Introducción

En Colombia, alrededor del 70.0 % del N aplicado al suelo se pierde principalmente por lixiviación (^{Consejo Nacional de Política Económica y Social, 2009}), lo que ocasiona problemas ambientales relacionados con el recurso hídrico.

La mayoría de los suelos retienen con mayor facilidad los cationes; por tanto, aniones como nitrito y nitrato son lixiviados regularmente del medio. Por el contrario, el amonio (catión) puede ser retenido en el complejo de cambio o puede ser fijado en las entrecapas estructurales de los minerales de arcilla 2:1, para luego ser liberado e iniciar el proceso de nitrificación (^{Navarro García y Navarro García, 2013}).

Gran parte de la lixiviación de N se debe a la degradación estructural y pérdida de materia orgánica del suelo (MOS), ocasionada por la labranza intensiva y aplicación de riego excesivo, que disminuye la capacidad de retención de amonio y nitrato (^{FAO, 2015}).

En este panorama se hace necesario buscar nuevas alternativas que permitan mejorar las propiedades del suelo y aumentar su capacidad de retención de N. Recientemente se vienen estudiando las enmiendas inorgánicas como los minerales de arcilla, y orgánicas, como los abonos. Si bien las enmiendas orgánicas han mejorado la retención y liberación de N en el suelo, no han reducido de manera significativa las pérdidas por lixiviación (^{Forge et al., 2016}). Las EOM (mezcla entre material orgánico y minerales de arcilla) han surgido como una nueva estrategia para el mejoramiento de propiedades de los suelos, gracias a que elevan la Capacidad de Intercambio Catiónico (CIC) y la retención de agua (^{Leggo et al., 2006}) y su uso aporta al manejo eficiente de N y a la reducción de la contaminación del agua, así como al mejoramiento de las propiedades de los suelos.

Las EOM se fundamentan en los complejos órgano- minerales, los cuales son compuestos generados a partir de la adherencia de las sustancias húmicas a los minerales de arcilla, que ocurre normalmente en los suelos. Las sustancias húmicas están compuestas por grupos carboxílicos y fenólicos que, al unirse con los minerales arcillosos y dependiendo del pH, saturan las cargas positivas de éstos formando el complejo. Los grupos orgánicos mencionados pueden unirse a cationes presentes en el medio, formando un enlace entre un radical orgánico negativo y un mineral de arcilla negativo (^{Das et al., 2019}; ^{Chotzen et al., 2016}).

Abonos como el compost, la gallinaza, el lombricompost y el estiércol son los más utilizados para el componente orgánico de las EOM, ya que mejoran los procesos de nitrificación y desnitrificación en el suelo, aportan amoniaco y nitratos y mejora la nutrición de las plantas (^{Agegnehu et al., 2016}). En cuanto a la fracción mineral, la zeolita se ha destacado debido a su eficiencia en el uso del N en el suelo, gracias a su alta CIC y a su estructura cristalina, por lo tanto, ha sido útil en la reducción de la lixiviación de nitratos debido a la retención de humedad y del amonio (^{Gholamhoseini et al., 2013};). Por su parte, el uso de la bentonita en la agricultura se ha orientado hacia su efecto sobre el uso eficiente del N en viarios suelos (^{Shen et al., 2020}; ^{Chu et al., 2020}), y en propiedades químicas en suelos salino-sódicos (^{Shaygan et al., 2017})

En Colombia, poco se ha evaluado la aplicación de EOM para el mejoramiento de las propiedades físicas y químicas del suelo; las investigaciones se han enfocado a la utilización de zeolita (^{Obregón- Portocarrero et al., 2016}). Por lo anterior, como hipótesis se plantea que la aplicación de EOM, como la montmorillonita como fracción mineral, y lombricompost y gallinaza como fracción orgánica, a dos inceptisoles de las zonas plana y de ladera del Valle del Cauca, reducirá la lixiviación de N y, a su vez, la pérdida de agua; además de mejorar las propiedades físicas y químicas de ambos suelos. Por tanto, el objetivo es evaluar la aplicación de EOM en la disminución de la lixiviación de N en dos inceptisoles.

Materiales y métodos

La investigación se lleva a cabo en el invernadero del Laboratorio de Aguas y Suelos Agrícolas (LASA) de la Universidad del Valle, ubicado en el municipio de Santiago de Cali, Valle del Cauca, a 979 msnm, 3°22’22,29” N y 76°31’49,22” O. La temperatura y precipitación promedio anual es de 25°C y 909 mm, respectivamente. Los suelos utilizados se clasifican taxonómicamente como Andic Dystrudepts ácido (N 3° 37’ W 76° 37’) y Fluventic Haplustepts básico (N 3° 26’ W 76° 27’) (^{IGAC y CVC, 2004}).

El suelo ácido tiene una textura franco arcillo arenosa, pH fuertemente ácido, alto contenido de MOS, alto contenido de N total y alta CIC, originario del Corregimiento El Palmar, municipio de Dagua. El suelo básico presenta pH neutro, textura arcillosa, porcentaje de N alto, MOS medio, y alta CIC, proveniente de la vereda Caucaseco, municipio de Candelaria (^{Fernandez 2006}; ^{Porta et al., 2014}) (Tabla 1).

Tabla 1 Caracterización fisicoquímica inicial de los suelos utilizados en el experimento 

Las EOM se elaboraron a partir de lombricompost y gallinaza como componentes orgánicos y la bentonita cálcica (Montmorillonita) proveniente de Tuluá-Valle del Cauca, como componente mineral. El lombricompost tuvo como materia prima estiércol de vaca (95.0 %) y residuos de cocina (5.0 %). La gallinaza fue producto del compostaje de la mezcla de estiércol de aves de corral con aserrín (Tabla 2).

Tabla 2 Caracterización inicial de los abonos orgánicos y el mineral de arcilla, utilizados en el experimento 

Se realiza un diseño experimental completamente al azar estableciendo 9 tratamientos y un testigo por suelo, con tres repeticiones cada uno. Los tratamientos consisten en tres proporciones de mezcla entre lombricompost y montmorillonita para el suelo ácido (LP1: 1:1; LP2: 1.2:1; LP3: 1.25:1), para el suelo básico (LP1: 1.20:1; LP2: 1.25:1; LP3: 1.22:1); tres proporciones de mezcla entre gallinaza y montmorillonita para el suelo ácido (GP1: 0.64:1; GP2: 0.79:1; GP3: 0.87:1), para el suelo básico (GP1: 0.82:1; GP2: 0.86:1; GP3: 0.97:1); solo lombricompost (Lom), solo gallinaza (Gal), solo montmorillonita (Mon), y control (Control). Cada tratamiento, dependiendo del tipo de suelo, tiene 3.0 kg de suelo ácido, o 4.1 kg de suelo básico, y urea (150 kg/ha de N). Las proporciones de enmienda fueron establecidas tomando como referencia las investigaciones de ^{Gholamhoseini et al. (2013}) y ^{Leggo et al. (2006}). Al tratamiento Control solo se le adiciona urea.

Los lisímetros de drenaje consisten en columnas de policloruro de vinilo (PVC) de 35 cm x 15.2 cm unidas con silicona a embudos plásticos. En la parte superior e inferior de cada columna se acopla una placa plástica con perforaciones múltiples de 6.3 mm para garantizar la uniformidad del riego y la recolección completa del lixiviado. El embudo condujo el líquido hacia una manguera de polietileno para riego de 2.5 cm de diámetro conectada a recipientes plásticos con capacidad de 200 mL, que a su vez se disponen dentro de recipientes plásticos de 11 litros evitando el contacto con la luz y la pérdida de lixiviado en caso de derrame. Entre el suelo y la placa perforada inferior se adiciona una capa de 2 cm de grava gruesa para evitar la pérdida del suelo. Los lisímetros se soportaron con bases construidas con ángulos de acero de 2.5 cm, a 80 cm del suelo.

Dentro del lisímetro, los materiales se distribuyen así: 2 cm de grava en la base, suelo tamizado por 2 mm, EOM mezclada con los primeros 10 cm de suelo a capacidad de campo, y el fertilizante. Los materiales de la EOM fueron mezclados entre sí antes de mezclarlos con el suelo.

Durante la fase experimental (100 días) se hace seguimiento a la humedad gravimétrica dos veces por semana, con el fin de mantener el suelo a capacidad de campo, cuyo valor es de 29.65 % para el suelo ácido, y 45.95 % para el suelo básico. El riego depende exclusivamente del balance hídrico, en el que se utiliza un coeficiente de cultivo (Kc) igual a 1.24 (^{M. Daza et al., 2017}) como referencia y un factor de tanque de 0.75 (^{Allen, 2006}). Se aplican 4265.6 mL de agua en total.

Se registra el volumen semanal y total lixiviado de cada tratamiento. Los lixiviados son almacenados a 4 °C hasta la determinación de amonio y nitrato por el método Kjeldahl modificado y extracción por cloruro de potasio 2N y cuantificación potenciométrica (^{Instituto Geográfico “Agustín Codazzi”, 2006}).

Se realiza un balance de N de los lixiviados. Como entradas se tienen en cuenta el fertilizante urea, el lombricompost, la gallinaza y la montmorillonita. La estimación del N total (kg/ha) en los materiales de las enmiendas se realiza utilizando ecuación 1 (^{Navarro García y Navarro García, 2013}):

Ec. 1

Donde: TA: cantidad aplicada (kg); % N: porcentaje de N; A: área del cilindro (ha). El valor obtenido se multiplica por 0.05 para estimar el N asimilable. Debido a que el agua de riego era potable, el N en ella se considera despreciable. Las concentraciones de amonio (mg/kg) y nitrato (mg/kg) se multiplicación por la suma del peso del suelo (kg) y la EOM (kg) en el lisímetro, dividido por el área del lisímetro (ha) y, multiplicado finalmente por 1x10^-6 para obtener las cantidades de cada tratamiento en kg/ha.

Al finalizar el experimento se toman muestras de suelo de cada lisímetro a una profundidad de 5 cm desde la superficie, las cuales son secadas en horno a 105 °C y tamizadas para obtener partículas de 2 mm. Se determina humedad a capacidad de campo por método de tensión, densidad aparente por método del cilindro, pH por Potenciómetro relación 1:1 y N total por método Kjeldahl (^{IGAC, 2006}).

La distribución normal de los datos se verifica por medio del gráfico q-q. También se realiza un análisis de homogeneidad de varianzas por Levene. Las diferencias significativas entre tratamientos se establecen por la prueba de Tukey, con un nivel de confianza del 95.0 %. Se utilizó el programa estadístico R 3.3.2 (^{R Core Team, 2015}).

Resultados y discusión

Volumen lixiviado

La pérdida de agua respecto al total aplicado varía entre 1.2 % (LP2) y 31.5 % (Gal) en el suelo ácido, y en el básico, entre 2.2 % (LP3) y 36.4 % (Gal) (Tabla 3). El tratamiento LP3 (1.22:1) del suelo básico es el único tratamiento inferior al Control (3.8 %); y en el ácido, los tratamientos LP2 (1.2:1) (1.24 %) y LP3 (1.25:1) (2.4 %) lixiviaron menos que el Control (2.6 %). Esto permite observar la influencia de la enmienda sobre el volumen de agua lixiviado.

Tabla 3 Volúmenes totales lixiviados de los tratamientos aplicados a los suelos (Duración: 100 días) 

Letras diferentes indican diferencias significativas de acuerdo a la prueba de Tuckey

En el suelo ácido, la estructura de los suelos con EOM con lombricompost es migajosa, mientras que en los que tuvieron gallinaza se forman agregados pequeños y medianos; en el suelo básico hay agregados grandes. El tamaño de los agregados se incrementa a medida que la cantidad de EOM aumenta. La formación de los agregados es evidente cada vez que se aplica el riego. El cambio en la macroestructura del suelo, sumado a que únicamente los 10 primeros centímetros del suelo se removieron regularmente, contribuyen a la formación de flujos preferenciales en los tratamientos con EOM con gallinaza, lo cual produce un mayor volumen de lixiviado. En el suelo básico, su textura y las características expansivas del mineral potenciaron la creación de flujos preferenciales (^{Daza et al., 2015}).

La densidad aparente (Da) es otra propiedad a la cual se le atribuye la baja lixiviación en los suelos con lombricompost, ya que se relaciona de manera inversa con la retención de humedad (^{Daza et al., 2014}). Los tratamientos con lombricompost presentaron densidades más bajas que los tratamientos con gallinaza (Tabla 4), lo cual concuerda con los volúmenes de lixiviación encontrados y la estructura formada al mezclar las EOM con cada uno de los suelos.

Tabla 4 Humedad a capacidad de campo (Hcc), Densidad aparente (Da), pH y Nitrógeno Total (NT) de los suelos para los diferentes tratamientos al finalizar el experimento 

Letras diferentes indican diferencias significativas de acuerdo a la prueba de Tuckey (P < 0.05). ns: diferencias estadísticas no significativas. A: Suelo ácido, B: Suelo básico.

Es posible que el lombricompost, al tener características de un material estable a diferencia de la gallinaza, haya tenido mayor porcentaje de materia orgánica humificada debido a la degradación ejercida por las lombrices. Así, el lombricompost incrementa la porosidad del suelo aumentando la capacidad de retención de agua, gracias a los grupos carboxílicos presentes en las sustancias húmicas y a sus propiedades coloidales (^{Adhikary, 2012}).

El suelo ácido con los tratamientos LP1 (1:1), LP2 (1.2:1) y LP3 (1.25:1) presentan valores de pH cercanos al rango óptimo para la disociación de los ácidos húmicos y fúlvicos (6.4-6.7), responsables de la retención de agua en el suelo, a diferencia del tratamiento Lom, lo cual pudo ocasionar que los tratamientos con EOM perdieran menos agua. Por otro lado, el tratamiento Gal, al tener un pH superior al de los tratamientos con EOM de su mismo grupo, tiene mayores pérdidas de agua, ya a pH superiores a 7 hay presencia de grupos carboxilo disociados aunque débiles (^{Porta et al., 2014}) (Tabla 4).

Debido al pH que presentan los suelos con EOM con lombricompost, es posible que se hayan formado complejos arcillo-húmicos con cationes como el hierro y el calcio en ambos suelos (^{Porta et al., 2014}). La coloración oscura de los lixiviados de los tratamientos con gallinaza sugiere la presencia de ácidos húmicos (^{Arias et al., 2010}); por tanto, es posible que se formaran complejos, aunque débiles.

Por otro lado, los suelos tratados mantienen su humedad durante varias semanas después de finalizar el experimento, lo cual puede deberse a la translocación de arcillas y materia orgánica, que en el caso del suelo básico se hace evidente al desmontar las columnas, puesto que se encuentra un horizonte con características similares a un argílico. La humedad a capacidad de campo de los suelos es mayor en el grupo lombricompost que en el de gallinaza.

Los suelos básicos de los tratamientos GP1, GP2 y GP3 presentan un color verde azulado característico de la reducción del hierro al someterse a periodos de saturación y desecación de agua (^{Porta et al., 2014}), posiblemente porque el riego depende de la humedad del suelo y la lámina a aplicar diaria.

Lixiviación de amonio y nitrato

Con los tratamientos LP2 y GP3 (del suelo ácido se disminuye la lixiviación de amonio en un 96.5 % y 93.1 % frente al Control, y en un 97.8 % y 86.9 % frente a los tratamientos Lom y Gal, respectivamente; mientras que en el suelo básico los tratamientos LP3 y GP3 lo hacen en un 55.1 % y 57.1 % frente al Control, y en un 56.8 % y 50.0 % frente a los tratamientos Lom y Gal respectivamente. Lo anterior se asocia a la retención de amonio de la montmorillonita, gracias a su CIC y espacio interlaminar (^{Yao et al., 2014}). Los tratamientos con gallinaza evidencian que a mayor proporción de EOM, hay menor lixiviación de amonio (Tabla 5).

Tabla 5 Entradas y salidas de Nitrógeno de Los suelos tratados con Las diferentes enmiendas 

Letras diferentes indican diferencias significativas de acuerdo a la prueba de Tuckey (P < 0.05). ns: diferencias estadísticas no significativas. Tto: Tratamiento.

El pH influye significativamente sobre la lixiviación de amonio; los tratamientos con lombricompost del suelo ácido tienen un pH inferior al rango óptimo para la absorción del ion y el proceso de nitrificación (6.9-7.5), lo cual probablemente facilita la lixiviación. Además, la poca lixiviación de amonio en los tratamientos con gallinaza del suelo básico puede deberse a que a pH superiores a 7.5 la tasa de conversión de amonio a nitrito es alta (^{Navarro García y Navarro García, 2013}).

No se encuentran diferencias significativas en la lixiviación de nitrato de los tratamientos con EOM, a pesar de que en el suelo básico los tratamientos del grupo lombricompost tienen mayores pérdidas que el grupo gallinaza. No obstante, en el suelo básico los tratamientos GP3, Gal y Lom presentan las lixiviaciones más bajas, 1.4 kg/ha, 1.7 kg/ha y 1.9 kg/ha respectivamente; mientras que en el ácido son los tratamientos LP2 (4.6 kg/ha) y GP1 (4.3 kg/ ha). Además, los tratamientos LP2, LP3, GP1, GP2 y Mon, pierden menos de 8.0 kg/ha de nitrato, siendo significativamente diferentes al tratamiento Lom (19.5 kg/ha).

La baja lixiviación de nitrato de los tratamientos con EOM posiblemente se deba a la retención del amonio ejercida por el mineral de arcilla, que favorece su liberación lenta (^{Shen et al., 2020}), al riego, que según ^{Marcano (2010)}, puede estimular la conversión de la MOS en amonio con mayor velocidad que la lixiviación del nitrato resultante, y a la acumulación de nitrato en el perfil del suelo. En los tratamientos con gallinaza del suelo básico, la poca lixiviación de nitrato puede deberse al pH, ya que la tasa de transformación de nitrito a nitrato se reduce, por lo que el nitrito se acumula y el nitrato disminuye (^{Navarro García y Navarro García, 2013}).

En resumen, en el suelo ácido, el tratamiento LP2 reduce la pérdida de agua en un 53.7 %, amonio en 96.5 %, y nitrato en un 32.3 % frente al Control. El suelo ácido con tratamientos de gallinaza presenta mayores pérdidas de agua que el Control, sin embargo, el tratamiento GP3 logra reducir la lixiviación de amonio en un 93.1 %, y el tratamiento GP1 reduce la lixiviación de nitrato en un 36.7 %.

Los tratamientos Lom y Gal del suelo ácido presentan mayores cantidades de amonio y nitrato en sus lixiviados respecto a los tratamientos con EOM. Los tratamientos con EOM que contenía lombricompost muestran valores variables. No obstante, estas diferencias pueden obedecer al pH, puesto que el rango en el que la absorción de amonio y nitrificación ocurren rápidamente está entre 6.9 y 7.5, aunque puede ocurrir entre 5.5 y 8.0. Por otro lado, a pH superiores a 7.5 la tasa de conversión de amonio a nitrito es alta (^{Navarro García y Navarro García, 2013}). Lo anterior, en el suelo ácido, probablemente facilita la lixiviación de amonio en los tratamientos con lombricompost debido a que presentan un pH inferior a los rangos mencionados.

En el suelo básico, los tratamientos con lombricompost LP3 y gallinaza GP3 presentan las pérdidas de nitrógeno y agua más bajas en su respectivo grupo de abono; sin embargo, el suelo con el tratamiento LP3 lixivia mayor cantidad de nitrato que el Control, y el tratamiento GP3 supera al Control en pérdida de agua. De esta forma, el tratamiento LP3 reduce la lixiviación de amonio en un 55.1 % y la pérdida de agua en un 42.0 %; mientras que el tratamiento GP3 reduce en un 57.1 % la lixiviación de amonio, y en un 65.0 % la de nitrato.

Los tratamientos Lom y Gal del suelo básico lixivian menores cantidades de amonio y nitrato que el Control y sus respectivos tratamientos con EOM, contrario a ^{Gholamhoseini et al. (2013)}, quienes encontraron que la mezcla de zeolita y abono orgánico lixivia menores concentraciones de amonio que la aplicación única de abono orgánico al suelo, además presenta mejores resultados a medida que aumenta la proporción de la mezcla.

Los tratamientos Control, Lom, Gal, GP1 y GP3, del suelo básico presentan problemas en la nitrificación al lixiviar mayores concentraciones de amonio que de nitrato, lo cual se le atribuye al exceso de humedad (^{Gonzalez y Sadeghian, 2012}) debido a la frecuencia de riego, y a los pH fuera del rango óptimo para la nitrificación.

Conclusiones

Las enmiendas órgano-minerales favorecen la retención de agua y amonio en ambos suelos, sin embargo, el suelo ácido muestra mayores porcentajes de nitrógeno total en la muestra final. La mezcla de lombricompost y montmorillonita es más efectiva en la retención de agua a diferencia de la mezcla entre gallinaza y montmorillonita, aunque lixivian mayores concentraciones de amonio y nitrato. En el suelo básico la frecuencia de riego y el pH afectan el proceso de nitrificación evidenciando mayor lixiviación de amonio que de nitrato. Además, los tratamientos de EOM con gallinaza registran que, a mayor proporción de enmienda, hay menor lixiviación de amonio.

La mezcla entre lombricompost y montmorillonita en el suelo ácido propicia la retención de agua debido al pH y la posible formación de complejos órgano-minerales, la baja densidad aparente, y la macroestructura migajosa que presenta en comparación con los tratamientos que tuvieron gallinaza, en los que se forman agregados grandes que contribuyen a la formación de flujos preferenciales.

La formación de complejos órgano minerales se ve favorecida por el tipo de abono orgánico, la estructura de la enmienda órgano-mineral, el pH, y el mineral de arcilla; estos factores influyen significativamente en la reducción de las pérdidas de agua.