Dinámica del potasio en vertisoles y fluvisoles cultivados con caña de azúcar*

Potassium Dynamics in Vertisols and Fluvisols Planted with Sugarcane

Gloria Ivette Bolio-López¹, Sergio Salgado-García^2‡, David Jesús Palma-López³, Luz del Carmen Lagunes-Espinoza³, Mepivoseth Castelán-Estrada² y Jorge D. Etchevers-Barra³

¹ Universidad Popular de la Chontalpa. 86500 Cárdenas, Tabasco, México.

³ Colegio de Postgraduados, Campus Montecillo. 56230 Montecillo, Estado de México.

Recibido: enero de 2007.
Aceptado: febrero de 2008.

RESUMEN

Se determinó el tamaño de los reservorios de potasio (K) y el efecto de la aplicación de K en la dinámica de las fracciones de potasio soluble (Ks), potasio intercambiable (Ki), potasio no intercambiable (Kni) y la capacidad amortiguadora del potasio (cK) de un Vertisol y Fluvisol cultivados con caña de azúcar en tres plantaciones con 10, 20 y 30 años de monocultivo. En cada sitio se colectó una muestra compuesta de suelo (100 kg por cada tipo de suelo y edad de la plantación). De esta masa de suelo se pesaron submuestras de 250 g, a las cuales se les adicionó 100 mg kg^-1 de K como KCl y se mezclaron uniformemente, se humedecieron a capacidad de campo y se colocaron a incubar durante 0, 1, 3, 7, 15, 30, 60, 90, 120 y 150 días; el ensayo constó de cinco repeticiones, para cada fecha de incubación se retiró la serie correspondiente y se les determinó Ks, Ki y Kni. El tamaño de los reservorios nativos (tiempo 0) de Ks, Ki y Kni varió en función del tipo de suelo, independientemente de los años de monocultivo. La concentración de Ks y Ki fue mayor en el Fluvisol que en el Vertisol, por la presencia de arcillas tipo illita ricas en K. Como consecuencia de la adición de K soluble, se incrementó la concentración de Ks y Ki en ambos tipos de suelos, independientemente de los años de monocultivo, siguiendo la misma tendencia que se observó al determinar el tamaño de los reservorios nativos. La disminución de las formas solubles e intercambiables de K y el incremento de las no intercambiables (fijación), finalizaron a los 30 días de incubación. El Vertisol presentó una cK similar al Fluvisol, ya que en promedio, la fijación de K fue de 36%. No hubo efecto del tiempo de monocultivo en la dinámica de K.

Palabras clave: capacidad amortiguadora de potasio.

The size of potassium (K) reservoirs and the effect of K supply on the dynamics of soluble K (Ks) fractions, exchangeable K (Ke), non-exchangeable K (Kne), and buffer capacity of K (cK) of a Vertisol and a Fluvisol planted with sugar cane in three plantations with 10, 20, and 30 years of monocropping were determined. At each site a compound soil sample (100 kg for each soil type and age of plantation) was collected. Of this soil mass, 250 g subsamples were weighed, 100 mg kg^-1 K were added as KCl. These subsamples were mixed uniformly, moistened to field capacity, and incubated during 0, 1, 3, 7, 15, 30, 60, 90, 120, and 150 days. The test consisted of five replications; for each incubation date the corresponding samples was withdrawn, and Ks, Ke, and Kne were determined. The size of the native reservoirs (time 0) of Ks, Ke, and Kne varied according to soil type, regardless of years of monocropping. Ks and Ke concentrations were higher in Fluvisol than in Vertisol, caused by the presence of illite-type lime particles, rich in K. As a consequence of the addition of soluble K, the concentration of Ks and Ke increased in both soil types, regardless of years of monocropping, following the same tendency as observed in determining the size of native reservoirs. The decrease in the soluble and exchangeable forms of K and the increase of the non-exchangeable K ended at 30 days of incubation. Vertisol presented a cK equal to that of Fluvisol (36%). There was no effect of monocropping time on the K dynamics.

Keywords: potassium buffer capacity.

INTRODUCCIÓN

El potasio (K), elemento esencial para el crecimiento y el desarrollo de la caña de azúcar, es demandado en mayores cantidades que otros nutrimentos que aporta el suelo. En el estado de Tabasco, México la caña de azúcar es cultivada en 27 041 ha, en suelos derivados de aluviones recientes pertenecientes a las unidades Fluvisol, Vertisol, Gleysol, Cambisol, Leptosol y Luvisol (Salgado et al., 2005), siendo uno de los cultivos comerciales más importantes. Si las reservas de K en esos suelos no son suficientes para compensar el K extraído por las plantas, este elemento se convertirá en un factor limitante para la producción. La extracción de K por la planta de caña de azúcar supera los 350 kg ha^-1 pero varía en función de la variedad y el rendimiento obtenido. Jafri (1987) encontró que esta planta extraía 150 kg ha^-1 de K₂O en promedio, en suelos aluviales de la provincia de Uttar Pradesh en la India, para satisfacer la demanda impuesta para producir 16.6 Mg ha^-1 de azúcar. En contraste, Palma-López et al. (2002) reportan extracciones de 354 kg ha^-1 con la variedad Méx 68-P-23 que alcanzó rendimientos de 94 Mg ha^-1 y extracciones de 431 kg ha^-1 con la variedad Méx 57-453 que tuvo rendimientos de 97 Mg ha^-1; la primera variedad se había cultivado en un Vertisol y la segunda en un Fluvisol, ambos en el estado de Tabasco, México.

Las principales unidades de suelos que constituyen el área de cultivo del ingenio Santa Rosalía, objeto de este estudio, son Fluvisol y Vertisol. Estos suelos se han cultivado de manera continua con caña de azúcar por más de 30 años y durante este período, la fertilización ha estado constituida por aplicaciones anuales de 120-60-60 kg ha^-1 de N, P₂O₅ y K₂O, con lo que se ha obtenido un rendimiento promedio de 50 Mg ha^-1 de caña. Sin embargo, el rendimiento potencial en esa zona se estima en 130 Mg ha^-1, por lo cual se sospecha que pudiese existir un problema con el abastecimiento de algún nutrimento. Se sabe que el rendimiento de caña de azúcar es determinado, además por otros factores importantes, como el manejo agronómico, el tipo y la edad de la variedad, el clima, el estado nutrimental de los suelos, las plagas y las enfermedades.

Ribón et al. (2003) han señalado que el monocultivo de caña de azúcar no altera el reservorio de K en Vertisoles. No obstante, la dosis de fertilización aplicada en los suelos del ingenio Santa Rosalía y el conocimiento de las altas extracciones de K que realiza la caña de azúcar durante cada ciclo de cultivo, supone que éstas no serían suficientes para satisfacer la demanda potencial de 577 kg ha^-1 de K₂O del cultivo. Dado que los trabajos de campo para recomendar dosis de fertilización en caña de azúcar requieren de varios años de estudio y grandes cantidades de recursos, Salgado et al. (2005) propusieron el empleo de un sistema integrado para recomendar dosis de fertilización (SIRDF) para este cultivo. El SIRDF permite generar y validar recomendaciones de fertilización mediante siete etapas, y toma en cuenta el potencial del suelo y la variedad de caña cultivada. La etapa cinco de este sistema utiliza el modelo conceptual (Rodríguez, 1990) para establecer las dosis de fertilización para N, P y K. Las bases del modelo conceptual indican que para alcanzar un rendimiento en cierta condición agroecológica se debe satisfacer un balance entre la demanda de un nutrimento por el cultivo (DEM) y el suministro que hace de este nutrimento el suelo (SUM).

La estimación del suministro que hace el suelo comprende, por un lado, la capacidad de éste para aportar el nutrimento y, por otro, la eficiencia de la planta para absorber el nutrimento disponible en ese medio. En el caso de K, existen tres fracciones importantes para la nutrición de los cultivos. Estas formas se encuentran en equilibrio dinámico, el cual se modifica por las entradas de K al sistema, mediante la fertilización y los residuos de cosecha, y por las salidas de K por la absorción del mismo por los cultivos. El suministro de K del suelo a la planta se puede calcular mediante el análisis químico de suelo. Por lo tanto, para definir y generar información acerca de la dinámica del K en los suelos cañeros, es necesario conocer los cambios en los equilibrios de los diferentes reservorios de K que se producen con el transcurso del tiempo al adicionarles un fertilizante potásico.

El presente trabajo tiene el propósito de estudiar, en condiciones controladas, el efecto del monocultivo sobre el tamaño de los reservorios de K y el cambio en los mismos al agregar un fertilizante potásico, en suelos cañeros del área de abastecimiento del ingenio Santa Rosalía, en el estado de Tabasco, que han permanecido en monocultivo por más de 30 años.

MATERIALES Y MÉTODOS

Se seleccionaron para el estudio tres plantaciones de caña de azúcar con 10, 20 y 30 años de monocultivo ubicadas en dos unidades de suelos: Vertisol y Fluvisol, en el área de abastecimiento del ingenio Santa Rosalía, Tabasco, México. En cada una de ellas se colectó una muestra compuesta de suelo. Las muestras se tomaron en puntos sobre una diagonal imaginaria trazada en la parcela, de 0 a 30 cm de profundidad, 15 cm de ancho y una longitud de 1.3 m. Posteriormente, estas muestras se mezclaron para formar una muestra compuesta de 100 kg (por cada unidad de suelo y edad de la plantación). El tratamiento con 0 años de monocultivo se colectó de una selva mediana perennifolia para el Vertisol y de una plantación de cacao para el Fluvisol, y sólo se utilizó para estimar los reservorios en estado inicial, por lo cual no estuvo sujeto a incubación.

El estudio del K en esos suelos se realizó en tres etapas. La primera fue la determinación del tamaño de los reservorios Ks, el cual corresponde al K presente como ion en la solución del suelo; el Ki, es la fracción de reserva de respuesta rápida, está adsorbido en las arcillas, compensa las cargas negativas que resultan de las sustituciones isomórficas en la estructura de éstas o de las fracturas del cristal, y se encuentra en equilibrio con el Ks; y el Kni, es una fracción que aporta K a las fracciones de donde las plantas toman el K con facilidad (i.e. Ks y Ki); el K es retenido en sitios específicos en la periferia de la estructura de las arcillas, en especial micáceas que constituye parte importante de la fracción fina. La segunda, el establecimiento de las tasas de cambio en el tamaño de los reservorios de Ks y Ki, que resultaron de la adición de fertilizante potásico. La tercera etapa consistió en definir la capacidad amortiguadora del potasio (cK) que se considera un índice de la labilidad del Ki y caracteriza el equilibrio entre el Ki y el Ks (Aguado et al. , 2002); y el establecimiento de una relación cuantitativa entre este valor y el contenido y el tipo de arcilla de los suelos con diferentes tiempos de monocultivo con caña de azúcar.

Se estableció un experimento, en condiciones controladas con un diseño factorial de tratamientos, donde los factores y niveles evaluados fueron: (a) unidad de suelo con dos niveles, Vertisol y Fluvisol; (b) tiempo de monocultivo, con tres niveles, 10, 20 y 30 años; y (c) tiempo de incubación con 10 niveles, 0 (suelo sin incubar), 1, 3, 7, 15, 30, 60, 90, 120 y 150 días de incubación. Los tratamientos resultantes de la combinación de los tres factores y sus niveles se alojaron en un diseño completamente al azar. Cada tratamiento se repitió cinco veces. La unidad experimental (UE) era un contenedor de polipropileno que contenía 250 g de suelo. El total de UE fue de 300.

Los reservorios se determinaron de la siguiente forma: (a) el Ks con CaCl₂ 0.01 M (Houba et al., 1986); (b) el de Ki con acetato de amonio 1N, pH 7, una relación suelo:solución 1:10 (Pratt et al., 1982); y (c) el de Kni con HNO₃ 1 N (ebullición por 10 min) (Pratt et al., 1982), utilizando una muestra de 5, 1 y 2.5 g de suelo en Ks, Ki y Kni, respectivamente.

El cambio del tamaño de los reservorios se midió después de adicionar 47.71 mg de KCl a 250 g de suelo, cantidad equivalente a una aplicación de 100 mg de K kg^-1 de suelo. El suelo tratado se colocó en un contenedor de polipropileno, se humedeció a capacidad de campo y se incubó a temperatura ambiente (30 °C) durante 60 días. La humedad se mantuvo adicionando agua para mantener peso constante cada tercer día. En los suelos incubados, así como en los nativos (sin incubar), se hicieron extracciones sucesivas de las fracciones Ks y Ki hasta alcanzar un valor constante de K. Los procedimientos empleados fueron los descritos anteriormente.

En la tercera etapa se determinó la mineralogía de cada uno de los sitios de estudio a través de la técnica de difracción de rayos X, utilizando la fracción fina (< 2 mm) del suelo. La metodología empleada fue la descrita por Aguado et al. (2002) para un estudio similar. La caracterización se hizo en muestras libres de materia orgánica (MO) (oxidación con H₂O₂), y eliminación de Fe, carbonato (ácido acético al 10%) y materiales amorfos (Hidalgo, 1991). Para la caracterización de los minerales arcillosos se emplearon tres tratamientos generales: a temperatura ambiente (N-O), saturación con etilenglicol (EG) y calentamiento (C-490 °C). La cK se midió utilizando el método propuesto por Rodríguez (1990). La capacidad amortiguadora del potasio o cK se calculó mediante la ecuación:

donde: cK = índice de la capacidad amortiguadora del potasio, Ks₂₄ = K soluble a las 24 h, Ks_i = K soluble inicial, Ki₂₄ = K intercambiable a las 24 h, Ki_i = K intercambiable inicial.

RESULTADOS Y DISCUSIÓN

Características Químicas y Físicas de los Suelos de Estudio

En el Cuadro 1 se presentan las características químicas y físicas de la capa arable del Vertisol y Fluvisol analizados. El pH del Vertisol (5.7 a 6.1) se clasificó como moderadamente ácido y el del Fluvisol (6.0 a 7.0) como ligeramente neutro. El porcentaje de MO en ambos suelos, Vertisol y Fluvisol, fue mayor de 2, similar al reportado por Ribón et al. (2003) y Palma-López et al. (2007). El intervalo fue de 2.1 a 3.6%. En ambos tipos de suelo el Na intercambiable fue bajo (0.05 a 0.36 cmol_c kg^-1 de suelo) lo cual corresponde el valor máximo del testigo Vertisol (selva mediana perennifolia). El P-Olsen varió de 5.5 a 32 mg kg^-1, valores considerados en el intervalo medio-alto (NOM-021-RECNAT, 2001). Estos valores de P-Olsen en el intervalo alto reflejarían el efecto residual de las aplicaciones de fertilizantes fosfatados a lo largo de los años (Naranjo et al. , 2006). Los Fluvisoles mostraron los valores más bajos de este elemento. La capacidad de intercambio catiónico (CIC) varió de media a alta (11.1 a 27.7 cmol_c kg^-1) (NOM-021-RECNAT, 2001), pero la de los Fluvisoles fue inferior a la de los Vertisoles. Los porcentajes de arcilla variaron desde 23.6 a 67.6, siendo más bajos en los Fluvisoles que en los Vertisoles. Los Fluvisoles tuvieron mayores porcentajes de arena, lo cual confiere a estos suelos mayor aireación y permeabilidad al agua. Los Fluvisoles que tienen mayor contenido de fracciones finas (10 y 30 años), presentan mayores valores de P, K y CIC. La conductividad eléctrica (CE) varió de 0.306 a 0.676 dS m^-1 para Vertisoles y de 0.413 a 0.686 dS m^-1 para Fluvisoles.

Mineralogía

Los Fluvisoles contienen abundantes micas e illitas, y una menor cantidad de montmorillonitas. En el Vertisol las montmorillonitas fueron más abundantes que las illitas. En ambos casos se trataba de una mezcla de illitas y montmorillonitas en distinta proporción (Figura 1), lo que le confiere al Fluvisol mayor contenido de K (López et al., 2002).

Tamaño de los Reservorios Nativos de Ks, Ki y Kni

La sumatoria de ocho extracciones sucesivas de Ks fue significativamente menor en los Vertisoles con 10 y 30 años que en los Fluvisoles monocultivados con caña de azúcar. Esto se explicaría por la mayor capacidad de amortiguación que exhiben los primeros, dado la mayor cantidad de arcilla. Sin embargo, en el año cero el tamaño del reservorio Ks nativo en ambos suelos fue similar. En el Vertisol la disminución del Ks con el transcurso del tiempo de cultivo fue de tipo lineal, indicando un agotamiento progresivo del reservorio de Ks (Ribón et al., 2003; Maia y Ribeiro, 2004); contrariamente, en el Fluvisol se observó un comportamiento irregular (Cuadro 2). En estos suelos aparentemente la textura tiene una influencia mayor que el tiempo de monocultivo; los suelos que tienen mayor contenido de fracciones finas (limo y arcilla) presentan mayor contenido de Ks (10 y 30 años), como lo señalan López et al. (2002).

La fracción Kni presentó un comportamiento similar a las fracciones Ks y Ki, tanto en el Vertisol como en el Fluvisol con respecto al tiempo, pero el reservorio de Kni fue mayor en el Fluvisol que en el Vertisol, lo que se atribuyó a su mayor proporción de micas e illitas. En ciertas situaciones, la fijación de K puede considerarse benéfica, ya que permite regenerar la estructura del material original a través de la restauración de los látices; esta fracción puede ser más disponible que la fracción de K nativo y se libera a la solución cuando disminuye la concentración de K en el suelo (Henríquez et al., 1994).

Balance entre los Reservorios de Ks, Ki y Kni Nativo e Incubado

En el Cuadro 3 se presentan los valores de las concentraciones de Ks, Ki y Kni antes y después de la incubación en las condiciones descritas. Al hacer un balance total de los reservorios de K en el Vertisol, la fracción Ks representó de 13 a 15% de la sumatoria de todas las formas de K, la de Ki de 14 a 17% y el Kni de 70 a 74%. En el Fluvisol, por su parte, el balance arrojó entre 17 y 18% de Ks, de 15 a 17% de Ki y de 68 a 70% de Kni. El Fluvisol con 20 años de cultivo constituyó una excepción (10% de Ks, 9% de Ki y 81% de Kni), caracterizándose por una mayor fijación de K; este fenómeno ha sido observado por Shaviv et al. (1985) y Henríquez et al. (1994), quienes concluyen que la fijación es más fuerte a bajas concentraciones de K. Estos valores se presentan en forma general, tanto para suelos nativos como incubados, haciendo notar que se incrementan las cantidades, pero no las proporciones de las diferentes fracciones de K, en los suelos estudiados, no observándose efecto del tiempo de monocultivo con caña de azúcar. No obstante, estos valores de K son menores que los reportados por Aguado et al. (2002) para suelos templados de México.

Dinámica de Potasio en el Reservorio Ks y Ki Nativos

El Ks del Vertisol y Fluvisol, a los 0 años de monocultivo, muestra un comportamiento similar para ceder K independientemente de su contenido en ambos suelos. El Fluvisol con 10 años de monocultivo mostró mayor contenido de Ks, pero su abatimiento es drástico. De acuerdo con la información de la Figura 2, las pendientes de las ecuaciones que describen la extracción de Ks difieren entre sí, lo cual indica que, a los 10 años de estar cultivado con caña de azúcar, el Fluvisol cede más rápido su Ks que el Vertisol, debido a una menor capacidad para fijar el K y al menor contenido de arcilla. A los 20 años de cultivo ambos suelos presentan pendientes similares, lo que indica que los suelos sólo tienen ligeras diferencias en su comportamiento. A los 30 años se observa un comportamiento similar al de los suelos con 10 años de monocultivo, probablemente debido a la igualdad en la textura en los Fluvisoles con 10 y 30 años de monocultivo; cabe señalar que las arcillas presentes en estos suelos son una mezcla de illitas y motmorillonitas, y estas últimas se caracterizan por presentar una fijación variable y débil, respectivamente (Ross et al., 1989).

La cantidad total de Ki extraído fue similar a la de Ks, aunque el número de extracciones fue de cuatro en el caso de Ki (Figura 3). Algunos autores sostienen que las tasas de liberación del K de sus formas no intercambiables a Ki o Ks se debe a la oxidación de Fe²+ a Fe³+ en los minerales secundarios (esmectitas, illitas, montmorillonitas), lo que provoca cambios en las características fisicoquímicas de la fase mineral del suelo, incluyendo la solubilidad en agua, carga eléctrica y área superficial (Chen et al., 1987; Lear y Stucki, 1989).

Dinámica de Potasio en el Reservorio Ks Incubado

El mayor abatimiento de Ks en las primeras dos extracciones correspondió a los Fluvisoles con 10 y 30 años de cultivo con caña de azúcar, lo cual se asoció con el mayor contenido inicial de Ki. La aplicación de fertilizante potásico soluble produce un incremento del reservorio de K en la solución. Al aumentar el tamaño del reservorio se produce un flujo hacia el reservorio de K de intercambio, estableciéndose un nuevo equilibrio entre ellos (Maia y Ribeiro, 2004). Las tasas de desorción dependen de la energía con que esté retenido el K en los diferentes reservorios y ésta, a su vez, de la cantidad y tipo de arcillas (Henríquez et al., 1994).

Dinámica de Potasio en el Reservorio Ki Incubado

En general, se presentan sólo ligeras diferencias entre el Ki nativo e incubado, esto sugiere que el suelo presenta sólo pequeñas diferencias en la facilidad o dificultad para liberar el potasio (Figura 5). Se observó también que entre los tipos de suelo estudiados existe una diferencia significativa en la cantidad de K almacenado en sus reservorios y con la adición de pequeñas cantidades de fertilizantes; estos reservorios tienden a comportarse en forma específica, dependiendo de su tipo y el contenido de arcilla, así como de la abundancia del elemento (Henríquez et al. , 1994).

Capacidad Amortiguadora del Potasio (cK)

El Vertisol y el Fluvisol presentaron valores estadísticamente iguales de cK (Cuadro 4), mismos que se clasifican como bajos. Un suelo con una cK cercana a uno carece de sitios específicos de intercambio para que el K quede retenido en forma intercambiable y se libere a la solución del suelo cuando éste disminuye en su concentración (Conti et al., 2001). La cK de 0.64 indica que, en promedio, de cada 100 unidades de K aplicado al suelo, se liberan 64 y se retienen 36. Este valor puede ayudar a corregir la dosis de fertilizante potásico que se debe agregar al suelo para mantener una adecuada nutrición del cultivo, como lo plantearon Karpinets (1993) y González et al. (2004).

CONCLUSIONES

- El tamaño de los reservorios de potasio varía en función del tipo de suelo, ya que la concentración de potasio soluble (Ks) nativo fue significativamente menor en el Vertisol que en el Fluvisol, independientemente de los años de monocultivo con caña de azúcar.

- La disminución del potasio de las formas solubles e intercambiables, llamada fijación o transformación a las formas no intercambiables de los suelos, finalizó prácticamente en los primeros 30 días de incubación. No se presentó homogeneidad alguna en las cantidades fijadas de potasio en los diferentes años de monocultivo con caña de azúcar para ambos suelos. La fijación promedio de potasio para ambos suelos fue de 36%. - El Vertisol requiere de una dosis mayor de fertilización, ya que sus reservorios de potasio tienden a agotarse con el tiempo de monocultivo; esto no sucede con el Fluvisol, debido a una mayor proporción de micas e illitas, por lo que sus reservorios de potasio permanecen constantes en los tiempos de estudio de este monocultivo.

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NOTA

* Publicado en Terra Latinoamericana 26: 253-263.