Ciclo del Azufre en Agroecosistemas y Reacción de los Fertilizantes Azufrados en el Suelo

Ing.Agr. Esp. Martín Torres Duggan*

Tecnoagro SRL y Comité de Fertilidad y Nutrición

Vegetal-Asociación Argentina de la Ciencia del Suelo

(AACS)

¿Cuáles son las formas de azufre en el suelo?    

El rango típico de concentración total de S en suelos agrícolas de regiones húmedas y sub-húmedas es 0,1-0,5 g kg^-1. Contenidos menores, del orden de 0,02 g kg^-1, se pueden presentar en suelos muy meteorizados de zonas húmedas. Valores más elevados (35 g kg^-1) se observan en suelos con aportes de origen marino, y de hasta 50 g kg^-1 en suelos calcáreos y salinos de zonas áridas y semiáridas. El S se encuentra en el suelo como SO4^2- en la solución, SO4^2- adsorbidos en la fase sólida, minerales con azufre y en la materia orgánica (MO). En regiones húmedas y semi-húmedas, más del 95% del S total se encuentra en forma orgánica  La forma biodisponible corresponde a los SO4^2- en solución, cuya concentración varía desde <2 mg kg^-1 de S en suelos cultivados de regiones húmedas y subhúmedas a más de 1000 mg kg^-1de S en zonas áridas y semiáridas.   

Ciclo del Azufre. Fuente: Kalipedia.

La comprensión de la naturaleza y propiedades de las formas orgánicas de S en suelos resulta muy relevante, debido a que las mismas gobiernan la liberación de S disponible para los cultivos. Existen diversos enfoques para realizar fraccionamientos de S orgánico: extracción química seguida de separación físico-química en ácidos húmicos, fúlvicos y huminas; separación física a través de tamaño de fracciones organo-minerales y fraccionamientos moleculares. En cuanto a las formas químicas de S en suelos, si bien gran parte de los compuestos orgánicos edáficos continúan sin identificarse, de acuerdo con Tabatabai (2005), es posible mencionar tres grupos de compuestos orgánicos azufrados:  

Ciclo de Azufre: Fuente: MEC

1-S orgánico que no está directamente unido con el carbono (C) y corresponderían a ésteres de sulfatos con uniones C-O-S (e.g., arilsulfatos, sulfato fenólico, polisacáridos sulfatados, entre otros).  Otros compuestos orgánicos podrían estar presentes como sulfamatos (C-N-S) y tioglucósidos sulfatados (N-O-S). Esta fracción puede representar entre 30 y 60 % del S total orgánico, con una media del 50 %, en suelos de regiones húmedas y subhúmedas.       

2-S orgánico directamente unido a C (C-S). Esta fracción correspondería en gran medida a S en forma de aminoácidos como metionina, cistina y cisteína. La concentración en suelo varía entre 10 y 30 % del S orgánico total, pero se han reportado valores de hasta 58 % en suelos de Québec (Tabatabai, 2005).

3-S orgánico no reducido por los reactivos utilizados en la estimación de las fracciones 1 y 2. Esta fracción se halla en el rango de 30 a 40% del S orgánico total. Considerando su gran resistencia a la degradación química, es una fracción de escaso valor como fuente de S disponible para las plantas.  

En la Argentina son muy escasos los estudios publicados sobre dinámica del S en el suelo, en especial en lo referido a la caracterización de formas químicas. Un trabajo relevante en este sentido lo constituye el efectuado por Mizuno et al., (1990) quienes analizaron muestras superficiales y perfiles de suelos de diferente desarrollo morfológico en ambientes de la Región Pampeana.  Los valores de S total variaron entre 205 y 363 mg kg^-1 en horizontes superficiales. El S reducible con ácido yodhídrico varió alrededor del 50% del S total, mientras que el S orgánico superó el 97% con proporciones variables de S de ésteres y S unido a C. La concentración de las diferentes formas fue mayor en Argiudoles típicos que en Hapludoles típicos. En general, la concentración de las fracciones se reducía en profundidad. Asimismo, estos autores hallaron una elevada correlación entre el S total y el C orgánico y entre el S total y el P orgánico. La relación C/S fue inferior a 100, disminuyendo en profundidad. El S total se relacionó en forma inversa con el pH de los horizontes estudiados. Investigaciones más recientes indicaron escasa variación en los contenidos de C, H y O en ácidos húmicos de suelos con diferentes texturas, aunque variaron los contenidos de N y S. Esto determinó cambios relevantes en las relaciones C:N, C:S y N:S (Galantini et al.,2008).

El ciclo del S en el sistema suelo-planta está gobernado por procesos biológicos y físico-químicos, con activa participación de la biota del suelo (Haneklaus et al., 2007). La fertilización con S ya sea en forma de SO4^2- o como Sº representa el principal ingreso de S. Otros aportes que pueden ser importantes son el riego y las capas freáticas. La contribución de las formas gaseosas de S son poco significativas en áreas alejadas de centros urbanos, industriales o distantes del mar. Las principales pérdidas o salidas de S de los agro-ecosistemas corresponden a la remoción por los productos cosechados, lixiviación y escurrimiento. La adsorción y las pérdidas gaseosas desde la superficie del suelo o desde las plantas presentan menor relevancia (Haneklaus et al., 2000). Los principales biogeociclos internos del S en suelos son la mineralización-inmovilización y la oxidación.           

La mineralización es el proceso por el cual el S presente en las fracciones orgánicas edáficas se transforman en SO4^2- biodisponibles para las plantas. En el caso del S y a diferencia de lo que ocurre con el N, es posible diferenciar dos tipos o mecanismos de mineralización: mineralización biológica y mineralización bioquímica (Anderson et al., 2006, Heneklaus et al., 2007). La mineralización biológica de S está determinada por la demanda microbiana de C para proveer energía para su crecimiento, liberando SO4^2- como subproducto de la oxidación del C a CO2. La transformación se realiza principalmente a través de microorganismos, por lo cual los factores que afectan la actividad microbiológica (e.g., temperatura, humedad, pH y disponibilidad de sustrato) también influyen en los procesos de mineralización, inmovilización, oxidación y reducción. Este proceso es similar al de la mineralización del N. La mineralización bioquímica, en cambio, implica la liberación de SO4^2- desde el pool de sulfato-ésteres a través de una hidrólisis enzimática. La arilsulfatasa es la principal enzima catalizadora en suelos.  El “pool” de éster sulfato (S-O) tiene importancia en la mineralización de corto plazo, mientras que el S ligado al C, constituye una fracción importante para la mineralización de largo plazo. La contribución de la mineralización a la demanda de S del cultivo es baja (1,7-3,1%). Por lo tanto, en esquemas de alta productividad, la fertilización azufrada constituye una herramienta fundamental para sostener los requerimientos de S de los cultivos.  

Figura 1. Ciclo del azufre en el sistema suelo-cultivo

(Kansas State University)

¿Cuál es la función del azufre en las plantas y su importancia en la producción vegetal?

El S es un elemento esencial para la nutrición vegetal, con requerimientos similares a los de fósforo (P), pero considerablemente más bajos que nitrógeno (N) y potasio (K). Las raíces absorben S como SO4^2- y luego lo reducen dentro de la planta durante la síntesis de compuestos orgánicos. A diferencia de lo que ocurre con el N, el S presenta escasa movilidad dentro de la planta, determinando que los síntomas de deficiencia se observen en las hojas más nuevas. El S participa en importantes procesos bioquímicos y fisiológicos en las plantas superiores como la biosíntesis de proteínas y lípidos, fotosíntesis, asimilación de N, fijación biológica de N, entre otras (Mengel y Kirkby, 2000; Rice, 2007).

La concentración de S en tejidos vegetales varía considerablemente según la familia y especie botánica y se encuentra asociado con el requerimiento fisiológico. En general, las gramíneas presentan menor concentración de S en tejidos que las dicotiledóneas. El índice de cosecha medio del S (i.e., proporción del S en grano en relación a la biomasa total) es más bajo que en N o P. El requerimiento y extracción de S en base seca es 5, 4 y 5 kg de S Mg^-1 de grano y  2, 1 y 4  kg de S Mg^-1 de grano, para trigo, maíz y soja, respectivamente (Ciampitti & García, 2007). En las figuras 2 y 3 se presentan las áreas con deficiencia de S en la Región Pampeana argentina y los balances de S y otros nutrientes, respectivamente.

Figura 2. Regiones con deficiencias de azufre en la Región

Pampeana argentina (Darwich, 2005). Los números

corresponden a localidades.    

Figura 3. Balances de nitrógeno (N), fósforo (P),

potasio (K) y azufre (S) en la Región Pampeana. 

Razones de insumos/exportaciones para el periodo

2004-2005 con dosis de 28% 42%, 2% y 13% de

N, P, K. S, respectivamente.   

¿Cuáles son los principales fertilizantes azufrados utilizados en la agricultura?

La mayor parte de las fuentes azufradas utilizadas en agricultura presentan el S como SO4^2- y varían desde muy poco solubles (e.g., yeso agrícola) a muy solubles (e.g., sulfato de amonio, sulfato de magnesio). Como fuentes insolubles sólidas, la más importante es el Sº, que primero debe oxidarse a SO4^2- para ser aprovechado por las plantas (PPI, 1997). En la Tabla 1 se resumen los principales fertilizantes azufrados de origen químico o mineral utilizados en la agricultura.  

Tabla 1. Principales fuentes azufradas utilizadas en agricultura

(adaptado de Fertilizer Manual, 1998 e PPI, 1997)

Fertilizante                 Fórmula química        % de S    Forma S  Estado de agregación

Sulfato de amonio                       (NH4)2SO4               24            SO42-       Sólido      

Tiosulfato de amonio                   (NH4)2S2O3              26            S2O32-     Líquido (solución)      

Sal de Epsom                           MgSO4.7H2O            13            SO42-       Sólido                                     

Yeso agrícola                            CaSO4 . 2H2O           12-18        SO42-       Sólido                                      

Sulfato de magnesio hidratado      Mg SO4 . H2O           22            SO42-       Sólido      

Sulfato de magnesio anhidro        Mg . SO4                 26            SO42-      Sólido

Sulpomag                                 K2SO4 2 .MgSO4       22            SO42-       Sólido

Sulfato de potasio                       K2SO4                      18            SO42-       Sólido

Azufre elemental                        S°                            30-100      S°            Sólido

Superfosfato simple                    Ca (H2PO4)2                            

+CaSO4.2H2O          14            SO42-       Sólido                      

Superfosfato triple                       Ca (H2PO4)2                            

                                               +CaSO4.2 H2O          <1            SO42-       Sólido                      

En la Región Pampeana, las principales fuentes azufradas sólidas utilizadas en cultivos de granos son el sulfato de amonio (SA), yeso agrícola (YS) y superfosfato simple de calcio (SPS) (Torres Duggan, 2008, Rodríguez, 2007). EL SA también es considerado una fuente nitrogenada, lo mismo con el SPS, que es una fuente fosfatada y azufrada. Todas estas fuentes son solubles en agua. El YS es la fuente sulfatada sólida menos soluble (2,6 g L^–1 a 25°C), considerablemente más baja que las sales solubles (Porta et al., 2003). Esta fuente, al igual que otros minerales utilizados en la agricultura pueden variar considerablemente en su pureza y  contenido de S. Relevamientos de muestras de YS efectuados en la Argentina indican importantes variaciones en su pureza mineralógica y contenido de S biodisponible (Ponce y Torres Duggan, 2005; Torres Duggan, 2007). Estas variaciones también se pueden presentar en fuentes azufradas de origen mineral como el AE. Sin embargo, a diferencia de lo mencionado con el YS, la tendencia en la provisión moderna de este tipo de agro-minerales se orienta hacia fuentes de AE más concentradas en S.  

En el ámbito agropecuario, el azufre elemental (AE) es utilizado principalmente como enmienda para corregir la alcalinidad de suelos. Sin embargo, el uso del AE como fertilizante azufrado, también representa un destino relevante. El consumo de AE registró un importante crecimiento a nivel global, sobre todo en regiones como China, Africa y Latinoamérica. En la Argentina el uso de esta fuente es escasa, pero con un potencial interesante, tanto en como fuente azufrada individual, como formando parte de fertilizantes compuestos.

¿Cómo reaccionan los fertilizantes azufrados en el suelo?

Los fertilizantes azufrados solubles en agua (e.g. SPS, yeso, sulfato de amonio, etc.) una vez aplicado en el suelo y solubilizado el gránulo se encuentra disponible para las plantas. El SPS presenta una reacción inicial relativamente ácida, el yeso presenta reacción neutra y el sulfato de amonio una reacción ácida. Una vez disuelto los gránulos del fertilizante, el sulfato ingresa en las interacciones del suelo y también de las plantas, quedando sometido a los diferentes procesos mencionados previamente (absorción por las plantas, pérdidas, etc.).  

La disponibilidad de S del AE depende tanto de factores vinculados con el tipo de mineral (área superficial específica), tipo de suelo (actividad microbiana, pH, MO, etc) y también de las condiciones ambientales tras la aplicación, fundamentalmente temperatura y humedad. El azufre elemental (S°), cuando se trata de productos con elevada pureza, puede contener más del 95% de S. Se lo utiliza tanto como acidificante de suelos, como fuente de S en productos complejos y mezclas físicas. El S elemental, debe oxidarse en el suelo para luego producir sulfatos disponibles para los cultivos.  

S° + 2 02 + H2O —›      H2SO4

Esta reacción, generadora de acidez, esta mediada principalmente por bacterias del género Thiobacillus y como en todo proceso biológico, la velocidad de la reacción esta determinada básicamente por la temperatura y en este caso particular también por el potencial de óxido- reducción del suelo. Otros factores que inciden en la tasa de disolución y reacción del producto son el tamaño de partícula y la forma de aplicación. Si bien se ha detectado oxidación microbiana a bajas temperaturas (4° C), el rango térmico óptimo se encuentra entre  25 y 35 °C, siendo muy lento a temperaturas menores a 10 °C (Darwich, 1998).