Elaboración de biocarbón

Para elaborar el BC se utilizó cascarilla de arroz obtenida de un molino comercial de Cuautla, Morelos, de la cosecha primavera-verano de 2019. La técnica empleada para su elaboración fue la de carbonización hidrotérmica (HTC, por sus siglas en inglés) a 200 °C con ácido cítrico al 10 % como catalizador (^{Velázquez-Maldonado et al., 2019}).

Tratamientos

Los materiales individuales utilizados fueron: biocarbón de cascarilla de arroz (BC) y turba comercial (T; Sunshine mix 3), los cuales se mezclaron bajo diferentes proporciones: 20:80, 40:60, 60:40 y 80:20 % (v/v), respectivamente. Los tratamientos se designaron como: T1 = turba (testigo), T2 = BC, T3 = mezcla 20:80 %, T4 = mezcla 40:60 %, T5 = mezcla 60:40 % y T6 = mezcla 80:20 %.

Caracterización física

Granulometría. En una tamizadora eléctrica (MONTINOX®), con tamices (FIC®) número 8, 10, 12, 16, 20 y 50 (2.38, 1.68, 1.41, 1.15, 0.86 y 0.24 mm de abertura, respectivamente), se colocó una muestra compuesta de 800 cm³ de cada tratamiento durante 3 min; posteriormente, se pesó el material retenido en cada tamiz y se calculó el porcentaje por tamaño de partícula.

Densidad aparente (DA). Para esta determinación se utilizaron permeámetros de poliestireno con capacidad de 232 mL. Las muestras se saturaron con agua corriente por 24 h, se colocaron en los permeámetros y se secaron en una estufa a 65 °C hasta peso constante (^{Gayosso-Rodríguez, Villanueva-Couoh, Estrada-Botello, & Garruña, 2018b)}.

La porosidad total (PT), la porosidad de aireación (PA) y la porosidad de retención de humedad (PRH) se determinaron mediante el procedimiento descrito por ^{Landis, Tinus, McDonald, y Barnett (1990)}.

Concentración nutrimental

A los materiales individuales (biocarbón y turba) se les determinó el N con el método micro Kjeldahl y el P con amarillo de molibdato vanato. El contenido total de K, Ca y Na se obtuvo mediante la técnica de flamometría, y el Mg total por espectrofotometría de absorción atómica según la norma oficial mexicana PROY-NOM-021-RECNAT-2000 (^{Diario Oficial de la Federación [DOF], 2000}).

Crecimiento de plántulas

El experimento se desarrolló en junio de 2019 en un invernadero tipo túnel de la Facultad de Ciencias Agropecuarias de la Universidad Autónoma del Estado de Morelos, ubicada en Cuernavaca, Morelos, México (18° 58’ 51” latitud norte y 99° 13’ 55” longitud oeste, a 1,866 m s. n. m.). La temperatura y la humedad relativa se monitorearon con un registrador de datos ambientales (U12, Hobo^®). La temperatura promedio del invernadero fue de 28.5 °C y la humedad relativa promedio de 65 %. Los tratamientos se evaluaron en plántulas de pepino tipo americano ‘Thunderbird’ (Seminis^®) en charolas de germinación de poliestireno de 200 cavidades con capacidad de 20.5 mL. Las plántulas se regaron con agua purificada por ósmosis inversa.

A los 23 días después de la siembra, se midió la longitud de tallo (LT), el peso fresco de biomasa aérea (PFBA), el peso fresco de biomasa de raíz (PFBR), el área foliar (AF), el peso seco de biomasa aérea (PSBA), el peso seco de biomasa de raíz (PSBR) y el contenido relativo de clorofila. El PFBA y PFBR se midieron con una báscula (Ohaus®), y el AF con un medidor de área foliar (LI-3100C, LI-COR®, EUA). Para el PSBA y el PSBR se utilizó una estufa de aire circulante (Pro1002498, Luzeren^®) a 70 °C hasta peso constante, y para determinar el contenido de clorofila (lecturas SPAD) se utilizó un medidor portátil de SPAD (502 Plus, Minolta^®).

Diseño experimental y análisis estadístico

En la primera etapa, se utilizó un diseño completamente al azar con tres repeticiones para determinar las propiedades físicas y químicas de las mezclas de los sustratos evaluados. En la segunda etapa, se utilizó un diseño experimental de bloques al azar con seis repeticiones y diez plántulas como unidad experimental. Para asegurar la normalidad, los datos expresados en porcentaje se transformaron con la raíz cuadrada del arcoseno. Con excepción de los datos de las variables de propiedades físicas de los sustratos, los datos se sometieron a un análisis de varianza y, cuando hubo diferencias estadísticas, se realizó una comparación de medias de Tukey (P ≤ 0.05). Asimismo, para determinar si las propiedades físicas de los sustratos tuvieron relación con el crecimiento de las plántulas, se realizó un análisis de correlación de Pearson con 18 número de pares de valores y se reportaron las correlaciones significativas (P ≤ 0.05), esto mediante el programa SAS (^{SAS Institute, 2004}).

Propiedades físicas

En relación con los porcentajes acumulados de tamaño de partículas de hasta 0.86 mm, el T3 (mezcla 20:80) presentó el mayor valor (63.31 %), mientras que el T1 (turba) tuvo el valor más bajo (41.44 %) (Cuadro 1). En tamaños de 0.86 hasta 2.38 mm, la mayor distribución de partículas se concentró en el T2 (BC) con 55.26 %, y el T3 presentó la menor distribución (32.38 %). El mayor porcentaje de partículas con tamaño superior a 2.38 mm lo tuvo el T1 (7.74 %), y el menor valor lo presentó el T2 (0.50 %). Es importante señalar que los reportes sobre granulometría de BC son escasos; sin embargo, los valores del presente estudio contrastan con los reportados por ^{Pérez-Salas, Tapia-Fernández, Soto, y Benjamin (2013)} en biocarbón de melina (Gmelina arborea), ya que obtuvieron una mayor distribución de partículas de 0.24 a 0.84 mm con 57 %, seguido de 23 % de partículas mayores a 2 mm y 20 % de partículas menores a 2 mm. Lo anterior se puede deber a la composición del material vegetal empleado y al proceso de elaboración del biocarbón.

^{Cabrera (1999)} menciona que los componentes de sustratos o mezclas deben estar conformados por partículas con tamaños de 0.5 a 4 mm, con un porcentaje ≤ 20 % para tamaños ≤ 0.5 mm, ≥ 60 % en tamaños de 0.5 a 2 mm y ≤ 20 % en tamaños > 2 mm. Por su parte, ^{Gayosso-Rodríguez, Borges-Gómez, Villanueva-Couoh, Estrada-Botello, y Garruña (2018a)} señalan que porcentajes mayores a 20 % en partículas con tamaños ≤ 0.5 mm afectan la capacidad de aireación en los sustratos debido a que ésta disminuye con el tamaño de partícula.

En general, se observó que la distribución de partículas se vio afectada por la combinación de ambos materiales. Es decir, al disminuir la proporción de BC, los porcentajes acumulados de partículas < 0.86 mm y > 2.38 mm aumentaron, mientras que partículas en un rango de 0.86 a 2.38 aumentaron al incrementar la proporción de BC.

La PT aumentó al disminuir el contenido de BC en la mezcla. Los tratamientos T1, T3 y T4 fueron significativamente diferentes (P ≤ 0.05) al resto de los tratamientos en PT y PRH (Cuadro 2). Aunque no se observaron diferencias estadísticas entre T5, T6 y T2, este último presentó los valores más bajos de PT y PRH (76.25 y 63.23 %, respectivamente). Los resultados del presente estudio fueron más altos a los reportados por ^{Webber, White, Spaunhorst, Lima, y Petrie (2018)}, quienes en mezclas de turba (Sun Gro Horticulture) y biocarbón de bagazo de caña (25:75, 50:50 y 75:25 %) observaron que el espacio poroso osciló de 73.13 a 76.79 %, obteniendo el mayor espacio poroso con la mezcla más baja de biocarbón. ^{Webber, White, Spaunhorst, y Petrie (2017)} mencionan que el espacio poroso osciló de 59.98 a 64.56 % con mezclas de turba (Sun Gro Horticulture) y cenizas de bagazo de caña (25:75, 50:50 y 75:25). Respecto a la PA, los resultados oscilaron entre 12.87 y 15.62 %, sin diferencias significativas (P ≤ 0.05) entre tratamientos.

En relación con la PT en sustratos orgánicos, ^{Morales-Maldonado y Casanova-Lugo (2015)} mencionan que ésta debe ser mayor a 85 %. En este estudio, los tratamientos T3 y T4 cumplen con dicha recomendación, lo cual genera un equilibrio entre la relación agua-aire (PA y PRH). Por otra parte, los tratamientos T1, T3 y T4 presentaron diferencias significativas en la PRH en comparación con T2 y T6. En este sentido, ^{Webber et al. (2017)} señalan que al disminuir los porcentajes de cenizas de bagazo de caña de azúcar en mezcla con turba (Sun Gro Horticulture) (75:25 % turba:cenizas) se obtiene el mayor espacio poroso, saturación de agua y capacidad de campo. En contraste, ^{Webber et al. (2018)} reportaron que la mezcla 75:25 % de turba:biocarbón de bagazo de caña de azúcar aumentó el espacio poroso, pero disminuyó las propiedades de saturación de agua y capacidad de campo en los sustratos.

La retención de agua en un sustrato no sólo está determinada por la granulometría, sino también por el acomodo, forma y compactación de las partículas, ya que generan diferentes tipos de poros (^{Gutiérrez-Castorena, Hernández-Escobar, Ortiz-Solorio, Anicua-Sánchez, & Hernández-Lara, 2011}). Por ello, partículas > 1 mm favorecen la formación de poros de mayor tamaño (^{Morales-Maldonado & Casanova-Lugo, 2015}), y en este estudio la turba fue el material con mayor cantidad de partículas > 1 mm, por lo que al incrementar la proporción de turba en la mezcla también aumentó la PT. Los poros grandes permiten el acomodo de partículas pequeñas intra e interpartícula, lo cual genera poros de menor tamaño que contribuyen a la conservación de agua (^{Anicua-Sánchez et al., 2009}).

La mayoría de las investigaciones relacionadas con biocarbón se enfocan en el contenido de humedad, cenizas, carbono fijo, volatilidad y área de superficie como propiedades físicas (^{Ding et al., 2017}; ^{Herrera et al., 2018}; ^{Rodríguez, Lemos, Trujillo, Amaya, & Ramos, 2019}). No obstante, ^{Webber et al. (2018}, ²⁰¹⁷⁾ reportan propiedades físicas como porosidad total, saturación de agua y capacidad de campo en biocarbón de bagazo de caña de azúcar y cenizas de bagazo de caña de azúcar mezclado con turba (Sun Gro Horticulture) en diferentes porcentajes (0, 25, 50, 75 y 100 %).

Respecto de la DA, se encontraron diferencias (P ≤ 0.05) entre los tratamientos; el T2 y T6 presentaron la mayor DA con 0.20 g·cm^-3, mientras que la turba (T1) mostró el menor valor con 0.11 g·cm^-3. ^{Pratiwi, Hillary, Fukuda, y Shinogi (2016)} obtuvieron resultados aproximados a 0.18 g·cm^-3 en biocarbón de cascarilla de arroz. Por otra parte, ^{Alburquerque et al. (2014)} reportaron una DA de 0.19, 0.25, 0.66, 0.72 y 0.74 g·cm^-3 en diferentes biocarbones elaborados a partir de paja de trigo, astillas de pino, podas de olivo, hueso de aceitunas y cáscara de almendras, respectivamente. ^{Webber et al. (2018)}, en biocarbón de bagazo de caña de azúcar, obtuvieron una baja DA (0.11 g·cm^-3); sin embargo, la turba (Sun Gro Horticulture) presentó una DA de 0.11 g·cm^-3, igual a la encontrada en este estudio. Es importante considerar la DA, ya que, además del efecto que puede tener en el crecimiento de plantas, puede resultar en el aumento de los costos de transporte y manejo (^{Cabrera, 1999}). Una DA baja es deseable para facilitar las labores de manipulación y transporte de las charolas de germinación (^{Bracho, Pierre, & Quiroz, 2009}).

Concentración nutrimental

Se encontraron diferencias (P ≤ 0.05) en la concentración nutrimental de la turba y el BC en N, K, Ca, Mg y Na (Cuadro 3). Se observó que la mayor concentración de los elementos nutrimentales se encontró en la turba; con excepción del P, el cual no tuvo diferencias significativas. Estos resultados se pueden deber a la composición química de la turba, ya que está adicionada con dolomita agrícola, que aporta Ca y Mg, e incrementa la disponibilidad de nutrimentos como N, P y Ca (^{Calva & Espinosa, 2017}).

El contenido nutrimental del BC fue superior al reportado por ^{Velázquez-Maldonado et al. (2019)} (con valores de 0.32 % de N, 504 mg·kg^-1 de P, 1,117 mg·kg^-1 de K y 983 mg·kg^-1 de Mg), excepto en Ca (10,988 mg·kg^-1). Aunque la cascarilla de arroz utilizada en ambos trabajos fue extraída de la misma región de Cuautla, la cosecha de ésta se realizó en diferentes años, lo cual pudo haber influido en el contenido nutrimental de los biocarbones. Por otra parte, los resultados obtenidos fueron superados por los reportados por ^{Cho et al. (2017)}: 12,050 mg·kg^-1 de P, 15,800 mg·kg^-1 de Ca, 10,380 mg·kg^-1 de Mg y 7,340 mg·kg^-1 de Na, a excepción del contenido de N y K. En este caso, el biocarbón se elaboró en un tostador de madera en un rango de 200 a 250 °C.

Las diferencias en las concentraciones nutrimentales de los biocarbones pudieran estar influenciadas por la técnica y la temperatura utilizadas en su elaboración. Al respecto, ^{Bethancourt, James, Villarreal, y Marin-Calvo (2019)} mencionan que al aumentar la temperatura de 714 a 935 °C, en la técnica de gasificación, la concentración nutrimental del biocarbón incrementó de 0.30 a 0.50 % en N, de 6,000 a 10,000 mg·kg^-1 en P, de 8,000 a 10,000 mg·kg^-1 en K y de 236.7 a 524.0 mg·L^-1 en Mn. Por lo anterior, se puede decir que las propiedades de los biocarbones también son afectadas por las técnicas de elaboración, materias primas, intervalos de calor, temperatura, presión del reactor y uso de catalizadores (^{Bento et al., 2019}; ^{Escalante-Rebolledo et al., 2016}; ^{Huang & Gu, 2019}).

Crecimiento de plántulas

El crecimiento de las plántulas de pepino en los tratamientos T1 y T3 fue superior (P ≤ 0.05) al resto de los tratamientos (Cuadro 4), con un incremento de 81.65 y 84.81 % en LT, de 136.61 y 119.44 % en PFBA, de 106.96 y 105.90 % en AF, y de 166.99 y 145.08 % en PSBA, respectivamente. Por su parte, las plántulas bajo el tratamiento T2 presentaron los valores más bajos en todas las variables evaluadas.

^{Cho et al. (2017)} encontraron mayor altura de plántulas y mayor peso seco de raíz, tallo y hojas en Zelkova serrata con biocarbón de cascarilla de arroz al 20 % mezclado con suelo más fertilización. Estos autores atribuyeron sus resultados a las propiedades físicas y químicas del biocarbón. ^{Araméndiz-Tatis, Cardona-Ayala, y Correa-Álvarez (2013)} reportaron, en plántulas de berenjena, que al utilizar tres mezclas de cascarilla de arroz cruda, en diferentes combinaciones con aluvión, lombricomposta y gallinaza (50:50:0:0, 40:40:20:0 y 40:40:0:20 %, respectivamente), los tratamientos con mayor cascarilla de arroz registraron los valores más bajos en las variables de crecimiento y producción de biomasa.

En PSBR, el valor más alto se obtuvo con el tratamiento T3 (51 mg), y el valor más bajo, con el T2 (23.67 mg). Estos resultados se pueden deber a las propiedades físicas y químicas del BC (Cuadros 1, 2 y 3). Respecto a las unidades SPAD en hojas, no se encontraron diferencias significativas.

Análisis de correlación

En el Cuadro 5 se muestra el resumen de las variables con mayor asociación, en donde se detectaron correlaciones positivas (P ≤ 0.01) entre PT-LT, PT-PFBA, PT-AF, PT-PSBA, PRH-LT, PRH-PFBA, PRH-AF y PRH-PSBA. Se observó que los tratamientos T1 y T3 tuvieron mayor PT, por lo que presentaron mayor capacidad de retención de humedad y menor densidad; características que favorecieron el crecimiento y el desarrollo de las plántulas. Asimismo, se detectó una correlación positiva (P ≤ 0.05) entre PA-PSBA.

Por otro lado, se detectaron correlaciones negativas (P ≤ 0.01) en DA-LT, DA-PFBA, DA-AF, DA-PSBA y DA-PSBR (Cuadro 5). Los tratamientos T1 y T3 presentaron valores bajos en DA, pero exhibieron plantas con mayor LT, PFBA, PSBA y PSBR. Esto indica que la DA de 0.20 g·cm^-3 tiene un impacto negativo en el crecimiento y desarrollo de la planta. Al respecto, ^{Gayosso-Rodríguez, Borges-Gómez, Villanueva-Couoh, Estrada-Botello, y Garruña-Hernández (2016}) señalan que la densidad de un sustrato es diversa, y que de ésta dependen la porosidad y el movimiento del agua.