Organische/anorganische Phosphoraufteilung und -umwandlung in langer Zeit

Scientific Reports Band 13, Artikelnummer: 11122 (2023) Diesen Artikel zitieren

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Die Identifizierung und Quantifizierung der verschiedenen Phosphorfraktionen (P) im Boden ist wichtig für die Verbesserung der landwirtschaftlichen Produktivität und die Entwicklung nachhaltiger Bewirtschaftungspraktiken in diesen landwirtschaftlichen Böden bei langfristiger Bewirtschaftung. Es wurden jedoch nur wenige Studien durchgeführt, um den Gehalt an P-Fraktionen und ihre Umwandlung in diesen Böden zu untersuchen. Diese Studie wurde durchgeführt, um die P-Fraktionen zu charakterisieren, die von verschiedenen Reisanbaualtern (200, 400 Jahre und 900 Jahre) in den Böden der Perlflussdelta-Ebene in China beeinflusst werden. Ein sequentielles chemisches Fraktionierungsschema und 31P-Kernspinresonanzspektroskopie (31P-NMR) wurden zur Quantifizierung verschiedener P-Fraktionen und Speziation eingesetzt. Die Ergebnisse zeigten, dass leicht labiles P, mäßig labiles P und nicht labiles P im Boden eine positive Beziehung zum Gesamt-P (TP) und zum verfügbaren P (AP) hatten. Die Analyse mit 31P-NMR-Spektroskopie ergab, dass anorganisches P, einschließlich Orthophosphat (Ortho-P) und Pyrophosphat (Pyro-P), mit dem Kultivierungsalter zunahm, während organische Spezies Monoesterphosphat (Mono-P) und Diesterphosphat (Diester-P) abnahmen. Darüber hinaus sind saure Phosphatase (AcP), neutrale Phosphatase (NeP), austauschbares Ca und Sandgehalt die Hauptfaktoren, die die Transformation der P-Zusammensetzung des Bodens beeinflussten, und nicht-labiles P (Dil.HCl-Pi) und Pyro-P hatten einen signifikanten Einfluss Beitrag zur P-Verfügbarkeit im Boden durch Beeinflussung des P-Aktivierungskoeffizienten. Daher beschleunigte der langfristige Reisanbau, beeinflusst durch diese Bodenparameter, einschließlich NeP, AcP, austauschbares Ca und Sand, die Umwandlung von organischem P/nicht-labilem P im Boden in anorganisches P.

Phosphor (P) ist einer der Hauptnährstoffe, der das Pflanzenwachstum und die landwirtschaftliche Produktion einschränkt1,2,3. Der Wandel zwischen organischen und anorganischen Formen während der Ökosystementwicklung hat einen entscheidenden Einfluss auf die Bodenfruchtbarkeit und die Ökosystemeigenschaften4,5. Zu den am P-Kreislauf beteiligten Prozessen gehören Auflösungs-Fällungs-Reaktionen, Sorptions-Desorptions-Wechselwirkungen zwischen der Lösung und der festen Phase sowie Mineralisierungs-Immobilisierungs-Reaktionen zwischen organischen und anorganischen, löslichen Formen6. Organisches P macht 20–80 % des gesamten P in Oberflächenböden aus und ist für Pflanzen nicht direkt verfügbar. Das P in organischer Form kann in die P-Form der Bodenlösung umgewandelt werden und wird über biotische Prozesse wie den Mineralisierungsprozess pflanzenverfügbar7,8. Der größte Teil der Lösung P wandelt sich jedoch in unlösliche und fest gebundene anorganische Phosphate um und steht somit nicht mehr für das Pflanzenwachstum zur Verfügung. Die Umwandlung von Lösungs-P-Formen sowie ein geringer natürlicher P-Gehalt in Böden führen dazu, dass dieser Nährstoff für die landwirtschaftliche Produktion in Südchina limitierend ist.

Im Gegensatz dazu kommt es in stark gedüngten Reisböden typischerweise zu einer P-Anreicherung, die weit über dem agronomischen Optimum liegt, das für eine zufriedenstellende Pflanzenproduktion erforderlich ist9. Dieser überschüssige P kann zu einem erhöhten P-Verlust an Gewässer führen und zur Eutrophierung von Seen, Flüssen und Flussmündungen führen10. Daher ist die Erforschung der Quantifizierung der P-Fraktionen sowie der chemischen Reaktionen, die die P-Verfügbarkeit auf diesen Reisböden mit langer Kultivierungsgeschichte steuern, von wesentlicher Bedeutung, um unser Verständnis des P-Bedarfs für die Pflanzenproduktion, geeigneter Bewirtschaftungspraktiken sowie der Wege der P-Umwandlung zu verbessern Transport im Agrarökosystem.

Die Auswirkung des Reisanbaus auf die P-Zusammensetzung des Bodens wurde umfassend in verschiedenen landwirtschaftlichen Böden untersucht9,11. Beispielsweise wurde festgestellt, dass eine kurzfristige Kultivierung den Gehalt an mit NaHCO3 extrahierbarem anorganischem P (NaHCO3-Pi), mit NaOH extrahierbarem anorganischem P (NaOH-Pi), mit HCl extrahierbarem anorganischem P (HCl-Pi) und Rest- P im Doppelanbau-Reissystem12. Huang et al.9 fanden heraus, dass sich Gesamt-P und verschiedene P-Fraktionen (wie Calciumphosphate, organische Phosphate und nicht-okkludiertes und okkludiertes P) nach 50-jähriger und 150-jähriger Kultivierung, einschließlich Langzeitkultivierung, bis zu einem Maximum ansammeln können P-Zusatz. Darüber hinaus spielen Bodenphosphataseenzyme, einschließlich saurer Phosphatase und neutraler Phosphatase, eine entscheidende Rolle bei der Hydrolyse von organischem und kondensiertem P und der P-Verfügbarkeit für Nutzpflanzen. Die Aktivität dieser Enzyme kann durch die Bodenbearbeitung beeinflusst werden13. Landnutzungs- und Bewirtschaftungspraktiken (d. h. Bodenbearbeitung, Düngung und Rückstandseintrag) können aufgrund der verstärkten P-Bindung, die sich aus einem erhöhten Kontakt zwischen Lösungs-P und Bodenpartikeln ergibt, verschiedene P-Anteile und Phosphataseaktivitäten erheblich erhöhen9,13. Die meisten früheren Untersuchungen basierten jedoch auf kurzfristigen Bodenanalysen, und es war wenig darüber bekannt, wie P-Fraktionen und Artbildung im Boden auf den Pflanzenanbau über langfristige Zeiträume der landwirtschaftlichen Landnutzung reagieren.

Die sequentielle Fraktionierungsmethode wird üblicherweise zur Bestimmung der Bodenformen elementarer Bestandteile verwendet. Beispielsweise wurde es zur Bestimmung vorhandener Spurenmetallvorkommen in kontaminierten Böden verwendet14. Dieser Ansatz hat sich in früheren Studien als wirksam für das Verständnis des P-Status des Bodens erwiesen3,15 und die chemische sequentielle Fraktionierungsmethode wird von Bodenwissenschaftlern als systematische, umfassende Klassifizierungsmethode anerkannt16. Die Leistungsfähigkeit dieser Methode zur P-Erfassung wird durch den zusätzlichen Einsatz der 31P-Kernresonanzspektroskopie (31P-NMR) in Lösung zur Quantifizierung organischer P-Fraktionen erhöht17,18. Die Verwendung sowohl der Fraktionierung als auch dieser NMR-Analysemethode sollte sich bei der Untersuchung der P-Umwandlung in Böden mit unterschiedlichem Kultivierungsalter als wertvoll erweisen.

Das Klima in der Region des Perlflussdeltas (PRD) im Süden Chinas ist feucht und subtropisch, dort wird seit über 2000 Jahren kultiviert19. Es ist bekannt, dass hohe Temperaturen und Niederschläge die Gesteinsverwitterung verstärken können, die den essentiellen Nährstoff P lieferte, um einen hohen biologischen Kreislauf zu unterstützen20. Darüber hinaus führen die verstärkte chemische Verwitterung und der hydrologische Transport sowie die biologische Aufnahme zu einem niedrigen TP im Boden und in Sedimenten20. Daher können diese Prozesse den TP-Gehalt in Regionen mit tropischem und subtropischem Klima erheblich reduzieren20. In den letzten drei Jahrzehnten hat die PRD eine rasche Industrialisierung und Urbanisierung erlebt und sich zu einem wichtigen Produktionszentrum entwickelt21. Aufgrund der rasanten wirtschaftlichen Entwicklung in der PRD-Region nimmt die verfügbare Fläche für die Landwirtschaft ab, was die Notwendigkeit eines überarbeiteten Ansatzes für die Bewirtschaftung landwirtschaftlicher Flächen erhöht22. Es sind Anpassungen erforderlich, um mehrere Nutzpflanzen zu berücksichtigen, mit der Koexistenz von Reis, Gemüse, Obstbäumen und anderen Nutzpflanzen23. Eine Vielzahl direkter und indirekter Prozesse, die durch Landnutzungen hervorgerufen werden, können potenziell den Bestand, die Fraktionen und die Verfügbarkeit des Bodens P24 verändern. Diese Landnutzungsanforderungen haben die Notwendigkeit einer ordnungsgemäßen Nutzung von Nährstoffen erhöht, um die Aufnahme und die Ernteerträge zu maximieren und gleichzeitig die P-Fixierung oder den Nährstoffverlust an Gewässer zu minimieren25. Darüber hinaus können die Schwankungen der Fraktionen und der Verfügbarkeit von Boden-P im Rahmen der Landnutzung indirekt durch Veränderungen der Bodeneigenschaften, der Pflanzenvielfalt und/oder -reichtum sowie der mikrobiellen Aktivität beeinflusst werden26. Frühere Studien haben den verbesserten Nährstoffzustand, einschließlich P, nach der Aufgabe landwirtschaftlicher Flächen aufgrund des erhöhten Eintrags von Pflanzenresten, des beschleunigten mikrobiellen Umsatzes und verbesserter physikalischer Bodeneigenschaften wie Schüttdichte und Bodenfeuchtigkeit beobachtet27. Daher ist die Erforschung der Transformationsprozesse der Boden-P-Zusammensetzung in Buschland (z. B. Reisfeldern) von entscheidender Bedeutung für die nachhaltige landwirtschaftliche Entwicklung in der PRD-Region.

Die Maximierung der Boden-P-Verfügbarkeit in der PRD-Region durch die Aufrechterhaltung ausreichender Mengen an Boden-P durch den Einsatz anorganischer und/oder organischer P-Quellen ist entscheidend für die langfristige Nachhaltigkeit von Anbausystemen28. Frühere Studien haben gezeigt, dass der Anbau die P-Zusammensetzung, den P-Gehalt und die Pflanzenverfügbarkeit des Bodens erheblich beeinflussen kann, und haben einige Mechanismen der P-Umwandlung im Boden aufgezeigt29. Aufgrund seiner langen landwirtschaftlichen Geschichte und der daraus resultierenden Änderungen in der Landnutzung stellt das PRD einen wichtigen Standort dar, um die Auswirkungen einer langfristigen Bewirtschaftung auf landwirtschaftliche Böden zu untersuchen und mögliche Transformationswege zwischen Boden-P-Formen zu bestimmen.

Diese Studie wurde durchgeführt, um den Einfluss der Kultivierungszeit auf verschiedene Boden-P-Fraktionen und -Arten zu untersuchen und um zu untersuchen, ob sie die Häufigkeit und Zusammensetzung der mit dem P-Zyklus in Zusammenhang stehenden Phosphatase beeinflusst. Wir stellten die Hypothese auf, dass (i) der Zeitpunkt des Reisanbaus die Menge und Verteilung von P und seine Bioverfügbarkeit verändern würde; (ii) Die P-Zusammensetzung würde je nach Boden und Tiefe an einzelnen Standorten unterschiedlich sein. und (iii) die Häufigkeit und Art der mit dem P-Zyklus in Zusammenhang stehenden Phosphatase-Enzyme wären eng mit der P-Zusammensetzung und anderen physikochemischen Faktoren verknüpft.

Der Gesamt-P (TP) des Bodens lag zwischen 0,6 und 2,0 g kg−1 mit einem Durchschnitt von 0,79 g kg−1 (Tabelle 1). Sie war im 900-jährigen Boden am höchsten. Der Boden-AP lag zwischen 3,9 und 227,2 mg kg−1 und war auch im 900 Jahre alten Boden am höchsten (Tabelle 1). Die Tiefenverteilung des P-Aktivierungskoeffizienten (PAC) war in allen Bodenprofilen für dasselbe Anbaualter im Allgemeinen gleichmäßig (Tabelle 2). Der PAC lag zwischen 0,7 und 3,0 % mit einem Durchschnitt von 1,63 % und war im 900 Jahre alten Boden am höchsten (Tabelle 2). Die Anreicherung von AP in beiden Unterböden deutete darauf hin, dass die P-Zugabe durch den Reisanbau nicht nur zu einer P-Anreicherung an der Oberfläche führte, sondern auch eine erhebliche Verlagerung von P in tiefere Horizonte verursachte.

Der P-Anteil des Bodens in diesen alluvialen Böden wurde von anorganischem P (Pi) dominiert, der durch konzentrierte HCl (Konz. HCl-Pi) extrahierten Fraktion (10,9–49,7 % des TP), während NaOH-Po 0,8–10,4 % des TP ausmacht (Abb . 1). Der TP in Oberflächenhorizonten (Ap1) ist im Boden nach 900 Jahren Kultivierung am höchsten (Tabelle 2, Abb. 1). In den Unterböden (unterhalb der Pflugpfanne) nahm der TP über das Kultivierungsalter hinweg ab (Tabelle 2), was hauptsächlich auf eine Abnahme des durch 1,0 M HCl (Dil.HCl-Pi) extrahierten P-Anteils (als Ca-gebunden betrachtet) zurückzuführen ist P) trotz eines leichten Anstiegs der weniger leicht extrahierbaren Fraktionen (z. B. Rückstand P) (Abb. 1). Die Verteilung von Boden-P im Untergrund blieb in den ersten 400 Jahren der Kultivierung relativ unverändert, veränderte sich jedoch im älteren Boden (900 Jahre) erheblich, was mit der Bildung von mit Fe und Ton angereicherten Horizonten einherging (Abb. 1). Beispielsweise war die TP in den Br2- und G-Horizonten des 200-jährigen Bodens und in den Br3- und G-Horizonten des 400-jährigen Bodens im Allgemeinen höher als in anderen Unterböden (Abb. 1). Die durchschnittlichen Pi- und Po-Konzentrationen im Oberboden betrugen 0,73 bzw. 0,07 g kg−1 und machten 90,8 % bzw. 9,2 % der TPsum (die Summe von Pi und Po) aus. Darüber hinaus machen das labile Po und Pi (NaHCO3-Pi und NaHCO3-Po) einen kleinen Teil der Gesamtzusammensetzung aus und machen nur 1,8 bis 24,0 % bzw. 0,6 bis 4,1 % des gesamten extrahierbaren P-Reservoirs aus (Abb. 1). , Tabelle 2).

Verteilung der sequentiellen Fraktionierung von P in Bodenprofilen über drei Bodenbearbeitungsalter. Die Tiefe eines bestimmten Bodenhorizonts ist nicht direkt mit der Balkenbreite vergleichbar. (NaHCO3-Pi, NaHCO3-extrahierbares anorganisches P; NaHCO3-Po, NaHCO3-extrahierbares organisches P; NaOH-Pi, NaOH-extrahierbares anorganisches P; NaOH-Po, NaOH-extrahierbares organisches P; Dil.HCl-Pi, verdünntes HCl- extrahierbares anorganisches P; Conc.HCl-Pi, konzentriertes HCl-extrahierbares anorganisches P; Conc.HCl-Po, konzentriertes HCl-extrahierbares organisches P; Rest-P, restliches anorganisches und organisches P; PF200, PF400 und PF900 waren die Kultivierungsalter von 200, 400 bzw. 900 Jahren).

Die P-Pools im Boden wurden aufgrund der Veränderungen der P-Fraktionen erheblich vom Kultivierungsalter beeinflusst. Die Pi-Vorkommen einschließlich mäßig labilem Pi (NaOH-Pi) und nicht-labilem Pi (Conc.HCl-Pi) in 20–120 cm Tiefe nahmen im 400 Jahre alten Boden im Vergleich zum 200 Jahre alten Reisboden zu (Abb. S2, S3). Im Gegensatz dazu zeigten Po-Pools einschließlich leicht labilem Po (NaHCO3-Po) und mäßig labilem Po (NaOH-Po) zwischen 20 und 120 cm einen Rückgang in der 400-Jahres-Stelle. Die Pi-Pools (einschließlich leicht labilem Pi ( NaHCO3-Pi), mäßig labiles Pi (NaOH-Pi) und nicht labiles Pi (Dil.HCl-Pi) innerhalb von 0–60 cm für den 900 Jahre alten Boden zeigten einen Anstieg im Vergleich zum 400 Jahre alten Boden. Mit Ausnahme von NaHCO3-Pi und NaHCO3-Po, Pi und Po bei 60–120 cm neigten dazu, mit der Entwicklung des Reisbodens zunehmend abzunehmen (Abb. S2, S3). Pi- und Po-Pools von mäßig labilem P (extrahiert mit 0,1 M NaOH) und Nicht-labile (extrahiert mit 1,0 M HCl, konzentriertem HCl-Pi und Rest-P) veränderten sich innerhalb von 60–120 cm in einem ähnlichen Muster wie Pi (Abb. S2, S3), und Änderungen in diesen Fraktionen machten mehr als aus 90 % der Änderungen in TP (Abb. 1, S3). Unsere Ergebnisse (Abb. 1, 2, S3) legen nahe, dass zunehmende Anbaujahre zu einer Umverteilung der P-Formen innerhalb der Bodenhorizonte führten.

31P-Kernresonanzspektren von NaOH-EDTA-Extrakten für ausgewählte Böden mit unterschiedlicher chemischer Verschiebung, die Peaks und entsprechende P-Verbindungen zeigen. (Ortho-P, Orthophosphat; Mono-P, Monoesterphosphat; Diester-P, Diester; Pyro-P, Pyrophosphat. PF200, PF400 und PF900 waren die Kultivierungsalter von 200, 400 Jahren bzw. 900 Jahren).

Die durch NaOH-EDTA (TPalkali) in Reisböden extrahierte Gesamt-P-Konzentration lag zwischen 112 und 1543 mg kg−1, was jeweils 30,8 bis 75,5 % des gesamten P (TPacid) in Böden entspricht (Tabelle 3). Die in unserer Studie durch 31P-NMR bestimmten Pi-Spezies bestanden hauptsächlich aus anorganischem Orthophosphat (Ortho-P) und Pyrophosphat (Pyro-P) (Tabelle 3, Abb. 2). In dieser Studie machte Ortho-P 84,1–99,7 % des extrahierbaren TPalkali aus und war der Hauptbestandteil von Pi in allen getesteten Böden, während Pyro-P nur im Ap-Horizont der 400-jährigen (0,4 %) und 900-jährigen (0,4 %) vorkam. Jahr (0,6 %) und Br2-Horizont des 900 Jahre alten Bodens. Der Anteil von Ortho-P stieg mit dem Alter des Anbaus und lag im Durchschnitt bei 91,6 % bis 94,7 % in den 200- bzw. 900-Jahres-Bodenprofilen. Darüber hinaus wurde Ortho-P in 200- und 400-jährigem Boden hauptsächlich im G-Horizont gefunden, während es in 900-jährigem Boden hauptsächlich im Br-Horizont vorkam.

Durch 31P-NMR nachgewiesenes Po umfasste Orthophosphatmonoester (Mono-P) und Diester (Diester-P) (Abb. 2). Mono-P, 1,5–15,0 % des mit NaOH-EDTA extrahierten P, war in 200- und 400-Jahre-Böden höher als in 900-Jahre-Böden (Tabelle 3, Abb. 2). Diester-P war in 200-Jahre-Böden höher als in 400- und 900-Jahre-Böden und machte 0,2–1,5 % des mit NaOH-EDTA extrahierten P aus (Tabelle 3). In unserer Studie hatte das Kultivierungsalter einen großen Einfluss auf Diester-P (Tabelle 3). Das 200-jährige Bodenprofil zeigte einen höheren Diester-P-Wert als andere Böden. Darüber hinaus nahm Mono-P in 200 und 400 Jahre alten Böden mit der Bodentiefe ab, während Mono-P in 900 Jahre alten Böden mit der Tiefe zunahm (Tabelle 3). Mit zunehmendem Bewirtschaftungsalter veränderten sich Anteil und Zusammensetzung der P-Verbindungen im Boden teilweise. Wie in Abb. 2 dargestellt, verringerten sich die Mono-P- und Diester-P-Gehalte in kurzzeitig (200 Jahre) kultivierten Böden im Vergleich zu langfristig (900 Jahre) kultivierten Böden (Tabelle 3; Abb. 2).

Die Aktivitäten der sauren und neutralen Phosphatase (AcP und NeP) in Reisböden wurden durch das Kultivierungsalter und die Bodentiefe beeinflusst (Abb. 4). Insgesamt war die AcP-Aktivität größer als die von NeP. Die AcP- und NeP-Aktivitäten im Ap1-Horizont waren höher als im anderen Horizont, und beide Aktivitäten nahmen mit der Tiefe ab (Abb. 3). Die AcP- und NeP-Aktivitäten im Boden im Ap1-Horizont nahmen mit zunehmendem Kultivierungsalter zu. Reisböden von 400 Jahren und 900 Jahren in den Horizonten Ap2, Br1 und Br2 wiesen geringere AcP- und NeP-Aktivitäten auf als die von 200 Jahren, obwohl ähnliche AcP- und NeP-Aktivitäten in den Horizonten Br2, Br3 und G für die drei Bodenalter gefunden wurden. So steigerte der langfristige Anbau in Reisböden die AcP- und NeP-Aktivitäten im Oberboden und oberen Unterboden (Ap1, Ap2 und Br1), blieb aber im unteren Unterboden stabil (Abb. 4).

Bodenphosphatasenaktivitäten in drei Anbaualtern. (AcP, Aktivitäten der sauren Phosphatase; NeP, Aktivitäten der neutralen Phosphatase. PF200, PF400 und PF900 waren die Kultivierungsalter von 200, 400 bzw. 900 Jahren).

Pfadanalyse zwischen P-Aktivierungskoeffizient (PAC), physikochemischen Eigenschaften des Bodens und P-Zusammensetzung durch sequentielle chemische Extraktion und 31P-Kernspinresonanz. N = 16; Rote Daten sind direkte Pfadkoeffizienten, die schwarzen Daten sind Korrelationskoeffizienten. *, ** und *** weisen auf eine äußerst signifikante Korrelation auf den Ebenen P < 0,05, P < 0,01 bzw. P < 0,001 (zweiseitig) hin. (Dil.HCl-Pi, verdünntes HCl-extrahierbares anorganisches P; Conc.HCl-Po, konzentriertes HCl-extrahierbares organisches P; NaOH-Po, NaOH-extrahierbares organisches P; Rest-P, restliches anorganisches und organisches P; TP, Gesamt -P; AP, verfügbares P; Pyro-P, Pyrophosphat).

Der relative Beitrag jedes P-Anteils zur Änderung des TP während der Bodenentwicklung kann anhand der Änderung dieses P-Anteils im Verhältnis zum TP bestimmt werden (Abb. S3). Das im Boden verfügbare P (AP) hatte eine positive Korrelation mit NaHCO3-Pi und eine negative Korrelation mit dem pH-Wert des Bodens (P < 0,01) (Abb. 5). Die Pfadanalyse zeigte, dass AP, Dil.HCl-Pi, Pyro-P und Conc.HCl-Po einen signifikant positiven Einfluss auf PAC hatten, wohingegen NaOH-Po und Residual-P einen signifikant negativen Einfluss auf diesen Faktor hatten (Abb. 4). Darüber hinaus korrelierten TP, AP und PAC positiv mit leicht labilem P, mäßig labilem P und nicht labilem P (Abb. S4, p <0,01).

Pearson-Korrelationskoeffizienten unter Verwendung von Origin 2021b (OriginLab, New York, USA) zwischen physikalisch-chemischen Eigenschaften des Bodens, Phosphataseaktivitäten und P-Zusammensetzungen, bestimmt durch chemische sequentielle Extraktion und 31P-NMR-Spektroskopie bei unterschiedlichem Kultivierungsalter und unterschiedlicher Bodentiefe (*P < 0,05; **P < 0,01, ***P < 0,001). Blau und Rot kennzeichnen positive bzw. negative Korrelationen. (SOC, organisches C im Boden; CEC, Kationenaustauschkapazität; ECa, austauschbares Calcium; EMg, austauschbares Magnesium; Fed, freies Eisen; Fec, aktives Eisen; AcP, Aktivitäten der sauren Phosphatase; NeP, Aktivitäten der neutralen Phosphatase; Pi, anorganisches P; Po, organisches P; NaHCO3-Pi, mit NaHCO3 extrahierbares anorganisches P; NaHCO3-Po, mit NaHCO3 extrahierbares organisches P; NaOH-Pi, mit NaOH extrahierbares anorganisches P; NaOH-Po, mit NaOH extrahierbares organisches P; Dil.HCl-Pi , verdünntes HCl-extrahierbares anorganisches P; Conc.HCl-Pi, konzentriertes HCl-extrahierbares anorganisches P; Conc.HCl-Po, konzentriertes HCl-extrahierbares organisches P; Rest-P, restliches anorganisches und organisches P; AP, verfügbares P; PAC , Phosphoraktivierungskoeffizient; Ortho-P, Orthophosphat; Mono-P, Monoesterphosphat; Diester-P, Diester; Pyro-P, Pyrophosphat).

Die Korrelationsanalyse zeigte, dass Ortho-P signifikant und positiv mit austauschbaren Basen korrelierte und negativ mit NaOH-Po, Conc.HCl-Po und SOC korrelierte (P < 0,05) (Abb. 4 und 5). Mono-P hatte eine signifikante positive Korrelation mit NaOH-Po, Conc.HCl-Po und SOC und eine negative Beziehung mit Ortho-P, wohingegen Pyro-P und Ortho-P signifikant und positiv korrelierten (P < 0,05). Darüber hinaus wurde in dieser Studie kein Zusammenhang zwischen den Phosphataseaktivitäten im Boden und Conc.HCl-Pi und Residual-P gefunden (P > 0,05), jedoch hatten die AcP- und NeP-Aktivitäten im Boden eine signifikante positive Korrelation mit PAC, AP und NaHCO3-Pi im Boden , NaHCO3-Po, NaOH-Pi, NaOH-Po, Dil.HCl-Pi und Conc.HCl-Po (P < 0,05) (Abb. 4 und 5). Es wurden positive Beziehungen zwischen der AcP-Aktivität und dem SOC-, Sand- und Boden-Mono-P gefunden (P < 0,05). Es wurden negative Beziehungen zwischen der AcP-Aktivität mit Boden-Ortho-P und Ton gefunden (P < 0,05). Die NeP-Aktivität im Boden hatte eine signifikante positive Korrelation mit Sand und AcP und war negativ mit pH-Wert, Ton, Schluff und Gesamt-Fe korreliert (P < 0,05). Es wurde kein Zusammenhang zwischen Bodenphosphatasen, Diester-P und Pyro-P gefunden (P > 0,05).

Die PCA-Analyse von Gesamt-P, verfügbarem P, unterschiedlicher P-Artbildung und Bodeneigenschaften in Böden mit unterschiedlichem Kultivierungsalter ist in Abb. 6 dargestellt. Die beiden Hauptkomponentenachsen erklärten 62,5 % der Gesamtvariabilität. Die Punkte der Proben unterschiedlichen Anbaualters waren hauptsächlich entlang der horizontalen Achse verteilt (Abb. 6). Darüber hinaus scheint es ein Gefälle zwischen den drei Gruppen zu geben. Der 200-Jahres-Standort lag etwa 20 Grad von der Vertikalen entfernt, der 400-Jahres-Standort etwa 45° von der Vertikalen und der 900-Jahres-Standort etwa 100° von der Vertikalen (Abb. 6). Allerdings liegt die 900-jährige Stätte in einem anderen Quadranten (Abb. 6). Um den Grad der Auswirkung der Bodeneigenschaften auf P-Fraktionen und -Arten zu bestätigen, wurde das zweidimensionale Sequenzdiagramm der Redundanzanalyse (RDA) durchgeführt (Abb. 7). Der Biplot-Raum, der von den ersten beiden Ordinationsachsen des RDA stammt, erklärte 93,7 % der Gesamtvarianz, wobei 75,7 % auf der ersten Ordinationsachse und 18,0 % auf der zweiten Ordinationsachse verwurzelt waren (Abb. 7). Die Beitragsraten von NeP (56,2 %), austauschbarem Ca (11,9 %), AcP (8,9 %) und Sand (7,2 %) auf P-Arten waren deutlich höher als bei anderen Bodeneigenschaften, daher waren NeP, austauschbares Ca, AcP und Sand die Schlüsselfaktoren für die Beeinflussung von P-Arten.

Hauptkomponentenanalyse (PCA) verschiedener P-Spezies mittels 31P-NMR, sequentielle chemische Extraktion mit Gesamt- und verfügbarem P und Bodeneigenschaften in Reisböden mit unterschiedlichem Anbaualter. Schwarze, rote und grüne durchgezogene Kreise stehen für 95 % Konfidenz für PF200, PF400 bzw. PF900. (SOC, organisches C im Boden; CEC, Kationenaustauschkapazität; ECa, austauschbares Calcium; EMg, austauschbares Magnesium; Fed, freies Eisen; Fec, aktives Eisen; AcP, Aktivitäten der sauren Phosphatase; NeP, Aktivitäten der neutralen Phosphatase; Pi, anorganisches P; Po, organisches P; NaHCO3-Pi, mit NaHCO3 extrahierbares anorganisches P; NaHCO3-Po, mit NaHCO3 extrahierbares organisches P; NaOH-Pi, mit NaOH extrahierbares anorganisches P; NaOH-Po, mit NaOH extrahierbares organisches P; Dil.HCl-Pi , verdünntes HCl-extrahierbares anorganisches P; Conc.HCl-Pi, konzentriertes HCl-extrahierbares anorganisches P; Conc.HCl-Po, konzentriertes HCl-extrahierbares organisches P; Rest-P, restliches anorganisches und organisches P; Olsen-P, verfügbares P ; PAC, Phosphoraktivierungskoeffizient; Ortho-P (AP), Orthophosphat; Mono-P, Monoesterphosphat; Diester-P, Diester; Pyro-P, Pyrophosphat; PF200, PF400 und PF900 waren die Kultivierungsalter von 200, 400- Jahr bzw. 900 Jahre).

Zweidimensionales Sequenzdiagramm der Redundanzanalyse (RDA) zwischen Bodeneigenschaften und P-Anteilen und Artbildung mittels 31P-NMR, sequentielle chemische Extraktion mit Gesamt- und verfügbarem P in verschiedenen Reisböden mit unterschiedlichem Kultivierungsalter (SOC, organisches C im Boden; CEC). , Kationenaustauschkapazität; ECa, austauschbares Kalzium; EMg, austauschbares Magnesium; Fed, freies Eisen; Fec, aktives Eisen; C/P, das Verhältnis von organischem C im Boden und Gesamt-P; AcP, Aktivitäten der sauren Phosphatase; NeP, Aktivitäten der neutralen Phosphatase ; Olsen-P (AP), verfügbares P; PAC, Phosphoraktivierungskoeffizient; Leicht-P, leicht labiles P; Moder-P, mäßig labiles P; Nicht-P, nicht-labiles P; Ortho-P, Orthophosphat; Mono-P, Monoesterphosphat; Diester-P, Diester; Pyro-P, Pyrophosphat).

Wir untersuchten die Auswirkungen des Langzeitanbaus auf die P-Zusammensetzung und den Kreislauf in Reisböden mit drei verschiedenen Altersstufen (200, 400 Jahre und 900 Jahre). Diese Reisböden aus der PRD-Region erhielten ähnliche Düngemittelanwendungen, einschließlich chemischer Düngemittel für die Pflanzenproduktion. Unsere Ergebnisse zeigten, dass der langfristige Anbau und die Bewirtschaftung von Reisböden zu deutlichen Veränderungen der P-Konzentrationen führten, insbesondere für anorganisches P, das zwischen 30,8 und 75,5 % der TP lag (Abb. 1). In unserer Studie sammelte sich der Gesamt-P (TP) des Bodens im Oberboden an und nahm mit zunehmendem Kultivierungsalter mit der Tiefe ab (Abb. 1). Dieser Anstieg der oberen Horizonte resultiert aus der jährlichen Zufuhr von chemischen Düngemitteln und/oder Gülle. Während diese P-Quellen die Produktion steigerten, können sie aufgrund von Auswaschung und Abflusserosion auch wichtige Quellen für P in Oberflächengewässer sein29. Frühere Studien haben über die Anreicherung einer großen Menge an anorganischem P (Pi) oder organischem P (Po) im Oberboden aufgrund der kontinuierlichen Ausbringung von P-Dünger oder organischem Dünger über viele Jahre30,31 berichtet, wodurch der TP-Gehalt erhöht wurde. In unserer Studie wurde die gleiche Menge an Düngemitteln ausgebracht wie bei den Landwirten vor Ort, aber der TP-Gehalt im Boden nahm mit zunehmendem Anbaualter im Oberboden zu (Abb. 1). In den anderen Bodenhorizonten gab es jedoch keine ähnlichen Veränderungen, was auf den Verlust von Boden-P durch Grundwasser nach der Anwendung chemischer Düngung, insbesondere P-Dünger, zurückzuführen sein könnte.

Darüber hinaus wurde in allen Typen mineralisches P als Ca-gebundenes P (bestimmt durch Dil.HCl-Pi), nicht-labiles P (Conc.HCl-Pi) und hochresistentes P (okkludiertes P, Rest-P) nachgewiesen von P-Fraktionen (Abb. 1). Dieser Nachweisgrad war auf die hohe Konzentration an nicht-labilem P32 zurückzuführen, das sich leicht zwischen mikrobieller Biomasse und nicht-labilem P umwandelt. Die P-Immobilisierung im Boden durch Mikroorganismen sorgt für eine hohe P-Verfügbarkeit nach dem Umsatz der mikrobiellen Biomasse33. Daher ist Boden-P hauptsächlich mit Ca-Oxiden verbunden und die saisonale Verfügbarkeit wird durch die P-Immobilisierung durch Mikroben aufrechterhalten. Höhere Konzentrationen von leicht labilem Pi (NaHCO3-Pi), mäßig labilem Po (NaOH-Po) und nicht labilem Pi (Conc.HCl-Pi) finden sich in Oberflächenhorizonten (Ap1 und Ap2) (Abb. 1 und 2). ). Im Gegensatz zu den 200 und 400 Jahre alten Böden weist der G-Horizont in den 900 Jahre alten Böden eine höhere Konzentration dieser drei P-Pools auf. Diese Tatsache kann durch die kontinuierliche Anwendung von Düngemitteln mit zunehmender Zeit und anhaltender mikrobieller Aktivität erklärt werden, wodurch ein Teil von P in mobilen Formen erhalten bleibt, die leichter durch den Boden verlagert werden können30. Darüber hinaus stellte die Anwendung organischer Düngemittel den Pflanzen leicht verfügbaren N zur Verfügung, was die Pflanzenbiomasse erhöht. Die bei diesen Anwendungen anfallenden Ernterückstände werden eingearbeitet, was zu Ansammlungen organischer Stoffe (d. h. organischem C und N)30 führt. Beim Reisanbau stehen die Böden typischerweise während des größten Teils der Reisanbausaison unter Wasser, was zu einem Anstieg von wasserlöslichem P durch die Hydrolyse von Fe- und Al-Phosphaten, der Freisetzung von P durch Anionenaustausch auf Ton und wasserhaltigen Oxiden von führt Fe und Al und die Reduktion von Fe3+ zu Fe2+ unter Freisetzung von sorbiertem und chemisch gebundenem P11. Darüber hinaus kann der Wechsel von Benetzung und Trocknung beim Reisanbau zu einer saisonalen Reduzierung und Solubilisierung von Fe- und Mn-Oxiden im Boden führen und zur Freisetzung von sowohl adsorbiertem als auch ausgefälltem P34 beitragen. Dies kann daran liegen, dass P, das beim Untertauchen der Reisböden desorbiert wurde, in die Eisenoxide und Tone im Untergrund gewandert und sorbiert ist11. Darüber hinaus stammen Reisböden aus einer Reihe von Ausgangsmaterialien mit unterschiedlicher Empfindlichkeit gegenüber anthropogenen Aktivitäten und wahrscheinlich unterschiedlichen pedogenen Schwellenwerten für die Nährstoffretention. Daher beeinflusst die langfristige Nachhaltigkeit des Reisanbaus die Formen von Pi und Po und deren Umwandlung aufgrund der Solubilisierung von Fe- und Mn-Oxiden im Boden sowie der Veränderungen von Bodenton und organischen Stoffen. Huang et al.11 gingen davon aus, dass anthropogene Aktivitäten (z. B. Reisanbau) sowohl die Geschwindigkeit als auch den Verlauf der P-Umwandlungen im frühen Stadium der Reisbodenentwicklung verändern. Darüber hinaus zeigen unsere Ergebnisse, dass eine Translokation von P in den Untergrund stattgefunden hat, und belegen die Umwandlung zwischen Po- und Pi-Formen und deren jeweilige Umwandlung in lösliches P aufgrund der mikrobiellen Aktivität und Düngung des Bodens.

Die Analyse mit 31P-NMR zeigte, dass die P-Zusammensetzung vom Anbaualter und der Bodentiefe beeinflusst wurde (Tabelle 3, Abb. 2). Ortho-P war die wichtigste extrahierbare Pi-Art in allen Reisböden und nahm mit der Kultivierungszeit zu (Tabelle 3, Abb. 2). Mono-P dominiert organische P-Formen, da sie in Böden durch Assoziation mit amorphen Metalloxiden stabilisiert werden und auch durch alkalischen Abbau von RNA und Phospholipiden hergestellt werden können35. Der Anstieg des anorganischen P (einschließlich Pyro-P) mit zunehmendem Anbaualter (Tabelle 3, Abb. 2) könnte auf die erhöhte Mineralisierung bei Langzeitanbau und Bodenbearbeitung zurückgeführt werden35. Darüber hinaus zeigte das 31P-NMR, dass organisches P hauptsächlich aus Mono-P und Diester-P bestand, was mit anderen Studien übereinstimmt36. Allerdings wird Diester-P von Mikroben und Enzymen leichter abgebaut als Mono-P37. Somit führt die Erschöpfung von Pi zu einer stärkeren Abhängigkeit vom Po-Kreislauf über die Mineralisierung, d. h. zur Erschöpfung des normalerweise widerspenstigen Diester-P-Pools37.

Ebenso ist der relativ große Anteil des gesamten mit HCl extrahierten organischen P, der nicht für die Pflanzenaufnahme zur Verfügung steht, eine sehr wichtige P-Reserve30. Dies wird dazu beitragen, die P-Verfügbarkeit durch Mineralisierung von organischem P durch Phosphatasen zu puffern38, sobald labiles und gelöstes P für das Pflanzenwachstum nicht ausreichen39. Darüber hinaus kann Lösung P unter der Bedingung des Trocken-Nass-Zyklus von Reisböden leicht stabile Verbindungen mit Eisen bilden, während organisches P tiefer in den Boden verlagert werden kann. Insgesamt beeinflusst der langfristige anthropogene Anbau die P-Zusammensetzung, die P-Aktivierung und die Umwandlung im Boden.

Bodenenzyme sind aufgrund ihrer Empfindlichkeit gegenüber Bodenbewirtschaftungspraktiken wichtige Indikatoren für Veränderungen der biologischen Eigenschaften von Böden13. In dieser Studie waren die AcP- und NeP-Aktivitäten im Boden im Oberboden am höchsten und nahmen mit der Bodentiefe ab (Abb. 3). Beide Enzyme nahmen im Oberboden im Laufe der Zeit sowohl durch die Zugabe von Zusatzstoffen als auch durch den langfristigen landwirtschaftlichen Anbau zu (Abb. 3). Dieser Anstieg tritt auf, da die Phosphataseaktivität des Bodens erheblich von der mikrobiellen Aktivität des Bodens beeinflusst wird30. Langfristiger landwirtschaftlicher Anbau und Düngemittel können die mikrobiellen Aktivitäten im Boden verbessern39. Die mikrobielle Aktivität würde mit zunehmenden C-Quellen aufgrund von Rückstandseinträgen zunehmen13. Die Enzymaktivitäten nehmen mit steigendem Rückstandseintrag aus dem langfristigen Reisanbau zu (Abb. 3). Daher könnte die zunehmende Aktivität auf zwei Faktoren zurückgeführt werden: (1) erhöhte Substrate von Bodenphosphatasen aus Ernterückständen und (2) erhöhte mikrobielle Aktivitäten, da angenommen wird, dass Bodenphosphatasen hauptsächlich von Mikroorganismen stammen13,41.

Die AcP-Aktivität korrelierte signifikant und positiv mit Boden-AP, SOC, TP und Sand (Abb. 4). Diese positiven Korrelationen zeigen, dass AcP ein sensibler Index für die Nährstoffspeicherung ist und als Indikator für die Bodenqualität verwendet werden könnte42. Darüber hinaus korrelierte die NeP-Aktivität signifikant und positiv mit TP und AP, was darauf hindeutet, dass NeP eine wichtige Rolle bei der Hydrolyse und Mobilisierung von bodengebundenem P in diesen Böden spielen könnte42. Außerdem hatte AcP eine negative Beziehung zu Ortho-P, korrelierte jedoch positiv mit Mono-P, was darauf hindeutet, dass Ortho-P und Mono-P durch die AcP-Aktivität beeinflusst und reguliert wurden (Abb. 4). Es wurden signifikante positive Korrelationen zwischen AcP, NeP und leicht labilem P (NaHCO3-Pi und NaHCO3-Po), mäßig labilem P (NaOH-Pi und NaOH-Po) und nicht labilem P (Conc.HCl-Po und Dil) gefunden .HCl-Pi) (Abb. 4), was darauf hinweist, dass AcP und NeP wahrscheinlich eine wichtige Rolle bei der Transformation der Boden-P-Zusammensetzung in diesen Böden spielen42.

Darüber hinaus katalysieren Bodenphosphatasen die Hydrolyse organischer Verbindungen, die P enthalten, wodurch anorganisches P freigesetzt wird und so das im Boden verfügbare P43 erhöht wird. Tatsächlich haben verschiedene Phosphatasen einzigartige Auswirkungen auf die individuelle P-Zusammensetzung41. Kurz gesagt können Monoester durch AcP und NeP hydrolysiert werden, um Ortho-P freizusetzen. Hohe anorganische P-Konzentrationen können die Phosphataseaktivitäten in langfristig kultivierten Böden verringern, indem sie die Sekretion von Bodenphosphatase durch Mikroorganismen und Pflanzen hemmen44. Außerdem werden organische Phosphatverbindungen durch Bodenmikroorganismen und Phosphatasen in sauren Böden aufgrund der stärkeren Adsorptionsfähigkeit von Böden mit niedrigem pH-Wert nicht leicht abgebaut45.

Die Korrelationsanalyse zeigte, dass der pH-Wert des Bodens signifikant mit Pi korrelierte, während der SOC signifikant mit Po korrelierte (Abb. 5). Diese Korrelation weist darauf hin, dass die Verfügbarkeit von P sowohl vom pH-Wert als auch von der SOC-Konzentration beeinflusst wird. Obwohl das Ausgangsmaterial und der pH-Wert des Bodens einen erheblichen Einfluss auf die Verteilung anorganischer Phosphate zwischen Ca (PCa) und Metalloxid-Sorptionsmitteln (Fe und Al) (PFe+Al) haben30,32, wurden die drei Böden aus ähnlichen alluvialen Ausgangsmaterialien entwickelt. Daher haben wir den Pi-Anteil zwischen diesen Sorptionsmitteln quantitativ bewertet, indem wir säureextrahierbares P (Dil.HCl-Pi) Ca-Sorptionsmitteln und basenextrahierbares P (NaHCO3-Pi + NaOH-Pi) Metalloxid-Sorptionsmitteln zuordneten und das P mit verglichen haben Gesamt-P-Anteil in jedem dieser Extrakte. Die Böden an allen drei Standorten, deren pH-Wert zwischen 6,2 und 7,0 gehalten wurde, setzten bei der sauren Extraktion den 1- bis 4-fachen P-Gehalt frei als bei der alkalischen Extraktion (Tabelle 1, Abb. S2), was mit einer größeren Menge an anorganischem P übereinstimmt Ca-Mineralien als die mit Fe- und Al-Oxiden15. Daher kann der langfristige Reisanbau ein bodenschädigender Weg sein, da der Verlust von Bodenmaterialien (z. B. Fe, Al-Oxide, pH-Wert und SOC) durch physikalische und chemische Prozesse die P-Fraktionen und -Zusammensetzungen (und möglicherweise andere Nährstoffe) schädigt P-Haltekapazität.

Das im Boden verfügbare P (AP) gilt als wichtiger Faktor sowohl bei der Bewertung der P-Versorgungskapazität des Bodens als auch bei der Bestimmung der P-Düngungsrate. Darüber hinaus wurde Olsen-P in dieser Studie als „verfügbares P“ bezeichnet, um seine Verfügbarkeit hervorzuheben. Der Boden-AP in stark verwitterten Böden ist im Allgemeinen niedrig und hängt von der organischen Phosphatmineralisierung ab39. Boden-Po im verfügbaren Pool (NaHCO3-Po) ist sehr wichtig, da es die scheinbare P-Verfügbarkeit erhöht46. Ebenso ist Po, das im mäßig anfälligen Pool (NaOH-Po) vorkommt, genauso wichtig wie NaHCO3-Po, da es zu den P-Reserven beiträgt39. TP stellt das langfristige Potenzial der P-Versorgung dar, während leicht labiles Pi die kurzfristige Bioverfügbarkeit darstellt2. Leicht labiles P, mäßig haftendes P und nicht verfügbares P nahmen in den Oberflächenhorizonten (Ap1 und Ap2) mit zunehmendem Kultivierungsalter zu (Abb. 2). Phosphor in diesen Becken trägt durch Düngung zum Anstieg des Gesamt-P im langfristigen Reisanbau bei (Abb. 1). Darüber hinaus nahmen leicht haftendes P, mäßig haftendes P und nicht verfügbares P in den Br2- und G-Horizonten mit dem Kultivierungsalter zwischen 400 und 900 Jahren ab, während diese Böden in den Horizonten Ap1 und Ap2 hohe P-Gehalte aufwiesen. Diese Trends deuten darauf hin, dass sich P aufgrund des Reisanbaus und der P-Düngung im Tropenboden anreichern könnte47.

In dieser Studie nahmen Dil.HCl-Pi und Pyro-P im Boden mit zunehmendem Kultivierungsalter zu (Tabelle 3, Abb. 1 und 2), was darauf hindeutet, dass der langfristige Reisanbau den Pool an anorganischem P im Boden erhöhte. Dies ist wahrscheinlich darauf zurückzuführen zur mikrobiellen Zersetzung und Mineralisierung organischer Bodenverbesserungsmittel aus dem Anbau, wobei mehr sekundäre Phosphatmineralien gebildet werden, was zu mehr anorganischem P im Oberboden führt30,39.

In vielen Ökosystemen gilt der P-Pool als Regulator für die C- und N-Zyklen im Boden48. Darüber hinaus ist P ein essentieller Makronährstoff, und seine Verfügbarkeit bestimmt direkt die weltweite Pflanzenproduktion2,49. Unsere Ergebnisse erweitern die Untersuchung dekadischer Veränderungen in der Oberflächen-P-Speziation in landwirtschaftlichen Systemen auf tausendjährige Skalen von Profiländerungen, was darauf hindeutet, dass der langfristige landwirtschaftliche Anbau ein äußerst wichtiger Faktor sein kann, der die Transformation von Boden-P-Formen im Profil beeinflusst. Daher ist die Charakterisierung der Verteilungs- und Transformationseigenschaften von P-Fraktionen und -Zusammensetzungen im Boden mit verschiedenen Methoden von großer Bedeutung, um den biogeochemischen Kreislauf des P-Pools im terrestrischen Ökosystem zu verstehen.

Diese Studie untersuchte die Veränderung der P-Anteile bei drei Reisböden unterschiedlichen Kultivierungsalters unter Verwendung sequentieller Fraktionierung und 31P-Kernspinresonanzmethoden. Die Verteilung der anorganischen und organischen P-Anteile im Boden wurde stark vom Anbaualter beeinflusst. Der anorganische P-Gehalt im Boden war in allen drei Reisböden höher als der organische P-Gehalt. Organisches P bestand hauptsächlich aus HCl-Po und NaOH-Po, wobei NaHCO3-Po einen kleinen Anteil ausmachte, was darauf hindeutet, dass die Verfügbarkeit des gesamten organischen P insbesondere im Untergrund gering war. Darüber hinaus hatte das Enzym saure Phosphatase in diesen Böden eine höhere Aktivität als neutrale Phosphatase, was eine signifikant positive Korrelation mit Phosphatmonoestern und eine negative Korrelation mit Orthophosphat aufwies. Langfristige Kultivierung schien die Phosphataseaktivitäten im Boden zu verbessern, und erhöhte Konzentrationen von Orthophosphat und verringerte Phosphatmonoester und -diester förderten indirekt die Umwandlung von organischem P in anorganisches P. Zu anorganischem P mineralisiertes organisches P im Boden spielt bei der langfristigen landwirtschaftlichen Kultivierung eine Rolle spielen eine entscheidende Rolle bei der Erhöhung der P-Verfügbarkeit im Boden. Aus dieser Perspektive ist das Verständnis der Faktoren, die den P-Kreislauf und die biologische P-Verfügbarkeit steuern, von entscheidender Bedeutung für die Maximierung der landwirtschaftlichen Produktivität und die ordnungsgemäße Nutzung der eingesetzten Nährstoffe im langfristigen landwirtschaftlichen Anbau.

Das Perlflussdelta (PRD) (21°34′–23°45′ N, 112°07′–114°39′ E), ein Gebiet in der südchinesischen Provinz Guangdong, wird als subtropische Monsunklimazone mit einem Mittelwert charakterisiert Jahrestemperatur von 21–24 °C und mittlerer Jahresniederschlag von 1301–2700 mm. In dieser Region wurden die Städte Jiangmen und Fuoshan für die Probenahme ausgewählt (Tabelle S1). Die Stadt Jiangmen (21°27′–22°51′ N, 111°59′–113°15′ E) liegt am Westufer des Perlflussdeltas, das zur südchinesischen Provinz Guangdong gehört und einen durchschnittlichen Jahresdurchschnitt hat Lufttemperatur von 22,0 °C und ein mittlerer Jahresniederschlag von 2078 mm. Die Stadt Foshan (23°02′ N, 113°06′ E) liegt im Hinterland des Perlflussdeltas, das zur südchinesischen Provinz Guangdong gehört und eine durchschnittliche jährliche Lufttemperatur von 23,2 °C aufweist Jahresniederschlag von 1653 mm. Jia et al.50 sammelten eine Reihe von Annalen der Städte Jiangmen und Fuoshan, in denen die Reisanbausituation entsprechend der Geschichte der Landgewinnung in der PRD-Region von Zhao und Yang19 und Deng51 detailliert aufgezeichnet wird. Diese Chronologie wurde in der aktuellen Studie verwendet, um das Alter des Reisanbaus abzuschätzen11. So wurden die Kultivierungsalter in den Reisböden der PRD-Region von Jia et al.50 ermittelt, einschließlich dreier Profile mit den Kultivierungsaltern 200 (PF200), 400 Jahre (PF400) und 900 Jahre (PF900) (Tabelle S1). ). Nach Angaben der World Reference Base for Soil Resources52 wurden die Böden im Reisfeld als stagnierende Anthrosole klassifiziert, die aus Flussalluvium-Ausgangsmaterial stammen. Alle drei Standorte befanden sich an geomorphologisch stabilen topografischen Positionen ohne Gefälle, relativ konsistenten klimatischen Bedingungen und demselben Ausgangsmaterial, wodurch die Auswirkungen von topografischem, klimatischem und Ausgangsmaterial minimiert wurden.

In der PRD-Region ist das Reisanbaumanagement innerhalb jeder Chronosequenz nahezu identisch, wie lokale Landwirte und unsere Feldbeobachtungen bestätigen. Die vorherrschenden Reisanbausysteme in den Städten Jiangmen und Foshan sind allesamt Doppelreis, wobei die üblichen P-Düngemittelmengen in den Städten Jiangmen und Foshan alle etwa 40–80 kg P2O5 ha−1 pro Jahr in Form von anorganischem Calciumsuperphosphat betrugen. Darüber hinaus betrugen die Ausbringungsraten von N- und K-Düngemitteln etwa 130–200 kg ha–1/Jahr Harnstoff (46 % N) und 50–100 kg/ha–1/Jahr Kaliumchlorid (60 % K2O). Diese Schätzung basiert auf umfangreichen Umfragen bei lokalen Landwirten und staatlichen Agrarberatern in der PRD-Region. Darüber hinaus wurden den örtlichen Landwirten zufolge jedes Jahr alle Reisstrohhalme auf das Reisfeld zurückgebracht. Somit wurde die P-Entfernung durch Kulturpflanzen durch P-Eintrag aus anthropogener Düngung (z. B. menschlicher und tierischer Dünger und Erntestroh) ausgeglichen, um stabile Ernteerträge aufrechtzuerhalten, da es keine Aufzeichnungen über sinkende Erträge gibt19.

Innerhalb jedes Gebiets mit identischer Reisanbaugeschichte wurden zwei repräsentative Reisbodenprofilstandorte (PF200 und PF400) in der Stadt Jiangmen und ein repräsentativer Reisbodenprofilstandort (PF900) in der Stadt Foshan für Bodenproben auf der Grundlage der Bodenlandschaft und der geomorphologischen Merkmale ausgewählt des PRD-Bereichs. Wir wählten drei Probeflächen (jede Fläche war 5,0 × 5,0 m2) an den drei Reisbodenstandorten aus, als die Felder nach der Reisernte im November 2015 trockengelegt wurden (Tabelle S1). Anschließend wurden drei Teilparzellen mit einer Größe von 1,0 × 1,0 m2 für Reisböden, die an jeder Parzelle zufällig ausgewählt wurden, ausgehoben, um an jedem genetischen Horizont eine Bodenprobe zu sammeln (Tabelle S1). Bodenprofile wurden gemäß den genetischen Horizonten gemäß den Standardrichtlinien zur Feldbeschreibung von Zhang und Li53 beschrieben und beprobt. Insgesamt wurden 16 Proben von drei repräsentativen Reisböden mit unterschiedlichem Kultivierungsalter gesammelt (Tabelle S1). Alle Proben wurden in zwei Teile geteilt: eine Probe, die zur Analyse der Bodenparameter und der P-Fraktionierung in Innenräumen luftgetrocknet wurde; und eine weitere Probe wurde zur Enzymanalyse im Feld feucht und bei 4 °C gekühlt aufbewahrt.

Luftgetrocknete Böden wurden vor der Analyse auf 2 mm bzw. 0,15 mm gesiebt. Die verwendeten Charakterisierungsmethoden sind in Zhang et al.54 dokumentiert. Der pH-Wert des Bodens wurde unter Verwendung einer pH-Elektrode (PB-10, Beijing Selidos Scientific Instruments Co, LTD) in destilliertem Wasser (Verhältnis Boden:Lösung 1:2,5) bestimmt. Die Partikelgrößenanalyse bestimmte Sand (2 bis 0,05 mm), Schluff (0,05 bis 0,002 mm) und Ton (< 0,002 mm) mithilfe der Pipettenmethode nach der Behandlung mit Wasserstoffperoxid. Der organische Kohlenstoff (SOC) im Boden wurde mithilfe einer erhitzten Dichromat-Oxidationsmethode gemessen. Die Kationenaustauschkapazität (CEC) wurde mit 1,0 M Ammoniumacetat (pH 7,0) bestimmt. Austauschbares Ca2+ (ECa) und Mg2+ (EMg) wurden mithilfe einer Borsäure-Atomabsorptionsspektrometriemethode gemessen. Aktives Eisen (Fec) wurde mit Ammoniumoxalat-Extraktion und freies Eisen (Fed) mit Dithionit-Citrat-Bicarbonat bestimmt (Tabelle 1). Der Gesamt-P wurde mit zwei Methoden bestimmt: (1) TP wurde durch HNO3-HF-HClO4-Aufschluss und anschließende antikolorimetrische Molybdän-Antimon-Analyse auf einem Ultraviolett-Spektrophotometer bestimmt; (2) TPsum wurde durch die Summe der anorganischen P- und organischen P-Anteile durch ein sequentielles Extraktionsverfahren erhalten. Das verfügbare P (AP oder Olsen-P) wurde durch Extraktion von Böden mit Natriumbicarbonat bei pH 8,5 unter Verwendung einer antikolorimetrischen Molybdän-Antimon-Analyse auf einem Ultraviolett-Spektrophotometer bestimmt (Tabelle 2).

Wir verwendeten das sequentielle Extraktionsverfahren von Hedley et al.55, modifiziert von Tiessen und Moir56, um die P-Fraktionen im Boden zu bewerten (Tabelle S2). Die Proben wurden nacheinander mit 0,5 M NaHCO3, 0,1 M NaOH, 1,0 M HCl und heißer konzentrierter HCl extrahiert und der Rückstand abschließend mit HNO3-HF-HClO4 unter Verwendung der kolorimetrischen Methode3 aufgeschlossen. Um die Interpretation zu erleichtern, wurden P-Fraktionen in drei Hauptgruppen eingeteilt56: (i) leicht labiles P, P, das für Pflanzen als leicht verfügbar gilt, dh NaHCO3-Pi und NaHCO3-Po; (ii) mäßig labiles P, P, das stark von Al- und Fe-Oxiden adsorbiert wird, dh NaOH-Pi und NaOH-Po; (iii) nicht labil, d. h. P, das mit Kalzium (Ca-P) und Rest-P assoziiert ist und als für Pflanzen nicht verfügbares P betrachtet wird, d. h. HCl-P und Rest-P. In dieser Studie betrug der Gehalt an organischer Substanz in Bodenproben 0,7–3,9 % (Tabelle 1), weshalb wir Rest-P aufgrund des geringeren Gehalts an organischer Substanz als anorganisches P klassifizierten7. Anorganisches P (Pi) ist die Summe der P-Anteile mit NaHCO3-Pi, NaOH-Pi, Dil.HCl-Pi, Conc.HCl-Pi und Rest-P, während organischer Phosphor (Po) die Summe aller Anteile von NaHCO3 ist -Po, NaOH-Po bzw. Conc.HCl-Po.

Die Genauigkeit des TP durch HNO3-HF-HClO4-Aufschluss wurde durch Vergleich mit der Summe aller Pi- und Po-Fraktionen (TPsum) bewertet, wobei eine erwartete 1:1-Beziehung zwischen den beiden Parametern für alle Bodenhorizonte erwartet wurde (Abb. S1, n = 15). Die Nullhypothese einer linearen Beziehung konnte nicht widerlegt werden (Abb. S1). Die beiden Maße korrelierten sehr stark (r2 = 0,98). Somit war die Effizienz der sequentiellen Extraktion für die Böden in dieser Studie ausgezeichnet.

Ein modifiziertes Verfahren von Cade-Menun und Preston57 wurde für die 31P-NMR-Spektroskopie in Lösung verwendet, um P-Spezies einschließlich Pi (Orthophosphat, Ortho-P; Pyrophosphat, Pyro-P) und Po (Orthophosphat-Monoester, Mono-P; Diester, Diester-P) zu identifizieren ). Gemahlene Proben (3 g) wurden mit 60 ml 0,25 M NaOH und 0,05 M Na2EDTA in einem 100-ml-Zentrifugenröhrchen 16 Stunden lang bei 20 °C geschüttelt. Der Extrakt wurde zentrifugiert (10.000 × g für 30 Minuten bei 16 °C), der Überstand mit einer 0,45-μm-Membran filtriert und anschließend 15 ml des Filtrats gefriergetrocknet (lyophilisiert). Das Pulver wurde in 1 ml 0,25 M NaOH gelöst und 5 Minuten lang bei 4 °C und 8000 × g zentrifugiert. Dann wurden 0,6 ml des Überstands in ein 5-mm-NMR-Röhrchen entnommen, gefolgt von 0,05 ml Deuteriumoxid (D2O) zur Signalverriegelung. In der Zwischenzeit wurden 5 ml des Filtrats einem Aufschluss (H2SO4-HClO4) unterzogen und gemessen, um den Gesamt-P (TPalkali) zu bestimmen.

Lösungs-31P-NMR-Spektren wurden mit einem Bruker AMX 600-Spektrometer (Bruker, Deutschland) erhalten, das bei 243 MHz mit einer 5-mm-Sonde arbeitete58,59. Wir verwendeten eine Pulsbreite von 30°, eine Gesamtaufnahmezeit von 1,5 s (Pulsverzögerung 0,808 s, Aufnahmezeit 0,673 s) und breitbandige Protonenentkopplung (für einige Proben wurden zusätzliche Spektren ohne Protonenentkopplung aufgenommen). Die hier verwendete Verzögerungszeit ermöglicht eine ausreichende Spingitterrelaxation zwischen den Scans für P-Verbindungen in NaOH-EDTA, was durch eine kürzlich durchgeführte detaillierte Studie der Relaxationszeiten für P-Verbindungen in verschiedenen Bodenextraktionsmitteln bestätigt wurde60. Die Temperatur wurde auf 24 °C reguliert. Um akzeptable Signale zu erhalten, wurden zwischen 80 und 400 Scans gesammelt. Chemische Verschiebungen wurden relativ zu einem externen Standard von 85 % H3PO4 nach Lorentz-Faltung mit einer Breite von 10 Hz gemessen. Wir haben den Entfaltungsprozess des Bruker WinNMR-Programms verwendet, um die chemische Verschiebung, die Linienbreite und die Fläche einzelner Signale zu bestimmen. Die Spektren wurden mit einer Linienverbreiterung von 5 Hz aufgezeichnet. Die Spektren wurden unmittelbar nach der Herstellung (normalerweise innerhalb einer Stunde) gesammelt und während der Lagerung bei Raumtemperatur in regelmäßigen Abständen wiederholt, um den Abbau zu bestimmen, wobei jedes Mal die gleiche Anzahl an Scans erfasst wurde. Sofern nicht anders angegeben, wurde keine Verschlechterung beobachtet58,61.

Feuchte Bodenproben wurden in zweifacher Ausfertigung mit destilliertem Wasser (Bodenlösungsverhältnis 1:4) auf einem hin- und hergehenden Schüttler für 1 Stunde und 62 Minuten extrahiert. Der Extrakt wurde 10 Minuten lang bei 10.000 × g zentrifugiert und durch 0,45-mm-Membranfilter filtriert. Es wurden zwei an P-Zyklen beteiligte Phosphatase-Enzymaktivitäten bestimmt. Die Aktivitäten der sauren (AcP) und neutralen (NeP) Phosphatase wurden mit p-Nitrophenolphosphat als Substraten und modifizierten Universalpuffer-pH-Werten von 5 bzw. 7 untersucht. Die Aktivitäten von AcP und NeP wurden in mg p-Nitrophenol kg−1 Boden (Trockengewicht) h−1 ausgedrückt.

Der Phosphoraktivierungskoeffizient (PAC) ist ein wichtiger Indikator für die P-Verfügbarkeit des Bodens und die Umwandlung von P-Fraktionen63. Der höhere PAC bedeutet eine stärkere Aktivierungsfähigkeit des Boden-P und fördert somit die Aufnahme von P durch Pflanzen. Der PAC des Bodens hängt wie folgt mit AP und TP zusammen:

Für die Datenverarbeitung und Kartografie wurden Microsoft Excel 2016 und Origin 2021b (OriginLab, New York, USA) verwendet. Die Daten wurden mit der Software IBM SPSS Statistics 24.0 (SPSS Inc. Chicago, USA) statistisch analysiert. Pearson-Korrelationsanalysen wurden verwendet, um Beziehungen zwischen verschiedenen P-Arten und Gesamt-P, verfügbaren P-Gehalten und physikochemischen Eigenschaften des Bodens zu identifizieren. Die Hauptkomponentenanalyse (PCA) wurde verwendet, um die Gesamtunterschiede zwischen P-Arten und den Bodeneigenschaften in Reisböden zu bewerten.

Kernspinresonanzdaten wurden mit dem Mnova 5.3.1 (Qingdao Tenglong Microwave Technology Co, LTD) verarbeitet. Die im 31P-NMR-Spektrum identifizierten Konzentrationen von P-Spezies in Bodenproben wurden anhand der entsprechenden Peakfläche64 berechnet und die 31P-NMR-Spektren wurden mit Origin 2021b aufgezeichnet. Die proportionale Bodenkonzentration spezifischer P-Spezies, die in den 31PNMR-Spektren identifiziert wurden, wurde unter Verwendung der entsprechenden Peakfläche und der Wiederfindung von P in NaOH-EDTA-Extrakten im Verhältnis zu den entsprechenden P-Gehalten im Boden berechnet64. Laut Spektralanalyse lagen Ortho-P und Pyro-P im Durchschnitt bei 6,0 ppm bzw. 4,0 ppm chemischer Verschiebung, und die chemischen Verschiebungen von Mono-P und Diester-P lagen zwischen 3,0–5,0 ppm und −2,0–0,0 ppm (Tabelle 3, Abb. 2).

Die Beziehung zwischen ausgewählten Bodeneigenschaften und P-Verbindungen wurde mit Korrelation, linearer Regression und Pfadanalysen unter Verwendung von SPSS 24.0 (IBM, SPSS, New York, USA) bewertet. Korrelationswärmekarte und PCA wurden verwendet, um die Anzahl der Variablen zu reduzieren und die Beziehungen zwischen ausgewählten Bodeneigenschaften und P-Zusammensetzungen mithilfe von Origin 2021b zu verstehen. Die Redundanzanalyse (RDA) wurde verwendet, um die Beziehungen zwischen Antwortvariablen (dh P-Zusammensetzungen) und erklärenden Faktoren (dh Bodeneigenschaften) mithilfe von Canoco 5.0 (Canoco, NY, USA) zu visualisieren.

Alle im Rahmen dieser Forschung generierten oder analysierten Daten sind in diesem veröffentlichten Artikel und seinen ergänzenden Informationen enthalten. Die während der aktuellen Studie verwendeten und/oder analysierten Datensätze sind auf begründete Anfrage beim entsprechenden Autor erhältlich.

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Wir freuen uns aufrichtig über hilfreiche Vorschläge von anonymen Gutachtern und Herausgebern, die zur Verbesserung dieses Manuskripts beigetragen haben. Diese Forschung wurde finanziell von der National Science Foundation of China (42277290) und dem Special Project of National Science and Technology Basic Research (Nr. 2008FY110600) unterstützt.

Hochschule für natürliche Ressourcen und Umwelt, South China Agricultural University, Guangzhou, 510642, Volksrepublik China

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

Hochschule für natürliche Ressourcen und Umwelt, Anhui Science and Technology University, Chuzhou, 233100, Volksrepublik China

Xian Tang, Jianrong Zhao und Hong Wang

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XT und HYL haben die Studie entworfen, die Ergebnisse interpretiert und zum Verfassen des Manuskripts beigetragen. HLQ, JRZ, HW, BL und YL trugen zur Änderung des Manuskripts bei. BL und YL waren für das Korrekturlesen und die Finanzierung verantwortlich. Alle Autoren haben das endgültige Manuskript gelesen und genehmigt.

Korrespondenz mit Bo Li oder Ying Lu.

Die Autoren geben an, dass keine Interessenkonflikte bestehen.

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Nachdrucke und Genehmigungen

Tang, X., Liu, H., Qin, H. et al. Organische/anorganische Phosphorverteilung und -umwandlung im langfristigen Reisanbau im Perlflussdelta, China. Sci Rep 13, 11122 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-38369-2

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Eingegangen: 07. April 2023

Angenommen: 07. Juli 2023

Veröffentlicht: 10. Juli 2023

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

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