Fertilizantes nitrogenados; principal fuente de emisión de óxido nitroso en la agricultura y estrategias para mitigar su impacto

El óxido nitroso (N₂O) es el más potente gas de efecto invernadero (GEI) generado por la agricultura en el mundo. Este gas tiene una capacidad para atrapar el calor 300 veces superior al CO₂ de manera que, aun cuando no se emite a la atmósfera en cantidades comparables, desempeña un papel muy significativo en el calentamiento global.

Las emisiones de este GEI son parte del ciclo del nitrógeno, y se originan como consecuencia de procesos microbiológicos naturales que ocurren en el suelo durante la nitrificación y des-nitrificación de fuentes nitrogenadas como el estiércol, la biomasa vegetal y los fertilizantes nitrogenados sintéticos (Figura 1).

En la nitrificación, el N₂O se genera durante la oxidación del amonio (NH₄⁺) a nitrito (NO₂^–) asociada a bacterias del género Nitrosomonas. La oxidación del nitrito a nitrato (NO₃^–) la realiza un grupo distinto de bacterias llamadas Nitrobacter, sin emisión de N₂O. Ambas etapas ocurren en condiciones aeróbicas y, por tratarse de reacciones biológicas, son fuertemente dependientes de la temperatura y humedad del suelo.

En la des-nitrificación, el N₂O se emite cuando el nitrato (NO₃^–) se reduce a nitrógeno molecular (N₂), un gas inocuo que representa el 78% de los gases en la atmósfera. Esta reducción ocurre en condiciones de anaerobiosis (sin requerimiento de oxígeno), por lo que se trata de un proceso microbiológico frecuente durante otoño e invierno y que es particularmente intenso en suelos agrícolas posterior a la ocurrencia de lluvias.

Durante la des-nitrificación también se libera óxido nítrico (NO), un gas que puede reaccionar con el ozono (O₃) estratosférico para formar oxígeno (O₂) y óxido nitroso ^[1].  En consecuencia, y sin ser un GEI, el óxido nítrico es un potente destructor de la capa de ozono.

Entre las fuentes nitrogenadas que participan como sustrato de la nitrificación y des-nitrificación, los fertilizantes nitrogenados sintéticos son la fuente de emisión de N₂O de mayor impacto a nivel global. En Chile, esta fuente de emisión representó el 68,8% del total de emisiones directas de N₂O desde suelos agrícolas en el año 2010 ^[2]. Por lo tanto, cualquier estrategia dirigida a mitigar la generación de este GEI desde suelos agrícolas debe focalizarse en mejorar la eficiencia de uso del nitrógeno. Entre las opciones, tanto el manejo racional de las aplicaciones de nitrógeno así como la adopción de innovaciones tecnológicas son las que pudieran tener mayor impacto.

Manejo racional del nitrógeno

La evidencia de la literatura indica que la emisión de N₂O desde suelos agrícolas está exponencialmente relacionada con la dosis de fertilización nitrogenada utilizada, cuando ésta excede la requerida para el óptimo económico (Figura 2) ^[3,4,5]. De lo anterior se deriva que la utilización de dosis de nitrógeno racionales es la más relevante, simple, económica y sustentable recomendación para contribuir a reducir la emisión de N₂O desde suelos agrícolas.

Cuando está disponible, las plantas pueden absorber nitrógeno más allá de sus requerimientos sin necesidad de manifestar síntomas de exceso o toxicidad. En nutrición mineral, este comportamiento se conoce como “consumo de lujo” ya que la planta utiliza energía para absorberlo, transportarlo y almacenarlo, sin un beneficio neto. En consecuencia, la utilización de dosis de nitrógeno racionales debiera complementarse con análisis foliares cada cierto tiempo de manera de verificar la efectividad de los programas de fertilización de cultivos.

Innovaciones tecnológicas

La principal tecnología disponible para mitigar la emisión N₂O desde fertilizantes nitrogenados es el uso de inhibidores de la nitrificación. Estos productos reducen la actividad de las bacterias Nitrosomonas retrasando la oxidación del amonio a nitrato. De esta manera el nitrógeno se mantiene en su forma amoniacal lo que reduce la acumulación de nitratos y, como consecuencia, su lixiviación, o su utilización como sustrato en la des-nitrificación.

De acuerdo con la literatura, la efectividad de los inhibidores de la nitrificación en la reducción del N₂O puede estar asociada a la especie, fuente de nitrógeno y factores del ambiente ^[6,7,8], de manera que su respuesta en un cultivo, suelo o clima determinado no puede ser necesariamente extrapolada. Esta dependencia ambiental también la comparten muchos inhibidores de ureasas, la enzima que hidroliza la urea a amoniaco/amonio (Figura 1), y en general cualquier compuesto que participe en la regulación procesos microbiológicos.

Otras opciones para mitigar el N₂O generado desde fertilizantes nitrogenados son los fertilizantes de liberación controlada (FLC). Aun cuando la literatura informa de resultados notables con algunos FLC aplicados sólo o en combinación con inhibidores de la nitrificación o de ureasas ^[9,10], los resultados no son consistentes a través de diferentes ambientes debido probablemente a factores asociados con la liberación del nutriente y con su utilización por los cultivos.

Mientras estas innovaciones tecnológicas no logren masificarse, el manejo racional del nitrógeno, esto es, uso de la  dosis correcta, aplicada de la forma correcta, en el periodo correcto y con el fertilizante correcto, seguirá siendo la estrategia más costo-efectiva para mitigar las emisiones de N₂O generadas por los fertilizantes nitrogenados en la agricultura.

PHLOEM, Febrero de 2017

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Referencias

1. Pilegaard K. 2013. Processes regulating nitric oxide emissions from soils. Phil. Trans. R. Soc. B. 368: 20130126. http://dx.doi.org/10.1098/rstb.2013.0126
2. Gobierno de Chile. 2014. Inventario Nacional de Gases de Efecto Invernadero de Chile. Serie Temporal 1990-2010. Oficina de Cambio Climático, Ministerio del Medio Ambiente, 202 pp.
3. Van Groenigen JW, Velthof GL, Oenema O, et al. 2010. Towards an agronomic assessment of N2O emissions: a case study for arable crops. Eur. J. Soil Sci. 61 : 903–913.
4. Hoben JP, Gehl RJ, Millar N, et al. 2011. Nonlinear nitrous oxide (N2O) response to nitrogen fertilizer in on-farm corn crops of the US Midwest. Glob. Change Biol. 17: 1140-11.
5. Zhang M, Chen ZZ, Li QL, et al. 2016. Quantitative relationship between nitrous oxide emissions and nitrogen application rate for a typical intensive vegetable cropping system in Southeastern China. Clean- Soil, Air, Water 44. DOI: 10.1002/clen.201400266.
6. Misselbrook TH, Cardenas LM, Camp V, et al. 2014. An assessment of nitrification inhibitors to reduce nitrous oxide emissions from UK agricultura. Environ. Res. Lett. 9: 115006. DOI:10.1088/1748-9326/9/11/115006.
7. Yang M, Fang Y, Sun D, Shi Y. 2016. Efficiency of two nitrifcation inhibitors (dicyandiamide and 3,4-dimethypyrazole phosphate) on soil nitrogen transformations and plant productivity: a meta-analysis. Sci. Rep. 6: 22075. DOI: 10.1038/srep22075.
8. Wu D, Senbayram M, Well R, et al. 2017. Nitrification inhibitors mitigate N₂O emissions more effectively under straw-induced conditions favoring denitrification. Soil Biol. & Biochem. 104: 197-207.
9. Venterea RT, Halvorson AD, Kitchen N, et al. 2012. Challenges and opportunities for mitigating nitrous oxide emissions from fertilized cropping systems. Front. Ecol. Environ. 10: 562–570.
10. Hatfeld JL, Venterea RT. 2014. Enhanced Efficiency Fertilizers: A multi-site comparison of the effects on nitrous oxide emissions and agronomic performance. Agron. J. 106:679–680.