Ciclo y balance del nitrógeno en la agricultura
Los compuestos minerales de nitrógeno en el suelo son móviles. Su reserva y transformación son el resultado de numerosos procesos físicos, fisicoquímicos y biológicos del ciclo del nitrógeno, a menudo interdependientes.
En los suelos vírgenes de biocenosis naturales se produce un ciclo cerrado de nitrógeno y otros elementos biogénicos. Incluye partidas de entrada:
- entrada de nitrógeno con el mantillo vegetal y los restos de raíces;
- excrementos y restos de animales;
- fijación biológica del nitrógeno atmosférico por microorganismos;
- entrada con las precipitaciones atmosféricas (formación de NO3- y NH4+ bajo la acción de descargas eléctricas y emisiones industriales).
Partidas de salida:
- consumo de nitrógeno por las plantas;
- infiltración;
- desnitrificación;
- pérdidas por erosión hídrica y eólica;
- inmovilización del nitrógeno — transformación del nitrógeno mineral en orgánico (en este caso el nitrógeno no se pierde, sino que pasa a una forma inaccesible para las plantas).
Para las biocenosis naturales suele ser característico un balance equilibrado de nitrógeno y otros elementos biogénicos. Las pérdidas por lavado y desnitrificación se compensan con su entrada con las precipitaciones y la fijación biológica de nitrógeno.
Como resultado del arado de los suelos, el régimen de nitrógeno experimenta cambios: las partidas de salida del balance aumentan bruscamente. Una gran cantidad de nitrógeno se extrae con los productos agrícolas. La labranza intensiva del suelo conduce a una mayor mineralización de la materia orgánica, a un aumento de las pérdidas por infiltración, desnitrificación y erosión. En condiciones de humedad suficiente y excesiva, riego, especialmente en suelos ligeros, aumenta el consumo de nitratos por lavado desde la capa radicular hacia las aguas de drenaje. Los suelos francos y arcillosos, ricos en humus, retienen mejor el agua, por lo que el lavado de nitratos es insignificante — hasta 3-5 kg/ha de nitrógeno nítrico al año. En suelos ligeros por su composición granulométrica, especialmente en campo de barbecho, las pérdidas de nitrógeno nítrico por lavado alcanzan 20-30 kg/ha al año.
Las pérdidas de formas gaseosas de nitrógeno por desnitrificación también son significativas. El proceso de desnitrificación transcurre en condiciones anaerobias. El arado elimina estas condiciones; sin embargo, el suelo aflojado está formado por agregados estructurales separados (terrones), dentro de los cuales se crean condiciones anaerobias. El proceso de desnitrificación es tanto más intenso cuanto mayor es la cantidad de nitratos no absorbidos por las plantas que se acumula.
Balance de nitrógeno
Una particularidad del balance de nitrógeno en el sistema suelo — fertilizante — planta es la movilidad de sus compuestos. El nitrógeno es un elemento biogénico que tiene fuentes naturales de reposición de reservas en el suelo: fijación biológica por microorganismos simbióticos y de vida libre. Con cualquier sistema de fertilización, un balance de nitrógeno sin déficit es condición para obtener una cosecha alta.
El balance de nitrógeno se calcula mediante la ecuación:
donde
- Бn
- — balance de nitrógeno, kg/ha N.
Partidas de entrada del balance:
- Nу
- — entrada con fertilizantes Nу = (Nм + Nop), donde Nм — entrada con fertilizantes minerales;
- Nop
- — entrada con fertilizantes orgánicos;
- Nс
- — entrada con semillas (material de siembra);
- Nб
- — entrada por fijación biológica, Nб = (Nсим + Nнсим);
- Nсим
- — entrada por fijación simbiótica;
- Nнсим
- — entrada por fijación de microorganismos de vida libre;
- Nро
- — entrada con restos vegetales;
- Nо
- — entrada con precipitaciones atmosféricas.
Partidas de salida:
- Nву
- — extracción con la cosecha de productos principales y secundarios;
- Nро
- — extracción con restos vegetales;
- Nп
- — pérdidas del suelo Nп = (Nпв + Nпэ), donde Nпв — pérdidas por lavado;
- Nпэ
- — pérdidas por procesos erosivos.
El nitrógeno que entra con el material de siembra y la extracción con los productos principal y secundario se determinan por método analítico o según datos de referencia. La entrada de nitrógeno con el material de siembra depende del cultivo, las normas de siembra, el contenido de nitrógeno en las semillas y la rotación de cultivos. Así, al sembrar cereales, con las semillas entran 4-6 kg/ha de nitrógeno; en leguminosas de grano, 8-15 kg/ha; en patata, 9-12 kg/ha. Dependiendo del tipo y la especialización de la rotación de cultivos, por rotación se aportan con el material de siembra 20-50 kg/ha de nitrógeno.
Según E. P. Trepachev, la entrada de nitrógeno de los cultivos de leguminosas se calcula mediante la fórmula:
o
donde
- Noб
- — enriquecimiento del suelo con nitrógeno biológico, kg/ha;
- Nб
- — nitrógeno biológico de los restos vegetales (kg/ha);
- 2,5
- — coeficiente de corrección por la exhaustividad del cálculo de la materia orgánica;
- Мпк
- — masa de restos secos de rastrojo y raíces (q/ha);
- Мпу
- — masa de pérdidas de cosecha por todos los cortes (q/ha);
- Kф
- — coeficiente de fijación de nitrógeno, es decir, la relación entre la cantidad de nitrógeno fijado y el total;
- Ny
- — nitrógeno total en la cosecha de heno (kg/ha) por todos los períodos de cultivo de leguminosas;
- Nв
- — extracción de nitrógeno por la cosecha de leguminosas (kg/ha).
El nitrógeno biológico de los restos vegetales (Nб) se determina mediante la fórmula:
Extracción de nitrógeno por los cultivos de leguminosas:
Ejemplo.
El rendimiento de heno de trébol durante 3 años es de 129,7 q/ha con un contenido medio ponderado de nitrógeno del 2,7%. El consumo total de nitrógeno por el trébol será:
Los restos de rastrojo y raíces (Мпк) después del tercer año de vida del trébol son 71,8 q/ha de materia seca con un contenido de nitrógeno total del 2,3%; la masa de pérdidas de cosecha por todos los cortes (Мпу) es 4,1 q/ha de materia seca con un contenido de nitrógeno total del 2,8%; el coeficiente promedio de fijación de nitrógeno (Kф) es 0,74. Así:
el enriquecimiento del suelo con nitrógeno será Noб = 222,9 kg/ha.
El coeficiente de fijación de nitrógeno (Kф) según datos de investigaciones para el trébol, el lupino y la esparceta es 0,7; para la alfalfa, 0,8; para el guisante y la veza, 0,6. El coeficiente de fijación de nitrógeno de los restos de rastrojo de leguminosas de grano es 0,3-0,4; de los restos de rastrojo y raíces de gramíneas leguminosas, 0,5-0,7. Convencionalmente, se puede aceptar que el contenido de nitrógeno en los restos de rastrojo y raíces es igual a la mitad de su contenido en la masa aérea.
Una fuente de nitrógeno es la fijación de nitrógeno por microorganismos heterótrofos y saprófitos de vida libre. En diferentes condiciones edafoclimáticas, la fijación no simbiótica de nitrógeno fija: en la zona de taiga septentrional y tundra, varios kilogramos por 1 ha de nitrógeno; en suelos césped-podzólicos y bosques grises, 15-20 kg/ha; en chernozems, 30-40; en los trópicos y subtrópicos, hasta 80 kg/ha.
Las pérdidas de nitrógeno por erosión del suelo, escorrentía subsuperficial e infiltración en capas profundas del suelo se determinan según datos de referencia.
Tabla. Tamaños aproximados de las pérdidas de nitrógeno del suelo en función de la pendiente y los cultivos (Trepachev et al., 1976).
| Pendiente en grados | Cultivo | Pérdidas de nitrógeno, kg/ha |
|---|---|---|
| menos de 1° | Cultivos en hileras | 5-10 |
| Cereales de primavera | 3-5 | |
| Cereales de invierno | 2-3 | |
| Gramíneas perennes | 0 | |
| 1-2° | Cultivos en hileras | 10-15 |
| Cereales de primavera | 5-8 | |
| Cereales de invierno | 3-5 | |
| Gramíneas perennes | 2-3 | |
| 2-4° | Cultivos en hileras | 15-30 |
| Cereales de primavera | 8-15 | |
| Cereales de invierno | 5-10 | |
| Gramíneas perennes | 3-5 |
Las pérdidas mínimas de nitrógeno por infiltración para diferentes composiciones granulométricas son iguales (% del aplicado): franco-arcilloso pesado — 0-0,5%; franco-arcilloso medio — 0,5-1,5%; franco-arenoso — 2,0-4,0%; arenoso — 5,0-8,0%.
Fuentes de entrada de nitrógeno y su transformación en el suelo
Las fuentes naturales de entrada de nitrógeno son: la actividad de bacterias fijadoras de nitrógeno de vida libre y de nódulos, y la entrada con las precipitaciones atmosféricas.
Con las precipitaciones atmosféricas, anualmente en forma de amoníaco y nitratos formados bajo la acción de descargas eléctricas, entran 2-11 kg de nitrógeno por 1 ha. Las fuentes naturales de nitrógeno tienen interés práctico, pero su cantidad es significativamente menor que la cantidad de nitrógeno extraída con la cosecha.
Un papel importante en el suministro de nitrógeno a las plantas lo desempeñan las reservas de humus, que contienen alrededor del 5% de nitrógeno. Las formas minerales de nitrógeno representan alrededor del 1-3%. La capa arable concentra la mayor proporción de humus, que está enriquecido con microflora y de la cual procede la mayor parte del nitrógeno mineralizado para la nutrición de las plantas.
La amonificación es un proceso microbiológico de transformación del nitrógeno de la materia orgánica en compuestos de amonio. Las sales de amonio se oxidan como resultado de la actividad vital de bacterias nitrificantes (Nitrosomonas spp. y Nitrobacter spp.) a nitratos y nitritos. Para la actividad vital normal de estos grupos de bacterias se requiere asegurar condiciones óptimas: temperatura de 25-32 °C, cantidad suficiente de oxígeno y agua, acidez del suelo cercana a neutra. Esto se logra mediante el aflojamiento del suelo, la aplicación de fertilizantes orgánicos y el encalado de suelos ácidos. La realización de estas prácticas permite activar los procesos de transformación del nitrógeno de la materia orgánica y reducir sus pérdidas. La violación de estos requisitos conduce al efecto contrario: la transición de los compuestos de nitrógeno a amoníaco y nitrógeno gaseosos, es decir, activa los procesos de desnitrificación.
Otra práctica para regular el balance de nitrógeno en el suelo es el uso de preparados bacterianos (rizotorfin).
Pérdidas de nitrógeno
El contenido de nitrógeno en forma mineral es muy dinámico y depende de la actividad de la microflora del suelo, la humedad y la fase de desarrollo de las plantas.
Las pérdidas de nitrógeno se componen de:
- inmovilización, es decir, absorción de nitrógeno por la microflora del suelo;
- lixiviación — lavado del nitrógeno, principalmente de formas nítricas, hacia las aguas subterráneas;
- volatilización en forma de amoníaco a la atmósfera;
- fijación de formas amónicas por el suelo o absorción no intercambiable.
El proceso de inmovilización transcurre especialmente intenso cuando se aplican fertilizantes orgánicos con una relación amplia de carbono a nitrógeno — 20-25:1. El plasma de los microbios contiene una cantidad significativamente mayor de nitrógeno (10:1), por lo que el consumo de nitrógeno por la microflora ocurre a expensas de la materia orgánica y las reservas minerales del suelo. Para compensar el efecto de la inmovilización del nitrógeno por los microorganismos, al incorporar paja u otros restos vegetales ricos en celulosa antes de la siembra de los cultivos siguientes se añade adicionalmente alrededor del 1% de nitrógeno mineral.
La inmovilización del nitrógeno puede tener un valor positivo en suelos ligeros con humedad suficiente, gracias a la fijación de formas móviles de nitrógeno en condiciones de fuerte lavado. Posteriormente, durante la descomposición de los restos de microorganismos, parte del nitrógeno fijado se une a compuestos húmicos y otra parte pasa a formas minerales.
El lavado de formas móviles de nitrógeno, principalmente nitratos, es relevante en suelos ligeros por su composición granulométrica con bajo nivel de materia orgánica en condiciones de humedad suficiente, excesiva y riego. Los cultivos de siembra continua reducen este efecto gracias a la absorción intensiva de nitrógeno, mientras que en los campos en barbecho el efecto de lavado se intensifica.
Las pérdidas de nitrógeno en forma de sustancias gaseosas ocurren debido a la desnitrificación, es decir, la reducción del nitrógeno nítrico a amoníaco y nitrógeno gaseoso como resultado de la actividad de microorganismos desnitrificantes. La actividad de los desnitrificantes se activa por condiciones anaerobias, cuando los microbios se ven obligados a utilizar para la respiración el oxígeno que se encuentra en forma nítrica, reduciendo el nitrógeno a forma libre. El proceso de desnitrificación también se estimula por la reacción alcalina del medio, el contenido excesivo de materia orgánica con alto contenido de glucosa y celulosa, y la alta humedad del suelo.
Otra vía de pérdida de nitrógeno en forma de formas gaseosas (dióxido y monóxido de nitrógeno) es la descomposición de nitritos cuando la acidez del suelo es inferior a 6.
Las pérdidas totales de nitrógeno pueden alcanzar el 50%. Durante la descomposición de 1 t de humus se forman 50 kg/ha de nitrógeno; sin embargo, parte de él se pierde a la atmósfera en forma de amoníaco gaseoso. Esto es especialmente relevante cuando no se observa la tecnología de almacenamiento y aplicación de estiércol, purín y otros fertilizantes orgánicos; en este caso, las pérdidas alcanzan el 30-40%.
Parte del nitrógeno es consumido por las malas hierbas, y esta cantidad puede superar el consumo de las plantas cultivadas.
Para prevenir las pérdidas de nitrógeno y, en consecuencia, reducir los costos irracionales, es necesario optimizar las dosis, formas y momentos de aplicación de los fertilizantes nitrogenados para cada cultivo de la rotación, distribuirlos uniformemente e incorporarlos al suelo.
Fijación del nitrógeno por el suelo
Parte del nitrógeno puede ser absorbido por algunos minerales del grupo de las hidromicas. En estado humedecido, la red cristalina de estos minerales absorbe de forma intercambiable el nitrógeno amónico, pero al secarse lo fija, haciéndolo poco disponible para las plantas y la microflora. Según A. V. Peterburgsky y V. N. Kudeyarov, en la capa arable hay de 130 a 350 kg/ha de nitrógeno fijado, dependiendo del tipo y la variedad de suelo. La capa superior contiene 2-7% de amonio fijado del total; en el subsuelo su proporción aumenta hasta 30-35%. Esto se explica por la disminución del contenido de humus en las capas profundas y, en consecuencia, del nitrógeno en la materia orgánica.
La capacidad de los suelos para unir amonio de forma no intercambiable está influida por el tipo de minerales arcillosos, la temperatura del medio, el contenido de humus, la reacción de la solución del suelo, la actividad microbiológica y la humedad. La fijación de amonio aumenta con el incremento de la temperatura, el pH (máximo en los solonetz), el contenido de humus (unión química). La unión del nitrógeno está influida por el contenido de minerales arcillosos con red cristalina de tres capas, principalmente vermiculita.
El amonio fijado puede ser desplazado de nuevo al suelo en determinadas condiciones, por ejemplo, al introducir en la red cristalina cationes de calcio, magnesio y sodio.
Referencias
- Bazdyrev G. I., Loshakov V. G., Puponin A. I. et al. (2000). Agricultura. Libro de texto para universidades. Moscú: Editorial «Kolos».
- Yagodin B. A., Zhukov Yu. P., Kobzarenko V. I. (2002). Agroquímica. Bajo la redacción de B. A. Yagodin. Moscú: Kolos.
