En posteos anteriores de la “sección” Fertilidad del suelo y Nutrición Vegetal, nos hemos concentrado en escribir algunos post generales sobre las diferentes problemáticas de la fertilidad de los suelos y también sobre la relevancia del uso de fertilizantes en sistemas de producción agropecuarios. Iniciamos con este primer posteo una serie de escritos sobre el ciclo de los nutrientes en agroecosistemas. El objetivo será ir abordando cada uno de los principales ciclos de aquellos nutrientes esenciales que limitan el crecimiento y productividad de los cultivos y forrajes (N, P, K, Ca, Mg, S, micronutrientes). El presente material tiene por destinatarios estudiantes del secundario o universitarios en sus primeros años, por lo cual no resultará un material de actualización para expertos en el tema. Para cada uno de ellos, caracterizaremos brevemente y con algunos ejemplos, los diferentes mecanismos de ingreso, egreso y reciclado de nutrientes que podemos encontrar en agroecosistemas, desde una perspectiva agronómica y posiblemente con un cierto sesgo para suelos argentinos.
Paisaje Agrario de la Provincia de Corrientes
Fuente: Nuestra Argentina
¿Por qué es importante conocer los ciclos de los nutrientes, en este caso, del nitrógeno?: Por Martín Torres Duggan
Comprender las bases del funcionamiento de los nutrientes en el sistema suelo-cultivo y su ciclo, resulta muy relevante ya que resulta fundamental para interpretar los efectos que podemos generar en las diferentes prácticas de manejo usuales: fertilización, manejo de residuos, uso de correctores de suelo, etc. Conocer los procesos físico-químicos y biológicos que intervienen en los ciclos biogeoquímicos de los elementos en el suelo, resultan muy útiles también en situaciones de suelos afectados por contaminantes y para establecer los medios para su remediación.
Evidentemente comenzamos por el nitrógeno (N) ya que constituye el nutriente esencial más relevante de todos, y muy asociado al crecimiento, desarrollo y producción de las plantas. El N forma parte de numerosas biomoléculas tanto en plantas como en animales, y participa de numerosos procesos bioquímicos. Así, por ejemplo, el N forma parte de estructuras como los aminoácidos (compuestos básicos de las proteínas), de las bases nitrogenadas de los nucleóticos (estructuras monoméricas de ácidos nucleicos), etc. Debemos recordar que las proteínas son compuestos muy importantes, ya que no solo son constituyente de las membranas celulares, sino que además, son la forma química de las enzimas, catalizadores biológicos de reacciones bioquímica en el metabolismo celular. En el caso de los ácidos nucleidos (ADN, ARN), estas moléculas, llevan “codificada” toda la información genética para la generación de estructuras y para el funcionamiento de los organismos. En buscadores generales como Google u otros, se puede encontrar numerosa información sobre las funciones del N en los organismos, que no serán motivo de esta serie de post.
¿Cuáles son los principales procesos del ciclo del N?
En la figura 1 se puede observar un típico ciclo del N en agro-ecosistemas. Los principales ingresos de N al sistema suelo-cultivo en sistemas agrícolas son:
Ø Fertilización (en el gráfico se muestra el fertilizante urea, pero puede ser cualquier fertilizante, que puede aportar tanto N como nitrato, N como amonio, o ambos juntos).
Ø Fijación biológica de nitrógeno (realizado en los nódulos de las leguminosas o por bacterias fijadoras libres).
Ø Aportes atmosféricos (principalmente en áreas con desarrollo industrial cercano a los campos).
Los mecanismos de pérdida de agroecosistemas son:
Ø Extracción por los cultivos
Ø Lixiviación de nitratos
Ø Volatilización de amoníaco
Ø Desnitrificación
Figura 1. Esquema general del ciclo del N en agroecosistemas
(Gentileza J. Hassell, Agrotain, USA).
A diferencia de los demás nutrientes que analizaremos en otros posteos, encontramos en el caso del N, un ciclo biogeoquímico muy dinámico y abierto (muchas vías de entrada y salida).
Ingreso de N a través de fertilizantes y del aporte atmosférico
El agregado de N a través de los fertilizantes representa el principal aporte de N en sistemas agrícolas, junto con la FBN (Fijación Biológica de Nitrógeno) realizada por las leguminosas. Sobre este último mecanismo nos ocuparemos en futuras contribuciones de esta “serie” sobre ciclo de los nutrientes.
El N puede ser aportado a través de diferentes tipos de fertilizantes: inorgánicos, orgánicos, organo-minerales.
Los fertilizantes químicos inorgánicos presentan su N en forma de nitrato o amonio, dependiendo del tipo de fertilizante. Los fertilizantes orgánicos como el estiércol animal presenta el N en una mezcla heterogénea de compuestos orgánicos y también inorgánicos. La composición de estos abonos depende de: especie animal, estado de desarrollo, edad, etc. La fracción orgánica de estos abonos o en general de cualquier fertilizante que tenga su N en forma orgánica, debe “mineralizarse” a formas inorgánicas (amonio y luego a nitrato) para que puedan ser aprovechados por las plantas. El % de mineralización (proporción del N orgánico que es mineralizado a amonio en el primer año de aplicación) del abono orgánico resulta un dato de gran interés para estimar el aporte concreto de N para los cultivos. El % de mineralización es variable según el tipo de abono orgánico y su procesamiento, pero podemos mencionar entre 30 y 50% como valor esperado.
El N proveniente del fertilizante debe primero incorporado en el suelo tras su aplicación a través del agua de lluvia, riego o ambos (fertirriego o fertirigación) y además el N debe estar en formas biodisponible para el cultivo. Las formas biodisponibles de N son nitratos y amonio. En cuanto a la reacción de los fertilizantes en el suelo, podemos diferenciar una reacción inicial (que depende de la forma química del fertilizante, Tabla 1) y una reacción final, en donde comienzan a incidir procesos de suelo como la nitrificación. Así como se puede ver en la tabla 1, en fertilizantes químicos, podemos observar que hay fertilizantes que tienen una reacción inicial muy alcalina (urea), otros alcalina (como el fosfato diamónico o DAP) o ácidas como el superfosfato triple de calcio (SFT). El tipo de reacción química del fertilizante, su índice salino, entre otras propiedades, pueden ser muy importantes cuando se decide cómo colocar el fertilizante (junto con la semilla, separado, etc.), temas que no profundizaremos en este posteo. No obstante ello, las principales propiedades de los fertilizantes químicos desde una perspectiva agronómica y su influencia en los cultivos, se puede consultar en el siguiente documento, de elaboración propia y presentado recientemente en un Simposio:
Torres Duggan, M. 2007. Calidad de fertilizantes. ¿Cuáles son las principales propiedades y atributos que determinan su valor agronómico?. En: Simposio “Fertilidad 2007”. Bases para el manejo de la nutrición de los cultivos y los suelos. Internacional Plant Nutrition Institute (IPNI) y Fertilizar Asociación Civil. García, F y Ciampiti, I. Editores. 160 pp.
La reacción final, en el caso de los fertilizantes nitrogenados tiene que ver con las transformaciones que puede sufrir el amonio o nitrato liberado luego de la reacción inicial. Así, el amonio es rápidamente nitrificado en el suelo, liberando protones, que acidifican el medio en donde reacciona el fertilizante. Por el contrario, el N de nitrato ya se encuentra químicamente reducido y puede, o bien absorberse por el cultivo o bien perderse por lixiviación o desnitrificación. Para que se generen condiciones de acidificación por uso de fertilizantes, las dosis de N aplicadas en forma amoniacal deben superar considerablemente al requerimiento de los cultivos, situación que en general no se presenta en forma generalizada en los planteos de producción de Argentina, pero sí se ha reportado en otros países con mayor consumo de fertilizantes. De todos modos, los eventos de acidificación por fertilizantes dependen de diversos factores, como la capacidad buffer del suelo, consumo de N del cultivo, etc.
Las plantas pueden absorber el N tanto como amonio como nitrato. Sin embargo, cuando lo hacen en forma de nitratos, deben luego reducirlos (a través de la enzima nitrato reductasa y con gasto de energía) a amonio y luego el amonio puede incorporarse en la biosíntesis de proteínas (figura 2).
Cuando las plantas absorben el N como nitratos, para mantener la electroneutralidad eliminan aniones oxidrilos (OH-), determinando una alcalinización a nivel de la rizósfera (superficie de suelo inmediatamente en contacto con las raíces). Lo inverso ocurre cuando se absorbe N como amonio: la planta elimina protones (H+), acidificando la rizosfera. Sobre el conocimiento de estos mecanismos se avanzó en los últimos años, existiendo progresos notables en el entendimiento de aspectos electroquímicos de la absorción de amonio y nitratos a través de enfoques metabólicos que escapan el alcance y objetivo de este material de divulgación.
Tabla 1. Principales fertilizantes químicos y su reacción en el suelo.
Leyenda: Elaboración propia en base a diversas referencias bibliográficas. NA: nitrato de amonio, SA: sulfato de amonio, UAN (solución liquida en base a urea y NA), MAP: fosfato monoamónico, DAP: fosfato diamónico, SFT: superfosfato triple de calcio, SFS: superfosfato simple de calcio.
Figura 2. Secuencia del absorción del nitrógeno en plantas
(Gentileza J. Hassell, Agrotain, USA).
En suelos agrícolas, el amonio proveniente del fertilizante (y también el proveniente de la mineralización del humus) es rápidamente nitrificado, por lo cual muchas veces es más frecuente encontrar en suelos N en forma de nitratos en los análisis de suelos. Una excepción a esa regla serían los suelos sometidos a anegamiento temporal, en donde el ambiente reducido determina una interrupción de nitrificación, con acumulación de amonio. El nitrato es un anión muy móvil en el suelo (figura 3). Por ello, las formas de acceso al cultivo es a través del flujo hídrico (“flujo basal”), determinado por la evapotranspiración del cultivo. Así, mientras las plantas agrícolas se encuentre en activo crecimiento (haciendo fotosíntesis y evapotraspirando) los nutrientes móviles como los nitratos, boratos y en menor medida los sulfatos (son móviles pero tienen adsorción específica en las arcillas), ingresarán al área de aprovechamiento radical y serán absorbidos por los cultivos. El nitrato absorbido puede provenir de la mineralización del N orgánico del suelo y del fertilizante. Por el contrario, cualquier limitante que provoque un déficit hídrico (menor abastecimiento de agua al cultivo), también determinará una menor absorción de nutrientes móviles como el N.
Figura 3. Zonas de absorción de nutrientes móviles
y poco móviles en el suelo (Leikam, 2007)
El tipo de raíz y su profundidad determinará la zona de aprovechamiento del N, considerando el riesgo de lixiviación que general su gran movilidad en el suelo. El N que se encuentra en el área de aprovechamiento radical se lo denomina disponible. Cada cultivo (anual, pasturas, frutales, etc.) tienen una arquitectura radicular y una profundidad de raíces específica. Es bastante aceptado que los cultivos de grano anuales, pueden alcanzar una profundidad de 2 m, mientras que en frutales esta profundidad es muy superior y en especies como las hortalizas de hoja, la mayor acumulación de biomasa radical se puede concentrar en pocos cm de profundidad.
Los residuos de cosecha muchas veces se los confunde con ingresos de N al sistema, pero en realidad se tratan de procesos de reciclado, que resultan muy importantes. Cada residuo de cosecha tiene diferente composición (relación Carbono/Nitrógeno o C/N, proporción de lignina, etc.) que determina diferentes ritmos de degradación. En términos generales los residuos de gramíneas (trigo, maíz, etc.) tienen relaciones C/N más elevados y los de leguminosas mas bajos. La dinámica de liberación y retención de N por parte de residuos de cosecha será ampliada en futuros posteos.
¿Cuándo resulta importante el aporte atmosférico de N?
Otras de las formas de ingreso de N a los agroecosistemas es el aporte atmosférico de N, básicamente a través de la lluvia. En ambientes sin polución atmosférica de Argentina (Rafaela, Pcia. De Santa Fe) un solo estudio de Hein y col (1981) determinó para una lluvia de 1100 mm/año, un aporte del orden de los 14 kg/ha/año de N. Desde el punto de vista agronómico y pensando en un ciclo de cultivo (que es menor al año) la contribución del N de las lluvias es muy bajo. Muy diferente puede resultar el caso de sistemas agrícolas cercanos a plantas de fabricación que liberen en sus emisiones compuestos nitrogenados. Ejemplos de este tipo de pueden dar en campos cercanos a plantas de amoníaco, que fabriquen fertilizantes nitrogenados, pero son casos puntuales.
En futuros posteos continuaremos con la “serie” de ciclo del nitrógeno, describiendo los restantes mecanismos de ingreso y regreso de N del sistema, y posteriormente haremos lo mismo con los demás nutrientes.
Ing.Agr. Esp. Martín Torres Duggan