¿Cómo Maximizar la Eficiencia de los Fertilizantes Fosfatados?

Introducción

La disponibilidad global de fósforo (P) en los suelos es generalmente baja, lo que hace que la fertilización sea esencial para garantizar la productividad agrícola y la seguridad alimentaria (Tilman et al., 2011). Con el pronóstico de un aumento del 100-110% en la demanda mundial de alimentos para 2050, se espera una intensificación de la explotación de las áreas agrícolas, lo que resulta en una mayor necesidad de fertilizantes, especialmente los fosfatados (Tilman et al., 2011). Sin embargo, los fertilizantes producidos a partir de rocas fosfóricas pueden reducir su disponibilidad natural en un 60% para el año 2100 (Van Vuuren et al., 2010). Dada la falta de sustitutos para el P y los límites de las reservas mundiales de roca fosfórica, los costos de estos fertilizantes pueden aumentar. Por lo tanto, se destaca la importancia de aumentar la eficiencia en el uso de estos fertilizantes para mantener la productividad agrícola y la seguridad alimentaria mundial.

El P es uno de los 14 elementos minerales esenciales para el desarrollo de las plantas (Fraústo da Silva & Williams, 2001) y se absorbe del suelo en forma de ortofosfato (H2PO4- y HPO42), desempeñando un papel crucial en los procesos metabólicos. Tales como, componente de ácidos nucleicos, nucleótidos, membranas de fosfolípidos y coenzimas. Además, el P participa en la codificación genética, la captura y transferencia de energía, el desarrollo celular y las modificaciones de proteínas (Fraústo da Silva &Williams, 2001).

El suelo es el principal reservorio accesible de P en los sistemas terrestres, con concentraciones promedio de 1.000 a 800 mg/kg en la corteza terrestre y los suelos, respectivamente. El manejo efectivo de los fertilizantes fosfatados en los suelos agrícolas tiene como objetivo abastecer la demanda de las plantas, minimizando las pérdidas, aunque es un desafío debido a la fuerte unión de P en los óxidos e hidróxidos de hierro y aluminio de la fase sólida del suelo (Bowen, 1979; Sparks, 2003).

En suelos tropicales, la fijación de P con la fase sólida del suelo es grande, resultando en una utilización por parte de las plantas en el rango entre 5 a 25% del P aplicado como fertilizante. La adsorción de P es más pronunciada en suelos tropicales altamente erosionados, con bajo pH y prevalencia de óxidos de hierro y aluminio, en comparación con los suelos en regiones templadas (Maluf et al., 2018).

Sin embargo, en entornos bien manejados, los estudios indican que estos fertilizantes pueden presentar una menor pérdida, proporcionando una mayor eficiencia agronómica al maximizar la absorción de las plantas, contribuyendo así a aumentar la productividad de los cultivos agrícolas (Nunes et al., 2023).

Dinámica del P en el suelo

El P en el suelo toma varias formas químicas, incluyendo el P inorgánico (Pi) y el P orgánico (Po). En general, Pi representa el 35-75% del P total en el suelo (Harrison, 1987). Los minerales primarios de P como la apatita, la estrengita y la variscita son altamente estables, y la liberación de P disponible de estos minerales se produce lentamente, lo que dificulta el suministro de la demanda de los cultivos. Los minerales secundarios de P, que contienen calcio (Ca), hierro (Fe) y aluminio (Al), tienen velocidades de disolución variables según el tamaño de partícula y el pH del suelo (Hinsinger, 2001, Pierzynski et al., 2005, Antelo et al., 2005; Pavinato et al., 2009). El P adsorbido en varias arcillas y óxidos de Fe y Al puede liberarse a través de reacciones de desorción, lo que representa un equilibrio complejo entre formas estables, con disponibilidad moderada, y fracciones disponibles para las plantas, como P lábil y P en solución (Figura 1).

La fracción no lábil de P está fuertemente unida por una reacción bidentada a los coloides del suelo, siendo predominantemente no disponible para las plantas y constituyendo la mayor parte del P presente en el suelo. En suelos ácidos, el P es adsorbido principalmente por Al y Fe, formando complejos con minerales como gibbsita, hematita y goethita (Parfitt, 1989) que limitan la disponibilidad de P a las plantas (Arai & Sparks, 2007).

El proceso de fijación de P se desencadena por la atracción electrostática entre las cargas del ion fosfato (H2PO4) y las cargas positivas de la arcilla. La adsorción posterior implica el intercambio de ligandos, como OH– y OH2+, de la superficie de los óxidos, por el H2PO4– presente en la solución (Figura 1). La fijación ocurre cuando se producen dos enlaces coordinados con la superficie de la arcilla, a diferencia de un enlace simple, estos dos enlaces evitan la desorción de P (Sposito, 2008).

Figura 1. Ilustración de las formas de fósforo en el suelo divididas en P en solución, P lábil y P fijo. También se presenta el esquema de absorción de P a través de enlaces mono y bidentados, demostrando la formación de fósforo lábil a no lábil en el suelo (Fuente: Figura creada por el autor)

En los suelos, el P-orgánico (Po) representa del 30% al 65% del P total en los suelos (Harrison, 1987). El Po se encuentra predominantemente en formas estables, como los fosfonatos, y en formas activas, como los diésteres de ortofosfato, los monoésteres de ortofosfato lábiles y los polifosfatos orgánicos (Turner et al., 2005). La liberación de Po ocurre a través de procesos de mineralización, mediados por organismos del suelo y raíces de plantas, asociados con la secreción de fosfatasa. Estos procesos están influenciados por la humedad del suelo, la temperatura, las propiedades fisicoquímicas de la superficie, el pH y Eh del suelo (potencial redox). La transformación de Po ejerce una influencia significativa en la biodisponibilidad general del fósforo en el suelo (Turner et al., 2005).

Además, las sustancias húmicas presentes en el suelo o añadidas a los fertilizantes juegan un papel crucial en la disponibilidad de P. Derivadas de la descomposición de la materia orgánica, estas sustancias tienen la capacidad de complejar iones metálicos e interactuar con el P, formando complejos orgánicos que reducen la fijación de este nutriente por los coloides del suelo. La presencia de sustancias húmicas favorece la solubilización del P, haciéndolo más accesible a las plantas (Stevenson, 1994).

Dinámica de P en la rizosfera

La rizosfera constituye la zona crítica de interacciones dinámicas entre plantas, suelos y microorganismos. Las raíces de las plantas desempeñan un papel crucial en la modificación del entorno de la rizosfera al influir en los procesos químicos y biológicos a través de actividades fisiológicas como la exudación de compuestos orgánicos, incluidos ácidos orgánicos, fosfatasas y sustancias de señalización específicas. Estos compuestos son impulsores fundamentales de diversas dinámicas en la rizosfera, determinando no solo la movilización y adquisición de nutrientes del suelo, sino también la dinámica microbiana (figura 2). Estos procesos, a su vez, tienen un impacto sustancial en la eficiencia del uso de nutrientes en los cultivos, ejerciendo una influencia directa en su productividad (Hinsinger et al., 2009; Richardson et al., 2009).

El P, debido a su baja solubilidad y movilidad en el suelo, enfrenta el riesgo de agotamiento en la rizosfera debido a la absorción por las raíces, lo que resulta en un gradiente de concentración de P que disminuye radialmente desde la superficie de la raíz. Aunque el contenido total de P en el suelo a menudo excede las necesidades de las plantas, la movilidad limitada restringe su disponibilidad. En la rizosfera, el P en la solución del suelo debe reemplazarse de 20 a 50 veces por día, proporcionando P de la fase sólida del suelo para satisfacer las demandas de las plantas (Marschner, 1995). Por lo tanto, la dinámica de P en la rizosfera se rige en gran medida por el crecimiento y la función de las raíces, estando fuertemente interconectada con las propiedades físicas, químicas y biológicas del suelo (Neumann & Römheld, 2002).

Debido a las características únicas de P en el suelo, como su baja solubilidad, movilidad restringida y fuerte fijación por la matriz del suelo, la disponibilidad de P para las plantas está regulada predominantemente por dos procesos principales. En primer lugar, la disponibilidad espacial y la adquisición de P están relacionadas con la arquitectura de la raíz de la planta y la asociación micorrízica. En segundo lugar, la biodisponibilidad y la adquisición de P están determinadas por los procesos químicos y biológicos específicos que ocurren en la rizosfera. Esta compleja interacción resalta la importancia de comprender y gestionar la dinámica de P en la rizosfera para optimizar la disponibilidad de este nutriente vital para el desarrollo de las plantas (Shen et al., 2011).

Figura 2. Dinámica del fósforo en la rizosfera vegetal dividida en adquisición de fósforo, distribución espacial y biodisponibilidad (Fuente: Adaptado de Shen et al., 2011)

Fertilizantes de fosfato de eficiencia mejorada

Según el Instituto Internacional de Nutrición Vegetal (IPNI), el consumo de fertilizantes fosfatados en Brasil (uno de los líderes mundiales en la producción y exportación de productos agrícolas) fue de 5.000 toneladas a finales de 2016 y este número fue 3 veces superior a la tasa registrada para el mundo. El manejo adecuado de los fertilizantes es crucial desde el punto de vista económico para maximizar la productividad y la rentabilidad, optimizar el uso de la tierra y reducir la necesidad de nuevas áreas cultivadas (Benício et al., 2017).

Además, se deben considerar los posibles “efectos secundarios” de un manejo inadecuado de los fertilizantes de fosfato, específicamente la contaminación de los cursos de agua u otras aguas superficiales cerca de los campos de cultivo por nutrientes. Resultando en la eutrofización, que es el crecimiento excesivo de plantas y algas en el agua, reduciendo su calidad (Beegle et al., 2002).

Las técnicas de cultivo convencionales a menudo se asocian con un manejo inadecuado de fertilizantes y un uso ineficiente de nutrientes por parte de las plantas, lo que lleva a bajos rendimientos y posibles daños al medio ambiente. Las aplicaciones excesivas de P, en general, son inútiles, ya que no está disponible para las plantas debido a la inmovilización por precipitación con cationes, especialmente Fe3 + y Al3+ (Gyaneshwar et al., 2002). El uso de fertilizantes de eficiencia mejorada evita la aplicación excesiva de fertilizantes de fosfato, previniendo su inmovilización en el suelo y proporcionando una disponibilidad más constante de fosfato después de la fertilización del suelo (Da Cruz et al., 2017). Por lo tanto, el efecto real de estos materiales tiene que ver con el stock de fosfato para la fertilidad del suelo disponible para su uso en futuros cultivos.

Los ácidos orgánicos pueden bloquear los sitios de adsorción de P, reduciendo la adsorción de este nutriente (Borggaard et al., 2005). Estos ácidos orgánicos, además de complejar el hierro y el aluminio presentes en la solución del suelo, forman el complejo P al reducir la precipitación, por lo tanto, los compuestos orgánicos de P tienen su mayor disponibilidad (Andrade et al., 2013). Así, los fertilizantes fosfatados asociados a ácidos orgánicos disminuyen la adsorción de P por el suelo y aumentan su disponibilidad para las plantas (Ruiz et al., 1988). Esta mezcla reduce la adsorción de P protegiéndolo químicamente (manteniendo P en la solución alrededor de los gránulos de ácido orgánico) (Figura 2).

Según Guppy et al. (2005), los ácidos orgánicos se unen con el hierro y el aluminio en la solución del suelo o compiten por los sitios de adsorción en la matriz del suelo. En ambos casos, reduce la intensidad de adsorción/precipitación y, en consecuencia, afecta directamente la disponibilidad de P (Figura 2).

Figura 3. Esquema que muestra el proceso de solubilización de fertilizante fosfato convencional y fertilizante con tecnología MaxxiPhos de ICL con recubrimiento de polímeros + ácidos orgánicos. En el fertilizante convencional, el H2PO4- liberado en la solución del suelo se une con los óxidos de Fe y Al, mientras que en la tecnología MaxxiPhos de ICL, los polímeros + ácidos orgánicos forman una barrera y, por lo tanto, retrasan la unión de H2PO4- con estos minerales del suelo.

Se han estudiado alternativas tecnológicas para aumentar la disponibilidad de P en suelos tropicales (Stauffer et al., 2019). Actualmente, los fertilizantes de fosfato recubiertos de polímero se utilizan para hacer que el P esté gradualmente disponible para las plantas y aumentar la disponibilidad de este nutriente durante largos períodos (Figura 2) (Trenkel, 2010).

Los fertilizantes de fosfato recubiertos de polímero tienen características que afectan la entrada de agua en las microgrietas de los gránulos de fertilizante, pueden ofrecer un mayor control sobre la disolución de P y posiblemente la disponibilidad de P. Actualmente, los fertilizantes de fosfato recubiertos de polímero se utilizan en un intento de aumentar la eficiencia del fertilizante y extender el período durante el cual los nutrientes estarán disponibles (Trenkel, 2010). Para el P, los recubrimientos poliméricos no solo conducen a su liberación gradual en la solución del suelo, sino que también reducen la intensidad de su adsorción al proporcionar protección física, minimizando el contacto directo del fertilizante con la superficie coloidal. Figueiredo et al. (2012) evaluaron el efecto en la producción de maíz de la aplicación de fertilizante de fosfato recubierto con polímero, y encontraron que el recubrimiento polimérico promovió un aumento de 3,48 t ha-1 en relación con el producto no recubierto. Un resultado similar fue encontrado por Cruz et al. (2017) estudiaron el efecto del fertilizante DAP recubierto de polímero sobre la disponibilidad de P en un latosol. Según los autores, el recubrimiento de DAP con polímeros aumentó la disponibilidad de P debido a su liberación más lenta y al menor tiempo de contacto e interacción de P con los coloides del suelo.

Los fertilizantes mejorados en eficiencia tienen el potencial de mejorar la liberación de nutrientes y reducir el impacto ambiental en comparación con los fertilizantes minerales convencionales. Los materiales de recubrimiento inorgánicos y/u orgánicos se pueden utilizar como barreras de difusión para producir fertilizantes de mayor eficiencia y para controlar la tasa de liberación de fósforo (Bernardo et al., 2018).

Ácidos orgánicos en el desarrollo de plantas

Las sustancias húmicas son los principales componentes de la materia orgánica del suelo y son objeto de estudio en varias áreas de la agricultura, como la química del suelo, la fertilidad, la fisiología vegetal, así como las ciencias ambientales, debido a los múltiples roles que desempeñan estos materiales que pueden beneficiar enormemente el crecimiento de las plantas (Tan, 1998 ). Están compuestos por diferentes complejos de nitrógeno que comprenden el grupo amino en descomposición y complejos aromáticos (Arjumend et al., 2015).

En presencia de grupos carboxilo (COOH-) y fenólicos (OH-), estos complejos orgánicos afectan las propiedades del suelo y las propiedades fisiológicas de las plantas (Robert et al., 2014). Los ácidos fúlvicos tienen una participación directa e indirecta en el crecimiento de las plantas (Sharif et al., 2002). La agregación del suelo, la aireación, el crecimiento microbiano, la mineralización de la materia orgánica, la capacidad de retención de agua y el transporte de macro y micronutrientes se mejoran indirectamente en presencia de sustancias húmicas (Saruhan et. al., 2011; Daur et al., 2013).

Debido a las propiedades complejantes, varios micronutrientes se complejan aún más con ácidos húmicos para formar quelatos orgánicos (Barron et al., 1981). Estos quelatos se utilizan para superar una deficiencia específica en el suelo y se utilizan siempre que sea necesario en la regulación del crecimiento de las plantas (Yingei et al., 1988). Se ha informado ampliamente en la literatura que los ácidos orgánicos influyen en la absorción de iones del suelo, como el fosfato en la remolacha (Vaughan y MacDonald, 1971), NO3- , SO42- y K en la avena y la cebada ( Maggioni et al., 1987) y micronutrientes en el maíz (Sharif et al., 2002).
Múltiples procesos de las plantas se ven afectados por las sustancias húmicas, incluida la actividad enzimática, el metabolismo de las proteínas, la fotosíntesis, la respiración y la absorción de agua y nutrientes. Se ha estudiado que estos mecanismos involucran flujos hormonales, hidroxiprolina: prolina, permeabilidad de la membrana celular, componentes de transporte de la cadena de electrones, actividad de radicales libres dentro de la estructura húmica y especies reactivas de oxígeno en las plantas (Vaughan & Malcolm, 1985; Vaughan et al., 1985; Vaughan, 1986; Visser, 1986; Berbara & Garcia, 2014; Calvo et al., 2014). Investigaciones recientes han abordado la actividad de la H+ -Enzima ATPasa (Zandonadi et al., 2013; Calvo et al., 2014; Canellas & Olivares, 2014), que se encuentra en la membrana celular y bombea protones fuera de la célula, creando un gradiente electroquímico a través de la membrana que puede ser explotado por otros transportadores unidos a la membrana para importar nutrientes, que a su vez atraen el agua. En condiciones controladas, estos efectos se asocian con cambios beneficiosos en los flujos hormonales de las plantas (Mora et al., 2010). Lazzarini et al. (2014) observaron una respuesta en el crecimiento de raíces de caña de azúcar con la aplicación de sustancias húmicas (Figura 4).

En general, las características fisiológicas de las plantas se ven directamente afectadas por los ácidos húmicos y fúlvicos, que se sabe que aumentan principalmente el crecimiento de las raíces y la absorción de nutrientes (Eyheraguibel et al., 2008), pero hay otras actividades por las cuales, como para P, la biodisponibilidad de los micronutrientes depende del pH y la fertilidad del suelo, así como de la presencia de otros iones (sinergia o antagonismo) (Barker & Pilbeam, 2015). La Tabla 1 muestra la influencia de los micronutrientes en la fisiología vegetal y presenta los síntomas relacionados con las deficiencias.

Figura 4. El sistema radicular de la caña de azúcar se sometió (b) o no (a) a la aplicación de sustancias húmicas (Lazzarini et al. 2014).

Importancia de los micronutrientes en los fertilizantes fosfatados

Los suelos brasileños, aunque vastos y diversos, en la mayor parte del territorio tienen baja disponibilidad de nutrientes para el desarrollo vegetal (Figura 5) (Embrapa, 2018). La diversidad geológica, desde los Latosoles altamente erosionados hasta los Argisoles más jóvenes, resulta en una pérdida intensa de nutrientes, especialmente minerales solubles en agua, lo que resulta en suelos ácidos y agotados (Embrapa, 2018).
La acidez del suelo, influenciada por la presencia de minerales como la gibbsita y la goethita, es común, reduciendo la disponibilidad de nutrientes como el fósforo y el calcio, comprometiendo la absorción por las raíces (Malavolta et al., 1997). Además, la erosión del suelo, derivada de un uso inadecuado, contribuye a la pérdida física, química y biológica, afectando negativamente la capacidad de sostener los cultivos. La intensificación de la producción agrícola, caracterizada por el cultivo extensivo y el monocultivo, puede agotar rápidamente los nutrientes del suelo, disminuyendo su fertilidad con el tiempo (Embrapa, 2018).

Figura 5. Disponibilidad de nutrientes que van desde muy restringidos a no restringidos en el territorio brasileño (Lopes & Fox, 1977).

Debido a las funciones que realizan en la planta, los micronutrientes no pueden ser reemplazados por otros componentes y son cruciales para el correcto desarrollo de las plantas. Debido al avance de las zonas agrícolas en Brasil y la búsqueda de fertilizantes más concentrados, los fertilizantes químicos incluían solo macronutrientes, principalmente nitrógeno, fósforo y potasio. Con el uso de sistemas de producción más intensivos, los suelos comenzaron a agotar sus reservorios de micronutrientes y se hicieron necesarios los fertilizantes de micronutrientes (Duhan et al., 2017).

Aunque el contenido total de micronutrientes en el suelo (boro, zinc, cobre, hierro, manganeso) parece suficiente, los niveles de biodisponibilidad y las formas solubles son insuficientes para satisfacer las necesidades de las plantas. Por ejemplo, el zinc disponible para las plantas en el suelo es solo el 1% del zinc total (Gupta, 2005).
Los micronutrientes son de gran importancia para el correcto crecimiento de las plantas y juegan un papel clave en la definición de su morfología y anatomía. La deficiencia de uno solo de los micronutrientes puede causar enfermedades y comprometer su desarrollo y productividad. La Figura 6 muestra el efecto de la presencia y ausencia de boro en suficientes plantas de canola, soja y maíz con deficiencia de boro que influyen directamente en el crecimiento de las raíces.

Figura 6. Efecto del aporte bajo y adecuado de boro en el sistema radicular de canola, soja y maíz. Imagen: Dr. Ismail Cakmak (Sabanci University).

Al igual que con el P, la biodisponibilidad de los micronutrientes depende del pH del suelo y su fertilidad, así como de la presencia de otros iones (sinergia o antagonismo) (Barker & Pilbeam, 2015). La Tabla 1 muestra la influencia de los micronutrientes en la fisiología vegetal y presenta los síntomas relacionados con las deficiencias.

Tabla 1. . Papel de los micronutrientes en el crecimiento de las plantas.