Ciclo de nutrientes
Escrito el: 2024-08-10 por: F.B. Cerezo
Tan importante como entender los procesos de la
creación de la vida, es entender los procesos de descomposición de las
estructuras que la han perdido. En el caso de las plantas, se trata de procesos
de desarticulación de estas estructuras en pequeños elementos, que volverán a
recircularse con la participación de multitud de organismos; es lo que
denominamos el ciclo de los nutrientes.
Este ciclo involucra la transformación y
movimiento de nutrientes esenciales, como el nitrógeno, fósforo, potasio,
carbono y otros oligoelementos, a través de diversos componentes
del ecosistema, incluidos el suelo, las plantas, los microorganismos y los
animales. Estos nutrientes son necesarios para el crecimiento y desarrollo de
las plantas, que a su vez sustentan a una gran variedad de organismos.
El ciclo de nutrientes en el suelo abarca procesos
bioquímicos complejos, como la mineralización, humificación,
intercambio catiónico, y descomposición, que son facilitados por la
actividad de microorganismos y la interacción entre la materia orgánica e
inorgánica.
Entender el ciclo de nutrientes en el suelo es
esencial para la agricultura sostenible, ya que permite la optimización
del uso de fertilizantes y la implementación de prácticas de
manejo del suelo que promuevan la salud del ecosistema. También es
crucial para la conservación del medio ambiente, ya que los ciclos de
nutrientes están estrechamente vinculados con la calidad del agua y la
mitigación del cambio climático. La correcta gestión de los nutrientes del
suelo puede prevenir la eutrofización de cuerpos de agua y
reducir la emisión de gases de efecto invernadero, contribuyendo a la
sostenibilidad global.
1.Descomposición
La descomposición es un proceso biológico
fundamental que desempeña un papel crucial en el ciclo de nutrientes y en la
sostenibilidad de los ecosistemas. Se refiere a la desintegración de la
materia orgánica en sus componentes más simples, permitiendo la liberación
de nutrientes esenciales como carbono, nitrógeno, fósforo y otros
oligoelementos de vuelta al medio ambiente. Este proceso es llevado a cabo
principalmente por microorganismos descomponedores, incluidos
bacterias y hongos, así como por invertebrados como lombrices y artrópodos. La
descomposición no solo facilita el reciclaje de nutrientes, sino que también
contribuye a la formación del suelo y a la regulación de la calidad del mismo.
Comprender la descomposición es esencial para la gestión ambiental, la
agricultura sostenible y la conservación de los ecosistemas, ya que influye
directamente en la productividad del suelo, la calidad del agua y el balance de
gases en la atmósfera.
Es importante decir, que para que la
descomposición se lleve a cabo, son importantes tres factores:
· En primer lugar, la humedad es
el factor más importante que debe presentarse para que los ciclos de
descomposición se lleven a cabo. Sin la humedad necesaria, muchos macro y micro
organismos no son capaces de sobrevivir y por lo tanto, de cumplir su función
en la descomposición de la materia orgánica.
· En segundo lugar, la radiación
solar es un factor para tener en cuenta. El sol quema y seca. Como ya
hemos mencionado antes, la humedad es necesaria. Toda materia orgánica expuesta
al sol pierde la humedad e inicia un proceso de descomposición químico y no
biológico, llamado oxidación. Esto hace que la materia se torne de
un color grisáceo. El ejemplo más típico que se puede observar, son los restos
de plantas en las temporadas estivales que reciben radiación solar. Por otra
parte, muchos organismos que intervienen en los procesos de descomposición lo
hacen en ausencia de radiación solar, un buen ejemplo son las lombrices, pero
prácticamente la gran mayoría de los organismos prefieren trabajar a la sombra.
Es por eso por lo que el mulching o acolchado es tan importante en los sistemas
de regeneración de suelos, no solo evita la evaporación del agua, sino también
permite a muchos organismos protegerse de la radiación solar.
· En tercer lugar, el contacto
con el suelo es fundamental para que este proceso se lleve a cabo. Es
fácil observar las praderas en los periodos de mayor exposición solar, donde
las plantas o las ramas de los árboles muertas que no llegan a tener contacto
con el suelo sufren oxidación por la radiación solar y se tornan de color gris.
Como ya hemos dicho antes, este proceso no es una descomposición biológica. El
contacto con el suelo permite que la parte que se encuentra fuera del alcance
de los rayos del sol y del viento se descomponga.
Por último, la descomposición de la materia
orgánica es un proceso en el que intervienen millones de organismos, no es un
proceso lineal, lo que hace que sea difícil de esquematizar por completo. Es
por ello que, para simplificarlo un poco, en los siguientes apartados se
incidirá en los procesos que realizan los hongos y las bacterias,
que son los que se encargan de finalizar los procesos de descomposición para
que lo minerales se encuentren disponibles para las plantas. Pero eso no quiere
decir que los demás individuos no sean importantes en este proceso. La interacción
conjunta de todos los estos organismos y sus
relaciones entre sí, son la clave del proceso de descomposición.
La materia se compone principalmente de dos
compuestos:
· Las proteínas, que
es de lo que mayormente se componen los materiales más verdes como la hierba,
las hojas, los tallos verdes etc… y son descompuestas esencialmente por las
bacterias. Este proceso se denomina mineralización.
· Los polímeros de difícil
descomposición, como pueden ser la lignina o la celulosa, hemicelulosa, etc.
que están presentes en materia seca como la paja, en la madera, en las hojas
secas, etc... son materiales que son descompuestos principalmente por los hongos.
Este proceso se llama humificación.
2. Humificación
La humificación es un proceso esencial y
multifacético en la formación y el mantenimiento de suelos fértiles. Aquí se
detalla aún más este proceso, incluyendo las interacciones químicas, biológicas
y físicas que ocurren:
Descomposición Inicial:
·
Fragmentación Mecánica:
o Acción de Macroorganismos: Organismos como lombrices,
insectos, y otros invertebrados fragmentan la materia orgánica en trozos más
pequeños, aumentando la superficie expuesta a los microorganismos.
o Digestión y Excreción: Estos macroorganismos
digieren parcialmente la materia orgánica, liberando residuos que son más
accesibles para los microorganismos.
·
Descomposición Bioquímica:
o Microorganismos Pioneros:Bacterias y hongos comienzan
la descomposición de compuestos fácilmente degradables como azúcares,
aminoácidos, y ácidos grasos.
o Enzimas Extracelulares: Los microorganismos secretan
enzimas que rompen las moléculas orgánicas en fragmentos más pequeños y
solubles.
Formación de Humus:
·
Condensación y Polimerización:
o Reacciones Químicas: Los compuestos orgánicos
parcialmente descompuestos, como ácidos fúlvicos y ácidos húmicos, sufren
reacciones de condensación y polimerización, formando moléculas más grandes y
complejas.
o Interacciones Químicas: Se forman enlaces entre
moléculas orgánicas y minerales del suelo, estabilizando el humus.
·
Estabilización del Humus:
o Resistencia a la Descomposición: El humus es resistente a la
descomposición ulterior debido a su estructura compleja y la formación de
enlaces estables con minerales del suelo.
o Tiempo de Resistencia: El humus puede permanecer en
el suelo durante décadas o siglos, actuando como una reserva de nutrientes a
largo plazo.
Este proceso es un retraso de la mineralización,
ya que esta materia se va a descomponer muy lentamente, creando el humus.
Características del humus
- Composición Química: El
humus contiene una mezcla de sustancias como ácidos húmicos, ácidos
fúlvicos y huminas, cada una con características y roles específicos en el
suelo.
- Ácidos Húmicos: Son moléculas grandes, de
color oscuro, con alta capacidad de retención de nutrientes y agua.
- Ácidos Fúlvicos: Son
más pequeños y solubles en agua, facilitando la absorción de nutrientes
por las plantas.
- Huminas: Son las fracciones más recalcitrantes y
estables del humus.
3. Mineralización
La mineralización es un proceso fundamental en el
ciclo de los nutrientes, mediante el cual la materia orgánica es
descompuesta y transformada en compuestos inorgánicos por la
acción de microorganismos. Este proceso es crucial para la liberación de
nutrientes esenciales que las plantas pueden absorber y utilizar. Aquí se
describe el proceso de mineralización en detalle:
Etapas del Proceso de Mineralización
1. Descomposición de la Materia Orgánica:
- Fragmentación Inicial: Los
detritos orgánicos (restos de plantas y animales) son fragmentados por
macroorganismos como lombrices e insectos. Esta fragmentación aumenta la
superficie expuesta a los microorganismos descomponedores.
- Digestión Extracelular:
Microorganismos, principalmente bacterias y hongos, secretan enzimas
extracelulares que rompen las moléculas orgánicas complejas en compuestos
más simples y solubles.
2. Conversión de Compuestos Orgánicos en Inorgánicos:
- Catabolismo Microbiano: Los
microorganismos catabolizan los compuestos orgánicos, liberando energía y
nutrientes. Durante este proceso, las moléculas orgánicas se descomponen
en productos más simples.
- Oxidación de Compuestos: En
presencia de oxígeno, los compuestos orgánicos son oxidados, resultando en
la liberación de dióxido de carbono (CO2), agua (H2O) y nutrientes
minerales.
La materia orgánica es transformada en minerales
simples que están disponibles para las plantas. Para entender esto es necesario
adentrarnos un poco en las bases de la química.
Toda sustancia está formada por átomos. Los átomos
son la unidad más pequeña de un elemento. Imaginémonos para simplificarlo, un
átomo con forma redondeada como si fuera un planeta. Los átomos poseen un
núcleo en su interior que posee protones (partículas con carga positiva)
y neutrones (los cuales no tienen carga) y girando a su alrededor
como si fueran sus lunas, se encuentran los electrones (que tienen carga
negativa) a los que les gusta ir en pares.
La órbita de los electrones alrededor
del átomo se conoce como órbita de valencia. Como a estos electrones les gusta
compartir sus órbitas y van de aquí para allá, los átomos casi nunca son
simples. Cuando hay vacantes de electrones, otros átomos vienen a completar el
par, uniéndose dos o más átomos y formando
moléculas.
La molécula es la unidad más pequeña de una sustancia, que conserva
las propiedades de esa sustancia (Lowenfels, 2013). Por ejemplo, la molécula de
agua H2O que todos conocemos, está formada por dos átomos de
Hidrogeno (H) y un átomo de oxigeno (O).
Hasta aquí bien, entonces ¿qué pasa
con los minerales que nos interesan para la nutrición de las plantas? Pues
bien, la mayoría de los átomos son eléctricamente neutros, es decir que tienen
el mismo número de protones en su núcleo con carga positiva (+) que de
electrones en su órbita con carga negativa (-). Sin embargo, los átomos pueden
ganar o perder electrones, lo que les confiere una carga. Estos se denominan iones. Que son los que nos interesan.
Los iones pueden dividirse en dos
grupos:
·
Cationes: Un catión es un
átomo o molécula que ha perdido uno o más electrones, adquiriendo así una carga
positiva. Para identificarlo se le añade un (+) y un numero después
refiriéndose al número de cargas positivas que tenga de mas. Por ejemplo, un
ion de hierro se simboliza con Fe2 +2, esto quiere decir
que posee dos átomos de hierro y dos cargas positivas. En el suelo, los
cationes son cruciales para la estructura del suelo, la nutrición de las
plantas y diversas reacciones químicas.
Principales
Cationes en el Suelo
1. Calcio (Ca²⁺):
o
Función en el Suelo: El calcio ayuda a mejorar la estructura del suelo al promover la
agregación de partículas del suelo, lo que mejora la porosidad y la aireación.
o
Función en las
Plantas: Es esencial para el crecimiento y
desarrollo de las plantas, jugando un papel crucial en la formación de paredes
celulares y la estabilidad de las membranas celulares.
2. Magnesio (Mg²⁺):
o
Función en el Suelo: Actúa como un puente entre las partículas del suelo y la materia
orgánica, ayudando a estabilizar la estructura del suelo.
o
Función en las
Plantas: Es un componente central de la
molécula de clorofila y es esencial para la fotosíntesis y la activación de
muchas enzimas.
3. Potasio (K⁺):
o
Función en el Suelo: Ayuda a retener la humedad del suelo y mejora su capacidad de
intercambio catiónico (CEC).
o
Función en las Plantas: Es crucial para la regulación osmótica, la síntesis de proteínas y la
activación de enzimas. También juega un papel en la apertura y cierre de
estomas, lo que regula la transpiración.
4. Sodio (Na⁺):
o
Función en el Suelo: Aunque no es esencial para la mayoría de las plantas, el sodio puede
afectar la estructura del suelo, especialmente en suelos salinos donde puede
llevar a la dispersión de partículas del suelo y la pérdida de estructura.
o
Función en las
Plantas: Es necesario en pequeñas cantidades
para algunas plantas, pero en exceso puede ser tóxico y causar problemas
osmóticos y de absorción de agua.
5. Amonio (NH4⁺):
o
Función en el Suelo: Es una fuente importante de nitrógeno para las plantas. Puede ser
absorbido directamente por las plantas o ser convertido a nitrato (NO3⁻) a
través de la nitrificación.
o
Función en las
Plantas: Es una fuente de nitrógeno esencial
para la síntesis de aminoácidos, proteínas y otros compuestos nitrogenados.
6. Hierro (Fe²⁺ y Fe³⁺):
o
Función en el Suelo: El hierro participa en la formación de minerales del suelo y en la
disponibilidad de nutrientes.
o
Función en las
Plantas: Es crucial para la síntesis de
clorofila y actúa como cofactor en muchos sistemas enzimáticos.
·
Aniones: Un anión es un
átomo que ha ganado electrones, adquiriendo una carga negativa. Para
identificarlo se le añade un (-) y a continuación el número de cargas negativas
de más. Por ejemplo, la molécula de Nitrato (NO3- ) posee
un átomo de nitrógeno, tres átomos de oxigeno
y una carga negativa.
Principales aniones en el suelo
1. Nitrato (NO₃⁻): Es una de las formas principales
en las que el nitrógeno se encuentra disponible para las plantas. El nitrato es
muy móvil en el suelo debido a su carga negativa, lo que significa que no se
adhiere fácilmente a las partículas del suelo, que también suelen tener carga
negativa. Como resultado, puede ser fácilmente lixiviado, especialmente en
suelos arenosos o bajo condiciones de lluvias intensas, lo que puede llevar a
la contaminación de las aguas subterráneas.
2. Fosfato (PO₄³⁻): Es una fuente clave de fósforo
para las plantas. A diferencia del nitrato, el fosfato tiende a unirse
fuertemente a las partículas del suelo, especialmente en suelos que contienen
altos niveles de hierro, aluminio o calcio. Esto puede hacer que el fósforo sea
menos disponible para las plantas, ya que queda inmovilizado en el suelo.
3. Sulfato (SO₄²⁻): Es la forma en la que el azufre
está disponible para las plantas. Al igual que el nitrato, es relativamente
móvil en el suelo, aunque no tanto como el nitrato. El sulfato es necesario
para la síntesis de proteínas y otras funciones vitales en las plantas.
4. Cloruro (Cl⁻): Aunque es necesario en pequeñas
cantidades para las plantas, el cloruro puede ser tóxico en concentraciones más
altas. Es muy móvil en el suelo y, por lo tanto, puede acumularse en áreas con
baja precipitación o en suelos con drenaje deficiente.
5. Carbonato (CO₃²⁻) y Bicarbonato
(HCO₃⁻): Estos aniones están relacionados con la alcalinidad del suelo. Su
presencia puede influir en el pH del suelo, afectando la disponibilidad de
otros nutrientes.
Estos iones son los
que realmente están disponibles para las plantas, son la mínima expresión a la
que puede llegar la descomposición de la materia orgánica, que será utilizada
por las plantas para formar nuevos cuerpos, que en el futuro volverán a volver
a estar en contacto con el suelo y volverán a descomponerse para volver a
realizar el ciclo.
Llegados a este punto
me gustaría puntualizar algo. Los abonos químicos están compuestos únicamente
de estos iones ya formados y disponibles para las plantas. ¿Qué es lo que
ocurre cuando añadimos únicamente estos abonos?
Bueno, digamos que
tu participación como ser humano en esta cadena de interacción es ofrecer a las
plantas el producto ya terminado. Además de eliminar todo resto orgánico de la
superficie del suelo y dejarlo desnudo a merced del viento, la lluvia y el sol,
evitando así el proceso de descomposición. ¿Te suena? ¿Qué pasa entonces?
La consecuencia de
tu intervención es que el trabajo de los organismos descomponedores ya no es
necesario. Aquí ya no pueden vivir, ni trabajar, ni alimentarse, por consiguiente,
desaparecen. En el suelo, solo quedan aquellos organismos que son capaces de
subsistir a pesar de tus constantes intervenciones, como por ejemplo los hongos,
que no son solo saprófitos, sino también parásitos. Estos organismos, en
ausencia de materia orgánica que descomponer se alimentan de plantas vivas. Además,
sin otra competencia, campan a sus anchas. Pero bueno esto es otro tema.
La
intervención de los animales
Los animales, sobre todo los
herbívoros intervienen también en el proceso de descomposición. Su intervención
es crucial. En especial los rumiantes. Estos grandes descomponedores se
alimentan de materia orgánica, hierba, paja, al fin y al cabo, de proteínas, celulosa,
lignina...
No se pretende hacer hincapié en la
descripción de la digestión en los rumiantes, pero si mencionar su importancia.
Los rumiantes y otros animales van a adelantar la descomposición de la materia
orgánica, sobre todo en lugares donde la humedad no está presente todo el año y
van a inocular en el suelo parte de los organismos que están presentes en su
interior. La humedad del interior de sus cuerpos va a permitir esa
descomposición.
Es precisamente en los lugares más
secos, donde más necesarios son, ya que la humedad no está presente todo el año.
Y precisamente en España, por ejemplo, es donde están desapareciendo. Las
bostas resultantes al proceso de digestión van a suponer un alimento muy
importante para los organismos descomponedores del suelo.
Los animales no solo aportan la
humedad, sino que también ayudan a que las plantas entren en contacto con el
suelo, otro de los requisitos de los que hemos hablado antes. Mediante el
impacto con las pezuñas van a pisar todo aquello que está muerto en pie y ponerlo
a disposición de los microorganismos para iniciar la descomposición.
5. Complejo Arcillo-Húmico
El complejo arcillo-húmico es una
estructura clave que resulta de la interacción entre las arcillas y la materia
orgánica (principalmente humus). Esta combinación forma una estructura estable
que tiene un papel crucial en la retención de nutrientes, la estructura del
suelo y el intercambio catiónico.
Composición:
Arcillas: Son partículas minerales muy finas que tienen una carga negativa en su
superficie, lo que les permite atraer y retener cationes (iones con carga
positiva) como calcio (Ca²⁺), magnesio (Mg²⁺), potasio (K⁺), y sodio (Na⁺).
Humus: Es la fracción de materia orgánica del suelo que ha alcanzado un estado
de descomposición avanzado. El humus es muy estable, con una gran capacidad
para retener agua y nutrientes, y también presenta una carga negativa, similar
a las arcillas.
¿Por qué es importante?
- Esta estructura va a permitir que
los cationes de los que se ha hablado anteriormente se retengan en el
suelo. El resultado de esta combinación es una estructura con carga
negativa, que va a atraer a los cationes con carga positiva como calcio
(Ca²⁺), magnesio (Mg²⁺), potasio (K⁺), sodio (Na⁺), y otros
nutrientes esenciales. Estos cationes van a quedar adheridos y disponibles
para las plantas y a diferencia de los aniones no van a poder ser
desplazados por el agua mediante la lixiviación. Por simplificarlo un poco
digamos que puede definirse como la despensa de las plantas.
- El
complejo arcillo-húmico actúa como un agente cementante que une las
partículas de suelo más pequeñas (como las arcillas, limos y arenas) en
agregados más grandes y estables. Estos agregados mejoran la estructura
del suelo al:
·
Reducir la Compactación: Un suelo con buena agregación
tiene menos tendencia a compactarse, lo que facilita el crecimiento de las
raíces y mejora la aireación.
·
Mejorar la Infiltración y Retención de Agua: Los agregados permiten que el
agua penetre en el suelo más fácilmente y se retenga en los microporos, al
tiempo que los macroporos permiten un buen drenaje y aireación.
Los agregados
creados por el complejo arcillo-húmico aumentan la porosidad del suelo, lo que
es vital para:
Aireación: Los poros más grandes (macroporos) permiten el
intercambio de gases entre el suelo y la atmósfera, proporcionando oxígeno
necesario para las raíces y los microorganismos del suelo.
Movimiento del
Agua: La porosidad
también facilita la absorción y el movimiento del agua a través del perfil del
suelo, evitando la escorrentía superficial y mejorando la disponibilidad de
agua para las plantas.
Es por todo
esto que resulta de vital importancia la presencia de arcilla y de humus en los
suelos. Generalmente los agricultores desprecian la arcilla porque son suelos
difíciles de labrar. Y el humus sin la acción de los microorganismos y la
materia orgánica es inexistente. Por lo tanto, es indispensable la presencia de
estos dos elementos para una regeneración del suelo.
Esto no quiere
decir que en los suelos arenosos no se puedan regenerar. El humus también forma
agregados en los suelos arenosos, solo que su capacidad de intercambio
catiónico es menor.
6. Alimentación de las plantas e intercambio catiónico
El intercambio catiónico es un
proceso químico que ocurre en el suelo, donde los cationes (iones con carga
positiva) presentes en la solución del suelo son intercambiados con los
cationes que están adsorbidos en las superficies de las partículas de arcilla y
materia orgánica (como el complejo arcillo-húmico).
7. ¿Cómo Funciona?
Para empezar las raíces de las plantas
respiran, y liberan CO2 a la solución del suelo. El CO2 mezclado
con el agua H2O va a formar ácido carbónico (H2CO3).
El ácido carbónico va a soltar un Hidrógeno a la disolución del suelo y quedará
como bicarbonato (HCO3). La molécula de Hidrógeno no tiene
electrones, sólo tiene protones en el núcleo con lo cual la carga es mayor que
la del resto de iones y va a tener una mayor atracción hacia el complejo
arcillo húmico que soltará un catión ya adherido para fijar el Hidrógeno. Este
catión pasará a la disolución del suelo
y será absorbido por las plantas.
Este intercambio es crucial para la
nutrición de las plantas, ya que permite que los cationes esenciales sean
liberados desde la superficie de las partículas del suelo a la solución del
suelo, donde pueden ser absorbidos por las raíces de las plantas.
Capacidad de Intercambio Catiónico (CIC)
La capacidad de intercambio
catiónico (CIC) es una medida de la capacidad de un suelo para retener e
intercambiar cationes. Es un indicador importante de la fertilidad del suelo.
Los suelos con una alta CIC pueden retener más nutrientes y liberarlos
gradualmente a las plantas, lo que es beneficioso para el crecimiento y
desarrollo de los cultivos.
Bibliografía
Lowenfels, J.,2013, Cultivar con
nutrientes, Editorial Melusina
