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Introducción
El biocarbón es el resultado de la combustión de biomasa a altas temperaturas (300-700 °C) en condiciones privativas de oxígeno, proceso conocido como pirólisis y se refiere al carbón negro producido intencionalmente para gestionar el carbono como tecnología de mitigación del cambio climático y con fines combinados para ser aplicados en suelos agrícolas, mejorando sus condiciones físicas y químicas y aumentando la productividad (Scholz et al., 2014). Son utilizados en la agricultura y derivan de una gran diversidad de biomasas que presentan alta variación física y química. El biocarbón derivado de residuos de maíz, tiene una tasa de transformación rápida (2 h a 500 °C) y puede tener capacidad de intercambio catiónico (CIC) de 14.4 cmol kg-1 a pH 7 (Chen, Lin, Rizwan, Zhao y Li, 2019). Los beneficios del biocarbón en la agricultura han sido sintetizados por Purakayastha et al. (2019), quienes sugieren que mejora la densidad aparente del suelo, favorece la agregación de las partículas minerales, aumenta la porosidad, la retención de agua, la conductividad hidráulica y la infiltración. Respecto a la química del suelo, modifica el pH y acrecienta la disponibilidad de los nutrientes, eleva la capacidad de intercambio catiónico, manteniendo en mayor cantidad y durante mayor tiempo los nutrientes de forma disponible para las plantas, reduce la lixiviación al absorberlos sobre su superficie y favorece la absorción por las raíces (Kätterer et al., 2019). La aplicación del biocarbón ha mostrado una marcada influencia en la movilización-inmovilización de nutrientes y acelera las tasas de mineralización y nitrificación del N, debido a los cambios que provoca en la actividad y composición de la microbiota edáfica (Nelissen et al., 2012). Después de aplicar biocarbón se ha observado mayor disponibilidad del fósforo debido al incremento del pH y por ser una fuente de P soluble y extractable; además de interactuar con otros elementos responsables de formar complejos con el fósforo (Glaser y Lehr, 2019). Nelissen et al. (2012) sugieren que acelera la transformación del nitrógeno en el corto plazo, y de este modo, aumenta la biodisponibilidad para las plantas. Aumenta la disponibilidad de nitratos, principalmente en suelos ácidos, pero también se ha observado que en el corto tiempo (<1 mes), se reduce el nitrógeno inorgánico del suelo y posteriormente se da un incremento debido posiblemente al C del biocarbón; siendo lo anterior, un efecto multifactorial aún no comprendido completamente (Nguyen et al., 2017). Las partículas de biocarbón, proporcionan superficies reactivas donde los iones N y P se retienen en los sitios de intercambio y en donde son transformados por la biomasa microbiana del suelo, modulando la disponibilidad de N y P para los cultivos (Gul y Whalen, 2016). Algunos autores sugieren que el N y el contenido de agua, son los dos factores clave a nivel mundial para la producción de maíz (Li et al., 2019), siendo el biocarbón un producto que potencializa ambos factores en suelos agrícolas. Kätterer et al. (2019) sugieren que la adición constante durante diez años de biocarbón en suelos de Kenia, generó un incremento de 1.17 Mg ha-1 de grano, con respecto al testigo regional. En sitios bajo cultivos convencionales por más de 80 años y en donde la productividad se ha reducido en 66%, se observó un aumento significativo en la producción después de la enmienda (Kimetu et al., 2008). Por todo lo anterior, el objetivo planteado para el presente estudio fue evaluar el efecto del biocarbón en el rendimiento y la respuesta de algunas variables agronómicas de un maíz comercial en Maravatío, Michoacán.
Materiales y Métodos
Descripción del área de estudio
El estudio se realizó en el año de 2018 en una parcela ubicada en la comunidad de Pomoca, municipio de Maravatío Michoacán, en las coordenadas 19° 52’ 54.23” N y 100° 17’ 53.14” O a 2057 m de altitud. El suelo es un Vertisol Mázico (Pélico) según INEGI (2000); de acuerdo con su clasificación el horizonte superficial presenta una estructura masiva y consistencia dura a bastante dura, lo que puede generar problemas para su laboreo (Nachtergaele, Spaargaren, Deckers y Ahrens, 2000). El clima es del tipo templado subhúmedo con lluvias en verano temperatura promedio de 17.9 °C y precipitación de 924 mm anuales, la clave climática es (A)Cb(w1)(w)(e)g (García, 2004).
Diseño del experimento
El diseño experimental consistió en el agrupamiento de unidades experimentales homogéneas en cuatro bloques completos al azar, con dos tratamientos y un control; cada unidad experimental fue de 9 m2. Los tratamientos consistieron en un control 0% (T0) y tasas de biocarbón, al 1% (T1) y 2% (T2) a razón de 9.2 Mg ha-1 y de 18.4 Mg ha-1, respectivamente. Las dosis fueron calculadas con base en el peso del suelo seco partiendo de la densidad aparente de la capa arable (0.92 g cm-3), por el método del cilindro. El biocarbón se obtuvo a partir de biomasa de olotes de maíz, fabricado en un reactor de pirólisis rústico modificado (Takolpuckdee, 2014) y construido con un tambo de acero de 200 L. Los tiempos de transformación para 15 kg de biomasa, fueron de 40 a 50 minutos y la tasa de recuperación del biocarbón fue de 20 a 25%.
Manejo agronómico del cultivo
El maíz cultivado fue un híbrido comercial denominado Berrendo1 de Asgrow® de grano blanco proveniente de una cruza triple y de ciclo intermedio. La preparación del terreno consistió en un sistema convencional de la región, con un riego por inundación trece días antes de realizar un rastreo cruzado con tractor (John Deere®) y en donde se incorporó el biocarbón hasta una profundidad de 10 cm. Posteriormente se surcó y se sembró manualmente durante la primera semana de mayo de 2018, con una densidad de siembra de 80 000 plantas por hectárea. Un segundo riego rodado fue realizado inmediatamente después de la siembra, seguido de un tercero diez días después de la misma, y el último riego, se aplicó en el mes de junio del mismo año y posterior a realizar la primera escarda con azadón. En el mes de julio y noviembre se realizaron la segunda y tercera escarda, respectivamente. El manejo de organismos plaga se realizó con la aplicación de cipermetrina (Combat 20®) y clorpirifos etil (LorsbanTM 480 EM). La dosis de fertilización para todas las parcelas fue de 200N-80P-150K-30S, usando como fuentes químicas; urea, cloruro de potasio, MAP y sulfato de amonio respectivamente. En la siembra se realizó la primera aplicación de N, equivalente a la tercera parte, y el total de P, K y S. La segunda y la tercera aplicación de N se realizaron después de 30 días de la emergencia del cultivo y en la etapa fenológica vegetativa tardía (VT) del cultivo, respectivamente.
Variables agronómicas medidas
Se consideraron 16 plantas por tratamiento para la medición de las variables agronómicas de las líneas centrales de cada subparcela. Las variables fueron medidas con base en los manuales del CIMMYT (CIMMYT, 1995; Castellanos-Navarrete et al., 2017). El rendimiento del maíz se calculó a partir del peso del grano húmedo y seco, cosechado al momento en que inicia la etapa de vejez del maíz, después de alcanzar su madurez fisiológica. El peso del grano se ajustó a humedad comercial de 14.5%. Las mazorcas se separaron de los tallos y se pesaron en campo con báscula granataria (Camry®); posteriormente se desgranaron para pesar las fracciones correspondientes al peso de granos y olotes. La longitud de la mazorca y de los olotes fue medida con regla y su diámetro con un vernier (Pretul®). La longitud de la planta se midió de la base hasta donde comienza a dividirse la espiga usando una cinta métrica (Pretul®). El peso seco de la planta corresponde a esta, desde su base sin considerar las mazorcas. Para la profundidad y longitud de raíz, se cavó con pala para extraer la raíz y se midió su longitud y desarrollo lateral.
Análisis estadístico de la información
Se realizó una prueba de la normalidad de los datos usando el modelo de Shapiro-Wilk para muestras pequeñas. El análisis de varianza fue de una vía y la comparación de las medias con la técnica de Tukey-Kramer y un alfa de 0.05 utilizando el programa Minitab versión 5.
Resultados y Discusión
En el presente estudio se encontró que el efecto del biocarbón en T1 y T2, incrementó el rendimiento de maíz en 1.2 Mg ha-1 (7%) y T2 1 Mg ha-1 (6%) respectivamente, comparado con el control (T0) (Cuadro 1). Resultados similares fueron reportados por Kätterer et al. (2019) en maíz cultivado en Kenia con un incremento de 1.17 Mg ha-1 de grano, con respecto al testigo regional. Kimetu et al. (2008) reportaron un acrecentamiento en la productividad del maíz de 2.2 Mg ha-1 para el primer año y de 2.9 Mg ha-1 en el segundo, respecto al control, como respuesta a la aplicación de biocarbón en suelos fuertemente degradados. En Kenia, Kätterer et al. (2019) observaron un aumento del pH en el suelo con una mayor disponibilidad y absorción del fósforo y N por la planta, así como un aumento en la capacidad de retención de agua del suelo derivado de las enmiendas con biocarbón; lo anterior, podría explicar el incremento del rendimiento de maíz al mejorar la absorción radicular de los nutrientes, movilización de micronutrientes poco disponibles del suelo y acrecentar el intercambio catiónico del suelo; así como a la mayor disponibilidad de agua y aumento en la porosidad del suelo en presencia del biocarbón, procesos que se ven reflejados directamente en la producción y son explicados ampliamente en la literatura científica (Eduah, Nartey, Abekoe, Breuning y Andersen, 2019; Glaser y Lehr, 2019; Li et al., 2019; Yang et al., 2021).
Table 1: Agronomic variables evaluated as a response to the application of biochar in the soil.
Variable de respuesta |
Promedios† |
||
T0 |
T1 |
T2 |
|
Rendimiento (Mg ha-1)‡ |
15.4 |
16.6 |
16.4 |
Peso de mazorca (g) |
338.4 (41.5) b |
377.5 (47.2) a |
374.4 (49.8) a |
Peso del grano por planta (g) |
292.8 (35.6) ns |
315.2 (37.1) ns |
312.4 (39.9) ns |
Longitud de mazorca (cm) |
19.8 (1.6) ns |
21.1(1.9) ns |
19.8 (1.7) ns |
Diámetro de mazorca (cm) |
5.5 (2.4) b |
5.6 (2.4) a |
5.7 (2.6) a |
Peso del olote (g) |
54.7 (9.4) ns |
61.4 (10.9) ns |
59.4 (13.2) ns |
Diámetro del olote (cm) |
3.0 (0.17) ns |
3.1 (0.16) ns |
3.1 (0.16) ns |
Altura de planta (cm) |
272 (17.3) ns |
265 (20.7) ns |
280 (16.6) ns |
Diámetro del tallo (cm) |
1.7 (0.27) b |
1.9 (0.22) a |
1.9 (0.21) a |
Peso seco de la planta (g) |
391.7 (117.0) ns |
416.3 (141.5) ns |
396.9 (111.3) ns |
Profundidad de raíz (cm) |
53.0 (8.0) ns |
51.3 (7.9) ns |
54.2 (9.2) ns |
Longitud lateral de raíz (cm) |
22.7 (3.5) a |
24.03 (3.39) a |
27.9 (6.0) b |
† Letras diferentes en las filas indican diferencias significativas de las medias por Tukey-Kramer y un alfa de 0.05 (n = 16); los valores entre paréntesis indican la desviación estándar de los datos. ‡ El rendimiento se ajustó a valores de la humedad comercial (14.5 %).
† Different letters in rows indicate significant differences of means by Tukey-Kramer, and an alpha of 0.05 (n = 16). Values in parentheses indicate the standard deviation. ‡ The yield was adjusted to commercial humidity values (14.5%).
El peso total de la mazorca en este estudio, presentó la siguiente tendencia, T1 > T2 > T0 (Cuadro 1), siendo estadísticamente diferentes (P = 0.038); sin embargo, el peso de grano por planta, por sí solo, no fue estadísticamente diferente (P = 0.191) y concuerda con lo reportado por Steiner et al. (2008), quienes indican no haber encontrado suficiente evidencia estadística respecto al peso del grano, pero encontraron, mayor concentración de nitrógeno en los tratamientos con biocarbón respecto a los fertilizados químicamente. Lo anterior, podría estar relacionado con la mayor disponibilidad del nitrógeno en el suelo (Li et al., 2019; Eduah et al., 2019) e indica una mejor nutrición de la planta (Kätterer et al., 2019). Otros autores reportan que se presentaron diferencias significativas en el peso de grano por planta después de aplicar biocarbón al suelo (Onasanya et al., 2009).
La longitud de la mazorca presentó una tendencia, T1 > T2 = T0 (P = 0.59), con una ligera tendencia de T1 a producir mazorcas largas, con respecto al resto de los tratamientos. Referente al peso del olote, la tendencia fue en el siguiente orden, T1 > T2 > T0, sin presentar diferencias estadísticamente significativas (P = 0.234), mismo caso que para el diámetro del olote (P = 0.521), con una ligera tendencia T1 = T2 > T0. La literatura sugiere que el incremento en el tamaño de la mazorca y del olote, se debe a la respuesta de la planta por la reducción de la densidad de siembra (Loesch, Stark y Zuber, 1976; Taylor, Hedges y Whelan, 2009).
La altura de la planta fue similar entre los tratamientos (P = 0.089); sin embargo, T1 fue ligeramente menor a la altura del híbrido de maíz, reportada en la ficha técnica de 270 a 295 cm (Berrendo1). En cuanto al diámetro de tallo, T1 y T2 fueron mayores con respecto a T0 (P = 0.037), siendo similar a lo reportado por Głodowska, Husk, Schwinghamer y Smith (2016) y Tanure et al. (2019), quienes sugieren, que el tallo de maíz fue significativamente más grueso con respecto al control, en plantas expuestas al biocarbón; sin embargo, Situmeang, Adnyana, Netera-Subadiyasa y Merit (2015) no encontraron diferencias en el grosor del tallo para un control y tres dosis de biocarbón (0, 5, 10 y 15 Mg ha-1).
El peso seco de la planta no presentó diferencias significativas (P = 0.923) y contrasta con lo reportado por Głodowska et al. (2016), quienes encontraron diferencia en esta variable agronómica. La profundidad de la raíz no fue estadísticamente distinta entre los tratamientos y el control (P = 0.631) y es similar con lo que reporta Onasanya et al. (2009) y Głodowska et al. (2016). Por el contrario, el desarrollo lateral de las raíces fue significativo, T2 > T1 = T0 (P = 0.005), lo que sugiere una mayor área de exploración de las raíces. La literatura reporta con frecuencia, la relación existente entre el aumento en el desarrollo y peso de la raíz después de la aplicación del biocarbón (Tanure et al., 2019) y atribuyen su desarrollo prominente a los cambios físicos, químicos y biológicos que genera el biocarbón en el suelo. Otros autores sugieren que el biocarbón favorece que la raíz tenga mayor área de exploración por el aumento de la disponibilidad de nutrientes y adquiera mayor cantidad de nutrientes (Głodowska et al., 2016; Gul y Whalen, 2016; Yang et al., 2021) y se reflejan en la concentración de los nutrientes en el grano (Kimetu et al., 2008). Para la planta de maíz, también se ha atribuido que el cambio de la arquitectura radicular se debe a la disminución de la densidad aparente del suelo, aumento en la capacidad de retención de agua y mejor suministro del líquido en las etapas de estrés hídrico (Kätterer et al., 2019).
En este estudio, los efectos del biocarbón en el desarrollo de la planta de maíz no son consistentes en todos los casos con la literatura. Tanure et al. (2019) sugieren que los resultados reportados en la literatura no son consistentes, sino por el contrario, son altamente variables y deben de considerarse el tipo o variedad de planta de maíz, propiedades físicas y químicas del biocarbón y la tasa de aplicación; así como a las características del suelo y condiciones ambientales como luz, temperatura, CO2, concentración y disponibilidad de nutrientes y agua en donde se esté aplicando la enmienda. Por otro lado, Kätterer et al. (2019) y Li et al. (2019), sugieren que la respuesta de las plantas a la aplicación de la enmienda se presenta después del segundo año, tiempo para que el biocarbón reaccione con el suelo. Finalmente, las tareas pendientes a futuro son: probar diversas dosis de biocarbón que sean fácilmente alcanzables por los productores, evaluar los efectos del biocarbón a mediano y largo plazo, medir los cambios físicos y químicos del suelo después de la enmienda y valorar la absorción de nutrientes por la planta a través de análisis foliares.
Conclusiones
La aplicación de biocarbón a tasas de 1 y 2% presentó un efecto positivo en el rendimiento de maíz de 1.2 y 1 Mg ha-1 respectivamente, con respecto al control (T0). El peso de la mazorca, de grano por planta, de olote, de peso seco de la planta, longitud de mazorca y el desarrollo lateral de la raíz, presentaron la siguiente tendencia, T1 > T2 > T0; el resto de las variables no presentaron tendencias claras a la aplicación del biocarbón. Se concluye que el biocarbón a una tasa de aplicación de 1 y 2%, son una alternativa viable para aumentar la producción de maíz en las áreas similares a donde se llevó a cabo el estudio de la región Oriente del estado de Michoacán.
Disponibilidad de Datos
Los conjuntos de datos utilizados o analizados durante el estudio actual están disponibles del autor correspondiente a solicitud razonable.
Conflicto de Intereses
Los autores declaran que no tienen intereses en competencia, en esta sección.
Contribución de los Autores
Conceptualización: L.E.M.O. y A.M.S., como parte de su tesis profesional. Metodología: A.M.S., L.E.M.O. y A.S.D. Toma de datos en campo: A.M.S. Elaboración de biocarbón e implementación en campo: A.M.S. Análisis en laboratorio: L.E.M.O. y V.N.O. Validación y revisión de datos: A.M.S., L.E.M.O. y A.S.D. Análisis estadístico: A.M.S. y L.E.M.O. Escritura: A.M.S., L.E.M.O., A.S.D. y V.N.O. Preparación del borrador original: A.M.S. y L.E.M.O. Administración del proyecto: L.E.M.O. y A.S.D.
