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Introducción
La intensificación de los sistemas agrícolas para satisfacer la creciente demanda de alimentos, ha generado una mayor demanda de fertilizantes, siendo la principal alternativa para suplir esta demanda la fertilización inorgánica, debido a la disposición inmediata de los nutrientes [1]. Sin embargo, esta creciente demanda de fertilizantes genera efectos negativos sobre el ambiente como la excesiva producción de residuos biodegradables y la degradación de los suelos [2], [3]. Autores indican que el uso excesivo de fertilizantes inorgánicos a largo plazo ha contribuido a reducir el contenido de materia orgánica y nutrientes del suelo, teniendo como consecuencia disminución de su calidad, acidificación y contaminación [4].
Una alternativa de fertilización con menores impactos ambientales [5], [6], es el uso de fertilizantes orgánicos como el compost proveniente de diferentes fuentes orgánicas [7] -[9] que puede mejorar algunas propiedades físicas, químicas y biológicas del suelo [10], [11] e incrementar la fertilidad del suelo de manera segura, con bajos costos [10], [12].
Entre los sustratos orgánicos de mayor aplicabilidad en el compostaje, se encuentra la fracción orgánica de los residuos sólidos municipales, conocidos como FORSU o BOM (biorresiduos de origen municipal) [13]. Esta estrategia de aprovechamiento de estos sustratos además permite mitigar los efectos negativos de su disposición final en rellenos sanitarios como la reducción del uso de áreas disponibles para disposición, que cada vez son más escasas [14] y la reducción en la generación de gases de efecto invernadero y lixiviados [15].
En el compostaje de BOM se recomienda su mezcla con otros sustratos para mejorar la calidad del producto final del compostaje [11], [16] encontrándose experiencias de compostaje de BOM con residuos agroindustriales como la cachaza (CA) [17], [18] resultante del procesamiento de la caña de azúcar [18], [19], cuyo producto final contribuye de manera importante con los requerimientos de N, que es el elemento más limitante y de mayor demanda en la agricultura, ya que es necesario para el crecimiento y desarrollo de las plantas del suelo [20] sin embargo, metabólicamente no todo el N está disponible para la asimilación de las plantas y su aprovechamiento en los cultivos, debiendo pasar por un proceso de mineralización para ser asimilado por el suelo y así estar disponible para las plantas [21], [22]. Entre los modelos de mineralización evaluados se encuentran los mostrados en la Tabla I.
Autores como [23] y [24], han realizado estudios donde proponen el uso de mezclas de compost de diversas fuentes orgánicas y fertilizante inorgánico, estrategia que aporta al desarrollo de una producción agrícola sostenible y un medio ambiente saludable [9].
Por lo anterior, el objetivo principal de esta investigación fue evaluar el efecto de la aplicación en un suelo ácido de diferentes proporciones de un fertilizante inorgánico (urea) y una enmienda procedente del co-compostaje de BOM:CA, sobre el proceso de mineralización del nitrógeno (Nmineralizado).
Materiales y métodos
La investigación se llevó a cabo en condiciones de invernadero con las siguientes características: Latitud 03° 22’ 22,7” Norte, Longitud 76° 31’ 47,9” Oeste, 995 msnm, temperatura media de 28°C, máxima de 32°C y mínima de 22°C y precipitación promedio anual de 900 mm [25]. El suelo utilizado fue un Andic Dystrudepts [26] del Valle del Cauca; la enmienda orgánica se obtuvo del producto final procedente del compostaje de BOM:CA en una proporción 80:20 [13]. En la Tabla II se presentan las propiedades del suelo y la enmienda orgánica empleadas, determinadas de acuerdo con [27], [28].
La unidad experimental (UE) para los ensayos de mineralización correspondió a bolsas de polietileno con dimensiones de 40 cm x 50 cm y capacidad de 2 kg. Cada UE se preparó con 1 kg de suelo, el cual fue tamizado a 2 mm, homogeneizado y cuarteado [29]. Para la conformación de los tratamientos a evaluar, se utilizó un diseño unifactorial completamente al azar, evaluando como factor la influencia de la proporción de mezcla enmienda orgánica: fertilizante inorgánico-urea (EO: F) con tres niveles de estudio definidos, calculando las dosis en gramos a través de un balance de masa y partiendo de una dosis de 200 kg/ha de N para cada tratamiento [30]. Adicionalmente se contó con tres tratamientos control (testigos) como se muestra en la Tabla III, para un total de seis tratamientos, los cuales se evaluaron por triplicado.
Tabla III Dosis de N por tratamiento por kg de suelo seco
* Testigos.
** Enmienda orgánica (EO): Producto final del compostaje de BOM: Cachaza - 80:20
Los tratamientos se incubaron ajustando la humedad a capacidad de campo (θ) en cada UE [31], este factor ayuda a representar la dinámica de mineralización de N del suelo y tiende a incrementarse cuando la humedad del suelo se aproxima a capacidad de campo y ayuda a no inhibir el proceso de nitrificación [32]. El resultado de la humedad a capacidad campo fue 50,09 %, porcentaje característico de suelos con presencia de arcillas [33] y se determinó a partir de la Ecuación (1), donde V w corresponde al volumen de agua presente en la muestra (Vω) y volumen total de suelo (Vt).
La humedad a capacidad de campo se monitoreó en cada UE, utilizando el medidor de humedad volumétrica de suelo TDR (Time Domain Reflectometry) [34]. El pH fue medido con un potenciómetro con el equipo pH meter Sartorius Portable - PT-10 y se tomó como una variable de respuesta, ya que es un indicador de la disponibilidad de N en el suelo. La forma aprovechable de N depende del valor de pH, siendo el amonio utilizado con mayor facilidad en valores de pH > 6 unidades, mientras que el nitrato es absorbido con mayor facilidad en valores de pH < 5 [35].
El nitrógeno mineral o inorgánico se determinó en términos de amonio
y nitratos
, cuya sumatoria corresponde a la forma de N disponible para la planta [21], el cual se midió semanalmente durante las primeras 12 semanas de muestreo y luego cada 15 días, hasta la semana 16 [36]. Los datos fueron usados para construir las curvas de mineralización a partir del valor promedio de las tres réplicas de cada tratamiento.
Para determinar el efecto de la proporción de mezcla EO: F sobre la mineralización del nitrógeno, se realizó un análisis de varianza (ANOVA) considerando un nivel de significancia del 5% y para determinar si existen diferencias significativas entre los tratamientos, se aplicó la prueba Post ANOVA de Tukey [24].
Modelos de mineralización
A partir de los datos experimentales y las curvas de mineralización, se evaluaron los modelos mostrados en la Tabla I. El ajuste de los parámetros correspondientes a cada modelo se realizó implementando el algoritmo de Newton Raphsson en la plataforma de R (R-3.4.2). Para la selección del mejor ajuste de cada modelo, se consideraron métricas como el coeficiente de determinación ajustado (R2) y el cuadrado medio de error (CME), considerando que el mejor ajuste es aquel que maximiza el R2 y simultáneamente minimiza el CME[22].
Resultados y discusión
Las Figuras 1, 2 y 3 muestran el comportamiento de las diferentes formas de nitrógeno (
,
y Nmineralizado) durante las 16 semanas en los tratamientos evaluados. Para el
(Figura 1), los tratamientos T1 y T2 que corresponden a suelo sin aplicación y suelo más EO respectivamente, durante todo el tiempo presentaron un comportamiento homogéneo sin picos significativos, mientras que todos los tratamientos con F (urea) presentaron mayor liberación de
en las primeras siete semanas, donde se registraron los picos más altos.
Figura 1 Comportamiento del NH4 durante las 16 semanas ND: No presentó diferencia significativa; *presentó diferencia significativa
Figura 2 Comportamiento del NO 3- durante las 16 semanas ND: No presentó diferencia significativa; *presentó diferencia significativa
Figura 3 Comportamiento del N mineralizado durante las 16 semanas ND: No presentó diferencia significativa; *presentó diferencia significativa
Esto pudo deberse a que la urea se hidrolizó con rapidez por efecto de la enzima “ureasa” [39]. De la semana 14 a la 16, todos los tratamientos presentaron una disminución en el aporte de
, debido a que se están mineralizando los materiales más resistentes y que necesitan más tiempo para la descomposición por parte de los microorganismos [7]. La prueba ANOVA para el
mostró que en las semanas 1, 3, 5, 6, 7, 8 y 12, se presentaron diferencias significativas entre los tratamientos (ver los valores de p y F en Tabla IV) y mediante la prueba Post ANOVA, se encontró que el tratamiento que aportó mayor
en las semanas 2 y 10 fue T6 (suelo + 25% EO + 75% urea) y en las semanas 4 y 16 fue T3 (100% urea) seguido por T4 (suelo + 50% EO + 50% urea), con aportes de 324,6 y 224,2 mg/kg de
respectivamente. Los resultados encontrados sugieren que con la enmienda orgánica se puede disminuir la fertilización con urea hasta en un 50% por el aporte de amonio [11].
Para el
(Figura 2), esta forma de nitrógeno se encuentra fácilmente disponible principalmente entre las semanas 3, 6 y 12 [7]. El tratamiento que mayor
aportó durante las 16 semanas fue T4 (suelo + 50% EO + 50% F), seguido por T3. El análisis de varianza mostró que las diferentes dosis de enmienda orgánica tuvieron un efecto significativo sobre el aporte de nitratos para las semanas 3, 4, 6, 10, 12, 14 y 16 respectivamente (ver los valores de p y F se presenta en Tabla IV). La prueba de Tukey permitió evidenciar que, aunque el tratamiento que aportó mayor
en la última semana fue T3 (100% urea), fue seguido de T6 (suelo + 25% EO + 75% urea), con aportes de 402,8 y 268,8 mg/ kg respectivamente, resultado que es similar al encontrado en otras investigaciones [24].
Con relación al Nmineralizado (Figura 3), en las primeras 8 semanas se observó una mayor mineralización del N en todos los tratamientos, evidenciado por los picos más altos de las curvas [11], [36] de la semana 8 a la semana 12, la mineralización se comportó de forma más estable, mientras que a partir de la semana 12 se presentó un descenso, comportamiento que es similar a otros estudios con otro tipo de enmiendas orgánicas como el lombricompost y la gallinaza [36].
La Figura 4 muestra el comportamiento del pH, el cual se incrementó en todos los tratamientos conformados con urea durante las dos primeras semanas T3 (100% urea), T4 (suelo + 50% EO + 50% urea), T5 (suelo + 75% EO + 25% urea) y T6 (suelo + 25% EO+ 75% urea), lo que se debe a que la concentración del N de este fertilizante (46 %) al ser aplicado al suelo, produce la hidratación del gránulo y su disolución y la ureasa bacteriana, enzima presente en los suelos, produce el desdoblamiento de la molécula en CO3NH4 (carbonato de amonio) y CO (monóxido de carbono) que es inestable, ocasionando hidrólisis de forma instantánea, generando un aumento del pH debido a la producción de amoniaco [40]; sin embargo, a partir de la semana 3 se evidenció una disminución del pH debido a la acción acidificante del fertilizante [41]- [43].
Figura 4. Comportamiento del pH durante las 16 semanas ND: No presentó diferencia significativa; *presentó diferencia significativa
En contraste, los tratamientos sin urea (T1: Suelo sin aplicación y T2: 100% EO), durante las 16 semanas, presentaron poca variabilidad en sus datos, teniendo un comportamiento más homogéneo. T2 no presentó diferencias significativas con respecto T1, que era el testigo absoluto, solo se mantuvo un 0,93% por encima de los valores reportados por este tratamiento.
Con relación al Nmineralizado acumulado durante las 16 semanas, en la Figura 5 se observa que en T3 (100% urea) se alcanzó el mayor aporte de Nmineralizado durante las 16 semanas y T4 (suelo + 50% EO + 50% urea) se comportó de manera similar, con una diferencia del aporte al final de la incubación de apenas el 9,94 %, lo que indica el potencial de la enmienda orgánica como reemplazo parcial de la fertilización química, pudiendo aportar tanto desde el punto de vista ambiental como económico [44]. Este resultado es similar al encontrado por otros autores [24], quienes afirmaron que los tratamientos con 100% fertilizante mineral y 50% fertilizante mineral y 50% Compost (esquejes verdes, fracción orgánica de desechos municipales y otros materiales orgánicos), mostraron eficiencias similares en el uso de nitrógeno por parte de las plantas, debido a la disponibilidad relativamente inmediata de nitrógeno suministrado.
Modelos de mineralización
En la Figura 6 se observa el ajuste de los modelos matemáticos que describen el proceso de la mineralización del N para cada tratamiento y en las Tablas V a X se muestran los resultados de la modelación de la mineralización en cada tratamiento, con sus respectivos parámetros y errores.
Figura 6 Modelos matemáticos de mineralización del Nitrógeno. a). T1; b). T2; c). T3; d). T4; e). T5; f). T6.
Tabla V Parámetros y errores en los modelos para el T1 (Testigo 1 (Suelo sin aplicación))
*Parámetro no significativo (p > 0,05)
Tabla VI Parámetros y errores en los modelos para el T2 (Testigo 2 (Suelo +EO))
*Parámetro no significativo (p > 0,05)
Tabla VII Parámetros y errores en los modelos para el T3 (Testigo 3 (Suelo + F))
*Parámetro no significativo (p > 0,05)
Tabla VIII Parámetros y errores en los modelos para el T4 (Suelo + 50% EO + 50% F)
*Parámetro no significativo (p > 0,05)
Tabla IX Parámetros y errores en los modelos para el T5 (Suelo + 75% EO + 25% F)
*Parámetro no significativo (p > 0,05)
Tabla X Parámetros y errores en los modelos para el T6 (Suelo + 25% EO + 75% F)
*Parámetro no significativo (p > 0,05)
De acuerdo con estos resultados, se observa que el modelo Exponencial Simple planteado por Stanford y Smith sobrestima significativamente el Nmineralizado acumulado máximo observado en cada uno de los tratamientos, evidenciado también en los altos valores del cuadrado medio de error CME y el modelo polinomial de segundo grado fue el que presentó mejores valores de Coeficiente de determinación (R2 > 0,99) en la dinámica de la mineralización del N; Sin embargo, en algunos de los tratamientos evaluados presentó parámetros no significativos (p > 0,05); en consecuencia, no es posible asegurar con una confianza del 95 %, que este modelo es el mejor predictor de la mineralización del N. Por lo anterior, los modelos Exponencial de Stanford y Smith y Polinomial de segundo grado se descartaron.
Los modelos de mejor ajuste en su orden fueron, parabólico de Broadbent (R2 > 0,80), lineal (R2 > 0,80) y Exponencial, siendo este último el que presentó el menor ajuste para los tratamientos conformados con EO y F (T1, T2 y T6), que arrojaron valores de coeficiente de determinación (R2 > 0,80) y T3, T4 y T5 presentaron R2 < 0,80. En el caso del modelo lineal, este presentó valores altos del cuadrado medio de error CME y mayor dispersión en los datos, mientras que el modelo parabólico (Broadbent), presentó buen ajuste como en otros casos de diferentes EO como Compost de rosas, gallinaza, conejaza, porquinaza lombricompost, entre otros evaluados [7], [22], [36]. Analizando el comportamiento de los modelos reportados en la literatura y los resultados del presente estudio, se ratifica la necesidad de evaluar en cada caso diferentes modelos, para analizar el que mejor represente la mineralización del nitrógeno, esto debido a que cada enmienda, dependiendo de donde proviene y del suelo aplicado su comportamiento, es diferente y estos modelos fueron realizados para ajustarse a características muy específicas.
Conclusiones
Se observó que la aplicación del composts evaluado, es una adecuada fuente de fertilizante nitrogenado, con la que se puede lograr hasta un 50% de reemplazo del fertilizante inorgánico (50% EO + 50% F), condición con la que se alcanzó un aporte total de Nmineralizado de 12.546,39 mg/kg al final de las 16 semanas, valor muy similar al obtenido con la aplicación de solo fertilizante inorgánico (13.931,05 mg/kg), que representa una diferencia de apenas el 9,94 %. Esta estrategia de reemplazo parcial del fertilizante inorgánico, además, puede aportar a la reducción de costos de producción agrícola, así como a la mitigación de los efectos ambientales y sobre el suelo por el uso excesivo de fertilizantes químicos. Además, las características de la EO ayudaron a mantener estable el valor de pH del suelo, evitando niveles de acidificación mayor como los que se presentaron con los tratamientos que contenían urea.
Para este caso, el modelo parabólico de Broadbent y el lineal, que presentaron los mejores ajustes, con valores del coeficiente de determinación (R2) mayores al 80 %; sin embargo, es recomendable en cada caso, evaluar diferentes modelos para identificar el que mejor represente este mecanismo.
