Silicio en la Agricultura (David M. Bioagro de Venezuela C.A)

• El Silicio (Si) es el segundo elemento en
abundancia en la naturaleza, después del
oxígeno.
• Constituye aproximadamente el 25% de la
corteza terrestre, en forma de silicatos, arcillas
cristalinas y materiales amorfos.
• A pesar de lo anterior, la cantidad del elemento
disponible para las plantas (soluble) es
insuficiente en muchos casos.
Tradicionalmente se ha considerado el Si como
un elemento no esencial; sin embargo, se ha
reconsiderado la definición de “esencialidad”
y se ha propuesto una nueva definición de
elementos esenciales para el crecimiento de las
plantas.
Epstein y Bloom. 2004
UN ELEMENTO ES ESENCIAL SI CUMPLE
CON UNO O AMBOS DE LOS SIGUIENTES
CRITERIOS:
1)
El elemento es parte de una molécula que es un
componente intrínseco de la estructura o del metabolismo
de la planta.
2)
La planta puede ser tan deficiente en un elemento que
exhiba anormalidades en crecimiento, desarrollo o
reproducción.
Por ejemplo: que su “comportamiento” sea inferior al de
plantas no deficientes.
Epstein, 2003; Epstein and Bloom, 2004
De acuerdo con esta nueva definición, el Si
es un elemento esencial para las plantas
superiores, porque su deficiencia causa
diferentes anormalidades en ellas, como lo
reportan: Ma y Takahashi, 2.002, Esptein y
Bloom, 2.004 y Ma, 2.005.
ESTRUCTURA TETRAEDRICA DE UN SILICATO
OH
CAMBIOS POR
RUPTURA DE
ARISTA
CAMBIOS POR
SUSTITUCIÓN
ISOMORFICA
DEPENDIENTE DEL
PH.
Si
OH
OH
OH
POR LOS CAMBIOS QUE APARECEN EN EL GRAFICO SE PUEDEN GENERAR UN COMPLEJO DE
MINERALES QUE SE CLASIFICAN COMO: NESOSILICATOS Y FILOSILICATOS: OLIVINO, PIROXENOS,
ANFIBOLES, MICAS, SERPENTINA, ARCILLAS, ETC.
ACIDO
MONOSILÍCICO
➢H4SiO4
➢Principal: 95% adsorbido y 5% en solución
➢Solución del suelo: pH
➢Polimerización:100 a 120 ppm SiO2
DINAMICA DEL SILICIO EN LOS SUELOS
❖COMPUESTOS DE SILICIO EN EL SUELO
FASE LIQUIDA
FASE SÓLIDA
FORMAS AMORFAS
FORMAS CRISTALINAS
ACIDO MONOSILICICO
ACIDO POLISILICICO
COMPLEJOS CON
COMPUESTOS
INORGANICOS
COMPLEJOS CON COMPUESTOS
ORGANICOS
COMPUESTOS
ORGANICOS-SILICEOS
❖Babyshkin et al., 1972
BIOGENICAS FITOLISIS,
RESTOS DE PLANTAS
Y MICROORGANISMOS
RICOS EN SILICIO
FORMAS
ABIOGENICAS,
SILICE AMORFA
DISPERSIÓN FINAL DE
MINERALES
(SECUNDARIOS
MICA, MINERALES DE
ARCILLA,CAOLINITA,
ILLITA,SMECTITA)
DISPERSION DE
MINERALES
PRIMARIOS
FELDESPATOS,
CUARZO
ORDENES DE SUELOS
MINERALES DOMINANTES
FELDESPATOS, VERMICULITAS
MOLLISOLES
SiO2
ESMECTITAS
VERTISOLES
SiO2
ESMECTITAS - CAOLINITAS
INCEPTISOLES
ALFISOLES
SiO2
CAOLINITAS - ESMECTITAS
ULTISOLES
SiO2
CAOLINITAS – SESQUIOXIDOS
OXISOLES
SiO2
SESQUIOXIDOS - CAOLINITAS
METEORIZACION
MENOS
D
E
S
I
L
I
C
I
F
I
C
A
C
I
O
N
MAS
SECUENCIA AMPLIFICADA DE LA ACIDIFICACION DE LOS SUELOS
( SAVANT ET AL 1997)
Dinámica del Si en el
Suelo
Si - Fertilizante
Si - agua de
irrigación
Formas biogénicas
(amorfas) - ej: fitolitos
SUELO
Minerales: micas,
montmorillonita, etc.
Solución del suelo
(H4SiO4)
Óxidos e
Hidróxidos Fe - Al
Lixiviación
Polímeros
Ác. Polisilícico
SOLUBILIDAD DE LOS SILICATOS EN LOS SUELOS
ESTA EN FUNCION DE
pH
TEMPERATURA
Contenido de
Humedad
MATERIA
AIREACION
ORGANICA
RESIDUOS
VEGETALES
TIPO Y CLASE DE
FERTILIZANTES
PORTADORES DE
SILICIO
Efecto de los Silicatos
en el Suelo
✓Aumentan
el
pH
(substitución de cal)
✓Aumentan la disponibilidad
de Ca y Mg
✓Aumentan la disponibilidad
de P (> "fijación" de P ???)
✓Reducción
del
efecto tóxico de Fe,
Mn y Al.
✓Poseen
efecto
residual
✓Aumentan
la
saturación
por
bases
 Ca2+
CaSiO3
+ H2 O ➔
MgSiO3
+ SiO3
 Mg2+
SiO32- + 2 H2 O ➔ H2 SiO3 + 2OHH2SiO3 + H2O ➔ H4 SiO4
Efecto del Silicato de Ca
sobre el pH del suelo
Korndörfer, 1996
• A medida que los suelos se meteorizan pierden Silicio
soluble de acuerdo con la siguiente reacción:
• SiO2 +
2H2O
H4SiO4
• En esta forma es tomado por la planta o se pierde en
solución. Mientras más Silicio pierde el suelo mayor
es su grado de acidez.
REACCIÓN DE LOS SILICATOS EN EL
SUELO
Ca, Mg,(SiO3)2 + 4CO2 + 6H2O
Ca2+ + Mg2+ + 4HCO3- +2(H4SiO4)
El Silicio disminuye la toxicidad por Aluminio
20
Concentración
15
de
Aluminio.
10
5
0
0
500
1000
Concentración de ácido monosilícico
Ma et al., 1998 and Cocker et al., 1998.
2000
REACCION ENTRE EL SILICIO Y EL ALUMINIO.
2H4SiO4 +
2H4SiO4
+
2Al 3+
2Al 3+ +
Al2 Si2O5 + 2H+ + 3H2O
H2O
Al2 Si2O5 (OH)4 + 6H+
REACCION ENTRE EL SILICIO Y METALES PESADOS.
H4SiO4 +
H4SiO4 +
2Cd2+
2Pb2+
+
4H+
PbSiO4 +
4H+
Cd SiO4
Silicato vs Cal
pH (CaCl2)
5,0
4,5
4,0
3,5
3,0
0
1,4
Cal
2,8
4,2
Silicato
Korndörfer, et al 1997
Si "disponible", m g dm -3
Cal y Si en el suelo
50
y = 0,601x2 - 0,6147x + 11,84
R2 = 0,99
40
30
20
10
0
0,0
2,0
4,0
6,0
Dosis de Cal, t ha -1
8,0
ÁCIDO MONOSILÍCICO
80
70
Testigo
Cal
-1
60
Silicato
Si, mg kg
50
40
30
20
10
0
1
2
3
4
5
6
7
Profundidad (x10 cm)
8
9
10
11
ACIDO POLISILÍCICO
30
Testigo
Cal
-1
)
25
Silicato
Polissilício (mg kg
20
15
10
5
0
1
2
3
4
5
6
7
Profundidad (x 10 cm)
8
9
10
11
Efecto de CaSiO3 sobre
saturación por Al y bases
40
Saturación Al
Saturación Bases
35
30
25
% 20
15
10
5
0
0
500
1000
2000
4000
Dosis de Wollastonita, kg ha -1
Korndörfer, et al 1997
Efecto de CaSiO3 en Al y Ca
intercambiables (promedio de 4
suelos)
[Elemento], cmolc/L
4,0
3,5
Al intercambiable
3,0
Ca intercambiable
2,5
2,0
1,5
1,0
0,5
0,0
0
500
1000
2000
-1
4000
Wollastonita, aplicada (kg ha )
Korndörfer, 2000
El Silicio optimiza la eficiencia de la
fertilización con Fósforo, debido a la
transformación de fosfatos a formas
disponibles por la planta.
ECUACIONES QUE DEFINEN LAS REACCIONES DEL SILICIO CON EL FOSFORO EN EL
SUELO.
CaHPO4 + H4SiO4
CaSi03 + H20 + H3P04
2Al(H2P04)3 + 2H4SiO4 + 5 H+
2FeP04 + H4SiO4 + 2H+
Al2Si205 + 5H20 + 5H3PO4
Fe2Si04 + 2H3P04
*Lindsay 1979- Matichenkov 1990
LIBERACION DEL FÓSFORO FIJADO POR CALCIO,HIERRO Y ALUMINIO.
DEL MAGNESIL (SILICATO DE MAGNESIO).
ACCIÓN
1. Fijación de Fósforo como fosfato de Calcio.
2CaHPO4
+
Mg3(OH)4Si2O5
Magnesil
+
3H2O
CaSiO3
+
Silicato de
Calcio insoluble
3Mg(OH)2
+
Hidróxido de
2H3PO4
Ácido
Magnesio soluble
Fosfórico
2. Fijación de Fósforo como fosfato ácido de Aluminio.
2Al(H2PO4)3
+
Mg3(OH)4Si2O5
Magnesil
+
4H+ +
2H2O
protones
Al2Si2O5
+
Aluminosilicato
insoluble
Mg(OH)2
+
Hidróxido de
Magnesio soluble
6H3PO4
Ácido
Fosfórico
3. Fijación de Fósforo por Hierro.
4FePO4
+
Mg3(OH)4Si2O5
Magnesil
+
4H+ + 5H2O
protones
2Fe2SiO4
Silicato de
Hierro insoluble
+
3Mg(OH)2
+
Hidróxido de
Magnesio soluble
4H3PO
Ácido
Fosfórico
El Silicio aumenta la capacidad de
intercambio de cationes (ClC) del suelo y
contribuye a la formación de minerales
que con sus grandes áreas superficiales
adsorben agua, fosfatos, nitrógeno,
aluminio y metales pesados.
MECANISMOS PROPUESTOS PARA LA REDUCCION EN LA TOXICIDAD DEL Al POR
COMPUESTOS RICOS EN Si
1.
El ácido monosilícico puede aumentar el pH del suelo (Lindsay, 1979).
2.
El ácido monosílicio puede adsorberse a los hidróxidos de Al impidiendo su
movilidad (Panov, et al. 1982).
3.
El ácido monosilícico soluble puede formar sustancias de baja solubilidad con
los iones del Al (Horigushi 1988).
4. Fuerte adsorción del Al móvil a compuestos de Si (Shulthers et al 1996).
5.
Compuestos móviles de Si pueden aumentar la tolerancia de las plantas al Al
(Rahman et al 1998).
Todos estos mecanismos pueden trabajar simultáneamente (Hon et al 2006).
Adsorción de los ácidos monosilícicos
a los hidróxidos de Aluminio
Adsorción de Al móvil a superficies
ricas en Si
Mecanismo propuesto para explicar la tolerancia al Al, basado en la exudación de
ácidos orgánicos por la raíz: plantas de millo tolerantes al Al exudan suficiente ácido
orgánico para quelatar el Al e impedir su penetración a la raíz. (Cançado et al., 1999)
Extensión total de raíces de sorgo
cultivado en solución nutritiva
(promedio de 2 genotipos de sorgo)
Al
solución
microM
0
300
450
600
Media
Contenido de Si en la solución - microM
0
1780
3560
Media
------------------------------ m planta-1 -------------------------36,8
42,5
55,0
45,1A
34,2
35,0
34,0
34,4B
12,6
37,2
29,5
26,4C
8,2
32,6
35,9
25,6C
23,0b
37,1a
38,6a
Fonte: GALVEZ & CLARK, 1991
CARACTERÍSTICAS DE UNA
BUENA FUENTE DE SILÍCIO
• Altos contenidos de Si "reactivo", disponibilidad
inmediata;
• Altos contenidos de CaO y MgO;
• Alta reactividad (Poder de neutralización);
• Buenas propiedades físicas - granulometría fina y
facilidad de aplicación (densidad alta);
• Efecto residual prolongado;
• Bajos contenidos de contaminantes (metales pesados y
radioactivos);
• Producción próxima al mercado consumidor;
• Buena relación costo/benefício para el productor.