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Introducción
Los daños ambientales ocasionados a los suelos agrícolas debido a prácticas incorrectas de manejo y fertilización han originan un renovado interés por las actividades ancestrales de incorporación de residuos orgánicos al suelo (Anguria et al., 2017; Dzomeku y Osman, 2018; Suvain et al., 2021). Debido al potencial por mejorar las propiedades fisicoquímicas, así como por la capacidad para mantener el apropiado funcionamiento de los ciclos biogeoquímicos (Rousk y Bengtson, 2014). En este contexto, existe una tendencia mundial a incrementar la reutilización de los residuos orgánicos generados. En la Ciudad de México, por ejemplo, se generan diariamente cerca de 14,155 t de residuos orgánicos, los cuales provienen de la industria de alimentos, así como del sector agroindustrial y doméstico, entre otros (Muñoz y Morales, 2018), lo cual indica que existe un gran potencial si se reutilizaran tales residuos tras su correcto tratamiento. De acuerdo con Saval (2012), los RO agroindustriales son materiales en estado sólido o líquido que se generan a partir del consumo directo de productos primarios o de su industrialización y, aunque ya no son de utilidad para el proceso que los generó, son susceptibles de aprovechamiento.
En el Estado de Jalisco (México) el agave azul (Agave tequilana Weber var. Azul) para la obtención de tequila es considerado uno de los cultivos de mayor importancia económica (Sánchez, 2016). Sin embargo, la continua y creciente demanda de tequila a nivel nacional e internacional da lugar a la generación de altos volúmenes de residuos, líquidos (vinazas) y sólidos (bagazo) (Vargas y Pérez, 2018). El bagazo de agave es un material compuesto por fibras ligno-celulósicas de diferente longitud que se obtiene después de someter el tallo del agave a diferentes procesos de extracción de azúcares. De acuerdo con el Consejo Regulador del Tequila (CRT) durante el periodo de 2010 al 2020 se utilizaron en la producción de tequila 110,144 ton de tallos de Agave (CRT, 2020), de las cuales el 40% se recuperan como residuo (Cedeño, 1995). A pesar de que la denominación de origen del “Tequila” se estableció en 1978, su producción (debido a su alta demanda) aumentó tras 1995 (Macías y Valenzuela, 2009), lo que ocasionó también un incremento de bagazo, el cual fue considerado a principios del año 2000 un desecho residual contaminante debido a su mal manejo (Rodríguez et al., 2010). Entre los años 2000 y 2010 se intensificaron los estudios con el propósito de encontrar alternativas para aprovechar la biomasa de este residuo como biocombustible, alimento para animales, para la obtención de biopolímeros, entre otros (Ramírez et al., 2012; Vargas y Pérez, 2018).
En el ámbito agrícola se estudió el potencial de este residuo orgánico como componente de sustratos para el crecimiento inicial de diferentes especies vegetales (Rodríguez et al., 2010, Crespo et al., 2013). Debido a que estas alternativas no solucionaron de manera significativa la reducción y disposición de este residuo, actualmente las empresas dedicadas a la producción de tequila incorporan este residuo trasformado en composta sobre suelos destinados al cultivo de agave. Sin embargo, hasta la fecha se desconoce la dinámica de descomposición y mineralización de este residuo. Al respecto Vos et al. (2013) reportaron que, para un manejo exitoso en el reciclado de los nutrientes a partir de residuos orgánicos, es necesario primero conocer el proceso de descomposición y la influencia que esta tendrá en la dinámica del C y N. Por lo tanto, el objetivo de esta investigación fue estudiar la dinámica descomposición en bagazo y compostas de bagazo de agave azul (Agave tequilana Weber var. Azul) mediante incubaciones en dos diferentes suelos (Regosol y Luvisol).
Materiales y métodos
Sitio experimental
La investigación se realizó del 1° de julio del 2019 al 1° de julio del 2020 en el Centro Universitario de Ciencia Biológicas y Agropecuarias (CUCBA) de la Universidad de Guadalajara, Zapopan, Jalisco, México (20,7° 43’ N y 103,5° 23’ O y 1,550 m s.n.m.), la temperatura media anual y precipitación es de 19,4 °C y 957 mm año-1, respectivamente. Aproximadamente del 85 al 90 % de la precipitación total ocurre durante los meses de junio a octubre (Figura 1).
Figura 1 Condiciones climáticas durante la etapa del experimento (SMN-CONAGUA, 2018). Barras verticales: Precipitación mensual, línea: Oscilación de la temperatura media mensual.
Figure 1: Climatic conditions during the experimental stage (SMN-CONAGUA, 2018). Vertical bars: Monthly precipitation, line: Oscillation of the average monthly temperature.
Residuos orgánicos evaluados y suelos utilizados
Se utilizó bagazo de agave obtenido por dos procesos diferentes de extracción de azúcares; uno proveniente de la cocción en autoclave, molienda y prensado denominado para este estudio bagazo de autoclave (BA); y el otro obtenido mediante difusión con agua caliente llamado bagazo de difusor (BD). También se utilizaron estos bagazos en forma de compostas: composta bagazo de autoclave (CBA) y composta de bagazo del difusor (CBD), siendo elaboradas de acuerdo, a los procedimientos recomendados por Iñiguez et al. (2011). Las características químicas de los materiales estudiados se presentan en la (Tabla 1).
Por otra parte, se utilizaron dos suelos contrastantes y ampliamente distribuidos en el estado de Jalisco: Regosol y Luvisol crómico de acuerdo al sistema de clasificación de la W.R.B. (2015). En la Tabla 2, se muestran las características químicas y físicas de los suelos, las cuales fueron determinadas de acuerdo con la NOM 021 RECNAT (2000).
Table 2: Physical and chemical properties of the soils used in this study.
| Suelo | Partículas minerales | Textura | MOS | Dap | pH | ||
| (%) | (%) | (Mg m-3) | (agua) | ||||
| Arena | Limo | Arcilla | |||||
| Regosol | 59,8 | 26,0 | 14,2 | Franco arenosa | 1,39 | 1,09 | 5,1 |
| Luvisol | 33,8 | 36,0 | 30,2 | Franco limosa | 1,26 | 0,97 | 6,6 |
MOS: Materia orgánica del suelo, Dap: Densidad aparente, pH: Potencial de hidrógeno.
MOS: Soil organic matter, Dap: Bulk density, pH: Hydrogen potential.
Establecimiento y diseño del experimento
Se utilizaron 14 cubetas de plástico con capacidad de 19 L, con un diámetro superior y altura de 29,5 y 36,0 cm, respectivamente. Se colocaron aproximadamente 20 kg de suelo seco en cada cubeta (siete cubetas para cada tipo de suelo). Se utilizaron un total de 168 bolsas de nylon de la marca Ankom, de 5,0 x 10,0 cm2 y de 1,0 mm de abertura de malla, las cuales son utilizadas para conocer la descomposición y mineralización en diferentes materiales orgánicos en el suelo (Kriauciuniene et al., 2012; Loaiza-Usuaga et al., 2013; Gao et al., 2016; Bonilla et al., 2020). En cada una de las bolsas se colocaron 5.00 g en base seca de cada uno de los RO en estudio. En cada cubeta se colocaron tres bolsas de descomposición por cada RO evaluado a -10 cm de profundidad (12 bolsas en cada cubeta). Las cubetas con su suelo correspondiente y las bolsas con el RO en su interior se trasladaron al área de vivero, donde fueron distribuidas en un diseño experimental completamente al azar con arreglo factorial (4 x 2 x 7), con tres repeticiones; esto es, los factores estudiados fueron 4 materiales orgánicos, 2 tipos de suelo y 7 muestreos consecutivos distribuidos en un año. El estudio inició el 1 de julio de 2019 y concluyó el 1 de julio de 2020, habiendo sido el periodo de mayor precipitación en esta región ocurrió desde el mes de junio hasta octubre de 2019. La evaluación consistió en retirar las bolsas de las cubetas correspondientes a cada tipo de suelo (24 bolsas en total) a los 30, 60, 90, 120, 180, 240 y 365 d después de haber enterrado las bolsas. Estas se abrieron y el material orgánico recuperado se colocó en estufa de aire forzado a 70 °C durante 48 h; se retiró el residuo de la estufa y se pesó en una balanza analítica Hanchen.
Variables evaluadas
La descomposición de los RO se evaluó como porcentaje de materia seca remanente (MSR) de acuerdo con la siguiente fórmula:
donde: Psm es peso seco del material remanente en cada periodo de muestreo y Psi es el peso seco del material inicial (5.00 g).
La constante de descomposición k fue determinada siguiendo el modelo simple exponencial de degradación propuesto por Olson (1963), mediante la siguiente fórmula:
donde: k es la tasa relativa de descomposición, X representa la cantidad de materia seca remanente después de un tiempo dado, Xo es la cantidad de materia seca inicial (5,00 g) y t es el tiempo transcurrido (en d). Esta constante k es un indicador de la velocidad a la que se descomponen los RO y puede fluctuar entre 0,10 por d (para residuos de muy rápida descomposición) a 0.00001 por d (para residuos de muy lenta degradación (Berg, 2000).
El coeficiente isohúmico (C i ) es la fracción del RO que resta sin descomponer o se descompone muy lentamente después de un periodo de tiempo; y se determina a través de la fracción del material residual orgánico resistente (RO recalcitrante ) a la descomposición microbiológica en relación con la cantidad colocada inicialmente (Vanholme et al., 2010), aplicando la siguiente ecuación:
Análisis estadísticos
El porcentaje de materia seca remanentes (% MSR), la constante de descomposición (k) y el coeficiente isohúmico (C i ) fueron sometidos a un análisis de varianza y comparación de promedios mediante la prueba Tukey (P < 0,05) utilizando el programa estadístico Statgraphics Centurión XVII (Statgraphics, 2014).
Resultados y discusión
Porcentaje de materia seca remanente (MSR)
Se observaron diferencias significativas en todas las variables evaluadas, por efecto de los RO, suelos y muestreos (P < 0,05). De acuerdo con la dinámica de degradación los RO formaron dos grupos definidos y contrastantes entre sí; el primero conformado por los dos bagazos (BA y BD) y el segundo por las dos compostas de bagazo (CBA y CBD). La MSR en las compostas después de un año de incubación independientemente de los suelos fue alta; mientras que la de las compostas de bagazo mostraron una escasa descomposición equivalente al 10 % aproximadamente. Lo anterior se debe probablemente a que la composta de agave utilizado en este estudio estaba completamente madura, lo cual se evidencia por su comportamiento estable durante el periodo de evaluación en los suelos. Este comportamiento no coincide a lo reportado por Figueroa-Barrera et al. (2012) y Rodríguez et al. (2022) quienes con diferentes tipos de compostas registraron valores de descomposición más altos que los encontrados en este estudio (hasta 72 %). Es posible que los altos valores de descomposición registrados en los anteriores trabajos estén relacionados con el uso de compostas elaboradas en condiciones sub-óptimas durante el proceso de compostaje y al uso de compostas inmaduras, por lo que aún permanecen materiales orgánicos lábiles susceptibles al ataque de microrganismos después de su incorporación al suelo (Medina et al., 2018; Muñoz-Villalobos et al., 2021).
Los bagazos, independientemente del origen y el tipo de suelo, mostraron las mayores pérdidas de MSR (Figura 2a, 2b). En ambos suelos el BA en comparación con el BD presentó las menores pérdidas de biomasa (MSR) durante todo el periodo de evaluación. Lo anterior indicó que BD en comparación al BA resultó ser el material más lábil o menos resistente al proceso de descomposición en ambos suelos después de un año de evaluación lo que se correspondió con un 74 y 62 % de descomposición en el Regosol y Luvisol, respectivamente, mientras que el bagazo de autoclave (BA) presentó una mayor resistencia a la descomposición con valores de 62 % en Regosol y 47 % en Luvisol, respectivamente. A pesar de que la tendencia a perder biomasa fue similar en ambos tipos de suelo, se puede observar que los bagazos en el Luvisol mostraron mayor resistencia a la descomposición con porcentajes de 52,6 % en BA y 38,1 % en BD, mientras que en Regosol los porcentajes de descomposición fueron más próximos, de 38,1 % y 25,9 %, respectivamente. El proceso de descomposición de los bagazos principalmente con base en la MSR se presentó en diferentes etapas, tal y como fue observado con otros RO (Gao et al., 2016; Bonilla et al., 2020). En este estudio durante los primeros 60 días se presentó una fase bastante rápida de pérdida de MS debido a que durante este periodo se presentaron los mayores eventos de precipitación (Figura 1) y en consecuencia se solubilizaron las fracciones lábiles o de fácil descomposición como: azúcares, aminoácidos, polifenoles condensados y solubles (Muñoz-Villalobos et al., 2021); luego se observó otra etapa de pérdida gradual de biomasa cada vez más lenta con el transcurso del tiempo, lo cual se relaciona con la disminución de la precipitación en el área de estudio debido y a la presencia de substancias recalcitrantes residuales en la biomasa, tales como la celulosa y principalmente ligninas (Villavicencio-Enríquez, 2012), (Figura 1).
Aunque los dos bagazos estudiados proceden del mismo tipo de substrato orgánico (tallo y base de las hojas de agave) las diferencias observadas respecto a su composición química podrían ser atribuidas al proceso de extracción (Tabla 1). Los mayores porcentajes de descomposición en BD pueden ser explicados probablemente en términos de un menor contenido de compuestos químicos que interfieren con la descomposición o que limitan el ataque del microrganismo al RO como pueden la presencia de polifenoles, polisacáridos, taninos y alcaloides (Novita, 2016), ya que, durante la extracción de azúcares se realizan varios lavados con agua caliente. La pérdida de MSR es un indicador de la velocidad de descomposición de los RO adicionados; con base en lo anterior, Bonilla et al. (2020), al evaluar la dinámica de descomposición de una mezcla de residuos de gramíneas utilizando la misma metodología que en este estudio, reportaron porcentajes de descomposición del 70 %, porcentaje muy similar al que encontramos en este estudio principalmente en el suelo Regosol con 62 % para BA y 74 % para BD. Sin embargo, Gao et al. (2016), reportaron porcentajes de descomposición en residuos de trigo menores a los encontrados en este estudio (40 %) después de un año de evaluación. Las diferencias observadas en la evolución de la descomposición de los RO estudiados en el mismo suelo se atribuyen a la menor resistencia que ofrece el bagazo sin compostar al ataque microbiano, frente a la mayor resistencia que presentan los substratos que ya han sido sometido a un proceso previo de degradación como el compostaje, proceso en el que se eliminan las fracciones orgánica lábiles (Gallardo, 2017). De acuerdo con los resultados (Figura 2a, 2b) se evidencia que los bagazos no presentaron resistencia a los procesos de degradación microbiana en los suelos desde el momento de ser incorporados al mismo (en especial BD en el Regosol), a este respecto, López y Estrada, (2015) mencionaron al respecto que la dinámica de descomposición se basa en que los RO contienen fracciones lábiles y recalcitrantes, los cuales presentan diferentes grados de resistencia a la degradación microbiana; por el contrario, Gallardo (2017) indicó que subproductos orgánicos con relaciones C/N similares a las compostas de bagazos aquí estudiadas sí presentaron resistencia a su degradación. Por otra parte, las características edáficas diferentes en los suelos utilizados, en especial en cuanto al pH y contenidos de arcillas (Tabla 4) deben ejercer efectos contrapuestos; mientras que un pH más neutro (Luvisol) puede favorecer una más rápida mineralización inicial (por la mayor actividad bacteriana; Monsalve et al., 2017), un mayor contenido en arcillas (Luvisol), por el contrario, aminora tal proceso por la adsorción de productos orgánicos, protegiéndolos del ataque microbiano (Gregory et al., 2009), con lo que se aumenta la fracción recalcitrante como se ha observado en el presente trabajo (Figura 2a, 2b). Consecuentemente, la degradación de los bagazos es más lenta en el Luvisol (debido a un mayor contenido de arcillas y propiedades relativas, como retención de humedad o fenómenos de adsorción de partículas las cuales protegen los compuestos orgánicos del ataque microbiano mediante la formación de micro y macroagregados; Lobo et al., 2013); ello difiere de lo que sucedió en el Regosol, donde la degradación fue acelerada e intensa debido a la mayor oxigenación y menor protección por escasez de arcillas (Gallardo, 2017). De acuerdo con los comportamientos de degradación se presentaron diferencias significativas en los valores de MSR (Figura 2a, 2b) entre el bagazo colocado en el Regosol y el colocado en el Luvisol debido a las diferentes propiedades físicas (principalmente textura y Dap) y fisicoquímicas (pH; Cuadro 2) de los dos suelos seleccionados; tales propiedades edáficas diferentes deben influir en la degradación de los sustratos orgánicos lábiles, lo cual, concuerda con lo reportado por Bonilla et al. (2020) al emplear suelos de textura similar. Por tanto, el efecto protector de las arcillas es más fuerte que el del pH, dado que la mineralización es más intensa en el Regosol. Los comportamientos del proceso de degradación (evidenciados en la Figura 2a y 2b) permiten afirmar que dicho proceso está dado, en principio, por la composición química de los materiales orgánicos (frescos o compostados, que les otorga el nivel de resistencia al ataque microbiano) y, posteriormente, por las propiedades edáficas que juegan un papel menos importante en el proceso de degradación de los RO, dependiendo de la textura y acidez (Martínez et al., 2020).
Tabla 4 Análisis multifactorial categórico. Coeficiente isohúmico por tipo de RO en suelos Regosol y Luvisol.
Table 4: Categorical multifactorial analysis. Isohumic coefficient by RO type in Regosol and Luvisol soils.
| Coeficiente Isohúmico (Ci) | ||
| Suelo Regosol | Suelo Luvisol | |
| BA | 0,51 ± 0,03 Bb | 0,73 ± 0,03 Ba |
| BD | 0,37 ± 0,02 Cb | 0,48 ± 0,02 Ca |
| CBA | 0,91 ± 0,01 A* | 0,91 ± 0,01 A* |
| CBD | 0,92 ± 0,01 A* | 0,92 ± 0,01 A* |
Letras distintas en la misma columna indican diferencias significativas. *No se encontraron diferencias significativas (P < 0,05); letra mayúscula comparación entre tipo de materiales (transversal); letra minúscula comparación entre suelos (horizontal).
Different letters in the same column indicate significant differences. *No significant differences were found (P < 0,05); capital letter comparison between type of materials (transversal); lowercase letter comparison between soils (horizontal).
Constante de descomposición ( k)
Esta variable fue estadísticamente diferente entre los bagazos, pero no fue significativamente diferente entre las compostas (Tabla 3). El BD mostró las mayores constantes de descomposición con 0,0099 y 0,0075 en el Regosol y Luvisol, respectivamente, mientras que el BA presentó los menores valores con 0,0059 y 0,0025 en el Regosol y Luvisol, respectivamente. Las compostas por el contrario presentaron una constante descomposición baja en ambos suelos debido a su alta bioestabilidad o por ser ya un material recalcitrante (CBD k = 0,0007; y CBA k = 0,0008), lo cual tiene relación con lo observado en la dinámica de descomposición de los RO en este estudio. Assmann et al. (2014), evaluaron la tasa de descomposición en rastrojo de trigo en diferentes períodos de pastoreo, observando que la k no cambio significativamente con los días de pastoreo, obteniendo un promedio final a los 105 d de 0,023 d-1; Gao et al., (2016), estudiando la dinámica de descomposición en residuos de trigo bajo diferentes condiciones, encontraron que la k en condiciones aeróbicas fue de 0,022 d-1, la cual es mayor a los valores de k encontrados en este estudio (Tabla 3). Las diferencias en los valores de k reportadas por otros autores y las encontradas en este estudio se deben a diferencias en la composición química de los materiales utilizados (contenido de N y relación C/N, polifenoles, polisacáridos, taninos, alcaloides y lignina), así como a las condiciones climáticas y edáficas en el área de estudio (Novita, 2016).
Tabla 3 Análisis multifactorial categórico. Constante de descomposición (k) por tipo de RO en suelos Regosol y Luvisol.
Table 3: Categorical multifactorial analysis. Decomposition constant (k) by OR type in Regosol and Luvisol soils.
| Constante de descomposición (k) | ||
| Suelo Regosol | Suelo Luvisol | |
| BA | 0,0059 ± 0,0006 Ba | 0,0025 ± 0,0002 Bb |
| BD | 0,0099 ± 0,0013 Aa | 0,0075 ± 0,0011 Ab |
| CBA | 0,0008 ± 0,0001 C* | 0,0008 ± 0,001 C* |
| CBD | 0,0007 ± 0,0001 C* | 0,0008 ± 0,001 C* |
Letras distintas en la misma columna indican diferencias significativas. *No se encontraron diferencias significativas (P < 0,05); letra mayúscula comparación entre tipo de materiales (transversal); letra minúscula comparación entre suelos (horizontal).
Different letters in the same column indicate significant differences. *No significant differences were found (P < 0,05); capital letter comparison between type of materials (transversal); lowercase letter comparison between soils (horizontal).
Coeficiente Isohúmico ( C i ).
El coeficiente Isohúmico (C i ) mostró un comportamiento diferente entre los dos grupos de substratos orgánicos. En el Regosol el C i de BA (0,51) fue significativamente diferente al de BD (0,37), mientras que las dos compostas presentaron valores similares, pero significativamente más altos (alrededor de 0,92; Cuadro 4). En el Luvisol se observó una dinámica similar en cuanto al C i ; mientras que BA presentó un C i de 0,72, significativamente mayor al de BD con 0,48. En el caso de las compostas se comportaron igual en ambos suelos, presentando los más altos valores de C i en los dos tipos de suelos y siendo similares (C i = 0,92). La composición química de los RO (Tabla 1) influyó de manera significativa en el proceso de degradación; así, después de un año de incubación se detectaron diferencias estadísticas significativas para el C i en los bagazos, pero no para las compostas las cuales sufrieron degradación previa, homogeneizándose en gran parte (Salazar et al., 2014). Además, se encontró que el BA presentó un valor significativo mayor de C i (Tabla 4) que el otro bagazo (BD), lo que puede suponer una mayor aportación de C parcialmente estabilizado edáficamente (siempre que no surja el efecto negativo de la demanda de N; Oda y Sukchan, 2021). Las propiedades edáficas influyeron significativamente en la estabilidad de los bagazos, ya que presentaron un C i significativamente mayor en el Luvisol que en el Regosol, lo cual se debe a que este último suelo no puede proporcionar una protección tan eficaz como la del Luvisol (más arcilloso), permitiendo una más acentuada progresión de la degradación en el Regosol (Martínez et al., 2020).
Conclusiones
La experimentación demostró que el bagazo de agave ofrece menos resistencia a la mineralización que las compostas, pero que se atenúa en el Luvisol en comparación con el Regosol. Por tanto, si se desea incentivar la actividad microbiana edáfica es preferible utilizar el bagazo, pero si lo que se pretende es incrementar el contenido el MOS es siempre preferible añadir la composta de bagazo, especialmente en el mejoramiento de la fertilidad de los Regosoles.
