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Ciclo del potasio en suelo

Dínamica de la Liberación y Fijación de Potasio en el Suelo

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(1)

El potasio (K) es un elemento nutritivo esencial para todos los organismos vivos. Los vegetales  necesitan cantidades elevadas de este nutriente siendo semejante al requerimiento de nitrógeno (Mengel y Kirkby, 1987). Se lo encuentra en todos sus órganos movilizándose fácilmente de una parte a otra de la planta. El  K cumple un rol importante en la activación de un número de enzimas (conociéndose más de 60 activadas por este catión), que actúan en diversos procesos metabólicos tales como fotosíntesis, síntesis de proteínas y carbohidratos; también tiene incidencia en el balance de agua y en el crecimiento meristemático (Mengel y Kirby, 1987). Al participar de estos procesos metabólicos el K actúa favoreciendo el crecimiento vegetativo, la fructificación, la maduración y la calidad de los frutos.

Las plantas obtienen el K del suelo que proviene de la meteorización de los minerales, de la mineralización de los residuos orgánicos o el que proviene de los abonos y fertilizantes. Los procesos  pedogenéticos actúan sobre los materiales presentes en el suelo y producen en mayor o menor medida la disponibilidad del nutriente.


El Potasio del Suelo. Formas, Ciclo y Dinámica


El contenido de K en la litosfera es del orden del 1.58%, pero existen variaciones según la clase de rocas presentes. En los suelos, el contenido de K está estrechamente relacionado con el tipo de material parental y la pedogénesis (Mengely Rahmatullah, 1994).

Varias investigaciones confirmaron que el sistema agrícola no tiene otra vía de ingreso natural para el balance de K que la reposición primaria proveniente de la liberación de los minerales primarios y secundarios, siendo preponderante la participación de la fracción arcilla. Los minerales arcillosos son la fuente principal de K en el suelo (Sardi y Debreczeni, 1992; Buhman, 1993).

Los análisis químicos muestran que el contenido de K total del suelo no es un índice de fertilidad para los cultivos y que los suelos contienen K en diferentes formas. Una parte  extraible por reactivos muy suaves, tales como el agua o soluciones salinas diluidas; otra parte puede  extraerse solamente con reactivos fuertes tales como ácido nítrico hirviente. Numerosas investigaciones  demostraron que estas formas extremas difieren en la faci­li­dad con las que las plantas pueden extraerlas.


Ciclo del potasio

La Figura 1 muestra las formas más importantes de K en el suelo, y los procesos que las relacionan.


Potasio en la solución de suelo

El K de la solución de suelo está inme­diatamente disponi­ble y puede ser absorbido por las plantas en forma inmediata, pero las cantidades presentes son muy pequeñas, apenas una mínima porción del K total del suelo se encuentra en esta forma. Las plantas en crecimiento rápi­damente extraen el K de la solución del suelo, pero a medida que el K es absorbido y extraído, su concen­tra­ción es renovada y restituida inmediatamente por la cesión de formas menos fácil­mente accesi­bles ubicadas en las zonas de adsorción de los coloides minerales y orgánicos del suelo. El proceso de adsorción-desorción es el que repone y equilibra la concentración de K de la solución del suelo.

Figura  1. Ciclo del Potasio en el Suelo - Adaptado de Goulding (1987)

El Potasio intercambiable

Es la forma iónica del pota­sio (K+) unido electrostáticamente a los materiales que componen la fase sóli­da coloidal mineral y orgánica. A medida que la concen­tración del  K de la solución des­ciende, el K adsor­bido es liberado a la solu­ción del suelo. A la inversa, si la concentra­ción de K de la solución del suelo aumenta por la aplica­ción de ferti­lizan­tes potásicos, parte de éste dejará la solu­ción y se unirá electrostáticamente al material coloidal de la fase sóli­da. Existe un equilibrio entre las dos fracciones que  puede ser representado por (1) en la Figura 1. El proceso es instantáneo:



El K de la solu­ción más el intercambiable, es común­mente denominado K "disponible" y medido en los  análisis conven­ciona­les para evaluar la fertilidad del suelo.


El Potasio de reserva

Existen formas de K que están fuertemente unidas a la fase sólida mineral, las cuales se denominan "K fijado" y "K estructural". Ambas constituyen el K de reserva o de reposición de los suelos. El K fijado es el que se ubica en el espacio hexagonal  de las láminas de silicio y el K estructural que es el que está quími­camente combinado con los elementos en la estructura de los minerales del suelo. Ambas formas son  denominadas no-intercambiables.

Se produce un equilibrio entre el K intercam­biable y estas formas no-intercambiables. El proceso para alcanzar el estado de equili­brio es mucho más lento que el de K de la solución del suelo-K intercambiable. El mecanismo  de reposición y equilibrio entre las formas, se muestra en la Figura 1 con los números (2) y (3):



La fuente inmediata de K para las plantas es el que está disuelto en la solución del suelo; la reposición que  mantiene  su nivel  estable es en primer lugar, la forma intercambiable y luego el K de reser­va.  El suminis­tro a la planta durante un período deter­mina­do  dependerá de la  cantida­d de K de cada fuente y de la velocidad con que se establece la reposición y el equilibrio entre las fuentes.  La cantidad de K en la solu­ción del suelo es siempre baja, el K intercambiable, mucho mas abundante, resta­blece rápi­da­mente la concentración en la solu­ción. El K no intercambiable, fundamentalmente el fijado, es la fracción que regula el abastecimiento al K disponible del sistema en períodos de alta demanda.


La velocidad de reposición del potasio


La velocidad a la cual el K se vuelve disponible para las raíces es afectada por la cantidad de intercambiable, no intercambiable y por la velocidad de movimiento del K a través del suelo. A medida que la raíz absorbe K, el intercambiable próximo a las raíces disminuirá ó se agotará. Al disminuir la concentra­ción de K intercam­biable, éste se moverá desde zonas más enriquecidas y distantes de la raíz hasta resta­blecer nuevamente el equi­librio. La velocidad con que se moviliza o difunde el K, dependerá de los materia­les cons­tituyentes del suelo y las condicio­nes am­bienta­les, siendo más alta en suelos húme­dos.


Las Arcillas

La reserva de K intercambiable y no-intercambiable depende fundamentalmente de la cantidad y calidad de arcillas presentes en el  suelo. El térmi­no arcilla se refiere a las partí­culas mine­rales más pequeñas del suelo (menos de 2 micrones de diáme­tro). Se forman en el proceso de pedogénesis a partir de las alte­racio­nes químicas de los mine­rales de las rocas  que originan los suelos. Las arcillas son cristali­nas y están formadas por capas en arreglos laminares de varios elementos químicos, fundamentalmente el oxígeno, el silicio y el aluminio en forma de capas de tetraedros de silicio y de octaedros de aluminio.

Los iones potasio (K+) se presentan en distintas posiciones en las arcillas (Figura 2). Pueden ser mante­nidos electrostáticamente por las cargas eléctricas negativas situadas en la superfi­cie o en los bordes de las láminas. La fuerza con que los iones K son mantenidos, varía con el tipo de arcilla y la posición del ion en la misma. Las posiciones planares de cambio (p) no son lugares de enlace específico para K+, las posiciones de borde ( e) son más selectivas y las interlaminares (i) presentan la mayor selectividad para este catión.

Figura 2. Modelo de arcilla expansible con las posiciones p, e, i  de iones potasio (Rich, 1968).

Cuanto más débilmente estén reteni­dos, más fácilmen­te serán "intercam­biables" y podrán ser libera­dos a la solu­ción de suelo. La dinámica de las condi­ciones en el suelo puede provocar que los iones K que están mantenidos fuertemente entre las capas de arcilla (fijado), se liberen al separarse las mismas por ensan­chamiento y expansión. De esta manera, estos K pueden ser liberados y equilibrar a los intercambiables y  a los de la solución del suelo. También puede pasar que al penetrar los iones K+ en el espa­cio interlaminar, este cierre nuevamente las laminillas, dejando así los iones en una condición difícilmente accesi­ble, llamada K fijado.

Existen muchos tipos diferentes de arci­llas, pero en general pueden definirse cuatro grupos que  mues­tran diferen­cias importantes con respecto al K. Los tres primeros grupos son cristalinas- laminares y el último es no cristalino o paracristalino.

El primer grupo, mineral caolinítico (bilaminar 1:1, no expandente), puede adsorber K solamente en su superficie y en sus bordes rotos o quebrados, e­llos no adsorben K con mucha fuerza. Los minerales caoliníticos no tienen posiciones de cambio interlaminares para sorber K y además tienen una reducida capacidad de cambio, por lo tanto contienen muy poco K intercambiable, comportándose casi como la arena o la materia orgánica en lo referente a la dinámica de este nutriente. Si bien no fijan K, como tampoco lo retienen, son muy sensibles a las pérdi­das por lixivia­ción. En este sentido, los suelos caoli­níticos se comportan aproximadamente igual a los arenosos, suelos pobres y sin poder de reposición del K.

El segundo grupo, los minerales illíticos (trilaminar 2:1, no expandente) son las arcillas con mayor contenido de K. Contienen K en su superficie, en sus bordes, y entre las capas de los cristales. Estas arcillas mantienen el K mucho más fuertemente que las arcillas caoliníticas, conteniendo gran proporción  en forma inter­cambiable.

El tercer grupo de minerales de arcilla es el de las esmectitas (trilaminar 2:1 expandente). Este grupo mantiene el K en forma intercambiable en superficie y también  profundamente entre las capas expansibles cuando el suelo está húmedo. Cuando estas capas se cierran, al volverse las condiciones ambientales más secas, el espacio intercapas se contra­e, atrapando y "fijando" el  K que es dificultosamente liberado  nuevamente a la solu­ción del suelo.

La mayoría de los suelos de pradera contienen principalmente estos minera­les de arcilla; y sus proporciones indican el comportamiento del suelo con respec­to al K.

Los minerales arcillosos no cristalinos o paracristalinos,  como el alofano, se presentan en suelos derivados de cenizas volcánicas. Están constituidos por  partículas esféricas muy pequeñas (100-500 Å), que generalmente se aglomeran para formar agregados de mayor tamaño. Los alofanos contienen cantidades muy variables de K pero generalmente presentan muy bajo contenido.  Si bien ha sido determinada la adsorción de K, no ha sido registrado como importante el fenómeno de fijación.

Dependiendo del grado de saturación o de agotamiento de K, los minerales arcillosos lo liberarán  hacia la solución del suelo o lo adsorberán de ésta. También hay que tener en cuenta que algunos minerales arcillosos trilaminares como illita, vermiculita y tetralaminares como clorita, adsorben K+ selectivamente. La montmorillonita presenta una selectividad intermedia, menor que la illita.


Consecuencias prácticas del contenido y el tipo de arci­llas

  1. Disponibilidad de potasio para las plantas

La influencia del contenido y la  calidad de la arcilla en la disponibilidad de K para el vegetal es uno de los aspectos más estudiados de este elemento. Numerosos investigadores han determinado que la absorción de K por las plantas esta relacionada directamene al contenido y calidad de arcilla.

A modo de ejemplo se presentan datos de un trabajo de investigación realizado en Argentina, en el que se estudió la disponibilidad de K para las plantas en suelos con distinta cantidad y clase de minerales arcillosos (Figura 3) (Zubillaga,M.M. y M. Conti. 1996). La experiencia realizada en invernáculo, con ryegrass; tomó como variables de causa la cantidad de K intercambiable inicial y la concentración de illita de los mismos. El análisis de los datos fue realizado en dos momentos definidos del ensayo: saturación en máxima y en mínima disponibilidad potásica del suelo. Las características del suelo se muestran en la Tabla 1.

Tabla 1. Composición general de los suelos

Suelo

Arcilla

Illita

Composición de arcillas

K intercambiable inicial

CIC

Esmectita

Illita

Caollinita

Alofano

 

%

%

%

%

%

%

cmol+ kg-1
1

Argiudol Vértico

37

17

49

45

 

 

1.25

32.5

Argiudol Típico

27

23

15

85

 

 

0.69

18.5

Torrifluvent Típic

22

21

 

98

 

 

0.28

12.5

Udivitrand Típico

7

Vestigios

 

< 5

 

95

0.30

18.5

Kandiudult Típico

43

0

 

 

90

 

0.06

11.0

 

Figura 3. Disponibilidad de K intercambiable y no intercambiable acumulado en ryegrass en las 6 cosechas realizadas (Zubillaga y Conti, 1996). Letras diferentes significan diferencias significativas entre suelos (p<0.05)

La cantidad de K tomada por el ryegrass en todo el ensayo, muestra los diferentes aportes de cada suelo  de acuerdo a la cantidad y calidad de arcillas presente. Con excepción del suelo con caolinita (5), los demás muestran alta correlación entre el K absorbido por el vegetal y la cantidad de arcilla, aunque varían en la participación de K intercambiable y no intercambiable de acuerdo a su naturaleza arcillosa. Para permitir una mejor interpretación, el análisis de la absorción de K por la planta se dividió en dos fases definidas por:  máxima y mínima saturación potásica del suelo. Los mismos se muestran en las Figuras 4 y 5 respectivamente.

Figura 4. Disponibilidad de K intercambiable y no intercambiable acumulado en ryegrass en el período de máxima disponibilidad de los suelos (Zubillaga y Conti, 1996). Letras diferentes significan diferencias significativas entre suelos (p<0.05). a, b, c, d y e para K intercambiable y a'''', b'''', c'''', d'''' y e'''' para K no intercambiable.

Los resultados de la Figura 4 muestran que, en el período de máxima disponibilidad de K la absorción vegetal está relacionada en su mayor proporción al K intercambiable. Las variables K intercambiable inicial y contenido de illita  explicaron el 98% de la variación del K adsorbido por el ryegrass.

Figura 5. Disponibilidad de K intercambiable y no intercambiable acumulado en ryegrass en el período de mínima disponibilidad de los suelos (Zubillaga y Conti. 1996). Letras diferentes significan diferencias entre suelos (p<0.05). a, b, c, d y e para K intercambiable y a'''', b'''', c'''', d'''' y e'''' para K no intercambiable.

La Figura 5 muestra que en los períodos de mínima saturación potásica del suelo por gran demanda, la nutrición vegetal está determinada fundamentalmente por las formas de K no intercambiable. En este período, los minerales arcillosos de mayor aporte son aquellos con gran cantidad de K en posiciones del tipo e é i (Modelo de Rich 1968) como la illita. Las variables K no intercambiable y contenido de illita explicaron el 90% de la absorción vegetal de este período.

  1. Poder regulador

En general, cuanto mayor sea el contenido de arcilla en el suelo más grande será su capacidad para adsorber el K y mayor será su habilidad para reponerlo a la solución de suelo cuando éste disminuye en su concentración. Se dice que tales suelos están bien regulados, pudiendo mantener la concentración de K de la solución de suelo en un nivel estable.

La diferencia entre un suelo bien regulado y otro pobre­mente regulado, puede ser descripta por la "relación Q/I"  (Beckett, 1967). La forma de la "relación Q/I" es característica de cada suelo. La Figura 6 muestra la representación típica de la capacidad de regulación de un suelo "relación Q/I", con sus parámetros relacionados.

ARKes la relación de actividad en equilibrio, cuando el suelo no gana ni pierde K. Representa la intensidad del K lábil en el suelo y constituye la medida de su disponibilidad inmediata

PBCK es la capacidad de regulación potencial del suelo. Representa la cantidad de K intercambiable que puede pasar a la solución del suelo para equilibrarla. Esta representada por la pendiente de la recta .

ΔKL representa la cantidad total de K intercambiable incluyendo, las fracciones lábiles fácilmente intercambiables y las posiciones mas específicas como la de los bordes de las partículas de arcillas, (ΔK0) y(ΔKx),  respectivamente.

Figura 6. Forma general de la relación Q/I y parámetros deducidos de ella

En las Figuras 7 y  8 se muestran las curvas Q/I de dos suelos con distinto poder regulador y los cambios que se producen ante el agregado de fertilizante potásico (De la Horra A.M., D. Effrón,M.P. Jimenez and M.E.Conti.1998). El suelo con 25 % arcilla, contiene minerales fijado­res de K, illita-esmectita y presenta buena regulación (Figura 7). En éste suelo, un cambio apre­ciable en el K intercambiable (ordenada), modifica poco el conte­nido de K en la solución (abscisa).

En el suelo arenoso, con solo 10% de arci­lla esmectita y poca regulación, un cambio pequeño en el contenido de K intercambiable (ordenada), determina un cambio mucho mayor en el K de la solución (abscisa) (Figura  8).

El efecto de agregar K como fertili­zante también es diferente en ambos suelos. Las dosis agregadas aumentan el ΔKL (cantidad total de K intercambiable) incre­mentando consecuentemente la concen­tración de K de la solu­ción, sólo después de haber cubierto las posiciones más específicas de cada suelo.  En este sentido, es notorio que el suelo arcilloso retiene en posiciones específicas una gran parte de la cantidad de K agregada en la primer dosis, cosa que no ocurre en el suelo arenoso.

En ambos casos, el agregado del fertilizante  no modifica el poder de regulación de los suelos (PBI) , esta característica solo esta definida por la clase de arcilla presente.

Figura 7. Relación Q/I de un suelo con 25% arcilla (De la Horra et al., 1998)
Figura 8. Relación Q/I de un suelo con 10% arcilla (De la Horra et al., 1998).

Las investigaciones demostraron que en los suelos bien regulados, el poder de suministro de K no es sensiblemente afectado por la extracción de los cultivos y que el K en solución es manteni­do regu­larmente constante a lo largo de todo el ciclo del cultivo, de un año al otro. La desventa­ja de estos suelos es que, si  se los maneja de una manera deficiente, aplicando  menos K  que el extraído por los cultivos, volverlos a la condi­ción original re­quie­re aplicaciones mas eleva­das de K, debido a que debe satisfacer las uniones específicas. Solo después de esta saturación, el K ocupará  los lugares más lábiles, posiciones p y e de la Figura 2 .

Es muy difícil mejorar de manera perma­nen­te los niveles de K en los suelos arenosos o con bajo porcentaje de arcillas. En estos casos, el manejo reco­men­dado debe­ría enfati­zar la aplicación de K sistemática para satis­facer los requeri­mientos del cultivo actual, inclusive se puede consi­derar el realizar aplica­cio­nes frac­cionadas para mantener el sumi­nis­tro de K a través de todo el ciclo de cultivo.

En los suelos pesados, por otro lado, es posi­ble efec­tuar mejoras de largo plazo. Si el K del suelo es bajo, el manejo sugerido apunta a aumen­tar el conte­ni­do de K del suelo a través de la aplicación de genero­sas cantida­des ini­ciales, y luego asegu­rarse que todos los cultivos reciben sufi­cien­te fertili­zante potásico para mante­ner los niveles en el rango adecuado.  

  1. Fijación y efecto residual de la fertilización potásica

Como hemos visto, durante su período de crecimiento los cultivos absorben gran cantidad de K que está disponible bajo las formas intercambiable y no intercambiable. Las raíces de las plantas en crecimiento, producen una rápida disminución en la concentración de K de la solución del suelo cercana a ellas. Esto genera un proceso de difusión, con liberación del K intercambiable adsorbido por las cargas de las arcillas y de la materia orgánica. Cuando la concentración potásica de la solución ha disminuido hasta un mínimo (K intercambiable mínimo), el mismo es liberado de las interláminas de las arcillas (K fijado) para reponer el K de la solución del suelo. La principal fuente natural de reposición ante las intensivas extracciones realizadas por los cultivos, es el K fijado ubicado en las interláminas de arcillas del grupo de la illita y minerales del grupo de las esmectitas. De esta manera, el K no intercambiable, contribuye significativamente a la nutrición potásica cuando la forma intercambiable es insuficiente, pero con mucha menor velocidad de pasaje a la solución del suelo. Es por eso que una agricultura intensiva requiere una gran velocidad de reposición de K a la solución del suelo y ello está ligado solo a grandes cantidades de K lábil o intercambiable, (posiciones p y e de la Figura 2.). Los aportes de K por el uso de fertilizantes son necesarios para reponer estas posiciones en especial en aquellos suelos con baja saturación y baja regulación potásica, sometidos a agricultura continua.

El agregado de fertilizante al suelo trae cambios en la dinámica del K. En los suelos que poseen en su composición mineralógica un predominio de arcillas del tipo de las illitas y esmectitas, se favorece el proceso de fijación de K, ocupando el fertilizante los lugares interlaminares en primer lugar. Si los sitios de fijación se encuentran poco saturados, el ingreso de K al sistema puede implicar una disminución de la  disponibilidad actual del nutriente para el cultivo, pero una fuente de reserva futura, poder residual de K. La fijación de K para algunos suelos, puede estar relacionada no sólo con la mineralogía de la fracción arcilla, sino también a factores térmicos, que producen la  apertura de las estructuras de los minerales micáceos, favoreciendo la liberación de este elemento y la saturación potásica del suelo. De esta manera, la disponibilidad de K producida por la fertilización se ve afectada por la cantidad, naturaleza de las arcillas y saturación potásica, que provocan una redistribución del K agregado en las formas intercambiables y fijadas.

La Figura 9 nos presenta los porcentajes de fijación potásica de distintas dosis agregadas a suelos con porcentajes y clases de arcillas distintas (Argiudol Típico 25% illita;  Paleohumult 55% caolinita-óxidos; Andisol 8% arcilla alofan-caolinita; Argiudol Acuico 20 % esmectita) (Gonzalez et al., 1999).

En este ensayo, el grado de saturación potásica fue uno de los factores que más afectó el valor de fijación de los suelos. Es por eso que los mayores valores se dan en suelos muy desaturados como el Argiudol Acuico  .

Los valores de K fijado aumentan con el contenido agregado hasta un nivel máximo, por encima del cual los valores de fijación se modifican poco debido a la saturación de los sitios del complejo de intercambio. Por esta razón, es importante estudiar los mecanismos responsables de la fijación- liberación de cada suelo para poder desarrollar estrategias de manejo de la fertilidad en las que se aumente la eficiencia de la fertilización potásica tomando en consideración todos los componentes que actúan en el mismo.

La posibilidad de que el K residual de la fertilización pase a formas aprovechables, es un proceso que además de las variables comentadas anteriormente, involucra el poder regulador del suelo y el consumo efectuado por el cultivo. Experiencias realizadas demostraron incrementos en el rendimiento de los cultivos por acción del K fijado o residual de anteriores fertilizaciones potásicas.

Para determinar el efecto residual de distintas dosis de fertilizante potásico y su cinética de liberación, se calcula el valor B (índice de residualidad) que es un estimador del poder de residualidad potásica de los suelos. El valor B es una metodología que determina la relación entre el K fijado y el intercambiable mas el soluble, después de adicionar fertilizante potásico al suelo (Karpinets, 1993). Presupone que la fijación - liberación es una reacción reversible entre el K presente en el complejo de intercambio y el fijado en los espacios interlaminares de los minerales arcillosos. El valor B es una propiedad fija de los suelos dependiente de su naturaleza arcillosa.

Consideraciones finales

Como hemos visto la influencia de la mineralogia en la dinámica de la fijación y liberación de K tanto nativo como el agregado por fertilización es grande y definitoria. La misma interviene en la liberación, el poder regulador y la fijación de K de manera selectiva, regulando su adsorción, velocidad de reposición y de reserva. El conocimiento y estudio de la mineralogía del suelo es fundamental para el entendimiento de las interacciones dinámicas entre la fertilización y las demandas de los cultivos. Las recomendaciones de fertilizantes deberían ser modificadas y adaptadas a la luz de estos estudios para  aumentar la precisión y eficiencia de la fertilización.

Bibliografía

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Autor/es
(37163)
(1)
Alexei Montero
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Lima, Lima, Perú
Ing. Agrónomo
Re: Foro sobre la dinámica de liberación y fijación de potasio en el suelo
05/02/2012 |

Excelente el artículo sobre la dinámica de la liberación y fijación de potasio en el suelo. Solo una pregunta:
En qué año se publico el artículo para poner en mi blibliografia??

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