El ciclo del nitrógeno en el suelo y su importancia en la fertilización vegetal
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El ciclo del nitrógeno (N) en el suelo es una parte integrante del ciclo global del N. El N del suelo se deriva originalmente del gas N atmosférico, N2. Los microorganismos del suelo, sean de vida libre o asociados simbióticamente con plantas, fijan N 2 formando N orgánico a la forma de grupos aminos, -NH2, en las proteínas. Este N pasa entonces a formar parte de la materia orgánica del suelo.
Una característica principal del ciclo interno del N es su transformación continua desde la fase orgánica (N insoluble) a la fase inorgánica o mineral (N soluble) a través de los procesos de mineralización e inmovilización respectivamente, y realizados por la biomasa microbiana. Ambos procesos ocurren simultáneamente en el suelo; si el efecto neto es un incremento o disminución del N mineral disponible para las plantas depende principalmente de la relación carbono (C)/N en los residuos orgánicos que se degradan o descomponen en el suelo.
Las transformaciones (‘turnover’) de otros nutrientes, especialmente el fósforo (P) y el azufre (S), están estrechamente asociadas a las transformaciones bioquímicas del N. La descomposición de la materia orgánica convierte parte del N orgánico en N -mineral, de allí el término mineralización, denominación que se aplica a los iones amonio, NH4+, nitrito, NO2- y nitrato, NO3-. El N mineral, principalmente amonio y nitrato, es absorbido por las plantas o asimilado por los microorganismos y convertido a N orgánico . Muchos de los problemas medioambientales relacionados con la agricultura están relacionados, directa o indirectamente, con el nitrógeno.
Conversiones del N en el suelo
El N del suelo se mueve (flujos) continuamente desde una forma a otra como resultado de la actividad de las plantas y microorganismos.
Mineralización es la transformación microbiana del N orgánico a N inorgánico o mineral
NH2-orgánico – NH4+
Inmovilización es la conversión de N-mineral a N orgánico. Ocurre cuando los microorganismos no pueden satisfacer sus necesidades de N desde los materiales orgánicos de los cuales se están alimentando. Como resultado estos incorporan N-mineral:
NH4+ y NO3- – NH2-orgánico
Mineralización neta. Porque la mineralización e inmovilización ocurren al mismo tiempo es difícil separarlas. Normalmente el cambio en la cantidad de N-mineral acumulado en el suelo se mide dentro de un período de tiempo dado, y considerando las pérdidas por lixiviación, desnitrificación y volatilización (ver más abajo), se calcula un efecto neto.
Puede haber una ganancia (mineralización neta) o pérdida de N-mineral, la última constituyendo una inmovilización neta.
Nitrificación es la oxidación de N-amonio a nitrito y nitrato por microorganismos específicos:
NH4+ – NO2- – NO3-
Nitrosomonas Nitrobacter
Fijación de N es la conversión de N2 en la atmósfera del suelo a NH4+ por grupos especializados de microorganismos. El NH4+ es entonces asimilado a N-orgánico:
N2 – NH4+ – NH2-orgánico
En ecosistemas agrícolas la asociación simbiótica de las leguminosas y bacterias del género Rhizobium y Bradyrhizobium es muy importante, considerando las cantidades de N2 fijado. Su equivalente en ecosistemas forestales lo constituye la asociación del actinomiceto Frankia con plantas no leguminosas (Angiospermas).
Desnitrificación es la pérdida de gases nitrógeno y óxido nitroso desde el suelo bajo condiciones anaerobias. Nitrato y nitrito son reducidos a estos gases por microorganismos:
NO3- y NO2- – N2O – N2
Volatilización es la pérdida de gas amoniaco desde el suelo. Bajo condiciones alcalinas los iones amonio son convertidos a moléculas de amoniaco en solución las cuales después pueden ser liberadas a la atmósfera del suelo:
NH4+ + OH- > NH3 + H2O
Este proceso es estrictamente químico y no hay intervención de microorganismos
Lixiviación del nitrato es el proceso por el cual el nitrato se pierde desde el suelo por flujo de masa a las aguas de drenaje. El nitrato no es adsorbido por las partículas del suelo a menos que ellas generen cargas positivas (ejemplo, suelos ácidos de origen volcánico, y húmedos del trópico)
Erosión y escurrimiento superficial. Considerables cantidades de N se pueden perder desde el suelo por erosión o escurrimiento superficial. Asumiendo una pérdida de 3×1012 kg de suelo agrícola y un contenido promedio de N de 0.15%, una cantidad estimada de 4.5×109 kg de N se podrían perder anualmente.
El ciclo del N se completa por la absorción de la planta desde el suelo, por adiciones directas desde la atmósfera (como nitrato, amoniaco, y gases de óxido de N los cuales son convertidos a nitrato en el suelo) y la adición de fertilizantes, residuos de cultivos, estiércoles animales o lodos biológicos (ejemplo, tratamiento de aguas servidas).
La absorción de N por las plantas.
Las plantas absorben compuestos solubles de N, tanto en la forma de nitrato (que constituye la forma dominante de N soluble en el suelo) como a la forma de amonio. El equilibrio varía según las circunstancias y las especies, pero en general, el nitrato constituye la fuente principal de N para los cultivos. Los microorganismos pueden utilizar ambas formas como fuentes de N pero en general prefieren amonio.
En los ecosistemas agrícolas las fuentes de N, además de las adiciones atmosféricas (que controlan la productividad de los ecosistemas naturales), están las aplicaciones de fertilizantes tanto inorgánicos como orgánicos (estiércoles, lodos, composts). El cálculo preciso de los requerimientos de N por los cultivos depende de nuestro conocimiento de la s tasas de mineralización del N en el suelo (la velocidad de transformación de la fase orgánica a la inorgánica) y la demanda de los cultivos.
Los factores que influencian la tasa e mineralización del N son los siguientes:
La cantidad de materia orgánica del suelo y su contenido. Ésta es el sustrato (alimento) para la actividad microbiana. En general, a cantidades mayores de materia orgánica, mayor será la actividad, con una sustancial parte del N mineralizado originado de la descomposición de residuos de cultivo frescos o recientes. Sin embargo para que ocurra una mineralización neta, la relación C/N de la materia orgánica en descomposición debe ser inferior a 30/1 (más de 1.8% de N). La descomposición de residuos o paja de trigo resultará en una inmovilización neta, al menos inicialmente, mientras que residuos de leguminosas al descomponerse producirán una mineralización neta.
Relaciones C/N típicas de algunos materiales orgánicos.
Material C/N
Biomasa microbiana 6-12
Lodos biológicos 5-14
Humus del suelo 10-12
Estiércoles animales 9-25
Residuos de leguminosas y abonos verdes 13-25
Residuos de cereales y paja 60-80
Desechos (leñosos) forestales 150-500
Composts 15-20
Cambios en los niveles de NO3- durante la descomposición de residuos de cultivo en el suelo: Durante el proceso de descomposición de residuos con un bajo contenido de N. Bajo condiciones favorables a la actividad microbiana, ocurre una degradación rápida de aquellos con la consecuente liberación de cantidades considerables de C como CO2. Para satisfacer las necesidades de N de los microorganismos, se consume N mineral; y por lo tanto se produce inmovilización neta de N. Sin embargo, cuando la relación C/N del material que se descompone ha disminuido a un valor aproximado de 20, los niveles de NO3- aumentan otra vez debido a mineralización neta.
El tiempo requerido por los microorganismos para bajar la relación C/N de los residuos a un nivel donde las formas minerales de N se acumulan dependerá de factores como el clima, la tasa de aplicación, el contenido de lignina, el grado de contacto del material y los microorganismos, y el nivel de actividad de la microflora del suelo. Es razonable estimar que bajo condiciones favorables a la actividad microbiana, mineralización neta ocurrirá después de cuatro a ocho semanas de descomposición activa. Por lo tanto, si se incorporan residuos con una relación alta de N, inmediatamente antes de la siembra, se deberá proporcionar fertilizante-N extra para evitar la muerte del cultivo. Una regla general es agregar 1 kg de N por cada 100 kg de residuos adicionados.
El manejo agronómico. Se deben considerar una combinación de factores. Cuando las plantas mueren y se incorporan al suelo conjuntamente con los residuos de los cultivos , la aireación del suelo se mejora, condición favorable a la actividad microbiana. Normalmente la tasa de mineralización aumenta.
Otros factores que influencian la actividad microbiana y por lo tanto la tasa de mineralización son el contenido de agua, la temperatura, el pH y la aireación del suelo
El contenido de agua. El suelo debe estar húmedo para que los microorganismos estén activos. El re-humedecimiento de un suelo seco produce un incremento dramático (‘flush’) de la actividad microbiana.
La temperatura. Los distintos grupos de microorganismos del suelo tienen un rango de temperaturas regulando las transformaciones que realizan (temperatura mínima, optima y máxima). La tasa e metabolismo de los microorganismos aumenta en un factor 3 por cada 10°C de aumento en temperatura, hasta alcanzar un óptimo.
pH. Condiciones ácidas reducen la tasa de descomposición de la materia orgánica y la liberación de N-mineral, resultando en la acumulación de residuos de plantas parcialmente descompuestos en la superficie de suelos ácidos. El encalado aumenta la tasa e mineralización y mejora el suplemento de N-mineral a las plantas.
Aireación. Condición estrechamente relacionada al contenido de agua o niveles de compactación del suelo. Condiciones anaerobias disminuyen la actividad microbiana, causando la acumulación de materia orgánica (turbas) en áreas que se inundan y un suplemento reducido de N-mineral.
Por lo tanto, las máximas tasas de mineralización ocurren en suelos con altos contenidos de materia orgánica, húmedos y con altas temperaturas. Las estaciones del año, otoño y primavera, además de la incorporación de grandes cantidades de residuos frescos como práctica agronómica, son algunas de las condiciones anteriormente descritas, que favorecen la actividad microbiana, y consecuentemente la liberación de nutrientes.
Determinación de la absorción de N por las plantas.
La absorción de N por las plantas, puede estudiarse mediante el empleo de fertilizantes enriquecidos en el isótopo de nitrógeno estable 15N. Este último presenta igual número atómico (protones) que el 14N pero con diferente número de masa (protones + neutrones). Por ejemplo, 1428N, 1429N. Los resultados de estudios de absorción con 15N varían dentro de amplios límites. Algunos resultados típicos encontrados por diferentes autores se muestran en el Cuadro 2.
Balance de 15N en un sistema suelo-planta%
Absorbido por el cultivo (parte aérea) 40-60
Incorporado en la materia orgánica del suelo 20-50
En forma mineral en el suelo (complejo arcilla-amonio) 5-20
Perdido por desnitrificación y volatilización 2-30
Perdido por lixiviación 2-10
La proporción de N aplicado absorbida por el cultivo se ve afectada por muchos factores, entre los que se incluyen las especies de cultivo, el clima y las prácticas de manejo agronómicas. La tasa de absorción varía también según la fase de desarrollo de la planta. Un trigo de invierno, necesita de solo pequeñas cantidades de N en otoño; en el invierno el cultivo está casi en un estado de dormancia. La absorción aumenta lentamente en primavera para posteriormente y en un período aproximado de dos meses alcanzar las tasas máximas de absorción. El rápido crecimiento del cultivo demanda en promedio cerca de 1.6 kgN ha -1 día-1, aunque en días asoleados y calientes, que producen un rápido crecimiento, las tasas de absorción pueden alcanzar hasta 6 kgN ha-1 día-1. Idealmente el suplemento de N debería sincronizar esta distribución de demanda. Sin embargo, en la práctica una buena aproximación es parcializar las aplicaciones de N (por ejemplo 1/3 al momento de la siembra; 2/3 al tiempo de macolla).
Estudios experimentales informan que a mayor número de aplicaciones parciales, la eficiencia de uso del N aumenta. Un cultivo como las papas tiene una tasa de absorción más uniforme durante toda la temporada.
La capacidad de una planta para agotar el nitrato del suelo depende de muchos factores:
• De la duración de la temporada de crecimiento
• De la profundidad de la formación de raíces y la densidad de éstas. Las empastadas tienen una alta densidad de raíces, en tanto que los cereales de invierno, raps y la remolacha azucarera tienen raíces profundas para explotar las capas inferiores del suelo.
• De la disponibilidad de otros nutrientes. Las deficiencias de P y S, por ejemplo limitarán la absorción de N.
• De la incidencia de enfermedades. Las enfermedades de los cultivos producidas por hongos pueden reducir la absorción de N.
• De la humedad del suelo. Las condiciones excesivamente secas o húmedas limitarán la absorción de N.
Conclusiones
El conocimiento actual del ciclo del nitrógeno en el suelo y su interacción con el ciclo global o universal nos permite concluir que la correcta estrategia para un manejo del N en ecosistemas agrícolas es maximizar las entradas del elemento al suelo y disminuir sus salidas desde el suelo a la atmósfera y aguas superficiales o profundas. Por otro lado para optimizar la eficiencia de uso del N es necesario sincronizar la demanda del cultivo con el suplemento entregado, ya sea naturalmente por el suelo o aquel proporcionado por los agricultores. Igualmente, la determinación de la tasa de mineralización del suelo permitiría ajustar las aplicaciones de N según los requerimientos del cultivo en la estación de crecimiento. Así, la incorporación de leguminosas en la rotación, el reciclaje de residuos de los cultivos, las prácticas de fertirriego, aplicaciones parciales del nutriente en la estación de crecimiento, y con las mayores aplicaciones durante la fase de mayor demanda, el desarrollo de un ‘test’ apropiado para cuantificar los aportes de N del suelo, entre otros, constituyen algunas de la buenas prácticas agronómicas y/o herramientas que permitirían desarrollar una estrategia de manejo del nutriente como la señalada anteriormente.
Fuente: agroforesteria.wordpress.com
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