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Teórico Nitrógeno

Curso de Fertilidad de Suelos

Facultad de Agronomía

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Nitrógeno: características principales

✔ Demanda del N: Grandes requerimientos por los cultivos

✔ Oferta de N: – Fuente natural importante MOS, pero plantas absorben N inorgánico

✔ Formas inorgánicas tienen corta vida en el suelo

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Características principales del N (cont.)

✔ Dinámica regulada por procesosmicrobiólogicos:– N orgánico ----mineralización ---> N mineral

✔ Grandes efectos de disponibilidad de N en el crecimiento vegetal

2

4

Características principales del N (cont)

✔ Síntesis de fertilizantes nitrogenados: factor de revolución agrícola– Gran factor limitante

– gran determinante del rendimiento

✔ Fertilizar y manejar el N: ajustar oferta y demanda

✔ Fracaso: pérdidas económicas y contaminación ambiental

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Distribución del N en los cuatro estratos de la Tierra.

Estrato Tg de NLitósfera 1.636 x 1011

Rocas ígneasa) corteza 1.0 x 109b) manto 1.62 x 1011

Núcleo de la tierra 1.3 x 108Sedimentos fósiles 3.5 - 5.5 x 108Carbón 1.0 x 105Compuestos orgánicos del fondo del mar 5.4 x 105Suelos

a) materia orgánica 2.2 x 105b) NH4+ fijado en arcillas 2.0 x 104

Atmósfera 3.86 x 109Hidrósfera 2.3 x 107Biósfera 2.8 x 105

Tg = terogramo = 1012 o 1 millón de toneladas métricas. Estimaciones de Stevenson (1965), Burns yHardy (1975) y Söderlund y Svensson (1976). Fuente: Stevenson, 1982.

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Distribución del N en la Tierra

✔ La mayoría está en lalitósfera

✔ Del resto, la mayoría está en la atmósfera– 78% de la atmósfera es N2– Sobre una hectárea de suelo hay 300.000,00 ton de N2

✔ Comparado con los otros reservorios, la cantidad de N en los suelos es insignificante

3

7

Cantidades relativas de N en la tierra

✔ En las rocas primarias hay 50 veces mas N que en la atmósfera

✔ En la atmósfera hay aproximadamente 5000 veces más N que en los suelos

8

N en la atmósfera

✔ N2, N20; NO, NO2, NH3✔ Sobre una hectárea de suelo: 300.000 ton N2✔ Fuente de N para fijación simbiótica y no simbiótica

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N en los suelos

4

10

Contenido de:N orgánico a partir de M OS

Peso de 1Ha. (0-20

cm)

MOS C en laMOS

Rel. C/N Cantidadde N

-- kg/ha-- ------------ %------------ -- kg/ha--

2.5 x 106 4% 58% 10 5800

2.5 x 106 2% 58% 10 2175

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N en los suelos

✔ 90 % del N está en forma orgánica

✔ 10% como NH4+ fijado

✔ Ninguna de éstas dos formas está disponible para las plantas

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AmonioNitratoNitrito

2% Forma Inorgánica

Identificados 30-35%Proteína

AminoacidosAzucares Aminados

No Identificados 70-75%

98% Forma Orgánica

Formas de N en el suelo

5

13

Formas de N disponibles para las plantas

✔ El N disponible está en forma mineral:– NO3

- (Nitrato) :

– NH4+ (Amonio) :

✔ Otras forma mineral:– NO2

- (Nitrito) : Tóxico para las plantas

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Formas minerales de N en el suelo

✔ NO3-

– Cantidad varía de 5 a 100 ppm de N en los 0-20 cm del suelo (1ppm ≡2.5 kg/ha)

– Normalmente hay menos de 20 ppm

✔ NH4+

– Cantidad varía de 1 a 100 ppm

– Normalmente hay menos de 10 ppm

✔ NO2- = menos de 2 ppm

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Factores que afectan el contenido de N totalde los suelos

✔ Clima y vegetación

✔ Efectos locales:– Tipo de suelo

– Material madre

– Orientación de la pendiente

– Topografía

✔ Manejo

6

16

Clima y vegetación

✔ Determinan la cantidad de N total de suelos que nunca han sido laboreados.

✔ Clima actúa a través de:– temperatura

– humedad

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Clima y Vegetación

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Temperatura

✔ Al aumentar la temperatura disminuye el contenido de N (y C) de los suelos:– Con temperaturas bajas se resiente más la actividad microbiana que la actividad fotosintética de las plantas

– Al aumentar la temperatura, la actividad microbiana aumenta más rápidamente que la actividad fotosintética de las plantas.

7

19

Humedad

✔ Al aumentar la humedad de los suelos, aumenta el contenido de N de los suelos porque aumenta la velocidad de crecimiento vegetal.

✔ Además, en suelos inundados, disminuye más la actividad microbiana que la velocidad de producción de material vegetal.

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Vegetación

✔ A igual clima, el contenido de N total del suelo es mayor en suelos desarrollados bajo praderas que en aquellos desarrollados bajo bosque– restos de bosque sobre la superficie

– restos de pradera dentro del suelo

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Tipo de suelo

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9

Prof

undi

dad

(cm

)

0

20

40

60

80

100

MOS(%)

Vertisol

Luvisol Brunosol

8

22

Tipo de suelo

✔ En estado natural, los tipos de suelo difieren en contenido de N total

✔ Contenido de N total relacionado al contenido de MOS

✔ Distribución en profundidad

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Material madre: textura

A.Duran:Vertisoles, Brunosoles, Argisoles, Planosoles,Luvisoles y Acrisoles

y = 0,0812x + 0,296R2 = 0,627

0.00

1.00

2.00

3.00

4.00

5.00

6.00

0 10 20 30 40 50 60

ARCILLA, %

C O

RG

AN

ICO

, %

24

✔ Topografía: humedad

✔ Orientación de la pendiente: radiación solar

9

25

Manejo: años de agricultura

✔ Laboreo:– aumenta la tasa de mineralización de la MOS :

•mayor superficie específica que se expone al ataque microbiano,

•mayor aireación

– aumenta el riesgo de erosión•pérdida de las fracciones más finas de los primeros centímetros del suelo, las más ricas en MOS.

✔ Cosecha del producto agropecuario:– mayor extracción de N del suelo

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Manejo Evolución del contenido de MOS de la capa arable de unBrunosol Éutrico/Subéutrico Típico, bajo agricultura permanente sin fertilización (Castro y Díaz). Adaptado de Miscelánea 24. CIAAB, 1980.

27Años

1 2 3 4 1 2 3 4

N (%

)

0.150

0.175

0.200

0.225

0.250

CULTIVOSPASTURA

✔ Rotaciones de cultivos y pasturas, sistemas de siembra directa

Adaptado de Díaz, R. Revista de INIA. Investigaciones Agronómicas Nº1. 1992. Tomo 1.

el proceso de pérdida de MOS se enlentece,

pudiendo incluso llegar a revertirse

10

28

A largo plazo

✔ Cambios por el manejo:– son mayores al principio

– luego se producen a tasas cada vez menores

– a partir de cierto momento se tornan constantes

✔ Mecanismos de estabilidad de la MOS– el contenido de N total del suelo nunca es cero.

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Cambios en el largo plazo

Evolución del contenido de N de los primeros 20-cm de un suelocultivado con cebada en forma continuadesde 1852 en la Estación Experimental de Rothamsted.Stevenson, 1982.

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Mineralización

N Org. NH4+

Mineralización

Pasaje de N orgánico a N mineral

Etapas:

N Org. AminasAminización

NH4+

Amonificación

11

31

Factores que afectan la tasa de mineralización

✔ Humedad

✔ Alternancia de secado y humedecimiento

✔ Temperatura

✔ pH

✔ Micorrizas

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Mineralización: tipos de sustratos

Existen 2 “reservorios” de N

– Materia orgánica estable o Humus•Rel. C/N aprox. 10/1 (9/1 a 12/1)

•Mecanismos de estabilidad

– Restos frescos,ej. rastrojos•Rel. C/N varia mucho,ej. 10/1 a 150/1

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Estabilidad del Humus: Mecanismos propuestos:

√ Formas químicas complejas√ Complejo arcilla-humus√ Complejos con lignina√ No accesible físicamente por los microorganismos

√ Estabilizado por plantas√ Falta de energía

12

34

Ej: Suelo con 4% M.O. (Humus):

aprox. 6.000 kg/ha N

¿En 6 meses, cuánto N mineral produce?

✔ Invierno: Tasa de mineralización, 2% anual = 60kg/ha N mineral en 6 meses

✔ Verano:Tasa de mineralización, 4% anual= 120 kg/ha N mineral en 6 meses

35

0

50

100

0 5 10 15Años luego de roturado

Prod

. rel

ativ

a de

N m

iner

al

Arcilloso

Arenoso

Tipo de suelo y tasa de mineralización

✔ Suelo arcilloso: más mecanismos de estabilidad

✔ menor tasa inicial, mayor aporte en el largo plazo

– mayor contenido de N total

– tasa de mineralización varía menos que el arenoso

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Métodos de estimación de la tasa de mineralización

13

37

Ejemplo de uso práctico de No

38

Mineralización-Inmovilización: Efecto neto

mineralización bruta

N-orgánico

inmovilización bruta

NH4+

39

Descomposición de un rastrojo

0

10

20

30

40

50

0 30 60 90 120días

Rel C

/N

0

1

2

3

4

5

%N

Rel. C/N

%N

14

40

Ciclo Heterotrófico

N en Restos NH4+

CO2

N-Flora Heterotrófica

Mineralización

Inmovilización

41

60 kg/ha Nasimilado

Trigo5.000 kg/ha MS

%C = 40%N = 0.5

C/N = 80 / 1

Alfalfa5.000 kg/ha MS

%C = 40%N = 3.0

C/N = 13 / 1

30% C asimilado

25 kg/ha N 2.000 kg/ha C

600 kg/ha Casimilado 60 kg/ha Nasimilado

30% C asimilado

150 kg/ha N 2.000 kg/ha C

90 kg/ha NMineralización

Neta

600 kg/ha Casimilado

35 kg/ha NInmovilización

Neta

����Tejido

microbiano

������Tejido

microbianoRelacion C/N Tejido Microbiano 10/1

Relacion C/N Humus 10/1

42

Remineralización de N

15

43

Remineralización de N

✔ El N recientemente inmovilizado adquiere rápidamente mecanismos de estabilidad

✔ Con el tiempo tiende a parecerse cada vez más al humus

44

0 10 20 30 40 50 60 70 800

10

20

30

40

50

60

70NO3

- total (marcado y no marcado)NO3

- marcadoNO3

- no marcado

0 10 20 30 40 50 60 70 80

Sin agregado de N marcadoCon agregado de N marcado

Tiempo de descomposición (días)

Conc

entra

ción

de

NO 3

- (m

g N

kg-1

)

45

Restos de cultivos (rastrojos)

Inmovilización neta

✔ Rel C/N > 33/1

✔ % N < 1.2%

Mineralización neta

✔ Rel C/N < 15/1

✔ % N > 2.6%

Velocidad del proceso:•contenido de lignina

•tamaño de picado

16

46

Especie-estado Rel C/N

Trebol blanco (joven) 12/1

Trebol blanco (florecido) 23/1

Maíz (paja) 80/1

Pino 290/1

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��������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������

N en humus

N en Restos NH4+

CO2

N-Flora Heterotrófica

Mineralización

Inmovilización

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Balance entre oferta y demanda de N

✔ Dosis N = Demanda N - Oferta de N– bY = Nin + Nmin + Nres + Nfer- Nper

•b = N absorbido por unidad de producción

•Y = objetivo de rendimiento

•Nin = contenido de N mineral del suelo a la siembra

•N min = N mineralizado durante el desarrollo del cultivo

•N res = N aportado por los residuos

•N fer= N aportado por el fertilizante

•N per = pérdidas de N del sistema

17

49

DESTINOS DEL NH4+

✔ NH4+ ====> NO3

-(proceso predominante)

✔ Absorbido por las plantas

✔ Inmovilizado

✔ Fijado por arcillas

✔ Intercambiable

✔ NH4+ ====> NH3 (pérdidas)

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Nitrificación

✔ Proceso predominante, normalmente el NH4

+ pasa a NO3-

✔ 2 etapas– 1) NH4

+ + 3O2 => 2NO2- + 4H+ + 2H20 + “εεεε”

(Nitrosomonas)

– 2) 2NO2- + O2 => 2NO3

- + “εεεε” (Nitrobacter)

✔ Se destaca:1) Proceso aeróbico

2) Proceso biológico, ¡velocidad!

2) Se genera acidez

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Efecto acidificante

Tipo de sueloarenosos > arcilloso

Dosis de N

Años de uso

La magnitúd del éste efecto depende de :

18

52

Factores que afectan la nitrificación

1) O22) Temperatura

•óptimo 30 ºC

•arada temprana

3) pH •pH < 5 ópH >8 se ve afectada

•existe adaptación

•pH >7 NO2- =//=> NO3

-

•pH >8 NH4+ =//=> NO2

-

53

Factores que afectan la nitrificación

4) NH3 [NH4+-N] > 3000 ppm

•NH4+ =//=> NO2

-

•fertilización en banda

5) Fumigación de los suelos

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Rango de condiciones:Min.vs Nitr.

Absorbido por las plantas

Lavado

Desnitrificado

NITRATO

19

55

Pérdidas por lavado en profundidad

1. Lluvia que penetra

– Cantidad-Intensidad

– Pendiente

– Textura

– Condición de superficie

2. Movimiento de agua en el suelo

– Textura-Estructura (Macroporos)

– Características delBt

– Perfil de humedad previo

3. Presencia de cultivo

– Absorción de NO3-

– Absorción de agua

4. Situaciones reales

– época del año

– Tipo de cultivo

» lento

» rápido

» perenne

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NO3- (mg N kg-1suelo)

0 10 20 30 40

Prof

undi

dad

(cm

)

120

100

80

60

40

20

0

1º Muestreo2º Muestreo

Movimiento teórico de NO3- en el

suelo por convección -dispersión

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Evolución de la concentración de NO3- del agua subterránea

de un suelo de Oklahoma bajo tres condiciones de manejo.

Información adaptada deSharpley y Smith, 1995.

Año

84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95

NO3-

(m

g N

L-1 )

0

5

10

15

20

25

30Trigo en siembra directaTrigo ConventionalGraminea perenne

20

58

DESNITRIFICACIÓN

✔ Condiciones para que exista desnitrificación– Anaerobiosis (no difusión de O2)

– Materia orgánica como fuente de energía

✔ Otros factores– temperatura (óptimo 65 ºC)

– pH (óptimo 6-8)

NO3- + e- ! NO2- + e- ! N 20 (gas) + e

- ! N 2 (gas) [1]

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Volatilización del NH3

NH4+(sol) ! NH3 (sol) + H

+ [1]

5.9

4

3 10 (sol)] [NH

][H (sol)] [NH −+ ==

+ K (25 ºC) [2]

pH5.9 (sol)] [NH (sol)] [NHlog

4

3 +−=+ [3]

NH3 (sol) ! NH3 ! ( g as) [4]

NH4+ + OH- ⇔ NH3 (g) + H2O [5]

60

Condiciones que favorecen la volatilización

✔ Suelos de– pH alto (Ca)

– baja CIC

✔ Alta ETP (Clima)– suelo seco

– suelo con H20 libre (el NH3 se pierde con el H20)

✔ Aplicaciones en cobertura