Ciclo del Nitrógeno en el Suelo

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 (ver más abajo) . 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.

 Fuente: Rowell (1996)

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 amoníaco desde el suelo. Bajo condiciones alcalinas los iones amonio son convertidos  a moléculas de amoníaco 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, amoníaco, 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.

Cuadro l. 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

Fuente: Stevenson (1999)

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,  minerali zación  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.

Resultados de estudios realizados en Chile indican porcentajes de absorción de N del fertilizante aplicado  en el rango 20-60 %, en cereales como trigo (Triticum aestivum L.) y maíz (Zea mays L.)

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

Fuente: Bockman y otros (1993)

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 (Solanum tuberosum  L.)  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 (Brassica napus  L.)  y la  remolacha  (Beta vulgaris L.)  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 culti vo 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 permit irían desarrollar una estrategia de manejo del nutriente como la señalada anteriormente.

Literatura.

Bockman O. Chr., O. Kaarstad, O. H. Lie e I. Richards. 1993. Agricultura y fertilizantes.

0stlands-Posten, Larvik, Noruega

Rowell,  D. L. 1996. Soil science: Methods  and applications.  Addison  Wesley Longman

Limited,  Essex, England.

Stevenson, F. J. and M. A. Cole. 1999. Cycles of soil. John Wiley and Sons, New York, United States.

Pino, I., A. Peyrelongue, y M. Buneder. 1996. Evaluación de fuentes nitrogenadas ( 15N) en tres  variedades  de  trigo, en  un Andisol  y Ultisol de  la  IX  Región. II  Parámetros isotópicos y uso eficiente de los fertilizantes. Agricultura Técnica (Chile) 56, 181-192.

Vidal I., E. Zagal, L. Longeri and J. M. Hetier. 2000. Increasing nitrogen-use efficiency by wheat in volcanic ash soils. p. 159-115. In Optimizing nitrogen fertilizer application to irrigated wheat. Technical Document (IAEA-TECDOC)-1164.  International Atomic Energy Agency, Vienna, Austria.

Zagal, E., N. Rodríguez, I. Vidal y G. Hofmann. 2003. Eficiencia de uso y dinámica del nitrógeno  en una rotación  con y sin uso de residuos.  Agricultura Técnica (Chile) 63, 298-310.

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