Principios básicos de relaciones suelo-planta

7/27/2012
AGRO 4037 –
Fertilidad de Suelos y Abonos
2 - Principios básicos de relaciones
suelo-planta
1
2 - Principios de relaciones suelo-planta
2-1 Crecimiento de las plantas y concepto de rendimiento
2-1.1 Crecimiento de las plantas y rendimiento de cosechas
2-1.2 Ley de mínimo (Sprengel-Liebeg)
2-1.3 Curva de incrementos decrecientes (Mitscherlich)
2-2 Factores limitantes al crecimiento o rendimiento
2-2.1 Factores climáticos
2-2.2 Factores del cultivo
2-2.3 Factores del suelo
2-3 Elementos esenciales
2-3.1 Criterio para que un nutriente sea esencial
2-3.2 Nutrientes específicos
2-3.3 Concentración de nutrientes en la planta
2-3-4 Extracción de nutrientes
2-4 Movimiento de nutrientes de suelo a la raíz
2-4.1 Intercepción radical
2-4.2 Flujo de masas
2-4.3 Difusión
2-4.4 Capacidad amortiguadora
2
1
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2 - Principios de relaciones suelo-planta (cont.)
2-5 Funciones de los nutrientes
2-6 Síntomas de deficiencias nutricionales
Ver separata “Objetivos de Aprendizaje” para los detalles
3
2-1.1 Crecimiento de las plantas
• Los cambios que experimenta la planta a través del
tiempo son cuantitativos (medidas agronómicas)
• Estas usualmente guardan relación con el rendimiento
• Crecimiento de la planta está cuantitativamente
relacionado a factores externos e internos
• La forma, biomasa, producto (grano, fruta, etc..) que
adquiere una planta a lo largo de la diferentes etapas se
debe a: características genéticas, interacción entre
factores genéticos y ambientales y disponibilidad
adecuada de nutrientes
• Conocer patrones de crecimiento ayudan a identificar el
momento de mayor necesidad nutricional y a diagnosticar
potenciales problemas
4
2
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d
c
Planta “anual”
b
a.
b.
c.
d.
a
Fase inicial
Fase rápido crecimiento
Tasa de crecimiento disminuye
Madurez, crecimiento termina
5
Biomasa
Planta “perenne”
Tiempo
6
3
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Concepto de rendimiento de cosechas
•
•
•
•
•
Forrajeras
Raíces y tuberculos
Granos
Frutales
Vegetales y hortalizas
¿Cuáles son rendimientos óptimos para cada cosecha?
¿Qué se puede utilizar como indicator agronómico de
renidmiento?
7
Importancia del manejo agronómico para
maximizar rendimientos
• Con el incremento en la población mundial y mejoría en el estandar de
vida, es necesario satisfacer la creciente demanda de alimentos
• Sin la intervención del hombre las plantas crecen y producen pero
usualmente con bajos rendimientos.
• Para alcanzar o tratar de obtener los máximos rendimientos, se
modifican las condiciones físicas y químicas de los suelos, se cambian
los patrones de cultivo y se utilizan los datos climáticos
• Todo lo que hace el hombre dentro de un sistema de
producción agrícola para aumentar los rendimientos y
reducir los efectos perjudiciales del clima se conoce como
manejo agronómico
8
4
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2-1.2 Sprengel-Liebeg, Ley del mínimo
• Crecimiento (rendimiento) de la planta está limitado por el factor
(nutriente) disponible al mas bajo nivel relativo
• El nutriente que esté por debajo del nivel crítico mínimo será el que
limita el crecimiento
• Por lo tanto es importante identificar y ordenar los factores
limitantes al desarrollo de la planta para poder resolver problemas
nutricionales
• Aplicabilidad: Identificar cual es el nutriente limitante
9
Ejemplos
10
5
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2-1.3 Mitscherlich – Curva de
incrementos decrecientes
• El incremento de un factor casi nunca ocasiona una
respuesta lineal. Se observa una curva de respuesta del
tipo exponencial.
• El concepto es importante porque evalúa la producción en
base al aumento de un factor y sirve para identificar la
cantidad óptima del factor limitante con lo que se logran los
mayores rendimientos agronómicos.
• La base matemática de estos enfoques son empleadas
estadísticamente para el establecimiento de las dosis
adecuadas de fertilización para los cultivos.
11
Y = A(1-10-cx)
y/x = (A - y)*C
A = rendimiento máximo posible que se obtiene suministrando todos los
factores de crecimientos bajo condiciones óptimas.
y = rendimiento obtenido después de que una cantidad de x haya sido
suministrada
x = incremento del factor de crecimiento
C = constante que depende del cultivo y de condiciones climáticas
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6
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Ejemplos de distintos modelos para determinar
la dósis óptima de aplicación de nutrientes
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2-2 Factores limitantes al crecimiento o rendimiento
2-2.1 Factores climáticos
• Temperatura – afecta fotosíntesis, transpiración, actividad
enzimática, actividad microbiana, tasa de absorción de agua
y nutrimentos
• Radiación solar - duración del día, tasa de fotosíntesis,
respiración, absorción activa de iones
• Precipitación (humedad) - funciones metabólicas de la
planta, actividad microbiana del suelo, movimiento y
aborción de nutrientes
• Composición del aire - oxigeno, concentración de CO2,
ozono
¿Como se pueden manejar cada uno de estos?
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7
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2-2.2 Factores de cultivo
•
•
•
•
Especie
Variedad de cultivo (Ver. Capitulo 10, p. 362)
Arquitectura de la planta/raíz
Resistencia a enfermedades y plagas (insectos,
enfermedades, yerbajos)
¿Como se pueden manejar cada uno de estos?
15
2-2.3 Factores del suelo
•
•
•
•
•
•
•
•
Reacción del suelo (pH )
Capacidad de intercambio catiónico
Disponibilidad de nutrientes
Materia orgánica
Humedad del suelo
Textura y estructura del suelo
Labranza
Drenaje
¿Como se pueden manejar cada uno de estos?
16
8
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2-2.4 Interacción entre los factores de
crecimiento (cap 11, p. 418)
• Interacción negativa – Respuesta al factor A y al factor B
combinado es menor que cuando se aplica por separado
• Cero interacción – Respuesta al factor A y al factor B combinado
es aditivo
• Positiva interacción – Respuesta al factor A y al factor B es mayor
que la suma de los dos factores
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Temperatura
Rendimiento (kg/ha)
Rendimiento (kg/ha)
Disponibilidad de agua
Nivel de N (kg/ha)
Nivel de N (kg/ha)
Genética
Fotosíntesis
Rendimiento (kg/ha)
Cultivo
Intensidad de luz
Nivel de N (kg/ha)
18
9
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19
20
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2-3 Elementos esenciales
• Se han encontrado aprox. 60 elementos en tejido de plantas
• Plantas absorben cualquier elemento presente en la
solución del suelo
• La utilización depende de (i) presencia del nutriente en
solución (ii) competencia iónica por puntos de absorción (iii)
especie iónica
• La utilización no está determinado por la necesidad de la
planta
• Contenido total del nutriente no indica necesidad
21
2-3.1 Criterio para que un nutriente sea
esencial
• Planta no puede completar ciclo de vida sin el nutriente
• Nutriente ‘elemento’ es parte de una molécula envuelta
en algún proceso metabólico o partipa directamente en
reacciones bioquímicas.
• Por lo tanto:
• su ausencia reduce drásticamente el crecimiento
• su ausencia produce síntomas visuales
• los síntomas son superables con el suministro del
nutrimento
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Descubrimiento de elementos y de su
esencialidad en las plantas. Adaptado de J. Cepeda, 2010
Elemento
C
H
O
N
P
K
Ca
Mg
S
Fe
Mn
Zn
Cu
B
Cl
Mo
Descubridor
Año
Cavendish
Priestley
Rutherford
Brand
Davy
Davy
Davy
1776
1774
1772
1772
1807
1808
1808
Scheele
1774
Davy/Gay Lussac
Scheele
Hezlm
1808
1774
1782
Esencialidad
De Saussure
De Saussure
De Saussure
De Saussure
Vile
von Sachs, Know
von Sachs, Know
von Sachs, Know
von Sachs, Know
von Sachs, Know
McHargue
Sommer y Lipman
Sommer y Lipman
Sommer y Lipman
Stout
Arnon y Stout
Año
1804
1804
1804
1804
1860
1860
1860
1860
1865
1860
1922
1926
1931
1926
1954
1939
23
2-3.2 Nutrientes específicos
• Se clasifican a base de la cantidad relativa absorbida por
las plantas. Existen 16 elementos esenciales (ver Cuadro
1.8, p. 12 en Havlin et al., 2005)
• No minerales
– C, H, O
• Macronutrientes - poseen un alto umbral de toxicidad
– primarios - N, P, K
– secundarios - Ca, Mg, S
• Micronutrientes – poseen bajo umbral de toxicidad
– Fe, Mn, Zn, Cu, B, Cl, Mo
24
12
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• Generalmente los nutrimentos primarios son los
primeros en ser deficientes en el suelo; plantas usan
cantidades relativamente altas de estos.
• Los secundarios y los micronutrimentos son en general
menos deficientes en el suelo; plantas los utilizan en
pequeñas cantidades. No quiere decir que sean menos
importante.
• Otros elementos pueden sustituir parcialmente (ser
beneficioso parcialmente), pero no son clasificados
formalmente como esenciales.
• Na – esencial en plantas halofíticas
• Ni - esencial para algunas plantas
• Co - requerido en leguminosas si NO3- es única
fuente
• Si - arroz, cereales
• Sr - puede sustituir parcialmente por Ca2+
• Va - algas verdes, algas verde-azules
25
Otros nutrientes:
• Esenciales para animales pero no para plantas - I, F, Se,
Co, Na
• Esenciales para plantas pero no animales - B
• Abundante en plantas pero no esenciales - Al, Si, Na
26
13
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Consumo superfluo
3
2
1
[ ] elemento en materia seca
Concentración de K
4
Rendimiento
Crecimiento ó rendimiento
2-3.3 Concentración de nutrientes en la
planta
Nivel de aplicación (kg K2O/ha)
1. Deficiente - [ ] es tan baja que el rendimiento está severamente
reducido. Síntomas de deficiencia se observan claramente
2. Insuficiente - [ ] está por debajo del requerido para obtener un
rendimiento óptimo, pero no necesariamente se observan síntomas
visuales
3. Nivel critico - [ ] por debajo del cual ocurre deficiencia
4. Toxicidad y/o competencia - [ ] es suficientemente alta para causar
daño en la planta
27
28
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2-3.4 Extracción de nutrientes
140
A
Leaves - N
Vines - N
Tuber - N
Nitrogen (kg/ha)
100
80
60
40
20
0
2
3
4
5
6
Months after planting
7
8
9
Nutrient uptake (kg/ha)
120
B
260
240
220
200
180
160
140
120
100
80
60
40
20
0
Nitrogen
Potassium
Calcium
Magnesium
2
3
4
5
6
Months after planting
7
8
9
Extracción de N en componentes del ñame (A) y de N, P, Ca, Mg en
toda la planta (B) (modificado de Irizarry et al., 1985)
29
• Distinguir entre extracción de nutrientes en la totalidad
de la planta y sus componentes
• Remoción en fruto o grano
• Extracción en material vegetativo
• Utilizar las unidades apropiadas
30
15
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Ejemplo, extracción de nutrientes
Common name
All forages(mean)
Cassava
Tanier
Tanier
Tanier
Yam
Yam
Yam
Common Bean
Cucumber
Lettuce
Onion
Pepper
Potato
Sweet corn
Sweet potato
Tomato
Sugar Cane
Banana
Plantain
Pineapple
Yield
lb/ac/yr
23,423
Manihot utilissima
12,543
Xanthosoma spp. (Kelly) 10,083
Xanthosoma spp
(Blanca)
Xanthosoma spp
(Morada)
Dioscorea spp.
28,288
D. alata (Florido)
52,359
D. rotundata (Guineo)
45,976
Phaseolus vulgaris
891
Cucumis sativus
13,365
Lactuta sativa
Allium cepa L.
Capsicum annum
Solanum tuberosum
Zea mays
Ipomea batatas
Lycopersicon esculentum
Sacharum officinarum
Musa acuminata
Musa balbicinia
Anana comosus
Species (variety)
N
P
K
-------------lb/ac/yr---------------292
48
376
50
16
79
129
36
196
147
68
519
111
105
191
169
90
42
95
145
140
210
155
140
180
94
214
192
300
13
17
17
22
16
12
12
25
12
30
20
20
21
23
40
37
50
139
143
199
192
179
58
170
155
140
275
105
200
280
185
659
546
250
31
2-4 Movimiento de nutrimentos en suelo
hacia la raíz de la planta
Prinicipios básicos
• Existe neutralidad eléctrica en la solución del suelo
• Cada ión responde a cambios en su propia
concentración en el suelo
• Iones se mueven en solución de alta a menor
concentración, respondiendo a un gradiente
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2-4.1 Intercepción radical
• Raíces crecen hasta llegar a los nutrientes en suelo
(mayormente intercambiable)
• Raíces poseen puntos de carga (CIC, asociado a grupos
funcionales RCOO-)
• Selección iónica en plantas mono- y dico-tiledoneas
• Puntos de carga retienen iones
• Volúmenes de oscilación de los iones se solapan y
cationes intercambian posiciones sin entrar en solución.
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• Cantidad de iones interceptado por la planta depende
de:
• masa o volumen radicular y cantidad de iones
disponibles en el suelo
• Contacto máximo ocurre cuando volumen radical es
igual al volumen del suelo
• Volumen radical es aprox. 1-3 % del volumen del
suelo. Por lo tanto las raíces crecen a través del 2 %
del volumen del suelo, encuentran 2 % de los
nutrientes
• Importancia de micorrizas para aumentar el volumen
radicular
34
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2-4.2 Flujo de masas
• Nutrientes disueltos en la solución del suelo son
transportados a la raíz por el flujo de agua que ocurre
debido a la utilización de agua por la planta durante
transpiración.
• Es proporcional al flujo del volumen de agua a través de
la raíz
• Factores que influyen sobre las cantidades de nutrientes
que se utilizan:
1. Tasa de transpiración
2. Concentración de nutrimentos en el agua
3. Tasa de restitución del nutrimento (fase sólida,
MO, adsorbído)
35
36
18
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2-4.3 Difusión
• Se debe al movimiento de nutrientes en la solución del
suelo en respuesta a un gradiente en concentración.
• Factores:
• concentración de nutrientes en la solución
• capacidad del suelo de reponer nutrimentos
• Las distancias afectadas por este fenómeno son
pequeñas: P = 0.01 cm/dia; K = 0.09 cm/dia; NO3- = 0.3
cm/dia
• Ecuación que describe el proceso (Primera ley de Fick):
dC/dt = De*A*dC/ dx
• dC/dt = dQ = tasa de difusión (cambio en concentración
con tiempo) (g/cm3/s)
• De = coeficiente efectivo de difusión (cm2/s)
• dC/dx = gradiente de concentración (cambio en
concentración con distancia) (g/cm3 cm)
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Tasa de difusión es proporcional a :
– magnitud en el gradiente de concentración
– coeficiente efectivo (De) de difusión
donde De de difusión se define como:
De = Dw v 1/T 1/b
y es:
• proporcional a coeficiente de difusión en agua (Dw)
• proporcional a humedad (v)
• inversamente proporcional a tortuosidad (T)
(función de humedad y textura)
• inversamente proporcional a capacidad
amortiguadora (b)
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1 hr
8 hr
1d
dC/dt
P en solución
franco
arenoso
arcillo-limoso
v
Distancia de la raiz
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• Relación entre variables en la ecuación:
– aumenta v , dC/dt aumenta
– disminuye b, dC/dt aumenta
– aumenta dC, dC/dt aumenta
• Capacidad amortiguadora (b) del suelo – capacidad del
suelo para resistir cambio
b = Padsorbido / Psolución
40
20
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2-4.4 Capacidad amortiguadora del suelo
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Ejemplo
P solución
P adsorbido
limo
arcilla
arcilla
limo
P solución
P añadido
42
21
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***Importancia de los procesos de difusión y
capacidad amortiguadora del suelo***
•
•
•
•
Manejo de fertilizante
Colocación de fertilizante cerca de la raíz
Colocación de fertilizante donde humedad del suelo es mayor
Mayor tasa en suelo con capacidad amortiguadora baja
43
Magnitud relativa de los tres procesos
Ejemplo de movimiento de nutrimentos a la raíz.
Nutrimento Cantidad
Cantidad Intercepcion2 Flujo masas4 Difusion5
(elemento) disponible
requerida1
ppm
--------------------------------kg/ha---------------------------(mg/L)
N
40
200 240
4 (1.7)3
200 (83) 36 (15)
P
0.5
100 43
2 (4.7)
2.5 (6)
38.5 (90)
K
4
1000 200
20 (10)
20 (10) 160 (80)
Ca
30
4000 55
80 (145)
150 (270) Mg
25
1200 40
24 (60)
125 (312) 1. Utilización por el cultivo (240 bu/a maíz)
2. (Cantidad disponible) x (volumen radical = 2%)
3. Porciento obtenido en paréntesis
4. Tasa de transpiración varia con el cultivo, con un rendimiento de 10,000 kg m.s./ha,
asumir 500 kg H2O / kg m.s. = 5 x 106 kg H2O / ha
5. Difusión = Cantidad requerida - (Flujo de masas + Intercepción)
44
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Resumen
La importancia relativa de estos tres mecanismos depende
de muchos factores, entre ellos:
• Concentración del nutrimento en la solución del suelo
• Cinetica de absorción del nutrimento a la raíz
• Cinetica de desorción
• Tasa de transpiración y/o disponibilidad de agua
45
23