contribuyeron a la redacción del manuscrito. HLQ, JRZ, HW, BL y YL contribuyeron a la modificación del manuscrito. BL y YL fueron responsables de la revisión y la financiación. Todos los autores leyeron y aprobaron el manuscrito final.

Correspondencia a Bo Li o Ying Lu.

Los autores declaran no tener conflictos de intereses.

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Tang, X., Liu, H., Qin, H. et al. Partición y transformación de fósforo orgánico/inorgánico en el cultivo de arroz a largo plazo en el delta del río Perla, China. Representante científico 13, 11122 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-38369-2

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Recibido: 07 de abril de 2023

Aceptado: 07 de julio de 2023

Publicado: 10 de julio de 2023

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-023-38369-2

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