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AGRO 4037 –Fertilidad de Suelos y Abonos

2 - Principios básicos de relaciones suelo-planta

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2 - Principios de relaciones suelo-planta

2-1 Crecimiento de las plantas y concepto de rendimiento2-1.1 Crecimiento de las plantas y rendimiento de cosechas2-1.2 Ley de mínimo (Sprengel-Liebeg)2-1.3 Curva de incrementos decrecientes (Mitscherlich)

2-2 Factores limitantes al crecimiento o rendimiento2-2.1 Factores climáticos2-2.2 Factores del cultivo2-2.3 Factores del suelo

2-3 Elementos esenciales2-3.1 Criterio para que un nutriente sea esencial2-3.2 Nutrientes específicos2-3.3 Concentración de nutrientes en la planta2-3-4 Extracción de nutrientes

2-4 Movimiento de nutrientes de suelo a la raíz2-4.1 Intercepción radical2-4.2 Flujo de masas2-4.3 Difusión2-4.4 Capacidad amortiguadora

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2 - Principios de relaciones suelo-planta (cont.)

2-5 Funciones de los nutrientes2-6 Síntomas de deficiencias nutricionales

Ver separata “Objetivos de Aprendizaje” para los detalles

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2-1.1 Crecimiento de las plantas

• Los cambios que experimenta la planta a través del tiempo son cuantitativos (medidas agronómicas)

• Estas usualmente guardan relación con el rendimiento • Crecimiento de la planta está cuantitativamente

relacionado a factores externos e internos• La forma, biomasa, producto (grano, fruta, etc..) que

adquiere una planta a lo largo de la diferentes etapas se debe a: características genéticas, interacción entre factores genéticos y ambientales y disponibilidad adecuada de nutrientes

• Conocer patrones de crecimiento ayudan a identificar el momento de mayor necesidad nutricional y a diagnosticar potenciales problemas

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Planta “anual”

a. Fase inicialb. Fase rápido crecimientoc. Tasa de crecimiento disminuyed. Madurez, crecimiento termina

a

b

dc

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Planta “perenne”

Tiempo

Bio

mas

a

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Concepto de rendimiento de cosechas

• Forrajeras• Raíces y tuberculos• Granos• Frutales• Vegetales y hortalizas

¿Cuáles son rendimientos óptimos para cada cosecha?¿Qué se puede utilizar como indicator agronómico de renidmiento?

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Importancia del manejo agronómico para maximizar rendimientos

• Con el incremento en la población mundial y mejoría en el estandar de vida, es necesario satisfacer la creciente demanda de alimentos

• Sin la intervención del hombre las plantas crecen y producen pero usualmente con bajos rendimientos.

• Para alcanzar o tratar de obtener los máximos rendimientos, se modifican las condiciones físicas y químicas de los suelos, se cambian los patrones de cultivo y se utilizan los datos climáticos

• Todo lo que hace el hombre dentro de un sistema de producción agrícola para aumentar los rendimientos y reducir los efectos perjudiciales del clima se conoce como manejo agronómico

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2-1.2 Sprengel-Liebeg, Ley del mínimo• Crecimiento (rendimiento) de la planta está limitado por el factor

(nutriente) disponible al mas bajo nivel relativo

• El nutriente que esté por debajo del nivel crítico mínimo será el que limita el crecimiento

• Por lo tanto es importante identificar y ordenar los factores limitantes al desarrollo de la planta para poder resolver problemas nutricionales

• Aplicabilidad: Identificar cual es el nutriente limitante

Ejemplos

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2-1.3 Mitscherlich – Curva de incrementos decrecientes

• El incremento de un factor casi nunca ocasiona una respuesta lineal. Se observa una curva de respuesta del tipo exponencial.

• El concepto es importante porque evalúa la producción en base al aumento de un factor y sirve para identificar la cantidad óptima del factor limitante con lo que se logran los mayores rendimientos agronómicos.

• La base matemática de estos enfoques son empleadas estadísticamente para el establecimiento de las dosis adecuadas de fertilización para los cultivos.

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A = rendimiento máximo posible que se obtiene suministrando todos los factores de crecimientos bajo condiciones óptimas.y = rendimiento obtenido después de que una cantidad de x haya sido suministradax = incremento del factor de crecimientoC = constante que depende del cultivo y de condiciones climáticas

Y = A(1-10-cx)y/x = (A - y)*C

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Ejemplos de distintos modelos para determinar la dósis óptima de aplicación de nutrientes

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2-2 Factores limitantes al crecimiento o rendimiento2-2.1 Factores climáticos

• Temperatura – afecta fotosíntesis, transpiración, actividad enzimática, actividad microbiana, tasa de absorción de agua y nutrimentos

• Radiación solar - duración del día, tasa de fotosíntesis, respiración, absorción activa de iones

• Precipitación (humedad) - funciones metabólicas de la planta, actividad microbiana del suelo, movimiento y aborción de nutrientes

• Composición del aire - oxigeno, concentración de CO2, ozono

¿Como se pueden manejar cada uno de estos?

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2-2.2 Factores de cultivo

• Especie

• Variedad de cultivo (Ver. Capitulo 10, p. 362)

• Arquitectura de la planta/raíz

• Resistencia a enfermedades y plagas (insectos, enfermedades, yerbajos)

¿Como se pueden manejar cada uno de estos?

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2-2.3 Factores del suelo

• Reacción del suelo (pH )

• Capacidad de intercambio catiónico

• Disponibilidad de nutrientes

• Materia orgánica

• Humedad del suelo

• Textura y estructura del suelo

• Labranza

• Drenaje

¿Como se pueden manejar cada uno de estos?

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2-2.4 Interacción entre los factores de crecimiento (cap 11, p. 418)

• Interacción negativa – Respuesta al factor A y al factor B combinado es menor que cuando se aplica por separado

• Cero interacción – Respuesta al factor A y al factor B combinado es aditivo

• Positiva interacción – Respuesta al factor A y al factor B es mayor que la suma de los dos factores

18Intensidad de luz

Fo

tosí

nte

sis

Cultivo

Nivel de N (kg/ha)

Ren

dim

ien

to (

kg/h

a)

Temperatura

Nivel de N (kg/ha)

Ren

dim

ien

to (

kg/h

a)

Disponibilidad de agua

Nivel de N (kg/ha)

Ren

dim

ien

to (

kg/h

a)

Genética

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2-3 Elementos esenciales

• Se han encontrado aprox. 60 elementos en tejido de plantas • Plantas absorben cualquier elemento presente en la

solución del suelo • La utilización depende de (i) presencia del nutriente en

solución (ii) competencia iónica por puntos de absorción (iii) especie iónica

• La utilización no está determinado por la necesidad de la planta

• Contenido total del nutriente no indica necesidad

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2-3.1 Criterio para que un nutriente sea esencial

• Planta no puede completar ciclo de vida sin el nutriente• Nutriente ‘elemento’ es parte de una molécula envuelta

en algún proceso metabólico o partipa directamente en reacciones bioquímicas.

• Por lo tanto:• su ausencia reduce drásticamente el crecimiento• su ausencia produce síntomas visuales• los síntomas son superables con el suministro del

nutrimento

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Descubrimiento de elementos y de su esencialidad en las plantas. Adaptado de J. Cepeda, 2010

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Elemento Descubridor Año Esencialidad AñoC De Saussure 1804H Cavendish 1776 De Saussure 1804O Priestley 1774 De Saussure 1804N Rutherford 1772 De Saussure 1804P Brand 1772 Vile 1860K Davy 1807 von Sachs, Know 1860Ca Davy 1808 von Sachs, Know 1860Mg Davy 1808 von Sachs, Know 1860S von Sachs, Know 1865Fe von Sachs, Know 1860Mn Scheele 1774 McHargue 1922Zn Sommer y Lipman 1926Cu Sommer y Lipman 1931B Davy/Gay Lussac 1808 Sommer y Lipman 1926Cl Scheele 1774 Stout 1954Mo Hezlm 1782 Arnon y Stout 1939

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2-3.2 Nutrientes específicos

• Se clasifican a base de la cantidad relativa absorbida por las plantas. Existen 16 elementos esenciales (ver Cuadro 1.8, p. 12 en Havlin et al., 2005)

• No minerales– C, H, O

• Macronutrientes - poseen un alto umbral de toxicidad– primarios - N, P, K– secundarios - Ca, Mg, S

• Micronutrientes – poseen bajo umbral de toxicidad– Fe, Mn, Zn, Cu, B, Cl, Mo

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• Generalmente los nutrimentos primarios son los primeros en ser deficientes en el suelo; plantas usan cantidades relativamente altas de estos.

• Los secundarios y los micronutrimentos son en general menos deficientes en el suelo; plantas los utilizan en pequeñas cantidades. No quiere decir que sean menos importante.

• Otros elementos pueden sustituir parcialmente (ser beneficioso parcialmente), pero no son clasificados formalmente como esenciales.• Na – esencial en plantas halofíticas• Ni - esencial para algunas plantas• Co - requerido en leguminosas si NO3

- es única fuente

• Si - arroz, cereales • Sr - puede sustituir parcialmente por Ca2+

• Va - algas verdes, algas verde-azules

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Otros nutrientes:

• Esenciales para animales pero no para plantas - I, F, Se, Co, Na

• Esenciales para plantas pero no animales - B• Abundante en plantas pero no esenciales - Al, Si, Na

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2-3.3 Concentración de nutrientes en la planta

1. Deficiente - [ ] es tan baja que el rendimiento está severamente reducido. Síntomas de deficiencia se observan claramente

2. Insuficiente - [ ] está por debajo del requerido para obtener un rendimiento óptimo, pero no necesariamente se observan síntomas visuales

3. Nivel critico - [ ] por debajo del cual ocurre deficiencia4. Toxicidad y/o competencia - [ ] es suficientemente alta para causar

daño en la planta

Ren

dim

ien

to

Consumo superfluo

Nivel de aplicación (kg K2O/ha)

Con

cen

trac

ión

de

K

Cre

cim

ien

to ó

ren

dim

ien

to

[ ] elemento en materia seca

1

2

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2-3.4 Extracción de nutrientes

0

20

40

60

80

100

120

140

2 3 4 5 6 7 8 9Months after planting

Nitr

ogen

(kg

/ha)

Leaves - NVines - NTuber - N

020406080

100120140160180200220240260

2 3 4 5 6 7 8 9Months after planting

Nut

rien

t upt

ake

(kg/

ha)

NitrogenPotassiumCalciumMagnesium

A B

Extracción de N en componentes del ñame (A) y de N, P, Ca, Mg en toda la planta (B) (modificado de Irizarry et al., 1985)

• Distinguir entre extracción de nutrientes en la totalidad de la planta y sus componentes

• Remoción en fruto o grano

• Extracción en material vegetativo

• Utilizar las unidades apropiadas

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Ejemplo, extracción de nutrientes

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Yield N P K

Common name Species (variety) lb/ac/yr -------------lb/ac/yr----------------

All forages(mean) 23,423 292 48 376

Cassava Manihot utilissima 12,543 50 16 79

Tanier Xanthosoma spp. (Kelly) 10,083 129 36 196

TanierXanthosoma spp (Blanca) 147 68 519

TanierXanthosoma spp (Morada) 111 13 139

Yam Dioscorea spp. 28,288 105 17 143

Yam D. alata (Florido) 52,359 191 17 199

Yam D. rotundata (Guineo) 45,976 169 22 192

Common Bean Phaseolus vulgaris 891 90 16 179

Cucumber Cucumis sativus 13,365 42 12 58

Lettuce Lactuta sativa 95 12 170

Onion Allium cepa L. 145 25 155

Pepper Capsicum annum 140 12 140

Potato Solanum tuberosum 210 30 275

Sweet corn Zea mays 155 20 105

Sweet potato Ipomea batatas 140 20 200

Tomato Lycopersicon esculentum 180 21 280

Sugar Cane Sacharum officinarum 94 23 185

Banana Musa acuminata 214 40 659

Plantain Musa balbicinia 192 37 546

Pineapple Anana comosus 300 50 250

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2-4 Movimiento de nutrimentos en suelo hacia la raíz de la planta

Prinicipios básicos• Existe neutralidad eléctrica en la solución del suelo• Cada ión responde a cambios en su propia

concentración en el suelo• Iones se mueven en solución de alta a menor

concentración, respondiendo a un gradiente

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2-4.1 Intercepción radical

• Raíces crecen hasta llegar a los nutrientes en suelo (mayormente intercambiable)

• Raíces poseen puntos de carga (CIC, asociado a grupos funcionales RCOO-)

• Selección iónica en plantas mono- y dico-tiledoneas• Puntos de carga retienen iones• Volúmenes de oscilación de los iones se solapan y

cationes intercambian posiciones sin entrar en solución.

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• Cantidad de iones interceptado por la planta depende de:

• masa o volumen radicular y cantidad de iones disponibles en el suelo• Contacto máximo ocurre cuando volumen radical es

igual al volumen del suelo• Volumen radical es aprox. 1-3 % del volumen del

suelo. Por lo tanto las raíces crecen a través del 2 % del volumen del suelo, encuentran 2 % de los nutrientes

• Importancia de micorrizas para aumentar el volumen radicular

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2-4.2 Flujo de masas

• Nutrientes disueltos en la solución del suelo son transportados a la raíz por el flujo de agua que ocurre debido a la utilización de agua por la planta durante transpiración.

• Es proporcional al flujo del volumen de agua a través de la raíz

• Factores que influyen sobre las cantidades de nutrientes que se utilizan:

1. Tasa de transpiración2. Concentración de nutrimentos en el agua3. Tasa de restitución del nutrimento (fase sólida,

MO, adsorbído)

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2-4.3 Difusión• Se debe al movimiento de nutrientes en la solución del

suelo en respuesta a un gradiente en concentración.• Factores:

• concentración de nutrientes en la solución• capacidad del suelo de reponer nutrimentos• Las distancias afectadas por este fenómeno son

pequeñas: P = 0.01 cm/dia; K = 0.09 cm/dia; NO3- = 0.3

cm/dia • Ecuación que describe el proceso (Primera ley de Fick):

dC/dt = De*A*dC/ dx

• dC/dt = dQ = tasa de difusión (cambio en concentración con tiempo) (g/cm3/s)

• De = coeficiente efectivo de difusión (cm2/s)• dC/dx = gradiente de concentración (cambio en

concentración con distancia) (g/cm3 cm)

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Tasa de difusión es proporcional a :– magnitud en el gradiente de concentración– coeficiente efectivo (De) de difusión

donde De de difusión se define como:De = Dw v 1/T 1/by es:

• proporcional a coeficiente de difusión en agua (Dw)• proporcional a humedad (v)• inversamente proporcional a tortuosidad (T)

(función de humedad y textura)• inversamente proporcional a capacidad

amortiguadora (b)

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v

dC

/dt

franco arenoso

arcillo-limoso

Distancia de la raiz

P e

n s

olu

ció

n

1 hr 8 hr 1d

40

• Relación entre variables en la ecuación:

– aumenta v , dC/dt aumenta

– disminuye b, dC/dt aumenta

– aumenta dC, dC/dt aumenta

• Capacidad amortiguadora (b) del suelo – capacidad del suelo para resistir cambio

b = Padsorbido / Psolución

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2-4.4 Capacidad amortiguadora del suelo

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Ejemplo

P solución

P a

dsor

bido

arcilla

limo

P añadido

P s

oluc

ión

arcilla

limo

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***Importancia de los procesos de difusión y capacidad amortiguadora del suelo***

• Manejo de fertilizante

• Colocación de fertilizante cerca de la raíz

• Colocación de fertilizante donde humedad del suelo es mayor

• Mayor tasa en suelo con capacidad amortiguadora baja

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Magnitud relativa de los tres procesos

Ejemplo de movimiento de nutrimentos a la raíz. Nutrimento (elemento)

Cantidad disponible

Cantidad requerida1

Intercepcion2 Flujo masas4 Difusion5

ppm (mg/L)

--------------------------------kg/ha----------------------------

N 40 200 240 4 (1.7)3 200 (83) 36 (15) P 0.5 100 43 2 (4.7) 2.5 (6) 38.5 (90) K 4 1000 200 20 (10) 20 (10) 160 (80) Ca 30 4000 55 80 (145) 150 (270) - Mg 25 1200 40 24 (60) 125 (312) - 1. Utilización por el cultivo (240 bu/a maíz) 2. (Cantidad disponible) x (volumen radical = 2%) 3. Porciento obtenido en paréntesis 4. Tasa de transpiración varia con el cultivo, con un rendimiento de 10,000 kg m.s./ha,

asumir 500 kg H2O / kg m.s. = 5 x 106 kg H2O / ha 5. Difusión = Cantidad requerida - (Flujo de masas + Intercepción)

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Resumen

La importancia relativa de estos tres mecanismos depende de muchos factores, entre ellos:

• Concentración del nutrimento en la solución del suelo

• Cinetica de absorción del nutrimento a la raíz

• Cinetica de desorción

• Tasa de transpiración y/o disponibilidad de agua