La importancia de la materia orgánica como factor limitante de la fertilidad del suelo es una evidencia científica tan aceptada que todos los sistemas de cultivo, desde las técnicas agrícolas más tradicionales hasta los más modernos sistemas de producción agraria, utilizan los abonos orgánicos en mayor o menor proporción, no sólo por el aporte de nutrientes que conlleva su aplicación a los suelos, sino en mucha mayor medida debido a los efectos beneficiosos que la adición de materia orgánica induce, especialmente en lo que se refiere a la mejora de las propiedades físicas y al incremento de la actividad biológica y de la dinámica de nutrientes en los mismos.
Su influencia sobre las propiedades físicas del suelo se traduce en una reducción de la densidad aparente del mismo, un aumento de la retención hídrica y una mejora de su estructura. En este último aspecto, la formación de complejos arcillo-húmicos repercute directamente sobre la estabilidad estructural del suelo. Además, la materia orgánica posee componentes con acción cementante, tales como los polisacáridos y las SH, que favorecen la creación de agregados entre las partículas del suelo, lo que mejora la estabilidad de éste. Esta mejora estructural también repercute sobre la porosidad del suelo, lo que conduce a aumentar el agua infiltrada en el perfil del mismo, que incrementa su permeabilidad y le confiere una adecuada relación agua-aire. La materia orgánica modera así mismo los cambios de temperatura y su color oscuro favorece la absorción de las radiaciones solares, lo que eleva la temperatura del suelo y beneficia procesos como el de germinación de las semillas y la actividad microbiana. El conjunto de estas mejoras sobre las propiedades físicas del suelo otorga a éste una mayor estabilidad frente a los agentes atmosféricos y se traduce en menores pérdidas de suelo y, por tanto, en menor erosión del mismo.
Desde un punto de vista químico, la materia orgánica es en parte responsable de la capacidad de cambio iónico del suelo ya que constituye la mayor parte del complejo adsorbente y de cambio, permitiendo retener elementos nutritivos útiles para la planta pero también elementos contaminantes presentes en el suelo. Así mismo, la fracción coloidal orgánica mejora el poder amortiguador del suelo frente a la adición de agentes ácidos o básicos, manteniendo un nivel constante de pH y evitando las fluctuaciones de este parámetro (capacidad tampón). La materia orgánica actúa como aporte directo de elementos nutritivos durante su mineralización y contribuye a la reserva de los mismos, participa en fenómenos de quelatación y complejación, y ejerce una acción muy directa sobre los procesos de persistencia, transporte, movilización, retención y biodisponibilidad de metales pesados y compuestos orgánicos tóxicos. Conviene aclarar que, si bien es cierto que los nutrientes aportados por la materia orgánica no pueden equipararse con los suministrados por los fertilizantes minerales en lo que se refiere a su rápida disponibilidad en el suelo, no es menos cierto que los de origen orgánico se liberan de forma gradual y por tanto son menos sensibles que los últimos a fenómenos adversos tales como la lixiviación y volatilización (caso del nitrógeno), o la fijación (como en el caso del fósforo). En cuanto a los micronutrientes, es bien sabido que su solubilidad y asimilabilidad están muy influenciadas por los fenómenos de quelatación, de tal modo que numerosos productos orgánicos procedentes de la microbiota del suelo (ácidos alifáticos, aminoácidos y polifenoles), así como las sustancias húmicas, se consideran involucradas en tales procesos de quelatación.
La materia orgánica es el soporte de la vida microbiana del suelo, ya que actúa como fuente de energía y de elementos esenciales para el desarrollo de la microbiota, favoreciendo su proliferación en el mismo. Los microorganismos degradan la materia orgánica, liberando ácidos orgánicos e inorgánicos capaces de alterar los componentes minerales del suelo. También liberan agentes quelatantes y enzimas, y provocan pequeñas alteraciones de pH y de potencial redox que pueden favorecer la liberación y asimilación de elementos nutritivos para la planta. Así mismo, pueden establecerse asociaciones simbióticas planta/microorganismo que favorecen la asimilación de nitrógeno y fósforo, principalmente.
Dos grandes grupos de sustancias pueden diferenciarse en la materia orgánica del suelo: un primer grupo constituido por los materiales originales o materia orgánica fresca, formado por restos animales y mayoritariamente por restos vegetales, nada o muy poco descompuestos y de estructura bien definida y organizada (en general raíces y partes aéreas de plantas), y, un segundo grupo, formado por sustancias de naturaleza húmica, constituido por compuestos más evolucionados procedentes de la transformación del primer grupo y de la síntesis microbiana mediante un proceso dinámico y complejo denominado humificación, en el que simultáneamente se dan reacciones de síntesis y degradación de moléculas orgánicas. La fracción viva de la materia orgánica del suelo, fundamentalmente la biomasa microbiana, adquiere una gran importancia en los procesos de transformación de los restos orgánicos que se depositan en el suelo.
Características de las sustancias húmicas y su efecto sobre suelo y planta.
Las sustancias húmicas son probablemente los materiales de carácter orgánico más ampliamente distribuidos en la naturaleza, representando aproximadamente el 50 % de la materia orgánica total del suelo (Tonelli y col., 1997). Han sido objeto de estudio desde muy antiguo siendo el primer intento de aislarlas del suelo el realizado por Achard (1786), quien extrajo turba con álcali y obtuvo un precipitado oscuro y amorfo tras la acidificación. A De Saussure (1804) se le atribuye la introducción del término humus para describir la materia orgánica de color oscuro del suelo. Además, este investigador fue el primero en presentar la teoría de que el humus participa en la nutrición vegetal, que luego sería desarrollada ampliamente por Thaer (1809). El término ácido húmico para identificar la fracción soluble en álcali e insoluble en ácido, de la materia orgánica del suelo, tiene su origen en la época de Berzelius (1839).
Para el estudio de las propiedades químicas y coloidales de la materia orgánica en el suelo y más concretamente las sustancias húmicas, es necesario su aislamiento de la matriz inorgánica que está asociada a ella mediante la extracción química con disolventes. En base a su solubilidad, las sustancias húmicas pueden clasificarse en tres grupos universalmente reconocidos:
- Ácidos húmicos (AH): Extraíbles en medio alcalino y que precipitan al acidificar. La base de su estructura está formada por un gran grupo de estructuras aromáticas y cadenas alifáticas. Poseen diversos grupos funcionales tales como hidroxilos, carboxilos, metoxilos, fenólicos, etc. Son de color pardo oscuro y peso molecular muy alto.
- Fracción fúlvica (FF): Extraíble en medio alcalino y cuyos componentes permanecen en disolución después de acidificar el extracto. Está formada por los ácidos fúlvicos (AF) y restos de materia orgánica no humificada (NH). Para purificar los AF, se suele utilizar resinas tales como DAX-8 y polivinilpirrolidona (PVP) (Figura 4). Los AF poseen una estructura relativamente similar a la de los AH pero con un menor peso molecular. También están menos polimerizados y contienen una mayor proporción de cadenas alifáticas, a la vez que son más ricos en grupos fenólicos, hidroxílicos, carboxílicos y cetónicos.
- Huminas: No son extraíbles con disoluciones alcalinas. Debido tanto a su insolubilidad como a su naturaleza macromolecular, la humina ha sido la fracción húmica menos estudiada de todas. Gracias a técnicas como la resonancia magnética nuclear (13C-RMN) en estado sólido, se ha podido dilucidar en parte su composición y estructura. Dependiendo de la naturaleza del material húmico, se considera en general que las huminas poseen una estructura muy similar a la de los AH, tanto por su composición elemental como por su contenido en grupos funcionales.
A continuación se muestra un resumen sugerido por Stevenson (1982) de las propiedades químicas de las sustancias húmicas:
Es conocida la relación directa que existe entre la fracción húmica de la materia orgánica del suelo y la fertilidad de éste. De la abundante bibliografía existente, se puede concluir que la respuesta al tratamiento de las plantas con fracciones húmicas depende mayormente de la concentración de éstas, mostrando prácticamente en todos los casos un efecto inhibidor a altas concentraciones. El intervalo óptimo de concentración varía según las diferentes especies de plantas estudiadas y depende también de la procedencia de las sustancias húmicas empleadas.
Las sustancias húmicas ueden ejercer efectos directos e indirectos en el crecimiento de las plantas. Los efectos indirectos se refieren a la actuación de los materiales húmicos como suministradores y reguladores de la absorción de nutrientes por las plantas, además de otros efectos tales como cambios en la estructura del suelo, aumento de la capacidad de cambio catiónico, estimulación de la actividad microbiológica o de la capacidad para solubilizar o complejar ciertos iones en el suelo. Los efectos directos implican la absorción de las sustancias húmicas por las raíces de la planta afectando ciertas actividades enzimáticas y la permeabilidad de membranas.
Existe bastante controversia a la hora de discernir tanto las características de las plantas que son afectadas por las sustancias húmicas omo las propiedades de éstas que influyen en el desarrollo vegetal. De lo que no hay duda es del efecto positivo que producen las sustancias húmicas n el metabolismo de la planta en general, y específicamente en el incremento del rendimiento vegetal. Actualmente se reconoce que las sustancias húmicas ueden afectar al desarrollo vegetal comportándose de una manera similar a las hormonas del crecimiento. La incertidumbre respecto al mecanismo por el cual las sustancias húmicas stimulan la actividad bioquímica de la planta se debe en parte a la heterogeneidad de dichas sustancias y a la dificultad en su caracterización (Nardi y col., 2000).
El efecto estimulatorio que producen las sustancias húmicas n el crecimiento de las plantas, ha sido frecuentemente relacionado con el incremento en la absorción de macronutrientes y generalmente depende del origen de tales sustancias, del tipo y concentración de la solución nutritiva y de la especie y variedad de la planta tratada. Los mecanismos por los cuales los nutrientes son absorbidos por la planta y las interacciones entre ésta y el medio, son dos factores que influyen en gran medida en el efecto de las sustancias húmicas obre la absorción de nutrientes. Debido al aumento de la permeabilidad celular producida por estos componentes húmicos, se incrementa no sólo la absorción de elementos nutritivos sino también la mejor utilización de los mismos.
Los nutrientes pueden ser absorbidos por dos tipos de procesos. O bien por un mecanismo activo (proceso metabólico) mediante el cual las sustancias húmicas ueden llegar a inhibir la absorción, puesto que tienen la tendencia a complejar iones (Chen y col., 1994) o, si los nutrientes son absorbidos por medio de un mecanismo pasivo (difusión a través de los tejidos, translocación, etc.), las sustancias húmicas no intervienen en la absorción o provocan un efecto positivo (Rauthan y Schnitzer, 1981).
Hay una gran cantidad de bibliografía relacionada con el efecto de la adición de sustancias húmicas su influencia sobre la absorción de nutrientes por las plantas. Si bien, en términos generales se puede afirmar que las sustancias húmicas enefician la asimilación de nutrientes por parte de la planta, este efecto dependerá en gran medida de la dosis empleada y del tipo de planta y su forma de cultivo (suelo, sustrato, hidropónico, etc…), así como del tiempo de aplicación ya que existen numerosos trabajos en los que se pone de manifiesto que la capacidad complejante de las SH puede reducir la disponibilidad de los nutrientes a corto plazo, especialmente en el caso del Fe (Gonzálvez, 2005).
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