EL USO SUSTENTABLE DE LOS SUELOS 23
Capítulo III.
El NITRÓGENO DEL SUELO
“Todo el Nitrógeno del mundo que se encuentra en diferentes compuestos ha tenido su origen en la atmósfera, y ... por lejos, la mayor parte de él ha sido formado a través de la actividad de los microorganismos”. A I Virtanen, 1947.
De todos los elementos nutritivos, el Nitrógeno es el único que no se encuentra en la roca madre. La fuente y origen de este elemento resulta la atmósfera.
Así como la fotosíntesis transforma el CO2 (es decir al Carbono, ambos compuestos inorgánicos) en productos orgánicos, constituyéndose en un escalón vital para la existencia del mundo animal, la captura del Nitrógeno de la atmósfera por los microorganismos fijadores es un proceso de similar importancia y magnitud, del cual depende la supervivencia de las plantas. El Nitrógeno, ya se señaló al explicar la fertilidad actual y potencial, se manifiesta como el factor esencial del crecimiento de los vegetales.
Las plantas lo asimilan hasta el final de su desarrollo.
Un inconveniente de la acción del Nitrógeno, en los cultivos que interesan por su fruto, deviene del retraso en la maduración cuando la planta está bien provista, pues ella continúa el crecimiento y tarda en madurar. La absorción tardía del Nitrógeno retrasa la maduración, al estimular el crecimiento vegetativo; mientras que, si se aplica oportunamente, acelera el desarrollo y aumenta la precocidad. El suministro tiene como fin activar el crecimiento vegetativo e incrementar la masa verde de asimilación; por lo tanto, se evita la aplicación tardía.
Otro inconveniente de la elevada provisión de Nitrógeno, resulta ser la mayor sensibilidad a las enfermedades, porque los tejidos permanecen tiernos más tiempo. También se produce en los cereales la predisposición a “encamarse” (volcarse). Los caminos principales por los que se convierte en formas utilizables por las plantas superiores, son:
- Fijación por Rhizobium y Bradyrhizobium, que viven simbióticamente en las raíces de Fabáceas (ex-Leguminosas).
- Fijación por microorganismos libres que viven en el suelo. (Clostridium, Azotobacter).
- Fijación por las descargas eléctricas atmosféricas, como alguno de los óxidos del Nitrógeno, (el 78 % de la atmósfera terrestre está constituida por Nitrógeno) y en forma de NH3, N03- o CN2-, por algún proceso industrial para la fabricación de los fertilizantes nitrogenados sintéticos.
Por lo contrario, también hay liberación de Nitrógeno elemental a la atmósfera desde formas fijadas, mediante procesos microbiológicos y químicos (desnitrificación, volatilización).
El ciclo del Nitrógeno, que ilustra lo expresado hasta ahora y lo que se explicará a continuación, se muestra en la Figura III-2.
1. FORMAS DEL NITRÓGENO
Se clasifican como orgánicas e inorgánicas. La mayor cantidad se encuentra en los materiales orgánicos del suelo.
1.a. COMPUESTOS NITROGENADOS INORGÁNICOS
Las formas son NH4+, NO3-, NO2-, N2O, NO y N elemental (N2) que es el utilizado por Rhizobium y otras similares. Los tres primeros son importantes para la fertilidad del suelo (los nitritos porque se oxidan a nitratos), mientras que los dos siguientes, por el contrario, se pierden por desnitrificación.
1.b. COMPUESTOS NITROGENADOS ORGÁNICOS
2. TRANSFORMACIONES DEL NITRÓGENO
Las plantas absorben principalmente el Nitrógeno como NO3- y también como NH4+. Las cantidades disponibles para las plantas dependen del equilibrio que exista entre los factores que afectan a la mineralización, inmovilización y pérdidas de Nitrógeno del suelo.
Se entiende por mineralización, a la conversión del Nitrógeno orgánico a Nitrógeno mineral, es decir NH4+ , NO2+ y NO3-. Al contrario, inmovilización es la conversión de Nitrógeno inorgánico o mineral a orgánico, proceso que es el resultado de la metabolización del NH3 o NH4+, por microorganismos.
Si el aporte de materia orgánica, que estimula la actividad microbiana, contiene menos de 1 a 2 por ciento de Nitrógeno (por ejemplo restos de maíz ricos en celulosa y hemicelulosa) y, por lo tanto, una relación C/N alta, se producirá más inmovilización que mineralización.
3. EQUILIBRIO DEL NITRÓGENO ORGÁNICO Y MINERAL EN EL SUELO
La materia orgánica comprende los residuos frescos y secos que se encuentran sobre y en el suelo, y que son susceptibles de una descomposición rápida. Resultan sustancias con un cierto grado de estabilidad. La restante es el humus, relativamente estable y resistente a ser descompuesta con rapidez.
Las reservas nitrogenadas del suelo se hallan en estado orgánico (ya que forman parte del humus y restos vegetales), en cantidades cercanas a un 5 por ciento del peso de esas sustancias. Desde ese estado, se mineralizan progresivamente por acción microbiana (1 a 3 por ciento al año), hasta llegar a Nitrógeno nítrico.
Esta situación muestra que la fertilidad actual (y natural) depende, en su mayor parte, de las cantidades anuales de mineralización de sus reservas orgánicas.
Con un determinado clima, la aptitud del suelo para suministrar Nitrógeno mineral, depende de sus reservas orgánicas y de las condiciones que favorezcan la vida microbiana, principalmente la aireación y la temperatura. Las máximas cantidades del Nitrógeno asimilable (mineral o inorgánico NO3-, NH4+) se las encuentra después de un período seco.
Los microorganismos heterótrofos requieren el Nitrógeno para descomponer la materia orgánica. Por ello, la fracción orgánica estable, presenta una relación C/N cercana a 10/1.
Cuando se incorpora al suelo materia orgánica con C/N mayor de 30, se produce la inmovilización del Nitrógeno al inicio del proceso, y cuando aquella desciende hasta 20/1, no ocurre ni inmovilización ni liberación de Nitrógeno mineral; interpretándose que el NH3 producido, resulta inmediatamente empleado por los microorganismos, para formar sus propias proteínas. Con una relación C/N inferior a 20, ocurre generalmente liberación de Nitrógeno mineral, cuando comienza la descomposición.
El tiempo que requiere el proceso, si la proporción C/N es del orden de 40/1, se extiende de 2 a 4 semanas, con condiciones favorables para su descomposición; con una relación 25/1, se restringe a sólo una a dos semanas. Si se entierra paja de avena con C/N de 80/1, se necesita un período de descomposición de 4 a 8 semanas o más, hasta que la relación C/N sea lo suficientemente baja, para que no se produzca inmovilización (ver Figura III-3).
TECNOLOGÍA DE LOS SUELOS AGRÍCOLAS
Figura III-2
Ciclo del Nitrógeno en la Naturaleza
A I R E
S O L (1) (2) A I R E
Energía (3) (4) 78 % de N
Fijación Fijación
simbiótica libre
(26)
(5) (6) (7) (8) (9) (10)
(11)
NO3- (11)
Materia orgánica y complejos arcillo- (12)
orgánicos del suelo B I O M A S A
NO2
-(15)
(13) (14) (17) (18) (19)
NH3 (16)
HOMBRE y (20) (21) (22) (23) (24) ANIMALES
NH4+ (25)
SUBSUELO
El Nitrógeno del suelo
Referencias de la Figura III-1
(1): Energía solar. (21): Aminificación.
(2): N del aire. (22) : Reacciones químicas. (3): Energía solar. (23) : Oxidación/reducción.
(4): N del aire. (24) : Fertilización con amonio. (5): Pérdidas por erosión y fuego. (25) : Consumo vegetal.
(6): Pérdidas por volatilización. (7): Por Rhizobium y afines.
(8): Por algas fotosintéticas y por Clostridium y Azotobacter. (9): Desnitrificación y reacciones químicas.
(10): Fijación de N2 por tormentas. Deposición de nitratos por lluvias.
(11): Inmovilización. (12): Nitratación. (13): Amonificaciones. (14): Reacciones químicas.
(15): Nitritación + nitratación = nitrificación. (16): Fertilización amoniacal.
(17): Fertilización con nitratos. (18): Pérdidas por lixiviación. (19): Extracción por consumo.
(20): Residuos de cosecha, abonos verdes, excretas de animales, microorganismos, todos fuentes de Nitrógeno.
La materia orgánica es imprescindible para una buena estructuración del suelo y para aumentar la capacidad de intercambio catiónico y de retención de agua, con lo que se reduce las pérdidas por lixiviación de nutrientes como Nitrógeno, Potasio, Calcio y Magnesio. Resulta muy útil también como reservorio para el Nitrógeno del suelo y su mineralización proporciona a los cultivos un continuo, aunque limitado, suministro de N, P y S.
Figura III-3
Descomposición de Rastrojos Incorporados al Suelo, Pobres en Nitrógeno
a)
R
el
ac
ió
n
C
/N
60
40
20
0
Inmovilización Mineralización
4–8 semanas Tiempo
b
)
C
an
ti
d
a
d
d
e
N
O3
Nuevo nivel del NO3
-Producción de CO2
4-8 semanas Tiempo Fuente: Tisdale y Nelson (1970)
28 Villanueva, G H, R G Osinaga y A P Chávez
Contenidos de Carbono y Nitrógeno, y C/N de algunos
Vegetales.
Materiales vegetales C % N % C/N
Paja de avena 40 0,5 80
Tallos de maíz 40 0,8 50
Residuos varios de heno 40 1,6 25 Abono verde de Melilotus 40 3,0 13
4. MINERALIZACIÓN DE LOS COMPUESTOS NITROGENADOS
Cuando un suelo se seca, la actividad microbiana resulta nula. Al ocurrir una lluvia o riego, la actividad se reanuda, con rápida velocidad de mineralización al principio, para luego disminuir.
El mayor contenido de materia orgánica se encuentra en los primeros 15-20 cm y es la zona que se seca más rápido. Al adicionarse fertilizantes nitrogenados, las plantas, durante su primer estadio de desarrollo, absorben Nitrógeno en exceso a sus necesidades. Cuando se produce la sequía, el elevado contenido en las plantas, les permiten continuar formando proteínas y desarrollando sus raíces, que podrán absorber agua del subsuelo.
Si la planta no contó con la fertilización adicional de Nitrógeno, sólo puede recurrir al que se produce por mineralización de la materia orgánica. Como la velocidad de mineralización es baja, el vegetal sólo dispone del Nitrógeno que se va formando, como ya se indicó. Al faltar agua prolongadamente, la planta carece de reservas y traslada el Nitrógeno desde las hojas inferiores, para continuar su desarrollo; de manera que se produce la muerte de esas hojas, a menos que una lluvia o riego permita reanudar la mineralización (Figura III-5).
Figura III-4
Disponibilidad de Nitratos con Labranza Anticipada o
Inmediata a la Siembra
N
O3
- e
n
k
g
h
a
25 Hemisferio Sur o Norte
jul
Labranza en enero (anticipada)
setiembre Labranza en marzo (inmed.) 20
15
10
0
O N D E F M A M S O N Fuente:
Figura III-5
Diferencias en rendimientos con la adición de Nitrógeno, con riego y sin é
l
A
u
m
en
to
d
e
r
en
d
im
ie
n
to
s
%
100
Con riego
75
50 Sin riego
25
0
0 100 200 300
Fuente:
Cuando no se utilizan fertilizantes nitrogenados, los rendimientos máximos se obtienen si se alternan períodos de humedad y desecación, de forma tal que cada lluvia establece un nuevo ciclo de mineralización. Esto no debe interpretarse como que de dicha forma se obtendrán los máximos rendimientos, sino que es lo que ocurre cuando la materia orgánica es la única fuente de NO3-.
La materia orgánica no se mineraliza a una velocidad constante. Inicialmente ello ocurre en forma rápida y luego decreciente. La mineralización rápida se produce mientras haya productos de fácil degradación. En un suelo virgen recién arado, la mineralización inicial es tan rápida que puede alcanzar hasta el cuatro por ciento del Nitrógeno total, durante el primer año. En los siguientes, la velocidad decrece y, por lo tanto, también la cantidad del Nitrógeno mineralizado, hasta alcanzar finalmente un equilibrio entre materia orgánica y Nitrógeno total.
Mientras la velocidad de mineralización sea alta, no se esperan respuestas a la fertilización nitrogenada, y sí cuando la velocidad disminuye, porque los contenidos del Nitrógeno disponible son menores, esto ocurre por ejemplo en la siembra directa (SD).
Se observa también, que el suelo va perdiendo Nitrógeno y materia orgánica a través de los años de cultivo, pero la disminución no es lineal. Llega un momento en la curva que la fertilidad del suelo resulta baja, y requiere la aplicación de fertilizantes nitrogenados, para mantener la productividad.
A partir de la materia orgánica, la mineralización se produce por aminización, amonificación y nitrificación; los dos primeros procesos por microorganismos heterótrofos y el tercero por bacterias autótrofas. Los heterótrofos requieren como fuente de energía compuestos carbonados orgánicos, y los autótrofos logran su energía de la oxidación de sales inorgánicas, obteniendo el Carbono necesario del CO2 de la atmósfera que los rodea.
4.a. AMINIZACIÓN
Este proceso produce la descomposición hidrolítica de las proteínas y la liberación de aminas y aminoácidos.
Proteínas R-NH2 + CO2 + energía + otros productos. R: radical orgánico.
4.b. AMONIFICACIÓN
Aminas y aminoácidos son utilizados por otros organismos heterótrofos, con liberación de compuestos amoniacales. Es decir, constituye el paso del Nitrógeno orgánico al amoniacal, soluble en agua. En anaerobiosis actúan las bacterias Bacillus putrificus y Clostridium porogenes; en aerobiosis, Bacillus cereus, B. micoides y B. meghaterium. Este proceso pierde velocidad a medida que el suelo disminuye en su contenido de humedad.
R-NH2 + HOH NH3 + R-OH + energía
El NH3 así liberado en el suelo, se encuentra sujeto a: - Volatilización.
- Nitrificación (conversión a nitritos y nitratos). - Lixiviación.
- Utilización por organismos heterótrofos y otros. - Absorción por las plantas.
4.c. NITRIFICACIÓN
Por oxidación biológica (bacterias autótrofas obligadas), el NH3 se transforma en NO3-. Nitrosomonas
2NH4+ + 3O2 2NO2- + 2H2O + 4H+ + energía
Nitrobacter
2NO2- + O2 2NO3- + energía
30 Villanueva, G H, R G Osinaga y A P Chávez
La nitrificación adquiere una velocidad máxima con pH cercano al neutro, buena aireación y humedad en capacidad de campo. La temperatura óptima oscila en unos 35°C. Se observa en los gráficos de las Figuras III-6 y III-9 que debajo de 10°C la reacción es muy reducida, aumentando rápidamente por arriba de ese valor.
En algunos trabajos (Blakman, Giambiagi y Cerri, entre otros) se verificó que, a temperaturas menores de 5-8°C, el desarrollo de las plantas se encuentra limitado por falta de Nitrógeno asimilable.
El NO3- producido sigue los siguientes caminos:
- Absorción por las raíces de las plantas. - Aprovechamiento por la flora del suelo. - Pérdidas por lixiviación.
- Pérdidas por reducción a NO2-. - Pérdidas por erosión..
- Pérdidas por desnitrificación.
4.d. FACTORES QUE AFECTAN LA NITRIFICACIÓN
4.d.1. Abundancia del Ión Amonio
El sustrato para las bacterias nitrificantes es el ión NH4+. Cuando las condiciones no favorecen la liberación de NH3 de la materia orgánica, no habrá nitrificación.
Si la proporción de Carbono respecto del Nitrógeno del suelo es demasiado amplia, parte del NH3 liberado de la materia orgánica será utilizada por la población heterótrofa, que descompone al material orgánico. Sólo cuando la proporción C/N es menor de 20 o 25, habrá liberación neta de Nitrógeno mineral.
Figura III-6
Relación entre Producción de Nitratos y la Temperatura
Pr
o
d
u
cc
ió
n
d
e
N
,
p
p
m
200
150
100
50
0 5 10 15 20 25 30 35 tºC
Si grandes volúmenes de paja, tallos de cereales secos y maduros, son incorporados al suelo con cantidades limitadas de Nitrógeno, éste será utilizado por los microorganismos en la descomposición de los residuos. Por lo tanto, un cultivo recién implantado, evidenciará la escasez de Nitrógeno al comienzo, que se corrige incorporando fertilizantes para suplir las necesidades de los microorganismos y de las plantas. Otra alternativa, es anticipar las labranzas preparatorias de la siembra (Figura III-4).
4.d.2. Población de Organismos Nitrificantes
Bajo condiciones similares de humedad, temperatura y nivel de NH4+, la nitrificación varía con la cantidad de organismos nitrificantes.
4.d.3. Reacción del Suelo (pH)
4.d.4. Aireación
Las nitrobacterias son autótrofas aerobias obligadas. El caso de la Figura III-7 ilustra la importancia de mantener las condiciones que permitan la rápida difusión e intercambio de los gases en el suelo. Acá se empleó una corriente de aire, compuesto por Oxígeno y Nitrógeno, inyectado en el suelo saturado.
4.d.5. Humedad
Las nitrobacterias son más sensibles a un exceso de humedad que a condiciones secas del suelo (ver Figura III-8). Se observa que, a bajas tensiones (alto contenido de humedad), la nitrificación se encontró severamente reducida.
5.d.6. Temperatura
En regiones con temperaturas del suelo bajas en invierno, la aplicación de fertilizantes amoniacales significa un ahorro de tiempo y dinero. Es importante, sin embargo, que las temperaturas invernales sean bastantes bajas, para prevenir la nitrificación del amoniacal, sino éste se pierde por lixiviación, antes de ser utilizado en la siguiente primavera. Un ejemplo de la relación temperatura-nitrificación se observa en la Figura III-9.
Como en los suelos las temperaturas no resultan constantes, las fluctuaciones determinan la magnitud de la nitrificación. La mineralización es limitada, con las bajas temperaturas, por una menor actividad microbiana.
Figura III-7
Influencia del Oxígeno en un Suelo Anegado Adicionado con (NH4)2SO4
N
O3
- p
ro d u ci d o s m g .1 0 0 g
-1 d
e su el o 12 10 8 6 4 2 0
-2 /0 5 10 15 20
% de Oxígeno en la corriente de aireación Fuente: Black (1957)
Figura III-8
Humedad, Tiempo y Producción de Nitratos
N
O3
- p
ro d u ci d o s p or 1 0 0 g -1d e s u el o , en m g 24 5 semanas
20 5 semanas
16
2 semanas
12 3 semanas
8 a 25 ºC
a 15 ºC
4
0 20 40 600 80 100
Tensión de humedad, en cm de agua Relaciones del tiempo, la temperatura de incubación y la producción de nitratos a partir de 10 mg de NH4+ cada 100 g
32 Villanueva, G H, R G Osinaga y A P Chávez
En otras experiencias, realizadas en Canadá, incorporando sulfato de amonio, se observó que, si se registran altas temperaturas que precedan a las bajas, resulta una nitrificación mayor que si sucediera lo inverso (Tabla III-5).
La amonificación aumenta hasta 60-70°C, pero en ese ámbito ocurren grandes pérdidas originadas por la volatilización de NH4+. La temperatura óptima de velocidad de nitrificación es de 27 a 32°C, siendo los límites extremos 2 y 51°C.
4.d.7. Textura
En condiciones similares de clima, un suelo pesado (textura fina) tiene 2 a 3 veces más Nitrógeno que uno liviano; sin embargo, en los de texturas gruesas se registra mayor mineralización. Se determinaron, en Missouri (EEUU), los siguientes ritmos de mineralización del N (ver también Figura III-10):
Arenoso a franco arenoso : 4,00-6,0 % de N total.año-1. Franco limoso : 1,50-3,0 % de N total.año-1. Arcilloso a franco arcilloso: 1,25-2,5 % de N total.año-1.
Las diferencias que se observan en la Tabla III-5 -además del tiempo y la temperatura- se deben también a la distinta aireación y a la presencia de complejos arcillo-húmicos.
Figura III-9
Nitrificación. Efectos del Tiempo y la Temperatura (NH4+ añadido a un Suelo Arcilloso)
N
it
ri
fi
ca
ci
ón
(
p
p
m
d
e
N
O3
- p
ro
d
u
c.
) 20 0
35 días
21 días
10 días
2 días
16 0
12 0
80
40
0
15 20 25 30 t°C
Fuente: Parker y Larson (1962)
Tabla III-5
Relaciones entre el Tiempo y la Temperatura con la
Nitrificación
Tratamiento (150 ppm de NH4+ añadido al suelo) Nitrificación en %
27°C continuamente (24 días) 12 días con 27°C y 12 días con 5°C
8 días con 27°C, 8 días con 16°C y 8 días con 5°C 12 días con 5°C y 12 días con 27°C
16°C continuamente (24 días)
8 días con 16°C, 8 días con 27°C y 8 días con 5°C 8 días con 5°C, 8 días con 16°C y 8 días con 27°C 5°C continuamente (24 días)
100 96 74 62 59 56 45 29
34 Villanueva, G H, R G Osinaga y A P Chávez
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