El documento describe el ciclo del nitrógeno en los suelos y sistemas agrícolas. Explica que la mayoría del nitrógeno en los suelos se encuentra en forma orgánica, con pequeñas cantidades como amonio e iones de nitrato disponibles para las plantas. También describe los procesos de mineralización, nitrificación, fijación biológica, lavado, volatilización y desnitrificación que regulan la disponibilidad de nitrógeno. El manejo adecuado de fertilizantes nitrogenados es importante

1. NITRÓGENO

2. Reservorios de N en el ambiente de la Tierra

3. N en los suelos ✔ 90 % del N está en forma orgánica ✔ 10% como NH 4 + fijado ✔ Ninguna de éstas dos formas está disponible para las plantas

5. características principales del Nitrógeno ✔ Demanda del N: Grandes requerimientos por los cultivos ✔ Oferta de N: – Fuente natural importante MOS, pero plantas absorben N inorgánico ✔ Formas inorgánicas tienen corta vida en el suelo

6. ✔ Dinámica regulada por procesos microbiólog.: – N orgánico ----mineralización ---> N mineral ✔ Grandes efectos de disponibilidad de N en el crecimiento vegetal ( verdor y juventud )

7. ✔ Síntesis de fertilizantes nitrogenados: factor de revolución agrícola – Gran factor limitante – gran determinante del rendimiento ✔ Fertilizar y manejar el N: “ ajustar oferta y demanda” ✔ Fracaso: pérdidas económicas y contaminación ambiental

8. Formas de N disponibles para las plantas ✔ El N disponible está en forma mineral: – NO3 (Nitrato) – NH4+ (Amonio) ✔ Otra forma mineral: – NO2 - (Nitrito) : Tóxico para las plantas

9. Formas minerales de N en el suelo: ✔ NO3- Cantidad varía de 5 a 100 ppm de N en los 0-20 cm del suelo (1 ppm ≡2.5 kg/ha) (Normalmente hay menos de 20 ppm) ✔ NH4+ su cantidad varía de 1 a 100 ppm Normalmente hay menos de 10 ppm ✔ NO2- = menos de 2 ppm

10. Ciclo del N en el sistema suelo-planta/animales-ambiente Mineralización Amonificación Inmovilización N de amonio N de nitrato N en la MO Absorción “ El conocimiento de las transformaciones y dinámica del N en el sistema suelo-planta-ambiente es esencial para realizar un manejo eficiente de los fertilizantes nitrogenados con el fin de maximizar la productividad de los cultivos y minimizar el impacto negativo de la fertilización sobre el ambiente.” Gases atmosféricos de nitrógeno: principalmente N 2 con trazas de NO, NO 2 , N 2 O y NH 3 Fijación por combustión Fijación eléctrica Fijación industrial Fertilizantes Abonos Alimentos Fijación biológica Algas y Actinomicetes Azospirillum Clostridium Azotobacter Rhizobium Residuos Exportado en productos Lavado Desnitrificación N 2 N 2 O NO Volatilización NH 3 Erosión

13. Compartimientos de la materia orgánica del suelo M.O. Activa -Biomasa viva. -Detritos veg. parcialmente transformados. -Polisacáridos. -Prot. de origen microbiano. -Ac. Fúlvicos. 10-20% de la M.O. M.O. pasiva -Humus físicamente protegido. -Humina. -Ac. húmicos. -60-90% de la M.O. NH 4 + NH 4 + NH 4 + NH 4 + NH 4 + NH 4 +

14. Compuestos nitrogenados orgánicos en el suelo

15. Factores que afectan el contenido de N total en los suelos CLIMA: Agua,Temperatura, Radiación, Foto y termoperíodo VEGETACIÓN: Sustrato (tipo y cantidad) N = f ( V , O , C , R , M ) t ORGANISMOS: Procesadores del sustrato, Fijadores RELIEVE: Escurrimiento, erosión, exposición a la radiación MATERIAL MADRE: Determina la textura y la mineralogía

16. Contenidos promedio de M.O en suelos de la región pampeana y extrapampeana. Sainz Rozas y Echeverría (2008).

17. Ingresos, salidas y ciclado de N en agroecosistemas Ingresos: Fijación biológica, fertilizantes, deposiciones, abonos animales, residuos de cultivos Salidas: Productos agrícolas, desnitrificación, lavado de nitratos, volatilización. Ciclado de N (sin ganancia o pérdida): Inmovilización, mineralización y nitrificación.

18. Balance de N en sistemas agrícolas La evaluación del N disponible para un sistema suelo-cultivo puede ser realizada mediante el balance de masa una vez que el sistema ha sido definido en tiempo y espacio Nf + Nmisc – Nexp – Ne – Nl – Ng = ΔNorg + ΔNinorg Nf = Nexp + Nl + Ng + ΔNorg + ΔNinorg Nf= dosis de N Nexp= N exportado en granos o biomasa. Ne= N perdido por erosión. Nl= N perdido por lavado de nitratos. Nmisc= N precipitaciones, adsorción de NH 3 , N en riego, etc. ΔN inorg = N-NO 3 - en suelo en MF - N-NO 3 - en suelo al momento de la siembra (0-100 cm). Ng= pérdidas de N por volatilización y desnitrificación. ΔNorg= cambio en el contenido de N orgánico, esto es diferencia entre el N inmovilizado en raíces, residuos y inmovilizado por la biomasa microbiana menos el N mineralizado entre siembra y madurez. Ingresos Salidas Cambios en el N almacenado

19. Estimación de los aportes de distintos compuestos de N desde la atmósfera.

20. Fijación simbiótica de N por distintas leguminosas

21. Factores que afectan la fijación simbiótica de N Especie de leguminosa y biotipo Disponibilidad de N edáfico Especie de Rhizobium Cepa de Rhizobium Factores que afectan al cultivo (fotosíntesis): radiación, temperatura, disponibilidad de agua y nutrientes, pH , aireación del suelo , compactación

22. Balance de N para suelos cultivados con soja para dos valores de fijación biológica de N . Adaptado de Havlin et al. (1999). 21 -74 Parte de la Planta MS NTA N derivado FBN N exportado del suelo por el grano N derivado de la FBN retornado en el residuo Balance 40% 90% 40% 90% 40% 90% 40% 90% ---------------------------------------------------- kg ha -1 --------------------------------------------------------- Grano 2100 151 61 136 90 15 - - - - Residuo 3424 40 16 36 - - 16 36 - Total 5524 191 77 172 - - - -

23. Factores que determinan las pérdidas por lavado de NO 3 - Disponibilidad de NO 3 - . Balance hídrico (determina cantidad de agua de percolación) . Característica físicas del suelo que afectan la infiltración y percolación (textura, estructura, porosidad) . Sistemas de labranza (puede afectar la disponibilidad de NO 3 - , la estructura y la cantidad y tipo de poros) .

24. Lavado de NO 3 - según dosis de N y cantidad de agua de percolación. Adaptado de Walters y Malzer (1990) y Sainz Rozas et al. (2004).

25. Cantidad de NO 3 - en el perfil con presencia o no de cultivo (en el hemisferio norte)

26. Fertilización de maíz y NO 3 - disponibles para lavado N disponible a partir del fertilizante y de la mineralización N en el suelo en el tejido vegetal (kg/ha) N en el tejido vegetal N disponible a partir del fertilizante y de la mineralización N en el suelo en el tejido vegetal (kg/ha) N en el tejido vegetal Aplicación a la siembra Aplicación en V6 Aplicación a la siembra Aplicación en V6 según análisis

27. El proceso de desnitrificación

28. Factores que determinan la desnitrificación  Presencia de bacterias desnitrificadoras  pH  Disponibilidad de NO 3 -  Disponibilidad de sustrato carbonado fácilmente mineralizable  Concentración de oxígeno  Temperatura

29. Estimación de pérdida de N por desnitrificación para distintos suelos

30. Pérdidas de N-N 2 O en cultivos de trigo bajo SD y LC. Adaptado de Aulakh et al. (1984).

31. Pérdidas de N-N 2 O en cultivos de maíz fertilizados a la siembra o al estadío de seis hojas. Adaptado de Sainz Rozas et al. (2001).

32. Volatilización Desde urea: Desde SO4(NH 4 ) 2 ( NH 2 ) 2 CO + H + + 2 H 2 O ------------- 2NH 4 + + HCO 3 - NH 4 + + OH - --------NH 3 + H 2 O NH 4 + ad-----NH 4 + sol-----NH 3 sol-----NH 3 gas s----NH 3 gas atm Ureasa

34. Factores que determinan la volatilización  Del suelo: concentración de NH 4 + en solución, CIC, pH, capacidad buffer, actividad ureásica  Del ambiente: temperatura, contenido de agua  De manejo: fuente, dosis y forma de aplicación del fertilizante, presencia de residuos, uso de inhibidores de ureasa.

35. Efecto de la capacidad buffer del suelo sobre las pérdidas de N por volatilización.

36. Pérdidas por volatilización para cultivos de maíz en SD en Balcarce y centro de Santa Fe. Echeverría y Sainz Rozas et al. (1999).

37. Ciclo del N en el sistema suelo-planta/animales-ambiente Mineralización Amonificación Inmovilización N de amonio N de nitrato N en la MO Absorción Gases atmosféricos de nitrógeno: principalmente N 2 con trazas de NO, NO 2 , N 2 O y NH 3 Fijación por combustión Fijación eléctrica Fijación industrial Fertilizantes Abonos Alimentos Fijación biológica Algas y Actinomicetes Azospirillum Clostridium Azotobacter Rhizobium Residuos Exportado en productos Lavado Desnitrificación N 2 N 2 O NO Volatilización NH 3 Erosión

38. Mineralización-Inmovilización-Reciclaje Mineralization-Immobilization-Turnover (MIT) Biomasa microbiana N orgánico Lábil N orgánico Estable N en residuos N mineral CO 2

39. Factores que determinan el M.I.T. N en la solución del suelo Relación C:N del material aportado (calidad del material ) Otras características del material aportado: cantidad, forma física, posición, otras cuestiones de calidad (composición química: % lignina) Contenido de MO y de N mineralizable Temperatura, agua, pH, O 2 Tiempo -> MANEJO

40. Evolución del contenido de NO 3 - en el suelo al aportar materiales carbonados (ejemplo 60 C:N) Emisión de CO 2 Relac. C:N del material Concentración de NO 3 - en solución Aporte de material carbonado Inmovilización neta Mineralización neta 60 - 40 - 20 - Tiempo

41. Relaciones C:N de distintos materiales

42. Inmovilización-mineralización para dos tipos de residuos CO 2 emitido C:N del residuo NO 3 - en solución Depresión de NO 3 - Relación C:N CO 2 o NO 3 - Tiempo C:N del residuo CO 2 emitido NO 3 - en solución Adición de residuos Relación C:N CO 2 o NO 3 -

43. Comportamiento de trigo sobre antecesores con distinta calidad de residuo Studdert et al., 2000 U NIVERSIDAD N ACIONAL DE M AR DEL P LATA F ACULTAD DE C IENCIAS A GRARIAS F ERTILIDAD Y M ANEJO DE S UELOS Unidad 5: Nitrógeno Cursada 2010

44. Descomposición de dos residuos de distinta calidad en dos posiciones (a campo)

45. Descomposición de dos residuos de distinta calidad en dos posiciones (en inveráculo)

46. Mineralización-Inmovilización-Reciclaje Mineralization-Immobilization-Turnover (MIT) Biomasa microbiana N orgánico Lábil N orgánico Estable N en residuos N mineral CO 2

47. Paso 1. Amidización Paso 2. Amonificación Mineralización del N R-NH 2 + H 2 O NH 3 + R-OH + Energía NH 4 + + OH - + Bact. Hong. H 2 O NH 2 H NH 2 NH 2 Aminoácidos Aminas Urea C-COOH R-NH 2 C=O Proteínas + + CO 2 E +

48. Nitrosomonas 2 NH 4 + + 3 O 2 2NO 2 - + 2H 2 O + 4H + -3 +3 (inc. en el estado de oxidación). Nitrobacter 2NO 2 - + O 2 2NO 3 - +3 +5 (inc. en el estado de oxidación). En suelos bien drenados el pasaje de NO 2 - a NO 3 - es más rápido que el pasaje de NH 4 + a NO 2 - y por lo tanto no se acumula NO 2 - , ión que es tóxico para las plantas. Mineralización del N (nitrificación)

49. Factores que afectan la mineralización de N. Adaptado de Contenido de humedad y temperatura del suelo. Humedad óptima: 50 y 70% del espacio poroso lleno con agua. Temperatura óptima: 25-35ºC. Contenido de N orgánico. Adaptado de Havlin et al. (2005)

50. Factores que afectan la nitrificación Abastecimiento de NH 4 + . La existencia de NH 4 + es el primer requisito para que exista nitrificación. Población de microorganismos nitrificantes. Los suelos pueden diferir en la capacidad de carga de nitrificadores. Los suelos del SE bonaerense tienen una alta capacidad de carga de nitrificadores. pH del suelo. La nitrificación toma lugar en un amplio rango de pH (4.5-10), pero el ideal es alrededor de la neutralidad. Aireación del suelo. En condiciones de anaerobiosis no se produce nitrificación, la máxima tasa se logra en concentraciones de O 2 en suelo similares a la de la atmósfera. Humedad del suelo. proceso muy sensible a la falta y al exceso de humedad. Humedad óptima es capacidad de campo (78-80% de poros llenos con agua). Sin embargo, Nitrobacter funciona a tasa más lenta, aún en suelos con contenidos de humedad en punto de marchitez. Temperatura del suelo. La temperatura óptima varía entre 25-35 ºC.

51. Relación entre el contenido de N en la M.O activa y el N potencialmente mineralizable (adaptado de Curtin y Wen, 1999).

52. Cambios en el contenido de MO con los años de agricultura bajo tres sistemas de labranza Adaptado de Lamb et al, 1985

53. Estimación del N mineralizado en función del agua disponible para distintos N o Adaptado de Echeverría y Bergonzi, 1995 Cultivos de Verano Cultivos de Invierno

54. Mineralización de N del suelo a lo largo del año y su relación con la demanda por N de trigo y maíz Mes

55. Mineralización de N en suelos del sudeste bonerense Adaptado de Echeverría y Bergonzi, 1995 -1

56. FERTILIZANTES NITROGENADOS

57. Fertilizantes nitrogenados Estiércol de vacunos, porcinos, aves, etc. Compost Sintéticos Orgánicos Urea Nitrato de amonio calcáreo. Amoníaco anhidro (gas). Solución de NO 3 NH 4 + Urea (UAN sol).

58. Producción de fertilizantes nitrogenados sintéticos Reacción de Haber-Bosch Una casa promedio consume entre 1.5 y 2 m 3 por día 3H 2 + N 2 2NH 3 Catalizador, 1200 0 c 500 amt de presión

59. Tipos y características de fertilizantes nitrogenados NH 3

60. Tipos y características de fertilizantes nitrogenados sólidos Urea (NH 2 ) 2 CO Contenido de N= 46% Contenido de Biuret (NH2-CO-NH-CO-NH2)= < 2% tolerante para la mayoría de los cultivos. Densidad= 720-820 kg m -3 Humedad crítica relativa (30 °C)= 72.5% Solubilidad en agua (10°C)= 84 g 100 ml -1 . 2NH 4 + + 3O 2 2NO 2 - + 2H 2 O + 4H + 2NO 2 - + O 2 2NO 3 - ( NH 2 ) 2 CO + H + + 2 H 2 O ------------- 2NH 4 + + HCO 3 - NH 4 + + OH - --------NH 3 + H 2 O Ureasa

61. NO 3 NH 4 Contenido de N= 35% Densidad= 850-975 kg m -3 Humedad crítica relativa (30°C)= 40% Solubilidad en agua (20°C)= 194 g 100 ml-1. NO 3 NH 4 CO 3 Ca Contenido de N= 27% Densidad= 975-1100 kg m -3 Humedad crítica relativa (30°C)= 55% Solubilidad en agua (20°C)= 194 g 100 ml -1 . Reacción en el suelo NH 3 + 3O 2 2HNO 3 + NH 3 NH 3 NH 4 (sol) Cat+temp+H2O 2NH 4 + + 3O 2 2NO 2 - + 2H 2 O + 4H + 2NO 2 - + O 2 2NO 3 -

62. Contenido de N= 21% Contenido de S= 23.7-24% Densidad= 785-1040 kg m -3 Humedad crítica relativa (30°C)= 75% Solubilidad en agua (20°C)= 75.4 g 100 ml -1 . SO 4 (NH 4 ) 2 Reacción en el suelo 2NH 4 + + 3O 2 2NO 2 - + 2H 2 O + 4H + 2NO 2 - + O 2 2NO 3 -

63. Fertilizantes líquidos Como se determina la dosis de UAN si por ejemplo quiero aplicar 46 kg N ha -1 ?

64. Otros fertilizantes líquidos Fertilizante Cont de N % P/P Cont de S % P/P Densidad g L -1 Temp de cristalización SOLPLUS 12 26 1.32 2 0 C SOLMIX 30 2.6 1.32 -2 0 C FOLIARSOL (urea en sol) 20 - 1.1 3 0 C

65. Ventajas de los fertilizantes líquidos Son de fácil manejo y aplicación (no importa la HR del aire) Puede ser aplicado mas uniformemente que las formas sólidas Son compatibles muchos pesticidas Posibilidad de usarlos en fertiirrigación Menor costo de producción que la mayoría de las fuentes sólidas. Mayor capacidad de trabajo de las pulverizadoras

66. Consumo aparente de fertilizantes (importación+producción-exportación) y evolución del consumo de fertilizantes nitrogenados. Adaptado de Melgar (2005). Consumo ha -1 (P+N)= (127 kg ha -1 ) Aprox 48% es N Rta a N Rta a P Se exporta aprox el 30%

67. Consumo aparente de fertilizantes (serie 1987-2007). FUENTE: Dirección de Agricultura sobre la base de datos de CIAFA y Fertilizar Asociación Civil

68. Extracción en grano y aplicación de nitrógeno (N), fósforo (P), potasio (K) y azufre (S) para girasol, soja, trigo y maíz en la campaña 2006/07. FUENTE: Elaborado a partir de información de SAGPyA, Fertilizar A.C. e IPNI Cono Sur por Ciampitti I y F. García, 2008.