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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 rendimiento 2-1.1 Crecimiento de las plantas y rendimiento de cosechas 2-1.2 Ley de mínimo (Sprengel-Liebeg) 2-1.3 Curva de incrementos decrecientes (Mitscherlich) 2-2 Factores limitantes al crecimiento o rendimiento 2-2.1 Factores climáticos 2-2.2 Factores del cultivo 2-2.3 Factores del suelo 2-3 Elementos esenciales 2-3.1 Criterio para que un nutriente sea esencial 2-3.2 Nutrientes específicos 2-3.3 Concentración de nutrientes en la planta 2-3-4 Extracción de nutrientes 2-4 Movimiento de nutrientes de suelo a la raíz 2-4.1 Intercepción radical 2-4.2 Flujo de masas 2-4.3 Difusión 2-4.4 Capacidad amortiguadora 2

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2 - Principios de relaciones suelo-planta (cont.) 2-5 Funciones de los nutrientes 2-6 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 4

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d c

Planta “anual”

b

a. b. c. d.

a

Fase inicial Fase rápido crecimiento Tasa de crecimiento disminuye Madurez, crecimiento termina

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Biomasa

Planta “perenne”

Tiempo

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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 8

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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

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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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Y = A(1-10-cx) y/x = (A - y)*C

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 suministrada x = incremento del factor de crecimiento C = constante que depende del cultivo y de condiciones climáticas

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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 rendimiento 2-2.1 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? 14

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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

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Temperatura

Rendimiento (kg/ha)

Rendimiento (kg/ha)

Disponibilidad de agua

Nivel de N (kg/ha)

Nivel de N (kg/ha)

Genética

Fotosíntesis

Rendimiento (kg/ha)

Cultivo

Intensidad de luz

Nivel de N (kg/ha)

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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 Elemento C H O N P K Ca Mg S Fe Mn Zn Cu B Cl Mo

Descubridor

Año

Cavendish Priestley Rutherford Brand Davy Davy Davy

1776 1774 1772 1772 1807 1808 1808

Scheele

1774

Davy/Gay Lussac Scheele Hezlm

1808 1774 1782

Esencialidad De Saussure De Saussure De Saussure De Saussure Vile von Sachs, Know von Sachs, Know von Sachs, Know von Sachs, Know von Sachs, Know McHargue Sommer y Lipman Sommer y Lipman Sommer y Lipman Stout Arnon y Stout

Año 1804 1804 1804 1804 1860 1860 1860 1860 1865 1860 1922 1926 1931 1926 1954 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 25

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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Consumo superfluo

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1 [ ] elemento en materia seca

Concentración de K

4 Rendimiento

Crecimiento ó rendimiento

2-3.3 Concentración de nutrientes en la planta

Nivel de aplicación (kg K2O/ha)

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 deficiencia 4. Toxicidad y/o competencia - [ ] es suficientemente alta para causar daño en la planta

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2-3.4 Extracción de nutrientes 140

A Leaves - N Vines - N Tuber - N

Nitrogen (kg/ha)

100 80 60 40 20 0 2

3

4

5 6 Months after planting

7

8

9

Nutrient uptake (kg/ha)

120

B

260 240 220 200 180 160 140 120 100 80 60 40 20 0

Nitrogen Potassium Calcium Magnesium

2

3

4

5 6 Months after planting

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9

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)

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• 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 Common name All forages(mean) Cassava Tanier Tanier Tanier Yam Yam Yam Common Bean Cucumber Lettuce Onion Pepper Potato Sweet corn Sweet potato Tomato Sugar Cane Banana Plantain Pineapple

Yield lb/ac/yr 23,423 Manihot utilissima 12,543 Xanthosoma spp. (Kelly) 10,083 Xanthosoma spp (Blanca) Xanthosoma spp (Morada) Dioscorea spp. 28,288 D. alata (Florido) 52,359 D. rotundata (Guineo) 45,976 Phaseolus vulgaris 891 Cucumis sativus 13,365 Lactuta sativa Allium cepa L. Capsicum annum Solanum tuberosum Zea mays Ipomea batatas Lycopersicon esculentum Sacharum officinarum Musa acuminata Musa balbicinia Anana comosus Species (variety)

N P K -------------lb/ac/yr---------------292 48 376 50 16 79 129 36 196 147

68

519

111 105 191 169 90 42 95 145 140 210 155 140 180 94 214 192 300

13 17 17 22 16 12 12 25 12 30 20 20 21 23 40 37 50

139 143 199 192 179 58 170 155 140 275 105 200 280 185 659 546 250

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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 transpiración 2. Concentración de nutrimentos en el agua 3. Tasa de restitución del nutrimento (fase sólida, MO, adsorbído) 35

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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/b y 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) 38

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1 hr

8 hr

1d

dC/dt

P en solución

franco arenoso

arcillo-limoso

v

Distancia de la raiz

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• 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 adsorbido

limo arcilla

arcilla limo

P solución

P añadido

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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 Cantidad Cantidad Intercepcion2 Flujo masas4 Difusion5 (elemento) disponible requerida1 ppm --------------------------------kg/ha---------------------------(mg/L) 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) 44

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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

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