CAPÍTULO IV FERTILIDAD DE SUELOS Y FERTILIZANTES Hugo Eduardo Castro Franco* Manuell Iván Gómez Sánch Manue Sánchez** ez**
* I.A., I.A., MSc. Manej Manejoo de Suelos. Suelos. Profes Profesor or titular titular.. Facultad Facultad de Agro Agronomí nomía. a. Univers Universidad idad Pedagógica y Tecnológica de Colombia (UPTC). Coordinador Grupo Interinstitucional de Investigación en Suelos Sulfatados Ácidos Tropicales, Gissat. Correo electrónico: hcastrofranco@ yahoo.com.mx ** I.A., MSc. Suelos- Aguas y Nutrición Vegetal. Vegetal. UNAL, UNAL, UPCT. UPCT. Director de Investigación Investigación y Desarrollo Microfertisa S.A. Correo electrónico:
[email protected];
[email protected]
CONTENIDO
Pág. INTRODUCCIÓN
........................................................................................... 217
1. NUTRIENTES EN LA RELACIÓN SUELO-PLANTA-AMBIENTE....... 1.1. Esencialidad y función de nutrientes .................................................... 1.1.1. Criterio de esencialidad. ........................................................................ 1.1.2. Clasificación y distribución de los elementos nutrientes en la planta .......................................................................... 1.1.3.Función de los nutrientes en la producción de cultivos................. 1.2. Movilidad y absorción de nutrientes ....................................................
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2. FACTORES Y PROCESOS RELACIONADOS CON LA FERTILIDAD DEL SUELO Y LA DISPONIBILIDAD DE NUTRIENTES ........................................................................................... 2.1. Factores del suelo....................................................................................... 2.1.1.Significado de la mineralogía en el aporte de nutrientes .................. 2.1.2.Procesos físicos en el manejo de nutrientes ....................................... 2.1.3.Procesos químicos y manejo de nutrientes........................................ 2.1.4.Procesos biológicos, materia orgánica y ciclaje de nutrientes ........................................................................................... 2.2. Factores del cultivo ................................................................................... 2.3. Factores ambientales ................................................................................. 2.3.1.Luz ............................................................................................................. 2.3.2.Temperatura ............................................................................................. 2.3.3.Humedad y agua atmosférica ...............................................................
240 242 245 245 246 246
3. HERRAMIENTAS DE DIAGNÓSTICO PARA EL MANEJO DE LA FERTILIDAD........................................................................................ 3.1. Identificación de síntomas de deficiencia y toxicidad......................... 3.2. Análisis de suelos: muestreo, calibración e interpretación ............... 3.2.1. Muestreo .................................................................................................. 3.2.2. Calibración e interpretación ................................................................ 3.3. Análisis de foliares: muestreo, calibración e interpretación ............. 3.3.1. Muestreo .................................................................................................. 3.3.2. Calibración e interpretación ................................................................
248 249 250 252 253 256 256 256
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Pág. 4. RECOMENDACIÓN DE NUTRIENTES ..................................................... 260 4.1. Método basado en antecedentes agronómicos de respuesta por cultivo ......................................................................... 263 4.2. Método de balance suelo-planta........................................................... 264 4.3. Método de balance mediante ajuste foliar-extracción ...................... 266 5. ENMIENDAS CALCÁREAS Y SU MANEJO EN EL CONTROL DE LA ACIDEZ ................................................................................................. 5.1. Materiales de encalado ............................................................................ 5.2. Manejo de la acidez intercambiable ..................................................... 5.2.1. Neutralización total o parcial de la concentración del aluminio ........................................................................................... 5.2.2. Estimación de dosis de cal basada en el porcentaje de saturación de aluminio ..................................................................... 5.2.3. Estimación de dosis de cal basada en la saturación de bases ....................................................................... 5.3. Mejoramiento químico integral de suelos ácidos mediante el uso combinado de materiales encalantes........................................
267 267 271 274 275 275 276
6. USO DEL YESO AGRÍCOLA Y AZUFRE ELEMENTAL COMO ENMIENDAS ......................................................................................
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7. ENMIENDAS ORGÁNICAS .......................................................................... 7.1. Estiércoles.................................................................................................... 7.2. Abonos verdes ........................................................................................... 7.3. Residuos de cosecha .................................................................................. 7.4. El compost ..................................................................................................
280 281 282 282 283
8. FERTILIZANTES MINERALES Y SU MANEJO ....................................... 8.1. Expresión del contenido nutricional..................................................... 8.2. Grado ........................................................................................................... 8.3. Clases de fertilizantes ................................................................................ 8.4. Propiedades de los fertilizantes ............................................................... 8.4.1. Granulometría ........................................................................................ 8.4.2. Humedad relativa crítica....................................................................... 8.4.3. Solubilidad ............................................................................................... 8.4.4. Equivalente de acidez o basicidad residual ....................................... 8.4.5. Índice de salinidad .................................................................................. 8.5. Compatibilidad química en mezclas de fertilizantes........................... 8.6. Método de aplicación de fertilizantes sólidos ...................................... 8.7. Aplicación foliar de fertilizantes .............................................................
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BIBLIOGRAFÍA ........................................................................................................
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INTRODUCCIÓN Las plantas necesitan alimentarse. La nutrición mineral es el proceso fisiológico de absorción, transporte y utilización de asimilados por los cultivos. Los elementos involucrados en este proceso son los nutrientes , los cuales son exclusivamente de naturaleza inorgánica o mineral. La fertilidad del suelo está referida a la capacidad de aporte de agua y nutrientes esenciales que se encuentran interactuando entre la fase coloidal y la solución del suelo. Un suelo fértil no necesariamente es un suelo productivo, es el caso de un suelo compactado saturado y uno salino, que pueden tener alta concentración de nutrientes pero en desequilibrio iónico o con limitantes en la toma de agua para el normal crecimiento de los cultivos. Un adecuado diagnóstico de la fertilidad natural del suelo contribuye de manera importante al manejo integral de los nutrientes, pues a través de indicadores es posible conocer la reserva aprovechable de los elementos en el suelo y seleccionar las tecnologías de fertilización y fuentes de abonos más apropiados. Respecto al contexto ambiental, la fertilidad del suelo no es suficiente para el crecimiento de las plantas; el clima juega un papel importante y determinante en muchos casos. Por ejemplo, se puede tener un suelo fértil y que debido a heladas o falta de riego limite la obtención de buenas cosechas, en cuyo caso, tendríamos un suelo fértil con limitaciones que pueden hacerlo temporalmente improductivo. En la gestión de la fertilidad del suelo, la determinación del uso de nutrientes para el cultivo reconoce tres etapas sistemáticas: diagnóstico e interpretación, recomendación de nutrientes y uso de fertilizantes. La fertilización está relacionada con el conjunto de actividades y condiciones que conllevan a asegurar a la planta las cantidades adecuadas de
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elementos esenciales, que le permitan expresar su potencial genético mediante procesos de nutrición mineral eficientes. En resumen, la fertilización está asociada con las prácticas o tecnologías para el aporte de nutrientes y la nutrición con el proceso fisiológico de alimentación de la planta. En consecuencia, el manejo de una fertilización adecuada, suficiente y balanceada resulta imperante para optimizar rendimientos en los cultivos. La fertilización debe integrar el uso de diferentes técnicas (granulada, líquida, foliar, fertirrigación e inyección) y tecnologías (biológica, orgánica, química) en la formulación de fertilizantes. Las prácticas de fertilización y el uso de fertilizantes y enmiendas pueden representar entre 25% y 40% de los costos de producción de los cultivos. Del uso adecuado de estas prácticas depende en gran medida el incremento de los rendimientos, la calidad de las cosechas, la rentabilidad de la agricultura y la sostenibilidad del agrosistema. El presente capítulo tiene como objetivo fundamentar el conocimiento aplicado a la enseñanza de los temas que integran el manejo de la fertilidad del suelo y el uso de fertilizantes. Su contenido describe los principios generales de la nutrición vegetal, incluyendo los factores que dentro de la relación sueloplanta-ambiente influyen en el comportamiento y manejo de nutrientes esenciales. En el contexto de la fertilidad del suelo se aporta igualmente las herramientas básicas para interpretar, diagnosticar y recomendar de forma integral la fertilización de cultivos.
1. NUTRIENTES EN LA RELACIÓN SUELO-PLANTA-AMBIENTE La fertilidad del suelo se mantiene cuando la salida de elementos nutritivos (exportaciones) es compensada por la entrada de los mismos (aportaciones). Si las exportaciones son superiores a las aportaciones, la fertilidad del suelo disminuye (Alarcón, 2000). Entender la dinámica nutricional a través de la relación suelo-planta-ambiente constituye el punto de partida para lograr un manejo eficiente de nutrientes, que responda a las verdaderas necesidades nutricionales de los cultivos. Como se muestra en la Figura 1, la planta utiliza la energía del sol, el aire del ambiente (oxígeno, carbono), el agua y nutrientes provenientes de la solución del suelo para producir biomasa (alimentos y bioenergía), mediante el proceso vital de la fotosíntesis. Dependiendo de la oferta edafo-climática y del balance de entradas y salidas del sistema suelo-planta-ambiente, en la mayoría de los casos y en diferente grado se requiere de riego, fertilizantes y enmiendas para suplementar requerimientos hídricos y nutricionales no satisfechos.
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Figura 1. Ilustración de cómo una planta utiliza el agua, los nutrientes del suelo y el oxígeno del aire para la formación de carbohidratos (A), grasas (G) y proteínas (P). (Potash & Phosphate Institute, 1988).
1.1. Esencialidad y función de nutrientes
1.1.1. Criterio de esencialidad. Los nutrientes esenciales requeridos por las plantas superiores son de naturaleza inorgánica, lo cual las distingue de las demás especies animales y microorganismos que requieren compuestos orgánicos (Mengel, Kirkby; 2000). Lo anterior supone que cualquier manejo de los elementos nutritivos debe tener en cuenta que estos se encuentran de forma mineral y directa en la solución del suelo (por ejemplo, la fertilización líquida) o indirecta mediante la activación biológica de reservas minerales del suelo. Mediante experiencias con disoluciones nutritivas hechas por Arnon y Stout (citado por Epstein y Bloom, 2005) se establecieron los siguientes criterios de esencialidad para las plantas:
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•
La deficiencia de un elemento hace imposible que la planta complete su ciclo vital.
•
La deficiencia ha de ser específica del elemento en cuestión, y sólo puede ser corregida mediante el suministro de éste.
•
El elemento ha de estar directamente implicado en la nutrición de la planta, con independencia de sus posibles efectos en la corrección de condiciones desfavorables, químicas o microbiológicas, del medio externo.
Algunos investigadores consideran que el segundo criterio no es totalmente correcto. Por ejemplo, se requiere molibdeno para la fijación del nitrógeno, pero en algunas especies, sin embargo, el molibdeno puede ser sustituido por vanadio (V). También el cloro puede ser sustituido, en parte, por bromo (Br). Otro ejemplo, el sodio (Na), no está considerado como esencial, pero está demostrado en la práctica, que su presencia incrementa el rendimiento de numerosos cultivos, además de ser esencial para algunas plantas halófitas ( Atriplex, Amaranthus ) (Mengel, Kirkby, 2000). 1.1.2. Clasificación y distribución de los elementos nutrientes en la planta. Hoy se consideran 17 elementos fundamentales que al estar presentes en cantidades suficientes y balanceadas, junto al agua y la luz, favorecen el proceso de fotosíntesis y concomitantemente la producción de los cultivos (Figura 2).
Figura 2. Elementos esenciales en la producción de cultivos (Castro, 1998).
Casi la totalidad del organismo vegetal (93-96%) se compone de tres elementos, carbono (C), hidrógeno (H) y oxígeno (O). La mayor parte del car bono y el oxígeno, la obtiene la planta del aire, mientras que el hidrógeno lo deriva directa o indirectamente del agua. Además, las plantas contienen y
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necesitan cierto número de elementos químicos que, generalmente, son proporcionados a través del sistema radicular. Estos elementos constituyen la fracción mineral y sólo representan una pequeña parte del peso seco de la planta (4-7%), pero no dejan de ser fundamentales para el vegetal, lo que explica que sean considerados junto con el carbono, el hidrógeno y el oxígeno, elementos esenciales para la nutrición de las plantas (Tabla 1). Tabla 1. Distribución media de los elementos esenciales en la planta (Alarcón, 2000; Salisbury, 1992).
Los elementos esenciales se dividen en macronutrientes (primarios y secundarios) y micronutrientes. Su clasificación guarda correspondencia con el grado de concentración y esencialidad en funciones fisiológicas prioritarias para el desarrollo y crecimiento de la planta. •
Macroelementos (contenidos mayores de 0.1% ) – Estructurales: C, H y O, extraídos del aire (CO 2) o del H2O – Principales: N, P y K – Secundarios: Ca, Mg y S
•
Microelementos: Fe, Mn, Zn, Cu, B, Mo, Cl y Ni (contenidos menores de 200 ppm generalmente).
1.1.3. Función de los nutrientes en la producción de cultivos. Los elementos esenciales son requeridos por las plantas y los cultivos para cumplir satisfactoriamente con procesos metabólicos involucrados con su crecimiento, desarrollo y
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producción. Como lo muestra la Tabla 2, dentro de grupos específicos, los nutrientes esenciales hacen parte de compuestos orgánicos, conforman enzimas y activadores enzimáticos, participan en el transporte y almacenamiento de energía y actúan en la regulación del potencial hídrico, ajuste osmótico y balance electroquímico de las células. Tabla 2. Agrupación de los nutrientes de acuerdo con el tipo de funciones en la planta (Mengel, Kirkby, 2000).
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El sodio (Na), cobalto (Co), silicio (Si) y vanadio (V) son necesarios para algunas plantas. Aunque no son considerados esenciales, se aceptan como benéficos o mejoradores del desarrollo de determinados cultivos, ya que pueden estimular la absorción o el transporte de otros elementos esenciales, limitar la absorción de otros que se encuentren en exceso o suplir parcialmente la falta de algún elemento esencial. Entre la comunidad científica actual existe cierta controversia ante la inclusión del silicio como elemento esencial (Alley, Vanlauwe, 2009). 1.2.Movilidad y absorción de nutrientes
Los elementos nutrientes pueden ser absorbidos por la planta a nivel edáfico y/o foliar de diferentes formas (Figura 3). Su grado de movilidad en la interacción suelo-planta está determinado principalmente por formas iónicas y moleculares que dependen del peso atómico, la valencia y el tipo de movimiento en el suelo, como se evidencia en la Tabla 3. Tabla 3.
Nutrientes esenciales y características prácticas aplicables a su manejo (Castro, et al., 2006; Jungk, 1996).
* La movilidad en la planta está relacionada con el floema .
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La dinámica que gobierna la movilidad de nutrientes en la relación sueloplanta está determinada por: •
Movimiento de iones desde la superficie de los coloides hacia la superficie de la raíz mediante los procesos de transporte (difusión, flujo de masa e intercepción radicular).
•
Movimiento de iones de la superficie de la raíz al apoplasto de la raíz (espacios intercelulares-xilema) mediante flujo pasivo (difusión) y posterior descarga de nutrientes al floema de la célula (simplasto), mediante flujo activo (bombas ATP, proteínas de transferencia).
•
Movimiento de traslocación de iones desde el interior de la raíz a otros órganos de la planta vía xilema-floema (presión radical, difusión, corriente transpiratoria).
Figura 3. Movilidad de elementos minerales en el sistema suelo-planta. (Torrez, Chinchilla, 2006).
En todos los casos para la movilidad ión-raíz en el suelo, es necesario que se encuentre una concentración adecuada del nutriente en la solución del suelo. El contacto ión-raíz en la toma de nutrientes puede ocurrir mediante los procesos referidos a continuación e ilustrados en la Figura 4.
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Figura 4. Movimiento y absorción de nutrientes en la raíz (Melgar, 2003).
• Flujo de masa: movimiento ión-raíz donde los nutrientes entran a la planta debido a la diferencia de potenciales de humedad entre el suelo y la planta. Esta toma de nutrientes depende del contenido de humedad y de la conductividad hidráulica del suelo. Los iones de alta movilidad en el suelo son tomados por flujo de masa: S> Mo> N>Mg>Cl>Ca>B. •
Difusión: cuando la concentración de un nutriente en la superficie de las raíces es menor que en la disolución acuosa del medio de cultivo, en el seno de ésta, los iones se desplazan hacia los puntos de baja concentración hasta alcanzar un equilibrio. En el caso de fósforo y el potasio, este mecanismo es el predominante en suelos naturales, debido a la baja concen tr aci ón que al can za n en la dis olución de l suel o. P>K>Mn>Zn>Fe>B>Cl.
•
Interceptación radicular: volumen de suelo desplazado por el volumen de raíz, depende de las condiciones de aireación del suelo y por ende oxigenación de la rizosfera, concentración y balance nutricional. Los nutrientes que circulan libremente en la solución del suelo son interceptados de manera directa por las raíces. Este proceso de toma puede ocurrir para la mayoría de los elementos. Cu>Fe>Zn>Ca.
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La Figura 4 muestra que los iones pueden ser transferidos directamente de los coloides a la raíz, sin aparecer como iones libres en la solución del suelo. Un ión adsorbido oscila dentro de un pequeño volumen, cuando el volumen de oscilación de un ión coincide en parte con el de otro adsorbido por la raíz (H +), puede establecerse entre ellos un intercambio. Por otro lado el CO 2 liberado por la respiración de la raíz origina ácido carbónico, el cual al ponerse en contacto con la disolución del suelo se disocia en H+ y HCO-3. Los iones H+ difunden hasta el coloide y son intercambiados con los cationes adsorbidos sobre su superficie. 2.
FACTORES Y PROCESOS RELACIONADOS CON LA FERTILIDAD DEL SUELO Y LA DISPONIBILIDAD DE NUTRIENTES
En cada uno de los componentes del sistema suelo-planta-ambiente, existen factores y/o procesos que influyen o afectan la disponibilidad de los nutrientes. Por ejemplo, el clima determina la distribución o fraccionamiento de nutrientes al lado de la textura de los suelos y la escala fenológica de los cultivos. Lo anterior es solo un ejemplo de las múltiples interacciones que se deben considerar para un manejo adecuado de nutrientes con miras a la producción eficiente de cultivos (Tabla 4). Tabla 4.
Factores ambientales, edáficos y del cultivo relacionados con la disponibilidad y manejo de nutrientes (Gómez, Castro, 2009).
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2.1.Factores del suelo
Para entender la fertilidad y capacidad productiva de un suelo es necesario concebir el suelo como un complejo órgano mineral compuesto en general por las fases sólida, líquida, gaseosa y coloidal. Dichas fases interactúan mediante procesos físicos, químicos y biológicos que condicionan la fertilidad natural del suelo y, concomitantemente, la productividad de los cultivos. Las fases del suelo deben proporcionar un equilibrio entre absorción y restitución de nutrientes, cuando esto no ocurre es necesario proveer mediante los fertilizantes dichas necesidades (Figura 5).
Figura 5. Interacción de las fases sólida, cambiable y soluble en la dinámica nutricional de la relación suelo-planta (Gómez, Castro, 2009).
La fase sólida está constituida por partículas minerales y compuestos orgánicos de naturaleza compleja. Los minerales pueden ser primarios (fracción arena), en tanto que los secundarios corresponden a los diferentes tipos de arcilla. Los sólidos orgánicos están constituidos bien por tejidos vegetales o animales frescos, o bien por complejos orgánicos alterados por acción microbial (humus). La fase cambiable o coloidal corresponde al “enjambre iónico” constituido tanto por cationes como por aniones, los cuales, a diferencia de los iones en
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solución, no se encuentran libres sino adsorbidos electroquímicamente a las superficies de los coloides del suelo (arcillas y humus), generalmente provistos de cargas superficiales negativas. La fase soluble está constituida por la solución nutritiva del suelo, integrada por agua y iones en solución (cationes y aniones disueltos), suscepti bles de ser absorbidos por las raíces de las plantas, mediante procesos de contacto comúnmente conocidos como flujo de masa, difusión e intercepción radicular. A la solución del suelo entran los nutrientes que se solubilizan de los minerales primarios, los que se adicionan con los fertilizantes, los que se mineralizan de la materia orgánica, los que se solubilizan de las formas fijadas o inmovilizadas y los que se desorben de las superficies cargadas de los coloides. Se puede decir también que de la solución del suelo salen los nutrientes absorbidos por las plantas, los que se lixivian del perfil, los que son inmovilizados por los microorganismos al alimentarse, los que se precipitan en formas insolubles, los que se fijan en la superficie de los minerales y los que son adsorbidos por las superficies cargadas de los coloides (Espinosa, 2000). La concentración de nutrientes en la solución del suelo es muy baja. Cuando la planta deprime la concentración de nutrientes de la solución del suelo, los nutrientes retenidos en los coloides pasan a la solución para mantener el equilibrio en un proceso muy dinámico que mantienen los nutrientes al alcance de las raíces. La fase cambiable o coloidal define el factor cantidad como la reserva iónica susceptible de intercambio a la solución del suelo. La dinámica de transferencia de iones de la fase intercambiable a la solución del suelo define el llamado factor intensidad. La relación cantidad/intensidad se toma como factor capacidad , término que finalmente valora la verdadera disponibilidad de un determinado nutriente. Según la naturaleza de la fracción cambiable, el factor intensidad puede verse afectado por procesos de fijación de nutrientes. 2.1.1. Significado de la mineralogía en el aporte de nutrientes. Existe una relación directa entre los “materiales parentales” que originan el suelo y su grado de fertilidad. Los procesos de alteración (meteorización-intemperismo) constituyen, en consecuencia, los mecanismos naturales para poner a disposición de las plantas los elementos requeridos para su nutrición, estableciéndose entonces la relación: Roca → Mineral → Elementos Nutrientes, la cual se puede ver interpretada en la Figura 6 y en la Tabla 5. El concepto moderno del suelo, como cuerpo natural organizado, toma en cuenta el material parental como la materia prima sobre la cual actúan los factores formadores (clima, organismos, relieve y tiempo). Agrícolamente, la fertilidad es el producto de los procesos de alteración física, química y bioquímica de los materiales de origen del suelo, sean de carácter mineral y/u orgánico (Castro, 2004).
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Los productos resultantes de este ambiente de alteración son partículas de diferente granulometría (arena, limo y arcilla) y diferente composición química (Figura 6). La dinámica o comportamiento de estas partículas controla directamente la nutrición vegetal (Malagón, 1990).
Figura 6. Resumen de la transformación de la roca (sustrato geológico basal) a minerales primarios y secundarios como indicadores cualitativos de la fertilidad potencial y actual del suelo (Castro, 2004).
La composición mineralógica de las fracciones gruesas (arena y limo) explica las diferencias en los niveles de fertilidad de los diferentes suelos. Los minerales primarios contenidos en la arena y limo representan una importante reserva natural de nutrientes y son los precursores de los minerales secundarios de la fracción arcilla (Mejía, 1994). Si un mineral de la fracción arena que contiene una alta cantidad de elementos requeridos por plantas y animales se altera, su transformación aporta al medio y se considera que el suelo derivado de este material tiene potencialmente alta fertilidad (IGAC, 1995). Directa o indirectamente, la proporción, composición y estructura de las diferentes fracciones (arena, limo y arcilla) que integran la parte inorgánica del
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suelo determinan las características químicas y físicas asociadas con su fertilidad. La Tabla 5 presenta un esquema del aporte de los diferentes minerales a la fertilidad del suelo. Tabla 5. Contenido de elementos que aportan a la fertilidad del suelo varios minerales formadores de rocas (IGAC, 1995).
Además, es conocido que el comportamiento de los suelos depende en buena parte de la mineralogía de las fracciones finas (arcillas) y la textura. En suelos tropicales, la física, la química y la fertilidad y, en consecuencia, el manejo, se alteran sustancialmente con la mineralogía. Los dos sistemas químico minerales encontrados en la fracción arcilla de los suelos son las arcillas de carga permanente y las arcillas de carga variable (Espinosa, 1994). Las esmectitas, representadas por la montmorillonita, son un típico ejemplo de los minerales arcillosos de carga permanente. En la mayoría de los minerales de carga permanente la carga eléctrica superficial es negativa y es balanceada con cationes presentes en la solución del suelo como Ca, Mg y K principalmente. Estos cationes son una importante fuente de nutrientes para las plantas y esta capacidad de retener y suplir cationes es usada como un índice de la capacidad productiva del suelo. Las arcillas de carga permanente aparecen en varios lugares de los trópicos donde la intemperización (envejecimiento) del suelo no ha sido drástica, como en las áreas de moderada a baja precipitación en Colombia (Valle del Cauca y Región Caribe) (Espinosa, 2000).
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En los suelos altamente meteorizados de los trópicos de Colombia, las arcillas de carga permanente han sido severa o completamente alteradas, originando arcillas de carga variable, de modo que la carga eléctrica de la superficie es producto de la adsorción de iones determinantes, principalmente el hidrógeno (H+) y los hidroxilos (OH-). La adsorción de estos iones en la superficie de los minerales arcillosos de carga variable depende del pH de la solución del suelo y por esta razón se denominan también arcillas de carga dependiente del pH. Una notable excepción en el trópico son los suelos jóvenes de los Andes formados en deposiciones recientes de ceniza volcánica. Si bien estos suelos son relativamente más jóvenes, tienen como principal característica el hecho de que los minerales arcillosos, producto de la meteorización de la ceniza volcánica, son también minerales de carga variable (Espinosa, 1994). Como se puede observar en la Tabla 6, la proporción, naturaleza, y estructura específica de los minerales arcillosos influyen directa o indirectamente en el comportamiento físico-químico y en la fertilidad del suelo. Tabla 6. Resumen de las características de los minerales arcillosos como indicadores de fertilidad del suelo (Benavides y Forero, 1978, citados por Castro, 1998 ).
*E.I. = Espacio Interlaminar; (A°) = Angstrom = 10 cm. ** C.I.C. /100 g material -8
Los coloides del suelo, representados por la fracción mineral (arcillas) y por la fracción orgánica (humus), conforman el complejo órgano-mineral que representa la fertilidad actual del suelo. La acumulación de humus en el suelo incrementa la fertilidad al aumentar la CIC (Castro, 1998). Resulta entonces muy útil reconocer que la interpretación de la fertilidad está influenciada por el grado de evolución de los suelos. En suelos
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jóvenes (Entisoles, Vertisoles e Inceptisoles), la fertilidad actual es función de los minerales arcillosos predominantes (montmorillonita, illita de carga permanente) y de los aportes de materia orgánica. En contraste, la fertilidad actual de los suelos seniles (Alfisoles, Ultisoles, Oxisoles), de alto grado de transformación del material parental y pérdidas generalizadas de elementos nutritivos, como consecuencia del envejecimiento, depende, en buena parte, de la fase orgánica para mantener las características de fertilidad (Espinosa, 1994). Por ejemplo, para explicar la relación entre mineralogía y fertilidad en los Andisoles e integrados ándicos, se caracteriza la proporción y la naturaleza de materiales amorfos producto de la intemperización de ceniza volcánica, junto con otros minerales arcillosos, los cuales influyen directa o indirectamente en múltiples aspectos del comportamiento físico-químico y de la fertilidad de los suelos cultivados, como se describe a continuación: •
La baja densidad aparente (0,8 – 1 g.cm -3), implica en el manejo alta porosidad, mayor retención de humedad y mayor superficie específica de contacto por unidad de área respecto a suelos con minerales cristalinos.
•
Suelos de carga variable dependiente del pH que implica mayores aplicaciones de nutrientes y enmiendas.
•
Inactivación del K+.
•
Alta materia orgánica con bajas tasas de mineralización y sumado a complejos de aluminio se presenta una relación directa con la fijación de fosfatos. Aunque los Andisoles paperos en Colombia generalmente presentan contenidos entre medios y altos de materia orgánica, expresados como carbono orgánico, su índice de mineralización es bajo de bido a la inactivación de las bacterias nitrificantes por efecto de las bajas temperaturas y la concentración de aluminio. En estas condiciones la materia orgánica no es un índice de la disponibilidad de nitrógeno para la planta, por ello el manejo debe ir encaminado a la activación de la flora del suelo con materiales orgánicos de relaciones C/N < a 15 (estiércoles, gallinazas descompuestas).
•
Presencia de óxidos de Al y Fe en las reacciones de intercambio y fijación de fosfatos en la solución del suelo.
2.1.2. Procesos físicos en el manejo de nutrientes. El concepto de fertilidad física se refiere a la oferta edafológica que el suelo debe brindar a las raíces de las plantas para que éstas logren un crecimiento vigoroso y rápido. De esta forma, los cultivos aseguran la extracción adecuada de agua y nutrientes y pueden expresar su máxima capacidad productiva (Amézquita, 2003). La Tabla 7 presenta los indicadores más importantes a tener en cuenta en la calificación de la fertilidad física del suelo.
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Tabla 7. Indicadores para calificar las condiciones físicas en el diagnóstico integrado de la fertilidad del suelo (Castro, 2004).
*CC: capacidad de campo; AA: agua aprovechable; PS: punto de saturación; PM: punto de marchitez; DPM: diámetro ponderado medio; COEL: coeficiente de extensibilidad lineal; n= A-0.2R/L+3H (A= humedad de campo, R= % limo+% arena, L= % arcilla, H= % materia orgánica).
La fertilidad física del suelo puede ser natural o inducida mediante sistemas adecuados de manejo, especialmente los relacionados con labranza, riego, drenaje y control de salinidad. Un suelo de buena calidad física permite que el agua penetre y se distribuya fácilmente dentro del volumen de suelo ocupado por las raíces. Además, permite que el suelo se acomode a la presión ejercida por las raíces en crecimiento. El suelo debe tener una porosidad de por lo menos 50%, con una buena distribución de macro, meso y microporos, para facilitar el almacenamiento y movimiento de agua y aire. Por ejemplo, los suelos de textura fina presentan mayores posibilidades de contacto con los pelos absorbentes y también mayor facilidad de actuación de los agentes de alteración que promueven la liberación de nutrientes asimilables, con menos pérdidas de nutrientes; caso contrario sucede en suelos de texturas gruesas, con mayor tendencia a la compactación (Castro, et al., 2006). Bajo compactación la absorción mineral queda inhibida por la ausencia de oxígeno; a medida que la atmósfera del suelo disminuye el oxígeno, es menor la respiración de las raíces y la absorción mineral. Generalmente las raíces disminuyen su absorción hasta valores inferiores al 10% de espacio aéreo en el suelo, aunque esto depende mucho de la especie en cuestión (para el arroz el valor crítico se sitúa en 3%).
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En general, el manejo de la fertilidad física debe propender por el aporte adecuado de aire (oxígeno) y agua para el normal crecimiento de los cultivos, es un factor primordial en el manejo integral de la fertilidad del suelo y en la expresión de la dinámica química y biológica que conlleva a la disponibilidad de nutrientes. 2.1.3. Procesos químicos y manejo de nutrientes Reacción del suelo (pH). Esta propiedad química afecta muchos procesos físicos, biológicos y de disponibilidad de nutrientes como se observa en la Figura 7. A determinados valores de pH, algunos elementos pueden formar compuestos insolubles: la precipitación de hierro, manganeso y co bre en medios alcalinos; la precipitación del fósforo en suelos ácidos ricos en hierro y aluminio, o en suelos básicos con el calcio. En suelos cálidos y básicos particularmente calcáreos, también pueden producirse pérdidas por volatilización de nitrógeno en forma amoniacal: NH 4+ + OH- → NH 3↑ + H2O.
Figura 7. Relación entre la reacción del suelo y procesos que influyen en la disponibilidad de nutrientes (Gómez, Castro, 2009).
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Además, la actividad de los microorganismos puede quedar inhibida en determinadas condiciones de pH; por ejemplo, la nitrificación se mitiga significativamente en medios extremadamente ácidos (pH < 4,5) o alcalinos (pH > 8), con lo que se limita la asimilación del nitrógeno y el proceso de mineralización de otros elementos como fósforo y azufre (Figura 7). Implicaciones del complejo de cambio. Conociendo esta propiedad se puede predecir la fertilidad potencial y la fertilidad actual del suelo. Los suelos de carga permanente (arcillas 2:1) tienen una mayor fertilidad potencial por tener mayor capacidad de intercambio catiónico (CIC). Los suelos de carga variable (minerales amorfos en suelos seniles) son generalmente de baja CIC y, en consecuencia, de baja fertilidad. Un claro ejemplo de esta condición, se puede detectar al comparar en Colombia los suelos de la Meseta de Ibagué (CIC del orden de 15-20 cmol. Kg-1) y los de la altillanura (CIC<5 cmol. Kg -1).
Conocer el estado del complejo de cambio permite inferir propiedades relacionadas con la riqueza de los coloides, capacidad buffer, acidez, tipo de material parental, requerimientos de enmiendas, fertilización y hasta comportamiento físico (lixiviación), lo cual en conjunto es un índice que expresa la capacidad productiva de un suelo (Figura 8).
Figura 8. Capacidad productiva de un suelo vista por la relación del pH, las bases intercambiables y la CICE (Adaptado y complementado de Torrez y Chinchilla, 2006).
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En cuanto a la concentración y saturación catiónica, un complejo de cam bio con adecuado balance de bases respecto a la CIC debería tener 55-65% de calcio, 15-20% de magnesio y 3-5% de potasio. De otra parte, cuando la saturación de algunos elementos muestra tendencia alta como el caso de aluminio (>25%), sodio (>10 %), magnesio (> 30%), puede ocurrir una alta probabilidad de encontrar bloqueos y desbalances iónicos. Además, la saturación catiónica, según el caso, puede llevar a la tipificación de suelos álicos, sódicos o magnésicos. Los elementos relacionados con las propiedades de cambio son los cationes y la presencia de unos u otros depende del grado de acidez del suelo, del origen de las cargas (arcillas + materia orgánica) y de propiedades del elemento como energía de retención, radio iónico y valencia. Los cationes son adsorbidos con diferente intensidad en el coloide, por ello se establece la siguiente energía de retención (Mengel, Kirkby, 2000): Al+3>Fe+3> Ca+3>K+>NH4+ para suelos desaturados Ca+2> Mg+2> K+>Na+> NH4+ para suelos saturados Cuanto mayor sea la valencia del catión, mayor será su poder de adsorción, por eso los cationes divalentes son más fuertemente adsorbidos que los monovalentes: Al+3 > Ca+2 >Mg+2 >NH4+ > K+ > Na+ Cuando los cationes presentan la misma valencia, se fijan más intensamente aquellos con menor radio de hidratación (Mengel, Kirkby, 2000); por eso el potasio, que aumenta dos veces su radio al estar hidratado, se adsorbe más fuertemente que el sodio, que ve aumentado su radio iónico cuatro veces al estar hidratado; en este caso hay que tener en cuenta mayormente la saturación iónica. K+ > NH4+ >Na+ (monovalentes); Ca+2>Mg+2 (divalentes) Para iones metálicos las propiedades de retención en el suelo dependen en alto grado de la materia orgánica y de la formación de complejos organometálicos. Cuando domina el Al+3 o Fe+3 en suelos con alto contenido de materia orgánica, se limita la disponibilidad de otros micronutrientes como Cu, Mn y Zn según la siguiente secuencia: Al +3 >Fe +3,+2>Cu +2 >Mn +2 >Zn +2 Condiciones Redox. El suministro limitado de oxígeno provoca la disminución del potencial redox del suelo, lo que confiere a este último un carácter reductor. En suelos bien aireados, donde el potencial redox es alto, el oxígeno es un aceptador final de electrones. En suelos con déficit de oxígeno son otros compuestos los que actúan como aceptadores electrónicos, entre los que se pueden citar el nitrato, manganeso, hierro, sulfato y, en ocasiones, el dióxido de carbono.
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En condiciones anaeróbicas promovidas por el mal drenaje o la inundación, el potencial redox cae hasta un punto en el que los iones NO 3 ,- Mn4+ , Fe3+ y SO 4-2 , dependiendo del pH, son reducidos por los microorganismos del suelo. El nitrato (NO3-) se reduce en primer lugar a nitrito (NO 2-) y posteriormente a óxido nitroso (N2O) o a nitrógeno molecular (N2), que son volátiles y escapan a la atmósfera, contribuyendo a la pérdida de fertilidad del suelo a través del proceso denominado desnitrificación. Las mayores tasas de desnitrificación se presentan bajo condiciones de pH cercano a la neutralidad o ligeramente alcalino. Generalmente la tasa de desnitrificación es baja si el pH es menor a 6,0 (Castro, 1998). El manganeso, por su parte, es reducido según la reacción: MnO2 + 4 H+ + 2e-
> Mn2+ + 2 H2O
Como consecuencia de esta reacción el Mn pasa a una forma soluble y puede alcanzar concentraciones que resultan tóxicas para las plantas con limitantes severos en la absorción del Fe. A medida que las condiciones se van haciendo más reductoras, los microorganismos reducen al Fe 3+ , al SO42- y, en condiciones extremas, al CO2 , según las siguientes reacciones: Fe(OH)3 + 3 H+ + e -
> Fe2+ + 3 H 2O
SO42- + 10 H+ + 8 e-
> H2S + 4 H2O
CO2 + 8 H+ + 8 e -
> CH4 + 2 H2O
Al igual que el manganeso, el hierro divalente es más soluble que el trivalente, por lo que puede producirse un efecto tóxico de este elemento. Por otra parte, el ácido sulfhídrico (H2S) es un inhibidor de la respiración celular, y otros compuestos orgánicos que pueden formarse, como el ácido acético o el ácido butírico, también son tóxicos cuando se acumulan en las proximidades de la raíz. Igualmente el CO 2 en medios reducidos pasa a metano (CH4) (Calderón, 2008). Interacciones iónicas. Todos los elementos minerales obran entre sí y actúan sobre los otros, provocando sinergismo y antagonismos por efecto de la competencia iónica o la interacción en procesos de precipitación. Ejemplo: los altos niveles de fósforo en el suelo o en la hoja competirán con el magnesio, hierro, zinc y cobre en la asimilación (Torrez, Chinchilla, 2009).
El antagonismo se presenta cuando el aumento en la concentración de un elemento reduce la absorción de otro. Ejemplos: NO 3--Cl ,- Fe-Mn, Na-Ca, NH4+-Ca, K-Mg, Ca-Mg. Cuando los iones fijados al complejo coloidal guardan una adecuada proporción, estos antagonismos no suelen presentarse.
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La Tabla 8, resume los principales antagonismos entre elementos nutritivos (en rojo) y otros de carácter más leve (en amarillo). Si bien es cierto que en la bibliografía pueden encontrarse multitud de citas haciendo referencia a toda clase de antagonismos en cultivos concretos y bajo determinadas condiciones, los referidos se consideran los más relevantes. El sinergismo se presenta cuando el aumento en la concentración de un elemento favorece la absorción de otro (color verde Tabla 8). Ejemplos: N-Ca, P-Mo. Puede darse el caso de existir “sinergismos negativos”, donde la carencia de un determinado elemento propicia la deficiencia de otro (color azul Tabla 8), como el caso B-Ca, un déficit de boro dificulta la absorción de calcio y viceversa, si bien es cierto que ante un exceso de uno de ellos se comportan como elementos antagónicos, dificultándose la normal absorción del otro. Tabla 8. Sinergismos y antagonismos de nutrientes en el suelo y planta (Alarcón, 2008).
Salinidad. Todos los suelos contienen sales y algunas de estas se convierten en un problema cuando se concentran en la zona radical del cultivo. En general el efecto de presión osmótica y deshidratación de la planta en suelos salinos y/o salinos sódicos causa inhibición de la actividad fotosintética del
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cultivo, lo cual conlleva una disminución en el metabolismo y asimilación de nutrientes en la rizosfera, principalmente de aquellos que dependen de la corriente transpiratoria o procesos pasivos de absorción como el Ca y Mn (Calderón, 2008). El problema de la salinidad generalmente se asocia a la presencia de diferentes tipos de sales, cuyo grado de solubilidad de mayor a menor se expresa como sigue: nitratos > cloruros > bicarbonatos > sulfatos > carbonatos. En razón a su grado de solubilidad, el diagnóstico de la salinidad debe contemplar en su interpretación y manejo, además del parámetro de conductividad eléctrica, la tipificación de las sales predominantes en el extracto de saturación. Algunos de los casos donde se ve afectada la disponibilidad de nutrientes por efecto de la salinidad están relacionados con los excesos de cloruros y sulfatos que restringen la absorción de nitrógeno. Por altas concentraciones de sodio y/ o magnesio se pueden presentar deficiencias de potasio como consecuencia de la inhibición competitiva de estos elementos. Altas concentraciones del ión sodio en la solución del suelo pueden limitar grandemente la absorción del calcio y, en menor medida, la del potasio; para este último caso, debido al carácter altamente selectivo en su asimilación. El exceso de sales y su combinación con sodio generalmente causan la dispersión de materia orgánica y arcilla, lo que afecta la estructura y la conductividad hidráulica del suelo (Figura 9). Un caso específico de este fe-
Figura 9. Expresión de sales superficiales de tipo sulfatos y cloruros metálicos en suelos sulfatados ácidos salinos (Gissat, 2006).
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nómeno puede identificarse en suelos sulfatados ácidos salinos debido al flu jo sellante de solutos (sales metálicas, limos, orgánicas y presencia de precipitados de Fe) que restringen la permeabilidad del suelo en condición saturada (Castro, et al ., 2009). 2.1.4. Procesos biológicos, materia orgánica y ciclaje de nutrientes. Los compuestos de carbono (C) en el suelo están representados por los residuos orgánicos que son los tejidos de plantas y animales sin destruir y sus productos de descomposición parcial, la biomasa del suelo que está representada por el tejido microbial vivo y el humus que son todos los compuestos de C que no forman parte de los compuestos arriba mencionados. El humus resiste la acción microbiana y se acumula en el suelo. La materia orgánica es el humus acumulado a través del tiempo en el suelo. El humus está conformado por las substancias húmicas que son compuestos de peso molecular relativamente alto, de color pardo a negro, formadas por reacciones secundarias de síntesis. Existen tres fracciones principales del humus que son: ácido fúlvico, ácido húmico y huminas (Castro et al. , 2006). La acumulación de humus está directamente relacionada con la actividad de la población de microorganismos vivos en el suelo, conocida tam bién como masa microbiana. En general, el contenido de C de los microorganismos vivientes comprende solamente alrededor del 1% al 8% del C total de la materia orgánica del suelo, pero la supervivencia y funcionalidad (actividad) de muchos de estos microorganismos es vital para mantener la fertilidad del suelo. En cualquier suelo, la acumulación de humus tiende a equilibrarse con el tiempo y la cantidad final de humus depende de la cantidad y calidad del material orgánico añadido y su tasa de descomposición. Todo esto, a su vez, depende de las prácticas de manejo del suelo (Espinosa, 1995). El componente biorgánico tiene repercusión directa en la fertilidad del suelo, básicamente por dos aspectos. El primero se relaciona con los residuos frescos y en descomposición que se acumulan en la superficie del suelo y lo protegen de la erosión y de la pérdida excesiva de agua. El segundo, está asociado a los beneficios de la descomposición de los residuos animales y vegetales que aportan nutrientes por procesos de mineralización, óxido-reducción y solubilización y que finalmente terminan acumulándose como humus en el suelo (Figura 10). Es ampliamente reconocida la importancia del humus en el mantenimiento de la fertilidad del suelo (sostenibilidad). Los aspectos más relevantes tienen que ver con el incremento de la habilidad del suelo para retener nutrientes, reducción de la compactación, incremento en la capacidad de retención de agua, mejoramiento de la capacidad tampón,
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Figura 10. Explicación gráfica del significado del componente biorgánico del suelo como indicador de fertilidad (Castro, 2004).
restablecimiento de la estructura y aporte de energía para los microorganismos que trabajan en el ciclaje de nutrientes, entre otros. Es innegable que en el manejo y sostenibilidad de la productividad del suelo a través del tiempo debe existir un equilibrio entre acumulación de materia orgánica (humificación) y el proceso de mineralización (paso de formas orgánicas a minerales disponibles) promovido mediante la actividad bioquímica de ciclaje (Tabla 9). Lo anterior, de acuerdo con Janzen (2006), se consigue con: (I) acumulación de biomasa e incorporación de residuos, optimizando la retención más eficiente de carbono, alternativa que se logra con un manejo integral de la fertilidad y uso eficiente de nutrientes y fertilizantes y (II) optimización de la descomposición de la materia orgánica, de tal manera que los cultivos se beneficien de este proceso, lo cual se consigue con la rotación de cultivos de menor producción de biomasa que aprovechen los productos de mineralización. Los nutrientes más asociados a la materia orgánica y actividad biológica son N>S>P>Cu>Mn.
