Diseño experimental y muestreo de GEI

Se emplearon cámaras estáticas fabricadas con materiales de policloruro de vinilo (PVC), con un diámetro externo de 24 cm y 38 cm de altura, con una tapa acrílica con diseño circular; esta última, con dos agujeros: uno con un septum de caucho utilizado para introducir el termómetro y el otro, para el dispositivo (acople con rosca para gases, manguera pequeña, llave de tres pasos y una jeringa de polipropileno de 50 mL), con el fin de asegurar la toma de muestra sin ventilación interna. Para el aislamiento térmico, las cámaras se forraron con una membrana aislante de espuma de polietileno aluminizada de 9 mm de espesor, para evitar la radiación proveniente del sol y el calentamiento de las cámaras.

Se instalaron las bases de PVC de las cámaras a una profundidad de suelo de -10 cm, las cuales se colocaron un día antes del muestreo, con el fin de que se reestablecieran las condiciones del suelo que ha sido perturbado durante el establecimiento de la base.

En la evaluación, se emplearon las dosis para el manejo de pastos de la finca comercial del CATIE, expresadas en kg/ha^-1(Cuadro 1).

Cuadro 1 Tratamiento y dosis utilizadas de fertilizante urea+ inhibidor, biofertilizante y fertilizante convencional (Abopasto). 

Por tratarse de un experimento controlado, el pasto se cortó simulando la rotación del potrero, con el fin de conocer el impacto de la poda sobre las emisiones (simulando el pastoreo del animal, cada 28 días). Además, en el desarrollo del experimento, se utilizó un diseño de bloques completamente aleatorio, de tal manera que en cada fila y en cada columna hubiera solo una repetición de cada tratamiento (Figura 1).

Figura 1 de las cámaras y tratamientos en la parcela. T₀: control, T_a: fertilizante convencional (Abopasto), T_b: biofertilizante, T_u: urea+inhibidor. 

Las mediciones iniciaron en el mes de abril y se realizaron por 81 días, iniciando a las 9:00 a.m. y finalizando aproximadamente a las 11:00 a.m. Se llevó la instrumentación y los viales de 20 mL con septum para gases al campo, estos se prepararon previamente con vacío para luego ser llenados con cada muestra. Para la toma de muestra, se consideraron las siguientes recomendaciones:

Este análisis se realizó durante 81 días, los primeros muestreos se llevaron a cabo cinco días seguidos; luego se hicieron cuatro muestreos cada dos días y, por último, se realizaron muestreos cada semana, esto es, durante nueve semanas.

Recolección de muestras

El muestreo se realizó aproximadamente durante una hora, tomando tres muestras por cámara, en tres tiempos diferentes: T₀: al instalar la cámara; T₂₀ = 20 minutos; T₄₀ = 40 minutos. Adicionalmente, se tomaron dos muestras de aire fuera de la cámara, pero procurando la misma altura del muestreo para utilizarlas como “blancos” en laboratorio.

Primero, se selló la cámara con el anclaje, creando un ambiente hermético para el inicio de la toma de muestras a través de las cámaras que corresponde al tiempo cero (T₀). La muestra de 30 mL de aire se tomó por medio de la jeringa para trasladarla a un vial de 20 mL de colección con equilibrio de presiones. Se procedió con la siguiente cámara, se repitieron los pasos anteriores de la toma de muestra y se continuó con el mismo procedimiento para todas las cámaras en cada parcela hasta que se completó todo el muestreo de T₀.

Nuevamente, se realizó el mismo muestreo iniciando en la primera cámara después de 20 minutos del primer muestreo, para así recolectar T₂₀ en cada una de las cámaras; se perforó el septum en la parte superior de la cámara con la aguja de la jeringa, de esta manera, se tomaron 20 mL de muestra de aire desde el interior de la cámara y se cerró la llave de paso; luego se retiró la aguja de la jeringa del septum de la cámara. La muestra se transfirió de la misma forma antes mencionada a un vial y se siguieron recolectando las muestras de cada cámara. Se volvió a iniciar para T₄₀, de la misma forma, desde la primera cámara se perforó el septum, se tomaron 20 mL de muestra de aire desde el interior de la cámara y se cerró la llave de paso y se retiró la jeringa del septum de la cámara. La muestra se transfirió al vial y se siguió el mismo procedimiento para todas las cámaras finalizando con el muestreo.

El muestreo se realizó durante cuatro meses, se inició el día de la aplicación de los fertilizantes. Además, se midió la temperatura externa en el momento del muestreo y el contenido de humedad del suelo en el cuadrante donde se ubicaban las cámaras en cada parcela.

Análisis de muestra gaseosas

Se determinó la emisión de los gases, metano (CH₄) y óxido nitroso (N₂O), para cada muestra mediante cromatografía de gases, utilizando un cromatógrafo Agilent 7890A que cuenta con un Detector de Captura de Electrones (ECD) para analizar el óxido nitroso y un Detector de Ionización en llama (FID) para detectar el metano. Las muestras se analizaron con el protocolo recomendado por el fabricante por medio de curvas patrón. Este equipo está ubicado en el Laboratorio del INTA en el Alto de Ochomogo, San Rafael de La Unión, ente que cooperó en el proyecto de investigación.

Una vez determinada las emisiones de los GEI, se procedió a calcular los gramos de N₂O y CH₄, utilizando la Ley de los gases ideales (Ecuación 1).

Donde:

Pa= presión, V= volumen, PM= masa molar del gas, R= constante de la ley de gas, K= temperatura, ppm= concentración del gas.

Para obtener el flujo lineal de cada gas, se utilizó la siguiente ecuación en función del área y del tiempo:

Donde:

g T₄₀: g N₂O-N del T₄₀, g T₂₀ = g N₂O-N del T₂₀, g T₀ = g N₂O-N del T₀, Área = Área de la cámara, Tiempo : Tiempo en proporción a la hora tomada.

Una vez concluido este muestreo de la toma de gases, en cada una de las parcelas donde se ubicaron las cámaras estáticas, se cavó un hoyo a una profundidad de 10 cm por medio de una alicata, para tomar la muestra de suelo y ser analizadas mediante un método instrumental de oxidación seca con el equipo LECO CN628.

Se recolectaron dos muestras compuestas de todas las parcelas al inicio del experimento en el cuadrante lateral de la cámara estática, de estas se obtuvo un promedio de carbono y nitrógeno inicial en el área de experimentación. Al final del estudio se recolectaron muestras compuestas en cada parcela fertilizada, obteniendo una muestra compuesta por fertilizante, en total 16 muestras recolectadas al final del experimento. Este proceso se realizó con el fin de obtener el porcentaje de la cantidad de C y N remanente almacenado en el suelo tras la aplicación de los tres diferentes fertilizantes. De esta manera, se calculó la relación C/N contenida en el suelo fertilizado con urea+inhibidor, biofertilizado, fertilizante convencional y el no fertilizado (^{Parkin y Venterea, 2010}).

Análisis estadístico

Para el análisis estadístico, se utilizó el programa de INFOSTAT V. 9 (^{Di Rienzo et al., 2018}), en el cual se realizó estadística descriptiva y, posteriormente, se llevó a cabo un análisis de varianza para un diseño de bloques completamente aleatorizado, empleando como covariable la temperatura externa y humedad del suelo, con el fin de determinar si presentaba diferencias significativas entre estadística, entre las emisiones de GEI y los tres tipos de fertilizantes evaluados. La comparación de medidas se hizo mediante prueba de media de Fisher (^{Di Rienzo et al., 2018}).

Emisiones de N₂O en las pasturas con diferentes fertilizantes

El flujo de N₂O se presenta en la figura 2, los tratamientos presentaron variaciones durante los días de muestreo y aumentaron las emisiones durante las primeras 2 semanas y posteriormente a partir del día 25 los valores de emisiones fueron bajos y muy similares, esta tendencia es parecida en otros estudios realizados en zonas templadas por el Instituto Nacional De Investigación Agropecuaria (2016). En el presente estudio se aprecia que, en los primeros días, el flujo de las emisiones fue bajo (0,0107 mg N₂O-N m^-2 d^-1), lo que se puede relacionar con el nitrógeno proveniente de los fertilizantes en estas pasturas, pero la lixiviación por la pluviosidad de la zona siempre está presente. En el décimo día, se observó un aumento de las emisiones, llegando el día 12 a una emisión de 0,4142 mg N₂O-N m^-2 d^-1, donde el mayor flujo de N₂O emitido fue con el tratamiento de fertilizante convencional; seguido del tratamiento con biofertilizante y luego urea. La urea fue el fertilizante que aporta la mayor cantidad de nitrógeno al suelo, ya que está constituida por un 46 % de nitrógeno, pero los cambios de temperatura, humedad y pH del suelo podrían contribuir con la pérdida rápida del nitrógeno en forma de amonio o nitratos solubles o por la volatilización de este en forma de gas N₂O, sin embargo, en este estudio, esta emisión de N₂O para la urea fue menor que la habida con los demás fertilizantes (^{Montenegro, 2019}).

El fertilizante convencional ocasionó la mayor emisión de N₂O, esto puede estar relacionado con los procesos de nitrificación y desnitrificación, donde el N₂ atmosférico puede ser oxidado a N₂O. La rápida volatilización desde el suelo se debió a cambios de la temperatura y al contenido de agua (donde la humedad relativa aumentó de 67 a 79 %), los cuales afectaron la magnitud de las pérdidas del nitrógeno, por lo que lo que se verificó que, para este fertilizante, estas pérdidas de N ocasionaron una mayor emisión del gas N₂O (^{Núñez et al., 2021}).

Se han desarrollado prácticas de manejo tendientes a disminuir los procesos de pérdida de nitrógeno del sistema suelo/planta, dentro de las que se pueden mencionar: el ajuste de la dosis de fertilizante (^{Pagani et al., 2008}), la elección de la fuente del nitrógeno, el momento y método de aplicación (^{Randall y Sawyer, 2006}) y la utilización de fertilizantes de liberación lenta (^{Ferraris et al., 2009}). El uso de inhibidores de la actividad ureásica ha mostrado ser efectivo para reducir las pérdidas por volatilización desde urea aplicada en superficie (^{Sainz et al., 1999}). Otros materiales que ayudaron a retener el nitrógeno en el suelo son los polímeros solubles en agua de alto peso molecular, ya que recubrieron la urea ya aplicada y retarda los procesos de volatilización y nitrificación (^{Torres, 2019}).

El biofertilizante (biol) se obtuvo de forma líquida de un digestor donde ocurre la fermentación anaeróbica de desechos orgánicos, el cual posee un alto contenido de nitrógeno (35 %). A partir del segundo día hasta el décimo de muestreo, el N no fue convertido en su totalidad en N₂O, como lo muestra la figura 2. Este gas tuvo una baja emisión, teniendo una relación similar entre la adición de urea y el control. En estos casos, posiblemente, el nitrógeno fue absorbido por las plantas y por el suelo. Esta afirmación se comprobó con la medición de C y N edáficos, donde en el biofertilizante obtuvo mayores porcentajes de C y N comparado con los demás fertilizantes. Esto puede estar relacionado a que el biofertilizante redujo el impacto ambiental en cuanto a la emisión de los GEI, en comparación con los fertilizantes convencionales, debido a que con el biofertilizante se puede obtener una mayor concentración del nitrógeno en el suelo, lo cual ha sido evidenciado en otros estudios desarrollados para a evaluación de fertilizantes a nivel industrial (^{Jaime et al., 2019}).

Figura 2. Promedios de flujos obtenidos de mg N₂O m^-2 h^-1 en las pasturas, con los diferentes fertilizantes en 81 días de muestreo. Las barras verticales significan el error estándar (p<0,05). 

Emisiones de CH₄ en las pasturas fertilizadas

Se ha demostrado con respecto al flujo biogénico de GEI, que la magnitud y dirección de los flujos puede variar entre ecosistemas, debido a las condiciones ambientales específicas del hábitat, variaciones en la humedad del suelo y el tipo de cubierta vegetal, esto afecta los procesos oxidativos (actividad de bacterias aeróbicas o anaeróbicas); conllevando y favoreciendo procesos de nitrificación y metanogénesis (^{Santos et al., 2022}).

Altas precipitaciones reducen la aireación en los suelos y aumentan los flujos de metano a la atmósfera, se ha reconocido que el aspecto más crítico a destacar en los estudios de flujos de metano está relacionado con los contenidos de humedad en el suelo, debido a sus efectos sobre la oxidación del metano. Durante las temporadas de lluvias, especialmente en las regiones donde ocurren altas precipitaciones, el metano se filtra a la atmósfera, debido a las condiciones anaeróbicas que se desarrollan en el suelo. Estos flujos de metano solo disminuyen y es negativo cuando se reduce la saturación, a causa de la disminución de la precipitación (mayor presencia de oxígeno), favoreciendo los procesos oxidativos para la absorción o secuestro de metano por las bacterias aeróbica (^{Carvajal et al., 2020}).

Respecto a la emisión de CH₄ obtenidas con los diferentes tratamientos en las pasturas (Figura 3), se observó el mayor valor de ,019 mg CH₄-C m^-2 d^-1 en los primeros días del fertilizante convencional, siendo estas emisiones mayores que en los demás tratamientos. En el décimo día de muestreo, se mostró un aumento en los valores obtenidos de urea+inhibidor desde 0,013 hasta 0,094 mg CH₄-C m^-2 d^-1, la fertilización nitrogenada por lo general inhibe la oxidación del metano. Sin embargo, en algunos casos, la fertilización con nitrógeno no es inhibitorio de metano y en casos raros puede incluso estimular la oxidación del metano (^{Pastrana et al., 2011}). Visscher et al., (2007) manifestaron la alta influencia del nitrógeno inorgánico en la oxidación microbiana del CH₄ y lo extremadamente complejo de las reacciones a tal punto de no entenderlas completamente. Esto es porque el nitrógeno inorgánico puede actuar como inhibidor de nutrientes y de microorganismos metanotrófos. El papel del nitrógeno en las emisiones CH₄, depende del pH, el tipo de metanotrófos de la forma y la concentración de nitrógeno presente (NH⁴⁺ , NO^2- o NO^3- ), por tanto se puede explicar el comportamiento del mayor flujo de metano.

Estos procesos microbiológicos edáficos del suelo pueden responder, por lo general, de manera exponencial a la temperatura, duplicando aproximadamente su actividad por cada 10 C° de incremento en la temperatura del suelo, lo cual incrementa la actividad de los organismos tanto autótrofos como heterótrofos en el suelo (^{Chanda et al., 2014}).

Figura 3. Promedios de flujos obtenidos de mg CH₄ m^-2 h^-1 en las pasturas, con los diferentes fertilizantes en 81 días de muestreo. Las barras verticales significan el error estándar (p<0,05). 

Integración de las emisiones de N₂O y CH₄ en las pasturas fertilizadas

Al comparar los muestreos del día 8 al día 12, donde las tomas de muestra se realizaron cada dos días, se encontró un aumento de las emisiones de los gases N₂O y CH₄ (figuras 2 y 3) en los tres fertilizantes y en el control. En estos días el incremento de la humedad relativa fue un factor que contribuyó con el aumento de las emisiones, ya que se observó que la humedad relativa fue más alta, alcanzando un valor de 79 % comparado con el promedio a lo largo del muestreo de 72 %. A mayor humedad, disminuyó el nivel de oxígeno en el suelo, ya que el oxígeno es desplazado por el agua, transformando el ambiente en anaerobio, lo cual favorece el proceso de desnitrificación y metanogénesis. Por tales motivos, se explicaron los picos altos con emisiones de flujos 0,414 y 0,095 mg N₂O-N m^-2 d^-1 de los días 8 al 12 de muestreo (^{Liu et al., 2018}).

Las diferencias de las temperaturas internas de las cámaras y la temperatura externa pudieron afectar el aumento de las emisiones de los GEI, ya que, según la metodología, la diferencia de estas temperaturas no debe sobrepasar los 6 °C; hecho que ocurrió los días de muestreo 8 al 12, obteniendo diferencias de hasta 20 °C, el cual aumentaría las emisiones de gases de efecto invernadero. En el estudio realizados por ^{Stevenson (1982}), apreció que el contenido de N del suelo decrece dos o tres veces por cada aumento de 10 ºC en la temperatura media anual en zonas climáticas cálidas, ya que el nitrógeno es convertido en el gas amoniaco NH₃ al aumentar la temperatura (^{Silva, 1998}).

Como en todos los ensayos de los diferentes fertilizantes, los ciclos para liberación de estos dos gases en estudio dependen del tamaño de las poblaciones bacterianas presentes en el suelo. Las emisiones de los dos gases pudieron ser afectadas probablemente por la combinación compleja de temperatura, concentración de nitratos, aireación, contenido de humedad y las posibles contaminaciones entre las parcelas fertilizadas, ya que estas estuvieron separadas cada una a una distancia de un metro, es decir, se pudo haber dado la formación de lixiviados entre los fertilizantes en las parcelas en época lluviosa (^{Chalco et al., 2018}).

En cuanto a las emisiones de N₂O, pudieran estar relacionadas mayormente con la fertilidad del suelo, ya que las emisiones que se muestran son mucho mayores a las de CH₄, las emisiones de este gas están relacionadas a procesos anaeróbicos del suelo (^{Núñez et al., 2021}).

Contenido de carbono y nitrógeno edáficos

Generalmente, los porcentajes de nitrógeno son mucho menores que los porcentajes de carbono en un suelo (^{Parra, 2004}), como lo observado en este estudio (Cuadro 3), con valores de 4,03 % y 0,39 % al inicio de la experimentación. Estos datos fueron referencia para conocer el factor de C/N (10,33), el cual aumentó al final del muestreo en todos los fertilizantes, por el efecto de fertilización del suelo. En el caso del fertilizante convencional, la relación C/N pasó de 10,33 a 11,26, ya que el porcentaje de N de este tratamiento fue igual al del control, se puede esperar que el N adicionado por este fertilizante fue tomado por los microorganismos para sus procesos productivos. Este fertilizante fue el que generó una mayor emisión de gases N₂O, como se muestra en la figura 2, donde la bajas concentraciones de los elementos C y N pueden estar relacionados con la emisión y volatilización de nitrógeno en N₂O (^{Morales et al., 2019}).

Caso contrario fue el del biofertilizante, se evidenció que este obtuvieron mayores concentraciones en el suelo, ya que los porcentajes de C aumentaron de 4,03 % a 4,64 % y, de igual forma, los porcentajes de N 0,39 % a 0,42 %, ya que este fertilizante está compuesto en su mayoría por biol, producto de un proceso de dieta para ganado de recolección de residuos orgánicos en un mini reactor. En el caso del control, la relación C/N aumentó luego de los tratamientos pasó 10,33 a 10,43 esto puede estar sucediendo por lixiviación por medio de lluvia de las parcelas cercanas, ya esta parcela no fue fertilizada (^{Pérez, 2018}).

Cuadro 3 Porcentajes de carbono y nitrógeno edáficos obtenidos en el inicio y tras los diferentes tratamientos. 

Se concluye el (Error estándar es incluido y letras distintas entre columnas significan diferencias significativas (p≤ 0,05).

Se realizó el análisis de suelo en las parcelas en estudio, para obtener la concentración de iones amonio y nitratos de estos fertilizantes. Este análisis se llevó a cabo en el suelo un día después de aplicado los tratamientos, donde, efectivamente, con el biofertilizante y la urea+inhibidor obtuvieron la mayor concentración de estos iones, como fuente o mayor aporte de nitrógeno al suelo, comparado con los otros tratamientos y el control. La urea+inhibidor con un promedio en las cámaras de 7,16 N-NO₃ ^- mg N kg^-1 y 1,20 N-NH₄ ⁺ mg N kg^-1; para el biofertilizante 4,06 N- NO₃ ^- mg N kg^-1, y 2,23 N- NH₄ ⁺ mg N kg^-1, esto quiso decir que la mayor captura de N se dio en estos dos fertilizantes, esto porque los dos tienen una importante composición del elemento N (biofertilzante tiene un 35 % N y la urea 46 %) (^{Jensen et al., 1990}; ^{Chua, 2020}).

En los días de muestreo del 18 al 81, se observó una menor emisión de N₂O, las contribuciones de los fertilizantes en el suelo por cada cámara en forma de NH₄ ⁺ y NO₃ ^- se relacionan con el nitrógeno fijado en el suelo y el liberado a la atmósfera en forma de gas (N₂O). Donde la comparación de los iones NH₄ ⁺ y NO₃ ^- iniciales con respecto a los iones finales equivale a mayores concentraciones de iones que aportan N al suelo, al final de todo el muestreo, liberando así en menor proporción el óxido nitroso a la atmósfera por procesos de nitrificación y desnitrificación (Figura 4) (^{Jensen et al., 1990}; ^{Chua, 2020}).

Recomendaciones para la reducción de emisiones de N₂O y CH₄

Dentro de las estrategias para disminución por la pérdida de nitrógeno, se evidenció que, para N₂O, se pudo realizar la recomendación de ajuste de dosis en los fertilizantes a tipo gramínea al suelo (^{Pagani et al., 2008}).

La tecnología de estabilización de N ha estado disponible para la agricultura comercial por muchos años, el uso de esta ha incrementado debido a los precios más altos del N y al incremento en el uso de urea. Los estabilizadores de nitrógeno inhiben ya sea la nitrificación (nitrapyrin, dicyandiamide [DCD]) o la actividad de la ureasa (NBPT). En el primer caso, se redujo la conversión del N en el fertilizante a nitrato y, en el segundo caso, se redujo el riesgo de volatilización del amonio de la urea (^{Torres, 2019}).

Cuando las condiciones ambientales y de suelo son favorables para la volatilización o para la pérdida de nitrato, el uso de un estabilizador tiene el potencial para incrementar la eficiencia de N. El determinar el lugar correcto puede ser tan importante como determinar la dosis correcta de aplicación. Estas aplicaciones en su mayoría, generalmente, se relacionan con aplicaciones superficiales o sub superficiales de nutrientes, ya sea en banda o al voleo antes o después de la siembra; la eficiencia de recuperación de nutrientes tiende a ser mayor en las aplicaciones en banda, ya que se reduce el contacto con el suelo y la posibilidad de pérdida de nutrientes debido a lixiviación o reacciones de fijación (^{Osinaga et al., 2018}).

Es importante considerar en el diseño de las pasturas o la finca donde se apliquen los fertilizantes, la incorporación de componentes que contribuyan a la remoción de las emisiones de GEI. Entre ellas: establecer árboles multipropósito (sombra, forraje, fruta, semilla, leña, madera, entre otros) (Madrigal et al., 2019). La incorporación del biodigestor para el manejo y aprovechamiento de las excretas y aguas residuales generadas en los corrales es un método importante, ya que, como se observó, las emisiones de metano del biofertilizante son menores comparadas con los demás fertilizantes utilizados en el estudio.