Materia orgánica del suelo: un conjunto de sustancias orgánicas en forma de humus, residuos animales y vegetales en el suelo, que representan un complejo de sustancias orgánicas químicas complejas de origen biogénico.
Indicadores biológicos de la fertilidad del suelo: la cantidad, composición y propiedades de la materia orgánica en el suelo.
El stock de materia orgánica del suelo es un indicador clave de la fertilidad.
Contenido
- Importancia de la materia orgánica
- Composición de la materia orgánica del suelo
- Sustancias húmicas
- Sustancias no humificadas
- Propiedades del humus
- Fuentes de materia orgánica en el suelo
- El stock de materia orgánica en el suelo
- Transformación de la materia orgánica en el suelo
- Pérdida de materia orgánica
- Reproducción de humus
- Modelización del balance de materia orgánica en la rotación de cultivos
Navegación
Importancia de la materia orgánica
La materia orgánica del suelo acumula reservas de carbono, nitrógeno, potasio, fósforo, microelementos, contribuye a la creación de condiciones y estructura óptimas del suelo, previene los procesos de erosión y debilita el efecto de las sustancias tóxicas. Las sustancias orgánicas regulan el consumo de las pilas, evitando pérdidas improductivas por lixiviación, la formación de productos gaseosos y compuestos minerales poco solubles, y aumentan la eficacia de los fertilizantes minerales.
Es la única fuente de energía para la actividad vital de la microflora y biota del suelo, participa en la autorregulación de la descomposición, contribuyendo a la inactivación de las enzimas liberadas por los microorganismos por los minerales arcillosos. Los suelos con un alto contenido de humus son biológicamente más activos: tienen una mayor cantidad de microorganismos, su composición de especies es más diversa, el dióxido de carbono CO2 se forma más intensamente y la actividad enzimática aumenta.
La materia orgánica del suelo interviene en la formación del mismo debido a su capacidad para unirse a la parte mineral del suelo. Los compuestos organominerales que se forman son el complejo de absorción del suelo, la propiedad más importante de cualquier suelo. Las formas de los compuestos orgánico-minerales pueden ser complejos con cationes metálicos, hidróxidos, aniones, silicatos, etc. Los compuestos minerales-orgánicos del suelo son un ejemplo de estas formas.
Un requisito previo para la agricultura sostenible es la reproducción de materia orgánica, lo que significa la reproducción simultánea de factores de fertilidad biológicos, agrofísicos y agroquímicos.
El humus es un excelente absorbente de agua: 1 g de humus puede absorber de 4 a 20 g de agua, que está disponible para las plantas. Esta propiedad depende de la presencia de ácidos húmicos.
El contenido de humus es un indicador de la fertilidad potencial del suelo y de la actividad de todos los procesos biológicos. El humus constituye el 85-90% de la cantidad total de materia orgánica del suelo. La temperatura , el aire , los regímenes de nutrientes , las propiedades físicas del agua, la capacidad de absorción, la capacidad amortiguadora del suelo, las reservas generales y móviles de nutrientes y fertilizantes, la transformación y el movimiento de los nutrientes dependen del contenido, la composición y las propiedades del humus . Las formas móviles de humus, debido a su lenta descomposición, participan en menor medida en la nutrición de las plantas que las sustancias no humificadas, pero crean un ambiente favorable para este proceso.
El contenido de materia orgánica en la capa arable de varios tipos de suelo varía mucho, desde muy bajo (menos del 1,0%) hasta alto (más del 10%). El enriquecimiento del suelo con materia orgánica reduce la pérdida de nutrientes fertilizantes como consecuencia de los procesos de migración, reduciendo así el impacto negativo sobre el medio ambiente. Los procesos cíclicos de síntesis y transformación de sustancias orgánicas en el suelo son la base de los ciclos biogeoquímicos de los elementos biofílicos y juegan un papel importante en la reproducción de la fertilidad del suelo.
- La materia orgánica del suelo sirve como fuente de nutrición para las plantas. Contiene 98-99% nitrógeno, 30-40% fósforo, 90% azufre de su contenido total en el suelo.
- Los ácidos húmicos, ácidos fúlvicos y otras sustancias húmicas, así como el dióxido de carbono, destruyen gradualmente los silicatos y aluminosilicatos, transforman los carbonatos de calcio y magnesio, fosfatos y otras sales en una forma accesible para las plantas.
- La materia orgánica sirve como caldo de cultivo para los microorganismos.
- Los ácidos húmicos en estado altamente disperso, algunos ácidos orgánicos, enzimas, antibióticos, vitaminas, son estimulantes del crecimiento de las plantas, incluso en cultivos de agua y arena.
- La materia orgánica del suelo aumenta la capacidad de absorción y la capacidad amortiguadora, mejora las propiedades agrofísicas.
- La materia orgánica del suelo es capaz de regular las propiedades físico-hídricas de los suelos, transformar una cantidad excesiva de fertilizantes minerales, inactivar metales pesados, plaguicidas y sus metabolitos, retrasando su entrada a los productos vegetales, aguas superficiales y del subsuelo.
El agotamiento de los suelos con materia orgánica conduce al deterioro de las propiedades físicas, químicas y biológicas del agua. Por su alta capacidad de absorción, el humus impide la migración de cationes a lo largo del perfil del suelo, potencia la actividad biológica, absorbe sustancias tóxicas y metales pesados, evitando su entrada a las aguas subterráneas y plantas.
Composición de la materia orgánica del suelo
La materia orgánica del suelo, o humus, se divide en dos grupos:
- húmicos o humus, sustancias de naturaleza específica, resistentes a la descomposición, ácidos fúlvicos libres y ligados, ácidos húmicos y humina;
- sustancias no humificadas o no específicas de origen vegetal y animal y productos intermedios de su descomposición, por ejemplo, celulosa, celulosa, proteínas, péptidos, almidón y otros polisacáridos, ácidos orgánicos y aminoácidos, grasas, ceras, resinas, aldehídos, ácidos poliurónicos, polifenoles, lignina, quitina, taninos, etc. Esta parte de la materia orgánica supone el 10-15% de su stock total en el suelo, se descompone fácilmente y es fuente de nutrientes para la planta.
No específicos también incluyen sustancias que forman parte de tejidos vegetales y animales, productos de desecho de organismos y plantas. Las sustancias no específicas pueden estar presentes en estado libre y asociadas con los componentes minerales del suelo. Muchas de estas sustancias son un medio nutritivo para los microorganismos que las transforman en humus del suelo.
La proporción de compuestos de humus específicos es del 85-90% de la materia orgánica del suelo. Son compuestos de alto peso molecular de color oscuro con una estructura química compleja.
Los compuestos húmicos se dividen en ácidos húmicos (ácidos húmicos y fúlvicos), sustancias pro-húmicas, compuestos intermedios de sustancias similares a las húmicas y huminas. Dada la compleja estructura de estas sustancias, esta división es muy arbitraria.
Los tipos de suelo difieren en el contenido de humus, en la cantidad y proporción de ácidos húmicos y ácidos fúlvicos. Entonces, en suelos soddy-podzólicos, esta proporción es 0.4-0.6, en chernozems: 1.0-1.5 y más. Estas diferencias son responsables de la mayor movilidad de la materia orgánica y, en consecuencia, del nitrógeno en los suelos sódico-podzólicos.
Sustancias húmicas
El humus se divide en tres grupos:
- ácidos húmicos;
- ácidos fúlvicos;
- huminos.
Las sustancias del humus del suelo pueden estar en forma de humatos de calcio, magnesio y sodio; humatos y sales mixtas con hidróxido de aluminio y hierro; compuestos organominerales complejos con aluminio, hierro, fósforo y silicio. Estos compuestos pueden ser absorbidos por minerales arcillosos, especialmente con minerales como la montmorillonita. Con caolinita o feldespatos, el enlace es menos fuerte. La formación de compuestos organominerales en el suelo contribuye a la fijación del humus.
Ácidos húmicos
Los ácidos húmicos son una fracción de compuestos orgánicos macromoleculares extraídos del suelo con soluciones alcalinas. De color oscuro, contienen nitrógeno, no se disuelven en ácidos, solubles en soluciones de pirofosfatos, oxalatos, fluoruros y amoníaco con la formación de sales solubles — humatos. La acidificación de una solución alcalina de ácidos húmicos conduce a la precipitación en forma de humatos.
Dependiendo de la concentración y el tipo de suelo, los humatos pueden ser de color marrón cereza a negro.
La composición de los ácidos húmicos incluye: carbono — 46-62%, hidrógeno — 2.8-5.8, oxígeno — 31-39, nitrógeno — 1.7-6%. Contienen pequeñas cantidades de azufre (del 0,1 al 1,2%), fósforo (menos del 1%), aluminio, hierro, silicio y algunos metales. La proporción de elementos depende del tipo de suelo, la composición química de los residuos en descomposición y las condiciones de humificación. El mayor contenido de carbono en ácidos húmicos se observó en chernozems. La producción agrícola prácticamente no afecta su composición elemental.
La molécula de ácido húmico es un núcleo formado por anillos aromáticos y heterocíclicos (benceno, furano, piridina, naftaleno, antroceno, hendolico, quinolina y otros) interconectados, y cadenas alifáticas periféricas, cuyos extremos suelen terminar en carboxilo (por esta razón , ellos y se llaman ácidos) y grupos hidroxilo/fenólicos. El núcleo de la molécula exhibe propiedades hidrofóbicas (repelentes al agua), mientras que las cadenas periféricas son hidrofílicas.
Los ácidos húmicos incluyen los siguientes grupos funcionales:
- 3-6 grupos hidróxido de fenoles (-OH);
- 3-4 carboxilo (-COOH);
- alcohol primario y secundario (-OH);
- metoxi (-O-CH3);
- carbonilo (-C=O).
Estos grupos funcionales determinan las propiedades de los ácidos húmicos y la naturaleza de la interacción con el suelo. Así, los grupos carboxilo determinan las propiedades ácidas y de intercambio.
Ácidos fúlvicos
Los ácidos fúlvicos son compuestos orgánicos nitrogenados de alto peso molecular y de naturaleza ácida. Soluble en agua, ácidos, soluciones débiles de álcalis, pirofosfato de sodio, en una solución acuosa de amoníaco, mientras forma sales solubles — fulvatos, así como muchos solventes orgánicos. Coloreado en tonos que van del amarillo pajizo al naranja y marrón. Composición elemental bruta de ácidos fúlvicos: carbono 36-52%, oxígeno 42-52%, hidrógeno 3-6%, nitrógeno 2-6%. Contienen azufre, fósforo y algunos metales en menor cantidad. Móvil y relativamente fácil de mover a lo largo del perfil del suelo.
Los ácidos fúlvicos, que tienen una reacción fuertemente ácida, tienen un efecto destructivo en la parte mineral del suelo, que depende del contenido de ácidos húmicos: cuanto menos ácidos húmicos, más fuerte es el efecto de los ácidos fúlvicos.
Tienen grupos funcionales capaces de intercambiar la absorción de cationes con la formación de sales — fulvatos.
El nitrógeno de los ácidos fúlvicos se somete más fácilmente a la hidrólisis ácida. La proporción de ácidos húmicos representa el 15-30% y los ácidos fúlvicos, el 20-40% del nitrógeno del suelo.
Huminos
Las huminas son compuestos orgánicos de naturaleza humus, insolubles en agua, soluciones de ácidos, álcalis o disolventes orgánicos. Es un complejo de ésteres de ácidos húmicos y fúlvicos, químicamente asociados a minerales arcillosos y la parte mineral, lo que le confiere una alta resistencia a la descomposición química y microbiológica.
Las huminas no pueden ser una fuente de nutrientes para las plantas, pero debido a su estructura compleja, incluidos los grupos funcionales, sirven como amortiguadores para retener los nutrientes en una forma asimilable por las plantas. El nitrógeno húmico constituye el 20-30% del nitrógeno total del suelo. Afectan la capacidad de almacenamiento del suelo, la capacidad amortiguadora, la migración y la conversión de nutrientes.
Sustancias no humificadas
Las sustancias no humificadas constituyen del 10 al 20 % del stock total de materia orgánica del suelo y sirven como fuente de nutrientes para las plantas y la biota. Algunos de ellos estimulan o inhiben el crecimiento y desarrollo de los organismos vivos, afectan la transformación de los nutrientes y fertilizantes del suelo de formas inaccesibles para las plantas.
Del 10 al 30% de las sustancias no humificadas están involucradas en la nueva formación de humus. La proporción de residuos de plantas es de 3-5 a 12-15 t/ha, o para suelos sódico-podzólicos — hasta 10%, en chernozems — 2-3% de las reservas totales de materia orgánica. La masa de microorganismos en una capa de suelo de 20 cm oscila entre 0,7 y 2,7 t/ha, llegando a 5-7 t/ha, lo que supone el 1-3% de las reservas totales de materia orgánica.
La deficiencia de sustancias no humificadas en los suelos afecta el régimen nutricional de todos los organismos.
Propiedades del humus
La propiedad más importante del humus es la coloidalidad. Las propiedades coloidales y tensioactivas del humus se deben a las micelas catiónicas-aniónicas, por lo que se manifiesta una alta actividad incluso con un pequeño espesor de las capas de adsorción. Estas propiedades, a pesar de la pequeña proporción de humus en la fase sólida del suelo, con la excepción de los suelos de turba, son importantes en la nutrición de las plantas, la conversión de fertilizantes y la fertilidad del suelo.
Fuentes de materia orgánica en el suelo
La materia orgánica del suelo se forma en condiciones naturales durante la muerte de plantas, microorganismos, animales del suelo y la descomposición de sus productos metabólicos.
En las condiciones de la tierra cultivable, la principal fuente de materia orgánica son los residuos vegetales y los abonos orgánicos. La ventaja de usar residuos de plantas es reducir el costo de aplicar fertilizantes orgánicos que, a diferencia de los residuos de plantas que vienen anualmente, pueden no estar distribuidos de manera regular y uniforme.
Los residuos vegetales se pueden dividir en:
- rastrojo — residuos de plantas que quedan después de la cosecha de cultivos, incluidas partes de tallos, hojas;
- frondosos: residuos de plantas que quedan después de la cosecha de papas, pastos perennes, vegetales, tubérculos, incluidos rizomas, cuellos de raíces, tallos, etc .;
- raíz — los restos de las raíces de las plantas que quedan después de la cosecha.
La ingesta de materia orgánica con residuos vegetales se produce a lo largo de la temporada de crecimiento, ya que el proceso de muerte de partes individuales de la planta ocurre constantemente, y especialmente después de la floración y el inicio de la fructificación. Anualmente debido a rastrojos y residuos de raíces bajo cultivos de cereales es de 0,3-0,5 t/ha, bajo cultivos labrados — 0,15-0,25 t/ha.
La profundidad de los sistemas de raíces de diferentes cultivos, así como su masa, tiene un efecto diferente en la reposición de materia orgánica del suelo. Según la cantidad de materia orgánica aportada con los residuos vegetales, los principales cultivos también se pueden dividir en tres grupos:
- El primer grupo incluye leguminosas perennes y gramíneas de cereales . Dejan la mayor cantidad de residuos de raíces y cultivos. Además de esto, las leguminosas perennes reponen las reservas de nitrógeno del suelo debido a la propiedad de fijación de nitrógeno.
- El segundo grupo incluye cultivos anuales de cereales y leguminosas de siembra continua. Dejan mucho menos residuos vegetales. Sin embargo, la cantidad de materia orgánica que queda dentro de un grupo puede variar mucho. Por ejemplo, el raigrás y sus mezclas con leguminosas anuales dejan aproximadamente la misma cantidad de restos de plantas que las gramíneas perennes. Los cultivos de invierno son superiores a los cereales de primavera y las leguminosas de cereales en este indicador. Después de la cosecha de cultivos anuales de cereales y leguminosas, quedan 1,5-3,0 t/ha de materia orgánica.
Los residuos vegetales de los sistemas de raíces de las plantas del segundo grupo contienen más nitrógeno y fósforo, y potasio en el rastrojo. Esta proporción de carbono y nitrógeno lo convierte en una fuente de materia orgánica más valiosa que los residuos del tallo. El uso de fertilizantes contribuye a una mayor acumulación de nitrógeno y potasio, fósforo (en menor medida) en los residuos vegetales. - El tercer grupo incluye cultivos labrados, dejando atrás la menor cantidad de residuos vegetales.
La entrada de materia orgánica al suelo está determinada por la cantidad de residuos vegetales, mientras que su calidad y velocidad de transformación están determinadas por su composición química.
La humedad y la disponibilidad de nutrientes determinan el poder de desarrollo del sistema radicular y de la parte aérea. En condiciones favorables, la parte aérea crece más que las raíces. Como resultado, la proporción de las masas del sistema radicular y la parte aérea se desplaza hacia esta última.
El contenido de nutrientes es mayor en las gramíneas perennes que en otros cultivos: el contenido de nitrógeno en los residuos de raíces de las leguminosas perennes es 2,25-2,60%, fósforo — 0,34-0,80, en residuos de cultivos — 1,82-2,65 y 0,30-0,71%, respectivamente, en mezclas de leguminosas y gramíneas depende de la composición de la mezcla y es 0.91-2.37% de nitrógeno y 0.25-1.06% de fósforo, en residuos de cultivos — 1 .60-2.18 y 0.17-0.54%, respectivamente. El contenido de nitrógeno y fósforo en los pastos bluegrass y sus residuos de cosecha es mucho más bajo.
La composición química está influenciada por la edad de las raíces de las gramíneas perennes: cuanto más viejas son las plantas, menor es el contenido de nitrógeno y cenizas; así como fertilizantes y condiciones de suelo y clima.
Los residuos vegetales de los cultivos anuales (excepto las leguminosas) y los cereales son mucho más pobres en nutrientes en comparación con las gramíneas perennes.
La materia orgánica del suelo se forma bajo la influencia de la actividad vital de las plantas, los microorganismos y la fauna del suelo. Con suficiente contenido de aire en el suelo y una humedad óptima, se produce un rápido proceso de descomposición aeróbica. En condiciones de falta de aire y exceso de humedad, se produce una descomposición microbiológica anaeróbica. Las condiciones óptimas para la descomposición de la materia orgánica se forman en suelos cultivados, sueltos y estructurales.
Se logra un balance positivo aplicando fertilizantes orgánicos y cultivando pastos perennes. 1 tonelada de paja acumula hasta 170-180 kg de humus, o unos 100 kg de carbón. Las gramíneas perennes con un rendimiento de heno de 4-5 t/ha acumulan anualmente 800-900 kg/ha de humus, o 500-600 kg de carbono fijo.
El stock de materia orgánica en el suelo
El mayor efecto del efecto positivo de la materia orgánica en el rendimiento de los cultivos se consigue creando una reserva óptima de materia orgánica para cada tipo de suelo. Se puede considerar la cantidad óptima de materia orgánica, composición y calidad que le permita obtener la cosecha planificada con el uso eficiente de fertilizantes y tecnología de labranza.
Para suelos soddy-podzolic, el contenido de humus al nivel de 2.5-4% puede considerarse óptimo. Un contenido más bajo de materia orgánica conduce a una disminución en la productividad de los cultivos, un contenido más alto no genera un aumento de la rentabilidad en el rendimiento.
La reserva de humus es uno de los indicadores más importantes del estado de humus del suelo. La reserva de humus depende del espesor de la capa cultivable y de su densidad. En suelos de composición granulométrica ligera, el stock de humus suele ser menor que en suelos similares más pesados. Sin embargo, debido a la capa arable más gruesa, la reserva en suelos ligeros puede exceder la reserva de humus en suelos pesados.
Según L.A. Grishina y D.S. Orlov, la reserva de humus en 20 cm de la capa cultivable se estima como: muy baja — con una reserva de menos de 50 toneladas de humus por 1 ha, baja — en 50-100, media — en 100-150, alta — en 150-200, muy alto — a más de 200 t/ha.
La cantidad de humus en el suelo es diferente y depende de una serie de factores, tipo de suelo, condiciones naturales y climáticas, rotación de cultivos, sistema de cultivo. El contenido más alto de humus cae en las capas superiores del suelo, abajo del perfil, el contenido de materia orgánica disminuye.
Tabla. Contenido de humus en los principales tipos de suelo (según I.V. Tyurin)
| Sod-podzolic | |||
| Bosque gris podzolizado | |||
| Chernozems (tierra negra) | |||
| lixiviado | |||
| poderoso | |||
| común | |||
| meridional | |||
| Castaño oscuro | |||
| Castaño y castaño claro | |||
| Tierra gris | |||
| Tierra roja | |||
Transformación de la materia orgánica en el suelo
La materia orgánica del suelo sufre una transformación en el suelo, que se divide en varias etapas.
En la primera etapa, los compuestos químicos individuales de una planta muerta interactúan entre sí. Por ejemplo, los compuestos proteicos de las células vegetales pueden interactuar con las sustancias aromáticas de las membranas celulares. Este proceso puede ser acelerado por catalizadores biológicos y minerales.
En la segunda etapa, la fauna del suelo absorbe y mezcla mecánicamente los residuos vegetales con el suelo. Probablemente, en esta etapa también ocurren reacciones bioquímicas de transformación de la materia orgánica primaria.
En la tercera etapa, la mineralización de la materia orgánica ocurre bajo la acción de procesos microbianos. En primer lugar, se mineralizan los compuestos solubles en agua, el almidón, la pectina y las sustancias proteicas. La tasa de mineralización de la celulosa y la lignina formada a partir de ella es mucho menor.
Los productos finales de la transformación de la materia orgánica son dióxido de carbono, agua, nitratos, fosfatos, etc. Los productos son también ácidos orgánicos de bajo peso molecular: fórmico, acético, oxálico, etc. Los procesos de mineralización proceden de la liberación de calor: durante la descomposición de 1 g de materia seca, se liberan 17-21 J de energía.
Parte de los productos de descomposición de la materia orgánica son aprovechados por nuevas generaciones de plantas, así como por microorganismos heterótrofos para la síntesis de proteínas, grasas y carbohidratos. El otro se convierte en sustancias húmicas.
La humificación es el proceso de convertir la materia orgánica del suelo en compuestos de humus. La humificación comienza en la primera etapa de la transformación de la materia orgánica del suelo.
M.M. Kononova presenta el siguiente mecanismo generalmente reconocido para la formación de sustancias húmicas específicas:
- Las sustancias iniciales para la síntesis de sustancias húmicas son cualquier componente de la descomposición de tejidos vegetales y productos metabólicos de microorganismos.
- Los materiales de partida se condensan (combinan) mediante la oxidación de fenoles bajo la acción de fenoxidasas a quinonas mediante la formación de intermedios de semiquinona. Las quinonas reaccionan con aminoácidos y péptidos.
- La policondensación (polimerización) de los compuestos formados en la segunda etapa conduce a la formación de sustancias húmicas.
Este mecanismo no es el único. L.N. Alexandrov, desarrollando la suposición del académico I.V. Tyurin, sugiere un mecanismo diferente de humificación, que consiste en la oxidación bioquímica lenta de compuestos cíclicos de alto peso molecular con su posterior policondensación.
La velocidad y la naturaleza de la transformación están influenciadas por las condiciones ambientales externas: humedad, acidez del suelo , temperatura, disponibilidad de aire y nutrientes, así como la composición química de los residuos vegetales.
La proporción de carbono y nitrógeno en los residuos vegetales afecta la tasa de descomposición. La descomposición rápida está asegurada por una estrecha relación C:N, que es típica, por ejemplo, de los residuos de plantas de trébol ; este proceso procede con menor intensidad con residuos vegetales de cultivos de cereales y mezcla de veza y avena. Los fertilizantes orgánicos y minerales aceleran la descomposición de los residuos. En suelos sódico-podzólicos, hasta el 30-60% de los residuos vegetales se descomponen en un año.
En la superficie de los agregados estructurales (bultos) del suelo ocurre un proceso aeróbico de descomposición de la materia orgánica, y en el interior de los agregados, donde hay escasez de aire debido a la saturación de los capilares con agua, ocurre un proceso anaeróbico. La integridad y naturaleza de la descomposición se ve afectada por la temperatura, la reacción del suelo, la presencia de materia orgánica y la presencia de minerales para el funcionamiento normal de los microorganismos.
Los azúcares simples y las proteínas se descomponen relativamente rápido en el suelo. Las resinas y ceras son resistentes a la descomposición por microorganismos, la más estable es la lignina, a partir de la cual se forma una sustancia compleja compleja de color oscuro, que es el núcleo de las moléculas de humus.
Cuando la hojarasca forestal es descompuesta por la flora fúngica en condiciones aeróbicas, se forman ácidos fúlvicos incoloros solubles. Durante la descomposición bacteriana de los restos de plantas herbáceas, ácidos húmicos de color oscuro poco solubles.
Un cambio en la composición de los residuos vegetales debido a las diferentes tasas y la integridad de la descomposición de las partes constituyentes y la actividad de los microorganismos conduce a la formación de sustancias de humus específicas.
Los procesos de descomposición de la materia orgánica del suelo están determinados por microorganismos. Su composición y abundancia dependen del tipo de suelo y del grado de cultivo. Cuanto mayor sea el cultivo, más microbios útiles se contienen. La masa de microbios por 1 ha es de 5-7 toneladas Los microorganismos son la parte más enérgica y móvil del suelo. Su papel en los procesos del suelo y la nutrición de las plantas está asociado con un efecto enzimático sobre el sustrato del suelo muerto y una enorme superficie activa sobre la que tienen lugar diversas reacciones bioquímicas.
La superficie total de flora microbiana por 1 ha es de unas 500-600 ha. Las transformaciones de los fertilizantes aplicados también están asociadas a la actividad vital de la biota del suelo .
Pérdida de materia orgánica
Las mayores pérdidas de materia orgánica del suelo se observan durante el cultivo de cultivos labrados y la introducción de barbechos puros, lo que se explica por el cultivo repetido y la alta aireación del suelo, que crean condiciones favorables para la mineralización.
La pérdida de materia orgánica bajo cultivos de cereales con baja intensidad de labranza ascendió a 0,4-1,0 toneladas de humus por hectárea durante el año, bajo cultivos labrados — 1,5-3 veces mayor.
Los cultivos herbáceos son el factor principal en la reproducción de la materia orgánica en los suelos cultivables. Si en condiciones naturales toda la masa vegetal ingresa al suelo y acumula carbono, nitrógeno y otros nutrientes en la capa superior, entonces en agrocenosis con masa vegetal y cultivos se enajena una cantidad significativa de nutrientes, lo que no puede sino crear un equilibrio libre de déficit.
En las fitocenosis naturales, representadas principalmente por plantas perennes, la remoción de nutrientes es mucho menor que en las agrofitocenosis con cultivos anuales que consumen más nutrientes por unidad de masa verde. Como resultado, en suelos cultivables con fertilización insuficiente, las reservas de materia orgánica y elementos de ceniza se agotan. El agotamiento del suelo se puede reducir mediante la aplicación de prácticas agrícolas específicas que reduzcan el impacto negativo de la labranza en el balance general.
Los cultivos individuales cultivados en agrofitocenosis pueden tener un efecto positivo sobre las reservas de humus y las propiedades individuales del suelo, sin embargo, incluso en este caso, sin el uso de fertilizantes, el balance de materia orgánica sigue siendo negativo.
A pesar de las grandes diferencias en la composición cuantitativa y cualitativa del humus en diferentes suelos, la dinámica de la materia orgánica es generalmente la misma. Por ejemplo, en el experimento a largo plazo de la Academia Agrícola de Moscú, el cultivo de plantas anuales en rotación de cultivos y permanentemente sin el uso de fertilizantes en suelo sódico-podzólico condujo a una reducción gradual de las reservas de humus. La pérdida de materia orgánica del suelo depende del cultivo, la composición granulométrica, la intensidad del laboreo y otros factores.
La descomposición de la materia orgánica procede más intensamente en suelos de composición granulométrica ligera y bajo condiciones de riego, en igualdad de condiciones.
La labranza mecánica afecta en primer lugar a la pérdida de materia orgánica. El aflojamiento, que activa los procesos del suelo, contribuye a la mineralización del humus y, en las condiciones del régimen de lixiviación, a la lixiviación de los nutrientes resultantes más allá de la capa cultivable o reducción a nitrógeno gaseoso. Este problema es más relevante para las tierras vírgenes. Reducir la cantidad y la profundidad de la labranza también reduce la tasa de pérdida de materia orgánica.
Las pérdidas de humus en chernozems típicos durante 80 años de uso en la región de Voronezh ascendieron a 2,5-3,0%; más de 25 años en el territorio de Krasnodar — 1,3%. El contenido de humus en suelos de castaños del territorio de Altai en 1896-1899. fue 3.7-5.5%, y en 1973-1975. disminuyó a 1.1-2.1%, en los chernozems del sur de Altai 5.0-6.5 en 1896-1899. y 2,9-4,1% en 1973-1975, en chernozems lixiviados — 8,3-8,9 y 4,2-6,3%, respectivamente.
Durante 30-50 años de uso intensivo de la tierra, el contenido de humus en los suelos puede disminuir en un 20-25 %, llegando a veces hasta el 50 %. Anualmente, en la capa cultivable de suelos sódico-podzólicos, se mineralizan 6-7 céntimos/ha de materia orgánica, en chernozems, unos 10 céntimos/ha, que es aproximadamente 1% y 0,4-0,5%, respectivamente. Las tasas más altas de mineralización se observan en barbechos puros: 1-2 t/ha debido a la falta de retorno de materia orgánica al suelo y se pueden acumular 60-120 kg/ha de nitrógeno nítrico.
Las principales causas de la pérdida de humus por los suelos son:
- una disminución en la masa de residuos vegetales que ingresan al suelo cuando la biocenosis natural es reemplazada por agrocenosis;
- mayor mineralización como resultado del cultivo intensivo y mayor aireación del suelo;
- descomposición y biodegradación del humus bajo la acción de fertilizantes fisiológicamente ácidos y activación de la microflora de los fertilizantes aplicados;
- aumento de la mineralización del humus en las tierras de regadío en los primeros años de riego (en los años siguientes, el mantenimiento del humus se estabiliza e incluso aumenta);
- mineralización de humus durante la recuperación de drenaje de suelos anegados;
- erosión hídrica y eólica.
Reproducción de humus
El uso de fertilizantes minerales suele ser un factor clave en el rápido aumento de los rendimientos de los cultivos. Pero la cosecha no es un indicador absoluto de fertilidad . La alta eficiencia de la aplicación de altas dosis de fertilizantes minerales puede garantizarse mediante la reproducción de la materia orgánica del suelo.
Dos procesos opuestos tienen lugar simultáneamente en el suelo: la formación y descomposición de la materia orgánica. La intensidad de ambos procesos determina el balance de materia orgánica en el suelo y depende del cultivo cultivado y de la tecnología de su cultivo.
En condiciones naturales, el equilibrio de la materia orgánica está regulado por el intercambio natural entre el suelo y la comunidad vegetal, que es el equilibrio característico de cada zona.
En la agricultura moderna persiste el problema del balance negativo de materia orgánica. Las principales razones de este problema son:
- desequilibrio en la estructura de los cultivos en cuanto a la masa de residuos vegetales que quedan en el suelo;
- mayor mineralización de materia orgánica debido a tratamientos repetidos y mayor aireación del suelo;
- la influencia de fertilizantes fisiológicamente ácidos, que conducen a la descomposición y biodegradación del humus;
- mineralización causada por drenaje o mejora del riego;
- la erosión del suelo.
La aplicación sistemática de fertilizantes minerales y orgánicos en la rotación de cultivos afecta la conversión de materia orgánica del suelo, pero su efecto es fundamentalmente diferente. Los fertilizantes orgánicos tienen un impacto directo en el equilibrio debido a la humificación de los constituyentes del fertilizante e indirectamente. Mientras que los fertilizantes minerales solo afectan indirectamente el equilibrio de la materia orgánica debido a la mayor acumulación de masa vegetal por parte de los cultivos y, en consecuencia, de residuos vegetales, así como al efecto inhibidor de algunos fertilizantes minerales sobre la actividad microbiológica del suelo, lo que impide la humificación.
El cultivo de hierbas perennes da un resultado positivo debido a la acumulación de una gran cantidad de residuos vegetales y la ralentización de la mineralización del humus, siempre que el suelo no haya sido labrado durante varios años.
Bajo pastos perennes en bosques grises y suelos sódico-podzólicos, la mineralización de materia orgánica es de aproximadamente 0,2-0,35 t/ha, y la reposición anual es de 0,6-0,9 t/ha. Por lo tanto, cuanto mayor sea el porcentaje de pastos perennes en la estructura del área sembrada, más humus se formará en el suelo.
En la agricultura moderna con tecnologías intensivas para el cultivo, se vuelve imposible crear un balance libre de déficit sin aplicar fertilizantes orgánicos.
En la zona No Chernozem, para un balance libre de déficit, se requiere una aplicación anual de al menos 5-12 toneladas de estiércol por 1 ha de tierra cultivable, en la región de los Urales — al menos 12 t/ha, en Chernozem zona — al menos 6-8 t/ha.
La introducción de fertilizantes orgánicos debe ir acompañada de un conjunto de medidas agrotécnicas, por ejemplo, encalado o enlucido de suelos, uso racional de fertilizantes minerales, ajuste de la estructura de las áreas sembradas, etc.
Enfoques destinados a crear un equilibrio positivo de materia orgánica en el suelo:
- aumento de la proporción de cultivos de leguminosas, cereales y leguminosas perennes en la rotación de cultivos en la zona de humedad suficiente;
- la introducción de cultivos intermedios en la rotación de cultivos, dejando una gran masa de residuos vegetales en el suelo;
- mejora de las tecnologías de cultivo de cultivos;
- reducción en el número y profundidad de la labranza;
- uso de tecnología ligera moderna;
- medidas contra la erosión.
Estos métodos deben construirse y planificarse en el marco de un sistema integrado de producción agrícola, adaptado a las condiciones edafoclimáticas específicas de la zona.
Las principales formas de compensar las pérdidas de humus son:
- uso de todo tipo de fertilizantes orgánicos en combinación con fertilizantes minerales;
- arado de abonos verdes, rastrojos y residuos de raíces;
- introducción a la rotación de cultivos de leguminosas gramíneas y mezclas leguminosas-gramíneas-cereales.
Modelización del balance de materia orgánica en la rotación de cultivos
Cálculo del balance de materia orgánica
Modelización del balance de materia orgánica: previsión de cambios en el balance de humus en el marco de la rotación de cultivos, teniendo en cuenta la entrada y la pérdida de materia orgánica en la capa cultivable.
La parte de gasto del balance de materia orgánica incluye su mineralización bajo varios cultivos bajo las condiciones de una tecnología específica para labranza y producción; eliminación de los productos de descomposición del suelo por parte de las plantas y su lixiviación como resultado de la escorrentía vertical y superficial.
La parte de ingresos del balance incluye el flujo de materia orgánica con residuos vegetales, con abonos orgánicos, semillas y material de siembra; la unión del dióxido de carbono atmosférico por algunas algas verdeazuladas.
Es costumbre calcular el balance de materia orgánica en términos de nitrógeno, ya que se concentra principalmente en materia orgánica en una proporción de carbono a nitrógeno igual a 10:1, y es directamente absorbido por la planta del suelo, en contraste con carbón. Por lo tanto, la cantidad de nitrógeno extraído y entrado en el suelo permite juzgar las cantidades mineralizadas de humus para cubrir el déficit.
La eliminación de nitrógeno con los rendimientos de los cultivos está determinada por datos de referencia, y el grado de su uso por parte de las plantas a partir de fertilizantes y residuos vegetales está determinado por datos normativos. Al calcular el balance de materia orgánica, se deben tener en cuenta factores de corrección que caractericen la eficiencia del uso del nitrógeno del humus, que depende de la composición granulométrica del suelo y de los cultivos.
Según A.M. Lykov, los factores de corrección para el uso de nitrógeno para suelos y cultivos con diferente composición granulométrica son los siguientes:
- arcilloso pesado — 0.8, medio — 1.0, ligero — 1.2, arenoso — 1.4, arenoso — 1.8;
- gramíneas perennes — 1.0, labradas — 1.6, cereales y otros cultivos anuales de siembra continua — 1.2.
El coeficiente de aprovechamiento de nitrógeno de los fertilizantes minerales en las dosis recomendadas, estiércol y residuos vegetales es del 50%. La seguridad del trébol en nitrógeno a partir de la fijación de nitrógeno en las variantes sin fertilizantes es del 80 %, cuando se aplican fertilizantes, del 70 %, para la mezcla de veza y avena, esta cifra es respectivamente del 20 y el 10 %.
La cantidad de residuos vegetales se puede calcular por su relación con el rendimiento o por una ecuación de regresión lineal.
Los coeficientes de humificación (coeficientes de isohumus) de la materia orgánica del estiércol y los residuos vegetales, basados en la investigación del Departamento de Agricultura y la metodología del trabajo experimental de la Academia Agrícola de Moscú, se calculan por carbono y son:
- para residuos vegetales de cultivos de cereales, leguminosas de cereales, lino y hierbas perennes — 0,20-0,25;
- maíz y otros cultivos de ensilaje — 0,1-0,15;
- hortalizas, patatas y tubérculos — 0,05-0,08;
- estiércol — 0.22-0.30;
- turba — 0,30-0,35;
- paja — 0.20-0.25;
- fertilizantes verdes — 0.04-0.06.
En condiciones de erosión hídrica o eólica, al calcular el balance de humus, se tienen en cuenta las pérdidas de suelo por procesos de erosión.
El balance de humus se calcula con el fin de predecir y calcular la necesidad de suelos cultivables en fertilizantes orgánicos necesarios para obtener la cosecha prevista y la reproducción de la fertilidad.
El saldo de humus está determinado por la diferencia entre la partida de ingreso (por la recepción y humificación de rastrojos y residuos de raíces, materia orgánica de fertilizantes) y el consumo (mineralización de humus durante el cultivo de cultivos y barbechos).
El cálculo del saldo se puede realizar por rotación de cultivos , departamento, finca, distrito, región, etc.
Los siguientes datos son necesarios para calcular el saldo:
- colocación de cultivos en rotación de cultivos;
- cosecha planificada;
- superficie ocupada por cultivos;
- dosis de fertilizantes minerales;
- tipos y dosis de abonos orgánicos;
- tipo, subtipo y variedad de suelo.
El consumo de humus debido a la mineralización depende de una serie de factores:
- condiciones de suelo y clima;
- intensidad de labranza del suelo;
- estructura del área de cultivo;
- rendimientos de cultivos;
- nivel de quimificación, etc.
La mayor mineralización de humus se observa en los barbechos puros, seguidos en orden decreciente por los cultivos de labranza, cultivos de siembra continua (cereales, leguminosas, gramíneas anuales), gramíneas perennes, prados y pastos.
Por ejemplo, en suelos ligeros de césped y podzólicos, se mineraliza anualmente bajo barbecho puro — 4.5%, papas, tubérculos y vegetales — 3.4-3.9%, maíz para ensilaje — 3.3-3.9%, ensilaje — 1,9-2.2% , cereales — 1,9-2,1%, pastos anuales — 1,7-1,8%, pastos perennes y altramuces — 0,6-0,9% de las reservas brutas de humus en la capa cultivable (Popov et al., 1986).
El nivel de mineralización del humus también depende de la composición granulométrica de los suelos. Crece en suelos ligeros.
Para calcular la mineralización del humus, teniendo en cuenta los factores que influyen en este proceso y la intensidad del cultivo del suelo, A.M. Lykov (1976) propuso factores de corrección.
- Para los suelos limosos pesados el coeficiente es de 0,8; limosos medios — 1,0; limosos ligeros — 1,2; franco arenosos — 1,4; arenosos — 1,8.
- Para pastos perennes, el coeficiente es 1.0; para cereales y otros cultivos de siembra continua — 1,2; para labrado — 1.6.
Método para calcular el balance de humus por la remoción de nitrógeno por parte de las plantas. El método se basa en la investigación de I.V. Tyurin (1957) que el humus contiene por término medio 5-6 % de nitrógeno. Por lo tanto, el uso de 50 kg de nitrógeno por parte de las plantas va acompañado de la mineralización de aproximadamente 1 tonelada de humus. Los estudios realizados con el isótopo 15 N han demostrado que incluso con altas dosis de fertilizantes, en promedio, el 50-60 % del nitrógeno que eliminan las plantas es nitrógeno del suelo. Por lo tanto, conociendo el valor de la remoción total de nitrógeno, es posible determinar la cantidad de humus que se puede mineralizar durante el cultivo, teniendo en cuenta la intensidad de la agricultura.
En términos prácticos, la mineralización del humus se puede determinar mediante la fórmula:
Hm = (Ym х RN + Ym х Kr х KNr) x 0,6 x 20,
donde Hm es la cantidad de humus mineralizado, t/ha; Ym — rendimiento de los principales productos, t/ha; RN es la eliminación de nitrógeno en términos de 1 tonelada de productos principales y subproductos, kg; Kr es el coeficiente de rendimiento de los residuos vegetales en relación con el producto principal; KNr es la eliminación de nitrógeno de 1 tonelada de residuos vegetales, kg; 0,6 es el coeficiente promedio de remoción de nitrógeno del suelo en relación a la remoción total; 20 es el factor de conversión de nitrógeno a humus.
Todos los datos iniciales necesarios para usar en la fórmula anterior están contenidos en la literatura de referencia. La reposición anual de humus de raíces y residuos de cultivos promedia: para cultivos de cereales — 0,4-0,6 t/ha, cultivos labrados — 0,2-0,3 t/ha, pastos perennes — 0,5-1,0 t/ha.
El método propuesto es conveniente para los cálculos, pero es condicional, ya que se basa en indicadores promediados.
Otro método para calcular el balance de humus se basa en el uso de datos de contenido de humus y coeficientes de mineralización o humificación de residuos orgánicos.
Según el método, la necesidad de materia orgánica se puede determinar mediante la fórmula:
A = K (H0 + A),
donde A es la aplicación anual de materia orgánica, t/ha; H0 es el nivel de contenido de humus en el estado de equilibrio, t/ha; K es el coeficiente de mineralización promedio de los fertilizantes orgánicos, que es 0.02-0.08, dependiendo de la intensidad de la agricultura.
Para el cálculo de la partida de la balanza de ingresos se tiene en cuenta la masa orgánica que ingresa al suelo con fertilizantes, residuos de raíces y cultivos, y sus coeficientes de humificación. En este caso se utilizan coeficientes de isohumus, es decir, la cantidad de humus formado a partir de diversas materias orgánicas, en % de materia seca.
Para calcular las reservas esperadas de humus en el suelo para un enlace o una rotación completa de la rotación de cultivos, N.F. Ganzhara (1978) propuso la fórmula:
St = (So + Kr x A x t) x (1 – Km),
donde St es el stock de humus, t/ha en t años; So — reservas iniciales de humus, t/ha; Kr es el coeficiente de humificación de sustancias orgánicas frescas en fracciones de una unidad (A se toma como una unidad); A es la cantidad de materia orgánica fresca que ingresa al suelo, t/ha; t es el tiempo para el cual se calcula el balance de humus, años; Km es el coeficiente de mineralización del humus en fracciones de una unidad (el valor So + Kr x A x t se toma como una unidad).
Para determinar el volumen total de acumulación de fertilizantes orgánicos en una empresa agrícola, puede usar los factores de conversión para estiércol estándar:
- estiércol de cama con un contenido de humedad de 75-77% — 1.0;
- fracción sólida de estiércol sin lecho — 1,0;
- estiércol semilíquido con humedad hasta 92% — 0.5;
- estiércol líquido con humedad hasta 97% — 0,25;
- compost a base de estiércol con humedad hasta 84% — 1.0;
- excrementos de pájaros semilíquidos — 1.4;
- paja — 2.0;
- sapropel — 0,8;
- defecación — 0,8;
- abono verde de leguminosas — 0,7;
- abono verde de cultivos crucíferos — 0.8.
Instituto Panruso de Fertilizantes y Ciencias del Suelo lleva el nombre de D.N. Pryanishnikov, en colaboración con institutos agrícolas, desarrolló datos normativos para calcular el balance de humus, basados en la generalización de los datos disponibles de experimentos de campo sobre elementos de ingresos y gastos para diferentes tipos de suelos al cultivar varios cultivos, lo que permite estimar el humus equilibrio para diferentes tipos de rotaciones de cultivos .
Regulación del balance de materia orgánica
El nivel crítico o mínimo de contenido de materia orgánica es el contenido de materia orgánica por debajo del cual se desarrolla una rápida degradación del suelo, acompañada de una disminución de su productividad y de la eficacia de las prácticas agronómicas.
El nivel óptimo de contenido de materia orgánica es el contenido de humus, que asegura la alta eficiencia de los métodos aplicados y métodos de agricultura intensiva.
Para suelos sódico-podzólicos, de acuerdo con los resultados de las observaciones, el nivel óptimo de contenido de materia orgánica es 2.5-4%, aumentado de 1.0-1.7%. Como resultado de tal aumento en este tipo de suelo, se mejoran las propiedades físicas y físico-mecánicas, lo que permite reducir los costos de procesamiento en un 20-25% y reducir el tiempo de trabajo en el campo. El rendimiento de los cultivos de maíz y cereales a partir de la aplicación de fertilizantes minerales se duplica. Un aumento adicional en el contenido de materia orgánica no da un aumento proporcional en el rendimiento. Por lo tanto, el nivel óptimo de contenido de materia orgánica en suelos sódico-podzólicos se considera de 4,0%.
Para garantizar un equilibrio libre de déficit de materia orgánica en la capa cultivable con una profundidad de 40 cm de suelos sódico-podzólicos de la zona no Chernozem a un nivel de aproximadamente 2%, es necesario aplicar anualmente 5-5,5 toneladas de fertilizantes orgánicos en términos de materia seca por 1 ha de tierra cultivable. Para asegurar un nivel del 4%, respectivamente, se requiere la aplicación de 10-11 t/ha. La introducción de tal cantidad de fertilizantes orgánicos es posible con el máximo aumento posible en la producción de estiércol y compost , el uso de paja y cultivos intermedios, alta saturación de las rotaciones de cultivos con pastos perennes, lo que aumenta los costos económicos de reproducción orgánica del suelo . asunto. Por lo tanto, para cada suelo particular de la rotación de cultivos, se calcula el contenido óptimo de humus, que corresponde a la máxima eficiencia agronómica a costos económicos aceptables.
Reducir la pérdida de materia orgánica, especialmente soddy-podzolic y otros suelos de la zona de Nonchernozem, cuyo contenido de humus ya está cerca de niveles críticos, es una tarea agronómica importante en la agricultura moderna. Hay varias soluciones para esto:
- sustitución de cultivos forrajeros anuales por gramíneas perennes;
- el uso de paja;
- introducción de cultivos de abono verde como cultivos intermedios;
- sustitución de vapores limpios por ocupados.
Por ejemplo, la mineralización de humus en un barbecho puro promedia 3 t/ha de humus, cuya reproducción requiere más de 40 t/ha de estiércol.
Este problema es especialmente agudo en suelos con barbecho permanente. Por ejemplo, la pérdida de humus durante 20 años de chernozems típicos de la región de Voronezh con barbecho permanente ascendió al 3%.
Independientemente del tamaño y forma de propiedad de la producción agrícola, el balance de materia orgánica debe ser al menos libre de déficit y positivo en suelos pobres en humus.
Se puede lograr un equilibrio libre de déficit de materia orgánica en un nivel óptimo de contenido de humus mediante una combinación de las siguientes condiciones:
- una estructura racional para el uso de las áreas sembradas con la inclusión de gramíneas perennes;
- uso eficiente de residuos vegetales;
- aplicación de fertilizantes orgánicos ;
- encalado y enlucido de suelos;
- aplicación de fertilizantes minerales;
- regulación del régimen hídrico de los suelos recuperados;
- aplicación de medidas de protección del suelo;
- optimización del laboreo del suelo.
Los parámetros cuantitativos de estos métodos dependen de condiciones económicas y edafoclimáticas específicas.
Literatura
Fundamentos de la tecnología de producción agrícola. Agricultura y producción de cultivos. ed. VS Niklyaev. — M .: «Épica», 2000. — 555 p.
Agricultura. Libro de texto para universidades / G.I. Bazdyrev, V. G. Loshakov, A. I. Puponin y otros — M .: Kolos Publishing House, 2000. — 551 p.
Agroquímica. Libro de texto / V.G. Mineev, V. G. Sychev, G.P. Gamzikov y otros; edición VG Mineev. — M .: Editorial VNIIA im. D.N. Pryanishnikova, 2017. — 854 p.
