Biogeoquímica del fósforo en el suelo: optimización de criterios para un uso agronómico eficiente y ambientalmente aceptable de un recurso no renovable

A relevant issue for accurate phosphorus fertilization management is to estimate phytoavailable phosphorus (P), which is defined as the amount of P present in soil that can be used by plants in successive crops until evident P deficiency symptoms appear in crop. It can be supposed that there is a starvation of this available pool when P release from solid phase does not maintain a high enough P concentration to maintain P adsorption by plants. This plant available P is normally assessed by "P availability indexes" or “soil P test” (SPT). However, the accuracy of these different methods, over a wide range of soils, may be limited and poor relationships are frequently observed between phosphorus availability indexes, such as Olsen P, and phosphorus absorption by plants. An efficient use of phosphorus in agriculture should be based on an accurate estimationof bio-available phosphorus in soils. In this thesis, focused on soils from Mediterranean environments, the Olsen P will be taken as a reference for SPT. In the first chapter of this PhD thesis, a general introduction to the problem of P in agriculture, with information regarding its relevance as non-renewable and strategic resource necessary in agriculture, was done. In this chapter, objectives of this thesis were defined, all focused on the sustainable use of P in agriculture. In the second chapter, factors affecting the accuracy of Olsen phosphorus index (Olsen-P) were studied. To this end, a P depletion experiment in 17 Mediterranean soils was carried out. Two samples differing widely in Olsen-P were used for each soil, named "low-P" and "high-P". The soil was mixed with silica sand to achieve 1 mg of P as Olsen-P per pot. Thus, the proportion of unavailable P to Olsen-P, either inorganic or organic P in the pot, was higher for "low- P" samples than for "high-P" samples. In "high-P" samples, P uptake by crop (cucumber) increased with increased affinity factor of soil phase, estimated from the P sorption curves (R2 = 0.76; P < 0.001) and with increased P adsorption capacity of soil, estimated as the concentration of Fe in oxides in soils (R2 = 0.56; P < 0.001). On the other hand, in "low-P" soil samples, total organic P and phosphatase activity in the rhizosphere contributed to explain P absorption by crops(R2 = 0.37, P < 0.01). These results revealed that both organic P and the hydrolytic activity in rhizosphere have implications in explaining P availability to plants when the ratio of organic P to Olsen P is high (low-P samples). On the other hand, the physical and chemical properties controlling the dynamics of inorganic P played an important role in the uptake of P from high-P samples. third chapter of this of this PhD Thesis was focused on the identification of soil properties affecting threshold values of Olsen P, below which a response by crop to P fertilization can be expected. There are recent evidences that, even in soils where a given SPT such as Olsen P is recommended, threshold values for SPT may range widely. This significantly affects the practical implications of SPT. Based on the soil properties affecting threshold values for Olsen P, models were proposed for the accurate estimation of threshold values in the interpretation of Olsen-P as SPT in these soils. This is basic for the identification of P responsive sites in geographical areas where this SPT is recommended. Threshold values for Olsen P and P in soil solution estimated by an extraction with 0.01 MCaCl2 varied widely between soils. Both indexes were positively correlated with each other (P <0.001). Clay content was the soil property affecting to a greater extend threshold values for Olsen P, explaining a 60 % of variation (P < 0.001). Overall, Olsen P threshold values decreased with increased buffer capacity (estimated with adsorption isotherms at 1 mg P L-1) and P sorption capacity (estimated as Fe in Fe oxides or clay). Threshold values for Olsen P can be predicted in studied soils by multiple regressions involving clay content, pH, and phosphatase activity in the rhizosphere (R2 = 0.87, P < 0.001); when only pH and clay were taken into account, it was explained 81 % of variation (P <0.001) with an average of the absolute error of 1.12. This means that a single model based on pH and clay content can accurately estimate threshold values in the studied soils. In the case of PCaCl2 threshold values can be estimated as a function of clay and the ratio of Fe in poorly crystalline to that in crystalline Fe oxides(R2 = 0.57, P <0.001). In addition, accurate predictions of PCaCl2 threshold values can be also achieved based on multiple regressions with pH and phytase hydrolysable P in some P fractions. It can be concluded that, in the group of soils studied, soil properties related with P buffering capacity of soils are the most relevant explaining threshold values for both SPT tested. However, it should be highlighted the contribution of factors related to organic P dynamics affecting threshold values. The fourth chapter of this PhD Thesis was aimed to define more precise methods to estimate total plant available P (TAP).To this end, different P extraction methods were tested: (i) Olsen P (ii) P concentration in 0.01 M CaCl2, (iii) 0.27 M Na citrate + 0.11 M NaHCO3 (CB), (iv) the two first sequential extractions in the Ruíz et al. (1997) fractionation scheme (NaOH +CB), (v) extraction with anion exchange resins (AER) in Cl- and HCO- 3 forms. Total available P (TAP) values in soils were obtained by P depletion experiment by growing plants successively in soils. TAP was significantly related to HCO3 --AER but also with Cl-_ AER (R2 = 87% and 77% respectively). In addition, variance of TAP explained by Cl-AER increased till 86% if phytase hydrolysable P in NaOH and CB extracts was taken into account. AERs have proved to be sensitive not only to Q, but also to buffer capacity (BC). When Olsen P was considered as the only predictive variable, it only explained a 53 % of the TAP variation (mean value for wheat and sunflower, P < 0.001). When the ratio Feca/Fecbd and the buffer capacity (BC) were also included as predictive variables in the model, variance explained increased to 69 and 61 %, respectively. When clay and CCE were included in the predictive model with Olsen P, variance explained increased till 80 %. Overall, better results obtained with AERs than with Olsen P or other single chemical extraction and were explained by their better relationship with most of the soil properties conditioning TAP. In the fifth chapter of this PhD Thesis, organic P forms and their potential contribution to available P to plants in Mediterranean soils were studied. Organic P in soil is the less understood aspect of the P cycle in soils, particularly in those from semiarid and arid lands. Organic P forms and how may be affected by P status and soil properties was dealt in this chapter. The study was carried out by NMR spectroscopy of 31P (31P NMR) in NaOH-EDTA extracts. From the soil collection used in the study described in chapter 1, eight representative Mediterranean soils were selected, and for each one, a "low-P" and "high-P" sample was studied. Organic P concentration in “high-P” and “low-P” samples was not significantly different. Beside this, the concentration of orthophosphate monoesters and their relative contribution to extracted P or OP according to the dry combustion method did not significantly differ between low- and high-P samples. Monoesters were the dominant fraction of OP accounting for half of the total organic P. The differences in monoesters phosphates between low- and high-P soil samples increased with increasing differences in Olsen P (R2 = 0.61, P < 0.05). The mono- to diesters ratio increased with increased Olsen P in soil (R2 = 0.49; P < 0.01), also monoesters and IP6, as OP proportion, increased as increased Olsen P in soil in vineyards and olive orchards, where almost no crop residue accumulation occurs. All these results reveal that, under P starvations conditions, some hydrolysis of these OP forms and potential contribution to P supply to plants may be expected. Myo- IP6 seems to stabilize by adsorption, as revealed by its positive relationship with the ratio of Fe in oxide to clay content and its decreased concentration in soil with increasing pH. On the other hand, precipitation of Ca phosphates may explain the retention of other IP6 stereoisomers in these soils. A general discussion of results is done in the sixth chapter, and finally, exposition of main conclusions of the present work is presented in the seventh chapter.Una cuestión relevante para gestionar de manera precisa la fertilización fosfatada es estimar el fósforo (P) disponible para las plantas en el suelo, que se define como la cantidad de P presente en el suelo que puede ser utilizado por las plantas en cultivos sucesivos hasta que aparecen evidentes síntomas de deficiencia de P en el cultivo. Se puede suponer que hay una necesidad de aplicar este nutriente al suelo cuando la liberación de P desde la fase sólida no mantiene una concentración de P lo suficientemente alta para mantener la adsorción de P por las plantas. Este P disponible para la planta se evalúa normalmente utilizando los denominados "índices de disponibilidad de P" o "Tests de P en suelo" (SPT). Sin embargo, la exactitud de estos diferentes métodos aplicados a suelos con propiedades muy diferentes puede ser limitada y con frecuencia se observan malas relaciones entre los índices de disponibilidad de fósforo, tales como P Olsen, y la absorción de fósforo por las plantas. Un uso eficiente de fósforo en la agricultura se debe basar en una estimación precisa del fósforo biodisponible en los suelos. En esta Tesis Doctoral, centradaen suelos de ambientes mediterráneos, el P Olsen se tomará como referencia para el SPT. En el primer capítulo de esta Tesis Doctoral, se hizo una introducción general al problema de P en la agricultura, con información sobre su importancia como recurso no renovable y estratégico necesario en la agricultura. En este capítulo, se definieron los objetivos de esta Tesis Doctoral, todo enfocado a un uso sostenible de P en la agricultura. En el segundo capítulo, se estudiaron los factores que afectan a la precisión del P Olsen como índice de disponibilidad del nutriente. Con este fin, se llevó a cabo un experimento de agotamiento de P en 17 suelos representativos de ámbito Mediterráneo. Se utilizaron para cada suelodos muestras que diferíanampliamente en el valor de P , llamadas "high -P" y "low -P". El suelo se mezcló con arena de sílice para tener1 mg de P como P-Olsenpor maceta. Por lo tanto, la proporción de P no disponible (inorgánico u orgánico) con respecto al P-Olsenen maceta fue mayor para las muestras "low-P" que para las muestras "high-P".En las muestras "high-P”, la absorción de P por los cultivos (pepino) aumentó con el aumento del factor de afinidad de la fase sólida, estimado desde las curvas de absorción de P (R2 = 0,76; P <0,001) y con el incremento de la capacidad de adsorción de P del suelo, estimada como concentración de Fe en óxidos en los suelos (R2 = 0,56; p <0,001). Por otro lado, en las muestras "low -P", la actividad fosfatasa orgánico total en la rizosfera y el P orgánico contribuyó a explicar la absorción de P por los cultivos (R2 = 0,37, P <0,01). Estos resultados revelaron que ambos factores, el P orgánico y la actividad hidrolítica en rizosfera tienen implicaciones en la explicación de la disponibilidad de P para las plantas cuando la proporción de P orgánico con respecto al Olsen P es alto (muestras “low-P”). Por otra parte, las propiedades físicas y químicas que controlan la dinámica del P inorgánico juegan un papel importante en la absorción de P en las muestras ”high-P”. El tercer capítulo de la presente Tesis Doctoral se centró en la identificación de las propiedades del suelo que afectan a los valores críticosdel P-Olsen por debajo del cual se puede esperar una respuesta por parte de los cultivos a la fertilización fosfatada. Hay evidencias recientes de que, incluso en los suelos donde se recomienda un SPT dado como el P-Olsen, los valores umbral para dicho SPT pueden variar ampliamente. Esto afecta de manera significativa a la precisión del método. Sobre la base de las propiedades del suelo que afectan a los valores críticos de P Olsen, se han propuesto modelos para la estimación precisa de los valores de umbral en la interpretación del Olsen como SPT para suelos representativos de ámbito mediterráneo. Esto es básico para la identificación de los suelos que pueden responder a la aplicación de P en zonas geográficas donde se recomienda este SPT. Los valores críticospara P Olsen y P en la solución del suelo estimada por una extracción con CaCl2 0,01 M variaron ampliamente entre los suelos. Ambos índices se correlacionaron positivamente entre sí (P <0,001). El contenido de arcilla fue la propiedad del suelo que afectó en mayor grado a los valores críticosde P Olsen, explicando un 60% de la variación (P <0.001). En general, los valores umbral de P Olsen disminuyeron con el aumento de la capacidad tampón (estimado con las isotermas de adsorción a 1 mg P L -1) y la capacidad de sorción de P (estimado como Fe en óxidos de Fe o arcilla). Los valores umbral para el P Olsen se pueden predecir en los suelos estudiados con regresiones múltiples que contemplan el contenido de arcilla, pH y actividad de la fosfatasa en la rizosfera (R2 = 0.87, P <0.001); cuando sólo el pH y la arcilla se tuvieron en cuenta, se explicó el 81% de variación (P <0,001), con una media del error absoluto de 1.12. Esto significa que un solo modelo basado en el pH y el contenido de arcilla pueden estimar con precisión los valores de críticosen los suelos estudiados. En el caso de valores de umbral de PCaCl2 puede estimarse como una función de la arcilla y la proporción de Fe en forma cristalina con respecto a la de los óxidos de Fe cristalinos (R2 = 0.57, P <0.001). Además, las predicciones exactas de valores de umbral de PCaCl2 pueden ser también obtenidos basándose en múltiples regresiones con el pH y el P hidrolizable por fitasa de algunas fracciones de P. Se puede concluir que, en el grupo de los suelos estudiados, las propiedades del suelo relacionadas con la capacidad tampón de P de los suelos son las más relevantes a la hora de explicar los valores de umbral para ambos SPT analizados. Sin embargo, cabe destacar la contribución de factores relacionados con el P orgánico que afectan a los valores umbral. El cuarto capítulo de esta tesis doctoral tenía como objetivo definir los métodos más precisos para estimar el P disponible total para la planta (TAP). Para ello, se estudiarondiferentes métodos de extracción de P: (i) P Olsen, (ii) concentración de P en 0.01 MCaCl2 , (iii) 0.27 MNa citrato + 0.11 M NaHCO3 (CB), (iv) las dos primeras extracciones del fraccionamiento secuencial de Ruiz el al., (1997) (NaOH +CB), (v) extracción con resinas de intercambio aniónico (AER) en forma de Cl- y HCO- 3 . Los valores para el P total disponible (TAP) en suelo se obtuvieron de un ensayo de agotamiento de P en suelo mediante cultivos sucesivos. El TAP se relacionó significativamente con HCO3 -AER pero también con Cl-_ AER (R2 = 87% y 77%, respectivamente). Además, la varianza del TAP explicada por Cl-AER aumentó hasta el 86% cuando el P hidrolizable por fitasa en extractos NaOH y CB se tuvo en cuenta. Las AERs han demostrado ser sensibles no sólo al factor cantidad en el suelo (Q), sino también la capacidad tampón (BC) .Cuando el P Olsen se consideró como la única variable predictiva, explicó solamente un 53% de la variación del TAP (valor medio para el trigo y girasol, P < 0.001). Cuando la relación de Feca/Fecbdy la capacidad tampón (BC) también se incluyeron como variables de predicción en el modelo, la varianza explicada por el P Olsen aumentó a 69 y 61%, respectivamente (P < 0.001). Cuando la arcilla y CCE se incluyeron en el modelo predictivo con P Olsen, la varianza explicada aumentó hasta el 80%. En general, mejores resultados se obtuvieron con AERs que con P Olsen u otra simple extracción química, y se explicó por su mejor relación con la mayoría de las propiedades del suelo que condicionan el TAP. En el quinto capítulo de la presente Tesis doctoral, se estudiaron las formas de P orgánico y su potencial contribución al P disponible para las plantas en suelos mediterráneos. El P orgánico es el aspecto menos comprendido del ciclo P en los suelos, sobre todo en tierras áridas y semiáridas. El estudio se llevó a cabo por espectroscopia de resonancia magnética nuclear de 31P (31P NMR) en extractos de NaOH-EDTA. De la colección del suelo utilizado en el estudio descrito en el capítulo 1, se seleccionaron ocho suelos mediterráneos representativos, y para cada suelo, se estudió una muestra "low-P" y "high-P". La concentración de P orgánico en muestras "high -P" y las "low -P" no fue significativamente diferente. Además, la concentración de monoésteresortofosfato y su contribución relativa al P extraído o al OP con respecto al método de combustión seca, no fue significativamente distinto entre las muestras "high-P" y las "low-P". Los monoésteres fueron la fracción dominante del OP, representandola mitad del total del OP. Las diferencias en monoésteres fosfatos entre las muestras "high-P" y las "low-P" de suelo, aumentó con el aumento de las diferencias en P Olsenentre ambos tipos de muestra (R2 = 0.61, P <0.05). El ratio mono/diésteres tendió a aumentar con el aumento de P Olsen en el suelo (R2 = 0,49; P