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Introducción
En México, el trigo se cultiva en aproximadamente 8 × 106 ha (5.6 × 106 ha con riego). Debido al uso de tecnologías de producción derivadas de La Revolución Verde, como la mecanización, el uso de variedades con alto potencial de rendimiento, la irrigación y, en especial, la aplicación de agroquímicos, i.e. pesticidas y fertilizantes, lo que generó un incremento significativo en la producción de este cereal (Cárdenas-Navarro et al., 2004).
En México, debido al incremento de la demanda de grano por el rápido aumento poblacional, la producción de trigo ha experimentado una intensificación (Kumar et al., 2006), que ha generado severas consecuencias ambientales (Matson et al., 1998), en particular, en regiones altamente productoras, como El Bajío, donde la mayoría de los suelos tipo Vertisol muestran bajos niveles de materia orgánica. Aunque la producción de trigo ha aumentado mediante el uso de fertilizantes nitrogenados e irrigación, se ha demostrado que una alta cantidad del N aplicado (hasta 400 kg ha-1) se pierde (≥ 50%) (Grageda-Cabrera et al., 2000a) por mecanismos como la volatilización, la lixiviación y la desnitrificación (Hofman y van Cleemput, 2005), con serias consecuencias ambientales, debido, entre otros factores, al manejo inadecuado del agua de riego (Scheer et al., 2008).
En estudios de largo plazo, enfocados a incrementar la eficiencia de absorción de N por cereales en sistemas de producción en El Bajío, se encontró que la labranza de conservación (C) es una alternativa de manejo del suelo, en términos de rendimiento a mediano plazo (4-5 años), comparada con la labranza tradicional (T) con quema de residuos (Grageda-Cabrera et al., 2003). Sin embargo, la adición de residuos vegetales al suelo incrementa significativamente la densidad poblacional bacteriana y especialmente la desnitrificante (Miller et al., 2008). Por esta vía, en El Bajío se pierde hasta 21% del N-fertilizante, dependiendo de la fuente de N; siendo mayores las pérdidas al aplicar fuentes nítricas, comparado con la urea y el sulfato de amonio (Grageda-Cabrera et al., 2000a). Grageda-Cabrera et al. (2004) a través de estudios isotópicos con 15N, demostraron que la eficiencia de recuperación de N en ambos sistemas de labranza varía de 28 a 40% y que la labranza T con incorporación de residuos es más eficiente, en términos de asimilación de N por los cultivos, con pérdidas menores de N por lixiviación o en forma gaseosa. Además, gran parte del N se inmoviliza en el estrato superior del suelo. Similares patrones de hidrosolubilización presentan los FCSC, por ejemplo, los materiales vítreos a base de fosfatos (Nakazawa et al., 2006).
Por lo antes señalado, los objetivos del presente estudio fueron: 1. Cuantificar la absorción y la residualidad del N proveniente de fertilizantes compuestos de solubilidad controlada (FCSC: AUK1 y AGUMFA4) en el sistema trigo-suelo de El Bajío, con labranza tradicional (T) y labranza cero (C). 2. Estimar las pérdidas de N-N2O de los FCSC, en comparación con las de la urea (U) y el sulfato de amonio (SA), durante el ciclo de desarrollo del cultivo de trigo.
Materiales y métodos
El ensayo se instaló en el Campo Experimental Bajío (CEBAJ), del Instituto Nacional de Investigaciones Forestales Agrícolas y Pecuarias (INIFAP), en Celaya, Guanajuato, ubicado a 20° 35’ 18.2” N y 100° 49’ 34.0” O, a una altitud de 1765 m. La región recibe una precipitación pluvial media de 650 mm año-1, con una temperatura media anual de 18 °C. El análisis del suelo mostró que es un Vertisol pélico, con pH1:2 H20 de 6.7, contenido de materia orgánica de 2.24% y textura arcillosa.
Tratamientos
Se sembró la variedad de trigo Bárcenas S-2002 y se utilizó la dosis de fertilización recomendada en la región, 280 kg N ha-1 y 80 kg P2O5 ha-1. El diseño experimental fue de parcelas divididas, en arreglo de bloques al azar, con cuatro repeticiones. Los factores medidos en las parcelas grandes fueron: A) tipos de labranza: 1) labranza tradicional (T) y 2) labranza cero (C); y en las parcelas chicas: B) las fuentes N y C) dosis de fertilización N: 1) AUK1 60% (proporción de la dosis de fertilización N recomendada), 2) AGUMFA4 60%, 3) N-urea 100%, 4) N-sulfato de amonio 100% más P-superfosfato de calcio triple 100% y 5) testigo sin fertilización N (t), con base en los resultados de la dinámica de diferentes dosis de los FCSC y la implementación de la técnica de dilución isotópica de 15N para rastrear el origen del N. Ambos fertilizantes FCSC se generaron utilizando como matriz la arcilla (A) bentonita sin intercalación de urea (U) y potasio (K), para el caso de AUK, mientras que para el AGUMFA se utilizó la arcilla bentonita (A) en estado gel (G) con urea (U) y monofosfato de amonio (MFA). Cada unidad experimental constó de ocho surcos de 5 m de largo y 0.13 m entre líneas de siembra. Las prácticas agronómicas se realizaron según las recomendaciones propuestas por el Instituto Nacional de Investigaciones Forestales y Agropecuarias (INIFAP, 2005).
Estudio Isotópico
La parcela isotópica (4 m2) se instaló en el centro de cada uno de los tratamientos; se aplicó U y SA en solución, con 10.03% átomos de 15N en exceso, después de 0 y 40 días de la siembra.
En la etapa de madurez fisiológica se muestreó para cuantificar la producción de masa seca de paja y grano. El N total se determinó por el método Kjeldahl. En las muestras vegetales y de suelo de la parcela isotópica de 15N, la relación isotópica de 15N/14N se midió por espectrometría de emisión óptica (Faust et al., 1987).
Al final del ciclo de cultivo se tomaron muestras de suelo (300 g) a 0-20, 20-40, 40-80 y 80-100 cm de profundidad. El contenido de N total en suelo se cuantificó por el método micro-Kjeldahl modificado, usando permanganato de potasio y Fe reducido para incluir NO2- y NO3- (Bremner y Mulvaney, 1982) y la relación isotópica 15N/14N. Los cálculos isotópicos de 15N se realizaron por el método de dilución isotópica (Zapata, 1990).
Cuantificación de N-N2O
En cada tratamiento se cuantificó la pérdida de N2O, usando la técnica de la caja cerrada (Vermoesen et al., 1993).
Se utilizó el paquete estadístico STATNL (Olivares-Sáenz, 1993), para el análisis de varianza de los resultados, incluyendo la prueba de Tukey (P ≤ 0.05) para la separación de medias de las variables cuantificadas de los tratamientos en estudio.
Resultados y discusión
Rendimiento de Grano
En términos de rendimiento de grano, se obtuvieron diferencias significativas (P ≤ 0.05) con los fertilizantes evaluados (Cuadro 1). El mayor rendimiento de grano (7.3 Mg ha-1) se obtuvo cuando se aplicó sulfato de amonio (SA), con labranza tradicional (T), y fue similar al obtenido cuando se aplicó AUK1. Este resultado es contrario a lo esperado, ya que en ensayos con labranza cero (C) se inmoviliza el N, debido al carbono de los residuos, el cual después se libera parcialmente, potenciando el rendimiento del cultivo (Grageda-Cabrera et al., 2011). Los tratamientos de labranza C mostraron rendimiento de grano menor. Se observó una tendencia similar en lo que respecta a la absorción de N en el cultivo, así como un efecto significativo (P ≤ 0.05) en la interacción entre labranzas y fertilizantes, donde destacó el fertilizante AUK1, en labranza C, con el mayor rendimiento de grano; así como el SA, en labranza T (Cuadro 1).
Cuadro 1 Rendimiento de grano y paja en el cultivo de trigo fertilizado con fertilizantes compuestos de solubilidad controlada (FCSC) en dos sistemas de labranza.
La fuente principal de S para las plantas es la materia orgánica del suelo, propiedad que ha decrecido en El Bajío, y esta es la probable causa de la mayor eficiencia del SA, en comparación con la de otros fertilizantes (Grageda-Cabrera et al., 2003).
Absorción de N total (Nt) y N del fertilizante (Ndff)
Se observó la misma tendencia en el comportamiento de la absorción de Nt (Cuadro 2) que en la producción de grano, ya que la extracción de N está relacionada con el rendimiento del cultivo. Así, los tratamientos de labranza C acumularon menos N aunque fueron iguales estadísticamente, en comparación con los de labranza T (P ≤ 0.05). Los fertilizantes AUK1 (271 kg N ha-1) y AGUMFA4 (225 kg N ha-1) presentaron los mayores valores de N, tanto en grano como en paja, y por lo tanto, en la acumulación de Nt, en comparación con los obtenidos con U y el SA, y fueron 15% mayores en términos de absorción de Nt en ambos sistemas de labranza (Cuadro 2).
† Valores de Nddf en paréntesis
Cuadro 2 Nitrógeno total y del fertilizante compuesto de solubilidad controlada (FCSC) en el cultivo de trigo en dos sistemas de labranza.
En los tratamientos experimentales, el N derivado del fertilizante (Nddf) fue bajo (< 50%) excepto AGUMFA4 en labranza C, donde el valor de Nddf fue 54% (Cuadro 2). Sin embargo, se presentó una tendencia similar a la de las otras variables: AUK1 > AGUMFA4 > SA > U.
Se observó diferencia significativa (P ≤ 0.05) en los valores de Nddf en el cultivo, entre los sistemas de labranza, y fue mayor en labranza C, equivalente en grano a 132 para AUK1, 122 para AGUMFA4, 106 para SA y 46 kg Nddf ha-1 para U. El mayor valor de Nddf correspondió al tratamiento de labranza C, con una eficiencia promedio de absorción del fertilizante N de 51% (Cuadro 3).
Cuadro 3 Absorción de nitrógeno por el cultivo de trigo fertilizado con fertilizantes compuestos de solubilidad controlada (FCSC) en dos sistemas de labranza.
El sistema de labranza T mostró los valores de absorción más bajos, pues el cultivo sólo recuperó 41% de N del fertilizante aplicado. Los mayores valores de absorción de N se obtuvieron con los fertilizantes AUK1 y AGUMFA4, con 78 y 72% en labranza C, y fueron equivalentes a dos veces la absorción del SA, fertilizante al cual se le atribuye una respuesta positiva sobresaliente para los cultivos de la región, por el aporte de S (Grageda-Cabrera et al., 2004).
Balance de N
A la cosecha, una fracción menor de Nddf permaneció en el perfil del suelo (Cuadro 4). Al respecto, se reportan tendencias similares de distribución de N fertilizante en el perfil del suelo (Huggins y Pan, 2003). El Nddf en el perfil del suelo (0-100 cm) varió entre los tratamientos. La residualidad de los fertilizantes fue mayor en labranza C, en el estrato de suelo 0-20 cm (Cuadro 4).
Cuadro 4 N del fertilizante compuesto de solubilidad controlada (FCSC) en el cultivo del trigo en dos sistemas de labranza.
En los tratamientos con SA y U en labranza C se detectó la mayor cantidad de Nddf residual (31 y 43 kg Nddf, respectivamente) y permaneció en el estrato de 0-40 cm, debido a la alta disponibilidad de carbono de los residuos vegetales. La mayor residualidad de N en este manejo del suelo se debe a la inmovilización de una proporción importante del N aplicado, el cual, en etapas posteriores, será mineralizado por los microorganismos que descomponen los residuos y queda disponible para siguientes cultivos (Grageda-Cabrera et al., 2003), por las actividades enzimáticas relacionadas con el N (España et al., 2002). En los otros tratamientos, la cantidad de N fue menor y disminuyó conforme se profundiza en el perfil (Cuadro 4).
El N del fertilizante, en los estratos inferiores del suelo, indica que se está perdiendo una proporción de N baja, por efecto de lixiviación, esto sugiere que la mayor pérdida es por vía gaseosa. Al considerar la cantidad de N absorbido por la planta (Cuadro 3) y el N en el suelo del fertilizante (Cuadro 4), se estableció un balance de N. El N del fertilizante recuperado en el sistema planta-suelo varió entre 30 y 80% y, por lo tanto, se desconoce el destino de 20-70% del N del fertilizante aplicado. Al respecto, se ha sugerido que gran parte del N del fertilizante aplicado se pierde en forma gaseosa (nitrificación, desnitrificación o volatilización). Resultados similares han reportado Grageda-Cabrera et al. (2000a; 2004). Asimismo, Petersen et al. (2009) mencionan que la mayor cantidad de N se pierde en forma de NO2 y N2 por nitrificación y desnitrificación, como se ha demostrado en estudios sobre rotación de cultivos y labranza.
Emisiones de N2O
Los fertilizantes N aplicados incrementaron la emisión de N2O, en relación con el testigo (t) (Cuadro 5), así se establecieron diferencias significativas (P ≤ 0.05) entre las tasas de emisión de N2O. No obstante que no se aplicaron fuentes nítricas, la fertilización con SA y U favoreció mayor emisión de N2O que cuando se aplicaron los fertilizantes AUK1 y AGUMFA4 (Cuadro 5).
† 147 días
Cuadro 5 Emisiones de N2O en suelo cultivado con trigo fertilizado con fertilizantes compuestos de solubilidad controlada (FCSC) en dos sistemas de labranza.
Se ha demostrado que con alta concentración de nitrato, los microorganismos del suelo inhiben la reducción anaeróbica de N2O a N2, y generan una gran fracción molar de N2O en los productos (Woodwar et al., 2009). Otros factores involucrados en la fracción molar N2O/ N2 por desnitrificación son el pH; la presión parcial de oxígeno, la cual está en función de la humedad; la concentración de nitrato y la disponibilidad de carbono (Firestone y Davidson, 1989). La emisión de N2O mostró patrones irregulares en el tiempo, dichos cambios se han atribuido a variaciones en la humedad y la temperatura del suelo (Grageda-Cabrera et al., 2003; Warren, 2009).
Durante el ciclo de cultivo, la cantidad total de N emitida varió desde 0.4 hasta 9.0 kg N ha-1 ciclo-1, lo cual representó pérdidas de hasta 3.3 % del N aplicado. Asimismo, se determinó que en los tratamientos donde se aplicó SA, hubo una gran producción de N2O. En contraste, la cantidad de N emitido fue menor con los fertilizantes AUK1 y AGUMFA4.
No obstante que la aplicación de U y SA favoreció la emisión de N2O, estos valores fueron bajos, ya que dichos fertilizantes se pierden bajo otras formas gaseosas, por ejemplo, volatilización de amoníaco. Este fenómeno afecta a los fertilizantes amoniacales, como U y SA, entre otros, y es un proceso importante de pérdidas de N del sistema que también influye significativamente sobre la eficiencia de la fertilización de N (Sutton et al., 1998). En el caso de los fertilizantes tradicionales, este proceso de pérdida resulta de reacciones químicas a partir del amonio producido por la hidrólisis de la urea o de los fertilizantes amoniacales adicionados al suelo (Hofman y van Cleemput, 2005).
Este mecanismo se considera como uno de los principales responsables de la baja eficiencia de la fertilización con N. En los últimos años, este proceso ha crecido en importancia, debido al uso preferencial de la urea, y al incremento de las dosis de fertilización con N de los cultivos.
Las pérdidas de N se magnifican cuando los fertilizantes amoniacales se aplican en la superficie del suelo, debido a la acción directa del viento sobre las pérdidas gaseosas (Hofman y van Cleemput, 2005). En El Bajío, esta práctica se realiza en la segunda fertilización, lo cual confirma que el control de la solubilidad de los fertilizantes estudiados favorece la disminución de las pérdidas N, no obstante que las sales minerales que los conforman son amoniacales-urea.
Dada la alta disponibilidad de carbono por la adición superficial de residuos vegetales y la alta conservación de humedad en el sistema de labranza C, las mayores pérdidas de N se presentaron en el orden siguiente: SA, AUK1, AGUMFA4, U y t.
Las pérdidas de N por desnitrificación fueron mayores en el sistema de labranza C donde los residuos se aplicaron superficialmente, los cuales conservan mayor humedad y presentan alta disponibilidad de carbono. Por consiguiente, el manejo del agua es primordial en el ciclo del N en estos sistemas de producción agrícola. Las pérdidas de N en el sistema de labranza T, por este proceso dependen del tipo de fertilizante aplicado de acuerdo con el orden siguiente: SA > U > AUK1 > AGUMFA4. Estos resultados fueron menores que el rango reportado en condiciones de campo (Grageda-Cabrera et al., 2004) y laboratorio (Grageda-Cabrera et al., 2000a).
Conclusiones
- El rendimiento de grano obtenido fue estadísticamente igual (7.3 Mg ha-1) cuando se aplicó fertilizante AUK1 60% y sulfato de amonio 100%. Asimismo, el rendimiento de grano con urea 100% fue estadísticamente menor que con AUK1 y sulfato de amonio 100%
- Los fertilizantes con mayor potencial agronómico y menor impacto ecológico, con relación al control de solubilidad, son el AUK1 y el AGUMFA4; en campo se tuvo un incremento de la absorción de hasta 79%, mientras que esta fue 16% con urea en labranza cero.
- La aplicación de los fertilizantes estudiados favoreció la emisión de N2O, la cual alcanzó hasta 8% del N aplicado, dependiendo de la humedad y la temperatura.
- Ecológicamente, el uso de tecnologías a base de FCSC representa un valor agregado, dada la menor emisión de gases contaminantes, como el N2O, hasta 12-20 veces menos en comparación con el sulfato de amonio.
- Los resultados generados permiten inferir que es posible incorporar los FCSC en los programas de nutrición del cultivo de trigo, como una alternativa en este sistema agrícola para optimizar la producción intensiva de trigo en El Bajío.
