Organic Fertilization Promotes the Microbial Formation of Moderately Active Soil Phosphorus Pools to Sustain Phosphorus Availability: Insights from 180 years of Fertilization

Resumo

A adubação fosfatada é essencial para a produção agrícola, mas a maior parte do fósforo (P) aplicado é rapidamente fixada em formas associadas a minerais. Embora a adubação regule a distribuição do P nos solos, seus efeitos sobre os processos mediados por microrganismos que regulam a disponibilidade e a estabilização do P ainda não são claros. Neste estudo, foram investigadas as transformações do P sob adubação orgânica com esterco de curral (FYM), adubação mineral (NPK) e ausência de adubação (NIL), no experimento Broadbalk, com 180 anos de duração. Por meio de traçador isotópico com 33P, metagenômica e perfil enzimático, verificou-se que FYM e NPK estimulam vias distintas de transformação do P. O FYM, pelo aporte contínuo de carbono orgânico, aumentou a imobilização microbiana e a atividade de fosfatases, causando redução de 41% na formação de P estável e aumento de 47% nos teores de P moderadamente ativo, deslocando a dinâmica do P para formas mais biodisponíveis. A adubação NPK reduziu o pH e limitou a disponibilidade de carbono para os microrganismos; 33% do 33P foi recuperado na fração de P estável, indicando imobilização abiótica em compartimentos de P inorgânico. A comunidade microbiana sob NPK adaptou-se à fixação de P pelo enriquecimento de genes relacionados ao ciclo do P e de táxons tolerantes à acidez, aumentando a ciclagem de P em relação ao NIL, mas evitando a imobilização de longo prazo de forma menos eficaz que o FYM. Assim, a adubação orgânica mantém o P em formas mais disponíveis biologicamente e atenua sua fixação abiótica; a pesquisa fornece uma base mecanística para um manejo do P mais eficiente e resiliente nos agroecossistemas.

Abstract

Phosphorus (P) fertilization is essential for crop production, but most applied P is rapidly fixed into mineral-associated forms. Although fertilization regulates P distribution in soils, its effects on microbe-mediated processes that regulate P availability and stabilization remain unclear. Here, we investigated P transformations under organic fertilization (FYM), inorganic fertilization (NPK), and no fertilization (NIL) using the 180 year Broadbalk experiment. Through 33P isotopic tracing, metagenomics, and enzymatic profiling, we found that FYM and NPK stimulate distinct P transformation pathways. FYM, through sustained organic carbon inputs, enhanced microbial immobilization and phosphatase activity, causing a 41% reduction in stable P formation and 47% increase in moderately active P levels and shifting P dynamics toward more bioavailable forms. NPK fertilization reduced pH and limited microbial carbon availability; 33% of 33P was recovered in the stable P fraction, indicating abiotic immobilization into inorganic P pools. The microbial community under NPK adapted to P fixation by enriching P-cycling-related genes and acid-tolerant taxa, enhancing P turnover relative to NIL but preventing long-term immobilization less effectively than FYM. Thus, organic fertilization maintains P in more biologically available forms and mitigates abiotic P fixation; our research provides a mechanistic foundation for more efficient and resilient P management in agroecosystems.