Para cualquier explotación agrícola, es de gran importancia mejorar la eficiencia de la fertilidad del suelo. Los suelos contienen una enorme cantidad de nutrientes: en el humus, residuos orgánicos de origen vegetal y compuestos minerales. Las reservas aproximadas de humus, nitrógeno y ácido fosfórico para diferentes tipos de suelo se muestran en la Tabla 1.
| Suelos | Capa 0-20 cm | Capa 0-100 cm | ||||
|---|---|---|---|---|---|---|
| Humus | N | P₂O₅ | Humus | N | P₂O₅ | |
| Chernozems potentes | 160 | 11.0 | 2.7 | 700 | 36.0 | 11.9 |
| Chernozems ordinarios | 140 | 7.0 | 2.4 | 500 | 25.0 | 8.5 |
| Podzoles | 50 | 3.2 | 0.8 | 100 | 6.6 | 1.7 |
| Serosems | 40 | 3.7 | 0.7 | 80 | 7.5 | 1.4 |
El nitrógeno en el suelo se concentra principalmente en el humus, representando en promedio del 5 al 6%; una pequeña parte se encuentra en forma de compuestos minerales. Una parte significativa del fósforo también está contenida en compuestos orgánicos. En los podzoles, por ejemplo, el fósforo de la parte orgánica representa del 20 al 25% de su cantidad total, mientras que en los chernozems es de aproximadamente el 50%. El potasio en los suelos se encuentra principalmente en forma mineral. El contenido total de potasio, calculado como K₂O, alcanza de 60 a 80 toneladas por hectárea.
Si consideramos que para un rendimiento de trigo de 40 q/ha se utilizan de 80 a 120 kg de nitrógeno, de 40 a 50 kg de fósforo y de 56 a 60 kg de potasio, las reservas en la capa de 20 cm de los chernozems pueden garantizar tal rendimiento de grano durante 80 a 120 años, mientras que las reservas de podzoles y serosems pueden hacerlo durante 30 a 50 años. Una capa de un metro de podzoles y serosems puede proporcionar un alto rendimiento de cultivos agrícolas con nitrógeno durante 130 a 150 años, mientras que la misma capa de chernozems puede hacerlo durante 500 a 700 años, y las tierras drenadas hasta 2500 a 2800 años. Además, en el suelo mineral hay reservas de fósforo y potasio para muchos más años.
Una cierta cantidad de nitrógeno, fósforo, potasio y otros elementos nutricionales en el suelo se encuentra en los residuos vegetales (raíces, rastrojos). La mayor cantidad de estos residuos (hasta 250 t/ha) se encuentra en suelos vírgenes. Aunque la cantidad de nutrientes en los residuos vegetales es relativamente pequeña, su valor radica en que estas sustancias se transforman rápidamente en compuestos asimilables por las plantas.
La activación de la transformación del humus y los residuos vegetales mediante el correcto manejo del suelo y las prácticas agronómicas es un factor crucial para aumentar el rendimiento en el país. Sin embargo, el principal medio para incrementar la producción agrícola, especialmente en áreas con suelos podzólicos y empobrecidos, son los fertilizantes orgánicos: estiércol, turba y diversos composts. Su aplicación a menudo duplica e incluso triplica el rendimiento de los cultivos agrícolas.
Contenido y composición de la materia orgánica en el suelo
Se sabe que las fuentes de materia orgánica en los suelos son los residuos vegetales y los microorganismos, así como el estiércol y los composts. Estos materiales, a partir de los cuales posteriormente se forma el humus del suelo, por su naturaleza química están compuestos por carbohidratos y sustancias afines (monosacáridos, di- y trisacáridos, polisacáridos), lignina, compuestos nitrogenados (sustancias proteicas, aminoácidos, amidas, alcaloides, clorofila, glucósidos), grasas y sustancias afines (ácidos palmítico, esteárico, oleico, linoleico y linolénico, lecitinas, fitoesteroles, ceras), resinas y terpenos, suberina, cutina y esporopolleninas, así como sustancias minerales de las plantas.
Los residuos vegetales en el suelo, sometidos a diversos procesos de transformación, se descomponen formando compuestos simples (H₂O, CO₂, NH₃, HNO₃, etc.) o se transforman en formas más inertes de materia orgánica.
El inicio de un estudio más profundo de la composición y naturaleza del humus fue establecido por Sprengel en 1826, quien logró grandes avances en sus investigaciones sobre el humus. El estudio posterior de la composición y naturaleza del humus del suelo está asociado con los nombres de Berzelius, Mulder, Hermann, Schreiner, Shory, Trusov, Sven-Oden, Schmuck, Williams, Waksman, Tyurin, Kononova y muchos otros.
Las sustancias húmicas del suelo pertenecen a compuestos orgánicos macromoleculares peculiares, con una composición química muy compleja que hasta ahora no ha sido descifrada con precisión; son formadas por bacterias y hongos del suelo.
Dependiendo del tipo biológico de síntesis y descomposición de la materia orgánica del suelo, V. R. Williams distingue tres grupos de ácidos húmicos orgánicos:
- Húmicos (grupo de ácidos húmicos de color negro) - formados por bacterias aeróbicas.
- Úlmicos (ácidos húmicos de color marrón) - formados por bacterias anaeróbicas.
- Crenicos, o ácidos fulvicos (grupo de ácidos húmicos incoloros) - sintetizados por hongos característicos de las plantaciones forestales, y estos ácidos bajo ciertas condiciones se transforman en apocrénicos.
El proceso de formación del humus del suelo incluye la descomposición de residuos vegetales y otras formas de materia orgánica muerta en compuestos más simples oxidados o reducidos; por otro lado, ocurre como una síntesis de ácidos húmicos de naturaleza muy compleja. Los procesos de formación del humus - descomposición y síntesis - son el resultado de la actividad enzimática de los microorganismos del suelo.
Los científicos especialistas en esta área afirman que el humus del suelo representa un complejo muy complejo y dinámico por naturaleza, compuesto por numerosos y muy diversos compuestos en su naturaleza química. En este complejo se distinguen cuatro grupos de sustancias: materia orgánica de residuos no descompuestos de plantas y animales, materia orgánica de microorganismos vivos y muertos no descompuestos, productos intermedios de descomposición de compuestos orgánicos complejos, sustancias húmicas y bitúmenes como producto de procesos peculiares de síntesis físico-química y enzimática extracelular.
Sustancias húmicas
A este grupo pertenecen sustancias características del humus del suelo, solubles e insolubles en álcalis, de color oscuro, que representan ácidos oxicarboxílicos macromoleculares con propiedades marcadamente coloidales. Su propiedad común es una gran resistencia a la hidrólisis ácida y la insolubilidad en acetil-bromuro, lo que diferencia claramente estas sustancias de la mayoría de las sustancias de origen vegetal, incluida la lignina, con la que las sustancias húmicas comparten la propiedad de resistencia a la hidrólisis ácida.
El menor contenido de sustancias húmicas (alrededor del 45-50% de la cantidad total de humus) corresponde a suelos podzólicos ácidos, mientras que el mayor (70-90%) a chernozems y suelos de pradera-pantano; los suelos humífero-calcáreos y los suelos pardos forestales ocupan una posición intermedia.
Las sustancias húmicas se subdividen además en tres grupos:
- Sustancias húmicas insolubles en álcalis.
- Ácidos húmicos, solubles en álcalis e insolubles en alcohol.
- Ácido hematomelánico, soluble en alcohol.
En relación con la cantidad total de humus en los suelos de Ucrania, el contenido de ácidos húmicos varía del 10,1% (suelos forestales empobrecidos) al 40% (chernozems lixiviados).
El ácido húmico de suelos y turberas contiene carbono, oxígeno, hidrógeno, nitrógeno y cenizas. El contenido de nitrógeno es del 3,5 al 4%. En los productos de hidrólisis del ácido húmico, Suzuki y Schmuck encontraron aminoácidos (alanina, ácido aminovalérico, prolina, leucina, ácido aspártico, ácido glutámico, tirosina, histidina), amidas y nitrógeno del residuo no hidrolizable. Sin embargo, solo la mitad del nitrógeno total del ácido húmico es capaz de sufrir escisión hidrolítica.
Se considera que, calculado sobre sustancia libre de cenizas y nitrógeno, el ácido húmico del suelo contiene 58,8% de carbono, 36,1% de oxígeno, 5,1% de hidrógeno, mientras que el ácido hematomelánico contiene 59% de carbono, 36% de oxígeno y 5% de hidrógeno.
Sustancias no húmicas
(lignina, celulosa, hemicelulosa, proteínas, productos de descomposición de bajo peso molecular). En relación con la cantidad total de humus, el contenido de lignina en suelos minerales es del 5 al 10 por ciento.
En comparación con las hemicelulosas, las celulosas en los suelos están presentes en cantidades significativamente menores, lo que se explica por la propiedad de la celulosa de los residuos vegetales de descomponerse. En los horizontes superiores del suelo, el contenido de celulosa en el humus varía del 1 al 6-7 por ciento.
La cantidad total de nitrógeno en el humus es en promedio de alrededor del 5%. Solo una pequeña parte del nitrógeno orgánico se disuelve en agua. Aunque después de la hidrólisis una parte significativa del nitrógeno pasa a la solución ácida (en forma de aminoácidos y amidas), se considera que parte del nitrógeno está unido en compuestos diferentes a las proteínas de origen vegetal y animal.
Bitúmenes
(grasas, resinas, ceras, ácidos grasos, etc.). El contenido de estas sustancias en los suelos en relación con la cantidad total de humus varía del 5% (en suelos aireados) al 15-20% (en suelos donde la descomposición ocurre en condiciones anaeróbicas).
Shory y Martin, Waksman, Norman, Bartholomew llegaron a la conclusión de que del 10 al 30% del carbono de las sustancias orgánicas se encuentra en el suelo en forma de poliourónidos. Kojima demostró que alrededor del 25% del nitrógeno de la materia orgánica del suelo se encuentra en forma de compuestos que no pasan a la solución durante la hidrólisis, alrededor del 30% se encuentra en forma de aminoácidos, el 10% del nitrógeno en forma de amoníaco, y el 20% restante se encuentra en otras formas en solución.
El contenido de leucina, isoleucina y valina en relación con el nitrógeno total de aminoácidos es del 33%, el de aminoácidos oxicarboxílicos alrededor del 20% y el de aminoácidos dicarboxílicos alrededor del 25%. Los ácidos aspártico, glutámico y posiblemente oxiglutámico constituyen alrededor del 50% de los aminoácidos dicarboxílicos.
E. Russell señaló que en el suelo se encuentran fitina, compuestos de ácido nucleico y nucleótidos como compuestos orgánicos de fósforo. En suelos del estado de Iowa, alrededor del 40-50% del fósforo de compuestos orgánicos fue hidrolizado a fosfatos, de los cuales aproximadamente el 66% era fitina. Se presume que el azufre en el suelo se encuentra en forma de cisteína y cistina, que forman parte de las proteínas de los residuos vegetales.
Desde los tiempos de Liebig, los científicos afirman que el humus del suelo es una fuente directa de nutrientes minerales. Entre estos nutrientes, además del CO₂, tienen gran importancia el NH₃ y los nitratos, fosfatos, sulfatos y otros compuestos minerales necesarios para la nutrición de las plantas.
En los chernozems, la cantidad de CO₂ liberado varía de 15 a 77 kg/ha por día, mientras que durante la descomposición de la capa de césped de suelos de pradera es de 20,0 a 240 kg/ha. Recientemente se ha demostrado que el ácido carbónico del suelo es absorbido por el sistema radicular de las plantas.
Investigaciones de muchos científicos han demostrado que la descomposición del humus en campos en barbecho en suelos podzólicos provoca la acumulación de nitratos para el momento de la siembra en cantidades de 0,5 a 1 tonelada, mientras que en chernozems es de hasta 2,5 toneladas de salitre por hectárea.
Varios compuestos orgánicos, una parte significativa de los cuales puede formarse en el suelo como productos intermedios de descomposición, como creatinina, arginina, histidina, guanidina, xantina, hipoxantina y ácido nucleico, pueden ser absorbidos por las plantas en lugar de nitratos y amoníaco; los azúcares como fuente de carbono; lecitina y cistina como fuentes de fósforo y azufre.
El contenido de materia orgánica en el suelo aumenta proporcionalmente a la entrada de residuos vegetales, pero depende de la naturaleza de esta entrada. La fuente más importante de materia orgánica en suelos bien arados es el estiércol y los composts.
La velocidad de descomposición de la materia orgánica en el suelo depende de la composición de los residuos vegetales o fertilizantes orgánicos, la aireación, la humedad, la temperatura, y las propiedades químicas y físicas del suelo.
Diferentes suelos contienen cantidades desiguales de materia orgánica, como se puede ver en los datos de la Tabla 2.
| Suelos | Humus en la capa superior, % | Cantidad total de humus por 1 m², kg | Cantidad total de humus por 1 ha, t |
|---|---|---|---|
| Serosems | 1-2 | 5 | 50 |
| Castanos ligeros (pardos semiáridos) | 1,5-2 | 10 | 100 |
| Castanos oscuros (y chernozems meridionales) | 3-4 | 20-25 | 200-250 |
| Chernozems ordinarios | 7,8-8 | 40-50 | 400-500 |
| Chernozems potentes | 10 | 80 | 800 |
| Chernozems lixiviados | 8-7 | 60-50 | 600-500 |
| Oscuros empobrecidos de estepa forestal | 4-6 | 15-30 | 150-300 |
| Podzoles de la zona forestal norte | 3-4 | 8-12 | 80-120 |
| Suelos rojos, pardos y empobrecidos | 4-6 | 15-30 | 150-300 |
| Suelos humífero-calcáreos de regiones forestales | 4,8-8 | 20-40 | 200-400 |
| Suelos de pradera montañosa | 25 | 30 | 300 |
La tarea fundamental de la agricultura consiste en el uso racional y la regulación del contenido de humus en el suelo mediante el laboreo, la rotación de cultivos en sistemas de cultivo, la aplicación de estiércol y composts, el abono verde, el encalado, las mejoras de drenaje y riego, y el uso de fertilizantes orgánicos y organominerales artificiales.
El laboreo del suelo intensifica la descomposición del humus, lo que es especialmente notable en el cultivo de plantas de hileras. Diferentes plantas aumentan el contenido de materia orgánica en el suelo. La aplicación sistemática de estiércol o composts aumenta notablemente el contenido de humus en el suelo.