1 EL CICLO DEL NITROGENO EN ECOSISTEMAS AGRICOLAS 1 Fernando O. García Area Agronomía EEA INTA-Facultad de Ciencias Agrarias C.C. 276 - (7620) Balcarce El nitrógeno (N) es considerado el nutriente más importante para la producción vegetal por las cantidades requeridas por los cultivos y por la frecuencia con que se observan deficiencias en suelos agrícolas, es así que la agricultura de altos rendimientos depende del uso de fertilizantes nitrogenados. Las condiciones económicas del sector agropecuario tanto a nivel mundial como nacional y la necesidad de preservar el ambiente, basicamente los recursos suelo, agua y atmósfera, requieren del uso más eficiente de los nutrientes. Para maximizar la eficiencia de uso de N debemos conocer la dinámica del nutriente en el sistema suelo-planta-atmósfera y como el manejo de suelos y cultivos afecta esta dinámica. La Figura 1 muestra un esquema del ciclo terrestre del nitrógeno con las distintas fracciones y transformaciones que las relacionan. Fig. 1. Representación del ciclo del nitrógeno en ecosistemas agrícolas. Fijación de nitrógeno atmosférico La principal fuente de N se halla en la atmósfera como N 2 el cual representa aproximadamente 78% de la composición del aire. Las plantas no pueden absorber directamente el N 2 del aire y este debe ser fijado por microorganismos de vida libre o simbióticos. La fijación biológica de N 2 (FBN) resulta en la formación de compuestos orgánicos nitrogenados, los cuales ingresan directamente a la planta en el caso de la asociaciones simbióticas, o deben ser mineralizados para ser absorbidos por los cultivos. La FBN contribuye en cantidades variables al sistema suelo-planta dependiendo del tipo de organismo que la lleva a cabo, la planta asociada, y las condiciones de suelo y clima. 1 Adapatado de Boletín Técnico No. 140. ISSN 0522-0548. EEA INTA Balcarce. 1996.
2 Para el sudeste de Buenos Aires, la cantidad de N fijado durante el ciclo del cultivo de soja depende principalmente de la disponibilidad de N del suelo y de las condiciones hídricas (Gonzalez, 1994). La alta disponibilidad de N en el suelo no inhibe la nodulación de la soja pero disminuye la eficiencia de la fijación, reduciendo el aporte de FBN a la acumulación total de N. Con adecuada disponibilidad de agua durante el ciclo del cultivo se pueden llegar a fijar aproximadamente 90 kg N ha -1 con rendimientos de soja de 4500-5000 kg ha -1. Déficits tempranos de agua (diciembre) resultan en cantidades de N fijadas muy bajas ya que se afecta la iniciación de la formación de nódulos. Déficits de agua durante el período de llenado de granos (febrero), frecuentes para el area, resultan en rendimientos de soja de aproximadamente 3000 kg ha -1 y aportes de N por fijación del orden de los 50 kg ha -1. Si el déficit durante el período de llenado de granos es muy severo, el aporte de N por fijación no es significativo (Gonzalez, 1994). En Balcarce se han estimado aportes de N por fijación simbiótica en pasturas bifíticas de Lotus tenuis y de trébol blanco con festuca (Refi, 1988). Los aportes para el período Enero- Junio fueron de 11-18 y 15-20 kg N ha -1 para las pasturas con L. tenuis y trébol blanco, respectivamente. El N 2 también puede ser fijado por descargas eléctricas en la atmósfera. Este tipo de aportes así como los aportes por las precipitaciones son de poca importancia en sistemas agrícolas de regiones templadas. Determinaciones realizadas en Balcarce a partir del agua de lluvia indican aportes anuales de 3 a 4 kg N ha -1 por esta vía (Cecilia Videla, comunicación personal). Mineralización-inmovilización En el suelo el N se halla fundamentalmente en forma orgánica, la cual representa entre 95% y 98% del N total. El N orgánico es transformado a amonio (NH 4 + ) por la acción de la biomasa microbiana. A su vez el NH 4 + es oxidado a nitrato (NO 3 - ) tambien por la microflora del suelo. El NH 4 + y el NO 3 - del suelo pueden ser absorbidos por las plantas o asimilados por la biomasa microbiana del suelo para sintetizar su propio protoplasma. La transformación del N orgánico en formas inorgánicas es la principal fuente de N disponible en ecosistemas no disturbados y es de fundamental importancia en la nutrición de cultivos con bajos niveles de uso de fertilizantes nitrogenados. Bajo el término mineralización se engloban dos procesos: amonificación, que es el pasaje de N orgánico a NH 4 +, y nitrificación, que es la oxidación de NH 4 + a NO 3 -. La inmovilización representa la transformación de NH 4 + y NO 3 - en N orgánico. La amonificación, nitrificación e inmovilización son procesos llevados a cabo por la microflora del suelo. Estos procesos ocurren simultaneamente en el suelo y el balance puede resultar en mineralización o inmovilización neta de N. La mineralización neta de N a partir de la materia orgánica del suelo ha sido evaluada a partir de la determinación del N potencialmente mineralizable (N 0 ) y la tasa de mineralización de dicha fracción en suelos del Sudeste bonaerense (Rizzalli et al., 1984; Grattone et al., 1991; Echeverría et al., 1993). Se ha evaluado también el efecto de la temperatura y humedad sobre la tasa de mineralización (Echeverría y Navarro, 1978; Navarro et al., 1991). El N mineralizado durante el ciclo del cultivo de trigo se estimó en 27-45 kg N ha -1 año -1 en los 40 cm superficiales de suelo para situaciones de baja disponibilidad hídrica (25% agua útil) y en 60-100 kg N ha -1 año -1 para situaciones de alta disponibilidad hídrica (60% agua útil). Las estimaciones inferiores para ambos rangos corresponden a los suelos de menor contenido de materia orgánica (1-2% M.O.) y textura más gruesa (Partido de Cnel. Dorrego), mientras que las estimaciones superiores corresponden a los suelos de mayor contenido de materia orgánica (5-6% M.O.) y textura más fina (Partido de Balcarce) (Echeverría et al., 1993). La mineralización neta de N durante el ciclo del cultivo de maíz para condiciones adecuadas de disponibilidad hídrica se ha estimado en 150 kg N ha -1 para cultivos realizados 3 a 4 años después de pasturas y en 240 kg N ha -1 para cultivos con antecesor pastura (Andrade et al., 1994). En suelos agrícolas el NH 4 + originado por amonificación o agregado como fertilizante es oxidado rapidamente a NO 3 -. La nitrificación resulta en la liberación de H + que es la causa de la acidificación de suelos producida por fertilizantes que contienen NH 4 + como la urea, el nitrato de amonio o el amoníaco anhidro. La disminución de ph debida a la aplicación de fuentes de N amoniacales se observa luego de aplicaciones continuas durante períodos
3 prolongados de altas dosis de N y depende principalmente de la capacidad buffer de los suelos. Pérdidas de nitrógeno Entre las pérdidas de N se deben considerar la volatilización de NH 3, la desnitrificación, el lavado de NO 3 - y las pérdidas por erosión. Como pérdida de N disponible para las plantas se debe tener en cuenta a la fijación de amonio por las arcillas. La volatilización de amoníaco (NH 3 ) se produce por la conversión de NH 4 + a NH 3 y por lo tanto es de particular importancia cuando se aplican fertilizantes amoniacales o formadores de NH 4 + como la urea. En el suelo, la urea es hidrolizada a NH 4 + en una reacción catalizada por la enzima ureasa: CO(NH 2 ) 2 + H + + 2 H 2 O ---------> 2 NH 4 + + HCO 3 - (Ec. 1) ureasa La hidrólisis resulta en el consumo de H + con el consiguiente aumento del ph lo que favorece la formación de NH 3 y, por lo tanto, la volatilización de NH 3. La ureasa es una enzima extracelular de origen microbiano o vegetal que se encuentra ampliamente difundida en suelos. La tasa de hidrólisis de urea en suelos depende de la concentración de urea, el ph, la temperatura y el contenido de agua (Kissel y Cabrera, 1988). En general, la hidrólisis se acelera con altas concentraciones de urea; ph de suelo de 6,5-7; temperaturas superiores a 15 o C y contenidos de agua cercanos a capacidad de campo. El aumento del ph a valores de 9 o superiores y la alta concentración de NH 4 + en la zona de disolución del gránulo, predisponen a la volatilización de amoníaco. La desprotonación del NH 4 + es descripta por la siguiente ecuación: NH 4 + -----------> NH 3 + H + Ka=10-9.3 (Ec. 2) El Ka es el valor de la constante de equilibrio para la reacción e indica que a ph 9,3 habrá iguales concentraciones de NH 4 + y NH 3. La volatilización de NH 3 es afectada por factores del suelo: ph y capacidad buffer, capacidad de intercambio catiónico (CIC) y actividad ureásica; del ambiente: temperatura, contenido de agua e intercambio de aire; y de manejo: fuente y dosis de N, método de aplicación, presencia de residuos y modificaciones del fertilizante (Hargrove, 1988). La formación de NH 3 a partir del NH 4 + aumenta exponencialmente a medida que aumenta el ph. Esta es la razón por la cual la volatilización de NH 3 es de importancia cuando se aplica urea, como se explicó anteriormente. Cuando se aplica nitrato de amonio o amoníaco anhidro, el ph del suelo no aumenta alrededor del gránulo o zona de reacción, por lo tanto no se genera una alta concentración de NH 3. El efecto del ph sobre la volatilización de NH 3 depende de la capacidad buffer del suelo, es decir de la capacidad del suelo para resistir cambios bruscos en el ph. Suelos con mayor capacidad buffer reducen el aumento de ph ocasionado por la hidrólisis de urea y por lo tanto la volatilización de NH 3. Si la actividad ureásica del suelo es alta, la concentración de NH 4 + y el ph aumentan resultando en mayores pérdidas por volatilización. Condiciones favorables para la hidrólisis de urea como suelo humedo y temperaturas superiores a 10-12 o C aumentan las pérdidas por volatilización. La volatilización aumenta con la temperatura especialmente por los efectos sobre la hidrólisis de urea, y en menor medida por los efectos sobre el equilibrio NH 3 -NH 4 + y la difusión de urea. Las máximas pérdidas por volatilización se observaron con contenidos de agua cercanos a capacidad de campo (-0.3 bar) y cuando el suelo se esta secando lentamente. Si el suelo se seca rapidamente en superficie, la hidrólisis de la urea se interrumpe y con ella la volatilización. LLuvias o riegos de 10 a 20 mm incorporan la urea y/o el NH 4 + en profundidad anulando las pérdidas por volatilización. En suelos no calcáreos la urea es el fertilizante a partir del cual se observan mayores pérdidas por volatilización debido al efecto de aumento de ph. En suelos calcáreos, las mayores pérdidas se observan cuando se aplica sulfato de amonio. Las alternativas de manejo de fertilizantes para reducir la volatilización incluyen la incorporación del fertilizante, la concentración del fertilizante en bandas superficiales para reducir el contacto con el suelo, el uso de inhibidores de la ureasa o la aplicación con el agua de riego. Respecto a la aplicación
4 del fertilizante con el agua de riego, deberá evitarse este procedimiento con fertilizantes con NH 4 + libre o con aguas alcalinas. En suelos alcalinos del area de Balcarce se determinaron pérdidas por volatilización del orden de 6 a 8 kg N ha -1 año -1 a partir de orina de animales (Videla, 1994). En el mismo tipo de suelos alcalinos, se observaron pérdidas por volatilización del 22% del N aplicado en forma de urea en diciembre en pasturas establecidas con labranza profunda (90 cm) o en campo natural. Las pérdidas se redujeron al 2-3,2% del N aplicado cuando se utilizó nitrato de amonio en condiciones similares (Videla, 1994). En cultivos de trigo sobre suelos argiudoles, se registraron pérdidas por volatilización del 1 a 2% con aplicaciones superficiales de 120 kg N ha -1 a la siembra o al macollaje en forma de urea (Videla, 1994). Los bajos niveles de pérdida observados en estas condiciones se han atribuído a las características de los suelos: ph neutro a ácido y alto contenido de materia orgánica que resulta en alta capacidad buffer, y del ambiente: temperaturas bajas y ocurrencia de lluvias en los días posteriores a la aplicación (Videla, 1994). En numerosas investigaciones se han reportado pérdidas de N en cultivos a la madurez. Estas pérdidas han sido atribuidas principalmente a volatilización de NH 3 y lavado de compuestos nitrogenados solubles, pero aún no se han identificado las fuentes y los factores que las controlan. Para las condiciones del sudeste bonaerense se han reportado reducciones de N acumulado en planta de hasta 50 kg ha -1 (25% del N acumulado) en trigo entre antesis y madurez fisiológica, y de hasta 100 kg N ha -1 (25% del N acumulado) en soja (Echeverría et al., 1992; Gonzalez, 1994). La desnitrificación es la reducción biológica de NO 3 - a formas gaseosas, principalmente oxido nitroso (N 2 O) y N 2, que se pierden a la atmósfera. La liberación de N 2 O y NO a la atmósfera tiene implicancias ambientales porque ambos gases afectan la concentración de ozono en la estratósfera y el N 2 O es uno de los gases que contribuye al efecto invernáculo y al cambio climático. La desnitrificación ocurre en anaerobiosis, en presencia de bacterias desnitrificadoras y con disponibilidad de C. Las pérdidas por desnitrificación de N aplicado como fertilizante pueden llegar al 70%, con valores modales que varían entre 2,5 y 50% de pérdida. Las pérdidas por lavado de NO 3 - dependen de la cantidad de NO 3 - presente en el perfil y el volumen de agua que percola a través del suelo. Las pérdidas por lavado se pueden reducir minimizando los niveles de NO 3 - en suelo, especialmente durante los períodos sin cultivo y sincronizando la aplicación de fertilizantes con la absorción de N por el cultivo. Si bien las determinaciones de perfiles de NO 3 - dan indicios acerca de la ocurrencia o no de pérdidas por lavado, la determinación de las cantidades de N perdidas por esta vía requiere del uso de lisímetros. Las perdidas por erosión hídrica y eólica pueden ser de importancia especialmente considerando que la capa superficial del suelo es la de mayor concentración de N. Picone (1978) evaluó la fijación de NH 4 + en horizontes superficiales y subsuperficiales de suelos de la Provincia de Buenos Aires. La fijación de NH 4 + agregado como fertilizante no fue de importancia, siendo atenuada por la concentración de materia orgánica y el alto nivel de potasio intercambiable. Balances de N A partir de los procesos de ganancias, pérdidas y transformaciones de N descriptos en parrafos anteriores se pueden establecer límites en el espacio y el tiempo para el sistema suelo-planta que permitan definir un balance de N (Meisinger, 1984). Un balance general de N en el suelo para un ciclo de cultivo podría definirse según la siguiente ecuación: Nf+Na+Nom+Nii = Np+Ng+Nl+Ne+Niin+Nif (Ec. 3) donde Nf = N aportado por el fertilizante Na = N aportado por fijación biológica y/o lluvias Nom = N orgánico mineralizado Nii = N inorgánico inicial Np = N absorbido por la planta Ng = N pérdido en formas gaseosas (N 2, N 2 O o NH 3 ) Nl = N pérdido por lavado Ne = N pérdido por erosión
5 Niin = N inorgánico inmovilizado Nif = N inorgánico final La formulación de este balance se puede utilizar para estimar las necesidades de fertilización (Nf): Nf = (Np+Ng+Nl+Ne+Niin+Nif) - (Na+Nom+Nii) (Ec. 4) La diferencia entre el N orgánico mineralizado y el N inorgánico inmovilizado (Niin) puede ser definida como N mineralizado neto (Nmin). El Na no es significativo para cereales u otras no-leguminosas y el Nif debe ser minimizado. Las pérdidas gaseosas, por lavado y por erosión pueden ser estimadas como un porcentaje del N disponible como fertilizante, inorgánico inicial y mineralizado durante el ciclo del cultivo, o simplemente se puede estimar una eficiencia media de uso de N disponible para la planta que incluya estas pérdidas. A partir de estas simplificaciones y considerando el balance solo para la parte aérea del cultivo la Ec. 3 resulta en: Np - E * Nmin - E * Ni Nf = --------------------------------- (Ec. 5) E donde Nmin = N mineralizado (Nom-Niin) Ni = N inorgánico disponible (Nii-Nif) Para resolver esta ecuación podemos estimar Np a partir del rendimiento esperado y una concentración de N promedio y el Nii se puede determinar por muestreo y análisis. El valor de Nmin se puede aproximar a partir de la información mencionada anteriormente (Echeverría et al., 1993; Andrade et al., 1994) o estimar a partir del rendimiento de cultivos sin fertilizar o del contenido de materia orgánica (Darwich, 1989). El valor E es la fracción de N disponible recuperada en la parte aérea de la planta con valores generales estimados de 0,40-0,70 y varía principalmente con las condiciones climáticas, de suelo y de manejo. En realidad, el valor E debería ser distinto para cada fracción de N disponible (Nf, Nmin y Ni) ya que la eficiencia de uso de N no es igual para todas estas fracciones. Para Ni, E puede variar de 0,40 a 0,60. El valor de E para Nmin es mayor ya que la mineralización es favorecida por condiciones de temperatura y humedad que también favorecen el crecimiento y la absorción de N por parte de los cultivos, estimandose un rango de 0,60 a 0,85 (Meisinger, 1984). Para Nf, el valor de E depende del tipo de fertilizante, y el momento y forma de aplicación, variando de 0,50 para aplicaciones pre-siembra de trigo a 0,85 en aplicaciones de fertilizante en agua de riego. Como ejemplo supongamos que se deben estimar las necesidades de fertilización de un lote de maíz con una historia agrícola de 5 años en la zona mixta papera del sudeste bonaerense. Las necesidades de N para toda la parte aérea se estiman en 22 kg N por cada 1000 kg de grano (Andrade et al., 1994) y se espera un rendimiento de 8000 kg grano ha -1. El Ni, determinado por análisis de NO 3 - -N + NH4 + -N en el perfil, es de 60 kg N ha -1. Como eficiencia promedio de uso de N se estima un valor del 70% (E=0.7). Reemplazando en la Ec. 4: 176 - (0.7*150) - (0.7*60) Nf = ------------------------------------- = 41 kg N ha -1 0.7 Es decir que los requerimientos de fertilizante serían de 41 kg N ha -1 o 90 kg urea ha -1. Fertilizantes nitrogenados Las fuentes nitrogenadas disponibles actualmente en el mercado argentino incluyen a la urea (46% de N), el amoníaco anhidro (82% N), el nitrato de amonio (34% N), el nitrato de amonio cálcico o CAN (27% N), el líquido UAN (30% N) y el sulfato de amonio (21% N).
6 También se debe tener en cuenta que fertilizantes fosfatados como el fosfato diamónico o monoamónico aportan nitrógeno aunque en menor proporción. Reacciones de los fertilizantes nitrogenados en el suelo Las prácticas de manejo que minimizan las pérdidas de N e incrementan la recuperación de N por los cultivos resultan en una mayor eficiencia de uso del fertilizante y un menor impacto ambiental de los mismos. Se debe tener en cuenta que los procesos y reacciones del N en el suelo (nitrificación, desnitrificación, volatilización, lavado, etc.) ocurren independientemente de la fuente de N que se use (Tisdale et al., 1993). Las reacciones de los fertilizantes nitrogenados en el suelo dependen de la forma inorgánica de N que aporten: NO 3 - o NH 4 +. El NO3 - es altamente soluble y móvil en el suelo, por lo tanto es muy susceptible a ser perdido por lavado y/o desnitrificación. El NH 4 + puede ser adsorbido en el complejo de intercambio y es por lo tanto menos susceptible a movimientos por difusión o transporte por el agua del suelo. Sin embargo, la aplicación localizada de fertilizantes amoniacales como la urea o el amoníaco anhidro afecta la química del area de aplicación del fertilizante. Los efectos iniciales de fuentes amoniacales ácidas (nitrato de amonio, sulfato de amonio, fosfato monoamónico) involucran reacciones de intercambio catiónico y precipitación. Las reacciones iniciales de fuentes amoniacales básicas (urea, amoníaco anhidro, fosfato diamónico) son más complejas e incluyen i) hidrólisis de la urea, ii) aumentos de ph, iii) altos niveles de NH 3 y NH 4 +, y iv) disminución de las poblaciones microbianas, especialmente nitrificadores (Boswell et al., 1985). Urea En el suelo la urea es hidrolizada en una reacción catalizada por la enzima ureasa. Como fue comentado anteriormente, la hidrólisis resulta en el consumo de H + con el consiguiente aumento del ph lo que favorece la formación de NH 3, y por lo tanto de la volatilización de NH 3. Las pérdidas por volatilización aumentan con la dosis de N usadas. Las alternativas de manejo de fertilizantes para reducir la volatilización incluyen la incorporación del fertilizante, la concentración del fertilizante en bandas superficiales para reducir el contacto con el suelo, el uso de inhibidores de la ureasa o la aplicación con el agua de riego. Las labranzas reducidas que mantienen residuos en superficie pueden resultar en una mayor volatilización de NH 3 cuando se aplica urea al voleo. Esto se debe a la mayor actividad ureásica de los residuos respecto a la del suelo (McInnes et al., 1986a; Barreto y Westermann, 1989), la dificultad para la difusión de la urea hacia el suelo y el ambiente más húmedo que retarda el secado del suelo. El uso de inhibidores de la ureasa permite disminuirla velocidad de hidrólisis facilitando la incorporación de la urea en el suelo por el agua de lluvia. Experiencias realizadas en Balcarce con NBPT (N-(n-butil) triamida tiofosfórica), muestran incrementos en la eficiencia de uso del N de urea aplicada superficialmente del 40% respecto a la urea sin inhibidor (Darwich, 1989). La urea contiene porcentajes variables de biuret (NH 2 --CO--NH--CO--NH 2 ) que es un compuesto fitotóxico formado en el proceso de fabricación. Concentraciones de biuret del 1.5% son aceptables para aplicaciones foliares en maíz y soja (Tisdale et al., 1993). Para especies muy susceptibles como los citrus o el ananá se recomienda utilizar urea de no más de 0.25% de biuret. Amoníaco anhidro Siendo un gas a presión atmosférica, el amoníaco anhidro se aplica inyectándolo en el suelo. Las pérdidas por aplicación dependen fundamentalmente de la condición física del suelo: si el suelo esta excesivamente seco o húmedo no "cerrará" el surco abierto por el aplicador y se perderá NH 3 a la atmósfera, lo mismo puede ocurrir en suelos muy cascotudos o en aplicaciones superficiales. Una vez incorporado el NH 3 afecta una zona amplia, comparada a los fertilizantes granulados, de hasta 10 cm de diámetro dependiendo de la dosis utilizada, y del contenido de
7 agua, la textura y la capacidad de intercambio catiónico del suelo. En esta zona las concentraciones de NH 3 y NH 4 + son altas llegando a 1000-3000 ppm, el ph aumenta a valores de 9 o superiores, la concentración de NO 2 - aumenta hasta 100 ppm, la presión osmótica sube a -10 bar, disminuyen las poblaciones de microorganismos y se produce solubilización de la materia orgánica. Estos cambios afectan algunas transformaciones de N en la zona de aplicación. La Fig. 2 esquematiza los efectos de los aumentos del ph y la presión osmótica en la nitrificación. El aumento de ph en una zona de alta concentración de NH 4 + puede resultar en importantes pérdidas por volatilización como se discutió anteriormente para el caso de la urea, sin embargo, al ser el amoníaco incorporado las pérdidas serán menores que en el caso de aplicaciones superficiales de urea. El NH 3 es retenido químicamente al reaccionar con grupos OH- en los bordes de arcillas o en la materia orgánica, y físicamente al ser fijado como NH 4 + entre los latices de arcillas o adsorbido por arcillas o componentes orgánicos. La capacidad de los suelos de retener NH 3 aumenta con el contenido de agua siendo máximo a capacidad de campo. Esto se debe a que el agua impide la difusión de NH 3 y a la gran afinidad del NH 3 por el agua. La capacidad de retención también depende de la textura siendo mayor con texturas finas. Acidez producida por los fertilizantes nitrogenados El efecto de los fertilizantes nitrogenados sobre el ph del suelo depende de 1) la forma inorgánica aplicada, NH 4 + o NO 3, 2) el catión o anión acompañante, 3) el cultivo y 4) el destino final del N del fertilizante (Boswell et al., 1985). Las fuentes amoniacales producen acidez durante la nitrificación. La acidez final será mayor si el anión acompañante es acidico como el caso del sulfato de amonio. Fuentes nítricas como el nitrato de sodio pueden aumentar el ph por estar acompañadas por cationes básicos. La absorción de NO 3 - por los cultivos puede reducir el efecto acidificante de los fertilizantes al contrabalancearse con absorción de H + o intercambiarse con HCO 3 - de las raíces. Si el NO 3 - producido por nitrificación permanece como tal en el suelo o es perdido por lavado, el efecto acidificante será equivalente al teórico; pero si el NO 3 - es desnitrificado el efecto acidificante se anulará. Fuente de amonio Presión osmótica < -10 bares o NH 4 -N > 3000 ppm SI Sin Nitrificación NO SI ph > 8 NO ph > 7 SI Acumulación NO 2 - NO Acumulación NO 3 - Fig. 2. Efectos de la presión osmótica, el ph y la concentración de amonio en la nitrificación (Adaptado de Wetselaar et al., 1972). La acidificación teórica producida por fuentes amoniacales como la urea, el nitrato de amonio o el amoníaco anhidro es equivalente a 3,6 kg CaCO 3 /kg N. Sin embargo, tomando en cuenta los efectos atenuantes mencionados en el párrafo anterior, se puede considerar que en
8 el suelo se desarrolla aproximadamente la mitad de la acidez teórica: 1,8 kg CaCO 3 /kg N (Adams, 1984). El sulfato de amonio y el fosfato monoamónico producen una acidez teórica de 7.2 kg CaCO 3 /kg N, siendo la acidez real producida de 5.4 kg CaCO 3 /kg N debido la naturaleza de los aniones acompañantes. La acidez teórica producida por el fosfato diamónico es de 5.4 kg CaCO 3 /kg N, y la real de 3.6 kg CaCO 3 /kg N. Estos valores deben ser utilizados para comparar las fuentes, ya que no es posible predecir adecuadamente el grado de acidificación producido bajo condiciones de campo que depende del tipo de suelo (mineralogía, textura, capacidad de intercambio catiónico, capacidad buffer, contenido de materia orgánica) y las dosis y frecuencia de fertilización (Boswell et al., 1985). Métodos de aplicación El objetivo general que se persigue al decidir un método de aplicación de fertilizantes es maximizar la eficiencia de uso del fertilizante, reduciendo los costos energéticos y de tiempo y minimizando los impactos ambientales. Para maximizar la eficiencia de uso, el N debe estar disponible para el cultivo al comienzo del período de máxima absorción. Para el caso del maíz, el período de mayor absorción se inicia a partir de 5-6 hojas, mientras que para el trigo este período se inicia al finalizar el macollaje. Objetivos específicos que se persiguen son 1) maximizar la eficiencia de uso del nutriente aplicado, 2) evitar que el fertilizante afecte la germinación y posterior desarrollo de las plantas (toxicidad) y 3) lograr que la aplicación sea lo más sencilla y económica posible (Boswell et al., 1985). El logro de estos objetivos dependerá de las condiciones y propiedades del suelo (ph, capacidad buffer, textura, CIC, humedad, temperatura), de las características químicas del fertilizante (forma de N, anión o catión acompañante, acidez o alcalinidad, forma física, solubilidad), y del estado fenológico y desarrollo radicular del cultivo. En general, los métodos de aplicación se pueden agrupar de la siguiente manera: 1. Superficiales Al voleo, en franjas sobre el suelo, con el agua de riego 2. Subsuperficiales Al voleo incorporado con reja o con disco, en bandas con la semilla o al costado y en profundidad, en bandas al costado de las plantas 3. Sobre las plantas Aspersión sobre el cultivo Los fertilizantes nitrogenados son en su mayoría solubles, y una vez aplicados al suelo se incorporan a la fracción de nitratos y/o amonio. El proceso de hidrólisis de la urea ya fue comentado, y en general se debe considerar que se produce rápidamente cuando la temperatura supera los 10-12 o C y no hay limitaciones de humedad. La rápida nitrificación del amonio y la movilidad del nitrato excluyen los problemas de disponibilidad posicional que si se presentan en el caso del fósforo y el potasio. Por lo tanto, para los fertilizantes nitrogenados, la decisión en cuanto al método de aplicación a utilizar dependerá fundamentalmente de las reacciones que se producen durante la disolución del fertilizante y como las mismas afectan al suelo circundante. Debido a los efectos tóxicos de las altas concentraciones de NH 3 generadas alrededor del gránulo de urea, no se recomienda aplicar dosis elevadas de urea con la semilla a la siembra. Dosis de hasta 30 kg N/ha como urea aplicada con la semilla pueden ser utilizadas en suelos de textura media a fina sin problemas de fitotoxicidad, en suelos de textura más gruesa no deberían aplicarse más de 15-20 kg N/ha como urea con la semilla (Tisdale et al., 1993). En un ensayo realizado en la Unidad Integrada Balcarce en 1992, se evaluó el efecto de la aplicación de urea y nitrato de amonio junto con la semilla de trigo (Berardo, Rizzalli y col., com. pers.). Dosis de N como urea de 30, 60 y 90 kg/ha (65, 130 y 196 kg/ha de urea) redujeron la densidad de plantas en un 12, 25 y 49%, respectivamente. La aplicación de las mismas dosis de nitrato de amonio con la semilla o de urea al voleo no afectó la densidad de plantas logradas (Fig. 3).
9 Número de plantas (pl/m 2 ) 300 250 200 150 100 50 0 30 60 90 Dosis de N (kg/ha) Urea linea Urea Voleo Nitrato de amonio linea Fig. 3. Efecto del método de aplicación de urea y nitrato de amonio en la emergencia de plantas de trigo (Berardo, Rizzalli y col., com. pers.). Las labranzas reducidas y la siembra directa resultan en la acumulación de residuos en superficie que favorecen las pérdidas por volatilización de NH 3 en aplicaciones superficiales de urea debido principalmente a la alta actividad ureásica de los mismos. La presencia de residuos en superficie también favorece la inmovilización microbiana del N aplicado. El uso de nitrato de amonio o CAN en aplicaciones superficiales al voleo reduce las pérdidas por volatilización comparado con urea pero no evita la inmovilización del N aplicado. Para mejorar la eficiencia de uso de N aplicado se ha sugerido la incorporación del fertilizante debajo de la capa de residuos, de manera tal de evitar pérdidas por volatilización y/o inmovilización (Tabla 1) (Randall et al., 1985). Lo ideal sería disponer de sembradoras que apliquen el fertilizante nitrogenado debajo de la capa de residuos y a un costado y/o debajo de la semilla, de manera de evitar este tipo de pérdidas de N y daños por fitotoxicidad. Tabla 1. Efecto del tipo y ubicación del fertilizante nitrogenado en el rendimiento de maíz en siembra directa. Promedio de 4 años. (Bandel et al., 1984). Fertilizante 1 Método de ubicación Al voleo ---------- kg grano / ha ---------- Inyectado Nitrato de amonio 9653 9728 Urea 7965 9584 UAN (Urea-Nitrato de amonio) 8950 9916 Promedio 8856 9747 1 Dosis de N = 134 kg N/ha. Los fertilizantes líquidos como el UAN pueden ser de gran utilidad en siembra directa o labranza mínima. El fertilizante líquido ofrece la posibilidad de ser aplicado subsuperficialmente y aún en superficie en bandas. Al concentrarse el N en bandas, las reacciones de inmovilización y otras transformaciones se demoran permitiendo la incorporación del fertilizante a través del agua de lluvia. El uso de supergránulos de urea (de hasta 1 cm) o la concentración de gránulos pequeños en "bolsillos" resulta en un efecto similar. Sistemas más sofisticados permiten la aplicación de fertilizantes líquidos a presión suficiente como para ubicarlos debajo de las capas más superficiales de residuos y cercanos o directamente en el suelo (Murphy y Beaton, 1988). Aplicaciones con equipos de riego El riego por aspersión permite incorporar fertilizantes en el agua con la ventaja de que los nutrientes pueden ser aplicados en estados de desarrollo de mayor requerimiento del
10 cultivo cuando sería muy difícil hacerlo por los medios tradicionales. Adicionalmente, la aplicación con el agua de riego reduce el costo de la aplicación. Algunos puntos importantes a tener en cuenta son (Gardner y Roth, 1984): 1) La uniformidad de la distribución del fertilizante será similar a la del agua de riego. 2) El uso de amoníaco anhidro, UAN u otros fertilizantes con NH 3 libre en aguas de riego que contengan altas concentraciones de calcio, magnesio y/o bicarbonatos puede resultar en la formación de incrustaciones en la línea de riego por precipitación de sales de calcio y magnesio. 3) Deben evitarse las aplicaciones excesivas de agua de riego cuando se utilizan formas solubles de N como nitratos o urea. 4) Las aplicaciones de amoníaco anhidro en aguas de ph alto pueden resultar en pérdidas de N por volatilización de amoníaco. Los fertilizantes sólidos solubles o líquidos son los más usados. El fertilizante disuelto se inyecta en la línea de riego utilizando una bomba centrífuga o de alta presión. Se debe contar con sistemas de seguridad que impidan el reflujo de fertilizante hacia el pozo, lo que resultaría en la contaminación de la napa. Es muy importante que el fertilizante sea introducido en un area del sistema con la mayor turbulencia posible para optimizar el mezclado con el agua de riego (Randall et al., 1985). Para calcular el caudal de solución nitrogenada a inyectar en la línea se debe conocer la dosis de N a aplicar, la concentración de N de la solución, su densidad, la superficie cubierta por cada giro del pivot, y el tiempo en que completa el giro (Fischbach, 1973). Un ejemplo de cálculo se muestra en la Tabla 2. Tabla 2. Cálculo del caudal de solución nitrogenada a inyectar en la línea de riego (Adaptado de Fischbach, 1973). Paso Descripción Ejemplo 1 Dosis de N (kg/ha) 40 2 Concentración de N de la solución (%) 28 3 Densidad de la solución (kg/l) 1.28 4 Litros de solución por ha ((1/(2*100))/3) 112 5 Superficie por giro (ha) 32 6 Litros por giro (4*5) 3584 7 Tiempo de giro (horas) 120 8 Caudal a inyectar (L/hora) (6/7) 30 BIBLIOGRAFIA Adams F. 1984. Crop response to lime in the southern United States. In F. Adams (ed.) Soil acidity and liming. Agronomy 12. 2nd. Edition. ASA-CSSA-SSSA. Madison, Wisconsin, EEUU. Andrade F.H., H. Echeverría, N. Gonzalez, S. Uhart y N. Darwich. 1994. Requerimientos de nitrógeno y fósforo de los cultivos de maíz, girasol y soja en el Partido de Balcarce, Buenos Aires, Argentina. Boetín Técnico, Unidad Integrada FCA-INTA Balcarce (en prensa). Bandel V., H. Mulford y H. Bauer. 1984. Influence of fertilizer source and placement in no-tillage corn. Fert. Issues 1:38-43. Barreto H. y R. Westermann. 1989. Soil urease activity in winter wheat residue management. Soil Sci. Soc. Am. J. 53:1455-58. Boswell F., J. Meisinger y N. Case. 1985. Production, marketing, and use of nitrogen fertilizers. In O.P Engelstad (ed.). Fertilizer technology and use. 3rd. Edition. Soil Science Society of America, Madison, Wisconsin, EEUU. Darwich N.A. 1989. Manual de fertilidad de suelos. SAGyP, INTA-ENICHEM Agricoltura. 147 pp. Echeverría H., R. Bergonzi y J. Ferrari. 1993. Estimación de la mineralización del nitrógeno en suelos. Actas XIV Congreso Argentino de la Ciencia del Suelo. Mendoza, Argentina. Echeverría H. y C. Navarro. 1978. Efecto de las temperaturas de incubación sobre la mineralización del nitrógeno orgánico del suelo. VIII Reunión Argentina de la Ciencia del Suelo. Buenos Aires. Echeverría H., C. Navarro y F. Andrade. 1992. Nitrogen nutrition of wheat following different crops. J. Agric. Sci. (Cambridge) 118:157-163.
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