materia organica

Materia orgánica del suelo

Luis Hernán González SNoviembre de 2007

Fuente

• La fuente originaria de la materia orgánica para el suelo son los restos animales y especialmente los vegetales, los cuales se depositan en la superficie del suelo (ecosistemas de bosques) o al interior del suelo (ecosistemas de sabana)

Mineralización

• Los residuos orgánicos adicionados al suelos, después de su destrucción mecánica y física, se descomponen o biodegradan hasta sus componentes elementales de proteínas, aminoácidos, carbohidratos, etc., en el proceso de mineralización, a través del cual proporcionan muy buena parte de sus nutrientes a las plantas y demás comunidades bióticas presentes en el suelo

• Los residuos orgánicos conforman un sustrato para los microorganismos del suelo, que generan el primer proceso biodegradativo de ellos, en este proceso los productos son:– Energía, CO2, agua y nutrientes, formas

elementales de N, S y P, ácidos orgánicos

Mineralización

Mineralización

• Las proteínas sufren proceso de amonificación, mediante la participación de diferentes bacterias: Bacillus spp, Pseudomonas sp, Clostridium sp. y de diferentes especies de hongos: Tricoderma, Aspergillus, Penicillium, etc.

• Los aminoácidos pueden ser:– Metabolizados por los microorganismos

– Incorporados a la fracción del humus

– Adsorbidos por las arcillas del suelo

– Mineralizados a amonio con posterior nitrificación

Factores de la mineralización

• Composición química del sustrato: – Contenido de lignina – Relación C/N: Descomposición rápida C/N10;

Descomposición lenta C/N 30– Contenido de minerales: N, S, Ca, Mg, Na, K

• Factores del medio físico (Suelo)– Temperatura, humedad, pH, aireación (estructura, porosidad,

laboreo, textura), interacción con minerales arcillosos del suelo (alófana), contenido de nutrientes, diferentes practicas de manejo, etc.

Humificación

• Los productos resultantes del proceso de mineralización son sujetos de posteriores procesos de resíntesis y polimerización, dando lugar a nuevos compuestos químicos: Las sustancias húmicas

Origen y composición de la materia orgánica del suelo

• Fuente de origen: La biomasa tanto viva como muerta, de esta ultima interesa la parcial y totalmente transformada

• Composición de los tejidos vegetales:– Celulosa: 15 - 60 %– Hemicelulosa: 10 – 30 %– Proteína: 2 – 15 %– Lignina: 5- 30 %

Fraccionamiento del Carbono orgánico del suelo Baldock, J. A.and P.N. Nelson,2000

Remoción del DOC y del material macroorgánico, vía extracción con agua y fraccionamiento, por tamaño y densimetría

< 0.45µm C orgánico disuelto (DOC)Humus

Litter,carbono particulado

Humina

Carbohidratos Lignina

EstructuraalifáticasProteínas

A.FúlvicoA.Húmico

Biomoléculas no húmicas de origen vegetal y microbial

Sustancias húmicas

430

7

510

1000

550

46

340

100

C (g/Kg)

CIC (cmol+/kg)

N (g/Kg)

O (g/Kg)

• Compuestos no humificados– Carbohidratos– Aminoácidos, proteínas– Lípidos– Ácidos nucleicos– Ligninas

Compuestos no humificados en el suelo

Carbohidratos

• Monosacáridos: Glucosa, galactosa, ribosa, arabinosa, aminoazúcares

• Oligosacáridos: Sacarosa, maltosa, lactosa

• Polisacáridos: Almidón, celulosa, hemicelulosa, pectina, glucógeno, quitina

Burbano, Hernán, p.205

Carbohidratos

• Los producidos en el suelo son mas complejos y resistentes a la biodegradación que los que producen las plantas y por lo tanto se acumulan

• Incluyen : celulosa, sucrosa, mucílagos, gomas, etc.

• Descompuestos por la celulasa, enzima producida por bacterias y hongos del suelo

• Generación de agregados y cementación, favoreciendo la estabilidad estructural

• Compiten por agua con las arcillas• Afectan la carga eléctrica: OH, C=O• Afectan el ciclo del C: fuente de energía• Estimulan el crecimiento de raíces• Las gomas y mucílagos pueden taponar poros y

afectan la circulación del agua• Generan hidrofobicidad• Matriz para construir sustancias húmicas

Carbohidratos: funciones en el suelo

• Constituyentes estructurales de los ácidos húmicos

• Contiene grupos COOH, NH2. Amfotericos

• En suelos ácidos están cargadas + , atraídas por arcillas (-) y en suelos básicos están cargados negativamente( – ) e interaccionan con Ca

+2

Aminoácidos y proteínas

• Fuente de fósforo: Fosfolípidos

• Compuestos hidrofobicos

• Contienen grupos OH y COOH

• Altas concentraciones pueden ser tóxicos para las plantas

Lípidos

Lignina• Polímeros altamente aromáticos, insoluble en

agua, resistente a la degradación quimica y biológica

• Estructuras basada en subunidades de fenil propano ligadas por enlaces C-C o C-O-C

• Derivados de la unión de varios ácidos y alcoholes (coniferílico, cumarílico, etc)

• Fuente de formación de sustancias húmicas, descompuesta principalmente por hongos y actinomicetos

• Reacciona con el NH3 (fijación del amonio)

Ácidos nucleicos

• Poco estudiados en el suelo

• Se consideran fuente de N y P para las sustancias húmicas

Sustancias húmicas del suelo

• Sintetizados durante la descomposición de residuos animales y vegetales con o sin la asistencia de los microorganismos

• Sustancias amorfas, coloidales polidispersas, con colores amarillo-pardo- negro

Fraccionamiento del humus

Fracciones del humus basado en la solubilidad

Fracción Álcali Ácido Alcohol

Ácido Fulvico Soluble Soluble

Ácido Humico Soluble Insoluble Insoluble

Ácido

Himatomelanico

Soluble Insoluble Soluble

Humina Insoluble Insoluble Insoluble

Kim, H., Tan. Pag.124

Fuente:www.livearth.com/images/ fulvic.gif

Fuente:www.livearth.com/images/ fulvic.gif

Estructura química del ácido fúlvico

Estructura quimica del ácido húmico

Fuente:www.livearth.com/images/ fulvic.gif

Simplificación del ciclo del C en la naturaleza

Rocas calcáreas

0.5 Sedimentos

36000 Océanos y lagos

1500 Suelo

0.5 Bicarbonatos

Atmósfera 750

Vegetación

550

62

110

50

60

5000

Fuel fósil

5.5

102105

Explicaciones generales del ciclo

• Las cantidades en los diferentes pools están en Petagramos. 1Pg = 1015 g

• Las cantidades en las flechas están en Pg/año• El suelo tiene almacenado mas carbono que la

vegetación y la atmósfera juntas• La atmósfera recibe 219.5 Pg y pierde 215 Pg , por

lo cual incrementa su contenido de CO2

• 1g de M.O. tiene 0.58 g de C

Perdidas de Carbono en el Suelo

• Por percolación, ocurren como bicarbonatos (de Ca, Mg, Na, K) y como C soluble

• Por oxidación, como perdida de CO2

• En suelos hidromórficos como metano (CH4)

• Erosión superficial

Acumulación de C en el suelo

• C = bm/k a: = bm• C= Contenido de carbono orgánico del suelo en

equilibrio (ton/ha)• b: Cantidad de materia orgánica fresca agregada al

suelo (ton/ha)• m: Tasa de conversión de M.O. fresca a C

orgánico del suelo • a: Adición anual de C orgánico al suelo• k: Tasa anual de descomposición del C orgánico

del suelo

Bosques b (ton/ha) k (%)

Zona tropicales 3 a 15 2 a 5

Zona templada 1a 8 0,4 a 1

SabanasZona tropicales 0,5 a 1,5 1,2Zona templada 1,5 0,4

Adiciones y descomposiciones del C orgánico en diferentes

ecosistemas

Localidad b (ton/ha) m (%) a (ton)ha) k (%) C (ton/ha) C%

Bosque tropicalColombia (Andept) 3,85 51 1,97 0,5 3,94 9

Zaire (Udico) 6,05 47 2,86 5,2 55 1,2Ghana( Ustico) 5,28 50 2,64 2,5 106 2,4

Bosque TempladoCalifornia (pino) 1,65 52 0,86 1 86 1,9Sabana Tropical

Ghana(1250mm lluvia) 1,43 50 0,71 1,3 55 1,2Ghana (850mm lluvia) 0,44 43 0,19 1,2 1,6 0,4

Pradera TempladaMinnesota ( 870mm lluvia) 1,42 37 0,53 0,4 134 3

Estimaciones de adiciones anuales , tasas de descomposicion y niveles de equilibrio organico en la capa arable de algunas localidades tropicales

Adaptado de Sanchez, 1981.

Variables de k

• Mineralogía de arcillas: Óxidos y Alófana • Contenido de arcillas: A mayor contenido menor k• Humedad disponible y aireación: Directamente

proporcionales• Temperatura: Directamente proporcionales. Efecto de

coberturas o mulch o litter• Cobertura vegetal: k es en bosques > Sabanas (pastos)• Tipos específicos de bosques y de pasturas• Actividades humanas: Cultivos incrementan k, en algunos

casos parece que la fertilización mantiene un k menor

Actividad humana Vs k

• Labranza: A mayor laboreo mayor k

• Sistemas de cultivos: Rotaciones con leguminosas presentan menor k

• Fertilización

• Adición de estiércoles

Tomado de Sanchez, P. 1981. P. 176

Tipos de C orgánico en el suelos

• Carbono Activo: Fácilmente biodegradable, C/N baja, es de vida corta en el suelo (1.5años), incluye el C de la biomasa viva, metabolitos libres, sustancias no húmicas

• Carbono Lento: tasa de cambio entre 15-100 años. Tejidos ricos en lignina

• Carbono Pasivo: Tasa de cambio entre 500 y 5000 años. Sustancias húmicas ligadas a arcillas

Contenido de C orgánico en diferentes suelos

Orden de sueloRango Carbono

organico. %

Histosoles 12 a 57 Andisoles 1,2 a 10Vertisoles 0,5 a 1,8Aridisoles 0,1 a 1,0Molisoles 0,9 a 4,0

Spodosoles 1,5 a 5,0Alfisoles 0,5 a 3,8Ultisoles 0,9 a 3,3Oxisoles 0,9 a 3,0

Efectos benéficos de la materia orgánica en el suelo

• Fuente de N, P y S• Suministro de CIC• Formación de complejos con óxidos amorfos y por

ende disminución de la fijación de fosfatos• Mejora de propiedades físicas: Agregación,

resistencia a la erosion, color, mejora la retención de humedad (importante en suelos arenosos)

• Formación de complejos con microelementos• Mantiene una adecuada actividad microbiológica

y faunistica en el suelo, lo cual se traduce en una adecuada “salud” del suelo

El mantenimiento de la M.O. es obligatorio y esencial en:

• Sistemas de agricultura sin fertilizantes

• Suelos con CIC baja en los cuales la mayoría de cargas están en los radicales orgánicos

• Suelos arenosos para aumentar la capacidad de retención de humedad

Determinación de la materia orgánica

• Combustión seca: Determinación del CO2 producido

• Combustión húmeda: Basada en la reducción del Cr2O7 y determinación del dicromato no reducido por titulación, el método de Walkley y Black

Método de Walkley y Black

• 4K2Cr2O7 + 16H2SO4 + C6H12O6 4Cr2(SO4)3 + 4K2SO4 + 22H2O + 6CO2

• Parte del dicromato adicionado que no se utiliza en la oxidación, se determina por titulación con solución de Mohr , – [(NH4)2. Fe SO4 . 6H2O]

• Se ha generalizado que en los suelos la materia orgánica contiene el 58% de C , factor que debe ser objeto de estudio y comprobación

• 1 g de M.O. tiene 0.58g de C

Contenido de M.O. en el horizonte mas superficial de suelos en Colombia

Region n Media Moda σ Minimo Maximo

La Guajira 77 1.16 0.34 0.98 0.12 4.55

Amazonia 53 3.83 4.53 2.43 0.69 11.94

Oriente Antioqueno

40 21.89 30.30 9.50 7.90 44.70

Fuente : Jaramilo, J. Daniel. 2001

Niveles criticos de los contenidos de materia orgánica en suelos de Colombia

Clima Contenido de materia orgánica

Bajo Medio Alto

Cálido < 2 2 - 3 > 3

Medio < 3 3 - 5 > 5

Frío < 5 5 - 10 > 10

Fuente: Jaramillo, J. Daniel. 2001

Distribucion de la materia organica en suelos

• Relacion con la temperatura: Altitud• Relacion con la zona de vida• Relacion con la erosion• Relacion con practicas de manejo• Relacion con tipos de suelo: Andisoles,

Fluvent, Spodosoles• Relacion con la condicion de drenaje y la

granulometria del suelo

Relación C/N de residuos

• Competición fuerte por el N del suelo

• Varia de 10/1 a 30/1 en leguminosas frescas y hasta 600/1 en aserrines y maderas

• A mayor relación el residuo es mas resistente a la descomposición

• Hoy en dia se intenta cualificar el tipo de C y N mas que la cantidad total

Brady, Nyle. and Ray. R. Weil. 1996

Orozco, P. F.Hernando. 1999.

Amonificación

• N organico Corg + NH3 NH4

• Enzimas: Deshidrogenasa, ureasa, oxidasa, amidohidrolyasa, amidinohidrolyasa, etc.

• a pH > 9.2 predomina el NH3 y es toxico , esta ausente por debajo de pH 7

Nitrificación

• Bacterias como las Nitrosomonas y el Nitrobacter

• NH4+ +1/2 O2 NO2

- + 2H+ + H2O Nitrosomonas

• NO2- + ½ O2 NO3

- Nitrobacter• NO2

- es toxico para las plantas• NO3

- es contaminante

• El proceso acidifica el suelo

Factores de la nitrificación

• Nivel de amonio

• Aireación

• Humedad

• Fuente de carbono

• Temperatura

• Nivel de bases y pH

• Pesticidas

Desnitrificación

• 2NO3- 2 NO2

- 2NO N2O N2

• Deben existir nitratos

• Debe haber C labil o compuestos de azufre, como fuente de energía

• < de 10% de Oxigeno

• Temperatura optima 25-35oC

• pH<5

Residuos orgánicos aplicados al suelo

• Estiércoles

• Residuos de cosecha

• Compost

• Lombricompuestos

• Abonos verdes

• Residuos sólidos urbanos

• Lodos residuales

Limitaciones y riesgos del uso de los residuos orgánicos

• Presencia de materiales inertes• Emisión de malos olores• Salinidad elevada• Exceso de nutrientes• Toxicidad por contaminantes orgánicos• Toxicidad por metales pesados• Inmadurez del compost• Presencia de organismos patógenos

Caracterizacion de los abonos organicos

• Composicion elemental: N,P,K,Ca,Mg,Na, K,Fe,Cu,Mn,Zn

• Composicion de AF y AH y huminas

• Relacion C/N

• pH, Conductividad electrica, CIC

• Materiales inertes y metabolitos toxicos

• Patogenos vegetales y animales

Estiércoles

• Presentan humedades muy altas: 60-80%• Nutrientes rápidamente disponibles: Rapida

mineralizacion• Aumentan la actividad microbiológica:

Fuente de energia facilmente disponible • Pueden solubilizar compuestos en el suelo:

apoyo a la nutricion mineral• Acumulación de elementos menores y/o

metales en el largo plazo. Incluso Na

Estiércoles

• Compuesto fitotóxicos: Herbicidas, acidos organicos, acidos grasos, etc

• Conductividades electricas altas: En codornaza se reportan datos de 26 dS/m.

• Originan salinidad y afectan cultivos sensibles: Aguacate, etc.

• Afectan el ciclo del N: Generan acumulación de nitratos en plantas

• Problemas de salud humana

Residuos de cosecha

• Menor contenido de nutrientes y de humedad• Preferible si se incorporan al suelo, en caso

contrario constituyen un mulch • Favorecen la formación de estructura y sustancia

húmicas• Contenidos de nutrientes muy bajos• Relacion C/N alta: Lenta descomposición• Presencia de elementos fitotóxicos. Resguardo de

plagas y/o enfermedades

Compost

• Producto estabilizado, higienizado, resultado de la transformacion oxidativa y controlada de deshechos organicos

• Menor riesgo de actividad de fitotóxicos• Se pueden mezclar diferentes materiales

organicos• Cada compost tiene su propia huella

dactilar de acuerdo a los componentes

Compost

• Sistema de manejo “facil” de deshechos organicos a nivel de finca

• El material final presenta una relacion C/N que aporta buena cantidad de humus al suelo

• Abono balanceado segun las fuentes• Problemas de olores si no hay buena

aireacion: Relacion oxigeno/humedad

Lombricompuesto

• Reducen la relación C/N y el pH del material original

• Para lombricompuestos de obtenidos a partir pulpa de café se ha reportado incrementos en P, Ca, Mg y reduciones en el de K, en relacion al material original

Residuos sólidos urbanos

• Exceso de nutrientes y sales pueden causar desbalances en el suelo y ser fitotoxicos

• Contenido de materiales no biodegradables y de tóxicos: Plasticos, baterias, etc.

• Presencia de patógenos y de ácidos orgánicos fitotóxicos

• Relacion C/N alta, puede inmovilizar N nativo del suelo

Residuos sólidos urbanos

• Exceso de micronutrientes

• Demanda de O2 para oxidacion de estos, puede reducer el O2 requerido en la respiracion de la raiz

• Aumentos de temperatura, puede generar quemazon

Lodos residuales

• Cantidades importantes de compuestos fitotoxicos y de elementos que pueden llegar a niveles de toxicidad en el tiempo: Ni, Cr, Zn, Cu, Pb

• Variaciones temporales de composicion• Albergan patógenos• Deseables someterlos a proceso de compostación• Altos niveles de humedad y de a• Problemas de olores y de contaminacion

Bibliografía

• Baldock, J.,A. and P.N.Nelson. Soil Organic Matter. B-25 – B-84. In: Handbook of Soil Science . Editor in Chief: Malcom, E. Sumner. 2000. CRC Press. USA.

• Brady, Nyle. and Ray. R. Weil. 1996. The nature and properties of soils. Eleventh edition. Prentice Hall. U.S.A.740 p. ISBN: 0-02-313371-6

• Burbano, Orjuela, Hernán. 1989. El Suelo: Una visión sobre sus componentes bioorgánicos.Pasto. Universidad de Nariño, 447p ISBN 958-95216-0-6

• Fassbender, Hans. 1982. Quimica de suelos con énfasis en suelos de América Latina. IICA.397p

Bibliografía

• Jaramillo, Daniel. 2001. Introducción a la Ciencia del Suelo.Universidad Nacional de Colombia. Medellín.

• Orozco F. Hernando y Walter Osorio. Editores. 1998. Residuos Orgánicos. Aprovechamiento agrícola como abono y substrato.2a edición, Sociedad Colombiana de la Ciencia del Suelo. Universidad Nacional de Colombia. Medellín.151p.

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• Sánchez, Pedro. 1981. Suelos del Trópico. Características y Manejo.IICA. pag.166-186

• Stevenson, F.J., 1994. Humus Chemistry. Genesis, Composition, Reactions. 2nd edition. Wiley & Sons. NeW York.

• Tan, Kim, H. 1998. Principles of Soil Chemistry. Marcel Dekker Inc. New York. Third edition, revised and expanded. 521p.