MATERIA ORGÁNICA DEL SUELO y RESIDUOS

MATERIA ORGÁNICA DEL SUELO y RESIDUOS VEGETALES Definición general
Comprende la totalidad de las sustancias orgánicas presentes en el suelo que proceden de restos de plantas y animales, en diferentes estados de transformación exudados radicales aportes orgánicos externos estiércol
transformación, exudados radicales, aportes orgánicos externos –estiércol, compost‐ y productos xenobioticos, organismos edáficos –biomasa del suelo‐ y los productos resultantes de su senescencia y metabolismo.
Nosotros adoptamos como limite el p
tamaño de partícula (<2mm) Rastrojo (capa O?)
Suelo mineral formado por componentes minerales y MOS
Términos relacionados con la fracción orgánica del suelo •Materia orgánica en sentido general
•Materia orgánica en sentido estricto (MOS)
•Materia orgánica en sentido estricto (MOS)
•Residuos orgánicos
MOS •Biomasa
Biomasa del suelo
del suelo
•Edafon
•Humus
AIRE
AGUA
FRACCIÓN MINERAL
Caracterización porcentual de los compuestos carbonados del suelo
Contenido y distribución de la MOS en el perfil del suelo
El contenido de la MOS varia entre 0.5% a 15% dependiendo de l
id d l
OS i
0 %
%d
di d d
los factores formadores del suelo.
a.
b.
c
c.
d.
e.
Relieve
Clima
Vegetación
Material originario
Tiempo Rangos del contenido de MOS en otros suelos del país
ORDEN DE SUELO
RANGO DE LA MOS
Aridisol
0.9‐1.2
Entisol
0.8‐4.8
Molisol
1.0 ‐4.0
Alfi l
Alfisol
07 30
0.7 ‐3.0
Vertisol 6.0 ‐10.7 PERFIL DE LA MOS CON LA PROFUNDIDAD
ESPODOSOLES
MOLISOLES
ARIDISOLES
OXISOLES
Distribución de la MOS en la provincia de Córdoba (información obtenida a partir de las Cartas de Suelo)
MEJORA EL USO DEL AGUA
•INCREMENTA LA INFILTRACION
•INCREMENTA LA RETENCION
•REDUCE
REDUCE LA EVAPORACION
LA EVAPORACION
•FAVORECE EL DRENAJE •INCREMENTA EL DESARROLLO RADICULAR
INFLUYE SOBRE LAS PROPIEDADES
PROPIEDADES FISICAS DEL SUELO
FAVORECE:
• LA FORMACION DE AGREGADOS
•LA ESTABILIDAD DE LOS AGREGADOS
•LA POROSIDAD •LA AIREACION
•REDUCE LA PLASTICIDAD
REGULA PROCESOS QUIMICOS
•Suministro de nutrientes durante su mineralización (N, S, P, micronutrientes)
•Estabiliza la acidez del suelo por su poder amortiguador
•Participa en el Completo de Cambio (CIC= 100‐
400/100g de MOS)
•Regula la disponibilidad de nutrientes, mediante la formación de complejos
formación de complejos
•Participa en los procesos de adsorción (nutrientes, pesticidas)
CENTRO DE LAS ACTIVIDADES
ACTIVIDADES BIOQUIMICAS DEL SUELO
•Fuente de C y nutrientes
•Fuente de energía (enlaces C‐C
PARTICIPACION ACTIVA EN LOS PROCESOS EDAFOGENETICOS
•PEPTIZACION
•COAGULACION
•FORMACION DE QUELATOS
REPASO DE CONCEPTOS Y CICLOS
•Los compuestos orgánicos son sustancias químicas que contienen carbono,
formando enlaces covalentes carbono
carbono-carbono
carbono y/o carbono
carbono-hidrógeno.
hidrógeno.
•En muchos casos contienen oxígeno, y también nitrógeno, azufre, fósforo, boro,
halógenos
óge os y ootros
os eelementos.
e e os. Estos
s os co
compuestos
pues os se de
denominan
o
Moléculas
o écu s
orgánicas.
g
los compuestos
p
qque contienen carburos,, los
•No son moléculas orgánicas
carbonatos y los óxidos de carbono.
•Las moléculas orgánicas pueden ser de dos tipos:
Moléculas orgánicas naturales: Son las sintetizadas por los seres vivos, y se llaman
biomoléculas, las cuales son estudiadas por la bioquímica.
Moléculas orgánicas artificiales: Son sustancias que no existen en la naturaleza y
han sido fabricadas por el hombre como los plásticos.
☼Inmovilización : Incorporación de iones inorgánicos por los organismos vivos, pasando a formar parte de compuestos orgánicos. La inmovilización microbiana hace referencia al procesos de incorporación de elementos y iones por parte de los microorganismos, y que en cierta etapa de un cultivo, y bajo ciertas practicas de manejo, implica competencia por uno o varios nutrientes, entre la población microbiana y las plantas.
☼ Degradación: transformación de un compuesto a formas intermedias, a veces conocido como metabolitos. Las partes mas simples de una molécula son atacadas, posiblemente mineralizadas, y el resto del compuesto puede ser atacada por otro grupo microbiano en un ataque secuencial d d l
donde el producto pasa a ser sustrato, o bien son compuestos que pasan a integrar unidades d t
t t
bi
t
i t
id d
menos atacables o mas recalcitrantes, que pueden ser materia prima de la MOS.
☼ Mineralización: transformación de un compuesto o elemento desde la forma orgánica a la p
g
forma inorgánica como resultado de la actividad microbiana. Los iones inorgánicos pueden ser absorbidos por las raíces.
☼ Tasa de mineralización: Se expresa por el porcentaje de carbono orgánico inicial que se Tasa de mineralización: Se expresa por el porcentaje de carbono orgánico inicial que se
mineraliza en un período de tiempo.
☼ Humificación: Es un proceso que ocurre en el suelo, implica cambios en la complejidad química de los compuestos orgánicos. Ocurren reacciones químicas (oxidación, condensación y polimerización), procesos biológicos y síntesis microbiana, catalizado química o biológicamente.
Estrategias de los organismos para obtener energía y nutrientes
Una primera clasificaciónÆ
AUTOTROFOS
HETEROTROFOS
FUENTE DE ENERGIA
FUENTE DE CARBONO
EJEMPLO
FOTOAUTOTROFOS
LUZ
CO2
Plantas superiores
FOTOORGANOTROFOS
LUZ
Sustancias Sustancias
orgánicas
Algunas algas y Algunas
algas y
bacterias
QUIMIOAUTOTROFOS
Sustancias minerales
CO2
Nitrificadores, Thiobacillus
QUIMIOORGANOTROFOS
Sustancias orgánicas
Sustancias orgánicas
Animales, hongos, y la mayoria de las bacterias
TIPO
ESQUEMA GENERAL DE LOS CICLOS BIOGEOQUIMICOS
PLANTA
Pérdidas por volatilización
RESTOS VEGETALES
Aportes de la atmósfera
Entradas por meteorización
SUELO
Pérdidas por lavado
Pérdidas por erosión
CO2
Meteorización
Respiración
Mineralización
Combustión
Plantas
(CH2)n
CO
Combustibles fósiles
Fotosíntesis
Animales y microorganismos
CO2 en el agua
MATERIA ORGÁNICA Á
DEL SUELO
Metanización en condiciones anaerobias
CH4
Disolución
Plantas acuáticas
Animales
acuáticos
Precipitación
Microorganismos
en forma de
f
d
CaCO3
Ciclo del Nitrógeno
Fuente: Sauchelli, 1964
Ciclo del FOSFORO en ecosistemas agrícolas
Fertilizante
Residuos
Absorción
P mineral no lábil
Fijación
P l bl
P soluble
Biomasa microbiana
P orgánico P
orgánico
no lábil
Mineralización
Inmovilización
P inorgánico lábil o asimilable
P orgánico lábil
Adaptado de Chauhan et al., 1981
Reducción Asimiladora
Plantas superirores, bacterias, etc.
Reducción NO Asimiladora
desulfovibrio
SO4
S=
=
Cisteína
Oxidación quimiosintética
Oxidación quimiosintética Oxidación respiratoria
Otros compuestos azufrados
Metionina
Cistina
Tiamina
Biotina
Acido Lipoico
Coenzima Q
Componentes de la MOS
Materia orgánica No Humificada
Bi
Biomasa Vegetal V
l (raíces, tallos, hojas, frutos) y animal senescente i l
(cuerpos y excretas)
Biomasa Microbiana (estructuras y productos del metabolismo)
Humus
Sustancias no Húmicas
g
y
•
Materiales orgánicos sencillos: azúcares y aminoácidos
•
Materiales orgánicos de elevado peso molecular: Polisacáridos y aminoácidos
Sustancias Húmicas en sentido estricto
Composición bioquímica
Sustancias no Húmicas
S
Sustancias
i Húmicas
ú i
Materiales orgánicos cuyas características
químicas todavía son identificables
Las sustancias húmicas se caracterizan por
no tener propiedades físicas y químicas
específicas que los caracterice
Algunas estructuras químicas
• Lignina
•Celulosa y Hemicelulosa
•Glúcidos
• Proteínas
• Péptidos
• Aminoácidos
• Grasas
• Ceras
• Ácidos orgánicos de bajo PM
La mayoría
L
í de
d estos
t
compuestos
t
son
fácilmente biodegradables y tienen corta
vida en el suelo.
Características generales
• Color oscuro
C
negativa
i
• Carga
• Carácter ácido
• Predominantemente aromáticos
• Hidrofílicos ((tambien hayy ppartes
hidrofobicas)
• Elevado PM
• Relativamente oxidados.
Resultan
R
lt d
de procesos d
de d
descomposición,
i ió
degradación y síntesis, denominado
humificación.
Estructura de la celulosa
S.Hang
Estructura de la lignina
Unidad estructural Unidad
estructural
básica
FENIL
Estructura hipotética de un Acido Húmico
http://virtual‐museum.soils.wisc.edu/som/index.html
p //
/
/
Composición elemental de la MOS
Composición elemental
p
porcentaje
p
j
Carbono C
50
Oxigeno O
40
Nit ó
Nitrógeno N
N
5
Hidrogeno H
5
Sustancias Húmicas
60‐90
Sustancias no Húmicas
Sustancias no Húmicas
10 40
10‐40
Sustancias que la forman:
Estructura elemental de las sustancias húmicas
Composición elemental
porcentaje
Carbono C
45‐65
Oxigeno O
27‐50
Nitrógeno N
3‐6
Hidrogeno H
2‐12
ƒOrganismos
ƒAmbiente
ƒCalidad del residuo
Residuos id
orgánicos que ingresan
CO2
Materia Materia
orgánica del suelo
Sustancias húmicas
Procesos de Incorporación
- Descomposición de los tejidos orgánicos por acción mecánica de la fauna
y microorganismos.
- Biodegradación y cometabolismo.
- Reorganización
R
i ió de
d productos
d t de
d la
l degradación
d
d ió con biosíntesis
bi í t i de
d nuevos
componentes orgánicos.
Transformaciones de los residuos vegetales
Transformaciones de los residuos vegetales Los restos orgánicos (vegetales y animales) al llegar al suelo son descompuestos por los organismos del suelo
descompuestos por los organismos del suelo
Se estima que entre un 60‐70% se transforma (descomposición y mineralización) en un lapso de meses a 2 años
i
li ió )
l
d
ñ
p
g
p
Simultáneamente, una parte se reorganiza formando compuestos más estables que siguen siendo sustancias orgánicas pero su tasa de mineralización es mucho mas lenta, entre 1.5 a 2% anual.
Relación C/N :un índice de la degradabilidad de los compuestos orgánicos
~---
Fracciones orgánicas de distinta estabilidad biológica
9Residuos carbonados de bajo peso molecular que se mineralizan en CO2, 9
d
b
d d b
l l
l
nitratos, fosfatos, sulfatos, otros.
9Lignina y otros productos resistentes
9Lignina y otros productos resistentes.
9Biomasa del suelo (células y productos de síntesis microbiana).
9Compuestos orgánicos adsorbidos a los coloides del suelo.
9Sustancias “precursoras” del humus.
p
Síntesis de las sustancias húmicas
Mecanismos que participan en la formación de las macromoléculas de las sustancias húmicas
macromoléculas de las sustancias húmicas
Polimerización
Es un proceso bioquímico por el cual los reactivos, monómeros, se agrupan químicamente dando lugar a un polímero lineal o una macromolécula tridimensional .
Por condensación
Por adición
La molécula entera
del monómero pasa a formar parte del polímero.
No genera subproductos
fenol
Parte de la molécula del monómero se pierde cuando el monómero pasa a formar parte del polímero
formar parte del polímero. Generalmente pierde agua, pero pueden ser otros compuestos o átomos. Hay procesos de oxidación (fenoles a quinonas) Produce subproductos
quinona
Núcleos o “monómeros” de las sustancias húmicas
Humificación biológica y no biológica
Humificación biológica da lugar a sustancias húmicas de relación C/N 10/1 ‐
12/1 de color oscuro muy polimerizadas ricas en bases baja solubilidad no
12/1, de color oscuro, muy polimerizadas, ricas en bases, baja solubilidad, no muy acidas, alto peso molecular. Participan organismos y enzimas.
Humificación no biológica da lugar a sustancias húmicas muy acidas baja saturación con bases, bajo contenido de N por eso las relación C/N es de 15‐30, peso molecular bajo lo que aumenta su solubilidad, mas lenta que la H. biológica.
Factores que influyen en la humificación
•Aireación
•Humedad
•Temperatura
•Acidez Proceso de descomposición y mineralización de los residuos vegetales
ALGUNAS FUNCIONES DE LA MATERIA ORGANICA
(también ver importancia de la MOS)
Capacidad buffer de pH del suelo
Capacidad buffer de pH del suelo
Cargas variables o dependientes del pH
bl
d
d
d l
Complejación
Anión complejante orgánico +
ó Ligando
Complejo órgano‐mineral
Ión metálico
QUELATO: cuando dos ó más grupos funcionales orgánicos de un mismo ligando QUELATO:
cuando dos ó más grupos funcionales orgánicos de un mismo ligando
coordinan el ión metálico de un complejo, y se forma una estructura en anillo.
Con ácido oxálico y cobre
La estructura general
La estructura general
R
O
Me n+
C
O
Cu
O
C
O
Complejos órgano‐minerales: permiten la movilidad de Fe, Al Zn Mn Cu Ni
Al, Zn, Mn, Cu, Ni
Participación Participación
porcentual de cada grupo en la Acidez Total
39 %
61 %
71 %
51 %
43 %
58 %
18 %
18 %
47 %
53 %
9 %
50 %
• Acción cementante: Acción cementante: ”agregados
agregados” de materia orgánica de materia orgánica
y partículas minerales. Estructura del suelo
Disminuye el riesgo de erosión
y
g
Mayor movimiento de agua en profundidad, pero también mayor retención
también mayor retención Menor compactación: mayor aireación y penetración de raíces
ó d
í
Efecto de la MOS sobre la estabilidad de los agregados Actividad microbiana
Precursores de sustancias húmicas
Sustancias húmicas
SINTESIS
Distribución de los componentes humificados‐no humificados de la MOS
80-90%
10-20 %
Materia
Orgánica
No
humificada
Materia orgánica humificada
Pool
Intermedio
P l Pasivo
Pool
P i
Pool
Activo
Humus
Componente relativamente estable del suelo
Humificación directa compuestos orgánicos sencillos a SH
Humificación lenta, de biomasa microbiana a SH
Factores internos
Composición del material
Factores externos
Tipo, cantidad y actividad de microorganismos
Textura
pH
Humedad relativa
Régimen de temperatura
Régimen de humedad
Alternancia desecación /humectación
M j ddell suelo
Manejo
l
Humus joven
Tasa de mineralización
2a5%
0.7-3 %
25-35 años
Humus más evolucionado
(cientos a miles de años)
Algunos factores determinantes
Edadd del
Ed
d l suelo
l
Ubicación del horizonte en el perfil
Condiciones del medio
etc.
RESIDUOS VEGETALES:
COMO LOS PRINCIPALES PRECURSORES DE LA MATERIA ORGANICA
75% agua
Composición
10% minerales
25% Materia seca
25% Materia seca Composición Elemental ó l
l
15% compuestos orgánicos
90 % Æ H>C>O
N, S, P, K, Ca, Mg, y microelementos
Todos estos elementos se agrupan para formar:
1‐Hidratos de Carbono (30 a 80%)
2‐ Lignina (10‐30%).
(10‐30%)
3‐ Proteínas (1‐15%).
4‐ Ceras, grasas, resinas y otros (1‐8%).
ESQUEMA SIMPLIFICADO DE LA TRANSFORMACIÓN DE LA MATERIA ORGÁNICA DEL SUELO
Cantidad de MOS = Biomasa total recibida ‐ Biomasa mineralizada (rápida + lenta)
Contenido de MO oxidable característicos para horizontes de superficie de algunos ecosistemas p
p
g
Suelos de pradera
5-8%
Suelos de secano semiárido
1-2%
Suelos bajo
j riego
g
2-4%
Suelos de zona templada húmeda
6-8%
Residuos Vegetales
60‐80 %
Actividades Explicar las siguientes figuras y sus relaciones
Casos
A)) Determinar las tn de MOS y de C de un suelo
y
1‐ En los primeros 20 cm.
2‐ Contenidos en una profundidad de 100 cm
Datos: DA. 1.2 g /cm3
D
t DA 1 2 / 3
% de C de la MOS 58 %
B) Estimar la perdida anual de C para los primeros 20 cm del problema anterior, si E ti
l
did
ld C
l
i
20
d l
bl
t i
i
la tasa de mineralización de la MOS para la zona es de 2%.
C) Determinar los kg /ha de rastrojo que debieran aportarse por año para reponer la pérdida de C estimado en B (estimar una tasa de humificación de un rastrojo de maíz del 18 %.
Realizar la comparación entre la composición de la MOS y residuos vegetales
de distintos orígenes
%Peso
O
Organismos
i
Leguminosas
herbáceas
•Raíces
•Hojas
Ceras,
Grasas,
R i
Resinas
10-12
Proteínas
Celulosa
Hemicelulosa,
carbohidratos
Lignina y
derivados
C/N
10-15
12-20
20-25
15
25-30
10-12
10-15
5
12-16
Gramíneas Perennes
•Raíces
5-12
5-10
25-30
25-30
15-20
15-20
Árboles caducifolios
•Hojas
•Maderas
3-5
-
4-10
0.5-1
15-25
40-50
10-20
20-30
10
20-25
40-50
-
Coníferas
•Hojas
•Maderas
20-25
-
5-7
0.1-1
20
45-50
15-20
15-25
15
25-30
60-70
-
Bacterias
-
40-70
-
Mucosidad
-
8-12
Musgos
-
5-10
15-25
30-60
no
-
Algas
l
-
10-15
5-10
50-60
-
-
MOS
0.8-7.7
30-35
3-5
5-12
30-50
8-15
Proponer valores de tasas en los sucesivos procesos