Mineralización: Un Proceso Clave en el Ciclo del...
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Mineralización: Un Proceso Claveen el Ciclo del Nitrógeno
Miguel Cabrera
Crop and Soil SciencesInstitute of Ecology
University of GeorgiaAthens, GA
Temas
• Mineralización del N• Tests basados en nitratos• Modelos de simulación
NitrificaciNitrificacióónn
El Ciclo del NitrógenoNitrógeno
atmosférico
Fijaciónbiológica
Estiércol
FertilizantesCosecha
Volatilización
Denitrificación
Escorrentíay erosión
Lixiviación
Nitrógenoorgánico
Amonio(NH4)
Nitrato(NO3)
Residuosvegetales
Fijaciónbiológica Absorción
vegetal
Inmovilizaci
Inmovilizacióónn
Mineralizaci
Mineralizacióónn
AgregadoFuente Pérdida
-+
Mineralización del Nitrógeno
MateriaOrgánica
BacteriasHongos
Nemátodos
Protozoarios
ResiduosVegetales
Mineralización
Proteína AminoAcidos Urea Aminas++
Aminización
Proteasa R-OH + NH4++ H2O + H+Aminas
Amonificación
CO2
Carbono
Nitrógeno
Mineralizaciónde la materiaorgánica (C/N=10)
Eficiencia = 40%C/N microbiana = 10
104
0.61
Materia Orgánica del Suelo
0.4
Masa microbiana N Mineralizado
Mineralización de Nitrógeno
MateriaOrgánica
BacteriasHongos
Nemátodos
Protozoarios
ResiduosVegetales
4
0.40.6Carbono
CO2
0.84
•Efecto predatoriode los protozoariossobre las bacterias
Efecto de Microfauna
Eficiencia = 40%C/N protozoarios = 10
1.6
0.16
Masa microbianaMasa de ProtozoariosN Mineralizado
Bac
teria
s (lo
g U
FC g
-1)
8.4
8.5
8.6
8.7
8.8
8.9
9.0
9.1
Dias de Incubacion0 5 10 15 20
Am
onio
(mg
N k
g-1)
0
5
10
15
20
25
Sin protozoarios
Con protozoarios
Sin protozoarios
Con protozoarios
•Protozoariosaceleran la liberación denitrógeno
Kuikman et al., 1991
Factores Ambientales
• Temperatura
• Contenido de agua del suelo
Efecto de la Temperatura
Kirschbaum, 1994Temperatura (oC)
0 10 20 30 40
Min
eral
izac
ion
Rel
ativ
a
0.0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0 y = exp[ -3.432 + 0.186 T (1-0.5T/36.9)]
Contenido de Agua Relativo
RWC = VWC – VCW-1.5 MPa
VWC-0.01 MPa – VCW-1.5 MPa
RWC = contenido de agua relativoVWC = contenido volumétricoVWC-1,5 MPa = contenido a -1.5 MPa (marchitez permanente)VWC-0.01 MPa = contenido a -0.01 MPa (capacidad de campo)
Paul et al., 2003
Efecto de la Humedad
Contenido de Agua Relativo (RWC)
-0.4 -0.2 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0
Min
eral
izac
ion
Rel
ativ
a
0.0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
y = 0.83 RWC + 0.42
Paul et al., 2003
Interacción (Materia Orgánica)
0.00.20.40.60.81.0
1421
2835
-6-5-4-3-2-1Min
eral
izac
ion
Rel
ativ
a
Tempe
ratur
a (o C)
Potencial (MPa)
Quemada y Cabrera, 1997
Mineralización de Nitrógeno
MateriaOrgánica
BacteriasHongos
Nemátodos
Protozoarios
ResiduosVegetales
CO2
Mineralizaciónde residuos decultivos (C/N=20)
Eficiencia = 40%C/N microbiana = 10
Carbono208
0.2Nitrógeno10.8
N MineralizadoResiduo de CultivoMasa microbiana
CO2
Mineralizaciónde residuos decultivos (C/N=40)
Eficiencia = 40%C/N microbiana = 10
Carbono4016
0.6Nitrógeno11.6
N InmovilizadoResiduo de CultivoMasa microbiana
Relacion C/N Inicial del Residuo 0 20 40 60 80 100 120 140
N M
iner
aliz
ado
por U
nida
dde
C A
greg
ado
con
Res
iduo
-0.04
0.00
0.04
0.08
0.12
Whitmore, 1996
Interacción(Residuos en Superficie)
0.00.20.40.60.81.0
1421
2835
-6-5-4-3-2-1Min
eral
izac
ion
Rel
ativ
a
Tempe
ratura
(o C)
Potencial (MPa)
Quemada y Cabrera, 1997
InteracciónTemperatura/Humedad
0.00.20.40.60.81.0
1421
2835
-6-5-4-3-2-1Min
eral
izac
ion
Rel
ativ
a
Tempe
ratur
a (o C)
Potencial (MPa)
0.00.20.40.60.81.0
1421
2835
-6-5-4-3-2-1Min
eral
izac
ion
Rel
ativ
a
Tempe
ratura
(o C)
Potencial (MPa)
Materia Orgánica Residuos en Superficie
Descomposición de Hojas de Algodón (C/N = 15)
Condiciones de Incubación(Descomposición-hojas de algodón)
Dias de Incubacion0 2 4 6 8 10 12
g H
2O g
-1 s
oil
-0.02
0.00
0.02
0.04
0.06
0.08
0.10
0.12
Orangeburg, humedad constanteNorfolk, humedad constanteOrangeburg, humedad fluctuanteNorfolk, humedad fluctuante
Temperatura = 25oC
Efecto de Secado/Rehumedecimiento
(Suelo Orangeburg)
Dias de Incubacion0 50 100 150 200
N M
iner
aliz
ado
Acu
mul
ativ
o
(% d
el N
Apl
icad
o)
-10
0
10
20
30 Hojas de Algodon (humedad constante)
Hojas de Algodon (secado/rehumedecimiento)
Kruse et al., 2004
Efecto del Régimen de Humedad y Relación C/N del Suelo
Nitrógeno Mineralizado de Hojas de Algodón (%)
Suelo C/N Suelo HumedadConstante
HumedadFluctuante
Orangeburg 10 26 -1
Norfolk 17 40 7
• El carbono total respirado fue el mismo bajo los dos regimenes de humedad• El contenido de N en hojas de algodón era equivalente a 80 kg N/ha (C/N=15)
Efecto de la Textura
Dias desde aplicacion al suelo0 20 40 60 80 100 120 140
N M
iner
aliz
ado
Acu
mul
ativ
o
(g
kg-1
N o
rgan
ico)
0
200
400
600
800
1000
Cowarts
Greenvile
Gordillo and Cabrera, 1997
Efecto de la Textura
• La mineralización de N a partir de residuos es mayor en suelos arenosos
• Relación C/N de microorganismos• Capacidad de protección de la materia
orgánica por parte de arcillas• Aereación• Población de protozoarios y nemátodos
Mineralización
Proteína AminoAcidos Urea Aminas++
Aminización
Proteasa R-OH + NH4++ H2O + H+Aminas
Amonificación
Efecto deInhibidores de Proteasas
Mineralizacion de residuos de canola
Dias de Incubacion0 20 40 60 80 100 120
N M
iner
aliz
ado
(%)
0
10
20
30
40
Alto contenidode inhibidoresde proteasa
Kumar et al., 2006
Mineralizacion(Laboratorio vs Campo)
• Residuos de trigo y maíz tienen unarelación C/N entre 60 y 100
• Trabajos de laboratorio indican unainmovilizacion significativa con residuosde trigo y maíz
• Cuanto N se inmoviliza a condicionesde campo?
•Descomposiciónde residuo de trigoen Bushland, TX
• C/N = 80
•Temp media = 20oC
•Precipitaciónrecibida = 500 mm
•Contenido inicialde N = 12 kg N/ha
Schomberg et al., 1994
Porc
enta
je d
el N
itrog
eno
Inic
ial
020406080
100120140160180
Dias de Descomposicion0 100 200 300
Con
cent
raci
on d
e N
itrog
eno
(g k
g-1)
0
5
10
15
20
Residuo enterrado
Residuo en superficie
Residuo en superficie
Residuo enterrado
Dias de Descomposicion0 200 400 600
Con
cent
raci
on d
e N
itrog
eno
(g k
g-1)
0
1
2
3
4
5
6
7
Residuo en superficie
Residuo enterrado
Descomposición de residuo de maíz en Quebec, Canada
C/N = 67
Temp Media = 6oC
Precip. Annual = 940 mm
Contenido = 53 kg N/ha
Burgess et al., 2002
Temas
• Mineralización del N• Tests basados in nitratos• Modelos de simulación
Test de Nitratos a V5-V6
Nitratos en los30 cm superiores
del suelo
Etapa V5 a V6 (altura de 15 a 30 cm)
Abs
orci
ónde
Nitr
ógen
o
Muestreo
0 30 60 90 120
Días desde Emergencia
Abs
orci
ónde
Nitr
ógen
o
Muestreo
0 30 60 90 120
Días desde Emergencia
Condiciones AmbientalesQue Pueden Ocasionar Errores
• Lluvias que ocasionan lavado de nitratos
• Temperaturas más bajas de lo normal que llevan a bajamineralización
• Lluvia antes del muestreo que ocasionalavado de nitratos fuera de la zona demuestreo pero no fuera de la zona radicular
Fertilización Excesiva
Abs
orci
ónde
Nitr
ógen
o
0 30 60 90 120
Días desde Emergencia
• Condiciones mas frías de lo normalantes del muestreo
Fertilización Excesiva
Abs
orci
ónde
Nitr
ógen
o
0 30 60 90 120
Días desde Emergencia
• Lluvias por encima de lo normaldespués del muestreo
Fertilización deficiente
Abs
orci
ónde
Nitr
ógen
o
0 30 60 90 120
Días desde Emergencia
Test de Nitratos a V5-V6(OH,MI,IL,WI,IA,MN,KS,NE,ND,SD)
Brouder and Mengel, 2003)
Deficiente Correcta Excesiva
Por
cent
aje
de C
asos
0
20
40
60
80
n = 301
Fertilizacion
1
67
32
Test de Nitratos a V5-V6(101 Ensayos – Wisconsin)
Andraski and Bundy, 2002
Deficiente Correcta Excesiva
Por
cent
aje
de C
asos
0
20
40
60
80
n = 101
Fertilizacion
6
59
36
Test de Nitratos a V5-V6 (101 ensayos - Wisconsin)
Andraski and Bundy, 2002Desvio de Temp. Media de Mayo-Junio (oC)
-2 -1 0 1 2
Exc
eso
de N
itrog
eno
(kg
ha-1
)
-34
0
34
68
102
136
170
204
Andraski and Bundy, 2002
• Analisis de 101ensayos enWisconsin, separados portemperaturamedia de Mayo - Junio
Por
cent
aje
de C
asos
0
20
40
60
80
Deficiente Correcta Excesiva0
20
40
60
80
59
Temp. Mayo-Junionormaleso por encima
Fertilizacion
4
37
Temp. Mayo - Junio >0.5oCpor debajo de lo normal
7
76
16
n = 46
n = 55
• Condiciones mas frías de lo normalantes del muestreo
Fertilizacion Excesiva
Abs
orci
ónde
Nitr
ógen
o
0 30 60 90 120
Días desde Emergencia
Nitratos en el Suelo (mg N kg-1)
0 10 20 30 40 50
Exc
eso
de N
itrog
eno
(kg
ha-1
)
-34
0
34
68
102
136
170
204
Andraski and Bundy, 2002
Días de Mineralización Optima
• Usar condiciones ambientalesTemperaturaHumedad del suelo
• Calcular Días de Mineralización OptimaDías en que la mineralización procedea la tasa máxima posible
Efecto de la Temperatura
Kirschbaum, 1994Temperatura (oC)
0 10 20 30 40
Min
eral
izac
ion
Rel
ativ
a
0.0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0 y = exp[ -3.432 + 0.186 T (1-0.5T/36.9)]
0.3
15
Efecto de la Humedad
Contenido de Agua Relativo (RWC)
-0.4 -0.2 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0
Min
eral
izac
ion
Rel
ativ
a
0.0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
y = 0.83 RWC + 0.42
0.2
0.59
Paul et al., 2003
Cálculo de Días de MineralizaciónOptima
• Día 1: 0.30 x 0.59 = 0.18• Día 2: 0.37 x 0.57 = 0.21
• Días de Mineralización = 0.18 + 0.21 = 0.39• En 2 días hubieron:
0.39 Días de Mineralización Optima
Dias Desde Emergencia0 5 10 15 20 25 30
Dia
s de
Min
eral
izac
ion
Opt
ima
0
4
8
12
16
20
Condiciones Normales
Temperaturas Bajas
Dias de Mineralizacion Optima6 8 10 12 14 16N
ivel
Crit
ico
de N
itrat
os (m
g N
kg-1
)
10
12
14
16
18
20
22
Temas
• Mineralización del N• Tests basados in nitratos• Modelos de simulación
Uso de Modelos
• Sistemas complejos• Factores ambientales• Ideal para modelos de simulación• Una red de estaciones meteorológicas
puede proporcionar datos ambientales• Implementación de modelos en internet
puede proveer información para latoma de decisiones
Gracias por su Atención!