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Introducción
Cuando los residuos vegetales son incorporados al suelo, varios compuestos orgánicos se descomponen. Los residuos de los cultivos contienen principalmente compuestos complejos de carbono que se originan en las paredes celulares. La descomposición sucesiva del material muerto y la materia orgánica modificada van afectando las propiedades del suelo, incrementando la agregación del suelo y la estabilidad de los agregados; aumenta la capacidad de intercambio catiónico y aporta nitrógeno, fósforo y otros nutrientes durante su lenta descomposición.
Durante la descomposición de la materia orgánica del suelo, los nutrientes orgánicos se convierten en formas inorgánicas disponibles para las plantas. Esta conversión se conoce como mineralización (Steubing et al., 2001). Por lo que en la presente investigación, se utilizaron diferentes abonos orgánicos con distintos estados de descomposición de acuerdo al proceso al que fueron sometidos.
El composteo se define como un proceso bioxidativo de los residuos orgánicos en condiciones controladas de temperatura, humedad y aireación, en la cual participan grupos microbianos, dependiendo de la etapa del proceso (Brady y Weil, 1999; citado por Velasco, 2004). El vermicompost es una alternativa que incluye lombrices como organismos macrodescomponedores en el proceso de descomposición, bio-oxidación y estabilización de la materia orgánica por la acción metabólica de las lombrices y los microorganismos, debido a su capacidad de descomponer y reciclar nutrientes (Spurgeon et al., 1994). El vermicompost es el resultado de la biotransformación de materia orgánica a través del tubo digestivo de la lombriz, (Gabriel et al., 2011). Por otro lado García et al. (2002), mencionan que los cultivos en verde pueden constituir una práctica económica y viable para sustituir parcial o totalmente las necesidades de fertilizantes minerales. El establecimiento de prácticas agrícolas que permitan la disposición adecuada de desechos orgánicos, de diversos orígenes, constituye una vía para reciclar tales residuos y así aminorar impactos negativos al ambiente, además que se convertirán en nutrimentos para las plantas y organismos del suelo. La evolución del CO2 es un parámetro ligado al manejo de materiales orgánicos el cual representa una medición integral de la respiración del suelo, conocida como respiración edáfica basal (respiración de las raíces, fauna del suelo y la mineralización del carbono a partir de diferentes “pools” del carbono de suelo y desechos), es decir, representa la estimación de la actividad microbiana (García y Rivero, 2008). Frankenberger y Dick (1983, citado por Ajwa et al., 1999), señalaron que existe una relación muy estrecha entre la actividad biológica de un suelo y su fertilidad por lo que parámetros vinculados a la primera han sido propuestos como indicadores apropiados del mencionado impacto, uno de ellos es la producción de CO2 (como reflejo del sustrato carbonado consumido por los microorganismos), el carbono o el nitrógeno unido a la biomasa microbiana y la actividad de las enzimas del suelo (Ajwa et al., 1999).
La descomposición de la materia orgánica es un proceso ecosistémico mediado por organismos heterótrofos que utilizan al material orgánico muerto o detritus como hábitat y fuente de carbono y energía, este gas se produce, fundamentalmente, a través del metabolismo de la microflora y de las raíces de la planta, siendo la descomposición microbiana de compuestos orgánicos el proceso más importante que lo genera. Durante la descomposición una parte del carbono es devuelto a la atmósfera en forma de CO2, mientras que otra se transforma en otros compuestos más sencillos o se almacena en las propias estructuras microbianas (Pérez et al., 1998). En particular, la respiración metabólica de la comunidad de organismos asociados al detritus orgánico es el proceso que libera el carbono hacia la atmósfera en forma de CO2. De esta manera, la respiración heterotrófica contribuye a la descomposición, junto a otros procesos como la humificación y la fragmentación del detritus (Carmona et al., 2006). Los microorganismos respiran continuamente y la tasa de respiración es un índice confiable de la tasa de crecimiento. Los factores que afectan el crecimiento también influyen en la respiración en el mismo grado.
Las tasas de descomposición y liberación de los nutrientes están determinadas por la calidad de la materia orgánica. La calidad del material vegetal es definida por los constituyentes orgánicos y los contenidos de nutrientes. La calidad del carbono de un material orgánico depende de las proporciones del carbón soluble, la celulosa (hemicelulosa) y la lignina; en este caso la calidad se refiere a la energía disponible para los organismos descomponedores (Sánchez et al., 2008).
Durante las etapas iniciales de la descomposición de los materiales orgánicos recientemente incorporados hay un rápido aumento en el número de organismos heterótrofos, acompañado por la emisión de grandes cantidades de CO2 (Havlin et al., 1999). De esta manera la actividad microbiológica global también puede ser considerada como el reflejo del nivel energético de un medio dado. Además que al incorporar el lupinus como abono verde se ha demostrado que se incrementa la cantidad de materia orgánica, estructura y retención de humedad del suelo.
El objetivo principal de este trabajo fue estudiar la evolución de CO2 en mezclas de suelo con diferentes abonos orgánicos elaborados con lupinus.
Materiales y métodos
Para el desarrollo de este ensayo se utilizó compost de Lupinus montanus Kunth, vermicompost de la misma especie de lupinus, y lupinus verde en etapa de floración, los cuales se mezclaron con suelo franco-arenoso procedente de San Diego municipio de Texcoco (59% arena, 25% limo y 16% arcilla); para el caso del compost y vermicompost fueron 50 g de residuos en 100 g de suelo seco, y en el lupinus verde únicamente fueron 40 g, lo cual representa 50 y 40% respectivamente; estas dosis se establecieron con el fin de probar si un material fresco, a pesar de tener una menor concentración de planta sería mayor la producción de CO2.
Para lograr la sustentabilidad de los suelos donde se incorporan residuos orgánicos, es importante estimar las dosis de aplicación en función del requerimiento de nitrógeno del cultivo a establecer (Figueroa y Cueto, 2003); la información que existe en el país sobre evaluación y dosificación de residuos orgánicos estabilizados es escasa. Generalmente se define la calidad de estos acondicionadores por su contenido de nitrógeno, fósforo y potasio totales, la dosificación de estos residuos es uno de los problemas en el diseño de sistemas agrícolas sustentables por lo que su dosificación fue parte del ensayo. Los parámetros medidos fueron pH (extracto acuoso relación 1:2) (Ansorena, 1994); conductividad eléctrica (extracto 1:5) mediante conductivimetro (Ansorena, 1994); contenido de materia otgánica del suelo (MOS) (Walkley y Black, 1934); C-orgánico con base en los resultados de la MOS, mediante el factor de Van Bemmelen = 1.724; y N por el método de Kjeldahl (NOM-021-RECNAT-2000) se realizaron en el laboratorio de física de suelos del Colegio de Postgraduados.
El análisis de las variables se hizo con base en un modelo lineal completamente aleatorio. La prueba de medias utilizada fue Tukey (P ≤ 0.05).
Las propiedades químicas de los materiales orgánicos utilizados en las mezclas de suelo con material orgánico se muestran en el Cuadro 1.
CE = conductividad eléctrica; MO = materia orgánica; C = carbono; N = nitrógeno.
Cuadro 1. Propiedades químicas de compost, vermicompost y lupinus.
La variable evaluada fue la emisión de CO2 después de 30 días de incubación. Las unidades experimentales fueron frascos de plástico de 1000 mL. Todos los sustratos fueron humedecidos al 70% de su capacidad de retención hídrica al momento de los ensayos. La incubación se realizó a temperatura ambiente. Cada unidad experimental fue replicada 10 veces.
El desprendimiento de CO2 se midió diario durante 30 días de incubación. Se usó el método de incubación en medio cerrado con 5 mL de NaOH 1N descrito por Anderson (1982), y el desprendimiento de CO2 se estimó mediante titulación con HCl 0.1N, en presencia de tres gotas de fenoftaleína al 1% y luego de la precipitación de los carbonatos con 3mL de BaCl2 al 2%. Se consideraron tres blancos, sin adición de sustrato, para controlar la presencia de CO2 en los frascos.
El CO2 liberado durante la respiración aeróbica en suelos puede ser adsorbido en solución alcalina y medida como un índice de la tasa de respiración. La reacción en la cual el CO2 es adsorbido es:
CO2 + 2NaOH = Na2CO3 + H2O.
La cantidad de CO2 adsorbido es equivalente a la cantidad de NaOH consumido. Para determinar esto, se precipitó el carbonato (CO32-) con BaCl2 y se titula el remanente NaOH con HCl.
De la diferencia entre la cantidad de NaOH presente inicialmente y la remanente después de la exposición al CO2 se obtiene la cantidad de gas producido por respiración mediante la siguiente fórmula:
(1)
donde:
R = respiración microbiana en mg CO2
B = volumen de ácido necesario para titular el NaOH del promedio de los blancos (en mL)
M = cantidad de ácido necesaria para titular el NaOH de la muestra (en mL)
N = normalidad del ácido
E = peso equivalente del CO2
La acumulación de CO2 se determinó únicamente sumando los mg de CO2 que se producían cada día, con los mg de CO2 de días anteriores. La tasa relativa de mineralización representa la eficiencia de los materiales utilizados para mineralizarse en un tiempo determinado dado en gramos de mineralización ganados por gramo de mineralización existente por unidad de tiempo (g g-1 dia-1).
(2)
La tasa absoluta se determinó mediante la siguiente fórmula:
(3)
donde:
P = peso
t2-t1= intervalo de tiempo entre el muestreo final e inicial, respectivamente
P2-P1 = mineralización medida por dos días consecutivamente.
Resultados y discusión
Evolución de Bióxido de Carbono (CO2) de los Abonos Orgánicos
En los primero cinco días de la incubación se observaron mayores variaciones, producto de los microorganismos ante la presencia de un material reciente y rico en sustancias fácilmente degradables como proteínas y azúcares que varían con el tipo de material (Lerch et al., 1992). El lupinus verde, vermicompost y compost tuvieron un máximo de 649.44, 474.61 y 381.99 mg de CO2 g-1, respectivamente (Figura 1).
La cantidad de C-CO2 desprendido por la actividad biológica de los diferentes abonos orgánicos incubados durante 30 días provocó un incremento de la respiración en el tratamiento de lupinus verde respecto al compost y vermicompost y fue estadísticamente superior (P = 0.05).
El tratamiento más fresco, que no tuvo ningún proceso de descomposición anterior a la incubación, fue el lupinus verde, el cual desprendió mayor cantidad de CO2 (649.44 mg de CO2 g-1), esto coincide con los resultados obtenidos por Contreras et al., (2006) que incubaron diferentes materiales y obtuvieron que la gallinaza y el estiércol de caprino muestran una mejor repuesta inicial, en lo que a la activación de los microorganismos del suelo se refiere, mientras el vermicompost presenta un comportamiento similar al del control. El C de la gallinaza se mineraliza en un 34-35%, en las primeras cuatro semanas de la incubación y, por su parte, el vermicompost muestra una mineralización del C de apenas un 3-4%, independientemente del suelo al cual se añade. Esto sugiere que del vermicompost podría hacerse un uso más extendido, en cualquier tipo de suelo, dado que este abono suministra un aporte importante de carbono orgánico humificado el cual contribuye al restablecimiento de la materia orgánica nativa del suelo y causa mejoras en la calidad física del mismo, además de la disponibilidad lenta de los nutrientes contenidos en él.
A medida que transcurre la incubación, los sistemas comienzan a entrar en la etapa de estabilidad por cuanto el material, recientemente añadido de fácil degradación, comienza a agotarse y, por lo tanto, el número de microorganismos disminuye al igual que el desprendimiento de CO2.
En los primeros días de las incubaciones se observaron las mayores variaciones, producto de la actividad de los microorganismos ante la presencia de un material reciente y rico en sustancias fácilmente degradables como proteínas y azúcares que varían con el tipo de material (Lerch et al., 1992). Los incrementos registrados se concentraron básicamente en los primeros 10 días posteriores a la incorporación. Esto se vincula a la degradación inmediata de las fracciones orgánicas lábiles presentes en el material añadido, con la consecuente producción de energía para el crecimiento de los microorganismos (Rivero y Hernández, 2001). Estos resultados coinciden con los obtenidos por Stott et al. (1986), quienes indicaron que las diferencias significativas en la descomposición de residuos, sólo son detectables como máximo hasta treinta días posteriores a la incorporación de los materiales orgánicos (Rivero y Hernández, 2001).
Acumulación de CO2 de Diferentes Abonos Orgánicos
La cantidad de C-CO2 acumulado desprendido por la actividad biológica de las mezclas de los abonos orgánicos de lupinus incubadas durante un período de cuatro semanas muestra como la aplicación del residuo fresco provoca un incremento de la respiración respecto al compost y vermicompost (Figura 2).
Durante los primeros 20 días de incubación, el proceso de emisión de CO2 fue bastante intenso, aumentando más en los primeros 20 días (2538.95 mg de CO2 g-1 en compost, 3735.87 mg de CO2 g-1 vermicompost y 8177.71 mg de CO2 g-1 en lupinus verde) (Figura 2).
Este incremento se puede atribuir al contenido de C orgánico presente en los materiales de partida, los cuales suministraron el sustrato necesario para la proliferación de los microorganismos responsables de la descomposición. La actividad de los microorganismos que intervienen al inicio del proceso es máxima, como consecuencia de tener a su alcance gran cantidad de compuestos fácilmente biodegradables procedentes de los materiales orgánicos de partida (Acosta et al., 2006).
Dos tratamientos con un proceso de descomposición (compost y vermicompost) anterior a la incubación muestraron un menor incremento de la respiración, esto se debe a que estos tratamientos contienen material de más difícil descomposición.
Ayuso et al. (1996), indican que mientras más estable es la materia orgánica, la emisión de CO2 y la actividad microbiana son menores ya que existe menos material de fácil descomposición lo que impide la degradación por parte de los microorganismos.
En las titulaciones realizadas por Acosta et al. (2006), hechas cada 7, 15, 39 y 106 días para la evolución de CO2 de compostas elaboradas de estiércol de chivo, residuo del procesamiento de la sábila y lodo residual del tratamiento de aguas servidas, indican un decaimiento en los valores de C-CO2 obtenido diariamente. Esta disminución en los valores C-CO2, pone de manifiesto, que en el proceso global de la mineralización de carbono se definen secuencialmente y alternativamente dos etapas fundamentales. La primera etapa corresponde al incremento en la actividad biológica y a la degradación por parte de los microorganismos de sustancias fácilmente biodegradables tales como azúcares, lípidos, fenoles, ácidos orgánicos, los cuales estimulan tanto el crecimiento como la respiración de un gran número de microorganismos, ya que son fuente de carbono y energía, de rápida utilización y de bajo costo. La segunda etapa definida, está descrita por la disminución en el desprendimiento de C-CO2, la cual define también un decrecimiento en la actividad biológica, como consecuencia de la disminución de las sustancias fácilmente biodegradables, provocando así su estabilización al final del proceso.
Almansa et al. (2007), trabajando con estiércol fresco encontraron, a través del desprendimiento de CO2, una elevada tasa de descomposición paralela a una fuerte inmovilización del nitrógeno debido al grado de estabilidad del material. El estiércol estabilizado presenta una tasa de descomposición menor y una mineralización del nitrógeno orgánico del orden del 30-40%.
El desprendimiento de CO2 acumulado para los distintos tratamientos fue creciente en el tiempo. Las mayores emisiones diarias de CO2 se alcanzaron el segundo día de incubación en cada uno de los tratamientos (Figura 2).
Las altas intensidades iniciales de emisión de CO2, reflejarían la presencia de carbono de disponibilidad inmediata en los sustratos orgánicos provenientes de compuestos fácilmente degradables (Santibáñez et al., 2006). Se observó la mayor emisión de C-CO2 en lupinus fresco, seguido por el vermicompost y al último el compost. Para este parámetro se encontraron diferencias significativas (P = 0.05) entre los diferentes tratamientos. La cantidad de C-CO2 acumulado, muestró como la aplicación del residuo provocó un incremento de la respiración entre los distintos tratamientos alcanzando valores de CO2 acumulado de 11 182.99, 5293.82 y 3717.24 mg de CO2 g-1 en lupinus verde, vermicompost y compost, respectivamente.
El carbono final en los compost contribuye a mantener fracciones más estables, ya que los de fácil descomposición empiezan a agotarse, aumentando la relación C/N.
Durante los primeros 10 días se observó una respuesta inmediata con diferencias significativas entre los tres abonos orgánicos, ello como resultado de la promoción del crecimiento y la actividad microbiana debido al aporte de carbono fácilmente asimilable en los tres abonos; después de los diez días sus cambios fueron menos significativos. Estos resultados coinciden con los obtenidos por Stott et al. (1986, citado por García y Rivero, 2008) quienes indicaron que las diferencias significativas en la descomposición de residuos, sólo son detectables como máximo hasta treinta días posteriores a la incorporación de los materiales orgánicos (García y Rivero, 2008). Sin embargo, la tendencia no es estable durante el período de incubación, por mostrar oscilaciones durante el mismo. Esto evidencia el agotamiento del sustrato carbonado más lábil, los pequeños incrementos hacia el final de la incubación obedecen a la descomposición del material recalcitrante. Además, se debe considerar la dinámica del carbono unido a la biomasa microbiana misma: muerte de las células y reutilización del sustrato.
Tasas de Mineralización
La mineralización se puede determinar por medio de la tasa de liberación de CO2. Partiendo de materia orgánica fresca se presenta una etapa muy activa, que corresponde a la liberación de materiales orgánicos lábiles (azúcares, amino-azúcares, aminoácidos y ácidos orgánicos), seguida de una segunda etapa en la que la actividad biológica es decreciente. En ella se quedan los materiales recalcitrantes (Acosta, 2006).
La velocidad o tasa de mineralización de la materia orgánica expresa el porcentaje de carbono inicial que se mineraliza en un periodo de tiempo determinado; además, la mineralización constituye un indicador de la actividad biológica en un medio dado.
En el presente estudio, aunque los compost tuvieron un incremento en la evolución del C-CO2 este fue significativamente menor que en el tratamiento con lupinus fresco. Tal comportamiento podría explicarse por una menor cantidad de carbono disponible para los microorganismos debido al mayor grado de estabilidad que alcanzó el lupinus al ser compostado y vermicompostado contra el lupinus fresco sin compostar, ya que durante el proceso de compostaje, los microorganismos rompen la materia orgánica y producen CO2, agua, humus, el producto orgánico final más estable y calor.
La tasa de mineralización relativa depende de la acumulación de carbono en el tiempo. Su tendencia fue decreciente para los tres tratamientos, ya que a medida que transcurrían los días, el carbono se iba agotando.
Para los materiales evaluados se observó que el compost fue el tratamiento que presentó la tasa más alta de mineralización relativa al final del ciclo de evaluación: 0.017 g g-1 día-1; sin embargo, no presentaron los tratamientos diferencias significativas (Figura 3). Considerando todo el período de la incubación el tratamiento que mostró la mayor tasa absoluta de mineralización con 104.79 g cm-2 día-1 fue lupinus fresco y 79.31 g m-2día-1 vermicompost, seguidas del compost con valores de 35.01 g cm-2 día-1 (Figura 4).
Conclusiones
- El material que presentó una mayor actividad microbiana (mayor desprendimiento de C-CO2), fue el lupinus, el que presentó menor respiración de CO2 fue el compost, lo cual en su aplicación evita riesgos en el sistema suelo-planta asociados a la oxidación del material del suelo e incrementa la fertilidad del suelo.
- El desprendimiento de CO2, puede considerarse como uno de los parámetros sensibles a los cambios que ocurren en la transformación de la materia orgánica.
- Los mejoradores orgánicos estables mantuvieron e incrementaron el contenido de materia orgánica al permitir una menor perdida de C orgánico en forma de CO2.
