Ciclo biogeoquimico del azufre en el suelo

CICLO DEL AZUFRE EN EL SUELOKlaudia ÁlvarezSuelos IIPolitécnico Colombiano JIC

Generalidades

•S, Ca y Mg son elementos secundarios.•S, Mg requerimiento similar < Ca•Reacciones del S en el suelo muy

similares a N, dominadas por fracción orgánica o microbial.

•Ca y Mg asociados con la fracción coloidal del suelo. Comportamiento similar al K.

S en el suelo• 13º elemento más abundante en la corteza

terrestre.• La fuente original de S en el suelo es el sulfuro (S2-)

de las rocas.• Meteorización de las rocas – oxidación de S2- a SO4

2-

• SO42- :

▫precipitado como sales de SO42- solubles e insolubles

en climas áridos o semiáridos▫Absorbido por organismos▫Reducido por organismos bajo condiciones

anaeróbicas a S2- S0

▫Drena al mar

S en el suelo

S presente en el suelo en forma orgánica e inorgánica:

•Solución (SO42- )

•Adsorbido (SO42- )

•Insoluble (SO42- )

•Compuestos inorgánicos de S reducido

Fracción fácilmente disponible

Suelos deficientes en SO42-

• En América tropical 756 millones ha deficientes en SO4

2- disponible

(51% del área total).

• En Colombia regiones con deficiencia de SO42- :

▫ Orinoquia▫ Amazonia▫ Cordilleras andinas

• En Colombia regiones con suficiencia de SO42- :

▫ Valles interandinos▫ Región caribe

Formas de S en las plantas

•Absorbido por raíces (SO42- ) casi 100%

•Poca cantidad como (SO2 )g -óxido de S-

absorbida por las hojas y utilizado dentro de las plantas. Altas concentraciones son tóxicas.

•Concentración de S en plantas:▫0.1 – 0.5%

•Incremento de S en las plantas:▫graminea< leguminosa< crucífera

Funciones del S

•Enlaces disulfuro (---S---S---):▫Entre cadenas de polipéptidos dentro de

las proteínas para que se plieguen.▫Para determinar la configuración y las

propiedades catalíticas o estructurales de las proteínas.

•Necesario para la síntesis de coenzima A:▫Oxidación y síntesis de ácidos grasos▫Síntesis de aas▫Oxidación de compuestos en Ciclo de Krebs

Funciones del S• Síntesis de aminoácidos como cistina, cisteína

y metionina (componentes esenciales de las proteínas)

• 90% del S en las plantas encontrado en aas• S importante en la nutrición animal• Forrajes que tienen deficiencia de S acumulan

N no proteico en forma de NH2 y NO3-

• Relación N/S 9:1 - 12:1 necesaria para uso efectivo de N por los microorganismos del rumen

Funciones del S

•S requerido para la síntesis de la clorofila (aunque no es un constituyente)

•Parte vital de ferredoxinas (transporte de e-):▫Proteínas del Fe-S en los cloroplastos▫Reducción de NO2

- y SO42-

▫Asimilación de N2 por FBN nódulo y libres

•Presente en compuestos volátiles – sabor y olor cebollas

Síntomas visuales de deficiencia•Similares a los de N

▫N- hojas viejas▫S- tejidos jóvenes

•Retardo en crecimiento de las plantas•Plantas uniformemente cloróticas•Tallos delgados

Síntomas visuales de deficiencia•Crucíferas (repollo, colza, canola)

▫Color rojizo envés de las hojas▫Dobladas hacia dentro (canola/colza)▫Color rojizo y púrpura haz y envés▫Hojas con superficies lisas y cóncavas▫Floración pálida▫Daño severo en semillas

Formas de S en el suelo

1. SO42- en la solución

2. SO42- adsorbido

3. SO42- precipitado con CaCO3 (CaCO3-

CaSO42-)

4. S inorgánico reducido (S2-, S0)5. S orgánico



•Difusión y flujo de masas•Nivel adecuado en el suelo: 6 -12 mg kg-1

•Colza, alfalfa requieren altas concentraciones

•La mayoría de los suelos tienen menos de 10% de S total como SO4

2- (excepto en áreas secas con acumulaciones de sales de SO4

2- )

Nutriente Intercepción radical (%)

Flujo masal(%)

Difusión(%)

Maíz/Alfisol (Barber, 1995)

N 1 79 20P 2 5 93K 2 18 80

Ca 29 71 0Mg 13 87 0S 2 98 0

Rango de concentración de algunos nutrientes en la solución del suelo

Nutriente Concentración solución (mM)

Citoplasma (mM)

NO3- 0.1-5.0 50-100

NH4+ 0.1-1.0 50-100

H2PO4- y HPO4

2- 0.001-0.05 0.1-0.5

K+ 0.1-1.0 100-200

Ca2+ 0.1-5.0 100-200

Mg2+ 0.1-2.5 100-200

SO42- 0.1-1.0 0.1-0.5

Parámetro Unidad InterpretaciónMuy baja Baja Media Alta Muy alta

P mg kg-1 < 5 5-15 15-30 30-45 > 45S mg kg-1 < 3 3-6 6-12 12-15 > 15Fe mg kg-1 < 10 10-25 25-50 50-100 > 100Mn mg kg-1 < 2.5 2.5-5 5-10 10-20 > 20Cu mg kg-1 < 0.5 0.5-1 1-3 3-5 > 5Zn mg kg-1 < 0.5 0.5-1.5 1.5-5 5-10 > 10B mg kg-1 < 0.2 0.2-0.5 0.5-1 1-1.5 > 1.5

Ca cmolc kg-1 <1 1-3 3-6 6-9 > 9

Mg cmolc kg-1 <0.5 0.5-1.5 1.5-2.5 2.5-3 > 3

K cmolc kg-1 < 0.05 0.05-0.15 0.15-0.3 0.3-0.5 > 0.5

Na cmolc kg-1 < 0.5 0.5-1 > 1

Al cmolc kg-1 < 0.5 0.5-2 > 2

Rangos para interpretar análisis de suelos


Pérdidas de S•SO4

2- NO3- lixiviado de la superficie del

suelo•A > cantidad de agua de percolación

> movimiento hacia abajo de SO42-

•Pérdidas de SO42- son mayores cuando:

K+ = Na+ > Ca2+ = Mg2+

•Pérdidas de SO42- son menores en suelos

ácidos con alta cantidad de Al3+

intercambiable.


SO42- adsorbido

•Suelos altamente meteorizados•Regiones lluviosas - óxidos de Fe/Al•Ultisoles y oxisoles


Mecanismos de adsorción SO42-

1. Intercambio aniónico causado por cargas positivas de óxidos de Fe/Al o en arcillas- caolinita a valores bajos de pH.

2. Complejos SO42- con Al(OH)x

3. Desarrollo de cargas positivas de la MOS



2. SO42- adsorbido


CaSO42-)



2. SO42- adsorbido

•Reservas de SO42- (1/3 parte de S total) en

subsuelos son el resultado de eluviación o lixiviación de SO4

2- de los perfiles superiores.

•Los cultivos pueden utilizar el SO42-

adsorbido en el subsuelo, pueden presentar deficiencia de S en los primeros estados de crecimiento hasta que las raíces alcanzan el subsuelo.

Factores del suelo que afectan la adsorción/desorción de SO4

2-

1. Contenido y tipo de mineral arcilloso2. Hidróxidos de Fe/Al3. Horizontes del suelo4. Efecto del pH5. Concentración de SO4

2-

6. Efecto del tiempo7. Presencia de otros iones8. Materia orgánica

adsorción/desorción de SO42-

Contenido y tipo de mineral arcilloso•Adsorción de SO4

2- incrementa con el contenido de arcilla en los suelos.

•Caolinita > illita > montmorillonita

Hidróxidos de Fe/Al•Responsables de la > adsorción en los

suelos


Horizontes del suelo•Adsorción > en subsuelos debido a > cant

de arcillas y óxidos de Fe/Al

Efecto del pH•> adsorción suelos fuertemente ácidos•Despreciable a pH > 6.5•CIA incrementa con disminución de pH


Concentración de SO42-

•Adsorción SO42- en equilibrio con SO4

2- en solución

•> aporte SO42- en solución > SO4

2-

adsorbido

Efecto del tiempo•> adsorción > periodo de t de sulfato en

contacto con superficies adsorbentes


Presencia de otros aniones•La fuerza de adsorción decrece:

OH- >H2PO4- > SO4

2- > NO3- = Cl-

Efecto de cationes•La cantidad de sulfato retenida es

afectada por el catión asociado o intercambiableH+ > Ca2+ > Mg2+ > K+ = NH4

+ > Na+


Materia orgánica

•En algunos suelos la MOS contribuye a la adsorción de sulfato.



2. SO42- adsorbido


CaSO42-)


Formas de S en el suelo3. SO4

2- precipitado con CaCO3 (CaCO3-CaSO42-)

• Importante fracción del S total en los suelos calcáreos.

• Disponibilidad del CaCO3-CaSO42- incrementa

con disminución del pH y disminución del tamaño de partículas de CaCO3 y con el incremento del contenido de humedad.

• Pulverizando muestras de suelo hará al SO42-

disponible a extracción química, obteniendo más S del que está disponible bajo condiciones de campo.



2. SO42- adsorbido


CaSO42-)


Formas de S en el suelo 4. S inorgánico reducido (S2-, S0)

•El sulfuro no existe en los suelos bien drenados. Bajo condiciones anaeróbicas, en suelos inundados, el H2S (ac sulfhidrico) se acumula por la descomposición de la MO.

•El S2- se acumula en regiones costeras – mar

•En suelos sumergidos con alta cant de Fe, el H2S liberado por la descomposición de la MO reacciona con el Fe y forma FeS2 (pirita). Color oscuro del mar negro.

Fe2S•Cuando el suelo es drenado los compuestos

de S son oxidados a SO42-:

•FeS2 + H2O + 3.5O2 Fe2+ + 2SO42- + 2H+

•S0 puede ser oxidado en el suelo por reacciones químicas o por oxidación microbial▫Población microbial en el suelo

Thiobacillus Chlorobium Chromatium

▫Características de la fuente de S▫Condiciones medioambientales en el suelo



2. SO42- adsorbido


CaSO42-)


Formas de S en el suelo 5. S orgánico

•La proporción de S orgánico total varía de acuerdo al tipo de suelo y a la profundidad en el perfil del suelo.

•C/N/S: 120/10/1.4•N/S: 6-8:1•La naturaleza y propiedades de la

fracción orgánica en el suelo son importantes porque influyen en la liberación de S disponible para las plantas.


•Tres grupos en el suelo de compuestos de S:

•S Reducible: S orgánico reducido a H2S. •50% del S orgánico total

Sustancias:▫Arilsulfatos▫Alkisulfatos▫Sulfatos fenólicos▫Polisacáridos y lípidos sulfatados



•Enlace S-C: 10-20% de S orgánico total

▫Aminoácidos (cistina y metionina)▫Formas mas oxidadas del S (acido

sulfónico..)



•S Residual: S orgánico remanente•Fracción no identificada•30-40% de S orgánico total

Mineralización e Inmovilización del S

Mineralización:•Conversión de S orgánico a inorgánico

(SO42-)

Inmovilización:•Conversión de (SO4

2-) a S orgánico

Cualquier factor que afecte el crecimiento de los microorganismos altera la mineralización y la inmovilización del S

Factores que afectan la mineralización y la inmovilización del S•Contenido de S de la MO•Temperatura del suelo•Humedad del suelo•pH del suelo•Presencia o ausencia de plantas•Tiempo de cultivo•Actividad sulfatasa

Factores que afectan… Contenido de S de la MO•Mineralización S depende de contenido de S en

el material en descomposición (=N)•Pocas cantidades de SO4

2- son liberadas de residuos bajos en S, similar a mineralización N

•S puede ser inmovilizado en suelos con C/S o N/S muy grande:

•C/S: 200/1 (o menor) sólo ocurre mineralización•C/S > se favorece inmovilización de SO4

2-

•S inmovilizado: humus del suelo, células mic y subproductos de la síntesis microbial

Factores que afectan… Contenido de S de la MO•Inmovilización ocurre con amplia C/S por

la conversión del C dentro de la biomasa microbialdebido a una necesidad mayor de S que si la relación C/S es baja.

•MO fresca tiene C/S: 50/1•Se requiere adecuada disponibilidad de N

y S para promover rápida descomposición de la MO

•De lo contrario se puede inducir deficiencia de N o S al siguiente cultivo.

Factores que afectan… Temperatura del suelo•No mineralización de S: 10ºC•Incrementa a: 20-40ºC•Disminuye a: > 40ºC

•El efecto de la temperatura en la mineralización del S explica el mayor contenido de S en suelos de regiones templadas.

Factores que afectan… Humedad del suelo•Contenido de H óptimo: 60% de la capacidad de

campo.•Nivel de humedad < 15% y > 40%: baja

mineralización de S•En suelos deficientes en S después de períodos

secos – incremento en crecimiento de plantas:▫Diferencias grandes en condiciones de humedad

puede producir (flush) mineralización de S.▫Se incrementa la disponibilidad del S debido a

humedecimiento y secamiento del suelo

Factores que afectan… pH del suelo•El efecto del pH en la mineralización del

S no es claro•La cantidad de S liberado es directamente

proporcional al aumento de pH a 7.5.

•Cerca a pH neutro se espera aumento de actividad microbial y mineralización de S

Factores que afectan… Presencia o ausencia de plantas•Mineralización de S mayor en presencia

de plantas por:▫Estimulación de actividad microbial en la

rizosfera por excreción de aminoácidos y azúcares por las raíces.

•Buena cantidad de sulfato aplicado a suelos sin plantas es inmovilizado:

•No aplicar fertilizantes S a suelos en barbecho

Factores que afectan… Tiempo de cultivo•Como ocurre con N, cuando el suelo es

cultivado por primera vez su contenido de S disminuye rápidamente.

•Con el tiempo – nivel de equilibrio:▫Clima▫Prácticas culturales▫Tipo de suelo

•C/N/S de suelos vírgenes son > suelos cultivados▫S más resistente a la mineralización que C y N▫Pérdidas de C y N orgánico son > pérdidas S

Factores que afectan… Actividad sulfatasa•50% S total en la superficie de los suelos:

esteres de SO42- orgánico.

•Enzimas sulfatasas hidrolizan esteres y liberan SO4

2- son importantes en los procesos de mineralización

Volatilización del S

•Compuestos volátiles producidos a través de transformaciones microbiales bajo condiciones aeróbicas y anaeróbicas.

•Incrementa con incremento de MO•Cantidad de S volatilizado: < 0.05% S

total suelo

•Cultivos que crecen en suelos de textura gruesa son más susceptibles a deficiencias de S:▫Bajo contenido de MO▫Pérdida de sulfato por lixiviación

•En zonas con altas lluvias los fertilizantes que contienen sulfato tienen que ser aplicados con > frecuencia que en suelos de textura fina y menor régimen de lluvias.

Generalidades

•S aplicado puede ser inmovilizado en suelos con alta C/S o N/S

•Mineralización S es favorecida en suelos con baja C/S o N/S

•Disponibilidad de S incrementa con el contenido de MO

•Cultivos que crecen en suelos con <1.2-1.5% de MO requieren fertilización con S

Generalidades

Generalidades•Las gramíneas son menos eficientes en

utilización de sulfato que leguminosas.

•En praderas con mezclas, las gramíneas pueden absorber el sulfato disponible a una tasa mayor.

•S es requerido para la fijación de N2 por el Rhizobium

Fuentes de S

Enmienda NOMBREPORTADOR

NUTRICIONALS (%) Solubilidad

(g L-1) @ 20ºCPureza

Flor de azufreAzufre elemental

S2 100 (S) 90-95

Yeso Sulfato de calcio CaSO4. 2H2O 19(S),23(Ca) 2.55 g L-1 80-85%

Sulfato de magnesio

Sulfato de Mg MgSO4.7H2O 13(S),10(Mg) 33.7-260 98

SAMSulfato de

amonio(NH4)2SO4

24(21 N) 98

Sulfato de potasio

Sulfato de potasio

K2SO4 18(S), 50 (K2O) 123.8 98

FertilizantesEnmiendas

S aplicado

El contenido de S en enmiendas y fertilizantes se expresa en términos de S (%).

Enmiendas orgánicas (gallinaza, porcinaza, etc.) usualmente tienen 0.2-1.5% de S)

Fuentes de S

Enmienda NOMBREPORTADOR

NUTRICIONALS (%) Solubilidad

(g L-1) @ 20ºCPureza

NitrasamNitrato y

sulfato de amonio

NH4NO3, (NH4)2SO4

5 (30N) 90-95

Sulfomak Sulfato de K y Mg

K2SO4, MgSO4

18-22,22 (K2O), 11(MgO) 95

Superfosfato simple

Fosfato de calcio y yeso

Ca(H2PO4)2, CaSO4.2H2O 14(S), 20(P2O5)

Superfosfato triple Fosfato de

calcio y yesoCa(H2PO4)2, CaSO4.2H2O

1.5(S), 44(P2O5)

Urea + S Urea + S CO(NH2)2 + S 10-20 (36-40 N)

Sulfato de Zn Sulfato de Zn ZnSO4 18, 36(Zn)

FertilizantesEnmiendas

S aplicado

El contenido de S en enmiendas y fertilizantes se expresa en términos de S (%).

Recomendación de fertilizantes Sdepende de:

Especie bajo cultivo (más cuidado en algunos como leguminosas y hortalizas, cruciferas,...)

Nivel de S disponible en el suelo.Potencial de producción.

Dada la baja solubilidad del S2 y el requerimiento de oxidación microbial se aplica antes siembra (30 días antes de la siembra)

Yeso se aplica a la siembra o un poco antes: recomendable si se quiere precipitar iones de Aluminio

Sulfatos, son más solubles y se aplican en función del costo y de la necesidad de aplicar el nutriente acompañante (K, Ca, NH4 , Mg)

Aplicación de S

• Como enmienda (para disminuir pH):

Incubación con S2

Inocular con Thiobacillus oxidans

• Como nutriente (aporte de sulfato):▫ 20 - 60 kg S ha-1 en función del nivel de S en el suelo

▫ Solubilidad de la fuente▫ Nutriente acompañante

S suelo (mg kg-1) S a aplicar (kg S ha-1)

<3 60

3-6 45

6-12 30

12-15 15

>15 0

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