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!