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Si, es el Aliado Verde

SILICIO AGRONÓMICAMENTE ESENCIAL

SILICIO AGRONÓMICAMENTE ESENCIAL

Claudia Álvarez1 y Walter Osorio2

1 Ingeniera Agrónoma, M.Sc., Mejisulfatos S.A.S, Itagüí, Colombia2 Ingeniero Agrónomo, M.Sc., Ph.D., Profesor Asociado, Universidad Nacional de Colombia, Medellín, Colombia

Mejisulfatos S.A.S., Itagüí, ColombiaUniversidad Nacional de Colombia, Medellín, Colombia

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CONTENIDO

INTRODUCCIÓN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13

SILICIO EN LA NATURALEZA. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17Aspectos básicos del silicio. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17Minerales silicatados . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18Minerales aluminosilicatos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18Disolución de minerales silicatados . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22

CICLO BIOGEOQUÍMICO DEL SILICIO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25Silicio y fijación de CO2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27

SILICIO EN EL SUELO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29Formas de Si en el suelo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30Si en la solución del suelo. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31Desilicación de suelos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31Interacción entre silicio y fósforo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33Efecto del Si en la reacción del suelo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36Interacción entre silicio con aluminio y otros metales pesados . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37Determinación de la disponibilidad del Si en suelo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38Determinación de Si total en suelos, minerales, fertilizantes y plantas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43Determinación del Si disponible en fertilizantes. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43

SILICIO EN LA PLANTA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45Si en la relación suelo-planta . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45Absorción y translocación del Si en las plantas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45Formas del Si en las plantas (fitolitos) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49Efectos benéficos del Silicio en las plantas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51

NUTRICIÓN CON SILICIO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61Síntomas de deficiencia de Si en las plantas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61Fertilización con Silicio. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61

USO DEL SILICIO EN COLOMBIA Y LATINOAMÉRICA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69

REFERENCIAS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73Anexo 1. Constante de equilibrio. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83Anexo 2. Determinación del Silicio a través del Método CaCl2 0.01 M- Colorimetría. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85Anexo 3. Determinación del Silicio a través del Método con agua - Colorimetría. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91Anexo 4. Determinación del Silicio a través del Método Ácido acético-Acetato de sodio a pH 4 - Colorimetría. . . . . . 97

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LISTADO DE TABLAS

Tabla 1. Composición elemental de las plantas (base seca) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15Tabla 2. Contenido elemental en la litosfera y en los suelos. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19Tabla 3. Grupos de aluminosilicatos, composición y minerales representativos. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20Tabla 4. Minerales de interés para carbonatación mineral . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28Tabla 5. Composición de la corteza terrestre y del horizonte A de algunos suelos. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33Tabla 6. Efecto individual y combinado de la adición de silicato de Ca y cal sobre el requerimiento de P de un Oxisol de Hawaii (Gibbsihumox) para alcanzar una concentración de P en la solución del suelo de 0.2 mg L-1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35Tabla 7. Efecto de la aplicación de materiales ricos en Si sobre la concentración de P soluble (mg/L-1) en el suelo a partir de varias fuentes de P. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .36Tabla 8. Métodos usados para determinar la cantidad de Si disponible en el suelo. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41Tabla 9. Criterios para diferenciar a las plantas acumuladoras de Silicio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47Tabla 10. Efectos benéficos del Si en las plantas. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58Tabla 11. Enfermedades de plantas atenuadas o controladas por Si. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59Tabla 12. Insectos-plaga de importancia que son afectados por el silicio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60Tabla 13. Síntomas de deficiencia de Si en algunas especies vegetales. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62Tabla 14. Fuentes de Si usadas como fertilizantes. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63Tabla 15. Efecto de los fertilizantes silicatados sobre la producción de los cultivos. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64Tabla 16. Disminución de la fijación de P en un oxisol del Cerrado de Brasil en función de la aplicación de enmiendas CaCO3 y CaSiO3 para neutralizar 1x ó 2x el aluminio intercambiable. . . . . . . . . . 69Tabla 17. Efecto del silicato de calcio sobre el rendimiento de caña de azucar en dos suelos arenosos de Brasil. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70Tabla 18. Decoloración del grano y peso del grano de arroz en relacióna la fertilización con silicio a partir de wollastonita en arroz de secano en Brasil. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71Tabla 19. Efecto del Si sobre el rendimiento de dos variedades de arroz de secano en Colombia y los efectos residuales de tal aplicación. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71Tabla 20. Efecto del Si sobre el desarrollo del añublo del arroz de secano variedad Oryzica 1 en Colombia y los efectos residuales de tal aplicación. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72

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LISTADO DE FIGURAS

Fig. 1. Arriba: Tetraedros de Si en diferentes representaciones. Abajo: Octaedros de Al. . . . . . . . . . . . . 21Fig. 2. Estructura laminar de un filosilicato del tipo 1:1.A la izquierda la secuencia vertical de elementos, a la derecha una representación del frente de la lámina. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21Fig. 3. Estructura laminar de un filosilicato del tipo 2:1. A la izquierda la secuencia vertical de elementos, a la derecha una representación del frente de la lámina. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21Fig. 4. Distribución porcentual de las especies químicas H4SiO4 y H3SiO4

- en solución en función del pH. . . 23Fig. 5. Ilustración de la silica hidratada amorfa (Williams 1986). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23Fig. 6. Solubilidad y diferentes especies de silicio en solución (Ma et al. 2001b). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23Fig. 7. Ciclo biogeoquímico global del silicio. Los dos cuadros de la izquierda representan las reservas de Si continental, la dos de la derecha las reservas oceánicas. Los rectángulos en negro indican los flujos entre las reservas primarias. Los círculos negros representan los flujos de Si dentro de las reservas primarias de Si. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26Fig. 8. Clasificación de los compuestos de Si en el suelo. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30Fig. 9. Secuencia de meteorización del silicio en el suelo. Modificado de (Datnoff et al. 2007) . . . . . . . . . 32Fig. 10. Fijación de H2PO4

- (a) y H4SiO4o (b) por adsorción sobre la superficie de un óxido-hidróxido de Fe. . . . .34

Fig. 11. Requerimiento de P (mg kg-1) de cuatro suelos de Hawaii para alcanzar una concentración de P en la solución del suelo de 0.2 mg L-1 (óptima para muchos cultivos agronómicos) en función de la aplicación de silicato de calcio a razón de 500 mg de Si por kg de suelo. . . . . . . . . . . . . . . . . 34Fig. 12. Efecto de la adición de silicato de calcio en la producción de azúcar en un Oxisol de Hawaii (Plucknett, 1972). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35Fig. 13. Concentración de Al3+ monomérico en solución en función de la concentración de ácido silícico. . . . 37Fig. 14. Relación entre el Si extraído del suelo con el método del buffer acetato y el Si contenido en la parte aérea de plantas de arroz (Fuente: Ma y Takahashi 2002). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39Fig. 15. Dinámica del Si en el suelo. Modificado a partir de (Datnoff et al. 2007) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46Fig. 16. Absorción de Si por arroz, pepino y tomate en una solución nutritiva con 0.5 M de Si como ácido silícico. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49Fig. 17. Representación esquemática del sistema de absorción del Si en diferentes especies de plantas . . . 49Fig. 18. Representación esquematica de células epidermales de arroz. SC: complejos Si-celulosa . . . . . . . 51Fig. 19. Efecto de la adición de CaSiO3 a una tasa equivalente a 800 kg de SiO2/ha sobre el añublo de la hoja (arriba) y el añublo en la panicula (abajo) en 12 cultivares creciendo bajo condiciones de campo en Brasil. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70Fig. 20. Efecto de la adición de wollastonita, aplicada a una dosis de 4.0 g kg-1 de suelo (c/ silicato) y un control no fertilizado (s/ silicato) sobre la severidad del añublo de la hoja y el crecimiento de 2 variedades de arroz de inundación (METICA-1 e IR-50). La inoculación se hizo con la cepa ID-14 de Pyricularia grisea en Brasil. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70

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INTRODUCCIÓN

El Silicio (Si) es un componente impor-tante del sistema suelo-planta de la na-turaleza. Aunque se ha demostrado que

mejora el crecimiento de algunas plantas como arroz, trigo, cebada, pepino, entre otros, ha re-cibido poca atención en la nutrición vegetal de-bido a que no está incluido en la lista de los 17 elementos considerados como esenciales para las plantas. Para (Epstein 1999) esta omisión se considera injustificada con base en la definición de la esencialidad de un elemento y sugiere que el Si se debe considerar como elemento benéfi-co o como un nutriente “cuasi esencial” para las plantas. Un elemento se considera cuasi-esencial si es ubicuo en las plantas y si su deficiencia es lo suficientemente severa para inducir efectos adversos o anormalidades en el crecimiento, desarrollo, reproducción o viabilidad (Epstein 1999). La esencialidad de los nutrientes para las plantas se basa en dos criterios: (i) el elemento debe ser parte de la molécula o un metaboli-to esencial para la planta y (ii) en su ausencia la planta no puede completar su ciclo de vida. Históricamente la esencialidad de los elementos fue establecida con el segundo criterio.

Más de 60 elementos están presentes en las plantas creciendo en los suelos, aunque sus con-centraciones varían grandemente entre especies de plantas y suelos. Estos elementos han sido clasificados en esenciales, benéficos y tóxicos de acuerdo a sus efectos sobre el crecimiento de la

planta. Se han reconocido 17 elementos como esenciales para el crecimiento de las plantas. Estos elementos son absolutamente necesarios para el crecimiento de todas las especies de plan-tas bajo cualquier condición de crecimiento. En contraste, los elementos benéficos son los que tienen efectos positivos sólo en algunas especies de plantas o bajo condiciones específicas de cre-cimiento (Marschner 1995). Por lo tanto, los ele-mentos esenciales representan la universalidad de los requerimientos nutricionales en las plantas superiores, mientras que los elementos benéficos reflejan la diversidad de los requerimientos nu-tricionales. El Si es un elemento benéfico típico. Sus efectos positivos han sido observados en al-gunas especies de plantas tales como arroz, trigo y cebada pero no se ha comprobado en todas las especies de plantas.

A nivel mundial muchos científicos han rea-lizado estudios profundos acerca del papel que juega el silicio en las plantas en sus característi-cas, estructuras y procesos y se ha demostrado su significancia en la vida de las plantas y en el rendimiento de los cultivos. Por ejemplo, (i) es esencial para diatomeas (Bacillariophyta) y plan-tas de la familia Equisetaceae, (ii) forma fitolitos en la pared celular de las plantas, (iii) promueve el crecimiento erecto y la resistencia al volca-miento, (iv) mejora la exposición de las hojas a la luz del sol lo que promueve la fotosíntesis, (v) tolerancia de las plantas a enfermedades e

Claudia Álvarez y Walter Osorio

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insectos fitófagos, (vi) reduce la toxicidad por metales (p.e., Al y Mn), (vii) disminuye el estrés por sequía y salinidad, (viii) tiene efecto sobre actividades enzimáticas, (ix) promueve la for-mación de nódulos en leguminosas, entre otros.

Por lo anterior, no es sorprendente que el Si es un elemento que ha llamado la atención de los investigadores desde el siglo XVIII cuando se comenzó a estudiar la composición elemen-tal de las plantas y se demostró que estas conte-nían Si en cantidades mayores a otros elemen-tos (Tabla 1). El Si presenta concentraciones que corresponden a las de los macronutrientes y fluctúa entre 0.1-10%.

En el año 1840 J.V. Leibig sugirió usar silica-tos de sodio como fertilizante para remolacha azucarera bajo invernadero. Desde el año 1856 se comenzaron a mostrar los efectos benéficos del silicato de sodio en la productividad de gra-míneas en el Reino Unido. Así mismo, las pri-meras patentes sobre el uso de Escorias como fuentes de Si se obtuvieron en el año de 1881. De igual forma, en el año de 1898 se hicieron las primeras investigaciones en suelos de Hawaii sobre la disponibilidad del Si para las plantas (Snyder et al. 2007). En el año 1917, Isenosuke Onodera, un investigador japonés, publicó por primera vez un reporte sobre el efecto del Si en la tolerancia de las plantas a las enfermedades (Ma and Takahashi 2002). Posteriormente, en las décadas de 1950 y 1960 científicos japoneses profundizaron más y comenzaron a desarrollar tecnología y conocimiento sobre el uso práctico de los fertilizantes de Si, principalmente en el cultivo del arroz. En otros países como Fran-cia, Alemania, Rusia, Estados Unidos y otros se han realizado también investigaciones acerca del efecto del Si sobre las plantas (Snyder et al. 2007). Más recientemente, en Latinoamérica se

ha hecho investigación sobre el Si en diversos cultivos (arroz, caña de azúcar, palma africana, entre otros).

En muchos países se aplica sistemáticamente fertilizantes con Si para incrementar la produc-tividad y la sostenibilidad de los cultivos. Si bien no hay mucha evidencia sobre la función del Si en el metabolismo de la planta, sí se conoce que el gel de silicio se deposita entre las paredes ce-lulares de las plantas y contribuye a los efectos benéficos del elemento. Estos beneficios pue-den no ser evidentes bajo condiciones óptimas de crecimiento, pero resultan significativos bajo condiciones de estrés biótico o abiótico para las planta. Estas condiciones hacen referencia a problemas de enfermedades y plagas, déficit de agua, deficiencia de P y exceso de sales, Al, Mn, Na, P y N. El objetivo de este documento es revisar la dinámica del Si en los suelos, plantas y el uso de enmiendas y fertilizantes con Si en cultivos de interés agronómico y forestal.

Por otro lado, según (Patwardhan and Clarson 2012) el Si ha sido postulado como un nutriente esencial para humanos. La cantidad estimada de consumo de Si en la dieta diaria es de 20-50 mg, sin embargo, la cantidad requerida para prevenir deficiencia y proveer beneficios a los humanos es de 2-5 mg/dia (Uthus and Seaborn 1996). Las funciones del Si están asociadas en la determinación de la densidad minerales de huesos en hombres (Jugdaohsingh et al. 2004). De igual manera, se ha reportado que algunos animales (mamiferos, peces y aves) fueron más saludables y presentaron mayor incremento de peso, mejor calidad de animales con dietas ricas en Si (Snyder et al. 2007). Este aspecto es relevante ya que el objetivo final en última instancia en agronomía y zootecnia es la nutrición humana y animal.

Silicio Agronómicamente esencial

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Tabla 1. Composición elemental de las plantas (base seca).

Elemento Rango Observaciones

C (%) 45.0

H (%) 6.0

O (%) 45.0

N (%) 0.5-6.0

P (%) 0.15-0.5 Macronutrientes

S (%) 0.1-0.5 Esenciales

K (%) 0.8-8.0

Ca (%) 0.1-0.6

Mg (%) 0.05-1

Fe (mg kg-1) 20-600

Mn (mg kg-1) 10-600

Zn (mg kg-1) 10-250 Micronutrientes

Cu (mg kg-1) 2-50 Esenciales

Ni (mg kg-1) 0.05-5.0

B (mg kg-1) 0.2-800

Cl (mg kg-1) 10-80000

Mo (mg kg-1) 0.1-10

Co (mg kg-1) 0.05-10 Esencial en todos los sistemas de fijación de N2.Na (%)Si (%)

0.001-80.1-10 Esenciales para algunas plantas, generalmente benéficos.

Al (mg kg-1) 0.1-500 Usualmente tóxico para plantas en suelos ácidos. Benéfico en algunos casos.

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SILICIO EN LA NATURALEZA

Aspectos básicos del silicio

El Si es uno de los elementos más abundan-tes y ubicuos en la naturaleza en términos de peso y número de átomos, está presente en el sol, las estrellas y los meteoritos (Gasho 2001). En la corteza terrestre ocupa el segundo lugar (28%), sólo precedido por el oxígeno (47%). Su número atómico es 14, su masa es 28.0855 g/mol, tiene 4 electrones externos de valencia y sus estados de oxidación son -4, +2 y +4. Sus puntos de fusión y ebullición son 1410 y 2355°C. En la tabla periódica está rodeado por C, B, N, O, P y S, estos son reconocidos como elementos esenciales para las plantas, mientras que el Si se considera elemento benéfico. Este elemento no se encuentra libre en la naturale-za y debido a su fuerte afinidad con el oxígeno produce varias formas de SiO2 (vidrio de sílica, sílica amorfa, cristobalita y cuarzo) u otros sili-catos, los cuales están combinados con varios metales (Al, Fe, Mn, Mg, entre otros).

El Si está presente en minerales silicatos (óxi-dos de Si) y aluminosilicatos, representando el 90% de todos los minerales terrestres (Datnoff et al. 2007; Epstein 1994; Wollast and Macken-zie 1983) (Tabla 1). El dióxido de Si compren-de alrededor del 60% de la corteza terrestre y ocupa más del 50% del suelo. Este elemento no se encuentra libre en la naturaleza, siempre está combinado con oxígeno como en los dióxidos

de Si (SiO2), principal componente de la arena, y en silicatos complejos combinados con varios elementos tales como aluminio, calcio, magnesio, hierro y sodio que hacen parte de rocas, minera-les y suelos en forma de feldespatos, anfíboles, piroxenos, micas y zeolitas (Gasho 2001). Estos minerales son usados para la elaboración del con-creto, cerámicas, vidrios, entre otros materiales.

Algunos autores consideran al Si como el ele-mento más importante del siglo XXI (Patward-han and Clarson 2012) ya que es fundamental en varias industrias (electrónica, optoelectróni-ca, computacional) para la fabricación de lentes, esmaltes, cerámicas, resinas y microchips. Estos materiales tienen aplicación en un amplio rango de áreas tales como farmacéutica, catalizadores industriales, cosmética, detergentes y materiales dentales. Los polímeros inorgánicos que se ob-tienen mediante las siliconas tienen aplicaciones como fluidos, resinas, gomas, geles y espumas. Debido a su alta composición en la corteza te-rrestre, se ha considerado como el elemento más “renovable” o “sostenible”.

Aunque en general para las plantas el Si no es considerado esencial, se considera un elemento benéfico para la elaboración de sus paredes ce-lulares resistentes, lo cual favorece varios aspec-tos de las plantas. En algunas especies vegetales tales como Equisetum spp. y en algas diatomeas (Bacillariophyceae) y miembros de las algas dora-


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das o verde-amarillas, el Si se considera un nu-triente esencial, es biotransformado a escala > 6.7x109 toneladas de Si por año (Tacke 1999; Treguer et al. 1995). Las diatomeas toman sí-licio disuelto (DSi= H4SiO4) y lo usan para construir sus paredes celulares silíceas llamadas frústulas. Mientras que en plantas cultivadas de arroz, trigo, cebada, avena, pepino, entre otras, se considera benéfico o cuasi-esencial tal como lo afirma Epstein (1999). Por lo anterior, el Si ha sido considerado como un “elemento ubi-cuo” debido a que está presente inclusive como una impureza en las sales de los macronutrien-tes usados en la composición de las soluciones nutritivas, en el agua aún si es destilada o des-mineralizada, en envases (vidrio) y como pol-vo (Werner and Roth 1983). Es difícil crear y mantener un ambiente adecuadamente libre del elemento (Epstein 1994).

Minerales silicatados

Los minerales se forman a partir del enfria-miento del magma. En este se pueden encon-trar una mezcla de elementos (Tabla 2) que al solidificarse se organizan para formar minera-les. Como es de esperarse, los minerales que se forman son ricos en O, Si y Al (los tres elemen-tos más abundantes, 90%), y tienen menores cantidades de Fe, Ca, Mg, K y Na. El tipo y for-ma de mineral que se produce está determinado por la composición elemental y los enlaces que unen estos elementos. Estos minerales prima-rios contienen elementos nutritivos dentro de su estructura, pero dada su alta estabilidad quí-mica soy bastante insolubles y, por ende, estos elementos no están disponibles para ser utiliza-dos por las plantas.

Según la estructura que se forme se produ-cen diferentes tipos de aluminosilicatos (Ta-bla 3). Algunos de estos minerales son muy comunes en los suelos (feldespatos, micas), aquellos que se desintegran fácilmente (p.e., olivino) sólo se encuentran en suelos poco evolucionados, mientras que los minerales que son muy resistentes a la meteorización (cuarzo) pueden ser abundantes en suelos muy evolucionados.

Minerales aluminosilicatos

En los minerales el Si (Si4+) forma cuatro enlaces con oxígenos (SiO4

4-) y así genera estructuras geométricas en forma de tetraedros (Fig. 1). Por su parte, el aluminio (Al3+) establece seis enlaces con oxígenos formando estructuras octaedrales (Fig. 1). Los tetraedros de Si y los octaedros de Al se pueden encontrar individualmente, pero en muchos casos están unidos entre sí (comparten oxígenos) en diferentes configuraciones para crear así el grupo de los aluminosilicatos, los minerales más abundantes de la corteza terrestre (Fig. 2). Entre estos, los filosilicatos son predominantes.

Un típico filosilicato está formado por la combinación de dos unidades estructurales. Una es la lámina de tetraedros de Si4+ y la otra es una lámina de octaedros de Al3+. La combi-nación de estas dos láminas determina la for-mación de un filosilicato tipo 1:1 (una lámina de tetraedros de Si y una lámina de octaedros de Al) (Fig. 2). Otros filosilicatos pueden tener una lámina de octaedro de Al3+ entre dos láminas de tetraedro de Si y se denominan filosilicatos del tipo 2:1 (Fig. 3).


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Tabla 2. Contenido elemental en la litosfera y en los suelos. Fuente: (Lindsay 2001).

Elemento Litosfera (mg kg-1) Suelos (mg kg-1) Promedio en suelos (mg kg-1)

Al 81000 10000 - 300000 71000

B 10 2 – 100 10

C 950 - 20000

Ca 36000 7000 - 500000 13700

Cd 0.2 0.01 – 0.7 0.06

Cl 500 20 – 900 100

Co 40 1 – 40 8

Cr 200 1 – 1000 100

Cu 70 2 – 100 30

F 625 10 – 4000 200

Fe 51000 7000 - 550000 38000

Hg 0.1 0.01 – 0.3 0.03

K 26000 400 – 30000 8300

Li 65 5 – 200 20

Mg 21000 600 – 6000 5000

Mn 900 20 – 3000 600

Mo 2.3 0.2 – 5 2

N - 200 – 4000 1400

Na 28000 750 – 7500 6300

Ni 100 5 – 500 40

O 465000 - 490000

P 1200 200 – 5000 600

Pb 16 2 – 200 10

S 600 30 – 10000 700

Se 0.09 0.1 – 2 0.3

Si 276000 230000 - 350000 320000

Ti 6000 1000 – 10000 4000

Zn 80 10 – 300 50


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Tabla 3. Grupos de aluminosilicatos, composición y minerales representativos.

Grupo Composición Minerales representativos

Nesosilicatos o Isosilicatos

También llamados ortosilicatos, están constituidos por silicatos (SiO4)

4- aislados y débilmente conectados solamente por cationes entre ellos.

Subgrupo del Olivino Forsterita - Mg2SiO4 Fayalita - Fe2SiO4Subgrupo del ZircónZircón - ZrSiO4

Sorosilicatos Minerales formados por dobles tetraedros cuya composición es (Si2O7)

6- Subgrupo de la epidotaEpidota - Ca2(Al,Fe)3O(SiO4)(Si2O7)(OH)

Ciclosilicatos Silicatos que forman anillos, tienen el grupo (SixO3x)

2x- o una proporción Si:Al de 1:3.

Turmalina(Na ,Ca ) (A l ,L i ,Mg ) 3 -(A l ,Fe ,Mn) 6( S i 6O 18)(BO3)3(OH)4

Inosilicatos Contienen cadenas simples (SiO3) o dobles (Si4O11) de silicatos

Cadena simple (Subgrupo del piroxeno)Augita - (Ca,Na)(Mg,Fe,Al)(Si,Al)2O6 Cadena doble (subgrupo de la amfibolita)Hornblenda - (Ca,Na)2-

3(Mg,Fe,Al)5Si6(Al,Si)2O22(OH)2

Filosilicatos* Silicatos que forman laminas paralelas de tetraedros de Si2O5

Subgrupo de la Serpentina: Antigorita - Mg3Si2O5(OH)4 Subgrupo de arcillas Caolinita - Al2Si2O5(OH)4 Illita - (K,H3O)(Al,Mg,Fe)2(Si,Al)4O10[(OH)2,(H2O)] Montmorillonita (Na,Ca)0.33(Al,Mg)2(Si4O10)(OH)2·nH2O Vermiculita - (MgFe,Al)3(Al,Si)4O10(OH)2·4H2O Talco - Mg3Si4O10(OH)2 Pirofilita - Al2Si4O10(OH)2 Subgrupo de las micas Biotita - K(Mg,Fe)3(AlSi3O10)(OH)2 Muscovita - KAl2(AlSi3O10)(OH)2 Subgrupo de la clorita Clorita- (Mg,Fe)3(Si,Al)4O10(OH)2•(Mg,Fe)3(OH)6

Tectosilicatos

Tiene una estructura tri-dimensional de tetraedros de silicato SiO2. Este grupo representa alrededor del 75% de la corteza terrestre. Con excepción del cuarzo todos son aluminosilicatos

Subgrupo del cuarzo:Cuarzo - SiO2 Cristobalita- SiO2 Subgrupo del feldespato:Microclina - KAlSi3O8 Ortoclasa - KAlSi3O8 Albita - NaAlSi3O8 Anortita - CaAl2Si2O8 Grupo de ZeolitasNatrolita - Na2Al2Si3O10•2H2O

*Los filosilicatos son conocidos como los minerales arcillosos de los suelos. Ellos son llamados así porque la fracción arcillosa (<2µm) de los suelos consiste en buena parte de filosilicatos, pero es claro que en esta fracción además hay pequeñas porciones de otros minerales cristalinos y no-cristalinos.


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OH I

Si I

OH

OH I

Al I

OH

Espacio interlaminar O

I Si I O I

Al I

OH

O I

Si I O I

Al I

OH

O I

Si I O I

Al I

OH

Fig. 1. Arriba: Tetraedros de Si en diferentes representaciones. Abajo: Octaedros de Al.

OH I

Si I

OH

OH I

Al I

OH

Espacio interlaminar O

I Si I O I

Al I

OH

O I

Si I O I

Al I

OH

O I

Si I O I

Al I

OH

Fig. 2. Estructura laminar de un filosilicato del tipo 1:1.A la izquierda la secuencia vertical de elementos, a la derecha una representación del frente de la lámina.

Espacio interlaminar

O I

Si I O I

Al I O I

Si I O

O I

Si I O I

Al I O I

Si I O

Fig. 3. Estructura laminar de un filosilicato del tipo 2:1. A la izquierda la secuencia vertical de elementos, a la derecha una representación del frente de la lámina.

Al formarse el mineral es posible que debi-do a una alta concentración de Al3+, en los te-traedros se presente una sustitución de Si4+ por

Al3+. Igualmente, en los octaedros se presentan substituciones de Al3+ por Mg2+ ó Fe2+. Estas sustituciones son posibles debido al tamaño re-


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lativamente similar que tienen estos iones entre sí. Debido a que la carga del ión reemplazante es inferior a la del ión reemplazado, estas sus-tituciones isomórficas crean un desbalance de cargas. En consecuencia, el mineral adquiere una carga negativa de carácter permanente que es neutralizada por un catión que actúa como contra-ión.

Disolución de minerales silicatados

Los minerales se pueden disolver debido a la acción del clima, particularmente debido al agua de lluvia y a la temperatura. En el caso del SiO2 la reacción en el proceso de meteorización se presenta a continuación. El producto de estas reacciones es el ácido ortosilícico, H4SiO4, cuya concentración fluctúa entre 10-2.74 y 10-4.0 M.

SiO2 (vidrio de silica) + 2H2O ↔ H4SiO4 (K=10-2.71)SiO2 (sílica amorfo) + 2H2O ↔ H4SiO4 (K=10-2.74)SiO2 (sílica del suelo) + 2H2O ↔ H4SiO4 (K=10-3.10)SiO2 (cristobalita) + 2H2O ↔ H4SiO4 (K=10-3.94)SiO2 (cuarzo) + 2H2O ↔ H4SiO4 (K=10-4.00)

En general los minerales primarios son ines-tables en los suelos y se disuelven lentamente. Algunos de los productos se reorganizan de nuevo para formar minerales secundarios del suelo. Los procesos de dilución de minerales se aceleran en medios ácidos tal como ocurre en el suelo De estas reacciones de disolución ácida se libera ácido ortosilícico (H4SiO4). Esta es la

especie química que predomina en la solución del suelo y por ende es absorbida por las raí-ces de las plantas (Lewin and Reimann 1969). Este ácido ortosilícico puede ser removido por lixiviación de los suelos de regiones lluviosas al-tamente meteorizados de los trópicos. Debido a esto el ácido ortosilícico puede estar en con-centraciones menores a 10-4 M.

Disolución ácida de aluminosilicatos:

NaAlSi3O8 (Albita) + 4H2O + 4H+ ↔ Na+ + Al3+ + 3H4SiO4 (K=102.74)KAlSi3O8 (Microclina) + 4H2O + 4H+ ↔ K+ + Al3+ + 3H4SiO4 (K=101.00)KAl2(AlSi3O10) (Muscovita) + 10H+ ↔ K+ + 3Al3+ + 3H4SiO4 (K=1013.44)CaAl2SiO6 (Piroxeno) + 8H+ ↔ Ca2+ + 2Al3+ + H4SiO4+ 2H2O (K=1035.25)Al2Si2O5(OH)4 (Halloisita) + 6H+ ↔ 2Al3+ + 2H4SiO4 + H2O (K=108.72)Al2Si2O5(OH)4 (Caolinita) + 6H+ ↔ 2Al3+ + 2H4SiO4 + H2O (K=105.45)Mg6Si4O10(OH)8 (serpentina) + 12H+ ↔ 6Mg2+ + 4H4SiO4 + 2H2O (K=1061.75)Mg1.6Fe(II)0.4SiO4 (olivino) + 4H+ ↔ 1.6Mg2+ + 0.4Fe2+ + H4SiO4 (K=1026.18)

El ácido ortosilícico es bastante estable en el rango de pH de los suelos. La constante de su disociación para formar el anión ortosilicato (H3SiO4

-) es bastante alta y fluctúa entre 10-9.50 (Datnoff et al. 2007) y 10-9.71 (Lindsay 2001). En otras palabras, a estos valores de pH estas dos

especies se encuentran en equilibrio (50%:50%). Por debajo de estos pH el ácido ortosilícico es la forma predominante. Hasta un pH de 7.5 el H4SiO4 representa virtualmente entre el 99-100% del Si soluble (Fig. 4).


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Fig. 4. Distribución porcentual de las especies químicas H4SiO4 y H3SiO4- en solución en función del pH.

guiente esquema (Fig. 6). Cuando la concentra-ción de H4SiO4 esta por debajo de 1.8 mM la silica (SiO2) reacciona con agua para formar el H4SiO4 y restituir la concentración al equilibrio; pero si la concentración es muy alta (>0.18 mM), el H4SiO4 formar silica hidratada amorfa (via polimerización), el cual se precipitará. Por otro lado, si el pH de la solución es mayor de 9.5-9.71 el H4SiO4 se disociará para formar el anión ortosilicato (H3SO4

-).

Fig. 5. Ilustración de la silica hidratada amorfa (Williams 1986).

Por otro lado cuando el H4SiO4 está en altas concentraciones en la solución tiende a polime-rizarse y a generar sílica hidratada amorfa inso-luble (Fig. 5), la cual es más reactiva que la sílica cristalina (cuarzo) y puede disolverse lentamente para controlar la concentración en solución de este compuesto. Silica amorfa también se puede formar al interior de las plantas en forma de fitóli-tos (ópalo), la cual retornará al suelo a través de la descomposición de la hojarasca y residuos de co-secha. Bajo condiciones de equilibrio, la concen-tración del H4SiO4 en la solución del suelo es de 1.8 mM. Sin embargo, debido a la baja tasa de di-solución de minerales silicatados y a las múltiples reacciones que ocurren en el suelo (absorción por raíces y algas, adsorción sobre minerales del suelo y precipitación para formar hidroxialuminosilica-tos) la concentración del H4SiO4 normalmente fluctúa entre 0.1-0.6 mM (Epstein 1994).

En general, el equilibrio entre la especies de Si en la solución puede resumirse en el si-

Fig. 6. Solubilidad y diferentes especies de silicio en solución (Ma et al. 2001b).

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CICLO BIOGEOQUÍMICO DEL SILICIO

El ciclo biogeoquímico del Si a nivel glo-bal se ilustra en la fig. 7. Se considera que por el proceso de meteorización de

minerales primarios y secundarios se liberan Si en el suelo a una tasa de 533-1292 Tg año-1. El Si disuelto en el suelo (DSi), en forma de ácido silicico (H4SiO4), es absorbido por las plantas y acumulado en compuestos amorfos (ASi) en las paredes celulares donde se forman estructuras llamadas fitolitos. Mediante la caída de hojaras-ca y la descomposición de residuos vegetales, el Si retorna al suelo en estos compuestos amor-fos que al disolverse pasan a la solución del sue-lo donde pueden ser de nuevo absorbidos por las plantas. El contenido de fitolitos en estos suelos puede ser del orden de 6-12% de la masa en el horizonte superficial en los suelos de es-tepas (Bobrova 1995).el flujo del Si en el suelo es de 1685-5616 Tg año-1. Parte del Si que está en el suelo puede lixiviarse en profundidad o transportarse superficialmente por escorrentía hacia aguas corrientes para finalmente llegar a los océanos, esto ocurre a una tasa de 168 Tg año-1. De esta manera, el Si se puede encontrar en aguas continentales (lagos, ríos) que final-mente lo transportan al océano (Struyf et al. 2009).

Igualmente, y en menor proporción, la ero-sión eólica puede remover Si de los suelos y transportarlo hacia los océanos. Allí el Si puede ser absorbido por algas diatomeas y otros orga-

nismos que lo acumulan en sus cuerpos. El Si disuelto juega un papel importante en la pro-ducción de fitoplancton y en la acumulación de carbono en las zonas costeras y en los sedimen-tos marinos (Ragueneau et al. 2006). Así mismo, el Si también puede transportarse al océano a través del viento (erosión eólica) a una tasa mu-cho menor de 14 Tg año-1.

En la superficie del océano el DSi es ab-sorbido por algas, particularmente diatomeas, que lo acumulan en sus tejidos en compuestos amorfos (ASi) los cuales se descomponen para liberar Si nuevamente a una tasa de 6739 Tg año-1. El Si disuelto juega un papel importante en la producción de fitoplancton y en la acu-mulación de carbono en las zonas costeras y en los sedimentos marinos (Ragueneau et al. 2006). Una pequeña parte del ASi (183 Tg año-1) se acumula en el fondo oceánico en sedimentos que contienen las estructuras de las diatomeas, las cuales pueden disolverse y mediante flujos hidrotermales ascendentes pueden ser llevados de nuevo a la superficie. Los sedimentos oceá-nicos, mediante las fuerzas tectónicas, pueden de nuevo hacer parte de la corteza terrestre y del subsuelo para comenzar de nuevo el ciclo. Los ecosistemas terrestres regulan el flujo de meteorización del silicio a través del ciclo bio-geoquímico terrestre a través de la absorción, almacenamiento y reciclaje (Conley 2002).


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ECOSISTEMA SUELO

OCÉANO SUPERFICIAL

FONDO OCEÁNICO

SUBSUELO & CORTEZA TERRESTRE

533-

1292

Tg

año-1

14 Tg año-1

183 Tg año-1

168 Tg año-1

Met

eoriz

ació

n

Transporte eólico

Placas tectónicas

Transporte fluvial

Aporte hidrotermal

&Meteorización

del piso oceánico

-Minerales primarios- Minerales secundarios

ASi en diatomeas en el fondo oceánico

Sedimentación de ASi

1685-5616

Tg año-16739

Tg año-1DSiASi

diatomea

Suelo DSiPlanta

ASi

Absorción raíz

HojarascaSuelo ASi

Diso

l.

Fig. 7. Ciclo biogeoquímico global del silicio. Los dos cuadros de la izquierda representan las reservas de Si continental, la dos de la derecha las reservas oceánicas. Los rectángulos en negro indican los flujos entre las reservas primarias. Los círculos negros representan los flujos de Si dentro de las reservas primarias de Si. Figura adaptada de (Struyf et al. 2009).

Se han desarrollado modelos del ciclo bio-geoquímico global del Si para entender la incor-poración de procesos tanto geoquímicos como biológicos y para cuantificar los cambios de las reservas y flujos del Si en el suelo, en las zonas costeras y en el océano abierto. En el ámbito terrestre se han determinado los procesos que ocurren en el suelo y en el agua como la me-teorización de minerales y otros procesos geo-químicos, producción primaria de vegetación y microorganismos. Sobresale en tales estudios que la relación Si:C es de 0.02 comparada con 0.15 para las diatomeas marinas (Dan-Li and Lerman 2010). Se estima que las diatomeas son responsables del 20% de la fijación global de carbono (Treguer et al. 1995) y han llegado a ser los productores primarios dominantes (40%) en el océano (Field et al. 1998). El crecimiento de esta microalga unicelular de tanta relevan-cia ecológica, depende de la disponibilidad del DSi; por lo cual se ha sugerido que son un en-lace importante entre el ciclo marino del Si y el ciclo del C (Loucaides et al. 2012). El proceso

de meteorización de los minerales silicatados es en gran medida impulsado por el consumo de CO2 lo que, en consecuencia, afecta el cam-bio climático (Keller et al. 2012). Este proce-so inicia la transformación del silicato sólido a Si disuelto (DSi) en la solución del suelo y que queda disponible para la absorción por las plan-tas para formar Si biogénico amorfo (ASi) en la forma de fitolitos. Durante la mineralización de los silicatos, el CO2 disuelto en el suelo es usa-do en una reacción donde el ácido ortosilícico (H4SiO4) es disuelto y liberado de la estructura cristalina de los minerales silicatados. El ácido ortosilícico es transportado a través del suelo hacia los ríos y eventualmente al océano. Por ejemplo, en la meteorización de la anortita a gibbsita hay producción de H4SiO4 soluble y CO2: se consume para formar bicarbonato, car-bonato o ácido carbónico.

CaAl2Si2O8 + 2CO2 + 8H2O ↔ Ca2+ + 2Al(OH)3 + 2H4SiO4 + 2HCO3

-

Ca2+ + 2HCO3- ↔ CaCO3 + H2CO3


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La meteorización de los minerales silicatados es, por lo tanto, un importante reservorio de CO2 para la atmósfera a escala de tiempo geológica (millones de años) y podría ejercer una gran influencia sobre el clima global (Struyf et al. 2009). De esta manera, la concentración de CO2 influye en la tasa de meteorización de los silicatos, las cuales han cambiado significativamente durante el desarrollo de la biosfera (Knoll and James 1987).

Los mecanismos que controlan el ciclo del Si son dependientes del tiempo; pueden pasar desde segundos, para los procesos de adsor-ción, o hasta milenios para los procesos de for-mación de las arcillas. Se han evaluado los flujos de Si entre plantas, solución del suelo y minera-les del suelo en diferentes ecosistemas naturales de bosque y en praderas naturales. Los flujos varían de acuerdo a la edad y al tipo de bosques. Las plantas absorben una fracción significativa de Si disuelto (DSi) que se ha originado de la descomposición de la hojarasca, es decir, de la disolución de los fitolitos. Esta fracción es la que se recicla principalmente, lo que se expor-ta a la solución del suelo o a las corrientes de agua es limitado. La cantidad de silicio que se libera por la meteorización de los minerales del suelo diferentes a los fitolitos es muy variable y depende del tipo de vegetación. El impacto de las praderas con gramíneas en el reciclaje del Si es del mismo orden de magnitud que el de los bosques debido a que aunque estas tienen menor biomasa, se compensa por la gran con-centración de Si en sus tejidos. De hecho, las gramíneas son conocidas por ser plantas acu-muladoras de Si y pueden acumular más de este elemento en su parte aérea que la mayoría de las especies con concentraciones superiores al 1% en base seca (Hodson et al. 2005; Ma and Takahashi 2002). Sin embargo, en suelos con pasturas la disolución de minerales es mayor que en suelos con bosques lo que sugiere que el

biociclo del Si puede influir en la meteorización de los minerales en mayor proporción que en los bosques (Blecker et al. 2006).

Los fitolitos son una de las más importantes fuentes solubles de Si comparados con otros mi-nerales del suelo a pesar de que se encuentra en bajas concentraciones (Fraysse et al. 2006). Entre todos los minerales, los fitolitos tienen la mayor tasa de disolución excepto a pH < 3-4. Los valo-res de disolución de fitolitos de 0.1 a 1% explican los valores de Si disuelto que se ha encontrado en aguas superficiales (Fraysse et al. 2010). La alta so-lubilidad de los fitolitos puede inclusive controlar la concentración de DSi en los ríos (Derry et al. 2005). Sin embargo, no es posible determinar la proporción de Dsi de origen biogénico o litogéni-co (Struyf and Conley 2012).

Unos pocos estudios han mostrado eviden-cias de que las prácticas agrícolas pueden agotar la reserva de Si amorfo del suelo. Debido a que los fitolitos constituyen una de las fuentes de Si más rápidamente biodisponible para las plantas, las consecuencias de la erosión del suelo y la ab-sorción y retención por las plantas, se han pro-puesto técnicas para determinar y cuantificar el sílice amorfo (fitolitos) aunque no están bien calibradas y son imprecisas (DeMaster 1981; Meunier and Keller 2013).

Silicio y fijación de CO2

Un aspecto relevante en la biogeoquímica del Si es la capacidad que tienen algunos de sus minerales de secuestrar CO2 (ANLEC 2011; Gerdemann et al. 2004). Este punto cobra una gran relevancia en el contexto global del cam-bio climático donde el incremento de la con-centración de este gas en la atmosfera es de-terminante. Así, diversos minerales silicatados como el olivino y la serpentina forman magne-sita (MgCO3):


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2Mg2SiO4 + CO2(g)+ 2H2O↔ Mg3Si2O5(OH)4 + MgCO3

Con el incremento de la actividad del CO2 es posible formar magnesita y no serpentina:

Mg2SiO4+ 2CO2(g) ↔ 2MgCO3 + SiO2

Con los silicatos de calcio (wollastonita) es posible formar calcita (CaCO3).

CaSiO3+ CO2(g) ↔ CaCO3 + SiO2

De esta manera, los minerales silicatados pueden contribuir a atrapar el gas CO2 (produ-

cido naturalmente en el suelo) en compuestos químicos relativamente estables (de baja solu-bilidad) y así generar un efecto ambiental alta-mente deseable. Estos minerales podrían ser usados para tratar las emanaciones industriales de CO2, particularmente aquellas producidas por las plantas de generación de energía obteni-da a partir de combustibles fósiles. Se estiman que para secuestrar 1 kg de CO2 se requiere 1.6 kg de olivino, 2.1 kg de serpentina ó 2.6 kg de wollastonita, entre otros (Tabla 4)

Tabla 4. Minerales de interés para carbonatación mineral. Fuente: ANLEC (2011).

Mineral Formula Productos de reacción con CO2 Requerimiento mineral (kg/kgCO2)

Mg Olivino Mg2SiO4 SiO2 + 2MgCO3 1.6

Mg serpentina Mg3Si2O5(OH)4 2SiO2 + 3MgCO3 + 2H2O 2.1

Wollastonita CaSiO3 CaCO3 + SiO3 2.6

Basalto Variable MgCO3, CaCO3, FeCO3 4.9

Magnetita Fe3O4 Fe2O3 + FeCO3 5.3

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SILICIO EN EL SUELO

La composición de rocas y los suelos que se derivan de ellas son principalmente silicatos y aluminosilicatos. Entre los

componentes, el contenido de dióxido de Si (SiO2) es de 74.51% y el de óxido de aluminio es de 14.45% (Jenny 1980). Este dominio cuanti-tativo del Si es más pronunciado en rocas ígneas ácidas como el granito, aunque el Si constituye una gran fracción de la mayoría de las rocas.

Los suelos tienen un contenido total de Si que generalmente fluctúa entre 50-400 g/kg de sue-lo. Los compuestos con Si presentes en el suelo usualmente están en la forma de cuarzo (SiO2), varios aluminosilicatos (plagioclasa, ortoclasa y feldespatos), minerales secundarios arcillosos (vermiculita, esmectita y caolinita) y sílica amorfa (Matichenkov and Bocharnikova 2001).

La mayoría de las transformaciones quími-cas que ocurren en los suelos están relacionadas con los minerales silicatados. La presencia y do-minancia de estos minerales ricos en Si varían con la duración y la intensidad de los procesos de formación y evolución del suelo. Las rocas se meteorizan en partículas como gravas, are-nas, limos y arcillas, éstas últimas con un tama-ño menos a 2 µm. El tamaño de las partículas que componen el suelo es de suma importancia para la tasa a la cual el Si que está en ellas va a la solución del suelo y a todas las reacciones de meteorización (Epstein 2001). Esto no se debe

sólo al incremento de las reacciones químicas al incrementar la superficie específica de las partí-culas sino porque las grandes superficies de los minerales desde el material parental hasta las ar-cillas forman el hábitat de un inmenso número de microorganismos que van desde 103 hasta 109 células/cm3 (Banfield et al. 1999).

Como se ha mencionado, el Si es el segundo elemento más abundante en la corteza terrestre después del oxígeno. La mayoría de los suelos contienen cantidades considerables de este ele-mento, pero cuando se cultiva repetidamente con diferentes especies, se pueden reducir los niveles del Si disponible para las plantas hasta el punto de que se requieren aplicar fertilizantes con Si para obtener una máxima producción. Al-gunos suelos contienen poco Si disponible para las plantas en su estado nativo; por lo general son altamente meteorizados, lixiviados, ácidos y ba-jos en saturación de bases. A manera de ejemplo están los oxisoles y ultisoles que abundan en la región tropical húmeda. Por otro lado, los histo-soles, que son suelos dominados casi exclusiva-mente por materiales orgánicos contienen poco Si. Además, los entisoles arenosos compuestos principalmente de cuarzo (SiO2), bastante inso-luble, el contenido de Si disponible para las plan-tas es muy bajo (Datnoff et al. 1997).

A pesar de la abundancia de Si soluble en la mayoría de los suelos minerales, se puede pre-


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sentar deficiencia de este elemento en las plan-tas debido al agotamiento del elemento por la continua extracción que de él hacen los cultivos, en especial plantas que son clasificadas como acumuladores de Si en sus tejidos como es el caso del arroz. Este cultivo extrae del suelo el Si más rápido que lo que se repone a la solución en forma natural.

Formas de Si en el suelo

El Si se encuentra en el suelo en diferentes formas distribuidas en la fase sólida y en la fase líquida (Fig 8). En la fase sólida están los com-puestos cristalinos y los amorfos, los primeros están representadas por los mencionados mine-rales primarios (feldespatos, cuarzo, etc.) pre-sentes en el material parental a partir del que se forma el suelo y los minerales secundarios (micas, esmectita, caolinita, etc.) que se forman en el suelo durante su formación y evolución. Los minerales primarios y secundarios del suelo son las principales fuentes de formas solubles de Si. Los suelos ricos en minerales de Si di-

fieren en la solubilidad y son influenciados por muchos factores tales como pH, tamaño de las partículas, composición química, clima, plantas, actividad de los microorganismos del suelo, en-tre otros (Lucas et al. 1993).

Dentro de los compuestos amorfos están la silica-amorfa que resulta de la polimerización y precipitación del ácido monosilícico cuando este está en alta concentración en la solución del suelo. Este es un proceso netamente inorgá-nico clasificado como abiogenico (Figs. 5 y 6). Por otro lado, en el suelo se pueden encontrar compuestos amorfos de Si en fitolitos origina-dos a partir de la hojarasca, y los residuos de plantas y microorganismos ricos en Si (biogéni-co). Estos compuestos amorfos son más fáciles de disolver en la solución del suelo debido a que por su tamaño fino exhiben una mayor su-perficie específica que sus contrapartes cristali-nas. Por lo anterior, estos compuestos amorfos deben recibir una atención especial al momento de evaluar la disponibilidad del Si en el suelo para las plantas cultivadas ya que puede ser las formas de Si más lábiles para las plantas (Fig. 8).

COMPUESTOS DE Si EN EL SUELO

Fase líquidaFase sólida

Ácido monosilícico

Ácido polisilícico

Complejos con compuestos inorgánicos

Complejos con compuestos orgánicos

Compuestos organo-silicon

FORMAS AMORFAS

FORMAS CRISTALINAS

Formas biogénicas

Formas abiogénicas

Fitolitos, residuos de plantas y

microorganismosricos en Si

Silica amorfa

Minerales secundarios “finamente” dispersos

Minerales primarios “gruesamente” dispersos

Micas, minerales arcillosos: caolinita,

esmectita

Feledespato, cuarzo

Fig. 8. Clasificación de los compuestos de Si en el suelo. Tomado de (Matichenkov and Bocharnikova 2001).


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Si en la solución del suelo

Además de los compuestos sólidos de Si, los suelos contienen sustancias solubles y dé-bilmente adsorbidas de Si. Hay tres grupos principales de compuestos de Si solubles, estos son el ácido monosilícico (Ma et al. 2001b), po-lisilícico (Matichenkov and Snyder 1996) y los compuestos órgano-silícicos (Matichenkov and Bocharnikova 2001) (Fig. 8). Sin embargo, se ha demostrado que los complejos de Si con meta-les pesados, Al, Fe y compuestos orgánicos, es-tán presentes en la solución del suelo y en aguas naturales.

El ácido monosílicico puede estar presente en dos formas: ortosilicico (H4SiO4) y metasi-licico (H2SiO3), este último tiene un oxigeno unido con doble enlace al Si (Snyder 2001). El primero predomina en las soluciones acuosas como la solución del suelo, mientras que el se-gundo hace parte de minerales cristalinos, tal como la Wollastonita (metasilicato de calcio, CaSiO3).

La concentración del ácido monosilícico normalmente fluctúa entre 3.5-40 mg Si L-1

(Marschner 1995). Por su parte Epstein (1999) reporta un rango de 0.1-0.6 mM (Si= 2.8-16 mg/L-1). Concentraciones de esta magnitud son comunes para algunos de los principales nu-trientes inorgánicos tales como K+, Ca2+, SO4

2- y están muy por encima de las concentraciones de P (0.001-0.1 mg/L-1) en la solución del suelo (Epstein 1999). Esto indica que el Si ocupa un papel importante como uno de los principales constituyentes de la solución del suelo en con-tacto con las raíces (Marschner 1995). Cuando el ácido monosilícico está en altas concentra-ciones (>1.8 mM; Si=50.5 mg/L-1) este tiende a polimerizarse para formar ácido polisilícico que puede tener dos o más átomos de Si (no forma el complejo de color amarillo con el molibdato

de amonio), el cual puede precipitarse fácilmen-te en el suelo o formar complejos inorgánicos y orgánicos con otros compuestos (Fig. 8).

A diferencia del ácido monosilícico, el áci-do polisilícico es químicamente inerte y bási-camente actúa como un adsorbente, formando partículas coloidales (Hodson and Evans 1995), que se pueden polimerizar y luego formar com-plejos con otros compuestos inorgánicos, or-gánicos o adsorberse sobre arcillas del suelo. Los ácidos polisilícicos son un componente in-tegral de la solución del suelo, algunos autores reportan que estos principalmente afectan las propiedades físicas del suelo (Matichenkov et al. 1996). Los ácidos polisilícicos son rápidamen-te adsorbidos por algunos minerales forman-do puentes de siloxano (Chadwick et al. 1987). En general, estos están altamente saturados de agua por lo tanto podrían tener un efecto en la capacidad de retención de agua del suelo. Se ha reportado que son importantes para la forma-ción de estructura del suelo al crear puentes de silica entre partículas (Matichenkov et al. 1995; Matichenkov et al. 1996; Norton et al. 1984); sin embargo, las escalas de tiempo a las cuales es-tos procesos ocurren deben ser consideradas. La compactación del suelo por la maquinaria incrementa el contenido de ácido polisilícico (Matichenkov and Bocharnikova 2001; Mati-chenkov et al. 1996). Estos autores afirman que la presión por la maquinaria usada en los suelos puede incrementar los ácidos polisilícicos en los horizontes superficiales aunque la química de estos procesos ha sido pobremente estudiada.

Desilicación de suelos

Es posible diferenciar tres direcciones prin-cipales de la migración del Si y la transforma-ción en el suelo: lixiviación de compuestos so-lubles ricos en Si sin ninguna transformación, absorción de ácido monosilícico por las raíces


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de las plantas con la consecuente formación a sí-lica amorfa y transformación de formas solubles de Si en el suelo. La lixiviación de Si depende de la precipitación y la velocidad de meteorización (Matichenkov et al. 2000b). Así, es claro que la evolución del suelo determina en buen parte el contenido de Si en el suelo y su concentración en el suelo. Los suelos con baja meteorización (Mollisoles y Vertisoles) tienen un alto contenido de Si en el suelo, sin embargo a partir de los pro-cesos de meteorización y lixiviación los minera-les silicatados van gradualmente perdiendo Si (en forma de H4SiO4) y con ello se van formando diferentes minerales en el suelo. Por ejemplo, se espera que en un Mollisol haya una dominancia

de feldespatos y micas. Con el paso del tiempo, estos minerales se disuelven y dada la remoción del H4SiO4 (desilicación) por lixiviación, los nue-vos compuestos formados contienen menos Si. En las etapas iniciales de la evolución del suelo se formen esmectitas y vermiculitas (minerales del tipo 2:1) pero conforme avanza la meteorización y la lixiviación (desilicación) se forma caolinita (mineral de tipo 1:1). En suelos muy meteoriza-ción (Ultisoles y Oxisoles), la remoción de Si es tan intensa que los minerales dominantes son los sesquioxidos de Fe y Al (Fe2O3, Al2O3). En estos suelos el contenido de Si está representado por cuarzo residual que es altamente resistente a la meteorización.

Orden de suelo Minerales dominantes Meteorización

Mollisol

Vertisol

Alfisol

Ultisol

Oxisol

Feldepatos, micas, vermiculitas

H4SiO4

Esmectitas (montmorillonita)

H4SiO4

Caolinita, esmectita

H4SiO4

Caolinita, sesquioxidos

H4SiO4

Sesquioxidos, caolinita,

Baja

Desilicación

Alta

Fig. 9. Secuencia de meteorización del silicio en el suelo. Modificado de (Datnoff et al. 2007)

Aunque varios autores hablan que el conte-nido del Si en el suelo es del 28-32% (Epstein 1999; Lindsay 2001), este valor puede cambiar considerablemente de acuerdo a la evolución del suelo considerado. Por ejemplo, para aque-llos suelos que presentan una baja evolución ese valor promedio de Si es adecuado, tal como

lo muestran los horizontes A de los Mollisoles y Aridisoles de la Tabla 5. Sin embargo, para suelos muy evolucionados como los Ultisoles y Oxisoles el contenido de Si es bastante bajo. De esta forma encontramos que en el horizon-te A de un Ultisol el contenido de Si fue de 27.27%, mientras que en el Oxisol el contenido


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fue de apenas 9.26%. Es muy probable que en suelos tan meteorizados la disponibilidad de Si sea muy baja y, por tanto, se espera que haya una alta probabilidad de respuesta de cultivo a la aplicación de Si, particularmente en culti-vos de alta demanda por este elemento (arroz, maíz, caña de azúcar, entre otros) (Datnoff et al. 1997; Friesen et al. 1994; Savant et al. 1997a;

Savant et al. 1997b; Singer and Munns 1987). En los trópicos la intensidad tan alta de los pro-cesos de meteorización y lixiviación remueven nutrientes de los suelos quedando en muchos casos Al como el principal catión de intercam-bio (Epstein 2001), lo cual puede crear toxici-dad en plantas así como deficiencias de algunos nutrientes, particularmente P.

Tabla 5. Composición de la corteza terrestre y del horizonte A de algunos suelos. Fuente: (Barber 1995).

ElementoMollisol Aridisol Ultisol Oxisol Corteza terrestre

%Si 33.96 31.53 27.27 9.26 27.62

Fe 2.20 3.71 4.46 10.91 4.77

Al 6.57 7.87 10.96 20.27 8.32

Mn 0.08 0.08 0.05 0.20 0.09

Ca 0.56 1.46 Trazas 0.18 3.64

Mg 0.49 0.92 0.35 0.30 2.08

K 1.86 2.27 1.83 0.12 2.59

Na 1.01 1.28 0.33 0.17 2.75

P 0.05 0.10 0.04 0.14 0.13

S 0.05 0.04 0.03 0.10 0.06

N 0.17 0.03 0.08 - -

Interacción entre silicio y fósforo

Una de los efectos más importantes de la aplicación de fertilizantes/enmiendas silicata-das es mejorar la disponibilidad de P en el suelo y así mejorar la absorción de P por las plantas cultivadas y, por ende, el rendimiento de los cul-tivos. Estos efectos resultan muy evidentes y va-liosos en suelos tropicales donde la fijación de P limita la efectividad de los fertilizantes. Esto es debido a la competencia entre el ión H2PO4

- y el H4SiO4 por sitios de adsorción sobre la superfi-cies de arcillas y óxido e hidróxidos de Fe y Al. Los grupos -OH, -OH-0.5 y OH2

+0.5 presentes en estas superficies pueden ser sustituidos por

el ión fosfato o por el ácido silícico (Fig. 10). De esta manera, los sitios de fijación de P pueden ser ocupados parcialmente por este ácido. En contraste, cuando el P se adsorbe, el Si se libera a la solución del suelo. Estas reacciones adsor-ción-desorción son reversibles y se constituyen en un mecanismo fundamental para mejorar la disponibilidad de P en los suelos (Datnoff et al. 2007).

El efecto se ha medido experimentalmente a través de isotermas de adsorción de P en la cuales además del P se adiciona una fuente de Si. (Roy et al. 1971) hallaron que al aplicar sili-cato de calcio (Si: 500 mg kg-1) a cuatro suelos tropicales de Hawaii se redujo significativamen-


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te la fijación de P (Fig. 11). En este caso los investigadores reportaron que la cantidad de P requerida para alcanzar una concentración de P en la solución del suelo de 0.2 mg L-1 (óp-tima para muchos cultivos de interés agronó-mico, p.e. soya) fue menor cuando se aplicó el silicato de calcio. Este efecto estuvo en función de la capacidad de fijación de P del suelo y así fue más marcado en un Ultisol (Tropohumult) y un Oxisol (Eutrorthox) con reducciones del requerimiento de P aplicado del 47 y 41%, res-pectivamente, y en menor proporción (24%) en el Oxisol (Gibbsihumox) y el Andisol (9%) (Hydrandept ≈ Hydrudand) con alta y muy alta fijación de P. Esto hace que la cantidad de fer-tilizante fosfórico soluble requerida sea menor en presencia de la enmienda silicatada, con los obvios benéficos en la reducción de estos ferti-lizantes. Dado el alto costo del fertilizante fos-fórico y los riesgos de contaminación ambiental que hay con su uso, resulta muy favorable el uso de Si para mejorar su eficiencia.

(a)

+ 3 H2PO4-

O

Fe

O H2PO4

OH2(+0.5) ...

Fe

O OH2(+0.5)

O

Fe

O H2PO4

OH2(+0.5) ...

Fe

O OH2(+0.5)

O

Fe

O H2PO4

OH2(+0.5) ...

Fe

O OH2(+0.5)

OH-

H2PO4-

H2PO4-

O-PO3H2

O

Fe

O OH

OH2(+0.5)

Fe

O OH (-0.5) OH-

(b)

O

Fe

O H2PO4

OH2(+0.5) ...

Fe

O OH2(+0.5)

O

Fe

O H2PO4

OH2(+0.5) ...

Fe

O OH2(+0.5)

O

Fe

O H2PO4

OH2(+0.5) ...

Fe

O OH2(+0.5)

OH + 3 H4SiO4 HOH

O-SiO3H3 H3O+

O-SiO3H3

O

Fe

O

Fe

O

O

Fe

Fe

O

O-SiO3H3 H3O+

Fig. 10. Fijación de H2PO4- (a) y H4SiO4

o (b) por adsorción sobre la superficie de un óxido-hidróxido de Fe.

187

425

725

1150

100

250

550

1050

0

250

500

750

1000

1250

1500

Tropohumult Eutrorthox Gibbsihumox Hydrudand

Req

uerim

ient

o de

P (m

g kg

-1)

Suelo

Si: 0 mg/kg Si: 500 mg/kg

Silicato de calcio aplicado (t/ha) Cal Requerimiento

de P (mg kg-1) Reducción con

respecto al control (%)

0 Sin cal (pH 5.5) Con cal (pH 6.2)

910 (control) 800

- 12

1.6 Sin cal (pH 5.5) Con cal (pH 6.2)

580 675

36 26

Fig. 11. Requerimiento de P (mg kg-1) de cuatro suelos de Hawaii para alcanzar una concentración de P en la solución del suelo de 0.2 mg L-1 (óptima para muchos cultivos agronómicos) en función de la aplicación de silicato de calcio a razón de 500 mg de Si por kg de suelo.

Por otro lado, (Suehisa et al. 1963) reporta-ron que en un Ultisol la adición de Si a razón

de 1 t/ha incrementó el rendimiento del pasto sudan de 2 a 7.6 t/ha; la absorción de P también


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aumentó de 4 a 15 kg/ha sin aplicar P al suelo. Así mismo, la fijación de P en suelos tropicales se puede reducir con la aplicación conjunta de silicato de calcio y cal. A manera de ejemplo se tiene la investigación de Silva (1971) quien aplicó ambos materiales a un Oxisol de Hawaii y encontró que al aplicar solamente silicato de calcio (1.6 t/ha) el requerimiento de P (para al-canzar una concentración de P en la solución

del suelo de 0.2 mg L-1) se redujo en un 36% con respecto al control. La adición individual de cal logró reducir el requerimiento de P en un 12%; este efecto tan bajo pudo ser debido a que el suelo ya contaba con un pH relativamente alto (pH 5.5). La adición de ambos materiales no mejoró el efecto ya obtenido con la adición individual de Si (Tabla 6).

Tabla 6. Efecto individual y combinado de la adición de silicato de Ca y cal sobre el requerimiento de P de un Oxisol de Hawaii (Gibbsihumox) para alcanzar una concentración de P en la solución del suelo de 0.2 mg L-1.

Silicato de calcioaplicado (t/ha) Cal Requerimiento de

P (mg kg-1)Reducción con

respecto al control (%)

0 Sin cal (pH 5.5)Con cal (pH 6.2)

910 (control)800

-12

1.6 Sin cal (pH 5.5)Con cal (pH 6.2)

580675

3626

En estudios realizados por Plucknett (1972) se encontró que al adicionar silicato de calcio a un Oxisol de Hawaii se mejoró el rendimiento de la caña de azúcar; al aumentar la dosis desde 4.5 a 18.0 t/ha se aumentó el efecto no sólo

en la primera cosecha que siguió a la aplicación sino también en la de los rebrotes (Fig. 12). La implicación práctica de esto es de nuevo la reducción en la dosis de fertilizante fosfórico soluble.

34 40 42 43 45

2728 29 31

38

0

20

40

60

80

100

0.0 4.5 9.0 13.5 18.0

Prod

ucci

ón a

zuca

r (t/h

a)

CaSiO3 aplicado (t/ha)

1ª cosecha Retoños

Fig. 12. Efecto de la adición de silicato de calcio en la producción de azúcar en un Oxisol de Hawaii (Plucknett, 1972).

El efecto benéfico de la adición de tres materiales ricos en Si de diferente solubilidad

sobre la concentración de P en la solución del suelo fue evaluado por Matichenkov and Bo-


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charnikova (2001) (Tabla 7). Estos autores apli-caron cuatro fuentes de P de solubilidad varia-ble y hallaron que al aplicar silicato de calcio se aumentó la concentración de P soluble de 0.061 a 0.256 mg/L-1 cuando la fuente de P fue CaHPO4; esto representa un incremento de 4.2 veces en el P soluble. Con las otras fuentes de P muy insolubles (fosfato tricálcico, fosfato de aluminio y fosfato de hierro) y las fuentes más insolubles de Si no se detectó este efecto.

Adicionalmente, la adsorción de Si (como H4SiO4) viene acompañada con la liberación de un grupo H3O

+ (tal como se ilustró en la fig. 10), lo cual se refleja en una ligera la disminu-ción de pH del suelo de 7.2 en el control a 5.6 con el silicato de calcio.

Se establece luego un nuevo equilibrio entre los silicatos y los aniones fosfato. Una parte de

estos fosfatos móviles recién formados pueden ser adsorbidos sobre nuevas superficies.

Efecto del Si en la reacción del suelo

Las reacciones de disolución ácida de los mi-nerales silicatados consumen protones disuel-tos en la solución del suelo y de esta manera contribuyen a aumentar el pH del suelo. Estas reacciones son presentadas por Lindsay (2001).

CaSiO3 (wollastonita) + 2H+ + H2O ↔ Ca2+ + H4SiO4

Mg1.6Fe(II)0.4SiO4 (olivino) + 4H+ ↔ 1.6Mg2+ + 0.4Fe2+ + H4SiO4

Mg3Si2O5(OH)4 (crisotolita)+ 6H+ ↔ 3Mg2+ + 2H4SiO4 + H2O

Mg6Si4O10(OH)8 (serpentina) + 12H+ ↔ 6Mg2+ + 4H4SiO4 + 2H2O

Tabla 7. Efecto de la aplicación de materiales ricos en Si sobre la concentración de P soluble (mg L-1) en el suelo a partir de varias fuentes de P.

Materiales ricos en Si CaHPO4 Ca3(PO4)2 Al(H2PO4)3 FePO4

Agua (control) 0.061 0.029 0.112 0.163

Silica fina: 300 m2/g 30 m2/g

0.0730.062

0.0290.031

0.1120.189

0.1630.162

Cuarzo 0.065 0.026 - 0.168

Silicato de calcio 0.256 0.031 0.207 0.198

Esta capacidad de neutralizar la acidez ha permitido que los minerales silicatados se usen como enmiendas para tratar suelos áci-dos (Bernier 2005). También se han usado para tratar aguas lixiviadas de minas activas o abandonadas donde la oxidación de sulfuros produce ácido sulfúrico, el cual puede tener un impacto favorable en los suelos y aguas veci-nas a la mina.

2FeS2 + 7O2+ 2H2O → 2Fe2+ + 4SO42- + 4H+

Las reacciones de neutralización del ácido sulfúrico son las siguientes (Bernier 2005):

Mg3Si2O5(OH)4 (crisolita) + 3H2SO4 → 5 H2O + 3Mg2+ + 2SiO2(aq)+3SO4

2-

Mg24Si17O42.5(OH)31(antigorita)+24H2SO4 → 39.5H2O + 24Mg2+ +17SiO2(aq)+24SO4

2-

CaCO3 (calcita) + 0.5H2SO4 → Ca2+ + HCO3-+ 0.5SO4

2-

CaMgCO3 (dolomita) + H2SO4 → Ca2+ + Mg2+ +2HCO3

- + SO42-

MgCO3 (magnesita) + 0.5H2SO4 → Mg2+ + HCO3

- + 0.5 SO42-


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Interacción entre silicio con aluminio y otros metales pesados

La toxicidad por aluminio (Al) es un factor que limita el crecimiento y la productividad ve-getal en los suelos ácidos, particularmente en la región tropical. Ha sido ampliamente reportado que el Si puede reducir el impacto de esta toxi-cidad en la plantas. Esta reducción se debe a la formación de especies de hidroxialuminosilica-tos (HAS) que no son toxicas para las plantas y que se precipitan en el suelo (Exley and Bir-chall 1992). Con varios compuestos de Si se ha demostrado que la reducción de fitotoxicidad por Al es muy efectiva (Haak and Siman 1992; Myhr and Erstad 1996; Rahman et al. 1998).

2Al3+ + 2H4SiO4 ↔ Al2Si2O5 + 2H+ + 3H2O

2Al3+ + 2H4SiO4 + H2O ↔ Al2Si2O5(OH)4 + 6H+

Por ejemplo, Hodson reporta que la adi-ción de 1000 μM de Si a una solución que contenía 100 μM de Al causó una reducción de la concentración de Al3+ de 92.4 a 83.3 μM a pH 4.0 y de 54.6 a 17.7 μM a pH 5.0. Igualmente, (Ma and Takahashi 2002) ofre-cen un buen ejemplo en el cual la concen-tración inicial de Al3+ monomérico (20 μM) se redujo significativamente con la adición de ácido silícico a razón de 500 a 2000 μM (Fig. 13). Como era de esperarse el efecto fue ma-yor con el incremento de la concentración del ácido silícico.

0

5

10

15

20

25

0 500 1000 2000

Con

cent

raci

ón d

e A

l3+(µ

M)

Concentración de H4SiO4 (µM Si)

Fig. 13. Concentración de Al3+ monomérico en solución en función de la concentración de ácido silícico. Fuente: (Ma and Takahashi 2002).

Cuando las plantas absorben Al3+ y H4SiO4, la formación de HAS ocurre tanto a nivel de la raíz como de la parte aérea co-depositandose en el espacio intercelular en forma de fitolitos. Este efecto ha sido demostrado en maíz, sorgo, cebada, teosinte, soya y coníferas, entre otras especies vegetales (Hodson and Evans 1995). Esto implica que la planta es capaz de absorber Al y Si (vía transportadores en la membrana ce-lular) en el citoplasma y luego llevar ambos ele-mentos vía xilema a la parte aérea de la misma.

Adicionalmente a la formación de HAS (Horiguchi 1988; Lumsdon and Farmer 1995), se han propuesto otros mecanismos sobre la reducción de dicha toxicidad: (i) el consumo de H+ debido a la adición de algunas fuentes de Si (p.e., serpentina) eleva el pH del suelo y puede promover la precipitación de Al3+ como Al(OH)3 (Lindsay 2001); (ii) el ácido monosilí-cico puede ser adsorbido sobre hidróxidos de aluminio del suelo disminuyendo su movilidad (Panov et al. 1982); (iii) existe una fuerte adsor-


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ción del Al3+ móvil sobre superficies silicatadas del suelo (Schulthess and Tokunaga 1996).

Otros elementos catiónicos tales como Fe, Mn, Zn, abundantes en suelos ácidos y que también pueden causar fitotoxicidad, pueden ser inmovilizados a través del H4SiO4. Esto es particularmente relevante para reducir las toxi-cidades de Fe y Mn en arroz de inundación las cuales pueden generar disminución en el ren-dimiento del cultivo (Ma and Takahashi 2002).

2Fe2+ + 2H4SiO4 ↔ FeSiO4 + 4H+

Mn2+ + 2H4SiO4 ↔ MnSiO3 + 2H+ + 2H2O

2Mn2+ + H4SiO4 ↔ Mn2SiO4 + 4H+

2Zn2+ + H4SiO4 ↔ ZnSiO4 + 4H+

Se ha demostrado que la reducción de toxici-dad por aluminio, usando compuestos ricos en silicio, es muy efectiva (Haak and Siman 1992; Myhr and Erstad 1996). Se han propuesto va-rios mecanismos sobre la reducción de dicha toxicidad: (1) los ácidos monosilícicos pueden incrementar el pH del suelo (Lindsay 2001). (2) los ácidos monosilícicos pueden ser adsorbidos sobre hidróxidos de aluminio disminuyendo su movilidad (Panov et al. 1982). (3) los ácidos mo-nosilícicos solubles pueden formar sustancias poco solubles con iones de Al (Horiguchi 1988; Lumsdon and Farmer 1995):

A12Si2O5 + 2H+ + 3H2O = 2A13+ + 2H4SiO4 K = 1015.12

A12Si2O5(OH)4 + 6H+ = 2A13+ + 2H4SiO4 + H2O K = 105.45

(4) fuerte adsorción del Al móvil sobre su-perficies silicatadas (Schulthess and Tokunaga 1996). (5) los compuestos móviles de Si pue-den incrementar la tolerancia de la planta al Al (Rahman et al. 1998). Todos estos mecanismos pueden trabajar al mismo tiempo aunque algu-nos prevalecen sobre otros bajo ciertas condi-ciones del suelo.

Se ha propuesto que el H4SiO4 se puede combinar con metales pesados (Cd, Pb, Zn, Hg, entre otros) para formar compuestos com-plejos insolubles (Schindler et al., 1976) y silica-tos de metales pesados de muy baja solubilidad (Lindsay 2001; Cherepanov et al. 1994):

2Pb2+ + H4SiO4 ↔ PbSiO4 + 4H+ K = 1018.45

Determinación de la disponibilidad del Si en suelo

Es ampliamente reportado en la literatu-ra que la aplicación de fertilizantes silicatados puede mejorar el rendimiento y la sanidad de diversos cultivos tales como arroz, caña de azúcar, cebada, maiz, avena, papa, pastos, en-tre otros más. Sin embargo, debido a los costos asociados a la aplicación del fertilizante (fertili-zante, transporte, aplicación) y a los beneficios esperados es necesario determinar si el suelo es deficiente en Si disponible para la planta. Se han desarrollado un gran número de métodos calibrados para determinar la disponibilidad de Si para las plantas en los suelos (Tabla 8). La calibración consiste en establecer una relación entre el rendimiento del cultivo (o el contenido del elemento en la planta) y la cantidad del ele-mento extraído del suelo (en este caso Si) por el método en particular. De esta manera se deter-mina si el suelo tiene un contenido suficiente o deficiente el elemento, lo que permitirá a su vez aplicar o no el fertilizante. En una refinación del método se puede determinar si la disponi-bilidad del elemento es baja (deficiente), media (suficiente) o alta y, por ende, la cantidad a apli-car será alta, baja y nula, respectivamente.

Para tener certeza de la interpretación es ne-cesario establecer experimentos de invernadero y campo en los cuales se calibra el método y la dosis a aplicar para un cultivo. Vale la pena


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aclarar que la calibración es específica para la especie vegetal y variedad y el suelo.

La forma como tradicionalmente se deter-mina la cantidad disponible de un nutriente en el suelo es a través del uso de extractantes quí-micos. Estos pueden ser ácidos diluidos (HCl, H2SO4), soluciones salinas neutras (KCl, CaCl2), o simplemente agua. El objetivo con los extrac-tantes es remover las fracciones disponibles de un nutriente dado, esto es: (i) la fracción del nu-triente que está en la solución del suelo (solu-ble), conocido esto como el factor intensidad, (ii) aquella fracción que está débilmente adsor-bida sobre la superficie de las arcillas y óxidos (intercambiable) y (iii) los compuestos precipi-tados que son relativamente fáciles de disolver; estos dos hacen parte del factor cantidad. En muchos casos lo extraído es la sumatoria de am-bas fracciones que se asume estarán disponibles para el cultivo durante su ciclo de crecimiento y producción. Un ejemplo de los resultados de estos estudios se presenta en la Fig. 14, en el

cual el método llamado acetato buffer se rela-ciona con el contenido de SiO2 acumulado en la parte aérea de plántulas de arroz.

Debido a que las plantas toman el Si en for-ma de ácido monosilicico (ortosilicico: H4SiO4) y que éste es la forma dominante en la solución del suelo o en los extractos del suelo, se preten-de con los métodos extraerlo y luego determi-nar su concentración. Para esto último se utiliza espectrofotometría de absorción atómica (AA) usando un llama con oxido nitroso y acetileno, espectrofotometría con inducción de plasma acoplado (ICP), espectrofotometría de luz vi-sible (colorimetría) que es el más ampliamente usado dado su bajo costo en instrumentación y bajo limite de detección. Por otro lado, con la espectroscopia de AA e ICP se determinan la cantidad total de Si disuelto (ácido monosilici-co, ácido polisilicico y compuesto organo-sili-cos soluble), sin discriminar entre estas especies químicas, perdiendo así sensibilidad a la forma disponible para las plantas.

0

4

8

12

16

20

0 10 20 30 40 50 60

SiO

2en

la p

arte

aér

ea (%

)

SiO2 soluble en acetato buffer (mg/100 g de suelo)

Y= 0.558X+1.10r = 0.869 **

Fig. 14. Relación entre el Si extraído del suelo con el método del buffer acetato y el Si contenido en la parte aérea de plantas de arroz (Fuente: Ma y Takahashi 2002).

Para la determinación colorimétrica se pue-de emplear ya sea el procedimiento en el que se desarrolla el complejo amarillo del ácido silico-

molibdico o el complejo azul del ácido silico-molibdoso. El último es preferido por su mayor sensibilidad. En éste el extracto del suelo que


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contenga el Si disuelto (H4SiO4) se trata con molibdato de amonio para formar el comple-jo. Se debe adicionar ácido tartárico para evitar la interferencia del fosfato en la formación del complejo fosfomolibdato. Luego se adiciona una solución reductora compuesta por sulfi-to de sodio, bisulfito de sodio y acido 1-ami-no-2-naftol-4-sulfonico. La intensidad del color azul que se desarrolla se mide a través de la ab-sorbancia a 650 nm. Este método es capaz de detectar concentraciones tan bajas como ~0.02 mg Si L-1.

El Si soluble se puede extraer con agua o con 0.01 M CaCl2, mientras que las fracciones inter-cambiable y precipitada se pueden extraer con ácido cítrico, ácido acético, acetato de amonio. En la Tabla 8 se ilustra los métodos y los crite-rios para interpretar la suficiencia y deficiencia, así como detalles del proceso de extracción. Estos métodos son rápidos, económicos y se puede utilizar en la rutina de los laboratorios de suelos y nutrición vegetal. Por otro lado, algu-nos métodos se han desarrollado para evaluar la dinámica del elemento en el suelo y requieren semanas y meses de incubación, lo cual dificulta su adopción para ser usados rutinariamente en estos laboratorios.

Una discusión sobre la viabilidad y acepta-ción de estos métodos se puede encontrar en las revisiones hechas por (Ma and Takahashi 2002; Snyder 2001) y (Berthelsen and Korndor-fer 2005). Estos autores coinciden en destacar que la extracción de Si soluble del suelo con 0.01 M CaCl2 ha dado consistentemente mejo-res resultados que otros métodos.

Matychenkov y Snyder (1996) y Snyder (2001) indican que el secado de la muestra del suelo al aire previo a la extracción debe ser re-

visado ya que esto reduce la concentración de acido monosilicico disponible. Esto es debido al aumento de la adsorción sobre las partículas arcillosas del suelo, a la polimerización y la des-hidratación. Por tanto, esto debe ser considera-do en los análisis de suelos.

De acuerdo a varios autores, particularmen-te Snyder (2001) y Berthelsen y Korndorfer (2005) se pueden afirmar los siguientes puntos:

• El Si del suelo disponible para las plantas necesita ser considerado desde tres aspec-tos: ‘factor intensidad’ (concentración de Si en la solución del suelo que está disponible para uso inmediato por las plantas); ‘factor capacidad’ (consiste en la reserva que sumi-nistra Si desde la fase sólida hacia la solu-ción del suelo; ‘capacidad buffer (tampón)’ que recoge los factores que afectan las reac-ción de adsorción/desorción que ocurren en el suelo y permiten que la fase sólida el suelo sea capaz de restituir el Si que se pier-de del suelo por lavado o absorción por las plantas.

• En general es aceptado que la mayoría del Si rapidamente soluble se deriva de los sitios de adsorción del suelo y no de un compuesto específico de Si del suelo.

• Es posible que un sólo metodo no sea sufi-ciente para medir la cantidad de Si disponi-ble para las plantas en el suelo. Sin embargo, si un sólo metodo es requerido, la extracción con un sal diluída tal como 0.01M CaCl2 (ver anexo 1) puede ser preferible ya que generan una medida del Si facilmente disponible en la solución del suelo. Este método permite establecer relaciones altamente significativas entre el Si del suelo y el absorbido por las plantas.


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Tabla 8. Métodos usados para determinar la cantidad de Si disponible en el suelo. Fuente: Berthelsen y Korndorfer (2005) y Snyder (2001).

Extractante

Proporción de suelo: solución o cantidades

recomendadas

Método Nivel crítico sugerido Referencias

H2OSuelo seco al aire a 0.1 bar

Incubar a 25ºCpor 1 día, centrifugar a 900g 1h

Gillman y Bell (Aleshin et al. ); Menzies y Bell (Rahman et al.

1998)

H2O Pasta saturada 2 mg/kgFox y Silva

(Miyake and Takahashi)

H2O-incubación 10 g: 60 mL

10 g secado al aire y tamizado a 2 mm se disponen en en botellas de 100 mL de capacidad con 60 mL de agua. Se incuba por 1-2 semana a 40ºC con repetida agitación, filtración y centrifugación. El Si se determina en el sobrenadante.

H2O 1g: 1mLSe deja incubar por 2 semanas con repetida agitación, filtración y centrifugación

(Clements 1967)

H2O 10 g: 100 mL Agitación continua por 4 h y centrifugar a 24000g

<0.9 mg L-1 (deficiente)<2.0 mg L-1 (marginal)8.0 mg/kg

Fox et al. (1967); (Elawad et al.

1982)

H2O 10g: 100 mL“Método de incubación”: agitar, sin gas, sellar en botella, incubar a 40ºC, por 1 semana, sin agitación

Takahashi y Nonaka (1986)

H2O-incubación 1:4“Método del supernadante”: agitar, sin gas, llenar para todo el espacio de aire, sellar botella, incubar a 30ªC por 4 semanas

Sumida et al. (1988)

Fosfato acetato (pH 3.5)500 mg/L con

Ca(H2PO4)2 y 0.1 M acetato de amonio

10g : 100 mL agitación continua por 4 h y centrifugar

<50 mg/kg (deficiente)

50-100 mg/kg (marginal-adecuado)

Fox et al. (1967)

0.04 M fosfato de sodio buffer a pH 6.2

1g: 10mL agitación continua por 24 h a 40ªCKato y Sumida

(2000)

Truog modificado: 0.01 M H2SO4 conteniendo 3

g de (NH4)2SO4/L1g: 100 mL agitación continua por 30 min.



Fox et al. (1967)

0.5 M de acetato de amonio (pH 4.5-4.8) 5g: 100 mL Agitación continua por 1 h



<50 mg/kg deficiente

Fox et al. (1967)Wong You

Cheong y Halais (1970)

(Ayres 1966)

0.5 M de acetato de amonio (pH 4.5-4.8)

2.5 g: 50 mL 2.5 g de suelo lavado con 10 alícuotas de 5 mL de extractante Bishop (1967)


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Extractante

Proporción de suelo: solución o cantidades

recomendadas

Método Nivel crítico sugerido Referencias

Buffer acetato (pH 4.0) 10 g: 100 mL

Agitación intermitente en erlenmeyer de 200 mL por 5 h a 40ºC en un baño con agua.(49.2 mL acido acético, 14.8 g acetato de sodio anhidro a 1 L y ajustar a pH 4.0)

Imaizumi y Yoshidai (1958)

0.01 M CaCl2 2g :20 mL

Agitación continua por 16 h en tubos de centrifuga en un agitador recíproco y luego centrifugación a 2000 rpm por 10 min

<10 mg/kg (deficiente para caña,

r=0.903)<20 mg/kg

(deficiente-marginal)

(Haysom and Chapman 1975)

0.5M NH4OAc y 0.005H2SO4

2g : 20 mL

Agitación continua por 16 h en tubos de centrifuga en un agitador recíproco y luego centrifugación a 2000 rpm por 10 min

(Haysom and Chapman 1975)

0.01 M CaCl2 1:25 agitación por 7 días con gotas de cloroformo en un agitador recíproco

(Wickramasinghe 1994)

0.005 M H2SO4 1:200 Agitación continua por 16 h y centrifugación

<100 mg/kg (deficiente-marginal)

(Hurney 1973)

0.5 M ácido acético 1:10Agitación por 1 h, descanso por 15 min., decantar y filtrar, descanso por 12 h antes del análisis


(Snyder 1991)

0.1 M ácido cítrico 1g :50 mL

agitación por 2 horas, descanso en la noche; luego agitación por 1 h, centrifugar. Si se determina en el sobrenadante.

(Acquaye and Tinsley 1964)

H2O 3 g: 30 mL 4 horas de agitación (Khalid et al. 1978)

acido acético- Ca(H2PO4)2 3 g: 30 mL

3 g suelo se agitan por 4 horas con 30 mL de ácido acético conteniendo 50 mg P L-1 como fosfato de calcio a pH 3.5 con NH4OH. Multiples extracciones puede ser realizadas.

(Khalid et al. 1978)

acido acético y acetato de amonio en solución buffer

(o en 0.2 M HCl)

La disponibilidad del Si se determina

en función de la relación Si/Fe y Al/

(Si+Al+Fe) y no solamente en función

de solamente el Si extraído

(Kawaguchi and Matsu 1958;

Kawaguchi et al. 1958)

Acido acético 0.5 M 10mL suelo: 25 mL

10 mL de suelo se transfieren a un tubo de ensayo de 75 mL, luego se adiicona 25 mL de ácido acético 0.5 M. Despues de dejarlo durante la noche en reposo es agitado por 2 h en un agitador reciproco. Filtración

Caña de azucar:<7 mg/kg (bajo)

7-24 mg/kg (medio)>24 mk/kg (alto)

(Snyder 1991)

Extracción biológica de Si por plántulas de arroz

50 g suelo: 100 semillas de

arroz

100 semillas se siembran en 50 g de un suelo dado y se cultivan por 10 semanas. Luego, el Si se determina en la parte aérea de la planta.

Tabla 8. Continuación


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• Debido a que el Si extraído como 0.01M CaCl2 representa el Si disponible en la so-lución suelo, éste también refleja el efecto neto de las reacciones de adsorción/desor-ción que controlan la solubilidad del Si en el suelo y así pueden dar una medidad de su disponibilidad para ser ustilizado por las plantas.

Determinación de Si total en suelos, minerales, fertilizantes y plantas

La determinación del Si total en suelos, mi-nerales y fertilizantes se puede hacer a través de métodos destructivos o no-destructivos. En los primeros, estos materiales se tratan con compuestos alcalinos fuertes (NaOH, Na2CO3, LiBO2, o LiB4O7) y luego el Si disuelto se de-termina por algún método espectrofotomé-trico. Igualmente, los compuestos de Si se pueden disolver en un sistema cerrado con agua regia (HNO3/HCl) a 100-110ºC por 2 horas. Después de enfriar, la muestra se trata con H3BO3 y se recalienta debajo del punto de ebullición por 10-15 minutos. Alternativa-mente, los materiales orgánicos del suelo y los tejidos vegetales se pueden tratar con NaOH y H2O2 en autoclave o con HF y HCl durante toda la noche a temperatura ambiente. Estos materiales también se pueden tratar median-te oxidación a 550ºC y después tratar con 6M HCl.

Entre los métodos no-destructivos se usan técnicas modernas que no requieren previa-mente la disolución de materiales. Entre estos métodos están la espectroscopia de fluorescen-cia con rayos-X (espectroscopia de emisión de rayos-X) y la espectroscopia de infra-rojo cer-cano (NIRS).

Determinación del Si disponible en fertilizantes

Aunque los residuos de cosecha pueden ser usados como fuente de Si, la gran mayoría de la fertilización se realiza con fuente minerales, la mayoría son silicatos de calcio o de magnesio. Estos pueden ser obtenidos comercialmente en forma natural a partir de minas de wollastoni-ta o serpentina, y ser parcialmente acidulados o no en la industria de los fertilizantes. Igual-mente, fuentes de Si se pueden obtener como residuos de la industria del acero o de hornos de producción de fósforo. Estos materiales se conocen genéricamente como escorias (“slag” en ingles). La composición física y química de estos materiales es bastante variable, al igual que su solubilidad y, por ende, es difícil predecir su efectividad como fertilizante para mejorar el rendimiento de los cultivos.

Algunos autores han usado métodos quími-cos para determinar en fertilizantes la fracción del Si que es fácilmente disponible por las plan-tas cultivadas. Uno de estos es le extracción de Si con 0.5 M HCl a 30ºC (NIAES 1987), usado ampliamente en el Japón para determinar la dis-ponibilidad de Si en las escorias, con resultados variables en este respecto. El método de Imai-sumi y Yoshida (buffer acetato a pH 4.0) tam-bién ha sido para los propósitos mencionados. Otros recomiendan evaluar en los fertilizantes la cantidad de Si soluble en agua en presencia de una resina intercambiadora de cationes (Kato and Owa 1997). En breve el método consiste en usar 0.2 g de escoria y 0.5 g de de amberlita (IRC-50) débilmente acidulada en una botella de plástico de 500 mL de capacidad. Luego, se adiciona 400 mL de agua destilada, se agita ma-nualmente y luego en un agitador reciproco a 100 rpm, 25ºC por 96 horas. Posteriormente, se hace una filtración y se determina el Si por colorimetría.


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Snyder y Elliot (1997) han usado otro mé-todo que consiste en usar 3 g del fertilizante y mezclarlo con 5 g de polietileno de media den-sidad y colocarlos en una jeringa plástica de 20 mL. Lana de roca (glass wool) es usada arriba y abajo para mantener la mezcla en el centro de la jeringa. Luego, se acopla una manguera plástica a la jeringa y se dispone un flujo 1 mL por minuto de 0.1 M de TRIS buffer (pH 7). La cantidad de agua que pasa a través de la jeringa en dos periodos sucesivos de 24 h se analiza por su contenido de Si. Como control de referen-cia se puede usar wollastonita en jeringas y así comparar las fuentes de Si con ésta.

Sin embargo, tal como lo plantea Snyder (2001) los ensayos de invernadero y campo son los que proporcionan mayor confianza para de-terminar la capacidad de una fuente para apor-tar Si a las plantas. Para estudios de invernade-ro, se utiliza arroz como planta indicadora en un suelo-deficiente en Si, el cual previamente ha recibido en forma separada varias dosis de una fuente de Si, incluidas la wollastonita y escorias que sirven como materiales de referencia. El arroz se cultiva hasta que alcanza la madurez y el contenido de Si se determina en la parte aérea de la planta.

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SILICIO EN LA PLANTA

Si en la relación suelo-planta

Como se mencionó anteriormente, una vez los minerales silicatos se disuelven en el suelo liberan Si soluble en forma de ácido monosi-lícico (H4SiO4), también llamado ácido orto-silícico, que es la especie química exclusiva en que las plantas absorben el Si (Epstein 1994; Iler 1979). El H4SiO4 se moviliza hacia la raíz principalmente a través del mecanismo de flu-jo masal (siguiendo la corriente transpirativa) y en segunda instancia a través de la difusión (Elawad and Green 1979). Así, el H4SiO4 puede ser: (i) absorbido por las plantas, (ii) adsorbi-do sobre otros minerales, (iii) precipitado para formar compuestos insolubles, o (iv) removido del suelo hacia aguas subterráneas (lixiviación) o corrientes (escorrentía) (Fig. 15). Las raíces de las plantas y los microorganismos del suelo producen ácidos orgánicos que aceleran la me-teorización de minerales silicatados (Alexandre et al. 1997; Drever and Stillings 1997).

La humedad del suelo tiene un efecto fuerte sobre la solubilidad del Si y su disponibilidad para las raíces. Bajo condiciones de baja hume-dad, el potencial de agua se incrementa lo cual afecta la absorción del Si por las plantas debido a que hay menos disponibilidad de agua como solvente en el suelo. Cuando hay suficiente dis-ponibilidad de agua en la solución del suelo, la absorción de Si por las plantas aumenta debi-

do a que aumenta a su vez la concentración del elemento. En suelos bajo inundación se espera que haya un alto contenido de Si debido a que los ácidos orgánicos se incrementan en el sue-lo bajo condiciones de reducción y ayudan a la disolución de sílice. Hay evidencia de que el Si puede ser liberado de complejos de Fe-Si en el suelo (Datnoff et al. 2007).

Absorción y translocación del Si en las plantas

Hay plantas que absorben cantidades muy altas de Si como es el caso de la caña de azú-car (300–700 kg ha-1 de Si), el arroz (150–300 kg ha-1 de Si) y el trigo (50–150 kg ha-1 de Si) (Bazilevich 1993). En promedio, las plantas absorben de 50 a 200 kg ha-1 de Si. Estos va-lores de Si absorbido no pueden ser comple-tamente explicados por la absorción pasiva (tal como difusión o flujo de masas) debido a que los primeros 20 cm del suelo contienen sólo un promedio de 0.1 a 1.6 kg ha-1 de Si como ácido monosilícico (Matichenkov et al. 2000b).

En la forma de H4SiO4, el Si es rápidamente tomado por las raíces (Mitani and Ma 2005) y transportado por el apoplasto hacia el xilema y la parte aérea de las plantas, las cuales contienen este elemento en una fracción importante de la materia seca (Tabla 1). Las concentraciones es-


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tán dadas con base en peso seco y se expresan como porcentaje para los macronutrientes y en mg kg-1 para los micronutrientes. En la planta, el Si presenta concentraciones que corresponden a las de los macronutrientes y es, en general, cuantitativamente, el principal constituyente in-orgánico de las plantas superiores. Se encuentra en un rango entre 0.1-10% en base seca (Eps-tein 1999; Takahashi et al. 1990). Al nivel más bajo del rango, 0.1%, el Si corresponde en can-tidad por unidad de materia seca a nutrientes

como P, S, Ca y Mg. El nivel más alto del rango, 10%, excede las concentraciones en los tejidos inclusive, de los nutrientes considerados como más abundantes tales como K y N. Lo anterior permite concluir que el Si es un componente muy importante de las plantas. De acuerdo con (Epstein 1999), los análisis de tejidos de una amplia variedad de plantas han mostrado que las concentraciones del Si están entre 1 a 100 g kg-1 de Si en peso seco.

SUELO

Fertilizante-Si

Absorción-SiSi -agua de riego

Si -mineralesdel suelo Solución del suelo

(H4SiO4)Polímeros de H4SiO4

Óxidos e hidróxidos de Fe-Al

Lixiviación -Si

Si- fitolitos

Si- amorfo

meteorizacióncondensación

Fig. 15. Dinámica del Si en el suelo. Modificado a partir de Datnoff et al. (2007).

Después de analizar muchas plantas, Jones y Handreck (1967) propusieron dividir las plantas en tres grupos de acuerdo al contenido de Si. Gra-míneas de zonas húmedas como el arroz, quienes tienen los valores más altos del orden del 10-15% en base seca; y gramíneas de zonas secas tales como centeno y avena con valores intermedios entre 1-3% y la mayoría de las dicotiledóneas que tienen menos del 1%. Sin embargo, en vista de la gran variabilidad que existe estos valores no pue-den considerarse como absolutos y se debe referir

a ellos con cuidado. Lo que sí se sabe a ciencia cierta es que aun con valores relativamente bajos en el contenido de Si en el tejido de las plantas tal como 0.1%, son todavía comparables con valores bajos encontrados para algunos macronutrientes como S, P y Mg.

Todas las plantas que crecen en suelo contie-nen cantidades significativas de Si en sus tejidos, pero la concentración de Si de la parte aérea de las plantas varía ampliamente entre las especies.


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Sin embargo, debido a su existencia universal y a la falta de síntomas obvios de deficiencia, al impacto del Si sobre el crecimiento de las plan-tas no se le ha prestado mucha atención por mucho tiempo (Ma and Takahashi 2002). Estas diferencias pueden presentarse inclusive entre genotipos de la misma especie como ha sido demostrado en ecotipos de arroz. (Takahashi et al. 1990) realizaron un amplio estudio sobre las concentraciones de Si en alrededor de 500 especies de plantas desde Briofitas (musgos) hasta angiospermas creciendo bajo condiciones de suelo similares demostrando que hay una distribución característica de la acumulación de Si en las plantas. Las gramíneas y ciperáceas presentan alta acumulación de Si. Especies de plantas de cucurbitáceas, urticales y commeli-náceas presentan acumulación intermedia de Si, mientras que otras especies de plantas tienen baja acumulación. La acumulación de Si en la parte aérea se relaciona con factores tales como la transpiración, tasa y duración de crecimiento, entre otros; pero la capacidad de absorción de las raíces es el factor más importante que de-

termina la acumulación de Si en la parte aérea (Mitani and Ma 2005).

Se ha demostrado también que hay una varia-ción grande en los contenidos de Si y de Ca. En especies de monocotiledóneas y dicotiledóneas evaluadas se ha encontrado que el contenido de Si es mayor en monocotiledóneas y el conteni-do de Calcio es más bajo. En las dicotiledóneas ocurre el caso contrario donde el contenido de Ca es mayor que el de Si. Debido a esto, las plan-tas acumuladoras de Si se diferencian de las no acumuladoras usando dos criterios: el contenido de Si y la relación Si/Ca (Tabla 9) (Ma and Taka-hashi 2002). Las plantas con un contenido de Si y una relación Si/Ca mayor de 1% y 1, respec-tivamente, son catalogadas como acumuladoras de Si (Tabla 9). En contraste, las plantas con un contenido de Si menor de 0.5% y la relación Si/Ca menor de 0.5 se definen como plantas no acumuladoras de Si. Hay plantas que son consi-deradas como intermedias si están entre las acu-muladoras y las plantas excluídas de Si (Tabla 9) (Ma and Takahashi 2002).

Tabla 9. Criterios para diferenciar a las plantas acumuladoras de Silicio

Tipo de plantaAcumuladora de Si Intermedia Excluida de Si

Contenido de Si (%) >1 1-0.5 < 0.5Relación Si/Ca >1 1-0.5 < 0.5Grado de acumulación de Si + ± -

La diferencia en la acumulación usualmente ha sido atribuida principalmente a la capacidad de absorción del Si por las raíces de las plantas. Se han sugerido tres formas de absorción de Si: pasiva, activa y selectiva. La forma de absorción empleada depende de la especie de planta (Ma et al. 2001a; Takahashi et al. 1990). Las plantas con forma de absorción activa toman el Si más rápido que el agua lo que conlleva a un agota-miento del Si en la solución del suelo (p.e. arroz con 7.3% de Si en base seca). Las plantas con un modo pasivo de absorción del Si, lo toman de

la solución a una velocidad similar de absorción del agua, sin presentar cambios significativos en la concentración del Si en la solución externa (p.e. pepino, 2.3%). En contraste, las plantas cuyo modo de absorción del Si es selectivo (p.e. tomate, 0.2%), tienden a excluir este elemento lo cual se demuestra por el incremento de la concentración en la solución de absorción. Sin embargo, los mecanismos involucrados en los diferentes modos de absorción del Si por las plantas, todavía no están del todo dilucidados (Mitani and Ma 2005).


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El arroz (Oryza sativa) es una planta típica que muestra absorción activa del Si. Las raíces del arroz toman el Si en la forma de ácido silí-cico, una molécula sin carga. La tasa de absor-ción del Si por las raíces del arroz es mucho más rápida que la del agua, lo que resulta en una rápida disminución en la concentración del Si de la solución externa. La absorción del Si es inhibida por un inhibidor de la respiración tal como NaCN (cianuro de sodio, que es la sal sódica del ácido cianhídrico) (Okuda and Taka-hashi 1962) y por inhibidores metabólicos. A diferencia de otras especies de plantas, las raíces del arroz toman Si mucho más rápido que otros nutrientes (Takahashi 1995). Por tal motivo, se ha sugerido que hay un sistema específico de transporte para el ácido silícico en las raíces del arroz, como un transportador de Si, que es de-pendiente de la energía.

El proceso de absorción y transporte del Si y su relación con el contenido en las plantas no es diferente fundamentalmente al de los otros elementos. Sin embargo, debido a que el Si, en contraste con otros nutrientes, excepto el B como H3BO3°, está en la forma de una molécu-la no cargada, H4SiO4° y no es redistribuido una vez depositado como “opalo”, su translocación dentro de la planta es aún más fuertemente afectada por la corriente de transpiración que en el caso de otros elementos. En la diatomea marina, Cylindrotheca fusiformis, se identificó un gen que codifica para un transportador de Si (Hildebrand et al. 1997). La absorción del Si por las plantas involucra al menos dos procesos: transporte radial de Si desde la solución externa a las células corticales y liberación de Si desde las células corticales dentro del xilema (Mitani and Ma 2005).

Hay dos componentes en el transporte ra-dial del Si desde la solución externa a las cé-lulas corticales: un transportador específico y la difusión pasiva. La densidad de este trans-portador difiere entre especies de plantas siendo mayor para arroz, seguido por pepino y tomate aunque la afinidad de este transpor-tador con el ácido silícico es similar en estas tres especies. Las plantas de arroz absorbie-ron mayor cantidad de Si que las de pepino y luego tomate (Fig. 16). Pero la liberación del Si dentro del xilema tiene un transportador específico para arroz mientras que en pepino y tomate el movimiento del Si es por difusión principalmente (Fig. 17). Así se encontró que la concentración de Si en el xilema fue 20-100 veces mayor en arroz que en pepino y toma-te. Esto demuestra que la alta acumulación en los tejidos de plantas como el arroz se debe a la alta densidad de los transportadores de Si desde las células corticales hasta el xilema en comparación con otras plantas que tienen baja densidad de estos (Ma et al. 2004; Ma et al. 2002).

A pesar de la abundancia de Si en el suelo, la mayoría de las plantas especialmente las di-cotiledóneas, son incapaces de acumular una gran cantidad de Si en la parte aérea de lo absorbido desde el suelo por lo cual no se be-nefician del Si. (Ma et al. 2004) mapearon un gen al cromosoma 2 de arroz, que controla la descarga del Si dentro del xilema. Clonar este gen podría ser útil en la modificación genéti-ca para la capacidad de absorción del Si por otras especies de plantas, aumentando así la resistencia de las plantas a múltiples formas de estrés.


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0

5

10

15

20

25

30

0 5 10 15 20 25

Abs

orci

ón d

e Si

(mg

Si g

-1ra

iz)

Arroz

Pepino

Tomate

Fig. 16. Absorción de Si por arroz, pepino y tomate en una solución nutritiva con 0.5 M de Si como ácido silícico. Fuente: Mitani y Ma (2005).

H4SiO4

H4SiO4

SiT1

SiT2

H4SiO4

Solución del suelo

H4SiO4

Epidermis XilemaEndodermis

Banda Capariana Parenquima

del xilema

Fig. 17. Representación esquemática del sistema de absorción del Si en diferentes especies de plantas. Fuente: Mitani y Ma (2005).

Formas del Si en las plantas (fitolitos)

Los fitolitos son partículas minerales micros-copicas que se forman cuando el Si se deposita dentro y alrededor de las células de plantas en el tejido epidermal y en las paredes celulares.

La mayor parte del Si absorbido es transferido desde las raíces hacia la parte aérea de la planta a través de la corriente de transporte en el xi-lema, una vez allí, su distribución es irregular (Epstein 1999; Snyder et al. 2007). Contrario a lo que ocurre con muchos nutrientes, el Si no puede ser redistribuido dentro de la planta por-


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que los fitolitos permanecen insolubles hasta que los residuos de las plantas regresan al suelo y se comienzan a descomponer. El silicio se concen-tra en el tejido epidermal debido a la pérdida de agua, formando una membrana de silicio-celulo-sa que puede estar asociada con la pectina y los iones de calcio. De esta manera, una capa doble cuticular protege y refuerza mecánicamente las plantas (Snyder et al. 2007). Con el incremento en la concentración del Si en la savia de la planta, el ácido monosilícico es polimerizado (Ma et al. 2001b). La naturaleza química del Si polimeriza-do ha sido identificada como silica-gel o como ópalo biogénico, el cual es un SiO amorfo hidra-tado (Snyder et al. 2007).

n(Si(OH)4) → (SiO2) + 2n(H2O)

El Si se deposita en las paredes celulares y los espacios intracelulares de las células de la raíz y las hojas (Epstein 1994). La deposición de Si en las paredes celulares de las células epi-dermales ocurre cuando la concentración de ácido monosilício es mayor de 2 mol m-3. Por encima de este límite el Si se polimeriza en si-lica gel (Osuna-Canizalez et al. 1991). A dife-rencia de muchos de los elementos nutritivos, el Si es depositado, no es redistribuido activa-mente hacia los tejidos en crecimiento, y por tanto se considera como un elemento inmóvil (Elawad and Green 1979; Epstein 1991; Ma et al. 1989).

El silicio puede formar también complejos con compuestos orgánicos en la pared celular de las células de la epidermis incrementando así su resistencia a la degradación por enzimas liberadas por algunos hongos fitopatógenos como el añublo del arroz (Magnaporthe grisea M.E. Bar). El Si puede estar asociado además con complejos de lignina-carbohidratos en la pared celular de las células epidermales del arroz (Inanaga et al. 1995).

El Si se acumula en mayor cantidad en las células epidermales que en cualquier otro tipo de célula de las hojas (Elawad and Green 1979). Las hojas más jóvenes concentran menos Si que las hojas más viejas (Ma et al. 1989). Así, el 90% del Si absorbido es transformado en varios tipos de fitolitos o estructuras de silicio-celu-losa, representadas por sílice amorfa. El sílice biogénico (ópalo, ópalo biogénico) parcialmen-te es generado como estructura única de la cé-lula o estructuras intercelulares a nivel nanomé-trico (Mann and Ozin 1996). La composición química de los fitolitos de la avena (Avena sativa L.), que son partículas sólidas de SiO2, es síli-ce amorfa (82-86%) y cantidades variables de sodio, potasio, calcio y hierro. Los fitolitos son altamente diversos, una planta puede sintetizar varias formas.

El ópalo biogénico o fitolito se acumula en el suelo después de que el material vegetal que lo contiene se descompone y contribuye con alrededor del 1-2% del peso de la superficie cultivada con gramíneas como el arroz, particu-larmente en Mollisoles (Winslow 1995). El aná-lisis de los fitolitos mediante microscopio, pre-via destrucción de la matriz orgánica por calor o acción química, se usa para la identificación de plantas ya que cada especie forma patrones estructurales específicos. Estos se estudian en paleosuelos y paleovegetación para la recons-trucción de paleoambientes, para interpretación arqueológica y como marcador paleoecológico o rasgo en la formación y evolución del suelo (Flórez et al. 2009).

Durante la descomposición de la hojarasca los fitolitos pueden ser disueltos para constituir una fuente de Si reciclado para las plantas Las plantas cumplen un papel importante en el ci-clo global del Si. La fijación anual de este ele-mento se compara con el fijado en el ciclo bio-geoquímico oceánico que es bastante alto. Se


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ha calculado recientemente que la fijación anual del DSi por la vegetación terrestre es de 10 a 40 veces más que lo que se exporta anualmente a la

zona costera por la disolución del Si biogénico (Struyf and Conley 2012).

Espesor de lalamina foliar(100 µm)

Célula epidermal(15 µm)

Cutícula (0.1 µm)

Capa de silica (2.5 µm)

Pared celular externa (2.5 µm)

Fig. 18. Representación esquematica de células epidermales de arroz. SC: complejos Si-celulosa.Fuente: Yoshida (1975).

Efectos benéficos del Silicio en las plantas

Los efectos benéficos del Si se expresan más claramente bajo condiciones de estres; como las plantas están sometidas constantemente a este tipo de condiciones durante el crecimiento, el Si participa de manera importante aliviando un poco diferentes tipos de causas de estrés lo que conlleva a un aumento en la productividad (Tabla 10). El Si es el único elemento que no es tóxico para las plantas, no le hace ningún daño cuando está acumulado en exceso debido a sus propiedades de no disociarse a pH fisiológico y debido a su polimerización (Ma et al. 2001b).

Como se ha mencionado, el silicio no ha sido incluido en la lista de los elementos esenciales para las plantas superiores. De acuerdo con el criterio propuesto por Arnon y Stout (1939) para los elementos esenciales, una planta es in-capaz de completar su ciclo de vida en ausencia del elemento No existe aún evidencia de la in-capacidad de las plantas de completar su ciclo en ausencia del Si. (Epstein 1994). Las plantas acumuladoras de este elemento y las que no lo

son pueden desarrollarse y madurar sin que se les proporcione Si como fertilizante, aunque en algunas de ellas, su crecimiento y rendimiento de granos o de frutos se ve reducido significa-tivamente por la deficiencia de Si. Uno de los argumentos que se tienen al respecto es que el Si puede funcionar como un micronutriente y no es posible completamente remover el Si del medio de crecimiento. Sin embargo, el hecho de que el efecto es mayor cuando se acumula más cantidad de Si en la parte aérea de la planta, sugiere que se requiere una gran cantidad de Si para cumplir las funciones de este elemento en la planta.

No se ha encontrado evidencia tampoco sobre la participación del Si en el metabolismo de la planta, sin embargo, se sabe que el Si tie-ne varias funciones tales como la estimulación de la fotosíntesis, aumento en la fuerza de los tejidos y reducción de la tasa de transpiración, entre otros. Todas estas funciones contribuyen a incrementar la producción de materia seca y la resistencia de las plantas a estrés físico, químico y biológico.


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El silicio que está depositado en la lámina de las hojas mantiene la hoja erecta. Por lo tanto, el Si puede estimular la fotosíntesis del dosel me-jorando la captación de la luz (Kaufman et al. 1979). Esto es particularmente importante debi-do a que ayuda a minimizar el mutuo sombrío que se presenta en plantaciones densas y cuando se hacen altas aplicaciones de fertilizantes nitro-genados (Ma and Takahashi 2002). Los cuerpos de sílice en el sistema epidermal de la hoja po-drían actuar como una “ventana” para facilitar la transmisión de luz al tejido mesófilo fotosintéti-co. Sin embargo, no hay evidencia que soporte esta hipótesis (Agarie et al. 1996; Ma and Taka-hashi 2002). Bajo condiciones donde no hay alto sombrío y las plantas tienen óptimas condiciones de crecimiento, no se observa, o es muy pequeño el efecto del Si sobre la fotosíntesis. Sin embargo, bajo condiciones de estrés hídrico se ha reporta-do que la tasa fotosintética es mayor en plantas a las cuales se les ha aportado Si con respecto a las que no (Matoh et al. 1991), probablemente de-bido a la disminución inducida del Si por la tasa de transpiración (Ma and Takahashi 2002). En el cultivo del arroz se han realizado investigaciones sobre el efecto del Si en la translocación de CO2 fotasimilado hacia la panícula donde se encon-tró que el Si efectivamente estimula este proceso (Takahashi et al. 1966).

El silicio es un elemento que juega un papel fundamental en el control de muchas enferme-dades de las plantas y ataque por insectos. El efecto del Si sobre la resistencia de las plantas a estos problemas se puede explicar por la acu-mulación de Si absorbido en los tejidos de la epidermis o por la expresión de respuestas a la defensa de hospederos a patogénesis inducida.

Se han realizado evaluaciones en diferentes cultivos, ha sido poca la investigación acerca de las funciones que cumplen el Si y los fitolitos en las plantas superiores. A pesar de las muchas in-

vestigaciones y efectos observados del Si en las plantas y las cantidades considerables de Si ab-sorbido y acumulado, aún no hay evidencia que muestre que el Si hace parte directamente del metabolismo de las plantas superiores (Snyder et al. 2006). En diversas investigaciones donde se ha evaluado el efecto de la inclusión o no del Si en la solución nutritiva de varias especies de plantas se ha concluido que el crecimiento y desarrollo de la mayoría de estas plantas ha sido afectado positivamente por el Si como es el caso, entre otras, de pepino, arroz, Pinus taeda, algodón, la gramínea Bromus secalinus y la poinsetia Euphorbia pulcherrima. Las respuestas positivas a nivel experimental son más claras cuando se hacen las evaluaciones en soluciones nutritivas que cuando se hacen en suelo ya sean a nivel de campo o en potes. Sin embargo, la evidencia de los efectos del Si per se es bastante fuerte y ocurre principalmente cuando la planta está sometida a un estrés biótico o abiótico.

El Si aplicado foliarmente se deposita sobre la superficie de los tejidos y juega un papel si-milar al Si tomado por las raíces. Esto puede ser útil para los cultivos que presentan un modo de absorción pasiva del Si. Se ha propuesto que el Si depositado sobre la superficie de los tejidos es el responsable por los efectos de protección del Si contra el estrés biótico. Previene la pene-tración física de insectos y/o hace a las células de las plantas menos susceptibles a la degra-dación enzimática ocasionada por el ataque de hongos fitopatógenos (Tablas 11 y 12).

Se ha propuesto que el Si participa activa-mente dentro de la planta como una barrera mecánica restringiendo la penetración de los hongos que la afectan. Esto, en parte, explicaría su efecto positivo en esta materia. El principal sitio de polimerización del Si dentro de la planta ocurre en la pared celular de las hojas y el xilema que corresponden a rutas de infección de pató-


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genos. Esta hipótesis fue inicialmente evaluada en monocotiledóneas donde los estudios se con-centraron en tratar de establecer un vínculo entre la acumulación del Si polimerizado en los sitios de penetración del patógeno y una reducción de la incidencia de la enfermedad después de la aplicación de fertilizantes silicatados (Fawe et al. 2001). En las dicotiledóneas, se detectó la poli-merización del Si en las paredes de las células de la epidermis después de infecciones por hongos lo cual extiende el concepto de la barrera física que ejerce el Si, a plantas no acumuladoras de este. A pesar de que se ha extendido esta hipó-tesis ampliamente, se hicieron experimentos en plantas de pepino infectadas con mildeo polvoso y se observó que aunque las plantas tengan alta concentración de Si polimerizado, no se presen-tó reducción de la enfermedad. Los investigado-res han concluido que el Si necesita estar en su forma soluble y móvil al tiempo de la infección para que se presente la resistencia al mildeo pol-voso (Samuels et al. 1991). El contenido de Si en las hojas está negativamente correlacionado con la severidad del mildeo polvoso, lo que sugiere que se requiere alta concentración de Si para su-primir esta enfermedad. Se ha propuesto que el contenido de Si en las hojas debe ser mayor de 1.5% para prevenirla (Ma et al. 2002). Las apli-caciones foliares de Si son efectivas en inhibir el desarrollo del mildeo polvoso sobre hojas de pepino, melón y vid (Bowen et al. 1992; Menzies et al. 1992).

En el cultivo de la cebada, la presencia de silicio soluble en las células epidermales induce la producción de estructuras llamadas papilas en respuesta a la infección por Blumeria graminis que causa así mismo el mildeo polvoso. Este proceso activo ocurre en el citoplasma y a su vez transporta y concentra el Si soluble lo cual previene su polimerización antes del transporte a través de la membrana plasmática dentro de la pared celular de la epidermis y la papila (Zeyen

et al. 1993). Algunas especies de gramíneas acumulan Si a niveles iguales a su tasa de transpiración (Jones and Handreck 1967). La concentración del ácido monosilícico en el xilema de las gramíneas es similar a los niveles de Si en la solución del suelo.

Por otro lado, se ha demostrado que el Si estimula la actividad de la quitinasa y las activa-ción rápida de las peroxidasas y polifenoxidasas después de la infección ocasionada por hongos fitopatógenos. Se ha reportado que las semillas de arveja (Pisum sativum) tratadas con silicato de potasio incrementan la actividad de la quitinasa y la B-1,3 glucanasa antes de ser atacada por Mycosphaerella pinodes. Además se han observado pocas lesiones en las hojas de las plantas que provienen de semillas tratadas con Si en com-paración con las plantas de semillas no tratadas (Dann and Muir 2002).

El silicio puede reemplazar al fosfato que está presente en las moléculas de ADN y ARN; por lo cual una nutrición adecuada a las plantas con Si es fundamental para incrementar la esta-bilidad de tales moléculas (Adatia and Besford 1986; Aleshin 1982). También se ha demostra-do que el Si está presente en la clorofila en altas concentraciones por unidad de área de tejido foliar (Adatia and Besford 1986). Esto puede representar un impacto positivo en la tolerancia de la planta a bajos o altos niveles de luz ha-ciendo un uso de ella más eficiente. Los niveles suplementarios de Si soluble son responsables por producir altas concentraciones de la enzima ribulosa biofosfato carboxilasa en el tejido de las hojas (Adatia and Besford 1986). Esta enzi-ma regula el metabolismo del CO2 y promueve su uso en forma más eficiente por las plantas (Snyder et al. 2007).

El incremento en el contenido de azúcar en la remolacha azucarera (Beta vulgaris L.) y en la caña de azúcar como resultado de la aplicación


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de fertilizantes de Si puede ser también consi-derado como una influencia bioquímica del Si. La optimización de la nutrición con Si en na-ranja ha llevado a un incremento significativo de los grados brix de la fruta (Matichenkov et al. 2002).

La pérdida de agua excesiva por transpira-ción causa el cierre de los estomas lo que dis-minuye la tasa fotosintética de las plantas. La transpiración desde las hojas se hace principal-mente a través de los estomas y parcialmente a través de la cutícula. Debido a que el Si es de-positado debajo de la cutícula de las hojas for-mando una doble capa de Si-cutícula como ya se ha mencionado, la transpiración a través de la cutícula se disminuye por la presencia del Si. En arroz cultivado con y sin silicio, se ha reportado que bajo condiciones de baja humedad o estrés hídrico, la tasa de transpiración de las plantas suplementadas con el elemento es 30% menos que la de las plantas a las que no se les aplicó Si (Ma 1990).

En cultivos de arroz y cebada el porcentaje de madurez está principalmente afectado por el contenido de Si depositado en la cáscara que llega a ser del 7% en arroz y del 1.5% en ce-bada. Para el desarrollo normal de las espigui-llas en estos cereales es necesario mantener una alta condición de humedad dentro de la cáscara (Seo and Otha 1982). En ella, el Si también se deposita entre la pared celular epidermal y la cutícula formando una doble capa como en la lámina foliar. Sin embargo, difiere de las hojas en que la transpiración ocurre sólo a través de la cutícula porque la cáscara no tiene estomas. El Si juega un papel importante en mantener una alta condición de humedad dentro de la cáscara del grano de arroz y es efectivo en disminuir su transpiración. Esto es especialmente impor-tante bajo estrés o deficiencia de agua y estrés climático (Ma and Takahashi 2002).

La aplicación de silicio en arroz es efectiva para disminuir los daños en las plantas causa-dos por diferentes factores climáticos adversos como vientos fuertes, baja temperatura e insu-ficiente brillo solar, entre otros. La acumulación de Si en la planta aumenta la fuerza de los tallos ya que se incrementa el espesor de la pared y el tamaño de los haces vasculares por lo cual el Si es efectivo en prevenir el volcamiento. Los vientos fuertes causan excesiva pérdida de agua en estructuras como las espiguillas del arroz lo que resulta en esterilidad. El Si depositado en la cascarilla es efectivo en prevenir la pérdida de agua.

El silicio ha sido el foco recientemente de investigaciones de interés agronómico y de bio-logía de las plantas, debido a los efectos positi-vos que se le han encontrado sobre la disminu-ción de las diferentes formas de estrés biótico y abiótico en el complejo suelo-planta. Además de restringir el ataque de varios patógenos e insectos plaga, también se han encontrado va-rios efectos positivos de este elemento sobre el crecimiento de las plantas que crecen en suelos con problemas de toxicidad por metales pesa-dos, alta salinidad, sequía o alta radiación solar, entre otros (Li et al. 2008; Liang et al. 2007; Zar-gar et al. 2010). Los mecanismos que se han su-gerido para disminuir la toxicidad de mangane-so (Mn) por el Si involucran no sólo el aumento en la adsorción del Mn por la pared celular sino también la remoción activa del exceso de Mn por el Si soluble en el apoplasto y el incremen-to de los niveles de antioxidantes enzimáticos y no enzimáticos (Horst et al. 1999; Iwasaki et al. 2002). En contraste, los mecanismos para contrarrestar la toxicidad por aluminio (Al) se basan en la reducción del contenido de Al+3 en el simplasto y la formación de aluminosilicatos y/o hidroxyaluminosilicatos insolubles en el es-pacio del apoplasto, en particular la pared celu-lar de la epidermis externa (Hodson and Evans


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1995; Hodson and Sangster 1993; Wang et al. 2004).

El silicato se precipita con el zinc (Zn) en los espacios intercelulares, en el citoplasma, núcleo y vesículas de las vacuolas de las células mesó-filas de la hoja (Cunha and Nascimento 2009; Neumann and Zur-Nieden 2001). Esto indica que la formación de precipitados de Zn-Si po-dría ser responsable, en parte, de la disminución de la toxicidad por Zn en las plantas (Vaculík et al. 2012).

El efecto positivo del papel que juega el Si en la disminución de la toxicidad por cadmio (Cd) también ha sido reportado. El Cd es un metal tóxico que se puede liberar en grandes cantidades al ambiente debido a las prácticas de la minería, agricultura y actividades industriales. La contaminación de los suelos agrícolas por Cd es un problema ambiental bastante serio debido a que el Cd ingresa al cuerpo humano a través de la cadena alimenticia y se podría acumular en los tejidos animales y humanos (Dorne et al. 2011). Se han observado varios síntomas de toxicidad por Cd en la parte aérea de las plantas como la reducción en el crecimiento, disminución de la fotosíntesis, incremento del estrés oxidativo, y a altas concentraciones del elemento, muerte celular y destrucción de toda la planta (Benavides et al. 2005). Así mismo, se han reportado varios efectos negativos en las raíces de las plantas por el exceso de Cd (Lux et al. 2011).

Todas las plantas que crecen en el suelo contienen Si en sus tejidos debido a que este elemento es abundante en él; probablemente es por esta razón que la deficiencia del Si difícil-mente se presenta en la mayoría de las plantas. Los síntomas de deficiencia del Si en las plan-tas no son tan visibles como los síntomas de deficiencia de otros elementos esenciales. Sin embargo, se han realizado numerosos estudios

sobre el efecto del Si en el crecimiento de las plantas, especialmente en arroz, desde que al inicio del siglo 20 los científicos japoneses de-terminaron que el Si era importante para la pro-ducción de arroz.

La remoción del Si desde el suelo, por las plantas, puede estar en un rango desde 20-40 kg/ha para ecosistemas terrestres caracteriza-dos por bajos niveles de biomasa incremen-tándose hasta 3000 kg/ha lo cual es típico de las zonas tropicales y subtropicales (Anderson 1991; Wattean and Villemin 2001). Alrededor de 27.5 millones de toneladas de Si anualmente son absorbidas por las plantas y removidas de áreas cultivadas, comparando con la absorción de P que se ha estimado en 18 millones de to-neladas al año (Bocharnikova and Matichenkov 2012).

Los microorganismos del suelo absorben ácido monosilícico y lo transforman en ácido polisilícico y Si amorfo. Cuando las plantas o los microorganismos mueren, el Si absorbido y transformado se devuelve al suelo. La distribu-ción de los fitolitos a través del perfil del suelo es condicionada por dos mecanismos: translo-cación a los horizontes más bajos y acumula-ción en el horizonte superficial (Bobrova 1995). Esto significa que los minerales del suelo, las condiciones climáticas y los organismos vivos son los primeros factores que determinan el movimiento y la transformación del Si, es decir, el ciclo del Si en el ecosistema suelo-planta.

Por otro lado, análisis del proceso de infec-ción en pepino por mildeo polvoso, permitie-ron la observación de un cambio radical en la expresión de las respuestas de defensa de las células epidermales infectadas de las plantas fertilizadas con Si. El tiempo de inicio de la acumulación de compuestos fenólicos en las células infectadas se redujo considerablemente y el número de células que reaccionaron al pa-


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tógeno fue mayor. El porcentaje de penetración del hongo a las células permaneció constante, pero la producción de estructuras de infección del hongo (haustorios y conidióforos) se redu-jeron drásticamente. Lo anterior indica que la acumulación del Si fue subsecuente a la apari-ción de los compuestos fenólicos en la célula de la planta huésped (Menzies et al. 1991).

Una hipótesis interesante es que el silicio po-dría representar un activador natural de la resis-tencia de la planta de pepino a la enfermedad. De ser así, podría ser un inductor de un particu-lar tipo de ISR (Resistencia Sistémica Inducida) llamado SAR (resistencia sistémica adquirida), el cual es estrictamente dependiente de la acu-mulación de un compuesto inductor, tal como el ácido salicílico, en el sitio de infección y ser activado sistemáticamente. Una diferencia im-portante entre el Si y los activadores de SAR conocidos en plantas es la rápida pérdida de la resistencia mediada por silicio (SiMR) cuando este es agotado de la solución nutritiva (Samuels et al. 1991) mientras que SAR se caracteriza por tener un efecto de larga duración (Dalisay and Kuc 1995).

El cultivo del arroz a nivel mundial ha sido fuertemente afectado por Magnaporthe grisea, el hongo causante del añublo del arroz. Se ha propuesto el tratamiento de este problema con aplicaciones de silicio para que actúe como una barrera física que impida la penetración del pa-tógeno a través de la silicificación de las células de la epidermis de la hoja. Se ha reportado ade-más, la existencia de una capa de aproximada-mente 2.5 µm de espesor debajo de la cutícula de las vainas y las hojas del arroz (Fig. 18). Esta doble capa de Si en la cutícula puede impedir la penetración del patógeno y, en consecuencia, disminuir el número de lesiones en la lámina de las hojas (Yoshida et al. 1962). El Si, además, podría formar complejos con compuestos or-

gánicos en las paredes celulares de las células epidermales incrementando así su resistencia a la degradación por enzimas liberadas por el pa-tógeno. El Si puede estar asociado con comple-jos de lignina-carbohidratos en la pared celular de las células de la epidermis en el arroz. Apa-rentemente, la resistencia al añublo del arroz en las plantas tratadas con Si es mucho más com-pleja que una resistencia física a la penetración debido a la silicificación de las células o debido a la doble capa de Si en la cutícula.

Los compuestos fenólicos o las fitoalexinas son determinantes en la respuesta de defensa de las plantas de arroz al ataque del añublo. Se ha encontrado que extractos de hojas de plantas inoculadas con M. grisea y tratadas con Si con-tenían más altos niveles de fitoalexinas del tipo momilactona que los extractos de hojas obteni-dos de plantas inóculadas con el patógeno pero sin tratar con Si o no inoculadas y tratadas o no con Si. La estimulación más eficiente de la vía de los terpenoides en las plantas tratadas con silicio y, por consiguiente, el incremento en los niveles de momilactona son factores que con-tribuyen a aumentar la resistencia al añublo en arroz (Rodrigues et al. 2004). Lo anterior per-mite concluir que el Si juega un papel activo en la resistencia del arroz al añublo más que sim-plemente la formación de una barrera física en la epidermis de la hoja para prevenir la penetra-ción del hongo.

Por otro lado, al silicio se le atribuyen fun-ciones de protección de las plantas contra di-versas plagas debido a que este se deposita so-bre la superficie de los tejidos. Se ha reportado que el Si suprime o afecta insectos plagas tales como el barrenador del tallo, chicharritas de las hojas, arañitas y ácaros, entre otros (Tabla 12). Se ha reportado que los tallos de arroz atacados por el barrenador contienen menos Si en sus te-jidos; este insecto tiene un fuerte aparato bucal


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roedor el cual se ve fuertemente afectado en las plantas con alto contenido de Si depositado en sus tejidos (Ma and Takahashi 2002).

La optimización de la nutrición con silicio resulta en un incremento en la masa y el vo-lumen de las raíces, incrementando la super-ficie de absorción (Adatia and Besford 1986). Como resultado de la aplicación de fertilizantes silicatos, se ha encontrado que la masa seca de cebada incrementó un 54% a los 30 días de cre-cimiento con respecto a las plantas que no reci-bieron fertilización silicatada (Kudinova 1974). Este tipo de fertilización incrementó además la respiración de las raíces (Yamaguchi et al. 1995).

En experimentos en germinación de cítricos se ha demostrado que incrementando la con-centración de ácido monosilícico en el agua de riego, la masa de las raíces incrementó más que la parte aérea (Matichenkov et al. 1999). El mis-mo efecto fue observado para el pasto Bahía (Paspalum notatum) (Matichenkov et al. 2000a).

El Si juega un papel importante en la for-mación de la cascarilla del arroz y, a su vez, pa-rece que influye en la calidad del grano (Savant et al. 1997b). La cascarilla de baja calidad y los granos en estado lechoso tienen por lo general bajo contenido de Si, el cual es directamente proporcional a la concentración de Si en la paja del arroz (Aleshin et al. 1978).

En diferentes experimentos realizados en varios cultivos se encontró que los granos de cebada cosechados de áreas fertilizadas con Si tienen un mayor porcentaje de germinación que las semillas de suelos pobres en Si disponible para las plantas. Por otro lado, la pobre nutri-ción con Si tiene un efecto negativo en la flo-ración del cultivo de tomate. En los cítricos, la fertilización silicatada acelera su crecimiento de 30 a 80% adelantando la maduración de los fru-tos entre 2 a 4 semanas y se incrementa además la cantidad de frutos. En maíz se ha observado una aceleración similar en la maduración con la aplicación de fertilizantes con Si (Miyake 1993).


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Tabla 10. Efectos benéficos del Si en las plantas

Actividad del Si en la planta ReferenciaEstimulo en la fisiológia vegetalEstimulo de la actividad quitinasa y la activación de peroxidasa y polifenoxidasa en semillas de arveja (Pisum sativum). (Dann and Muir 2002)

Estabilidad estructural del ADN y ARN (Aleshin 1982)Acompaña a clorofila tolerancia de la planta a bajos o altos niveles de luz haciendo un uso de ella más eficiente (Adatia and Besford 1986)

Estimula la producción de altas concentraciones de la enzima ribulosa biofosfato carboxilasa en el tejido de las hojas (Adatia and Besford 1986)

Estimula el incremento en la producción de azucar en remolacha azucarera y caña de azúcarIncremento significativo los grados brix de la fruta de naranja (Matichenkov et al. 2002)

Estimula el desarrollo normal de las espigas y la maduración de granos en arroz y cebada

(Seo and Otha 1982)(Ma and Takahashi 2002)(Savant et al. 1997b)

Incremento en la masa y el volumen de raíces Incremento en la respiración de las raíces

(Adatia and Besford 1986)(Yamaguchi et al. 1995)

Disminución de estrés abioticoIncrementa la resistencia al estrés por radiación y promueve una rápida recuperación de las heridas por radiación (Takahashi et al. 1966)

La transpiración a través de la cutícula se disminuye por la presencia del Si en arroz; lo que pormueve su resistencia a la sequia. (Ma 1990)

Disminuir los daños en las plantas causados por diferentes factores climáticos adversos como vientos fuertes, baja temperatura e insuficiente brillo solar, entre otros. Aumento en la fuerza de los tallos ya que se incrementa el espesor de la pared y el tamaño de los haces vasculares por lo cual el Si es efectivo en prevenir el volcamiento

Reduce la intensidad de la toxicidad por Mn; mejora la distribución de Mn, Zn y Cd en la lámina foliar

(Cunha and Nascimento 2009; Dorne et al. 2011; Horst et al. 1999; Iwasaki et al. 2002; Neumann and Zur-Nieden 2001; Vaculík et al. 2012)

Reduce la toxicidad por Al mediante la formación de hidroxyaluminosilicatos insolubles en el espacio del apoplasto

(Foy 1992; Hodson and Evans 1995; Hodson and Sangster 1993; Wang et al. 2004)

El Si se deposita en las paredes celulares de los vasos del xilema y evita la compresión de los vasos bajo condiciones de alta transpiración causado por sequía o stress por calor.El Si puede disminuir el stress por sales en las plantas superiores por:• actividad fotosintética mejorada• selectiva relación K/Na• incremento en la actividad enzimática• incremento en la concentración de sustancias solubles en el xilema,

lo que conlleva a una limitada absorción de Na por las plantas

(Matichenkov and Bocharnikova 2001)


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Tabla 11. Enfermedades de plantas atenuadas o controladas por Si.

Planta Enfermedad Patógeno ReferenciaCebada Tizón o Mancha foliar Alternaria (Kunoh and Ishizaki 1975)

Mildeo Polvoso Erysiphe graminis (Jiang 1993; Leusch and Buchenauer 1989).

Maíz Pudrición del tallo o Damping-off

Pythium aphanidermatum, Fusarium moniliforme (Sun et al. 1994)

Tizón del maíz Ustilago maydis (Tamimi and Hunter 1970)

Arroz Tizón o Añublo del arroz Magnaporthe grisea (Correa-Victoria et al. 1994; Datnofft et al. 1991)

Mancha marrón Cochliobolus miyabeanus (Datnofft et al. 1991; Yamauchi and Winslow 1989)

Tizón o añublo de la vaina del arroz Thanatephorus cucumeris (Mathai et al. 1978); (Datnofft et al.

1990)

Escaldado de la hoja Monographella albencens (Correa-Victoria et al. 1994; Winslow 1992; Yamauchi and Winslow 1989)

Pudrición del tallo Magnaporthe salvinii (Elawad and Green 1979)

Manchado del grano Varias especies fúngicas (Korndorfer et al. 1999; Winslow 1992; Yamauchi and Winslow 1989)

Centeno Mildeo Polvoso Erysiphe graminis (Leusch and Buchenauer 1989)Sorgo Antracnosis Colletotrichum graminicola (Narwal 1973)

Trigo Mildeo Polvoso Blumeria graminis (Rodgers-Gray and Shaw 2000; Yang et al. 2003)

Tizón foliar Septoria nodorum (Rodgers-Gray and Shaw 2000; Rodgers-Gray and Shaw 2004)

Pudrición del pie Fusarium spp. Rodgers-Gray y Shaw (2000, 2004)Mancha foliar Phaeosphaeria nodorum Rodgers-Gray y Shaw (2000, 2004)Manchas circulares Oculimacula vallundae Rodgers-Gray y Shaw (2000)

Pepino Mildeo Polvoso Sphaerotheca xanthii(Adatia and Besford 1986; Menzies et al. 1992; Menzies et al. 1991; Miyake and Takahashi 1983)

Antracnosis Colletotrichum orbiculare (Sun et al. 2002)

Pudrición del cuello y las raíces Pythium ultimum, P. Aphanidermatum (Chérif et al. 1994; Chérif et al. 1992)

Moho Gris Botrytis cinérea (Voogt and Sonneveld 2001)Pudrición negra Didymella bryoniae (Voogt and Sonneveld 2001)Marchitamiento Fusarium oxysporum

Melón Mildeo Polvoso Sphaerotheca xanthii (Menzies et al. 1992) Rosa Mildeo Polvoso Sphaerotheca pannosa (Voogt 1992)

Pudrición negra Diplocarpon rosae (Gillman et al. 2003) Calabaza Mildeo Polvoso Erysiphe cichoracearum (Menzies et al. 1992)


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Tabla 12. Insectos-plaga de importancia que son afectados por el silicio. Fuente: Snyder et al. (2001).

Hospedero Problema Insecto ReferenciasVid Partición del fruto (Sang-Young et al. 1996)Rye grass italiano Barrenador del tallo Oscinella frut (Moore 1984)Maíz Barrenador Sesamia calamistis (Setamou et al. 1993)

Arroz Barrenador del tallo Chilo suppressalis, Scirpophaga incertulas

(Djamin and Pathak 1967; Savant et al. 1994; Yoshida 1975)

Gusano del tallo Chlorops oryzae (Maxwell et al. 1972)Saltamontes verde Nephotettix sp. (Maxwell et al. 1972)Saltamontes marrón Nalaparrata lugens (Sujathata et al. 1987)Chicharrita blanca Sogetella furcifera (Salim and Saxena 1992)Arañita de la hoja Tetranychus spp. (Yoshida 1975)Ácaros (Tanaka and Park 1966)Babosas Deroceras reticulatum (Wadham and Parry 1981)Lepidoptera (Pyralidae) Chilo zacconius (Ukwungwu 1984)

Sorgo Angiosperma parásita Scrophulariaceae; Striga asiatica Kuntze (Hodson and Sangster 1993)

Caña de Azúcar Barrenador del tallo Diatraea succhariraBarrenador del tallo Eldana saccharira

Trigo Escarabajo rojo Tribotium castaneumGramíneas Gusano ejército Spodoptera depravata

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NUTRICIÓN CON SILICIO

Síntomas de deficiencia de Si en las plantas

El Si es un elemento tan abundante en el suelo que su deficiencia rara vez ocurre en las plantas cultivadas. Debido a esto, ha sido poca la investigación sobre cómo afecta este elemento al crecimiento de las plantas. En la tabla 13 se recopilan los síntomas de deficiencia de Si en algunas especies vegetales. Investigaciones realizadas en el cultivo del arroz por Okamoto et al. (1956) los llevaron a concluir que el Si posiblemente no es un elemento esencial para el crecimiento de la planta de arroz porque en ausencia de Si la planta puede llegar a la maduración, pero luego tal deficiencia causa una reducción significativa del rendimiento. Este concepto puede ser extendido a otros cultivos que se consideren altos o medianos acumuladores de Si.

Fertilización con Silicio

Según varios autores y los reportes de la FAO (FAO Internet Database 1998) se calcu-la que los diferentes cultivos remueven de los suelos 210-224 millones de t Si/año. Esto, ade-más de las perdidas por lixiviación y escorren-tía, resulta en una perdida de Si disponible para los cultivos y cambio en la dinámica de varios elementos en el suelo (P, micronutrientes y me-

tales pesados) y puede resultar en deficiencias para los cultivos, particularmente aquellas con alta demanda por este elemento (arroz, caña de azucar, cebada, maiz, palma, etc.). Según Mati-chenkov y Bocharnikova (2001) la fertilización de Si se requiere en todos los suelos, excepto en aquellos suelos jovenes que presentan altos niveles de Si disponible. Los fertilizantes silica-tados son sustancias minerales ricas en Si que son capaces de aumentar la concentración dis-ponible de acido monosilico en el suelo. Según Snyder et al. (2007), las características deseables de los fertilizantes silicatados son:

• Tener un contenido relativamente alto de Si.

• Proveer suficiente Si-soluble para satisfacer los requerimientos de las plantas.

• Su aplicación debe ser costo-efectiva (gene-rar beneficios economicos superiores al cos-to de su aplicación).

• No contener sustancias que contaminen el suelo.

Los residuos de cosecha tienen el potencial de ser fuentes de Si, especialmente las acumu-ladoras de Si (como el arroz). Sin embargo, la demanda de Si por los cultivos puede exceder lo que pueden aplicar los residuos, además es necesario considerar que la tasa de descomposi-ción de estos puede ser lenta en algunos suelos.


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Tabla 13. Síntomas de deficiencia de Si en algunas especies vegetales. Fuente: (Snyder et al. 2007).

Especie Síntomas de deficiencia de silicio Observaciones Referencias

Arroz

Vaneamiento de granosColor blanquecino y textura blanda de granosInhibición del crecimientoMuerte de lámina foliarDisminución del peso secoPuntos marrones sobre el tallo con posterior susceptibilidad a ataque por piricularia oryzaeReducción de número de panículas y de espiguillas por panículaReducción en la longitud de las panículasDoblamiento de las hojas hacia abajoDisminución en el rendimiento.

Durante el estado de crecimiento vegetativo, los síntomas de deficiencia no son notorios. En el estado de macollamiento y formación de granos los síntomas de deficiencia son fuertemente marcados.La transpiración excesiva causa escasez fisiológica de agua lo cual afecta la formación de las inflorescencias Aumento en la transpiraciónMayor susceptibilidad a enfermedades

(Da-Silva et al. 2013; Datnoff and Rodrigues

2005; Okuda and Takahashi 1961a;

Yoshida et al. 1959).

Cebada

Disminución en el porcentaje de maduración de las panículasAumento en la transpiraciónDisminución en el rendimiento

Los síntomas se observan hasta la etapa de floración.

(Okuda and Takahashi 1961b)

Tomate

Retardo en el crecimiento de los meristemosDeformación de hojas nuevasHojas quebradizasClorosis en las hojas superioresPuntos necróticos en los frutos y en las hojas bajeras que se extienden a las hojas superioresFalla en la polinizaciónMalformación o ausencia de frutosDegeneración de estambres, deformación de los granos de polenDisminución significativa de la fertilidad del polen

Los síntomas de deficiencia no se presentan durante el estado vegetativo, aparecen desde la diferenciación floral lo que sugiere que el Si tiene algún efecto sobre las hormonas relacionadas al desarrollo y diferenciación de las plantas.

(Miyake and Takahashi 1978)

Pepino

Malformación o enroscamiento de hojas nuevas desarrolladas (8ª o 9ª hoja)Ataque severo de mildeo polvosoReducción de la fertilidad del polenReducción de parámetros de crecimiento (número de hojas, longitud de la planta, peso seco total de la planta)

Los síntomas se presentan en el estado de floración (5-6 semanas después de la siembra).

(Miyake and Takahashi 1983).

Soya

Malformación de hojas nuevas desarrolladas (7ª y 8ª hoja)Enroscamiento de las hojas hacia arribaDisminución en el crecimientoDisminución en la fertilidad del polen

Los síntomas se presentan en el estado de floración.


FresaDisminución en el peso seco de la parte aérea de las plantas y reducción en el rendimientoDisminución de la fertilidad del polen


Bambú

Disminución de la resistencia de la planta a las enfermedadesDisminución en el número de brotesPérdida de dureza de las cañas

(Ueda and Ueda 1961)

Cola de caballo Reducción significativa del crecimiento (Miyake and

Takahashi 1976)


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Tabla 14. Fuentes de Si usadas como fertilizantes.

Fuente Formula Contenido (%)

Wollastonita CaSiO3 SiO2 51.7%, CaO 48.3%Serpentina Mg3Si2O5(OH)4 SiO2 43.5%, MgO 43.4%Olivino (Mg,Fe)2SiO4 SiO2 43.0%, MgO 57.0%

Escorias - SiO2 28-38%, CaO 30-50%, Al2O3 8-24%, MgO 1-18%

Silicato de sodio Na2SiO3 SiO2 48.8%, Na 38.0%Silicato de potasio K2SiO3 SiO2 39.0%, K2O 60.0%

Roca fosfórica Ca5(PO4)3(OH, F) SiO2 2.5-8%, P2O5 30-35, CaO 45-42

Minerales ricos en Si tales como cuarzo, arcillas, micas y feldespatos desafortunada-mente son muy poco solubles y no son ade-cuados como fertilizantes silicatados. Entre los fertilizantes silicatados más efectivos es-tán los silicatos de calcio (wollastonita), si-licatos de magnesio (serpentina, olivino), silicatos de sodio, escorias obtenidas de las industrias del acero y la producción de fós-foro (Tabla 14). Los silicatos de potasio son muy solubles, pero muy costosos, y normal-mente se usan en soluciones hidroponicas. Otras fuentes son: silicato de calcio hidra-tado, silica gel, silica amorfa, termofosfatos, zeolitas. La efectividad se puede mejorar si las fuentes de Si se muelen finamente y se acidulan parcialmente (con H2SO4) ya que así aumenta su solubilidad.

Por otro lado, es bastante común elaborar mezclas de fertilizantes compuestos usando como base nucleos de fuentes de silicio, par-ticularmente silicatos de magnesio y/o calcio. De esta manera se genera un valor agregado a la mezcla con el mal llamado “material de re-lleno” y se permite un aporte integral de nu-trientes mayores (Ca, Mg), micronutrientes y benéficos (Si, Na, Co, entre otros). Además, los efectos beneficos de la fuente de Si para reducir eventuales toxicidades de Al, Fe, Mn, mejorar la efectividad de fertilizantes fosfóricos y mejorar la tolerancia a patógenos e insectos plaga ame-ritan esta estrategia.

Muchos experimentos de campo bajo dife-rentes condiciones de clima y suelo y con varios cultivos han demostrado claramente los benefi-cios de la aplicación de fertilizantes silicatados para aumentar la productividad y la calidad de los cultivos (Tabla 15). De esta tabla se puede observar que con la adición del fertilizante sili-catado el incremento relativo del rendimiento en cebada fue del 3-66% en grano y de 0-86% en biomasa; maiz: grano 100%, biomasa 39-78%. En la producción de heno la fertilización con Si ha logrado generar aumentos de la bio-masa de 10-30%; en trigo 11%, en avena 146%, sorgo 16%, remolacha 8-9%, fresa 10-44%, papa 80%; los incrementos en arroz 6-81% para grano y 6-31% en biomasa; en caña de azucar los incrementos reportados fueron 23-58% en rendimiento y en biomasa 11-29%. Reportes si-milares han sido hechos para arroz en diversos sitios de China, en los cuales el incremento en el rendimiento ha fluctuado normalmente entre 5.4-56.6% (Wang et al. 2001).

Es bastante relevante que estas respuestas a la fertilización con Si se hayan obtenido tanto en Mollisoles de la zona templada como Oxi-soles de la zona tropical. La magnitud de la respuesta es bastante variable, muy probabale-mente debido a la variable disponibilidad de Si en los suelos y a otros factores asociados con el cultivo (variedad, manejo, etc.).


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Tabla 15. Efecto de los fertilizantes silicatados sobre la producción de los cultivos.

Fuente/Dosis (kg/ha) Fertilización Cultivo Rendimiento (t/ha) Incremento (%)

Grano BiomasaSilicato de sodio Suelo/sitio: Clay, Rothamsted, UK.

0 Control Cebada 2.02 1.13 -0 N 3.03 2.32 -

448 N+Si 5.04 4.32 66-860 N, P 6.32 5.04 -

448 N, P+Si 6.52 5.04 3-00 N, K, Na, Mg 3.82 3.70 -

448 N, K, Na, Mg+Si 5.22 4.49 37-210 N, P, K, Na, Mg 6.42 5.08 -

448 N, P, K, Na, Mg+Si 7.31 5.76 14-13

Silica amorfa Suelo/sitio: Espodosol sodico, Rusia.0 N, K Cebada 2.47 3.47 -

870 N, K+Si 2.88 3.57 16-30 N, P, K 2.74 3.72 -

870 N, P, K+Si 3.17 4.00 16-7

Silica amorfa Suelo/stio: Espodosol sódico, Rusia0 - Cebada 4.60 -

100 +Si 5.26 14500 +Si 6.84 49

Zeolita Suelo/sitio: Mollisol (chesnut), Rusia0 - Cebada 2.36 - -

10000 +Si 2.66 - 13

Silica amorfa Suelo/sitio: Mollisol (chesnut), Rusia0 - Cebada 3.48 5.56 -

3000 +Si 3.85 6.16 11-110 N, P, K 3.66 5.85 -

3000 N, P, K+Si 4.08 6.52 11-11

Silica amorfa Suelo/sitio: Histosol (muck), Rusia0 - Cebada 3.7 - -

8000 +Si 5.2 - 40

Silica amorfa Suelo/sitio: Espodosol sódico, Rusia0 - Maiz 0 7.68 -30 +Si 4.2 11.44 48100 +Si 6.3 13.68 78

Zeolita Suelo/sitio: Mollisol, Rusia0 - Maiz forrajero - 160 -

0 Estiercol (120 t/ha) - 202 -

120000 Estiercol (120 t/ha) +Si - 280 39


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Escorias Suelo/sitio: Entisol aluvial, Rusia0 - Heno - 1.85 -

1000 +Si - 2.33 26

Silicato de sodio Suelo/sitio: Clay, Rothamsted, UK0 N, P, K, Na, Mg Heno - 5.98 -

448 N, P, K, Na, Mg+Si - 7.78 30

Escorias Fe Suelo/sitio: Histosol ácido, Noruega0 - Heno - 9.09 -

3600 +Si - 9.97 10

Silicato de sodio Suelo/sitio: Mollisol, Rusia0 N Trigo 2.6 - -10 N+Si 2.9 - 11

Escorias Si-Mg Suelo/sitio: Espodosol ácido, Suecia0 Cal (2 t/ha) Avena 0.6 - -0 - 0.93 - -

2000 +Si 1.48 - 146

Zeolita Suelo/sitio: Mollisol (chesnut), Rusia0 - Sorgo 3.72 - -

20000 +Si 4.30 - 16

Escorias Suelo/sitio: Mollisol, Rusia0 N, P, K Remolacha 37.5 7.37 -0 N, P, K, Cal 40.2 7.72 -

18000 N, P, K+Si 41.0 7.98 9-8

Zeolita Suelo/sitio: Espodosol sódico, Rusia0 - Fresa 10.6 - -

10% +Si 15.3 - 440 N, P, K 8.9 - -

10% N, P, K+Si 9.8 - 10

Dunita Suelo/sitio: Histosol (muck), Rusia0 N, P, K Papa 7.26 - -

1500 N, P, K+Mg+Si 13.05 - 80

Paja de arroz Suelo/sitio: Mollisol cienaga-aluvial-salino, Rusia0 - Arroz 2.77 - -

6000 +Si 4.78 - 73

Silicato de Sodio Suelo/sitio: Mollisol cienaga-aluvial, Rusia0 - Arroz 5.09 - -

310 +Si 5.90 - 16



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Paja de arroz (cenizas) Suelo/sitio: Mollisol (Dark chesnut), Rusia

0 Estiercol Arroz 3.98 - -310 Estiercol+Si 4.28 - 7

Paja de arroz (cenizas) Suelo/sitio: Franco arenoso, Sri Lanka

0 - Arroz 3.9 - -1000 +Si 4.6 - 18

0 K 4.3 - -1000 K+Si 5.0 - 16

Silicato de sodio Suelo/sitio: Ultisol, Nigeria0 - Arroz 2.4 - -0 N, P, K 6.3 - -

4700 N, P, K+Si 9.3 - 47

0 N, P, K, Mg 8.1 - -4700 N, P, K, Mg+Si 14.7 - 81

0 - 2.34 4.964700 +Si 2.48 4.86 6

0 Mg 2.04 4.584700 Mg+Si 3.14 6.02 54-31

Silica amorfa Suelo/sitio: Orgánico hidromorfo gleyzado, Madagscar0 - Arroz 3.90 - -0 N, P, K 5.57 - -

1500 N, P, K+Si 6.19 - 11

Silica amorfa Suelo/sitio: Mineral, semitropical gleyzado, Madgascar0 - Arroz 3.52 - -

1600 +Si 5.17 - 470 K 6.18 - -

1600 K+Si 6.92 - 12

Azucar Biomasa

Silicato de calcio Suelo/sitio: Oxisol humico, Hawaii0 P Caña de azucar - 141 -

830 P+Si - 157 11

Silicato de calcio Suelo/sitio: Oxisol humico, Hawaii0 pH 5.8 Caña de azucar 124 -

830 pH 5.8+Si 147 19



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1660 pH 5.8+Si 151 22

Silicato de calcio Suelo/sitio: Oxisol humico, Hawaii0 pH 6.2 Caña de azucar - 131 -

830 pH 6.2+Si - 151 151660 pH 6.2+Si - 166 27

Escorias TVA Suelo/sitio: Oxisol húmico ferruginoso, Hawaii0 P 280 Caña de azucar 23.4 253 -

4500 P280+Si 31.6 327 35-290 P1120+Cal 4500 20.7 262 -

4500 P1120+Si 32.7 338 58-29

Escorias de horno eléctrico Suelo/sitio: Oxisol humico ferruginoso aluminico, Is. Mauricio

0 N, P, K Caña de azucar 27.4 266.7 -0 N, P, K, Cal 26.7 256.8 -

6177 N, P, K+Si 33.8 313.7 23-22

Escorias-silicato de calcio Suelo/sitio: Histosol, Florida

0 - Caña de azucar 18.1 150 -6700 +Si 23.8 194 31-29

Nota: la respuesta a la aplicación del fertilizante silicatado se muestra en negrilla.


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USO DEL SILICIO EN COLOMBIA Y LATINOAMÉRICA

En experimentos realizados por Smyth y Sanchez (1980) compararon el efecto de la adición de CaSiO3 y

CaCO3 en la disminución de la fijación de P en un Oxisol del Cerrado en Brasil. Estos autores encontraron que la adición de CaSiO3 fue más efectiva que CaCO3 para disminuir la adsorción de P; el efecto fue mayor con el incremento en la dosis de ambas enmiendas y con la dosis del fertilizante fosfórico (Tabla 16). Adicionalmente, encontraron que la adición de CaSiO3 disminuyó la carga positiva de los coloides minerales del suelo y aumentó la capacidad de intercambio catiónico. Las

enmiendas se adicionaron a unas dosis tales que podían reemplazar (1x ó 2x) el Al intercambiable; el P se adicionó para obtener concentraciones de equilibrio de P en la solución del suelo de 0, 0.05, 0.1, y 0.2 mg L-1 P. Seis meses después de la aplicación de CaCO3y CaSiO3 a 1x del Al intercambiable decreció la cantidad de P previamente adsorbido para proveer 0.1 mg P L-1 en solución por 18 y 24%, respectivamente. A la tasa de aplicación de P de 540 mg P kg-1 la adsorción de P decreció en un 65% sin enmiendas; pero la combinación de enmiendas y P (540 mg kg-1) disminuyó la adsorción de P en 85 a 91% (Tabla 16).

Tabla 16. Disminución de la fijación de P en un oxisol del Cerrado de Brasil en función de la aplicación de enmiendas CaCO3 y CaSiO3 para neutralizar 1x ó 2x el aluminio intercambiable. Fuente: Smyth y Sanchez (1980).

Nivel EnmiendaP aplicado (mg/kg)

0 380 460 540Disminución de la fijación de P (%)

Control 0 44 54 65

1xAl CaCO3 18 59 68 77CaSiO3 24 65 77 84

Combinado 18 65 71 82

2xAl CaCO3 16 62 77 85CaSiO3 28 75 82 91

Combinado 32 74 77 85

Igualmente, en Brasil se encontró que la adi-ción de silicato de calcio incrementó el rendi-miento de la caña de azucar; el efecto fue mayor

al incrementar la dosis de Si y fluctuó entre 5 y 12% (Tabla 17).


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Tabla 17. Efecto del silicato de calcio sobre el rendimiento de caña de azucar en dos suelos arenosos

de Brasil. Fuente: (Korndorfer and Lepsch 2001).

Rendimiento (t/ha)CaSiO3 (t/ha) Finca Barreiro Finca Amoreira

0 145 (100) 128 (100)700 153 (106) 134 (105)1400 154 (106) 136 (106)2800 163 (112) 137 (107)5600 161 (111) 135 (105)

En Brasil, la adición de Si ha permitido re-ducir la incidencia de la enfermedad del añublo de la hoja y de la panícula del arroz (Fig. 19). Los efectos fueron detectados con la adición de 800 kg de Si/ha con respecto al control no fer-tilizado con Si (Prabhu et al. 2001). Los efectos son más marcados en algunas variedades que en otras. Esta enfermedad es bastante limitan-te del desarrollo de la planta de arroz, pero en presencia de Si se puede reducir la severidad del ataque (Fig. 20). Como se mencionó anterior-mente estos efectos están asociados en primera instancia a un incremento en la resistencia física del tejido vegetal a la penetración por partes de las hifas del hongo patógeno (Fig. 18). Adicio-nalmente se ha sugerido que la presencia de Si promueve la formación de compuestos, enzi-mas, encargardas de activar las respuestas de defensa de las plantas frente al ataque de pató-genos (y de insectos), en lo que se conoce como “Resistencia Sistémica Inducida” (ISR, por sus siglas en ingles).

La mayor resistencia de la planta de arroz al ataque de ciertos patógenos le permite tener un mayor llenado de granos y, por ende, mayor producción tal como se ilustra en la tabla 16.

Por lo anterior, los cultivos de arroz y caña de azucar en Latinoamerica y Colombia son los que generan mayor atención en terminos de la fertilización con Si.

0

5

10

15

20

25

Añu

blo

de la

hoj

a (%

)

Control (0 kg/ha)

800 kg Si/ha

020406080

100120140160180

Añu

blo

de la

pan

ícul

a (%

)

Cultivar

Control (0 kg/ha)

800 kg Si/ha

Fig. 19. Efecto de la adición de CaSiO3 a una tasa equivalente a 800 kg de SiO2/ha sobre el añublo de la hoja (arriba) y el añublo en la panicula (abajo) en 12 cultivares creciendo bajo condiciones de campo en Brasil. Fuente: Prabhu et al. (2001).

Fig. 20. Efecto de la adición de wollastonita, aplicada a una dosis de 4.0 g kg-1 de suelo (c/ silicato) y un control no fertilizado (s/ silicato) sobre la severidad del añublo de la hoja y el crecimiento de 2 variedades de arroz de inundación (METICA-1 e IR-50). La inoculación se hizo con la cepa ID-14 de Pyricularia grisea en Brasil. Fuente: Prabhu et al. (2001).


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Tabla 18. Decoloración del grano y peso del grano de arroz en relación a la fertilización con silicio a partir de wollastonita en arroz de secano en Brasil. Fuente: Prabhu et al. (2001).

Aplicación de Si

(kg SiO2/ha)

Decoloración del grano

(escala CIAT)

Peso del grano (g)Granos llenos y

vacios Granos llenos Incremento el peso del grano (%)

0 6.2 a 90 c 78 c -200 5.1 b 107 b 94 b 201400 4.9 b 112 ab 97 ab 242600 4.7 b 115 abd 103 ab 320800 4.6 b 123 a 109 a 405

Por otro lado, Correa-Victoria et al. (2001) realizaron un experimento en el cual aplicaron 3 dosis de Si (1, 2 y 3 t/ha) como silicato de calcio de escorias y control no-fertilizado con Si a un Inceptisol ácido (pH 4.7) cultivado con 2 variedades de arroz de secano en un Piede-monte de los Llanos Orientales de Colombia en el año 1992 (Tabla 19). Estos autores midieron el efecto sobre el rendimiento del año 1992 y el efecto residual de tal aplicación para el año 1993. Igualmente, midieron el efecto adicional de aplicar en el segundo año (1993) 1 t Si/ha. Los resultados muestran que la aplicación de Si

incrementó el rendimiento del arroz en ambas variedades. Además, las aplicaciones residuales de Si fueron muy efectivas para incrementar el rendimiento de ambos cultivares.

De igual forma Correa-Victoria et al. (2001) encontraron que con las aplicaciones de Si se redujo la incidencia de la enfermedad del añu-blo de la hoja y del cuello en la variedad Oryzica 1 tanto en el efecto inmediato observado en el año 1992 y del efecto residual de 1993 (Tabla 20). El efecto fue mayor en la medidad en que la dosis fue mayor.

Tabla 19. Efecto del Si sobre el rendimiento de dos variedades de arroz de secano en Colombia y los efectos residuales de tal aplicación. Fuente: Correa-Victoria et al. (2001).

Rendimiento (t/ha)

Aplicación de Si (t/ha)→ 0 1 2 3

Oryzica 1

1992 2.1a 3.2ab 3.6b 3.7b

1993: residual de 1993 2.7a (4.8)* 3.6b (6.8) 3.7b (7.3) 3.8b (7.5)

1993: residual 1992 + 1 t de Si/ha 4.0b (6.1) 4.1b (7.3) 3.9b (7.5) 4.2b (7.9)

Oryzica Llanos 5

1992 4.1a 4.5a 5.1a 5.0a

1993: residual de 1993 2.3a (6.4) 2.2a (6.7) 4.6b (9.7) 4.6 (9.6)b

1993: residual 1992 + 1 t de Si/ha 4.7b (8.9) 4.7b (9.2) 4.7b (9.8) 4.6b (9.6)*En parentesis la suma del rendimiento acumulado de 1992 y 1993, según el tratamiento.


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Tabla 20. Efecto del Si sobre el desarrollo del añublo del arroz de secano variedad Oryzica 1 en Colombia y los efectos residuales de tal aplicación. Fuente: Correa-Victoria et al. (2001).

Aplicación de Si (t/ha)→ 0 1 2 3Añublo de la hoja (%)

1992 55a 21b 16b 17b1993: residual de 1993 42a 27b 20 bcd 17cd1993: residual 1992 + 1 t de Si/ha 25bc 20bcd 20bcd 17cd

Añublo del cuello (%)1992 25 a 71 a 57 a 63a1993: residual de 1993 60 a 41 bc 33 cd 25 de1993: residual 1992 + 1 t de Si/ha 47 b 35 cd 25 de 17 e

Los resultados indican claramente que la fertilización con Si puede incrementar la pro-ducción de arroz de secano cultivado en suelos altamente meteorizados del trópico húmedo. Igualmente la adición de Si a estos suelos puede ser parte del manejo integrado de varias enfer-medades del arroz, lo cual podría reducir el uso de fungicidas para este cultivo.

En Colombia el cultivo de la palma de aceite también ha recibido mucha atención en cuan-to a la fertilización con Si. En buena parte la atención se ha centrado en la relación entre Si absorbido y acumulado por la planta y la en-

fermedad llamada pudrición del cogollo (PC). Los resultados obtenidos por (Romero 2009) de una serie de muestreos de suelos y foliares indican que la concentración del Si tiende a ser mayor en los tejidos jóvenes en palmas sanas respecto a palmas enfermas de PC. Así mis-mo, se ha detectado que la concentración de Si extractable del suelo en el segundo horizonte (AB, B) de sitios adyacentes a palmas sanas fue significativamente mayor que el hallado en los sitios de palmas enfermas. Estos resultados ini-ciales son prometedores y requieren de mayor investigación para determinar la efectividad de la aplicación de Si en el manejo de este cultivo.

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Anexo 1.

Constante de equilibrio.

La constante de equilibro (K) en una reac-ción química es un indicador termodinámico de la favorabilidad para que esta ocurra. Por ejemplo, si se tienen dos reactivos A y B cuya reacción genera dos productos C y D:

A + B ↔ C + D

La constante se calcula a partir de la multi-plicación de las actividades de los productos (C)x(D), dividido por la multiplicación de las acti-vidades de los reactivos (A)x(B), así:

K = (C)x(D) ÷ (A)x(B)

Si K tiene un valor muy alto (su potencia es positiva; 10+x), esto indica que hay una domi-nancia de las actividades de los productos so-bre los reactivos (C)x(D) > (A)x(B). Entre más alto sea el valor, mayor será tal favorabilidad y la reacción procede a la derecha (hacia los pro-ductos); en otras palabras, la reacción es termo-dinámicamente favorable.

Por el contrario, si K tiene una potencia ne-gativa (10-x), eso quiere decir que hay una do-minancia de los reactivos sobre los productos (C)x(D) < (A)x(B). La reacción es termodiná-micamente desfavorable y no ocurre espontá-neamente. Para que la reacción ocurra es ne-cesario introducir en la reacción una fuente de energía externa que la haga favorable o incluir

otro reactivo (un ácido, una base, un agente quelatante) que cambie las relaciones energéti-cas entre productos y reactivos para que así la nueva reacción genere los productos esperados.

Debido a que el valor de K es una constante, al cambiar la actividad de un reactivo o un pro-ducto de la reacción, el sistema se reajusta para alcanzar dicho equilibrio químico. Por ejemplo, si de la reacción anterior se remueve el produc-to C ó el D, se promueve la ocurrencia de la reacción. Por el contrario, si se disminuye la ac-tividad de uno de los reactivos (A, B) entonces la favorabilidad de la reacción se disminuye; de hecho, puede ocurrir en la dirección contraria (es decir, hacia los reactivos).

La existencia del equilibrio químico entre re-activos y productos permite que se pueda pre-decir el estado de la reacción en un momento dado y la eventual ocurrencia de dicha reacción (la dirección de la misma). También, esto pue-de dar indicios sobre la necesidad de interve-nir el sistema con otro compuesto (un acido, una base, una enzima, un microorganismo, etc.) para hacer que la reacción sea más favorable.

Es importante aclarar que la constante de equi-librio K indica la favorabilidad o desfavorabilidad termodinámica de una reacción dada, pero no in-dica la cinética a la cual ésta puede ocurrir.

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Anexo 2.

Determinación del Silicio a través del Método CaCl2 0.01 M- Colorimetría.Raúl Zapata.

Objetivo.

Este método determina el silicio en los sue-los mediante la acción de un extractante y su posterior cuantificación colorimétrica. Las can-tidades extraídas dependen del suelo, su manejo y grado de desarrollo. Las mediciones realiza-das por este método pueden ser empleadas en campos relacionados con la agricultura, el me-dio ambiente y los recursos naturales. Su inter-pretación dependerá del nivel de investigación realizada para indicar si los valores son altos, medios o bajos, conocida esta práctica como calibración. Cuando la calibración se ha realiza-do correctamente, la cantidad de silicio extraída sirve como índice de fertilidad del suelo y como orientación para la fertilización de los cultivos (Cate y Nelson, 1965; Nelson y otros, 1953).

1. Principio.

El suelo una vez muestreado se somete a un tratamiento químico en el laboratorio con el objetivo de extraer los nutrientes y luego determinarlos analíticamente. Para cada tipo de elemento se realiza un méto-do diferente ya que depende de las distintas formas y compuestos como se encuentra en el suelo. La extracción consiste, básicamen-te, en agitar una cierta cantidad de suelo con un volumen del extractante. Después de la

agitación, los elementos extraídos del suelo son cuantificados.

Son tres los extractantes más usados en la cuantificación del Si en los suelos, son ellos agua, ácidos acético y CaCl2. Según Raij y Ca-margo (1973), el inconveniente de la utilización de agua destilada como extractante de sílice so-luble, es la dispersión que ocurre con las partí-culas de arcilla, que requieren una alta velocidad de centrifugación de los extractos para separar-las o una floculación de la arcilla antes de la determinación de la sílice. También de acuerdo con estos autores, la cantidad de sílice extraída del suelo tiene una pequeña disminución con el aumento de concentración de la solución de CaCl2. La solución de CaCl2 0.01 M extrae me-nos que lo que hace una de CaCl2 0.0025 M. Encontraron que la extracción de Si con agua destilada es superior a la extraída con una so-lución de CaCl2. Estos autores optaron por la solución CaCl2 0.0025 M para la extracción de sílice soluble. También realizaron un estudio de la influencia de la relación entre el volumen de la solución de extracción y el peso de la muestra de suelo en los niveles de sílice soluble y llega-ron a la relación suelo solución de 1:10 como la más adecuada.

Korndorfer y otros (2004) encontraron que los coeficiente de determinación (r2) entre el Si extraído por diferentes métodos y el Si acumu-


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lado en la planta de arroz de secano, eran de 0.88, 0.84, 0.70, 0.69, para los extractantes áci-do acético 0.5 M, agua, CaCl2 0.0025 M y buffer de ácidos acético a pH 4.0, respectivamente. Valores que coincidieron con los encontrados por Raij y Camargo (1973).

Varios autores (Mckeaque y Cline, 1963; Brown y Mahler, 1988) encontraron que el Si extraído es adsorbido por los coloides del suelo y dependiente del pH y es mayor a pH elevado, por lo cual el tiempo de extracción es impor-tante de tener en cuenta. Según Gilson (1994), la extracción de Si con CaCl2 0.01 M es alta en las primeras 24 horas de contacto con el sue-lo. A partir de entonces, la extracción es esen-cialmente lineal con el tiempo. En este caso, el autor cree que la primera hora de la extracción refleja la disponibilidad de silicio a las plantas, sin embargo, reconoce que la cantidad de Si es dependiente del tiempo de extracción. Este he-cho es una consecuencia de la sílice soluble no se elimina completamente del suelo en una o más extracciones, ya que el suelo tiene una gran capacidad para reponer a las soluciones extrac-toras el silicio que se ha eliminado por extrac-ciones sucesivas (Giford y Frugoli, 1964; Jones y Handreck, 1965).

El extractante actualmente más utilizado para Si es la solución de CaCl2 0.01 M de acuer-do con el método descrito por Korndorfer y otros (2004). Esta solución es capaz de extraer el silicio disponible que se encuentra princi-palmente en la solución del suelo y se puede extraer alguna forma polimerizada (Kilmer, 1965; Weaver, 1968). Después de la extracción la cuantificación de silicio se lleva a cabo por colorimetría.

En algunos países han adaptado extractan-tes para evaluar el Si disponible, tales como tampón de acetato, pH 4,0, en Japón (Imaizu-mi y Yoshida, 1958), ácido acético 0.5 M (Sny-

der, 2001) en Estados Unidos y CaCl2 0.01 M (Kondorfer, 2004), utilizado en Australia y Bra-sil. Además de los ya mencionados, se tienen otros extractantes utilizados para la extracción de otros elementos, tales como cloruro de po-tasio, utilizado en la extracción de calcio y de magnesio (Cantarella y otros, 2001), la resina de intercambio de iones del suelo (van Raij, 1981), el ácido clorhídrico utilizado en la extracción de zinc, cobre y boro (Ponnamperuma y otros, 1981).

Acción de la solución extractora de silicio.

Los extractantes químicos utilizados no son muy selectivos en la acción que ellos realizan sobre las distintas formas que el elemento se encuentra en el suelo. En el caso del agua y del cloruro de calcio se cree que tienen la capacidad de extraer el Si disponible, que está principal-mente en la solución del suelo, y puede extraer algunas formas polimerizadas. Estas soluciones extractoras, a diferencia de lo que ocurre con el ácido acético, no es afectada por cales aplicadas recientemente al suelo.

Para evaluar la cantidad de Si disponible en el suelo para las plantas de arroz Pereira y otros (2007) evaluaron siete extractantes: extracción en agua (8 g de suelo con 80 mL de agua des-tilada y agitación durante 1 hora), la extracción de ácido acético 0.5 M (8 g de suelo se agitó con 80 mL de una solución de ácido acético 0.5 M durante 1 hora), la extracción de cloruro de calcio 0.01 M (8 g de suelo se agitó 80 mL de una solución de CaCl2 0.01 M durante 1 hora), la extracción de carbonato de sodio (8 g de sue-lo se agitó con 80 mL de una solución de 10.6 g L-1 de Na2CO3 durante 1 hora); extracción de carbonato de sodio + nitrato de amonio (8 g de suelo se agitó con 80 mL de una solución de 10 g L-1 de Na2CO3 y 3.16 g L-1 de NH4NO3 durante 1 hora); extracción de carbonato de amonio (8 g de suelo se agitaron con 80 mL de


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la solución de 9.6 g L-1 de (NH4)2CO3 a durante 1 hora), la extracción de acetato de amonio (8 g de suelo se agitó con 80 mL de una solución de 38.5 g L-1 de la sal durante 1 hora).

Los anteriores extractante se utilizaron en un suelo, el cual había recibido cantidades cre-cientes de wollastonita. Estos autores encon-traron que el contenido de Si se incrementó linealmente con dosis crecientes de este silicato, independientemente del agente de extracción utilizado. Esto demuestra que todos los extrac-tores fueron eficientes en la extracción de Si, es decir mostraron una buena correlación. Esto no significa que pueden tener una buena cali-bración cuando se evalúen con la respuesta de la planta (Pereira y otros, 2004).

El ácido acético extrae los niveles más altos de Si, entre 20 y 38 mgkg-1, mientras CaCl2 se presentó la extracción más baja, valores entre 1.2 y 2.3 mg kg-1. Esta amplitud influye en la exactitud en la cuantificación colorimétrica. Los otros extractantes mostraron extracción entre 2 y 10 mgk-1 de Si y exhibieron rango intermedio entre el ácido acético y CaCl2.

En la calibración de métodos químicos para evaluar la fertilidad del suelo, la cual resulta de la correlación entre la cantidad removida por el extractante del suelo y la cantidad tomada por la planta, se encontró que el CaCl2 fue el extrac-tante que mostró la más alta correlación (r2 = 81%), sin embargo, debido a su baja extracción, no mostró una distribución de puntos en un amplio intervalo de las dosis aplicadas de wo-llastonita, por lo que es difícil establecer clases de interpretación y, en consecuencia, aumenta la probabilidad de errores analíticos.

Los extractantes acetato de amonio y carbo-nato de amonio tuvieron un comportamiento similar en la correlación entre el contenido de Si en el arroz y en el suelo, mostraron una bue-

na dispersión de los puntos, lo que indica una mejor discriminación entre el valor más bajo y más alto de Si encontrados en el suelo. Se puede decir que el carbonato de amonio, debido a su mayor correlación (r2 = 78%), tenía un mejor rendimiento en comparación con acetato de amonio cuya correlación fue del 73 %. Nonaka Takahashi (1988) trabajó con acetato de amo-nio tamponado a pH 4 llegó a la conclusión de que este extractante no estima el Si disponible para las plantas. Al igual que con los extractan-tes ácidos, que deben causar la extracción de formas menos disponibles de Si. El acetato de amonio a un pH de alrededor de 7, como se muestra extractora más fiable.

Determinación analítica del silicio

El silicio puede cuantificarse por gravime-tría, colorimetría, espectrofotometría de absor-ción atómica y espectroscopía de emisión con plasma acoplado inductivamente (Novozamsky y otros, 1984; Van der Vorm, 1987; Jones y Dreher, 1996; Taber y otros, 2002). La técnica colorimétrica puede detectar concentraciones mínimas cercanas a 0.01 mgL-1 de Si (APHA, 1995), aunque la sensibilidad de este procedi-miento puede verse afectada por algunos de los error analítico, debido a las diluciones utilizadas (Taber y otros, 2002). El análisis por absorción atómica tiene un límite mínimo de detección de 0.3 mgL-1 de Si y una concentración óptima en-tre 5 y 150 mgL-1 de Si a una longitud de onda de 251.6 nm (APHA, 1995). Por espectroscopía de emisión con plasma acoplado inductivamen-te (ICP-AES) el intervalo de análisis es de 5 a 120 mgL-1 de Si en la longitud de onda de 251.6 nm, pero tiene interferencias importantes con Fe, Mn, Cr y V (HMSO, 1996). Los dos prime-ros elementos, por lo general, presentes en los tejidos vegetales, y pueden causar una sobrees-timación de la concentración del Si. Debido a la facilidad del método y al uso de equipo no


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sofisticado y fácilmente accesible, usualmente el Si extraído se analiza por colorimetría (Elliott y Snyder, 1991; Van der Vorm, 1987).

El principio de la determinación colorimétri-ca involucra la reacción del ácido silícico con el ácido molíbdico, formándose ácido silicomolíb-dico con la forma oxidada de coloración amarilla y la forma reducida de color azul. La forma re-ducida se obtiene al tratar la muestra con ácido sulfónico-naphtol-amino. El color azul es más intenso que el color amarillo, lo cual incrementa la sensibilidad para su análisis químico (Jones y Dreher, 1996; Mullin y Riley, 1955).

2. Equipos

• Balanza precisión ± 0.01 g.

• Espectrofotómetro

• Celda de vidrio de 1 cm de paso óptico.

• Dispensador automático graduable de 25 mL.

• Papel de filtro.

• Macropipetas graduables de 5 mL.

• Embudos

• Cronómetro.

• Recipientes plásticos de 100 mL.

• Erlemmeyeres de 50 mL.

• Frascos volumétricos de 25.0 mL.

• Frascos volumétricos de 1 L

3 Reactivos.

• Solución extractora: Disolver 1.46 g de CaCl2.2H2O y completar volumen a 1 L con agua destilada.

• Solución de molibdato: disolver 52.0 g de amonio molibdato tetrahidratado en agua, ajustar el pH entre 7 y 8 con NaOH y com-plete volumen a 1 L con agua destilada.

• Solución de HCl: diluir 88 mL del ácido con-centrado a 1 L con agua destilada.

• Solución de Na2EDTA: Disolver 10 g de la sal y llevar a 1 L con agua destilada.

• Solución de NaOH 10 M: Disolver 400 g de la base y completar a 1 L con agua destilada.

• Solución de sulfito de sodio: disolver 170.0 g de Na2SO3 en agua y llevar a 1 L con agua destilada.

• Solución de ácido tartárico: Disolver 100.0 g del ácido y llevar a 1 L con agua destilada. Preparar cada vez que se use este reactivo.

• Solución patrón de Si: Disolver 2.366 g de metasilicato de sodio en agua y llevar a 1 L con agua destilada. Esta solución 1 mL es igual 0.5 mg de SiO2. Es preferible utilizar un titrisol de Si.

4. Procedimiento:

1. Pesar 10.0 g de suelo seco al aires y tamiza-do a 2 mm en un tubo plástico de 150 mL.

2. Adicionar la tubo 100.0 mL de la solución extractora y agitar durante 15 minutos.

3. Filtrar con embudo plástico y papel filtro número 42. Dejar en reposo durante la no-che.

4. Tomar una alícuota de 5.0 mL del extracto en un balón de 25.0 mL, adicionar 2.5 mL de HCl, 2.5 mL de Na2EDTA y 2.5 mL de solución de molibdato. Agitar después de cada adición.


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5. Después de 5 minutos, adicionar 2.5 mL de ácido tartárico y 2.5 mL de Na2SO3 y agitar.

6. Dejar desarrollar el color durante 30 minu-tos.

7. Leer absorbancia a 880 nm y expresar el contenido en ppm de Si.

8. Hacer un blanco con los mismos reactivos sin adicionar la muestra.

9. Hacer curva de calibración de Si entre 0 y 2.5 ppm de Si.

5. Cálculos:

Si suelo (ppm) = 50xppm de Si

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Pereira, H. S, N. C. Barbosa; M. A. Carbone; G. H. Korndörfer. 2007. Avaliação de fontes e de extratores de silício no solo. Pesq. agropec. bras., Brasília, v.42, n.2, p.239-247.

Ponnamperuma, F. N.; M. T, Cayton; R. S. Lantin. Dilute hydrochloric acid as na extractant

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Raij, B. van. 1981. Avaliação da fertilidade do solo. Campinas: Instituto Agronômico

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Anexo 3.

Determinación del Silicio a través del Método con agua - Colorimetría.Raúl Zapata.

Objetivo.


1. Principio.






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Para evaluar la cantidad de Si disponible en el suelo para las plantas de arroz Pereira y otros (2007) evaluaron siete extractantes: extracción en agua (8 g de suelo con 80 mL de agua des-tilada y agitación durante 1 hora), la extracción de ácido acético 0.5 M (8 g de suelo se agitó con 80 mL de una solución de ácido acético 0.5 M durante 1 hora), la extracción de cloruro de calcio 0.01 M (8 g de suelo se agitó 80 mL de una solución de CaCl2 0.01 M durante 1 hora), la extracción de carbonato de sodio (8 g de sue-lo se agitó con 80 mL de una solución de 10.6 gL-1 de Na2CO3 durante 1 hora); extracción de carbonato de sodio + nitrato de amonio (8 g de suelo se agitó con 80 mL de una solución de 10 gL-1 de Na2CO3 y 3.16 gL-1 de NH4NO3 durante 1 hora); extracción de carbonato de amonio (8 g de suelo se agitaron con 80 mL de la solución


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de 9.6 gL-1 de (NH4)2CO3 a durante 1 hora), la extracción de acetato de amonio (8 g de suelo se agitó con 80 mL de una solución de 38.5 g L-1 de la sal durante 1 hora).


El ácido acético extrae los niveles más altos de Si, entre 20 y 38 mgkg-1, mientras CaCl2 se presentó la extracción más baja, valores entre 1.2 y 2.3 mgkg-1. Esta amplitud influye en la exactitud en la cuantificación colorimétrica. Los otros extractantes mostraron extracción entre 2 y 10 mgk-1 de Si y exhibieron rango intermedio entre el ácido acético y CaCl2.







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El principio de la determinación colorimétri-ca involucra la reacción del ácido silícico con el ácido molíbdico, formándose ácido silicomolíb-dico con la forma oxidada de coloración amarilla y la forma reducida de color azul. La forma re-ducida se obtiene al tratar la muestra con ácido sulfónico-naphtol-amino. El color azul es más intenso que el color amarillo, lo cual incrementa la sensibilidad para su análisis químico (Jones y Dreher, 1996; Mullin y Riley, 1955).

2. Equipos







• Embudos

• Cronómetro.





3 Reactivos.

• Solución extractora: agua.








4. Procedimiento:

1. Pesar 5.0 g de suelo seco al aire y tamizado a 2 mm en un botella de plástico de 150 mL.

2. Adicionar 50.0 mL de agua destiladas, agitar durante una hora.

3. Al final de la agitación adicionar 0.2 g de carbón activado y agitar unos dos minutos, dejar reposar 15 minutos y filtrar con papel filtro banda azul.

4. Dejar reposar el filtrado 12 horas contados a partir de la adición del agua.

5. Tomar una alícuota de 5.0 mL del extracto en un balón de 25.0 mL, adicionar 2.5 mL de HCl, 2.5 mL de Na2EDTA y 2.5 mL de


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solución de molibdato. Agitar después de cada adición.


7. Dejar desarrollar el color durante 30 minu-tos. Leer absorbancia a 880 nm expresar el contenido en ppm de Si.



5. Cálculos:

Si suelo (ppm) = 50xppm de Si.

6. Bibliografía





Cate, R. B. y L. A. Nelson. (1965). A rapid method for correlation of soil test analysis with plant response data. North Carolina Agr. Exp

Stn. International Soil Testing Series. Tech. Bull. Nº 1.











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Pereira, H. S, N. C. Barbosa; M. A. Carbone; G. H. Korndörfer. 2007. Avaliação de fontes e de extratores de silício no solo. Pesq. agropec. bras., Brasília, v.42, n.2, p.239-247.

Ponnamperuma, F. N.; M. T, Cayton; R. S. Lantin. Dilute hydrochloric acid as na extractant for available zinc, cooper an baron in rice soils. Plant and soil, v. 61, n. 1, p. 297-310, 1981.







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Anexo 4.

Determinación del Silicio a través del Método Ácido acético-Acetato de sodio a pH 4 - Colorimetría.Raúl Zapata.

Objetivo.


1. Principio.






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Para evaluar la cantidad de Si disponible en el suelo para las plantas de arroz Pereira y otros (2007) evaluaron siete extractantes: extracción en agua (8 g de suelo con 80 mL de agua des-tilada y agitación durante 1 hora), la extracción de ácido acético 0.5 M (8 g de suelo se agitó con 80 mL de una solución de ácido acético 0.5 M durante 1 hora), la extracción de cloruro de cal-cio 0.01 M (8 g de suelo se agitó 80 mL de una solución de CaCl2 0.01 M durante 1 hora), la ex-tracción de carbonato de sodio (8 g de suelo se agitó con 80 mL de una solución de 10.6 gL-1 de Na2CO3 durante 1 hora); extracción de carbo-nato de sodio + nitrato de amonio (8 g de suelo se agitó con 80 mL de una solución de 10 g L-1 de Na2CO3 y 3.16 g L-1 de NH4NO3 durante 1 hora); extracción de carbonato de amonio (8 g de suelo se agitaron con 80 mL de la solución


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de 9.6 g L-1 de (NH4)2CO3 a durante 1 hora), la extracción de acetato de amonio (8 g de suelo se agitó con 80 mL de una solución de 38.5 g L-1 de la sal durante 1 hora).


El ácido acético extrae los niveles más altos de Si, entre 20 y 38 mg kg-1, mientras CaCl2 se presentó la extracción más baja, valores entre 1.2 y 2.3 mg kg-1. Esta amplitud influye en la exactitud en la cuantificación colorimétrica. Los otros extractantes mostraron extracción entre 2 y 10 mg k-1 de Si y exhibieron rango intermedio entre el ácido acético y CaCl2.







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El principio de la determinación colorimé-trica involucra la reacción del ácido silícico con el ácido molíbdico, formándose ácido silico-molíbdico con la forma oxidada de coloración amarilla y la forma reducida de color azul. La forma reducida se obtiene al tratar la muestra con ácido sulfónico-naphtol-amino. El color azul es más intenso que el color amarillo, lo cual incrementa la sensibilidad para su análisis químico (Jones y Dreher, 1996; Mullin y Riley, 1955).

2. Equipos







• Embudos

• Cronómetro.





3 Reactivos.

• Solución extractora: Disolver 49.2 mL de ácido acético concentrado y 14.8 g de aceta-to de sodio anhidro en 900 mL de agua des-

tilada, se ajusta el pH a 4.0 con ácido acético y se completa a un litro con agua.








4. Procedimiento:

1. Se pesan 10 g de suelo y se le añaden 100 mL de solución extractor en un frasco plás-tico de 150 mL de capacidad.

2. Se agita durante una hora, a continuación, las botellas se mantienen en reposo durante 30 minutos.

3. Filtrar con embudo plástico y papel de filtro número 42.

4. Tomar una alícuota de 5.0 mL del extracto en un balón de 25.0 mL, adicionar 2.5 mL


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de HCl, 2.5 mL de Na2EDTA y 2.5 mL de solución de molibdato. Agitar después de cada adición.


6. Dejar desarrollar el color durante 30 minu-tos.

7. Leer absorbancia a 880 nm y expresar el contenido en ppm de Si.



5. Cálculos:

Si suelo (ppm) = 50xppm de Si

6. Bibliografía





Cate, R. B. y L. A. Nelson. (1965). A rapid method for correlation of soil test analysis with plant response data. North Carolina Agr. Exp Stn. International Soil Testing Series. Tech. Bull. Nº 1.










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Pereira, H. S, N. C. Barbosa; M. A. Carbone; G. H. Korndörfer. 2007. Avaliação de fontes e

de extratores de silício no solo. Pesq. agropec. bras., Brasília, v.42, n.2, p.239-247.

Ponnamperuma, F. N.; M. T, Cayton; R. S. Lantin. Dilute hydrochloric acid as na extractant for available zinc, cooper an baron in rice soils. Plant and soil, v. 61, n. 1, p. 297-310, 1981.







Se terminó de imprimir en mayo de 2014en los talleres de Editorial L. Vieco S.A.S.

Medellín, Colombia.

si, es el aliado verde...plantas creciendo en los suelos, aunque sus con-centraciones varían...

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