JUAN FERNANDO GALLARDO LANCHO

LA MATERIA ORGÁNICA DEL SUELO

Residuos orgánicos, humus, compostaje y captura de carbono

SOCIEDAD IBEROAMERICANA DE FÍSICA Y QUÍMICA AMBIENTAL

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SALAMANCA (ESPAÑA)

ÍNDICE

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Índice

AbreviAturAs ........................................................................................................................................................................ 17

PresentAción ....................................................................................................................................................................... 19

Prólogo .................................................................................................................................................................................... 21

introducción: el humus del suelo ............................................................................................................. 37

1. Breve definición de la materia orgánica del suelo (MOS) ..................................... 372. Concepto de suelo (perfil edáfico) ............................................................................................... 373. Importancia de la materia orgánica del suelo (MOS) ................................................ 394. Aproximaciones al estudio de la MOS ..................................................................................... 425. El sistema terrestre ...................................................................................................................................... 436. Consideraciones del suelo como subsistema ..................................................................... 457. Estados del carbono en el sistema terrestre........................................................................ 468. El ciclo terrestre del carbono ............................................................................................................ 489. La estequimetría de los bioelementos: Relaciones carbono/nitrógeno ... 5010. Consideraciones preliminares ........................................................................................................ 55

cAPítulo i: bAse biológicA de lA mAteriA orgánicA del suelo ..................................... 57

1. El suelo como ecotono ............................................................................................................................. 572. Los compartimentos y flujos de los sistemas ...................................................................... 593. Composición bioquímica del suelo y biológica edáfica ............................................. 624. Composición microbiológica del medio edáfico ............................................................. 645. Acciones que desempeña la microbiología edáfica ........................................................ 656. Descomposición aeróbica y anaeróbica microbianas .................................................. 67

ÍNDICE

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7. Composición faunística del medio edáfico ............................................................................ 688. Funciones de la mesofauna y macrofauna ............................................................................. 729. Otras consideraciones biológicas .................................................................................................... 72

cAPítulo ii: bAse bioquímicA de lA mAteriA orgánicA del suelo ................................ 75

1. Introducción ........................................................................................................................................................ 752. Génesis de las sustancias húmicas (SSHH) ........................................................................... 773. Composición de los residuos vegetales ..................................................................................... 804. La humificación ................................................................................................................................................ 825. Mecanismos de humificación .............................................................................................................. 866. El sistema enzimático del suelo ........................................................................................................ 887. Estructura de las sustancias húmicas (SSHH) .................................................................... 898. Ácidos fúlvicos (AF) y ácidos húmicos (AH) ..................................................................... 929. Consideraciones finales sobre los aspectos bioquímicos de la MOS........... 94

cAPítulo iii: interAcciones fisicoquímicAs de lA mAteriA orgánicA del suelo .... 97

1. Introducción ........................................................................................................................................................ 972. Acidez de la MOS ........................................................................................................................................... 983. Capacidad de intercambio catiónico (CIC) ........................................................................... 984. Minerales del suelo ........................................................................................................................................ 985. Conformación del complejo arcillo-húmico ........................................................................ 1016. Contribución de la actividad biológica a la estructura ................................................ 1047. Estructura del suelo ...................................................................................................................................... 1048. De la escala molecular a la escala visible .................................................................................. 1069. Estabilidad de la estructura ................................................................................................................... 10710. Relación entre contenido de arcilla y MOS ........................................................................ 10811. Fenómenos de óxidoreducción (red-ox) en el suelo ................................................. 11012. Anaerobiosis ..................................................................................................................................................... 11013. Potencial de oxidoreducción (red-ox) y acumulación orgánica ...................... 11214. El manejo edáfico y la anaerobiosis .......................................................................................... 11315. Estructura, densidad aparente (Dap) y permeabilidad .............................................. 11416. Aplicación práctica: Agricultura con labranza reducida ........................................ 115

ÍNDICE

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cAPítulo iv: lAs sustAnciAs húmicAs del suelo.............................................................................. 117

1. Introducción ........................................................................................................................................................ 1172. Definiciones ......................................................................................................................................................... 1183. Acciones positivas de la MOS ............................................................................................................ 1194. Fracciones húmicas ....................................................................................................................................... 125

cAPítulo v: fActores que AfectAn A lAs sustAnciAs húmicAs edáficAs ...... 1291. Suelo, perfil edáfico y horizontes .................................................................................................... 1292. Zonalidad edáfica ............................................................................................................................................ 1303. Agrosistemas ....................................................................................................................................................... 1354. Factores condicionantes de la MOS ............................................................................................. 1375. Materia orgánica edáfica (MOS) y zonalidad ....................................................................... 1386. Calidad del material orgánico de origen: Relación C/N........................................... 1407. Influencia de la pluviometría y la temperatura sobre la MOS ............................ 1408. Influencia de la pluviometría y la temperatura sobre el contenido de N

edáfico (Nt) ........................................................................................................................................................... 1449. Acciones para incrementar o disminuir el contenido de MOS .......................... 14510. Formas de humus ........................................................................................................................................... 14611. Características generales de las formas de humus ........................................................ 15012. Carbono orgánico del suelo (COS), Nitrógeno total del suelo (Nt) y

materia orgánica del suelo (MOS) .............................................................................................. 15413. Influencia de la MOS sobre la génesis y propiedades del suelo..................... 15514. Predicción de cantidad o calidad de la MOS .................................................................... 15615. Los fenómenos de retroalimentación (‘feedback’) .......................................................... 15816. Procesos edáficos e influencia de las sustancias húmicas (SSHH) .............. 16017. Importancia de la MOS en las clasificaciones de suelos...................................... 16218. Tipos de suelos y fracciones húmicas ...................................................................................... 163

cAPítulo vi: métodos de estudio de lA mAterA orgánicA del suelo .................. 165

1. Introducción ........................................................................................................................................................ 1652. Análisis elemental de la MOS y las fracciones húmicas ............................................ 1663. Análisis de carbono ....................................................................................................................................... 1674. Determinación de N .................................................................................................................................... 168

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5. Relación C/N edáfica y de las sustancias húmicas (SSHH) .................................. 1686. Otros bioelementos ...................................................................................................................................... 1687. Sustancias húmicas hidrosolubles (FHS): El carbono orgánico

disuelto (COD)................................................................................................................................................. 1698. La extracción de la MOS ......................................................................................................................... 1699. La purificación del humus ......................................................................................................................... 17210. Diferencia de composición elemental entre fracciones ......................................... 17211. Métodos de fraccionamiento de la MOS ............................................................................. 17312. Métodos colorimétricos de estudio de la MOS ............................................................. 17713. Medida de la respiración del suelo (respirometría edáfica) ................................. 18014. Biomasa microbiana (BMM) y actividad enzimática ................................................. 18315. Termogravimetría y análisis termodiferencial.................................................................. 18316. Los estudios integrados de la MOS: Perfiles orgánicos ......................................... 18517. Edades de las fracciones húmicas: carbono marcado .............................................. 18618. Otras metodologías .................................................................................................................................... 187

cAPítulo vii: estiércoles y coberturA del suelo ..................................................................... 189

1. Introducción ........................................................................................................................................................ 1892. Prácticas de manejo que incrementan la MOS .................................................................. 1913. Mantenimiento del nivel de MOS................................................................................................... 1924. Estiércol (o abonado orgánico clásico) ..................................................................................... 1955. Procedencia de estiércoles y su relación C/N .................................................................... 1996. Estiércoles y residuos ganaderos ..................................................................................................... 2007. La inmovilización biológica de nitrógeno............................................................................... 2038. Control de la inmovilización biológica de nitrógeno .................................................. 2049. La contaminación orgánica ................................................................................................................... 20610. Beneficios e incovenientes de los abonos orgánicos ................................................ 20711. Influencia de la fertilización inorgánica sobre los contenidos de MOS ..... 20812. Prácticas de manejo agrícola y conservación de los niveles de MOS....... 21013. Impacto de los estiércoles sobre la física del suelo .................................................... 21114. Efecto de la aplicación del riego en el contenido de MOS ................................ 21215. Estiércoles y nutrición vegetal ........................................................................................................ 21316. Rastrojo, mantillo artificial o ‘mulch’ .......................................................................................... 217

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cAPítulo viii: comPostAs y vermicomPostAs .................................................................................... 221

1. Introducción: El suelo como ente depurador .................................................................... 2212. Los residuos sólidos urbanos (RSU) ............................................................................................ 2213. Las basuras urbanas ...................................................................................................................................... 2244. El reciclaje .............................................................................................................................................................. 2295. El compostaje: Preparación de las pilas .................................................................................... 2296. El compostaje: El proceso ..................................................................................................................... 2317. El proceso microbiológico de compostaje ............................................................................ 2338. Técnica del compostaje ............................................................................................................................. 2359. Factores que influyen en el compostaje .................................................................................... 23610. Los parámetros de la maduración ............................................................................................... 23711. Composición de las compostas ..................................................................................................... 23912. Las compostas comerciales ................................................................................................................ 24213. El vermicompost o vermicompostas ............................................................................................... 24514. Carbonilla o ‘black carbon’ ................................................................................................................ 248

cAPítulo iX: lodos y fAngos cloAcAles ................................................................................................ 249

1. Introducción ........................................................................................................................................................ 2492. Los lodos cloacales o fangos de aguas servidas ................................................................ 2493. El proceso de purificación de las aguas servidas ............................................................. 2504. Características de los fangos o lodos cloacales .................................................................. 2515. El manejo de los lodos .............................................................................................................................. 2556. Los lodos como activador del compostaje ............................................................................ 2587. Medio urbano versus medio rural ...................................................................................................... 261

cAPítulo X: modelizAción de lA dinámicA de lA mAteriA orgánicA del suelo .... 263

1. Introducción ........................................................................................................................................................ 2632. Los equilibrios en ecosistemas y del subsistema edáfico ......................................... 2643. El equilibrio del compartimento orgánico edáfico ........................................................ 2654. Ritmo de descomposición de las sustancias orgánicas frescas (MOF) ...... 2675. Relación del suelo a adiciones esporádicas de residuos orgánicos (RROO) .. 2696. Otros modelos de descomposición .............................................................................................. 271

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7. Experimentos de descomposición ................................................................................................. 2718. La modelización de los ecosistemas ............................................................................................. 2759. Estudios de ciclos en ecosistemas .................................................................................................. 27710. Cálculo de los ritmos de descomposición y tiempos: Ejemplos prácticos ... 27911. Factores influyentes de la mineralización de RROO y contenidos de MOS .. 28212. Cuantificación de entradas al ecosistema ............................................................................. 28513. Modelización aplicada a la agricultura “ecológica” .................................................... 29614. Consideraciones finales .......................................................................................................................... 298

cAPítulo Xi: humus y físicA de suelos ................................................................................................... 299

1. Introducción ........................................................................................................................................................ 2992. Conceptos de Física del suelo ............................................................................................................ 3013. Porosidad y permeabilidad edáficas .............................................................................................. 3024. Macroporosidad y microporosidad edáficas ........................................................................ 3035. Las estructuras edáficas ............................................................................................................................ 3046. La degradacion de tierras ........................................................................................................................ 3047. Procresos de degradación del suelo (DS) ................................................................................ 3048. El ciclo vicioso de la degradación del suelo (DS) ........................................................... 3079. La erosión del suelo ...................................................................................................................................... 30810. Los deslizamientos de tierras (derrumbes) ......................................................................... 31411. Efectos negativos de la erosión ..................................................................................................... 31512. Las medidas antierosivas ...................................................................................................................... 31513. Seguimiento de las propiedades estructurales edáficas: La densidad

aparente (Dap) ................................................................................................................................................. 317

cAPítulo Xii: ciclo de cArbono, cAmbio climático y cAPturA de cArbono .... 321

1. Introducción ........................................................................................................................................................ 3212. El ciclo del carbono ...................................................................................................................................... 3223. El desequilibrio de ciclo del carbono .......................................................................................... 3244. Los comportamientos de carbono de los ecosistemas .............................................. 3255. Comportamientos de carbono edáfico ...................................................................................... 3256. Los flujos del C terrestre ......................................................................................................................... 3307. El tiempo medio de transferencia o residencia (TMR) del C terrestre .... 331

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8. Las discusiones internacionales sobre las emisiones de CO2 .............................. 3329. Los gases con efecto invernadero (GEI) ................................................................................. 33510. El metano (CH4) como gas invernadero .............................................................................. 33711. El cambio climático ................................................................................................................................... 33912. El protocolo de Kioto ............................................................................................................................ 34113. Consideraciones socioeconómicas de las emisiones de CO2 ........................... 34414. La captura natural de carbono ........................................................................................................ 34415. El proceso de captura de carbono y su disyuntiva ...................................................... 34616. Técnicas de captura de carbono .................................................................................................... 34717. El Proyecto de captura de carbono............................................................................................ 34918. Los costos de los Proyectos .............................................................................................................. 35419. La captura edáfica de carbono edáfico ................................................................................... 35520. La implementación futura del mercado de bonos de carbono ....................... 356

cAPítulo Xiii: el mAnejo de lA mAteriA orgánicA del suelo ........................................ 361

1. Introducción ........................................................................................................................................................ 3612. Sistemas y objetivos ...................................................................................................................................... 3613. Manejos de MOS en un ecosistema forestal ........................................................................ 3654. Manejos de MOS en un agrosistema ........................................................................................... 3665. Manejo de la MOS en un ecosistema pascícola ................................................................ 3686. Manejo de la MOS en un sistema agroforestal .................................................................. 3697. Manejo de la MOS en un sistema silvopastoril ................................................................. 3708. Implementación de los manejos....................................................................................................... 3719. Nuevos manejos del suelo y sostenibilidad ........................................................................... 37210. Algunos ejemplos prácticos ............................................................................................................... 372

cAPítulo Xiv: ePilogo: considerAciones finAles ...................................................................... 377

1. Introducción ........................................................................................................................................................ 3772. La evolución del déficit de MOS en el futuro .................................................................... 3203. Causas y consecuencias de las emisiones de CO2 ........................................................... 3804. La base del problema (última causa) ............................................................................................ 3825. El futuro de las investigaciones sobre la materia orgánica del suelo (MOS) . 384

referenciAs bibliográficAs ................................................................................................................................... 385símbolos y fórmulAs más comunes utilizAdAs en estA obrA ............................................ 389

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Presentación

Este libro es un intento para abordar el estudio de la Materia Orgánica del Suelo (en adelante MOS) o edáfica a nivel de alta divulgación, dirigido pues al público en general que, obviamente, debe tener alguna formación técnica, agrícola o ambiental.

Se huye a propósito de redactar un libro con formato estrictamente científico, dado que ese segmento ya está sobradamente cubierto por la bibliografía de lengua inglesa; además, ello significaría entrar en terrenos complicados de copy-rights que sólo puede editarse a través de una Editorial internacional. Por ello se observará que el origen de las figuras y tablas expuestas son, en algún caso, procedentes de citas antiguas (en no pocos casos lo son de trabajos propios). En todo caso se han seleccionado tablas y figuras a propósito más buscando lo didáctico del posible el discurso que la última primicia con lo que con ello (sin duda) se ha ganado en compresión del texto. Consecuentemente, pueden tener razón las posibles críticas en este sentido, pero así ha sido realizado intencionadamente, lográndose, de esta manera, sortear complicados permisos a Editoriales para incluir tablas o figuras (que pudieran tener establecidos copy-rights, aunque sean de autoría personal) y que hubieran retrasado (y encarecido) más aún la aparición de este libro.

Es posible que a medida que se progresa en el desarrollo del libro se requiera un lenguaje más científico; por esta razón, se procurará dar la formación básica suficiente en la Introducción y en los primeros capítulos para que, posteriormente, la lectura sea siempre comprensible (al menos en los conceptos o mensajes más importantes). Sin embargo, en todo momento se intentará dar el máximo rigor al discurso, apartándose de cualquier prejuicio que no esté bien basado en trabajos científicos previos o actuales; cuando hay dudas se señalan. Pero mucho de lo que se dice aquí ha sido refrendado por experiencia ajena (literatura científica internacional) o propia durante años del modesto quehacer científico que he tenido la suerte desarrollar.

Esta obra se inicia con una Introducción que debe facilitar la compresión de los catorce capítulos siguientes que contiene el libro, ordenados de tal manera que los primeros contengan la información básica; en dichos capítulos se irán describiendo los diferentes aspectos de la MOS considerados desde diferentes aproximaciones o

PRESENTACIÓN

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puntos de vista. Al final se presentará un Epílogo (o capítulo final) que enlazará los diferentes capítulos previos y establecerá las conclusiones finales.

Como se indica, la estructura del libro permite que se aborden primeramente los conceptos más fáciles, elementales y básicos, para luego pasar paulatinamente a los más complejos. Por esta razón aquellas personas que no tengan suficiente formación básica deben leer ordenadamente cada capítulo expuesto (para poder entenderlo) antes de pasar al siguiente. Aquellas otras personas que ya tienen la formación básica pueden permitirse el lujo de iniciar la lectura directamente en el capítulo o apartado que le resulte de mayor interés, pero deben conocer la estructura del libro en caso que aparezcan dudas o dificultades en algún aspecto concreto.

Un buen índice de si se tiene (o no) la suficiente formación básica para entender el libro es primeramente leer el Prólogo de la reconocida autoridad en el campo de las sustancias húmicas Prof. Dr. Gonzalo ALMENDROS. Si se logra seguir sin problemas su discurso, entonces se puede abordar el libro en el orden que se desee; pero si no fuera el caso lo recomendable es, en todo caso, que se siga linealmente la lectura desde el primer capítulo hasta el último. Quede patente mi agradecimiento al Dr. ALMENDROS por haber encontrado un siempre difícil hueco para mostrar el estado del problema en cuanto a aproximaciones metodológicas y a los últimos avances por donde apuntan las investigaciones sobre el humus.

Aprovecho para indicar también mi total agradecimiento al Dr. José A. ESPI-NOSA, pues su aparición ha sido posible a su machacona insistencia de que lo escribiera y publicara, dándome ánimos en el progreso de la redacción y habiéndolo (en parte) revisado personalmente.

Se espera que esta obra sea útil en el contexto iberoamericano, no por lo que se dice, sino más bien por la forma como se exponen los conceptos (lo más accesibles y claros posibles). Este sería el único mérito de este libro frente a otros mucho más profundos o especializados; es decir, la plusvalía de este libro debe ser la facilidad de lectura de un tema tan complejo y difícil como es la temática relativa a la MOS y sobre el cual es frecuente escuchar conceptos totalmente erróneos.

Salamanca, uno de Septiembre de 2016.