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
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Temas
• Mineralización del N• Tests basados en nitratos• Modelos de simulación
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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
-+
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Mineralización del Nitrógeno
MateriaOrgánica
BacteriasHongos
Nemátodos
Protozoarios
ResiduosVegetales
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Mineralización
Proteína AminoAcidos Urea Aminas++
Aminización
Proteasa R-OH + NH4++ H2O + H+Aminas
Amonificación
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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
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Mineralización de Nitrógeno
MateriaOrgánica
BacteriasHongos
Nemátodos
Protozoarios
ResiduosVegetales
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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
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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
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Factores Ambientales
• Temperatura
• Contenido de agua del suelo
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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)]
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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
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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
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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
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Mineralización de Nitrógeno
MateriaOrgánica
BacteriasHongos
Nemátodos
Protozoarios
ResiduosVegetales
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CO2
Mineralizaciónde residuos decultivos (C/N=20)
Eficiencia = 40%C/N microbiana = 10
Carbono208
0.2Nitrógeno10.8
N MineralizadoResiduo de CultivoMasa microbiana
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CO2
Mineralizaciónde residuos decultivos (C/N=40)
Eficiencia = 40%C/N microbiana = 10
Carbono4016
0.6Nitrógeno11.6
N InmovilizadoResiduo de CultivoMasa microbiana
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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
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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
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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
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Descomposición de Hojas de Algodón (C/N = 15)
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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
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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
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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)
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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
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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
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Mineralización
Proteína AminoAcidos Urea Aminas++
Aminización
Proteasa R-OH + NH4++ H2O + H+Aminas
Amonificación
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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
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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?
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•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
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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
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Temas
• Mineralización del N• Tests basados in nitratos• Modelos de simulación
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Test de Nitratos a V5-V6
Nitratos en los30 cm superiores
del suelo
Etapa V5 a V6 (altura de 15 a 30 cm)
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Abs
orci
ónde
Nitr
ógen
o
Muestreo
0 30 60 90 120
Días desde Emergencia
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Abs
orci
ónde
Nitr
ógen
o
Muestreo
0 30 60 90 120
Días desde Emergencia
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Condiciones AmbientalesQue Pueden Ocasionar Errores
• Lluvias que ocasionan lavado de nitratos
• Temperaturas más bajas de lo normal que llevan a bajamineralización
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• 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
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• Condiciones mas frías de lo normalantes del muestreo
Fertilización Excesiva
Abs
orci
ónde
Nitr
ógen
o
0 30 60 90 120
Días desde Emergencia
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• Lluvias por encima de lo normaldespués del muestreo
Fertilización deficiente
Abs
orci
ónde
Nitr
ógen
o
0 30 60 90 120
Días desde Emergencia
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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
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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
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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
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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
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• Condiciones mas frías de lo normalantes del muestreo
Fertilizacion Excesiva
Abs
orci
ónde
Nitr
ógen
o
0 30 60 90 120
Días desde Emergencia
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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
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Días de Mineralización Optima
• Usar condiciones ambientalesTemperaturaHumedad del suelo
• Calcular Días de Mineralización OptimaDías en que la mineralización procedea la tasa máxima posible
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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
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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
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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
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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
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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
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Temas
• Mineralización del N• Tests basados in nitratos• Modelos de simulación
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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
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