3. Componentes sólidos orgánicos del suelo
Materia orgánica del suelo: Origen y evolución. Procesos de mineralización y humificación. Carbono orgánico y Nitrógeno total del suelo. Relación C/N.
Edafología y Climatología Agrícola (Módulo de Edafología)
Grado en Ingeniería Agrícola
ETS de Ingeniería Agronómica (Universidad de Sevilla)
Fases del suelo
FASE SÓLIDAPartículas
minerales y orgánicas
FASE GASEOSAPoros vacíos
FASE LÍQUIDAPoros rellenos de agua
Fases del suelo
En masa
Materia mineral
81%
Materia orgánica
2%
Fase líquida
17%
En volumen
Materia mineral
45%
Materia orgánica
5%
Fase líquida
25%
Fase gaseosa
25%
Fase sólida del suelo
Roca
Biomasa
Alteración física
Alteración química
Residuos vegetales
Fragmentos de roca
Roca
Arcillas
Humus
Árbol muerto (P.N. de Doñana), Antonio Jordán / ImaggeoRestos de vegetación quemada (P.N. de Doñana), Antonio
Jordán / Imaggeo
El carbono en la Tierra
Atmósfera700 109 Mg
Vegetación800 109 Mg
Corteza1500 109 Mg
(la corteza continental
tiene 35 km de espesor,
como promedio)
50 %0 – 1 m
Composición de la materia orgánica del suelo
Materia orgánica del suelo
Organismos vivos
Materia orgánica muerta
Materia orgánica fresca
• Biomasa senescente
• Biomasa microbiana
Materia orgánica transformada
Sustancias húmicas Sustancias no húmicas
Contenido de carbono orgánico en suelos de Andalucía, http://dx.doi.org/10.5194/se-3-375-2012, Antonio Jordán / Imaggeo
Suelo desértico (Fuerteventura), Antonio Jordán / Imaggeo
Suelo arenoso (ROCLA Sand Quarry, Australia), Antonio Jordán / Imaggeo
Turbera (Patagonia, Chile), Klaus-Holger Knorr / Imaggeo
Turbera (Dzukija, Lituania), Antonio Jordán / Imaggeo
Turbera (Wicklow Mountains, Irlanda), Antonio Jordán / Imaggeo
Lorena M. Zavala (Univ. de Sevilla) mostrando un agregado de turba (Wicklow Mountains, Irlanda), Antonio Jordán / Imaggeo
Agregado de turba (Islandia), Ragnar Sigurdsson / arctic-images.com / Imaggeo
Turbera (Laguna de Ribetehilo, P.N. de Doñana, Huelva), Antonio Jordán / Imaggeo
Perfil de turbera (P.N. de Doñana, Huelva), Antonio Jordán / Imaggeo
Hojarasca en un alcornocal, Antonio Jordan / Imaggeo Materia orgánica transformada, edafología.net
Materia orgánicafresca
Materia orgánicatransformada
Microfotografía de restos de raíces empezando a transformarse, edafología.net
Composición de los restos vegetales
Agua75%
Materia seca
orgánica22%
Materia seca
mineral3%
Materia seca
C, H y O90%
Otros elementos
10%
Elementos
Composición de los restos vegetales
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
Hidratos de carbono Ligninas Proteínas Ceras, grasas, residuos yotros
PR
OP
OR
CIÓ
N (
%)
La materia orgánica del suelo tiene una composición distinta a la de los residuos vegetales
Ceras, grasas yresinas (%)
Proteínas (%) Celulosa (%) Hemicelulosa, carbohidratos
(%)
Lignina y derivados (%)
Hojas de leguminosas y herbáceas perennes
– 12 – 20 15 10 – 12 5
Hojas de árboles caducifolios
3 – 5 4 – 10 15 – 25 10 – 20 10
Hojas de coníferas
20 – 25 5 – 7 20 15 – 20 15
Bacterias – 40 – 70 – Mucosidad –
Musgos – 5 – 10 15 – 25 30 - 60 –
Materia orgánica del suelo
0.8 – 7.7 30 – 35 3 – 5 5 – 12 30 – 50
Evolución de la materia orgánica del suelo
Reorganización microbiana de C, H, O y N
Nutrientes minerales
Pérdidas a la atmósfera
Pérdidas por lavado
BIOMASA MICROBIANA
HUMUSHumificación directa
Asimilación microbianaPRODUCTOS
ORGÁNICOS SENCILLOS
Descomposición y biodegradación
COMPUESTOS MINERALES SOLUBLES O GASEOSOS
Mineralización rápida
Mineralización lenta
RESIDUOS, PRODUCTOS BIQUÍMICOS DE SÍNTESIS Y
XENOBIÓTICOS
SERES VIVOS
Humificación lenta
¿Qué factores influyen en la formación del humus?
Humus
Composición química
de los residuos
Tipo, cantidad y
actividad de microorga-
nismos
Textura
Acidez
Humedad
Temperatura
Alternancia desectación/ humectación
Manejo del suelo
Sustancias húmicas
El humus puede describirse como el espectro de sustancias orgánicas comprendido entre la que ha sufrido una primera acción de los microorganismos y la que se mineraliza.
Se puede definir el humus como una mezcla de sustancias macromoleculares con grupos ionizables, principalmente ácidos, pero también alcohólicos y amínicos. Por ello tiene propiedades secuestradoras y acomplejantes que determinan tanto la formación del complejo arcillo-húmico como sus propiedades.
La unidad elemental de las macromoléculas húmicas consiste de manera general en estructuras condensadas de naturaleza aromática asociadas a compuestos alifáticos.
Proceso de humificación:(1) Despolimerización enzimática
Las macromoléculas de los restos orgánicos (celulosa, almidón, pectina, lignina, proteínas, glucosa, grasas, ceras, etc.) se fragmentan a formas más sencillas.
Amilosa(componente del almidón)
Glucosa
Celulolisis bacteriana
2-oxo-propanal
Actinomicetos
Proceso de humificación:(2) Oxidación
Los compuestos resultantes de la despolimerización se oxidan y se asocian formando quinonas.
2-oxo-propanal
Quinonas
Glucosa
Proceso de humificación:(3) Condensación, polimerización y fijación de nitrógeno Se originan los ácidos húmicos. En esta fase los compuestos
orgánicos sencillos formados en la etapa anterior se reorganizan, conservando sus estructuras orgánicas para dar de nuevo polímeros más estables. Es la fase de polimerización biológica o humificación indirecta. Para que se desarrolle es imprescindible la actuación de las bacterias.
Esquema de la unidad básica de las sustancias húmicas
Alcohol coniferílico(4-[(1E)-3-Hydroxi-1-propen-1-il]-2-methoxifenol)
Elementos puente
Núcleo aromático
Grupos reactivos
Compuestos alifáticos
Grupos funcionales de las sustancias húmicas
Alcólico (etanol)
Éter(dietil éter)
Cetona(2-propanona)
Aldehído (formaldehído)
Éster (etanoato de etilo)
Amina (etilamina)
Amida (acetamida)
Carboxílico(ác. metanoico)
Fenólico (fenol)
Quinona (1,4-benzoquinona)
Grupos ácidos
Grupos neutros
Grupos básicos
Sustancias húmicas
CO
OH
HOOC
COOH
CO
OH
Ácidos húmicos(PM > 60.000)
Ácidos fúlvicos(PM < 60.000)
CO
OH
HOOC
COOH
CO
OH
El humus tiene carga eléctrica negetiva dependiende del pH
R-COOH R-CO– + H+
Ambiente básico
Ambiente ácido
Partícula de humus
Superficie cargada
negativamente
Cationes
Otras sustancias húmicas
Huminas.• Son sustancias húmicas insolubles en el agua.
• Presentan un color oscuro.
• Se trata de moléculas de difícil degradación (como algunos polisacáridos, proteínas insolubles, quitina, etc.).
• Su origen puede ser por herencia o neoformación. • La humina heredada está constituida por partículas de densidad menor de 1.8 g cm-3,
pero que al contrario que la materia orgánica libre, con la que presenta otras diferencias de tipo químico, se hallan retenidas en los agregados del suelo.
• Entre las huminas de neoformación se encuentran las huminas de insolubilización extraíbles, de naturaleza comparable a la de los ácidos húmicos y fúlvicos, pero irreversiblemente ligada a la fracción mineral por medio de enlaces que sólo pueden ser destruidos en el laboratorio por medio de agentes químicos que rompen la unión con los silicatos.
¿Cómo se distribuye la materia orgánica en el suelo?
Perfil de suelo (Guillena), Antonio Jordan / Imaggeo
Paleosuelo (Alicante), Antonio Girona / ImaggeoLuvisol (Cádiz), Antonio Jordan / Imaggeo
Leptosol (Alicante), Jorge Mataix-Solera / Imaggeo Leptosol (Portugal), Antonio Jordan / Imaggeo
Phaeozem (Argentina), Alejandro Becerra / Imaggeo Calcisol (Cádiz), Antonio Jordan / Imaggeo
Fluvisol (Málaga), Antonio Jordán / Imaggeo Histosol (Irlanda), Antonio Jordán / Imaggeo
Calcisol cultivado (Sevilla), Antonio Jordán / Imaggeo Suelo antropizado (Alemania), Axel Don / Imaggeo
Propiedades físicas de la materia orgánica
Color oscuro.
El humus es una sustancia amorfa, no cristalina.
En general, posee una alta capacidad de retención de agua.
Regula el ciclo de la energía.• Alta capacidad calorífica.• Mantiene un régimen térmico estable.
Influye sobre la estructura.• Influye en la agregación y cohesión de las partículas elementales.• Aumenta la estabilidad estructural de los agregados.
Regula la porosidad.• Regula la permeabilidad y la capacidad de retención hídrica.• Regula el drenaje y el intercambio de gases.
Favorece la penetración de las raíces en el suelo.
Reduce la erosión y el encostramiento.
Reduce la evaporación.
Baja plasticidad y cohesión.
Propiedades químicas de la materia orgánica
Posee carácter coloidal.• Incrementa el poder tampón del suelo.
• Aumenta la capacidad de intercambio catiónico.
• Actúa como agente cementante.
• Aumenta la solubilidad / asimilabilidad de algunos nutrientes.
• Forma fosfohumatos, quelatos y complejos.
Baja solubilidad.
Su mineralización proporciona elementos minerales asimilables.• Mantiene las reservas orgánicas de nitrógeno y otros.
• Mejora la nutrición mineral de los cultivos.
• Constituye una fuente de CO2.
Disminuye el efecto de la contaminación.
Efectos biológicos de la materia orgánica en los suelos de cultivo
Constituye una reserva de nutrientes.
Favorece la germinación de las semillas y la rizogénesis.
Favorece la aparición de micorrizas.
Favorece la respiración radicular.
Regula la actividad macro y microbiana.
Regula el estado de óxido-reducción.
Es una fuente de CO2 por oxidación, que ayuda a solubilizar algunos elementos.
Estimula la absorción de nutrientes.
Aumenta la actividad enzimática y la biotransformación.
Determinación del contenido en materia orgánica del suelo (determinación mediante espectrofotometría UV-visible)
4 K2Cr2O7+ 16 H2SO4 + C6H12O6 4 Cr2(SO4)3 + 4 K2SO4 + 22 H2O + 6 CO2
Determinación del contenido en materia orgánica del suelo (mediante valoración con sal de Möhr)
4 K2Cr2O7+ 16 H2SO4 + C6H12O6 4 Cr2(SO4)3 + 4 K2SO4 + 22 H2O + 6 CO2
2 Cr+6 + 7 O= + 6 Fe++ + 14 H+ 2 Cr+3 + 6 Fe+3 + 7 H2O
Contenido en materia orgánica de algunos suelos
Ecosistema Promedio del contenido en materia orgánica (%)
Suelos de pradera 5 – 8
Turberas > 40
Suelos de secano semiárido 1 – 2
Suelos de regadío 2 – 4
Suelos de zona templada húmeda 6 – 8
Relación C/N
• El contenido en humus del suelo, del mismo modo que sus propiedades, depende de la tasa de mineralización y del aporte de materia orgánica que se realiza al suelo de forma natural (hojarasca, raíces) o artificial (estiércol, compost, etc.).
Calcisol háplico bajo olivar (Cordoba), Antonio Jordán / Imaggeo
Relación C/N
• Desde un punto de vista biológico, la caracterización de los suelos no sólo se basa en la naturaleza y la descripción del humus, sino también en el contenido de materia orgánica total y la relación entre el C y el N del total del suelo (relación C/N).
• El C fijado por la biomasa proviene del CO2 atmosférico, reducido durante el proceso de fotosíntesis por las plantas, y suele oscilar en torno a un 50 – 60 % de la materia orgánica (el C orgánico representa entre el 0.6 y el 1.7 % del suelo).
Podzol esquelético bajo Pinus sylvestris (Zaragoza), Antonio Girona / Imaggeo
Relación C/N
Sin embargo, el porcentaje de N es mucho menor y más variable.
• Por el N compiten las raíces de las plantas y los microorganismos, por lo que puede ser un factor limitante.
• Para una buena humificación de la materia orgánica es necesaria una buena actividad biológica, una buena aireación del suelo y riqueza de C y N en el medio.
• La microflora edáfica que actúa en la descomposición y mineralización de la materia orgánica requiere carbono como fuente de energía y nitrógeno como intermediario en la síntesis de proteínas.
Calcisol háplico bajo olivar (Cordoba), Antonio Jordán / Imaggeo
Relación C/N
Relación C/N del
sueloInterpretación
< 5
Excesiva mineralización. El contenido en materia orgánica es bajo.
Escasa fertilidad.
Destrucción de la microflora y microfauna.
5 – 8
Tendencia hacia la mineralización de la materia orgánica. La fertilidad es de
baja a moderada.
Puede aumentarse la tasa orgánica del suelo mediante aportaciones
grandes y continuadas.
8 – 12
Equilibro entre mineralización y humificación.
La fertilidad es elevada.
Para conservar esta tasa en suelos cultivados, es recomendable realizar
aportes periódicos.
> 12Tendencia a la humificación.
Poco frecuente en suelos cultivados.
Relación C/N
Tipo de residuo Relación C/N Rango
Microorganismos 8
BajoLeguminosas 10
Algas marinas 19
Estiércol de cerdo 20
Moderado
Guano 15 – 20
Hojas secas 50
Avena 60
Maíz 60
Cáscara de cereal 80
Alto
Paja de trigo 80 - 128
Acículas de pino 100
Serrín de madera 200 – 500
Papel de periódico > 900