Ciclo del Carbono

Prof. Hernán Echeverría

Ciclo biológico del C

Fase

liquida; 25

Fase

Gaseosa;

Fraccion

Mineral; 45

MO; 5

La MO es como una represa

que genera energía

Residuos

orgánicos

MOCO2

H2O

Nutrientes

Janzen, 2006

Funciones de la MO del suelo

• Provee gran parte de la CIC

• Contribuye al almacenamiento del agua

• Contribuye a la formación y estabilización

de agregados

• Reservorio y fuente de nutrientes

• Fuente de energía para organismos

• Provee compuestos estimuladores del

crecimiento vegetal

Pg = 1015g

Composición de materiales vegetales. Principales compuestos

orgánicos (izquierda), y composición elemental (derecha). Las cenizas

incluyen los elementos constitutivos diferentes de C, O e H (N, S, Ca,

etc.).

Tasa de Descomposición

de Compuestos Orgánicos

Azúcares, almidones y proteínas simples Descomposición Rápida.

Proteína cruda.

Hemicelulosa.

Celulosa.

Grasas, ceras y afines.

Ligninas y compuestos fenólicos Descomposición muy lenta

Descomposición de los Compuestos Orgánicos en

Suelos Aeróbicos.

• Los compuestos carbonados son oxidados enzimáticamente para

producir CO2, agua, energía y biomasa descomponedora.

• R—(C, 4H) + 2 O2 CO2 + 2 H2O + energía (478 KJ mol-1 C)

• Los nutrientes esenciales, tales como N, P y S, son liberados y/o

inmovilizados por una serie de reacciones específicas que son

relativamente únicas para cada elemento.

• Se forman compuestos muy resistentes a la acción microbiana, a

través de modificación de los compuestos en los tejidos originales o

por síntesis microbiana.

Lignina: molécula grande y compleja, constituida por

cientos de subunidades fenólicas cíclicas interconectadas.

Muchas de las cuales son estructuras del tipo fenilpropano

con varios grupos metoxilados en su estructura (aquí se

muestran como R ó R’).

HO

R

CH CH

CH CH CH CH CH2O

HOCH CH

R’

Diagrama de los

cambios que

ocurren cuando

se incorporan al

suelo residuos

vegetales frescos

Descomposición en Suelos Anaeróbicos

Oxidación parcial, desarrollo de organismos anaeróbicos o

aeróbicos facultativos. Los productos son ác. orgánicos,

alcohol y metano.

4C2H5COOH + 2H2O 4CH3COOH + CO2

Acetato+ 3CH4

Propionato Metano

CH3COOH CO2 + CH4

CO2 + 4H2 Bacterias 2 2 H2O + CH4

Bacteria

Bacteria

Bacterias

FACTORES QUE CONTROLAN LA TASA DE

DESCOMPOSICION Y MINERALIZACION

• Condiciones ambientales del suelo: pH cercano

a la neutralidad, adecuada humedad y aireación

(60% EPLLA), temperatura media (25-35ºC).

• Calidad de los residuos: condición física

(incorporado o en superficie, tamaño de

partícula), relación C/N, contenido de lignina y

de polifenoles.

Tabla 12.2 Contenidos típicos de Carbono y Nitrógeno y relación C/N de algunos materiales orgánicos

comúnmente asociados con los suelos. (Datos calculados de varias fuentes)

Material orgánico % C % N C/NAserrín de pino 50 0.05 600

Aserrín de madera dura 46 0.1 400

Paja de trigo 38 0.5 80

Pasta de papel 54 0.9 61

Stover de maiz 40 0.7 57

Paja de caña de azúcar 40 0.8 50

Cultivo de cebada en antesis 40 1.1 37

Pastura fertilizada 37 1.2 31

Cultivo de cebada, estado vegetativo 40 1.5 26

Heno de alfalfa madura 40 1.8 25

Estiercol de ave en putrición 41 2.1 20

Compost doméstico 30 2.0 15

Heno de alfalfa joven 40 3.0 13

Cultivo de arveja 40 3.5 11

Lodo cloacal municipal 31 4.5 7

Microorganismos del suelo

Bacterias 50 10.0 5

Actinomicetes 50 8.5 6

Hongos 50 5.0 10

Materia orgánica del suelo

Horizonte O de un Spodosol 50 0.5 90

Mantillo de bosque tropical 50 2.0 25

Horizonte Ap de un Molisol 56 4.9 11

Horizonte A1 de un Ultisol 52 2.3 23

Horizonte B promedio 46 5.1 9

• Relación C/N microbiano promedio = 8/1

• 2/3 del C metabolizado evoluciona como CO2 y

1/3 es asimilado

• Relación C/N = 24 implica equilibrio entre la

demanada de los organismos para crecer y lo

que aportan los residuos

• Relación C/N > 24/1 implica que deberán tomar

N del suelo (C les sobra). Si no hay N en el

suelo, la descomposición de residuos se frena.

• Relación C/N < 24/1 implica liberar N al suelo

Tasa de descomposición de cultivos de cobertura con

relación C/N variable

Ejemplo cuantitativo de

la degradación de

residuos vegetales

ilustrando los destinos

del C y N y las

consecuencias sobre la

descomposición y la

disponibilidad de N en el

suelo. Note que si una

adecuada cantidad de N

disponible es adicionada,

el potencial de creación

de humus se incrementa.

Se aportan 8000 kg/ha de residuos secos con una concentración de 42% C y 0,65% N.

La relación C/N = 42/0,65 = 65/1

Sin N disponible

Con 52 kg N los organismos

pueden asimilar 52x8=416

kg C y respirar 832 kg C, o

sea consumieron 1248 kg C.

Los restantes 2112 kg de C

se degradará cuando la

biomasa muera y el N se

recicle

2/3 del C de

los restos es

emitido como

CO2

Con N disponible

1/3 del C es asimilado por los

organismos (3360/3=1120 C).

Como la relación C/N es 8, se

necesitan 140 kg N (1120/8).

Como en los restos hay 52,

los restantes 88 kg N son

tomados del suelo

A) C/N de los

residuos > 25,

los microbios

digieren los

residuos

inmovilizando el

N del suelo. Las

plantas compiten

con los

microorganismos

por el N. B)

C/N<25 menor

inmovilización

Tabla 12.4 Calidad del rastrojo de varios tipos de residuos vegetales en relación al contenido de Lignina,

polifenoles y relación C/N.Restos de poda (hojas y pequeños tallos) de tres especies de árboles agroforestales comunes y los

residuos de cosecha de dos cultivos de cereales fueron aplicados a una tasa de 5 Mg/ha de un Paleudult Oxico en una región tropical húmeda de Nigeria. Los bajos valores de C/N, Lignina y polifenoles contribuyen a una alta calidad del rastrojo y a una alta velocidad de descomposición. Los efectos inhibitorios del contenido de polifenoles pueden ser vistos por comparación de Gliricidia con Leucaena.

>20% de lignina y >3% de polifenoles lenta descomposición

Especie vegetal

Parte de la planta

%

lignina

%

polifenoles

C/N Constante de descomposición

, K/semana

Calidad del

mantilloGliricidia

sepiumRestos de poda 12 1.6 13 0.255 Alta

Leucaena

leucocephalaRestos de poda 13 5.0 13 0.166 Media-alta

Oriza sativa Paja 5 0.6 42 0.124 Media

Zea mays Paja 7 0.6 43 0.118 Media

Dactyladenis

barteriRestos de poda 47 4.1 28 0.011 Baja

Liberación de N desde residuos orgánicos de diferente calidad según

la relación C/N y los contenidos de lignina y polifenoles.

Más de 20% de lignina, 3% de polifenoles y 30 de relación C/N

deberían considerarse elevados en el contexto de este diagrama.

Componentes de la

MO del suelo.

Criterios físicos y

químicos. La

solubilidad en ácidos

y álcalis es un criterio

ampliamente usado

para agrupar

diferentes fracciones

del humus. Esquema

clásico de división del

humus en huminas,

ácidos fúlvicos y

ácidos húmicos.

Substancias no

húmicas son

polisacáridos,

poliurónidos y algo de

ác. orgánicos y

proteínas.

Destinos de 100

gramos de

residuos un año

después de que

fueron

incorporados al

suelo.

Cambios en las fracciones de la MO de un suelo (25 cm) por 40 años

de cultivo. Bajo vegetación natural contenía 91 Mg/ha de MO. La

resistente (fracción pasiva) pasó de 44 a 39 Mg/ha. La rápidamente

degradable (fracción activa) de 14 a 1,4 Mg/ha.

FRACCIONAMIENTO FÍSICO DE LA MO

Tamizado en seco o en húmedo de muestras de suelo

permite separar fracciones dediferente tamaño

A.- Fracción humificada, vieja o ligada a la fracción

mineral

< 0,054 mm C/N 10,7 a 14,8

B.- Fracción joven, más lábil y compuesta residuos en

descoposición y algo de MO humificada. De 0,05 a 0,15 mm

C/N 12,8 a 21.5

C.- MO de material grueso (MO grosera), proveniente de

residuos vegetales. >0,15mm C/N 19,4 a 27,1

La MO grosera es relativamente más lábil, mientras que la

asociada a la fracción de menor tamaño (As), es más

resistente al ataque microbiano.

La MO de tamaño entre 2 y 0,2 mm es definida como

MACRO (MOM)La MO de 0,2 a 0,05 es definida como PARTICULADA

(POM)

FRACCIONAMIENTO BIOLÓGICO

Diferentes criterios.

Fácilmente disponibles para la degradación

Moderadamente disponibles para la degradación

Lentamente disponibles para la degradación (recalcitrante)

MO activa

MO pasiva

Modelo conceptual

de las fracciones de

MO del suelo (SOM).

Los modelos que

incorporan las

fracciones activa,

pasiva y lenta han

demostrado ser

útiles para explicar

cambios en los

niveles de MO. Note

que la acción

microbiana puede

transferir C orgánico

desde un pool a otro.

Todos los cambios

metabólicos resultan

en pérdidas de CO2.

Practicas que favorecen las ganancias o

pérdidas de MO del suelo

• Ganancias– Abonos verdes o cultivos en

cobertura

– Laboreo conservacionista

– Incorporación de residuos vegetales

– Bajas temperaturas y sombreo

– Pastoreo controlado

– Alta humedad de suelo

– Cobertura de superficie

– Aplicación de compost u abonos orgánicos

– Fertilización adecuada

– Alta productividad vegetal

– Cultivo de alta relación raíz:parte aérea

• Pérdidas– Erosión

– Laboreo intensivo

– Remoción de restos de cosecha

– Altas temperaturas y exposición al sol

– Sobrepastoreo

– Baja humedad de suelo

– Fuego

– Aplicación solo de materiales inorgánicos

– Exceso de N mineral

– Baja productividad vegetal

– Baja relación raíz:parte aérea

80

a 60)h/t (n o 40bra C

20 y = -6,4 Ln(x) + 70

R2

= 0,71

0

0 30 60 90 120

Years under cropping

80

)a 60h/t (on o 40braC

20 y = -6,4 Ln(x) + 70

R2

= 0,71

0

0 30 60 90 120

Años de agricultura

80

a 60)h/t (n o 40bra C

20 y = -6,4 Ln(x) + 70

R2

= 0,71

0

0 30 60 90 120

Years under cropping

y = -6,4 Ln(x) + 70

R2

= 0,71

0

20

80

60

40

0 30 60 90

Años de agricultura

120

Carb

on

o(t

/ha)

Alvarez y Steinbach (2006) a partir de Andriulo y Cordone (1998)

Instituto de Suelos

INTA Castelar a fines

de los 70

En base a 19842

muestras. 2005-6

En elaboración

MO según las cartas de suelo de

INTA y actuales

COMPOST

• El compost (sustancia similar al humus) es creado, por mezclado, apilado u otras formas de almacenamiento de materiales orgánicos bajo condiciones conducentes a la descomposición aeróbica y conservación de nutrientes.

• Los procesos de descomposición y los organismos involucrados son similares a la formación del humus del suelo.

• Diferencia: la degradación se produce sobre la superficie del suelo, y concentrada de tal modo que genera calor considerable.

• El compost se puede utilizar como la cubierta protectora (mulch), como ingrediente en las mezclas para macetas, como acondicionador orgánico del suelo y como fertilizante de liberación lenta.

Cambios en la temperatura, relación C/N y contenido de MO durante

la producción de compost de residuos urbanos.

Los estadíos del compostado son: 1) mesofílico inicial; 2) termofílico y

3) mesofilico final o de curado.

Etapa de compostado

Áci

do

hú

mic

o(%

de

lam

ater

ia o

rgán

ica)

Relació

nC

:N

Tiempo de compostado (días)

C:N

Ácido húmico

Temperatura

Tem

per

atu

ra(%

C)

Ventajas de la fabricación del compost

Almacenamiento seguro de materiales orgánicos hasta su aplicación.

Por la pérdida de CO2 y del asentamiento, el volumen de materiales orgánicosdisminuye (30 a 50 %). Esto y la mayor uniformidad del material aumentanla facilidad de manejo

Para residuos con alta relación C/N inicial, un adecuado proceso de compostaje asegura que el período de depresión de nitratos ocurra en la pila, y no en el suelo, impidiendo la deficiencia de N en la planta.

La fabricación del compost puede reducir el impacto ambiental de residuos orgánicos de muy baja relación C/N (heces, fangos cloacales), mezclandolos con materiales de alta relación C/N (aserrín, hojas secas o residuos de poda).

Durante la etapa termófila en las pilas de compost se matarían a la mayoría de las semillas de malezas y organismos patógenos en unos pocos días.

La mayoría de los compuestos tóxicos de los desperdicios orgánicos (pesticidas, compuestos fitotóxicos naturales, etc.) son destruidos por el compostaje, o sea que este es un método de remediación biológico de la polución de residuos y suelos.

Algunos compost pueden inhibir las enfermedades del sistema radicular al favorecer la producción de antagonistas microbianos. Esto se ha observado en compost para plantas de jardinería en macetas.