Ciclo Del Nitrogeno

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Caracteristicas y Dinámica del N del suelo

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  • nitrate concentration in the sap squeezed out of the stem of plants. The amount of nitrogen taken up by a crop depends on the growing conditions of the particular field and varies according to the growing conditions of the year (between the blue lines). The mineralisation of nitrogen from soil organic matter also varies annually (between the red lines). Therefore, the 'correct' application rate of nitrogen fertilizer for the same crop in the same field (yellow arrows) will be different from year to year and may need adjustment during the growing season.

Transcript

  • 1. CICLOS de NUTRIMENTOS en el SUELO
  • 2. NUTRIENTES ESENCIALES
  • 3.  
  • 4. Puntos a considerar:
    • Algunas generalidades sobre los suelos
    • Ciclo del nitrógeno
    • Entradas y salidas
    • Algunos términos importantes
    • N en términos globales
    • Como lo hacen los microbios
    • Balance de N (entradas=salidas)
  • 5. Suelo
    • Producto secundario de la naturaleza resultado de la acción combinada de elementos, fenómenos y procesos que actúan sobre el material parental y a partir de donde se conforma su matriz mineral.
    Sistema abierto sujeto a intercambios energéticos y materiales diversos (geológicos, climáticos, topográficos, hidrológicos, bióticos, etc.)
  • 6. Suelo
    • Soporte físico de plantas y fuente de suministro de agua y nutrimentos.
    • Medio de producción fundamental en la agricultura (incluye la producción).
  • 7. Interrelaciones Basicas ps Mineral Organic Water Air 45% ~5% 50% MATERIAL SÓLIDO (50%) “ POROUS MEDIA” (50%) MEDIO POROSO
  • 8. El ciclo de los nutrientes inorgánicos pasa a través de varios organismos, además entran a la atmósfera ,(agua) hidrosfera e inclusive a las rocas , litosfera . Así, estos ciclos químicos pasan también por los bio lógicos y los geo lógicos, de donde se los denomina :
  • 9.
    • CADA compuesto químico tiene
    • su propio y único ciclo , pero
    • todos los ciclos tienen características en común
    CICLOS BIO-GEO-QUÍMICOS
  • 10.
    • Hoy . . . . .
    • N I T R O G E N O
  • 11. Número atómico Símbolo atómico Peso atómico Nitrógeno Nombre del elemento Configuración electrónica
  • 12. CICLO DEL CARBONO
  • 13. FORMULA ESCTRUCTURAL DE LA CLOROFILA La clorofila es una molécula compleja, formada por cuatro anillos pirrólicos, un átomo de magnesio y una cadena de fitol larga (C20H39OH).
  • 14. DEFICIENCIAS ( nitrógeno) NORMAL Nitrogen es un componente de las proteinas, particularmente clorofila menos N resulta en menos clorofila , entonces, menor verdor > nitrogen <
  • 15.  
  • 16. 1. Nutrición vegetal??? Tomar los elementos minerales desde el suelo No se refiere específicamente a la fotosíntesis.
  • 17. Nombre % en planta relativo a N Funciones Macronutrientes (primarios) Nitrogen N 100 Proteins, amino acids Phosphorus P 6 Nucleic acids, ATP Potassium K 25 Catalyst, ion transport Mesonutrientes ( secundarios) Calcium Ca 12.5 Cell wall component Magnesium Mg 8 Part of chlorophyll Sulfur S 3 Amino acids Iron Fe 0.2 Chlorophyll synthesis Micronutrients (oligoelementos) Copper Cu 0.01 Component of enzymes Manganese Mn 0.1 Zinc Zn 0.03 Activates enzymes Boron B 0.2 Cell wall component Molybdenum Mo 0.0001 Involved in N fixation Chlorine Cl 0.3 Photosynthesis reactions
  • 18. Summary of soil water chemistry In this summary occurrence of H+ in soil water is shown as the result of respiration of CO 2 and disassociation of carbonic acid H 2 CO 3 that forms Water flow
  • 19. N-fixing bacteria Fig. 32.13 Most uptake from the soil is in the form of nitrate
  • 20. Partículas minerales
    • Arena (entre 0.06 y 2.00mm)
    • Limo (entre 0.002 y 0.06mm)
    • Arcilla (<0.002mm)
  • 21. Textura del suelo
    • Es la proporción relativa de arena, limo y arcilla en un suelo
  • 22. Texturas (de acuerdo a USDA)
    • Arcilla
    • arcilla arenosa
    • arcilla limosa
    • franco (ideal, arena=50-72; limo=28-50; arcilla=5-28%)
    • franco arcillo arenoso
    • franco arenoso
    • Franco arcilloso
    • franco arcillo limoso
    • franco limoso
    • arena francosa
    • arena
    • limo
  • 23. Consistencia
    • Porosidad
      • macroporos
      • microporos
    • Densidad aparente
      • Se refiere al peso del suelo con relación al volumen
  • 24. Materia orgánica del suelo
    • Formada a partir de los diferentes residuos animales y vegetales que el suelo recibe.
    • Los tejidos orgánicos muertos >colonizados y atacados por varios organismos del suelo; las combinaciones orgánicas reconvertidas:
      • C 2
      • NH 4
      • H 2 PO 4
      • SO 4
  • 25. Humus
    • Parte mas o menos estable de la materia orgánica del suelo que permanece en el suelo luego que los procesos iniciales de descomposición han degradado la mayor porción de los residuos animales y vegetales agregados al suelo
  • 26. Humus
    • Tasa de mineralización: 1-5% por año en función de:
      • cantidad
      • composición: N, relación C:N (25-30 OK)
      • condiciones ambientales
        • suministro de agua
        • temperatura
  • 27. Humus
    • Coloide, gran superficie de contacto, color oscuro.
      • Aumenta la CIC
      • aumenta la capacidad de retención de humedad
      • mejora la estructura del suelo
  • 28. Contenidos de materia orgánica (%) en algunos suelos de selva y savanna
  • 29. Efecto del sistema de producción sobre la Materia Orgánica en el suelo
  • 30. Mineralización de C en suelos de Yucatán
  • 31. Mineralización de N en suelos de Yucatán
  • 32. Efecto de la reducción de materia orgánica del suelo (por erosión) y la mineralización del humus
    • Deterioro de la estructura. Reducción de
      • porosidad
      • aireación
      • captación de agua de lluvia
  • 33. Efecto de la reducción de materia orgánica del suelo (por erosión) y la mineralización del humus (II)
    • Disminución de la capacidad de intercambio catiónico
    • reducción de la capacidad de retención de humedad
    • pérdida de nutrimentos potenciales en humus y reducción en cantidades liberadas hacia las plantas
  • 34. Totales Mundiales (millones de hectáreas) Remoción de Vegetación 579 Sobreexplotación 133 Sobrepastoreo 679 Actividades Agrícolas 522 Industrial y Bioindustrial 23 Suelo Degradado = Menos alimentos
  • 35. Termósfera Mesosfera Capa de ozono Estratosfera Troposfera
  • 36.  
  • 37. El ciclo del nitrógeno Productos Fertilizantes Ganado Plantas MO del suelo Fuego Partículas de suelo Lixiviación Lluvia ácida
  • 38.  
  • 39. Aspectos importantes sobre el ciclo del nitrógeno...
    • El N proviene de la atmósfera, no de material rocoso, como otros nutrimentos
    • Ciclos de C, P y S >muy asociados con el ciclo de N
    • Sustentabilidad :
    • entradas de N = salidas de N (o sea, sin pérdida neta de N del sistema)
  • 40. Entradas de N en el sistema
    • Fijación de N 2
    • Depósito húmedo (NH 3 y N x O disueltos en agua de lluvia)
    • Depósito seco (NH 4 + y NO 3 - absorbidos por vegetación y suelo o por caída gravitacional de partículas en aerosol)
    • Adición de materia orgánica en excretas animales y residuos vegetales
    • Fertilizantes
  • 41. Salidas de N en el sistema
    • Cultivos: animales y vegetales
    • Lixiviación
    • Pérdidas gaseosas
      • Volatilización de NH 3
      • Nitrificación / desnitrificación de N x O
    • Erosión y escurrimiento
  • 42. Son suficientes estas entradas para una agricultura sustentable?
    • Cereales (maíz, sorgo), al menos 50-100 kg. N/ha/año
    • Pastos: casi no se utiliza, pero la producción tiende a bajar. Si se usa, es 100 kg. N/ha/año
    • Por tanto, actualmente:
    • NO HAY SUSTENTABILIDAD
  • 43. ¿Porqué?
    • Fijación de N 2 : no se explota! No hay leguminosas aún en potreros!
    • Mucha pérdida en excreta animal (NH 3 )
    • Depósitos atmosféricos: muy pocos, entre 5 y 10 kg. N/ha/año, en los mejores casos
    • Suelos delgados, erosión vertical y lixiviación!
    • Por lo tanto, se requieren fertilizantes!
  • 44. Más fertilizante: Más Alimento, pero más polución también
  • 45. Con prácticas futuras, aún es poco probable lograrlo, ¿porqué?
    • No se da tiempo al suelo para recuperar - time is money, you know!
    • Dependiendo del cultivo/sistema, se utiliza mucho N del sistema (carne=10%; leche=25%; cereales=hasta 70%)
    • Más motivados por factore$ económico$$ que por sustentabilidad!!
  • 46. Para ésto, se requiere:
    • Optimizar las entradas, es decir, favorecer la fijación de N 2 y balancear descomposición de materia orgánica
    • Minimizar pérdidas, o sea, reducir pérdidas como volatilización de NH 3 y lixiviación de NO 3 -
  • 47. ¿Cual es la cuestion entonces?
    • Sabemos que hacer...
    • Pero no es rentable!!
    • Ya lo decía Virgilio (36-29 AC, más de 2000 años!!) en su poema de cuatro tomos Georgianos (el Arte de la Agricultura):
    • “ ... PARA PREVENIR LA PÉRDIDA DE LA FERTILIDAD DEL SUELO, ROTAR CULTIVOS, DEJAR BARBECHO Y SEMBRAR LEGUMINOSAS ...”
  • 48. Términos importantes en el ciclo de nitrógeno:
    • Fijación biológica de N 2 : conversión de gas N 2 a formas de N orgánico
    • Inmovilización : absorción de N inorgánico y conversión a N orgánico
    • Mineralización : conversión de N orgánico a N inorgánico por microbios del suelo
    • Amonificación : conversión de N orgánico a NH 4 +
  • 49. Más términos...
    • Nitrificación : conversión de NH 4 + a NO 3 -
    • Desnitrificación : conversión de NO 3 - a N 2
    • Fuego : conversión de N orgánico a gas N 2
  • 50. ¿Qué es el N en la materia orgánica del suelo y de que se compone?
    • 20-50 % amino ácidos/proteínas
    • 5-10 % como amino azucares
    • 1 % como ácidos nucleicos
    • 50 % desconocido (probablemente productos de metabolismo microbial en mayoría, p.e. algo de lignina)
  • 51. Papel de microorganismos
    • La mayoría de las transformaciones del N en el suelo son llevadas a cabo por microorganismos.
    • Los microbios controlan el ciclo de N, excepto reacciones químicas y físicas
  • 52. Papel de microorganismos: transferencia de Energía y nutrimentos SOL Plantas productoras Animales consumidores Reductores O 2 CO 2 N , P, Ca, S, etc
  • 53. Descomposición de materia orgánica y N
  • 54. Mineralización de N a partir de follaje
  • 55. Reacciones físicas y químicas...
    • Fijación de NH 4 (carga +va) por partículas de arcilla (carga -va),
    • Lixiviación de NO 3 -
    • Fuego, causado por relámpagos
  • 56. ¿Dónde esta todo el N del mundo?
    • Estadísticas de N global
    • Atmósfera(*)
    • Océano
    • Suelos
    • Plantas y animales
    • Contenido de N (x 10 16 kg)
    • 386
    • 2.3
    • 0.02
    • 0.05
  • 57. ¿Dónde esta todo el N en el suelo?
    • Componente suelo-planta-animal
    • Biomasa vegetal
    • Biomasa animal
    • Hojarasca
    • Mat. Org. del suelo (*)
    • Biomasa del suelo (microbial y mesofauna)
    • NH 4 + fijado
    • NH 4 + y NO 3 - solubles
    • % en cada compartimento
    • 3.5
    • 0.06
    • 0.6
    • 90
    • 0.15
    • 4.8
    • 0.3
  • 58. Efecto de tipo de suelo sobre el contenido de N orgánico del suelo
    • Tipo de suelo
    • Turba (histosol)
    • Bosque pino (podzol)
    • Bosque deciduo (cambisol/suelo café)
    • Bosque tropical (oxisol)
    • % de N de suelo como N orgánico
    • 99
    • 90
    • 90
    • 90
  • 59. Tiempo de residencia del suelo
    • El tiempo de residencia para el N en el suelo ha sido estimado en 175 años !
    • Puede ser de 2-3 semanas, o hasta de 1000 años, dependiendo de la fracción en que se encuentre.
  • 60. N como nutrimento para las plantas
    • Forma principal: nitrato (arroz: NH 4 + )
    • Enzimas: nitrato reductasa y nitrito reductasa
    • Amonio: forma preferida por arboles y microbios
    • Absorción de N: regulado por suministro y demanda
    • Plantas: no acumulan N
    • 75% N absorbido: removido por cultivo
  • 61. % de N removido por algunos cultivos
  • 62. Cantidad (kg/ha) de nutrientes removidos en la cosecha de diferentes cultivos
  • 63. Curva típica de eficiencia de uso de N para cereales Incremento en rendimiento
  • 64. Curva típica de eficiencia de uso de N para cereales (2)
  • 65. Pérdidas de N
    • N es el nutrimento mas móvil en el suelo
    • Al menos 30 % de todo el fertilizante se pierde
  • 66. Amonificación bacterial
    • Si N disponible > N requerido por los microbios, el exceso es excretado como NH 4 + al suelo (p.e. al degradar residuos con C:N bajo como nódulos que son ricos en N)
    • En suelos pH>7, el NH 4 + (ion en solución) es inestable y cambia a NH 3 (gas), que puede perderse vía volatilización
  • 67. Nitrificación
    • Reacción aeróbica conducida por bacterias autotróficas que convierten amonio (NH 4 + ) a nitrato (NO 3 - ).
    • Las tasas máximas de nitrificación ocurren a pH neutro y altas temperaturas (factores que favorecen las bacterias involucradas en este proceso - Nitrosomonas y Nitrobacter
  • 68. Nitrificación: el proceso NH 4 NO 2 NO 3 Amonificación Nitrificación
  • 69. Desnitrificación bacterial
    • Reducción microbial de NO 3 - a N 2 O o N 2
    • e.g. Pseudomonas
    • Utiliza NO 3 - en lugar de O 2 como aceptor terminal de electrones
  • 70. Condiciones que favorecen la desnitrificación:
    • Condiciones anaeróbicas (inundación)
    • Uso de fertilizantes
    • Altas temperaturas
    • Suelo pH neutro
    • Alto contenido de materia orgánica
  • 71. Consecuencias...
    • Resulta en contaminación ambiental al destruir la capa de ozono
    • También contribuye al calentamiento global (óxidos nitrosos; aunque de efecto menor)
  • 72. Calentamiento por gases de invernadero
  • 73. Temperaturas en Superficie han aumentado en el siglo pasado
  • 74.  
  • 75. N 2 O
  • 76. Volatilización de amoniaco
    • Proceso químico que convierte el ion amonio (NH 4 + ) a amoniaco (NH 3 ), que es acelerado por el viento, alto pH del suelo (>7) y altas temperaturas
  • 77. Volatilización de amoniaco (2)
    • Ocurre en altas tasas en suelos áridos y calcáreos
    • También ocurre en suelos con baja CIC (e.g. suelos arenosos) pues el NH 4 + no es atrapado firmemente
    • Prevalece en suelos con aplicaciones de excretas de granja o urea (el olor a NH 3 proveniente de gallinaza, por ejemplo)
  • 78. Lixiviación
    • Esto ocurre principalmente como NO 3 - (pues es adsorbido débilmente al suelo)
    • Se acelera bajo adiciones altas de fertilizante NO 3 - (suministro> demanda)
    • El NH 4 + solo es lixiviado en suelos arenosos (en los demás, es firmemente atrapado en/sobre la fase de intercambio)
    • La lixiviación requiere altas precipitaciones para mover NO 3 - lejos de la zona radicular
  • 79. Niveles de NOx aún son un problema en Europa y Norte América
  • 80. Nutrimentos en exceso pueden estimular crecimiento de algas Pre 1972
  • 81. Nutrimentos en exceso pueden estimular crecimiento de algas Post 1972
  • 82. Escurrimiento y erosión
    • Escurrimiento - sucede cuando hay alta precipitación, compactación del suelo y no hay cobertura sobre el suelo
    • Erosión - el viento y/o el agua acarrean el suelo a otro lugar
  • 83. Fijación Biológica de Nitrógeno
    • Fijación de gas N 2 a amoniaco (NH 3 )
  • 84. Organismos fijadores de Nitrógeno
    • Bacteria
    • Algas azul-verde (cyanobacteria)
  • 85. Fuente de Carbono (energía) para la fijación de nitrógeno
    • Heterotróficas (requieren asimilar C orgánico pre-formado) e.g. las bacterias, Rhizobium
    • Autotróficas (hacen su propio C por medio de la fijación de CO 2 ) en fotosíntesis
    • e.g. algas azul-verdes, Anabaena
  • 86. Asociaciones para la fijación de Nitrógeno
    • En vida libre (es decir, fijan N 2 por si mismas) e.g. las bacterias, Azospirillum (30 % de todo el N 2 fijado en el planeta)
    • Simbiótica e.g. bacteria-planta ( Rhizobium y soya) (70 % de todo el N 2 fijado en el mundo)
  • 87. Resumen de las asociaciones en la fijación de nitrógeno
  • 88. Resumen de las asociaciones en la fijación de nitrógeno (2)
    • Simbiosis - dos organismos conviven juntos (bacterias dentro de raíces)- el C proviene de la planta anfitriona
  • 89. Resumen de las asociaciones en la fijación de nitrógeno (3)
    • Asociación - dos organismos vagamente asociados (bacterias no en raíces, sólo en la rhizosfera en torno a la raíz)- el C proviene de la planta anfitriona
  • 90. Resumen de las asociaciones en la fijación de nitrógeno (4)
    • En vida libre - no asociadas con otro organismo y ya sea que hacen su propio C, o lo obtienen de material vegetal muerto
  • 91. Como se forma un nódulo en una relación simbiótica entre una leguminosa y las bacterias de Rhizobium texto
  • 92. Tipos de bacterias
    • Rhizobium
    • Bradyrhizobium
  • 93. El tipo de bacteria es muy específico para el tipo de planta
    • Especies de plantas
    • Frijol, chícharo, trébol
    • Alfalfa
    • Soja
    • Lupino
    • Maní
    • Especies de bacterias
    • Rhizobium leguminosarum
    • R. meliloti
    • Bradyrhizobium japonicum
    • B. lupinus
    • B. arachis
  • 94. Porque diferentes géneros...
    • Rhizobium - de rápido crecimiento en medios de cultivo de laboratorio
    • Bradyrhizobium - de lento crecimiento en medios de laboratorio
  • 95. Características de crecimiento bacteriano en cultivos de laboratorio
  • 96. Donde se forman los nódulos?
    • En los pelos radicales e.g. trébol
    • En las uniones de las raíces laterales e.g. Maní ( Arachis )
    • En la base del tallo e.g. arboles de Sesbania
  • 97. Algo para tomar en cuenta...
    • Los nódulos se forman únicamente en suelos pobres en nitrógeno
    • Por lo tanto, INDEFECTIBLEMENTE
    • los fertilizantes N reducen la fijación de N 2 y la formación de nódulos
  • 98. Puntos importantes sobre la estructura de los nódulos
    • La corteza previene la difusión (al interior) de O 2 (esto inhibiría las enzimas nitrogenasas)
    • Tiene un buen suministro vascular para llevarse el N e importar C
  • 99. Otro punto importante: No todos los nódulos pueden fijar nitrógeno!
    • Nódulos Efectivos - aquel que fija mucho N (son simbióticos)
    • Nódulos Inefectivos - fijan poco o nada de N (se les podría llamar parasíticos)
  • 100. Algunas cifras sobre fijación de N 2
  • 101.  
  • 102.  
  • 103.  
  • 104. Absorción de nitrógeno y componentes del rendimiento para TRIGO . A large number of ear-bearing shoots and grains per ear are initiated and are later reduced in accordance with the growing conditions to sustainable numbers.
  • 105. nitrate la concentración en la savia exprimida fuera del vástago de plantas. La cantidad de nitrógeno tomada por una cosecha depende de las condiciones cada vez mayor del campo particular y varía según las condiciones cada vez mayor del año (entre las líneas azules). La mineralización del nitrógeno de la materia orgánica de suelo también varía anualmente (entre las líneas rojas). Por lo tanto, el índice ' correcto ' del uso del fertilizante del nitrógeno para la misma cosecha en el mismo campo (flechas amarillas) será diferente a partir de año al año y puede necesitar el ajuste durante la estación de crecimiento.
  • 106.  
  • 107.                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                        
  • 108. Conclusiones
    • El suelo...
      • Más importante de lo que parece!!
      • Características----> plantas/cultivos/pastos
      • Biomasa microbial---->actividad “invisible”
    • Procesos importantes:
      • Ciclo de nutrimentos (N, el más móvil)
      • Estrategias:
        • Minimizar pérdidas
        • maximizar “entradas” del mismo sistema
  • 109. Conclusiones (II)
    • Más énfasis en tecnología de procesos
      • e.g. Cadenas tróficas, regeneración de vegetación, ciclo de nutrimentos, energía y agua, fijación de N.
    • Menos en tecnología de insumos
      • e.g. Fertilizantes, hormonas, aditivos, suplementos, riego, etc.