El Silicio (Si) es el segundo elemento más abundante y disperso en la corteza de la Tierra, la Luna y Marte, después del Oxigeno (O₂).  En la corteza terrestre, excepto las formas inertes-cristalinas e insolubles del silicio; cuarzo, arena, cristales-minerales, zeolitas, en la naturaleza se encuentran formas biogeoquímicas activas de silicio, en la solución del suelo, como las derivadas del ácido silícico; monómeros, ortosilícico, H₄SiO₄ y metasilícico, H2SiO3, dímeros, trímeros, polímeros, coloides, agregados coloidales y el silicio amorfo sin estructura cristalina. Estos agregados se muestran en la figura siguiente:

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Adicionalmente, con la acción de agentes abióticos, temperatura, lluvia (agua) y el CO₂ disuelto en el agua en la forma de ácido carbónico (H₂CO₃/CO₂), actúan sobre los minerales arcillosos y liberan el ácido silícico a una concentración de 1 a 50 mg/kg, al mismo tiempo liberan elementos minerales, formándose silicatos de calcio, magnesio, potasio, zinc, hierro, incrementando grandemente la capacidad de intercambio catiónico de los suelos y el pH del suelo se torna básico, en niveles de 7.5 a 8.5. En estas condiciones de pH y capacidad de intercambio catiónico los suelos son altamente productivos. En estos suelos se encuentran de 100 a 200 mg/kg de estas formas de silicio soluble.

La riqueza mineral de suelos de diferentes regiones agrícolas del país se cuantificó mediante la espectroscopía de energía dispersiva de rayos X, en un microscopio electrónico de barrido, equipado con una microsonda de rayos X.  Estos suelos, clasificados por el pH de la solución, muestran en promedio la composición siguiente:

En la tabla se observa que el contenido de silicio y aluminio se relacionan con el pH de la solución del suelo. A medida que el pH pasa de suelo ácido a alcalino, el contenido de silicio se incrementa a una relación de 79.05 ton/ha por unidad de pH. Esto significa que cuando un suelo con un pH de 8.0 pasa a 4.0 se remueven del suelo aproximadamente 300 ton/ha de silicio elemental. Silicio que es removido por los requerimientos del cultivo y la erosión hídrica causada por la lluvia. Por otro lado el aluminio se incrementa como consecuencia de la remoción del silicio. Esto se ilustra en la siguiente grafica 1. 

 

En la tabla también se observa que el incremento en la concentración de silicio va acompañado por una menor concentración de fósforo y de hierro, esto a consecuencia de que el ácido silícico solubiliza a estos induciendo su aprovechamiento por los cultivos.

Estas variaciones en la concentración del silicio, también tienen efectos sobre diferentes procesos del suelo y el crecimiento de microorganismos y plantas. En los ecosistemas terrestres, el ciclo biogeoquímico del silicio es más intenso que el ciclo del Fósforo (P) y del Potasio (K). Las raíces aparentemente liberan enzimas (“Silicazas y Silicateinas”) y compuestos orgánicos (ácido cítrico y protones hidrógeno (H+), que solubilizan el silicio presente en las arcillas, que provienen de las rocas y minerales cuando son intemperizados por las condiciones del medio ambiente como lluvia, temperatura, viento, y las acciones mecánicas del manejo de suelos. Por lo que las raíces con alta capacidad de extraer silicio del suelo promoverán el mejor desarrollo de la canopía y en general de la planta. El silicio se encuentra presente en los tejidos de la planta en cuatro formas, que son la mineral, orgánica, polimérica y cristalina. Esta última se encuentra en la superficie de las hojas, proporcionándole brillo y formando parte de la estructura de los tricomas y fitolitos, los cuales caen al suelo promoviendo el reciclado. 

El uso agrícola intensivo y extensivo del suelo, provoca el desequilibrio de nutrientes contenidos en el, dado que una parte significativa es removida por la cosecha, el desarrollo vegetativo del cultivo y de la maleza, la lixiviación y la erosión eólica e hídrica. El silicio, así como otros nutrientes, es extraído del suelo. La extracción de silicio activo de los suelos agrícolas por cada cosecha es en promedio de 40 a 300 kg/ha. Esto trae como consecuencia una disminución de silicio y un aumento del aluminio, causando un incremento en la acidez del suelo, tal como se ilustró anteriormente.

Los cultivos que extraen silicio con mayor intensidad son las gramíneas, que tienen además una alta eficiencia fotosintética. Uno de estos cultivos es la caña de azúcar, el cual produce mas de 180 ton/ha en suelos con pH mayor a 7.5 y un contenido de silicio en el suelo mayor al 22%. Mientras que en condiciones de suelo ácido con pH de 5.5 a 6.0 y un contenido de silicio de 16%, la producción es de 60 a 80 ton/ha.

El silicio juega un papel importante en la planta. Este elemento controla el desarrollo del sistema radicular, la asimilación y distribución de nutrientes minerales, incrementa la resistencia de la planta al estrés abiótico (alta y baja temperatura, viento, alta concentración de sales y metales pesados, hidrocarburos, Aluminio (Al), etc.) y biótico (insectos, hongos, enfermedades).

Como ejemplo de la presencia biológica del silicio, podemos mencionar que este se encuentra presente en semillas de pistacho, avena, cebada y fríjol en concentraciones de 1.4, 4.25, 2.42 y 1.20 g por kilo, respectivamente. En hojas se encuentran concentraciones de 0.5 a 30 g por kilo.

Los beneficios de la mayor concentración de silicio en el suelo y suministrar al suelo minerales ricos en silicio a través de los procesos de fertilización, permiten una solución económica y rentable para la producción de chiles, destacando lo siguiente:

1. El silicio incrementa la productividad y calidad de las cosechas agrícolas. En el cultivo de chile la producción y calidad de cosecha se incrementan con la aplicación de fertilizantes de nueva generación, aguas de riego y compostas ricas en silicio. El aporte por diferentes medios de silicio tiene un doble efecto en el sistema Suelo-Planta. Primeramente, la nutrición con silicio al cultivo refuerza en la planta su capacidad de almacenamiento y distribución de carbohidratos requeridos para el crecimiento y producción de cosecha, la autoprotección contra enfermedades causadas por hongos y bacterias, el ataque de insectos y ácaros y de las condiciones desfavorables de clima, al estimular el desarrollo y actividad de estructuras poliméricas en la cutícula, los tricomas y fitolitos en la superficie de las hojas. En segundo lugar, el tratamiento del suelo con substancias con silicio biogeoquímicamente activo optimiza la fertilidad del suelo a través de mejorar la retención y disponibilidad del agua, sus propiedades físicas y químicas y de mantener los nutrientes en forma disponible para la planta.

2. El silicio restaura la degradación del suelo e incrementa su nivel de fertilidad para la producción agrícola. De 40 a 300 kg de silicio por hectárea de suelo cultivado, son extraídos anualmente por las cosechas. La falta de ácidos monosilícicos y la disminución de silicio amorfo conducen  a la destrucción de los complejos órgano-minerales, se aceleran la degradación de la materia orgánica del suelo y se empeora la composición mineral. La aplicación de fertilizantes minerales con silicio es obligatoria para una agricultura sustentable y altamente efectiva en cualquier tipo de suelo.

Es importante mencionar que la disponibilidad de agua y bióxido de carbono, son indispensables para incrementar la disponibilidad de ácido ortosilícico soluble en el suelo, mejorando significativamente la capacidad de intercambio catiónico y movilización de minerales, fósforo, calcio, magnesio, potasio, hierro, nitrógeno y zinc, como se ejemplifica en las siguientes reacciones y ley de acción de masas.

2Al³⁺ + 2H₄SiO₄^°_{(ácido ortosilicico)} + H₂O 6H+ + Al₂Si₂O₅(OH)_4(caolinita) CIC = 3-15 meq 100^-1
CaCO_3(calcita) + CO_2(g) + H₂O   2 HCO_3- + Ca²⁺ + H₂O
Al₂Si₂O₅(OH)_4(caolinita) + Ca²⁺ + 2 SiO_2(amorfo) + 3 H₂O 2 Na⁺ + CaAl₂Si₄O₁₂.4 H₂O_(laumontita) 
2 NaAlSi₃O_8(albita) + Ca²⁺ + 4 H₂O 2H⁺ + CaAl₂Si₄O₁₂.4 H₂O_(laumontita) + 2 SiO_2(amorfo)
Mineral arcilloso  + HCO_3- + H₄SiO₄° + catión  Silicato rico en catión + CO_2(g) + H₂O
Caolinita + HCO_3- + H₄SiO₄° + Na⁺  Montmorillonita-sódica + CO_2(g) + H₂O
Caolinita + HCO_3- + H₄SiO₄° + Mg²⁺  Clorita + CO_2(g) + H₂O CIC = 10-40 meq 100^-1 g
Caolinita + HCO_3- + H₄SiO₄° + K⁺  Illita + CO_2(g) + H₂O CIC = 10-40 meq 100^-1 g

3. El silicio incrementa la resistencia del suelo contra la erosión del viento y agua. La aplicación de silicio mineral al suelo, remedia y restaura su estructura, incrementa la capacidad de retención de agua (de 30 a 100%) y la capacidad de intercambio catiónico, sobre todo en pH´s mayor a 7.0. Se incrementa la estabilidad ante la erosión al promover la formación de agregados coloidales. El silicio ayuda al desarrollo del sistema radicular de la planta  y puede incrementar la masa de raíces de un 50 a 200%, por lo que también estimula el amacoyamiento (mayor numero de tallos por semilla).

4. El silicio incrementa la resistencia a la sequía en las plantas. La fertilización con silicio puede optimizar el aprovechamiento del agua de riego en un 30 a 40% y ampliar los intervalos del riego sin efectos negativos sobre las plantas. Adicionalmente al sistema irrigación-drenaje, la fertilización con minerales de silicio activo, permiten completar la rehabilitación de suelos afectados por sales, compactación y bajos niveles de pH.

5. El silicio neutraliza la toxicidad causada por el aluminio en suelos ácidos mucho mejor que el encalando.  Existen cinco posibles mecanismos para la reducción de la toxicidad del aluminio por compuestos ricos en silicio; como la formación de ácidos silícicos, orto y meta, coloides, polímeros de silicio y complejos aluminio-silicatos. El encalado tiene un solo mecanismo. Desafortunadamente la aplicación de encalado y de dolomita, fijan al fósforo y transforman al fósforo-disponible en no asimilable para la planta. Empleando materiales ricos en silicio para la reducción de la toxicidad del aluminio y optimización del pH, mejoran también la nutrición con fósforo, hierro, potasio y zinc, ya que el silicio activa el intercambio catiónico y la movilización de nutrientes.

6. El silicio aumenta la nutrición del fósforo en las plantas de un 40 a 60% e incrementa la eficiencia de la aplicación de roca fosfórica de un 100 a 200%. La fertilización con minerales ricos en silicio promueve la transformación del fósforo no disponible para la planta en formas asimilables y previene la transformación de fertilizantes ricos en fósforo en compuestos inmóviles. Fertilizantes de lenta liberación se pueden fabricar con materiales ricos en silicio.

7. El silicio promueve la colonización por microorganismos simbióticos (bacterias y hongos). El silicio mineral promueve la colonización de las raíces por algas, líquenes, bacterias y micorrizas, mejorando la fijación y asimilación de nitrógeno y fósforo entre otros minerales.

8. El silicio reduce la lixiviación de fósforo, nitrógeno y potasio, en las áreas de cultivo agrícola. El silicio como mejorador, puede reducir la lixiviación de nutrientes en los suelos arenosos y guardarlos en una forma disponible para la planta, tales como coloides.

9. El silicio incrementa la resistencia de la planta a la salinidad. La fertilización con silicio puede aliviar el estrés causado por la salinidad en plantas cultivadas. Aunque existen pocas hipótesis que expliquen el efecto del silicio sobre el estrés salino.

10. El silicio protege a las plantas contra el ataque de las enfermedades, hongos e insectos. La acumulación de silicio en los tejidos de la epidermis en forma polimérica, orgánica y cristalina, permite proteger y fortalecer mecánica y bioquímicamente a los tejidos de la planta. El silicio se ha empleado eficazmente para controlar numerosas enfermedades causadas por hongos y ataques de insectos, tanto como, los pesticidas y fungicidas, pero sin efectos negativos para el medio ambiente. La cantidad de tricomas se estimula de un 20 a un 80%.

11. El silicio restaura áreas contaminadas por metales pesados e hidrocarburos. Los fertilizantes minerales ricos en silicio pueden neutralizar el efecto tóxico de metales pesados y restaurar la fertilidad de la tierra. En numerosos experimentos de invernadero y campo se demostró que materiales ricos en silicio pueden usarse como la parte íntegral  de la nueva tecnología para la purificación y restauración de suelos contaminados con aceites y productos derivados de estos.  

12.  El silicio mejora el empleo de biosólidos. La mezcla de biosólidos como el estiércol de ganado y compostas con minerales ricos en silicio activo pueden transformar la presencia de contaminantes activos y tóxicos en materiales inertes. Además potencializa a los elementos minerales contenidos en ellos y reduce la lixiviación.

13. El silicio tiene acción sinérgica con el Calcio (Ca), Magnesio (Mg), Hierro (Fe), Zinc (Zn) y Molibdeno (Mo). Los seis elementos presentan una acción sinérgica, optimizando el desarrollo del cultivo y producción de cosecha, también se mejora la vida media de las cosechas perecederas.

14. El silicio forma parte de la estructura de los tricomas. En plantas de fríjol, caña de azúcar, papa, chile, tomate, el silicio incrementa el numero y tamaño de tricomas estructurales y glandulares, ya que forma parte de su estructura, y este puede ser el mecanismo por el cual el silicio mejora e incrementa la resistencia de los cultivos al ataque de insectos,  hongos y bacterias.

15.  El silicio aumenta la productividad en la horticultura. Hoy la agricultura mundial requiere anualmente de aproximadamente 800 mil toneladas de fertilizantes minerales ricos en silicio, para promover el desarrollo de una agricultura saludable y sustentable. Esto invariablemente ocurrirá en suelos con mas de 700 ton/ha de silicio elemental y pH mayor a 7.5, donde ocurre también un alta capacidad de intercambio catiónico.

A manera de resumen se indican las prácticas de manejo del cultivo para promover el aprovechamiento del silicio y mantener niveles adecuados para mantener el desarrollo sustentable de la agricultura del cultivo de chiles:

En las siguientes tablas 2, 3 y 4 se ilustra el flujo de silicio en los sistemas agrícolas para la producción de chiles y de manera grafica en la figura 2 se muestra el posible flujo en los sistemas agrícolas.