Geochemical Transactions, 2006; 7: 6-6 (más artículos en esta revista)

Retención de fósforo en suelos calcáreos y el efecto de la materia orgánica en su movilidad

BioMed Central
Ray von Wandruszka (rvw@uidaho.edu) [1]
[1] Department of Chemistry, University of Idaho, Moscow, ID 83844-2343, USA

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Resumen

Un estudio de las interacciones entre el fósforo (P) y especies de los componentes de los suelos calcáreos muestra que tanto en la superficie como las reacciones y las precipitaciones tienen lugar, sobre todo en la presencia de calcita y piedra caliza. Los principales productos de estas reacciones son octacalcium fosfato bicálcico y fosfato, que puede interconvert después de la formación. El papel de carbonato de calcio por la retención de P en los suelos calcáreos es, sin embargo, significativo sólo en concentraciones relativamente altas de P - no carbonato de arcillas desempeñar un papel más importante en concentraciones más bajas. En presencia de partículas de óxido de hierro, la oclusión de P ocurre con frecuencia en estos organismos, en particular con las formas de los elementos que están en el origen pedogenéticos. Progreso de la mineralización y la inmovilización, a menudo de naturaleza biológica, se observó en general cuando P es añadido como fertilizante.

El estiércol sirve a la vez como fuente de P subsuelo y un eficaz agente de la movilización. El bloqueo de los sitios de absorción de P por los ácidos orgánicos, así como complejación de Fe y Al intercambiable en el suelo, son posibles causas de esta movilización. Porcina y de pollo de estiércol son especialmente ricas fuentes de P, debido en gran parte a la práctica de añadir el elemento a la alimentación de nonruminants. Materiales húmicos, ambos nativos y añadió, parecen aumentar la recuperación de Olsen P. En presencia de cationes metálicos, fuerte entre los complejos de P inorgánico y humates se forman. La influencia de los suelos húmicos enmiendas sobre la movilidad de P ser objeto de nuevas investigaciones.

Antecedentes

La movilidad del fósforo (P) en el subsuelo someras es un asunto de importancia crítica y de gran complejidad. Su importancia deriva del hecho de que P, un nutriente esencial para todos la vida vegetal y animal, es a menudo escaso. Fertilizantes agrícolas y otras enmiendas del suelo, como los fertilizantes minerales P y el estiércol animal, que es proporcionar P fácilmente disponibles a las plantas. A corto plazo, la disponibilidad de P en los cultivos está fuertemente influenciado por los procesos bioquímicos que afectan a la materia orgánica, mientras que a largo plazo su estado se miden en general por transformaciones geoquímicos.

La naturaleza de las especies de P en el subsuelo superficial varía ampliamente con la ubicación, tipo de suelo, y el sistema de gestión. Al describir el movimiento de P en los suelos, los trabajadores a menudo el uso operacional categorizaciones como "disuelto reactivo P", "partículas unreactive P", etc. [1, 2] Las abundancias de los principales P compuestos, expresados en porcentajes del total de P en el suelo, son típicamente en los rangos: ortofosfatos 60 - 80%; pirofosfato 0,5 - 4%; monoesters P-16 - 38%, y P-diésteres 1,2 - 4% [3]. Ambos P inorgánico (P i) y orgánicos P (P o) especies interactuando con los componentes del suelo y están sujetos a diversas transformaciones químicas que afectan a la retención del elemento.

El agotamiento y el exceso de la oferta son los dos principales desafíos en la gestión de P subsuelo. El agotamiento es especialmente grave cuando la agricultura de bajos insumos que se practica, con la participación de la limpieza de la tierra y el cultivo continuo que reducir tanto y P i P o en el suelo [4]. Exceso de oferta se produce cuando las modificaciones se añaden por encima de las necesidades de cultivos, como puede ocurrir cuando el estiércol se aplica para satisfacer los requerimientos de nitrógeno de los cultivos [5, 6]. P superávit pueden ser transportados en las escorrentías después de las lluvias, el riego y el deshielo, y pueden contribuir a la eutrofización de las masas de agua.

La vigilancia del medio ambiente y la gestión de P se basa en la determinación precisa del elemento en el subsuelo matrices. Un debate a fondo sobre P análisis está más allá del alcance de este estudio, pero una excelente recopilación de las técnicas analíticas ha sido publicado bajo los auspicios del USDA-CREES [7]. Ejemplos de metodologías para el tratamiento de una amplia gama de muestras ambientales han sido revisados por Worsfold et al. [8]. En resumen, tres técnicas se utilizan ampliamente para la determinación ambiental P:

(I) La Murphy-Riley (MR) método colorimétrico para el análisis de P inorgánico [9] (luego mejorado por Harwood et al. [10]], que utiliza molibdato de amonio, ácido ascórbico, tartrato de potasio y antimonio para desarrollar un color azul con P i (absorción a 880 nm) [11].

(Ii) Inductively de plasma acoplado (ICP), la espectroscopia, ya sea con emisión óptica (178,290 nm) [12] o la detección de espectrometría de masas [13]. PCI en general los rendimientos más altos que los valores de P MR.

(Iii) Potentiometry con el fosfato de cobalto electrodo sensible, que fue presentado por Xia et al. En 1995 [14, 15], y desde entonces ha demostrado ser un útil sensor de ortofosfatos disueltos [16 - 18].

Química orgánica de identificación o de P en muestras ambientales es generalmente llevado a cabo el 31 de la espectroscopía de RMN de P [19, 20]. Spectral cesiones puede ser un reto, y Turner et al. [21] han publicado extensas listas de P picos de resonancia que proporcionan una orientación para la identificación de ambos y P i P o. Cade-Menun et al. Observamos que el uso cuantitativo, de 31 de los espectros RMN de P del suelo y la hojarasca en la solución de los extractos de la muestra requiere un cuidadoso tratamiento, el control de los parámetros, y el conocimiento de las especies presentes en solución. Han publicado un amplio resumen de las recomendaciones relativas a la elección de extracto, la medición de tiempos de relajación, la determinación de Fe y Mn, el uso adecuado de los tiempos de retardo, y muestra la temperatura [22].

P en suelos calcáreos

Los análisis de P retención y movilización en entornos naturales calcáreos han demostrado que tanto la adsorción y las precipitaciones tienen lugar, aunque no siempre es fácil distinguir entre los dos mecanismos. Medición de P por cualquiera de las técnicas mencionadas es generalmente precedida por simples o extracciones secuenciales, que a menudo implican los sistemas de solventes resumen en la Tabla 1.

Los primeros trabajos de Cole et al. Sobre las interacciones de P con calcita superficies [24] distingue entre adsorción inicial y posterior precipitación de fosfato dicálcico (DCP, CaHPO 4). Alternativamente, octacalcium fosfato (OCP, Ca 8 (HPO 4) 2 (OH) 2), se pueden formar [25], y hidrolíticas conversión de DCP a OCP se sabe que existe [26]. Esto se observa especialmente cuando la formación inicial de PRD es seguido por un amorfo a cristalino transición en la fase sólida [27]. Un proceso cíclico, en la que OCP disproportionates PRD a la reforma y estable hidroxiapatita (HAp, Ca 10 (PO 4) 6 (OH) 2), también se ha demostrado su existencia [28]. El consenso general, afirmada por difracción de rayos X [29], es que el crecimiento de P en una superficie de calcita implica tanto DCP y OCP, con la ex dominante. Superficie de cobertura, incluso a altas concentraciones de P es, por lo general no superior a 5%.

Los primeros estudios con partículas de piedra caliza [30] indican que la solubilidad del P en las suspensiones de estos también es controlado por un DCP fase sólida, a pesar de algunas incoherencias en los valores de solubilidad del producto [31]. El apego implica quimisorción inicial de P en las partículas, la elaboración de un material de primer pensamiento fue que se amorfa [27], pero más tarde fue demostrado tener una bien definida estructura química [32]. La quimisorción inicial, que incluyan la formación de DCP, se describe por una isoterma de Langmuir, mientras posterior absorción (incluida la formación de OCP), es de un bajo consumo de energía física tipo [33]. El proceso inicial es relativamente rápida, seguido de un ca. 2-h el período de adaptación, y, a continuación, seguida de la precipitación [34]. P-sorción en todos los carbonatos depende en gran medida de características de la superficie, especialmente la superficie y potencial zeta (17,7 - 25,3 mV). Curiosamente, pirofosfato no interfiere con la absorción de P, pero parece inhibir la precipitación.

Es evidente que la adsorción de la superficie y la precipitación son los principales mecanismos de retención de P en los sistemas calcáreos, deprimente su disponibilidad después de la aplicación de fertilizantes. Diversos resultados se han obtenido con respecto a las funciones de carbonatos y arcillas de óxido en la retención de P en los suelos calcáreos. Afif et al. [35] encontró que a altas tasas de solicitud, P disponible para las plantas está negativamente correlacionada con la cantidad de cal en el suelo, pero no a la Fe, el contenido de arcilla, ni de la CCA. En cambio, otros estudios indican que la retención de P aumenta con la proporción de óxidos de Fe de CaCO 3 [36, 37]. La preponderancia de la evidencia [38 - 40] sugiere que la falta de arcillas y carbonato de proporcionar la mayoría de las superficies P adsorbing en muchos suelos calcáreos, especialmente a bajas concentraciones de P. Tiene incluso se informó de que un 1,6% (w / w) recubrimiento de Fe 2 O 3 en calcita aumenta la capacidad de absorción de P 9-fold [41]. Como el contenido de P del suelo aumenta, la absorción por carbonatos se vuelve más importante.

Al comparar la importancia relativa de las reacciones de superficie y la precipitación en la retención de P, et al Tunesi. [42] llegó a la conclusión de que en los suelos con una alta reserva de cationes intercambiables, la precipitación es el mecanismo predominante en la reducción de la disponibilidad P. HAp es la más estable de forma precipitada P en suelos calcáreos [43], mientras que otras formas, incluyendo DCP dihidrato , OCP, y una fase metastable de HAp [44], son algo más solubles.

Un tercer mecanismo de retención de P, especialmente en suelos ricos en hierro, implica la oclusión de las partículas de óxido de Fe. A partir de los datos obtenidos a partir de extracciones secuenciales y solo con ascorbato, citrato-ascorbato, bicarbonato, dithionite, y oxalato, Torrent y compañeros de trabajo [23, 45] llegó a la conclusión de que los óxidos de Fe cristalino mal (principalmente ferrihidrita) tienen una clara tendencia a ocluir la Reducción de p. Estas partículas en los ambientes acuáticos, puede resultar en mayores concentraciones de P. Se ha demostrado que las cantidades relativas de P oclusión en ambos muy mal y los óxidos de Fe cristalino no está necesariamente relacionado con el grado de enriquecimiento de P en el suelo, y que esta forma de P puede ser, de hecho pedogenéticos en la naturaleza [46]. El desglose típico de P para este caso se muestra en la Tabla 2.

Desde un punto de vista práctico es interesante considerar cómo las interacciones P en suelos calcáreos comparar a la cal en los suelos ácidos. En los casos en que importantes cantidades de fosfatos de metales han acumulado en los suelos de ambos tipos - debido a pedogénesis y / o la aplicación de fertilizantes en exceso de absorción de la planta - se encuentran suelos calcáreos de contener menos de superficie que cal P suelos ácidos. Ca fosfatos predominan en la primera, y de los fosfatos de Al y Fe en el segundo. En general, la disponibilidad de P para las plantas es mayor cal en suelos ácidos [47].

En suelos sin modificaciones, en particular los que no hayan recibido el estiércol, la lixiviación de P es generalmente un problema menor en comparación con las pérdidas de erosión del elemento. Sin embargo, hay fuerte evidencia de que la magnitud de la pérdida del subsuelo P está estrechamente relacionado con el grado de saturación de fósforo (DPS) de los suelos. En términos de P Olsen, se ha sugerido que por debajo de 60 mg kg -1 P, P i es sorbed fuertemente, mientras que a concentraciones más altas de absorción de energía es mucho menor [48], que podría promover la lixiviación de P. En general, se encontró que en DPS niveles por debajo del 20% de P lixiviación es más bien insignificante, pero aumenta rápidamente por encima de este valor [49, 50]. Cuando el estiércol se agrega a los suelos, sin embargo, la situación cambia radicalmente, y P es movilizado y con sujeción a las aguas superficiales y del subsuelo pérdidas [51, 52]. Esto se detalla más adelante.

Influencia de la materia orgánica

Ambos añadido estiércol o basura y nativo de la materia orgánica (materiales húmicos) tener efectos significativos en el subsuelo P retención. El estiércol no sólo afecta a la precipitación y sorción de P, pero a menudo contiene cantidades importantes de los elemento, que es lo que - deliberadamente o por cierto - añade a la tierra. Materiales húmicos, los productos de degradación de la biota total en el medio ambiente, en general, no son una fuente importante de P, pero tienen un efecto movilizador sobre él en el subsuelo. El uso de humates extrínseca, en especial leonardite ácido húmico, para el mejoramiento de los suelos ha experimentado un auge en los últimos años [53].

Observaciones finales

Se ha aprendido mucho acerca de la movilidad de P en los medios de comunicación calcáreas durante las últimas cinco décadas, pero algunas lagunas en la comprensión de permanecer. Muchas de ellas se dan a nivel molecular de la interacción con P subsuelo especies, en particular el mecanismo detallado de desorción de P bajo la influencia de las especies orgánicas. La función de los materiales húmicos en la movilización de P es otra área de investigación que ha recibido relativamente poca atención y es una zona potencialmente fructífero de estudio. El uso de humates como enmiendas del suelo presenta un caso especialmente interesante. La práctica está ganando popularidad - como lo prueba la existencia de más de 70 proveedores de estos "no convencional suelo aditivos", en los EE.UU. [53] por sí sola -, pero nada se conoce sobre sus consecuencias para el medio ambiente.