ciclo carbono
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Ciclo del Carbono
Prof. Hernán Echeverría
Ciclo biológico del C
Fase
liquida; 25
Fase
Gaseosa;
Fraccion
Mineral; 45
MO; 5
La MO es como una represa
que genera energía
Residuos
orgánicos
MOCO2
H2O
Nutrientes
Janzen, 2006
Funciones de la MO del suelo
• Provee gran parte de la CIC
• Contribuye al almacenamiento del agua
• Contribuye a la formación y estabilización
de agregados
• Reservorio y fuente de nutrientes
• Fuente de energía para organismos
• Provee compuestos estimuladores del
crecimiento vegetal
Pg = 1015g
Composición de materiales vegetales. Principales compuestos
orgánicos (izquierda), y composición elemental (derecha). Las cenizas
incluyen los elementos constitutivos diferentes de C, O e H (N, S, Ca,
etc.).
Tasa de Descomposición
de Compuestos Orgánicos
Azúcares, almidones y proteínas simples Descomposición Rápida.
Proteína cruda.
Hemicelulosa.
Celulosa.
Grasas, ceras y afines.
Ligninas y compuestos fenólicos Descomposición muy lenta
Descomposición de los Compuestos Orgánicos en
Suelos Aeróbicos.
• Los compuestos carbonados son oxidados enzimáticamente para
producir CO2, agua, energía y biomasa descomponedora.
• R—(C, 4H) + 2 O2 CO2 + 2 H2O + energía (478 KJ mol-1 C)
• Los nutrientes esenciales, tales como N, P y S, son liberados y/o
inmovilizados por una serie de reacciones específicas que son
relativamente únicas para cada elemento.
• Se forman compuestos muy resistentes a la acción microbiana, a
través de modificación de los compuestos en los tejidos originales o
por síntesis microbiana.
Lignina: molécula grande y compleja, constituida por
cientos de subunidades fenólicas cíclicas interconectadas.
Muchas de las cuales son estructuras del tipo fenilpropano
con varios grupos metoxilados en su estructura (aquí se
muestran como R ó R’).
HO
R
CH CH
CH CH CH CH CH2O
HOCH CH
R’
Diagrama de los
cambios que
ocurren cuando
se incorporan al
suelo residuos
vegetales frescos
Descomposición en Suelos Anaeróbicos
Oxidación parcial, desarrollo de organismos anaeróbicos o
aeróbicos facultativos. Los productos son ác. orgánicos,
alcohol y metano.
4C2H5COOH + 2H2O 4CH3COOH + CO2
Acetato+ 3CH4
Propionato Metano
CH3COOH CO2 + CH4
CO2 + 4H2 Bacterias 2 2 H2O + CH4
Bacteria
Bacteria
Bacterias
FACTORES QUE CONTROLAN LA TASA DE
DESCOMPOSICION Y MINERALIZACION
• Condiciones ambientales del suelo: pH cercano
a la neutralidad, adecuada humedad y aireación
(60% EPLLA), temperatura media (25-35ºC).
• Calidad de los residuos: condición física
(incorporado o en superficie, tamaño de
partícula), relación C/N, contenido de lignina y
de polifenoles.
Tabla 12.2 Contenidos típicos de Carbono y Nitrógeno y relación C/N de algunos materiales orgánicos
comúnmente asociados con los suelos. (Datos calculados de varias fuentes)
Material orgánico % C % N C/NAserrín de pino 50 0.05 600
Aserrín de madera dura 46 0.1 400
Paja de trigo 38 0.5 80
Pasta de papel 54 0.9 61
Stover de maiz 40 0.7 57
Paja de caña de azúcar 40 0.8 50
Cultivo de cebada en antesis 40 1.1 37
Pastura fertilizada 37 1.2 31
Cultivo de cebada, estado vegetativo 40 1.5 26
Heno de alfalfa madura 40 1.8 25
Estiercol de ave en putrición 41 2.1 20
Compost doméstico 30 2.0 15
Heno de alfalfa joven 40 3.0 13
Cultivo de arveja 40 3.5 11
Lodo cloacal municipal 31 4.5 7
Microorganismos del suelo
Bacterias 50 10.0 5
Actinomicetes 50 8.5 6
Hongos 50 5.0 10
Materia orgánica del suelo
Horizonte O de un Spodosol 50 0.5 90
Mantillo de bosque tropical 50 2.0 25
Horizonte Ap de un Molisol 56 4.9 11
Horizonte A1 de un Ultisol 52 2.3 23
Horizonte B promedio 46 5.1 9
• Relación C/N microbiano promedio = 8/1
• 2/3 del C metabolizado evoluciona como CO2 y
1/3 es asimilado
• Relación C/N = 24 implica equilibrio entre la
demanada de los organismos para crecer y lo
que aportan los residuos
• Relación C/N > 24/1 implica que deberán tomar
N del suelo (C les sobra). Si no hay N en el
suelo, la descomposición de residuos se frena.
• Relación C/N < 24/1 implica liberar N al suelo
Tasa de descomposición de cultivos de cobertura con
relación C/N variable
Ejemplo cuantitativo de
la degradación de
residuos vegetales
ilustrando los destinos
del C y N y las
consecuencias sobre la
descomposición y la
disponibilidad de N en el
suelo. Note que si una
adecuada cantidad de N
disponible es adicionada,
el potencial de creación
de humus se incrementa.
Se aportan 8000 kg/ha de residuos secos con una concentración de 42% C y 0,65% N.
La relación C/N = 42/0,65 = 65/1
Sin N disponible
Con 52 kg N los organismos
pueden asimilar 52x8=416
kg C y respirar 832 kg C, o
sea consumieron 1248 kg C.
Los restantes 2112 kg de C
se degradará cuando la
biomasa muera y el N se
recicle
2/3 del C de
los restos es
emitido como
CO2
Con N disponible
1/3 del C es asimilado por los
organismos (3360/3=1120 C).
Como la relación C/N es 8, se
necesitan 140 kg N (1120/8).
Como en los restos hay 52,
los restantes 88 kg N son
tomados del suelo
A) C/N de los
residuos > 25,
los microbios
digieren los
residuos
inmovilizando el
N del suelo. Las
plantas compiten
con los
microorganismos
por el N. B)
C/N<25 menor
inmovilización
Tabla 12.4 Calidad del rastrojo de varios tipos de residuos vegetales en relación al contenido de Lignina,
polifenoles y relación C/N.Restos de poda (hojas y pequeños tallos) de tres especies de árboles agroforestales comunes y los
residuos de cosecha de dos cultivos de cereales fueron aplicados a una tasa de 5 Mg/ha de un Paleudult Oxico en una región tropical húmeda de Nigeria. Los bajos valores de C/N, Lignina y polifenoles contribuyen a una alta calidad del rastrojo y a una alta velocidad de descomposición. Los efectos inhibitorios del contenido de polifenoles pueden ser vistos por comparación de Gliricidia con Leucaena.
>20% de lignina y >3% de polifenoles lenta descomposición
Especie vegetal
Parte de la planta
%
lignina
%
polifenoles
C/N Constante de descomposición
, K/semana
Calidad del
mantilloGliricidia
sepiumRestos de poda 12 1.6 13 0.255 Alta
Leucaena
leucocephalaRestos de poda 13 5.0 13 0.166 Media-alta
Oriza sativa Paja 5 0.6 42 0.124 Media
Zea mays Paja 7 0.6 43 0.118 Media
Dactyladenis
barteriRestos de poda 47 4.1 28 0.011 Baja
Liberación de N desde residuos orgánicos de diferente calidad según
la relación C/N y los contenidos de lignina y polifenoles.
Más de 20% de lignina, 3% de polifenoles y 30 de relación C/N
deberían considerarse elevados en el contexto de este diagrama.
Componentes de la
MO del suelo.
Criterios físicos y
químicos. La
solubilidad en ácidos
y álcalis es un criterio
ampliamente usado
para agrupar
diferentes fracciones
del humus. Esquema
clásico de división del
humus en huminas,
ácidos fúlvicos y
ácidos húmicos.
Substancias no
húmicas son
polisacáridos,
poliurónidos y algo de
ác. orgánicos y
proteínas.
Destinos de 100
gramos de
residuos un año
después de que
fueron
incorporados al
suelo.
Cambios en las fracciones de la MO de un suelo (25 cm) por 40 años
de cultivo. Bajo vegetación natural contenía 91 Mg/ha de MO. La
resistente (fracción pasiva) pasó de 44 a 39 Mg/ha. La rápidamente
degradable (fracción activa) de 14 a 1,4 Mg/ha.
FRACCIONAMIENTO FÍSICO DE LA MO
Tamizado en seco o en húmedo de muestras de suelo
permite separar fracciones dediferente tamaño
A.- Fracción humificada, vieja o ligada a la fracción
mineral
< 0,054 mm C/N 10,7 a 14,8
B.- Fracción joven, más lábil y compuesta residuos en
descoposición y algo de MO humificada. De 0,05 a 0,15 mm
C/N 12,8 a 21.5
C.- MO de material grueso (MO grosera), proveniente de
residuos vegetales. >0,15mm C/N 19,4 a 27,1
La MO grosera es relativamente más lábil, mientras que la
asociada a la fracción de menor tamaño (As), es más
resistente al ataque microbiano.
La MO de tamaño entre 2 y 0,2 mm es definida como
MACRO (MOM)La MO de 0,2 a 0,05 es definida como PARTICULADA
(POM)
FRACCIONAMIENTO BIOLÓGICO
Diferentes criterios.
Fácilmente disponibles para la degradación
Moderadamente disponibles para la degradación
Lentamente disponibles para la degradación (recalcitrante)
MO activa
MO pasiva
Modelo conceptual
de las fracciones de
MO del suelo (SOM).
Los modelos que
incorporan las
fracciones activa,
pasiva y lenta han
demostrado ser
útiles para explicar
cambios en los
niveles de MO. Note
que la acción
microbiana puede
transferir C orgánico
desde un pool a otro.
Todos los cambios
metabólicos resultan
en pérdidas de CO2.
Practicas que favorecen las ganancias o
pérdidas de MO del suelo
• Ganancias– Abonos verdes o cultivos en
cobertura
– Laboreo conservacionista
– Incorporación de residuos vegetales
– Bajas temperaturas y sombreo
– Pastoreo controlado
– Alta humedad de suelo
– Cobertura de superficie
– Aplicación de compost u abonos orgánicos
– Fertilización adecuada
– Alta productividad vegetal
– Cultivo de alta relación raíz:parte aérea
• Pérdidas– Erosión
– Laboreo intensivo
– Remoción de restos de cosecha
– Altas temperaturas y exposición al sol
– Sobrepastoreo
– Baja humedad de suelo
– Fuego
– Aplicación solo de materiales inorgánicos
– Exceso de N mineral
– Baja productividad vegetal
– Baja relación raíz:parte aérea
80
a 60)h/t (n o 40bra C
20 y = -6,4 Ln(x) + 70
R2
= 0,71
0
0 30 60 90 120
Years under cropping
80
)a 60h/t (on o 40braC
20 y = -6,4 Ln(x) + 70
R2
= 0,71
0
0 30 60 90 120
Años de agricultura
80
a 60)h/t (n o 40bra C
20 y = -6,4 Ln(x) + 70
R2
= 0,71
0
0 30 60 90 120
Years under cropping
y = -6,4 Ln(x) + 70
R2
= 0,71
0
20
80
60
40
0 30 60 90
Años de agricultura
120
Carb
on
o(t
/ha)
Alvarez y Steinbach (2006) a partir de Andriulo y Cordone (1998)
Instituto de Suelos
INTA Castelar a fines
de los 70
En base a 19842
muestras. 2005-6
En elaboración
MO según las cartas de suelo de
INTA y actuales
COMPOST
• El compost (sustancia similar al humus) es creado, por mezclado, apilado u otras formas de almacenamiento de materiales orgánicos bajo condiciones conducentes a la descomposición aeróbica y conservación de nutrientes.
• Los procesos de descomposición y los organismos involucrados son similares a la formación del humus del suelo.
• Diferencia: la degradación se produce sobre la superficie del suelo, y concentrada de tal modo que genera calor considerable.
• El compost se puede utilizar como la cubierta protectora (mulch), como ingrediente en las mezclas para macetas, como acondicionador orgánico del suelo y como fertilizante de liberación lenta.
Cambios en la temperatura, relación C/N y contenido de MO durante
la producción de compost de residuos urbanos.
Los estadíos del compostado son: 1) mesofílico inicial; 2) termofílico y
3) mesofilico final o de curado.
Etapa de compostado
Áci
do
hú
mic
o(%
de
lam
ater
ia o
rgán
ica)
Relació
nC
:N
Tiempo de compostado (días)
C:N
Ácido húmico
Temperatura
Tem
per
atu
ra(%
C)
Ventajas de la fabricación del compost
Almacenamiento seguro de materiales orgánicos hasta su aplicación.
Por la pérdida de CO2 y del asentamiento, el volumen de materiales orgánicosdisminuye (30 a 50 %). Esto y la mayor uniformidad del material aumentanla facilidad de manejo
Para residuos con alta relación C/N inicial, un adecuado proceso de compostaje asegura que el período de depresión de nitratos ocurra en la pila, y no en el suelo, impidiendo la deficiencia de N en la planta.
La fabricación del compost puede reducir el impacto ambiental de residuos orgánicos de muy baja relación C/N (heces, fangos cloacales), mezclandolos con materiales de alta relación C/N (aserrín, hojas secas o residuos de poda).
Durante la etapa termófila en las pilas de compost se matarían a la mayoría de las semillas de malezas y organismos patógenos en unos pocos días.
La mayoría de los compuestos tóxicos de los desperdicios orgánicos (pesticidas, compuestos fitotóxicos naturales, etc.) son destruidos por el compostaje, o sea que este es un método de remediación biológico de la polución de residuos y suelos.
Algunos compost pueden inhibir las enfermedades del sistema radicular al favorecer la producción de antagonistas microbianos. Esto se ha observado en compost para plantas de jardinería en macetas.