3. Componentes sólidos orgánicos del suelo

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