Fijación del elemento nitrógeno en los agroecosistemas

Estimados lectores en el artículo publicado en la edición anterior, se abordaron aspectos interesantes sobre la descomposición de la materia y los dos procesos por el cual atraviesa (mineralización y humificación), además de la importancia que tiene dicha materia orgánica transformada en el aporte de nutrientes de alta disponibilidad para la plantas y sustancias húmicas importantes para mejorar las estructuras del suelo y como reservorio de nutrientes, comprender los procesos señalados es el punto de partida para lograr un óptimo plan de fertilización.

Por otra parte si hablamos de fertilización nos referimos a la adición de elementos inorgánicos que son absorbidos por la planta para su crecimiento, desarrollo y producción, en el caso de los cultivos de poaceas forrajeras unos de los nutrientes más demandante por la misma es el nitrógeno, ya que es una planta cuyo órgano de consumo en su follaje y se necesita tener suficiente biomasa vegetal de buena calidad para la alimentación y nutrición de los rumiantes.

Con respecto a la disponibilidad de nitrógeno en los suelos algunos autores señalan que en la formación de los suelos las rocas aportan niveles insignificantes de nitrógeno durante la mineralización y que es la atmósfera que presenta niveles elevados de nitrógeno conocido como nitrógeno atmosférico N2, por otra parte la forma en que obtienen los ecosistemas agropecuarios el nitrógeno es a través del agua de lluvia, la fijación realizada por microorganismos en su proceso de descomposición de la materia orgánica y fijación del nitrógenos atmosférico N2 por medio de las bacterias del género rhizobium además de la aplicación de fertilizantes orgánicos e inorgánicos.

La situación planteada es conocida por investigadores y técnicos del sector agropecuario por ello los análisis de suelos se hacen imprescindibles al momento de planificar una fertilización, ya que se han encontrado suelos de la zona Sur del Lago de Maracaibo con bajos niveles de nitrógeno y materia orgánica, situación que se debería analizar y es de allí que surge la iniciativa de implementar técnicas que permitan la disponibilidad de materia orgánica con asociaciones de leguminosas, aporte del estiércol bovino, fertilización orgánica e inorgánica entre otras.

No obstante evidenciando la importancia de la materia orgánica descrita en el artículo anterior y la necesidad del elemento nitrógeno en los cultivos de pastizales, a continuación se describirán las formas de nitrógeno en el suelo, las pérdidas de nitrógeno en los ecosistemas agropecuarios, el ciclo del nitrógeno como ciclo biogeoquímico fundamental en la agricultura y la mineralización del nitrógeno en el suelo.

Se ha mencionado anteriormente las maneras en que puede incorporarse el nitrógeno al suelo, dicho elemento generalmente se acumula en forma orgánica, al menos que se aplique fertilizantes inorgánicos de fácil absorción por las plantas, dicha forma orgánica se encuentra en altas cantidades en el suelo combinada en la materia orgánica y la cual no es asimilable por las plantas, para poder ser absorbido fácilmente debe ocurrir el proceso de mineralización de la materia orgánica.

En el proceso de mineralización dicho elemento se convierte en amonio (NH4+) y Nitrato (NO3-) que son de fácil asimilación para plantas y microorganismos, también puede encontrarse en forma de dinitrógeno (N2) conocido también como nitrógeno atmosférico y que puede mezclarse en suelo luego del proceso de desnitrificación realizado por algunos microorganismos y que será detallado en otro acápite del artículo.

Al observar la imagen 1 se evidencia como en los suelos de nuestros agroecosistemas el elemento nitrógeno se encuentra en distintas presentaciones, aunque no en todas es accesible para los cultivos, por tal motivo ha sido tema de estudio para distintos investigadores entre ellos Crespo, Rodríguez y Lok (2006), que al realizar algunas investigaciones llegaron a la conclusión que sólo una reducida porción del elemento (1% del total) se encuentra en forma de fácil asimilación para los pastizales (NO3 y NH4+) y por ello el suministro de nitrógeno depende de la velocidad de mineralización de la materia orgánica.

Por otro lado, una vez mineralizado el nitrógeno de la materia orgánica en forma de amonio (NH4+) y Nitrato (NO3-), este podría llegar a perderse si se presentan los siguientes eventos:

Lixiviación: en los sistemas de producción agropecuaria el exceso de agua puede trasladar el Nitrato (NO3-) a los horizontes de suelo más profundos, dependiendo de la intensidad del riego y precipitaciones, algunas veces pueden llegar hasta los acuíferos, situación que puede afectar el recurso hídrico de las comunidades rurales.

Esta situación se observa mucho en sectores agropecuarios donde se utiliza indiscriminadamente fertilizantes nitrogenados, en el Municipio Colón del Estado Zulia, específicamente en la Parroquia el Moralito las aguas superficiales se encuentra contaminadas con altos contenidos de nitrato (NO3-), esto debido al uso indiscriminado de plaguicidas, aplicados con avionetas a grandes extensiones de cultivos cerca de la población.

Se obtuvo dicha información gracias al trabajo realizado por el Laboratorio de Análisis Químico de la Unesur a cargo del Doctor Luis Gutiérrez, quién realizó un análisis químico y microbiológico del agua de la zona, Gutiérrez señaló que las aguas superficiales actúan como recolectores de distintas sustancias, algunas se degradan en cuerpos de agua, pero otras se transportan sin modificar su estructura, generando un efecto contaminante que perjudica la salud pública.

Como elemento adicional sobre la salud pública, es necesario mencionar que dicha situación ocasionó en la Parroquia el Moralito la presencia de algunos niños con cierta tonalidad azul en su piel, esto posiblemente sea a causa de la alta presencia de nitrato (NO3-) en las aguas superficiales, ya que según Gutiérrez esos nitratos se reducen a nitritos (NO2-) por algunas bacterias presentes en el intestino y luego el nitrito se traslada a la sangre, transformando la hemoglobina en metahemoglobina perdiendo la sangre la capacidad de transportar oxígeno, por ello las personas con dicha patología tienden a tener la tonalidad azul en su piel por falta de oxígeno en la sangre.

Volatilización: los fertilizantes que contienen amonio (NH4+) se encuentra expuesto a la volatilización, factores como altas temperaturas, baja humedad relativa y pH alcalinos o básicos pueden ocasionar la volatilización del amonio (NH4+) en forma de amoniaco (NH3), en el caso de la urea CO(NH2)2 cuando se aplica al suelo y no se incorpora por medio de la labranza o aplicación de agua a través precipitaciones o riego, se incrementa el riesgo de volatilización en forma de NH3 , dicho evento ocurre cuando la urea entra en contacto con el agua del suelo, ya que comienza un proceso de hidrolización con la ayuda de la enzima ureasa que es producida por plantas, animales y microorganismos, actuando como catalizadora de dicho proceso.

En el momento que inicia la hidrólisis de la urea se forma un compuesto conocido como carbonato de amonio (NH4)2CO3), a medida que se genera dicho compuesto se va incrementando el pH alrededor del gránulo de fertilizante, alcanzado muchas veces valores superiores a ocho (08), acción que favorece la volatilización del amonio (NH4+) perdiéndose en forma de gas amoniaco (NH3), ya que a medida que aumenta el pH del suelo se incrementa la volatilización. En suelos inundados también ocurre lo antes señalado cuando se aplica urea, debido a que la hidrólisis de la misma aumentaría el pH del agua generando las condiciones ideales para la liberación de amoniaco.

Es necesario resaltar que la aceleración de la hidrolisis sucede en la superficie de los suelos por ser la zona donde existe mayor actividad de la enzima ureasa que cataliza la hidrólisis de urea, disminuyendo su acción en la zonas más profundad del suelo, por ello la humedad del suelo tiene un rol importante, debido a que la urea se mueve libremente con el agua pudiendo llegar al interior del suelo.

Otra manera óptima de incorporarla en el suelo sería con métodos de labranza (arado, rastra), en caso de no implementar algún método de labranza por no contar con la maquinaria e implementos necesarios, se recomienda aplicarla en bandas superficiales de manera concentrada es decir en hileras a lo largo del cultivo concentrando gran cantidad del fertilizante, esto con el objetivo de minimizar la volatilización, ya que concentrando la urea en las bandas estaríamos excediendo la capacidad del suelo para hidrolizarla por completo, permitiendo más tiempo para que el elemento nitrogenado logre incorporarse al interior del suelo donde no podrá ser volatizado.

Por otra parte se recomienda a los productores no aplicar urea donde se encuentre acumulados altos contenidos de residuos vegetales, por la alta actividad de la enzima ureasa en dichos residuos, además de no permitir el contacto directo con el suelo, por todo esto se hace necesario conocer que tipo de elemento nitrogenado aplicar con los fertilizantes, ya que fertilizantes como el nitrato de amonio o el sulfato de amonio no tienen pérdidas significativas por volatilización.

Inmovilización: los microorganismos del suelo utilizan el nitrógeno mineral (NH4+, NO3-) para alimentarse, cuando la materia orgánica presenta excesos de carbono y bajo contenido de nitrógeno lo microorganismos toman el nitrógeno del suelo y según Urbano (2008), lo transforman en nuevas proteínas (neoproteinización), para que no ocurra dicho evento debe existir una relación carbono-nitrógeno por debajo de 30:1, si supera dicho valor es porque existe un exceso de carbono en la materia orgánica (hojas generalmente) presente en suelo, por lo tanto los microorganismos tomarán el nitrógeno inorgánico del suelo para alimentarse y lo transformaran temporalmente en nitrógeno orgánico que no puede ser absorbido por la planta, creando una competencia con el cultivo, dicho nitrógeno regresará al suelo luego de la muerte de los microorganismos y la posterior mineralización del mismo.

Desnitrificación: es la reducción de nitrato (NO3-) a la forma de nitrógeno gaseoso dinitrógeno (N2), realizado por bacterias de los géneros Pseudomonas, Bacillus, Micrococcus entre otras, según Bravo (2000), el proceso se produce en condiciones de escasez de oxígeno (O2), como suelos encharcados donde todos los poros se encuentran saturados de agua y las bacterias aeróbicas comienzan a consumir el poco oxígeno presentes en componentes como el NO3- hasta que desaparece quedando disponible N2 que es difundido desde la atmósfera del suelo a la exterior.

En la agricultura el nitrógeno es fundamental en los procesos metabólicos de las plantas, en el sector ganadero es muy utilizado, ya que los bovinos consumen grandes cantidades de biomasa generada por los pastos, dicha biomasa se incrementa con el aporte de nitrógeno por ser este un elemento que estimula el crecimiento de los mismos al igual que otras plantas.

Por otra parte, se debe hacer énfasis en señalar que el principal reservorio de nitrógeno es la atmósfera, presentado dicho elemento en forma de N2 dinitrógeno y para poder ser asimilable por la planta debe ser convertido en formas asimilables (NO3- , NH4+). Desde el punto de vista biológico el nitrógeno atmosférico se encuentra en equilibrio con el nitrógeno fijado en el suelo, es decir que a medida que el nitrógeno gaseoso es convertido en el suelo a formas asimilables, este mismo se repone por algunos procesos químicos y microbiológicos como por ejemplo la desnitrificación, por ello se conoce como ciclo gaseoso debido a que el nutriente circula principalmente entre la atmósfera y los organismos del suelo.

Existen distintas formas de fijación del nitrógeno al suelo, entre ellas se encuentran la fijación simbiótica, fijación no simbiótica y fijación abiótica, luego que ese nitrógeno es fijado, atraviesa por un proceso conocido como mineralización donde es transformado en nitrógeno asimilable por la planta, a continuación se muestra la esquematización del ciclo del nitrógeno y sus procesos.

En la esquematización presentada en la imagen 5, se puede observar en primer lugar las distintas formas de fijación de nitrógeno al suelo, allí se hace visible la materia orgánica que es primordial en los agroecosistemas para la fijación no simbiótica del nitrógeno esta fijación es realizada por microorganismos que descomponen la materia orgánica mineralizando el nitrógeno llevándolo a formas asimilables por las plantas, dentro de los microorganismos no simbióticos que realizan la fijación se encuentran algunas bacterias del género Azotobacter, Clostridium, entre otras, para que dicho proceso se realice adecuadamente dependerá de ciertos factores como: temperatura, humedad, pH del suelo y el contenido en los residuos de elementos de difícil descomposición como la lignina.

También se puede observar en la imagen otra forma de fijación de nitrógeno conocida como fijación simbiótica realizada por bacterias de los géneros Rhizobium, Bradyrhizobium, Azotobacter entre otras, los dos primeros géneros de bacterias invaden las raíces de las leguminosas formando nódulos, cuanto más cantidad de nódulos y mayor tamaño tengan más alta será la nitrofijación, las bacterias y las leguminosas realizan una simbiosis mutualista donde ambas salen beneficiadas, las bacterias aporta nitrógeno al ecosistema y la planta carbohidratos que sirven como fuente de energía para las bacterias.

Otra forma de fijar el nitrógeno es conocida como fijación abiótica representada en la imagen por la lluvia, ya que según Bravo (2000), una pequeña cantidad de nitrógeno puede ser fijada por un proceso provocado por las tormentas eléctricas, donde se sintetizan óxidos de nitrógeno a partir de (N2) y el (O2), siendo trasladado al suelo por la lluvia.

En el proceso anterior se hizo referencia sobre las distintas vías de fijación de nitrógeno al suelo, el nitrógeno fijado no es asimilable por las plantas, para ello debe someterse a un proceso de mineralización realizado por los microorganismos del suelo, este proceso consta de distintas etapas que se detallaran a continuación:

*Aminización: definida por Fitzpatrick (1996), como la descomposición de las proteínas de la materia orgánica por la acción de bacterias y hongos produciendo aminas y aminoácidos.

*Amonificación: en esta etapa las aminas y los aminoácidos formados en la etapa anterior, son utilizados por microorganismos principalmente por bacterias de los géneros Achromobacter, Bacillus, Clostridium, entre otros, además de hongos para producir amonio (NH4+), este amonio puede tomar diferentes vías: puede ser utilizado por las plantas y microorganismos, utilizado en el suelo como catión intercambiable, pasar por el proceso de nitrificación o perderse por volatilización.

*Nitrificación: Consiste en un proceso de oxidación del amonio (NH4+) a nitrato (NO3-) atravesando por dos procesos:

a). Nitrosación: en este proceso intervienen bacterias del género Nitrosomas, liberando iones de hidrógeno formando distintos compuesto entre ellos nitritos (NO2-).

b). Nitratación: el nitrógeno obtenido en la nitrosación se oxida a nítrico con la intervención de las bacterias del género Nitrobacter obteniendo el nitrato (NO3-), el cual pasa a la solución del suelo donde será absorbido por las plantas y microorganismos o en su defecto se perderá por lixiviación o desnitrificación reduciendo el nitrato a nitrógeno gaseoso que regresará a la atmósfera para completar el ciclo.

Conocer los procesos por el cual atraviesa el nitrógeno, es una herramienta para el técnico y productor agropecuario en el manejo de los ecosistemas productivos, los aspectos biológicos mencionados nos permite utilizar los insumos agrícolas de la manera correcta sean orgánicos e inorgánicos, por ejemplo si utilizamos materia orgánica debemos conocer la composición del material para su fácil transformación.

Por otra parte si utilizamos fertilizantes nitrogenados inorgánicos como la urea se debe tener en cuenta que se puede volatizar rápidamente si su método de aplicación no es el adecuado, también la utilización de leguminosas forrajeras que han sido estudiadas en distintos artículos demostrando que es una planta multifuncional que puede fijar el nitrógeno necesario en los ecosistemas ganaderos y la muy promocionada biodiversidad funcional representada por los microorganismos del suelo capaces de mineralizar los residuos orgánicos.

Amigo lector, en conclusión el ciclo del nitrógeno y su interacción atmósfera- suelo permite seleccionar estrategias adecuadas para el manejo del nitrógeno en los sistemas agropecuarios, tratando de mantener los niveles de dicho elemento y evitar sus pérdidas por volatilización, lixiviación y desnitrificación por suelos inundados, además de ello nos permite concienciarnos en cuanto al uso indiscriminado de fertilizantes nitrogenados que pueden causar problemas de salud pública, en los sectores aledaños a las unidades de producción.

En la próxima publicación se abordaran aspectos relacionados a los tipos de fertilizantes, sus formas de aplicación además de socializar un ensayo experimental donde se compara la fertilización orgánica y la inorgánica, saludos para todos!

Bravo, S. (2000). Química de suelos. Barinas: Consejo editorial UNELLEZ.

FitzPatrick, E. (1996). Introducción a la ciencia de los suelos. México D.F: TRILLAS.

Guerrero, J. (1994). Abonos orgánicos tecnología para el manejo ecológico de los suelos Lima: DANAC.

Instituto de ciencia animal. (2006). Fisiología, producción de biomasa y sistemas silvopastoriles en pastos tropicales: instituto de ciencia animal.

Urbano, P. (2002). Fitotecnia Ingeniería de la producción vegetal. Madrid: Mundi-prensa.