Soil organic phosphorus transformations during pedogenesis

Resumo

As mudanças a longo prazo no fósforo do solo influenciam o desenvolvimento dos ecossistemas e levam a um declínio na produtividade das florestas em paisagens não perturbadas. Grande parte do fósforo do solo ocorre em uma série de compostos orgânicos que diferem em sua disponibilidade para os organismos, mas as mudanças na abundância relativa desses compostos durante a pedogênese permanecem desconhecidas. Nós usamos extração alcalina e solução de fósforo-31 espectroscopia de ressonância magnética nuclear para avaliar a natureza química do fósforo orgânico do solo ao longo de uma cronoseqüência pós-glacial de 120.000 anos em Franz Josef, Nova Zelândia. Os fosfatos de inositol, DNA, fosfolipídios e fosfonatos se acumularam rapidamente durante os primeiros 500 anos do desenvolvimento do solo caracterizado pela limitação de nitrogênio da produtividade biológica, mas depois declinou lentamente para baixas concentrações em solos mais velhos caracterizados por intensa limitação de fósforo. No entanto, a contribuição relativa dos vários compostos para o fósforo orgânico total variou ao longo da sequência de maneiras dramáticas e surpreendentes. A proporção de inositol hexaquisfosfato, convencionalmente considerado relativamente recalcitrante no ambiente, decresceu acentuadamente em solos mais antigos, aparentemente devido ao declínio correspondente dos óxidos metálicos amorfos, que se transformaram em formas cristalinas durante a pedogênese. Por outro lado, a proporção de DNA, considerada relativamente biodisponível no solo, aumentou continuamente ao longo da sequência, devido aparentemente à incorporação em estruturas orgânicas que proporcionam proteção contra o ataque biológico. As alterações no fósforo orgânico do solo coincidiram com mudanças marcantes nas comunidades vegetais e microbianas, sugerindo que as diferenças nas formas e biodisponibilidade do fósforo orgânico do solo têm significado ecológico. Em geral, os resultados reforçam nossa compreensão das transformações do fósforo durante a pedogênese e fornecem informações importantes sobre os fatores que regulam a composição do fósforo orgânico do solo.

Abstract

Long-term changes in soil phosphorus influence ecosystem development and lead to a decline in the productivity of forests in undisturbed landscapes. Much of the soil phosphorus occurs in a series of organic compounds that differ in their availability to organisms, but changes in the relative abundance of these compounds during pedogenesis remain unknown. We used alkaline extraction and solution phosphorus-31 nuclear magnetic resonance spectroscopy to assess the chemical nature of soil organic phosphorus along a 120,000-year post-glacial chronosequence at Franz Josef, New Zealand. Inositol phosphates, DNA, phospholipids, and phosphonates accumulated rapidly during the first 500 years of soil development characterized by nitrogen limitation of biological productivity, but then declined slowly to low concentrations in older soils characterized by intense phosphorus limitation. However, the relative contribution of the various compounds to the total organic phosphorus varied along the sequence in dramatic and surprising ways. The proportion of inositol hexakisphosphate, conventionally considered to be relatively recalcitrant in the environment, declined markedly in older soils, apparently due to a corresponding decline in amorphous metal oxides, which weather to crystalline forms during pedogenesis. In contrast, the proportion of DNA, considered relatively bioavailable in soil, increased continually throughout the sequence, due apparently to incorporation within organic structures that provide protection from biological attack. The changes in soil organic phosphorus coincided with marked shifts in plant and microbial communities, suggesting that differences in the forms and bioavailability of soil organic phosphorus have ecological significance. Overall, the results strengthen our understanding of phosphorus transformations during pedogenesis and provide important insight into factors regulating the composition of soil organic phosphorus.