11.9: Nutrientes y Fertilizantes Vegetales en el Suelo

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La biomasa vegetal está compuesta principalmente por carbono, hidrógeno y oxígeno, que las plantas extraen del agua y el dióxido de carbono atmosférico. Otros nutrientes que las plantas requieren en cantidades relativamente grandes son calcio, magnesio y azufre, que suelen estar en abundancia suficiente en el suelo, y nitrógeno, fósforo y potasio, que comúnmente se agregan al suelo como fertilizantes.

La acidez del suelo en forma de ion H+ se acumula a medida que las raíces de las plantas intercambian H+ por otros nutrientes catiónicos en el suelo. Cuando la acidez alcanza niveles excesivos, el suelo ya no es productivo. La acidez se puede neutralizar mediante la adición de cal (CaCo ₃), que neutraliza la acidez de acuerdo con la siguiente reacción:

\[\ce{Soil (H^{+})_2 + CaCO3 \rightarrow Soil) Ca^{2+} + CO2 + H2O}\]

Este proceso también agrega calcio al suelo.

El nitrógeno nutritivo esencial de las plantas está muy involucrado con el ciclo del nitrógeno de la naturaleza, el cual es modificado significativamente por las actividades humanas. Los principales aspectos de este ciclo son los siguientes:

Con 79% de N ₂, la atmósfera terrestre constituye un recurso de nitrógeno inagotable, aunque, debido a la extrema estabilidad de la molécula de N ₂, es difícil extraer nitrógeno del aire en una forma químicamente combinada.
Las bacterias Rhizobium que crecen en las raíces de plantas leguminosas, como el trébol y la soja, convierten el nitrógeno atmosférico en nitrógeno unido químicamente en biomoléculas. Este nitrógeno se convierte en ion amonio, NH ₄ ⁺, cuando los residuos vegetales y las heces animales, orina y canales sufren descomposición microbiana.
Los procesos de rayos y combustión convierten el nitrógeno atmosférico en óxidos de nitrógeno, y las plantas de fabricación de amoníaco producen NH ₃ a partir de nitrógeno elemental atmosférico e hidrógeno elemental producido por gas natural.
Los procesos microbianos del suelo oxidan el nitrógeno amoniacal (NH ₄ ⁺) a iones nitrato, NO ₃ ^-, la forma de nitrógeno más utilizada por las plantas. Los procesos microbianos también producen N ₂ y NO ₂ gaseosos que se liberan a la atmósfera, un proceso llamado desnitrificación que completa el ciclo del nitrógeno.

Los procesos naturales generalmente no producen suficiente nitrógeno para permitir el máximo crecimiento de las plantas, por lo que se utilizan medios artificiales para extraer nitrógeno en una forma químicamente combinada de la atmósfera. Esto se realiza mediante el proceso Haber combinando N ₂ y H ₂ elementales sobre un catalizador a presiones muy altas de aproximadamente 1000 veces la presión atmosférica y una temperatura elevada de 500° C.

\[\ce{N2 + 3H2 \rightarrow 2NH3}\]

produciendo amoníaco que es 82% químicamente ligado N. Este amoníaco anhidro se puede aplicar directamente debajo de la superficie del suelo donde su tremenda atracción por la humedad del suelo lo une al suelo. También se puede aplicar como una solución al 30% de NH ₃ en agua, y en ocasiones se agrega directamente al agua de riego. El amoníaco, que se mantiene en el suelo como ión amonio, NH ₄ ⁺, no es bien asimilado directamente por la mayoría de las plantas. Pero se oxida lentamente por la acción de las bacterias del suelo utilizando el oxidante atmosférico O ₂ al ion nitrato, NO ₃ ^-, que es utilizado directamente por las plantas.

Se puede hacer una forma sólida de fertilizante nitrogenado haciendo reaccionar amoníaco con oxígeno sobre un catalizador de platino para hacer ácido nítrico, HNO ₃, y haciendo reaccionar el ácido con amoníaco básico para hacer nitrato de amonio, NH ₄ NO ₃. Este material fundido se solidifica en pequeños pellets que se pueden aplicar al suelo como fertilizante. El nitrato de amonio mezclado con fueloil se utiliza para voladura a roca de cantera, y fue el explosivo utilizado en el bombardeo del Edificio Federal de Oklahoma City en 1995. Una alternativa más segura al nitrato de amonio como fertilizante nitrogenado sólido es la urea, que se elabora mediante un proceso que, en general, implica la reacción del dióxido de carbono y amoníaco:

\[\ce{CO2 + 2NH3 \rightarrow CO(NH2)2 + H2O}\]

El fósforo es un nutriente vegetal esencial requerido para el ADN celular y otras biomoléculas. Es utilizado por las plantas como iones H ₂ PO ₄ ^- y HPO ₄ ^2-. Los minerales de fosfato que se pueden utilizar para fabricar fertilizantes que contienen fósforo se encuentran en varios lugares del mundo. En Estados Unidos, Florida tiene recursos de fosfato especialmente abundantes, en gran parte como fluorapatita, Ca ₅ (PO ₄) ₃ F, así como hidroxiapatita, Ca ₅ (PO ₄) ₃ OH. Estos minerales fosfatos son demasiado insolubles para servir directamente como fertilizantes y son tratados con ácido fosfórico y ácido sulfúrico para hacer superfosfatos que son mucho más solubles y disponibles para las plantas:

\[\ce{2Ca5(PO4)3F(s) + 14H3PO4 + 10H2O \rightarrow 2HF(g) + 10Ca(H2PO4)2 \cdot H2O}\]

\[\ce{2Ca5(PO4)3F(s) + 7H2SO4 + 3H2O \rightarrow 2HF(g) + 3Ca(H2PO4)2 \cdot H2O + 7CaSO4}\]

El potasio como ión potasio, K ⁺, es requerido por las plantas para regular el equilibrio hídrico, activar algunas enzimas y permitir algunas transformaciones de carbohidratos. El potasio es uno de los elementos más abundantes en la corteza terrestre, de la cual constituye 2.6%; sin embargo, gran parte de este potasio no está fácilmente disponible para las plantas. Por ejemplo, algunos minerales de silicato como la leucita, K ₂ O•Al ₂ O ₃ •4SiO ₂, contienen potasio fuertemente unido. El potasio intercambiable contenido por minerales arcillosos está relativamente más disponible para las plantas. El potasio para fertilizantes simplemente se extrae del suelo como sales, particularmente KCl, o se bombea desde debajo del suelo como salmueras ricas en potasio. Grandes depósitos de potasio ocurren en la provincia canadiense de Saskatchewan.

Las plantas requieren de varios micronutrientes, en gran parte elementos que ocurren solo a niveles traza, para su crecimiento. Estos incluyen boro, cloro, cobre, hierro, manganeso, molibdeno (para N-fijación) y zinc. Algunos de estos son tóxicos a niveles superiores a los requeridos para un crecimiento óptimo de las plantas. La mayoría de los micronutrientes son necesarios para el adecuado funcionamiento de las enzimas esenciales. Los procesos fotosintéticos utilizan manganeso, hierro, cloro y zinc. Dado que los micronutrientes se requieren en niveles tan bajos, el suelo normalmente proporciona cantidades suficientes.