Efecto de enmiendas con lodos urbanos y de salmonicultura en la estructura de un Entisol y un Alfisol en Chile

Effect of sewage sludge and salmon wastes amendments on the structure of an Entisol and Alfisol in Chile

Marco Sandoval–Estrada¹*, José Celis–Hidalgo², Neil Stolpe–Lau¹, Juan Capulín–Grande³

¹ Universidad de Concepción, Facultad de Agronomía, Casilla 537, Chillán, Chile . Centro de Investigación de Ecosistemas de la Patagonia (CIEP), Coyhaique, Chile. * Autor responsable: (masandov@udec.cl)

² Universidad de Concepción, Facultad de Ciencias Veterinarias, Chillán, Chile. Centro de Investigación de Ecosistemas de la Patagonia (CIEP), Coyhaique, Chile.

Recibido: Abril, 2009.
Aprobado: Marzo, 2010.

RESUMEN

En Chile la generación de lodos urbanos pasó de 200 t d^–1 a 300 t d^–1 para el 2010, mientras que la industria del salmón incrementó su producción de 50 000 t anuales en 1990 a 397 000 t el 2007 y se generó 1.4 t de lodo por cada t de salmón producido. Además, estos residuos orgánicos son aplicados al suelo sin analizar sus efectos en las propiedades físicas. En esta investigación se analizó los efectos de enmiendas con lodos urbanos y salmonícolas en la distribución y estabilidad de agregados (diámetro peso medio, DPM) en un Entisol y Alfisol degradados. Los tratamientos fueron: lodo urbano (LU), lodo de piscicultura (LP), lodo salmonícola lacustre (LL), en dosis de 25, 50, 75, 100 y 150 t ha^–1 y un testigo absoluto (TS), sin enmendar. Hubo dos tratamientos adicionales con ballico (Lolium multiflorum L.): suelo sin lodo (TC) y suelo con fertilización inorgánica (FN). El diseño experimental fue completamente al azar con tres repeticiones y se usó la prueba de Tukey (p<0.05) para comparar medias. A los seis meses hubo diferencias significativas (p<0.05) entre las dosis aplicadas en los dos tipos de suelos degradados. En el Entisol las enmiendas con lodos LU (100 y 150 t ha^–1) y LP (100 y 15 0 t ha^–1) aumentaron la cantidad de macroagregados (> 0.25 mm) para LU (64.15%) y LP (66.7%) además de una mejor DPM (p<0.05), comparado con TS, TC y FN; pero con LL no hubo diferencias significativas. En el Alfisol, con LU hubo mayor cantidad de macroagregados (> 0.25 mm) a dosis de 100 (34.1%) y 150 t ha^–1 (33.0%), mientras que con las dosis 100 y 150 t ha^–1 LU, LP y LL mostraron valores más altos de DPM respecto al testigo absoluto (p<0.05).

Palabras clave: Lolium multiflorum, biosólidos, estabilidad de agregados, macroagregados, remediación, suelos.

ABSTRACT

Keywords: Lolium multiflorum, biosolids, stability of aggregates, macroaggregates, soil remediation.

INTRODUCCIÓN

La calidad física de un suelo depende de la cantidad de partículas que pueden formar agregados, donde la materia orgánica (MO) tiene una función preponderante en el desarrollo de la estructura (Ellies, 2004). Los suelos degradados presentan una infiltración pobre, una mala aireación, baja actividad biológica y reducido movimiento de nutrientes, por lo cual se restringe el crecimiento de las raíces (Traore et al., 2000).

La biota y los productos orgánicos contribuyen al desarrollo de la estructura del suelo (Chan et al., 2003), la cual tiene una función fundamental en cualquier sistema edáfico y en los procesos sostenidos de la biota en el suelo, y se puede cuantificar mediante la estabilidad de los agregados del suelo (Bronick y Lal, 2005). La estabilidad de los agregados es un indicador de la estructura del suelo, que resulta del arreglo de las partículas, la floculación y la cementación (Six et al., 2000). Un orden jerárquico en la estructura de los suelos permite diferenciar entre macroagregados (>0.25mm) y microagregados (<0.25 mm), según Oades y Waters (1991). El incremento de microagregados del suelo está relacionado con la pérdida de la estabilidad estructural y la calidad del suelo (Carter, 2004).

Las ciudades chilenas generan lodos municipales, que son acumulaciones de sólidos orgánicos sedimentables separados por procesos de tratamiento de aguas. Se producen alrededor de 200 t d^–1 de lodos secos, lo cual aumentará a 300 t al final de la presente década (Celis et al., 2006). Además, Chile es el principal productor de salmón del mundo, con 490 000 t año^–1 (Teuber et al., 2005); por cada t de salmón se generan 1.4 t de desechos orgánicos, en forma de lodos constituidos principalmente por excretas y alimento no consumido (Celis et al., 2006). El manejo inadecuado de estos lodos puede presentar inconvenientes para la salud y el ambiente, mediante la carga de microorganismos patógenos y el contenido de metales pesados (Mazzarino et al., 1997), y problemas de hidrofobia en caso de aplicaciones excesivas (Cuevas et al., 2006). Además, su alto contenido de nitrógeno puede ser un riesgo por lixiviación de nitratos y eventual contaminación de capas subterráneas y aguas superficiales (Mazzarino et al., 1997). Los lodos salmonícolas, ricos en nutrientes, se acumulan en los fondos marinos o lacustres, representando una amenaza a la eficiencia productiva de la salmonicultura y una contaminación potencial para el medio acuático (Salazar y Saldaña, 2007).

Los lodos urbanos y salmonícolas poseen características como mejoradores del suelo (Teuber et al., 2005), y su aplicación serviría para recuperar suelos degradados. Estos lodos pueden tener hasta 50% de MO (Celis et al., 2006) y pueden mejorar las características físicas del suelo, como estructura, capacidad de retención de agua y difusión de masa (Six et al., 2000). La MO del suelo es vital en la formación de agregados estables y de un sistema poroso secundario que permite que el agua se filtre en el perfil del suelo, para una mejor aireación y retención de humedad (Ellies, 2004; Annabi et al., 2007). El aporte de MO y el aumento de la estabilidad de agregados pueden reducir la tendencia del suelo a la compactación y aumentar la resistencia del suelo a la deformación, debido a que la degradación en gran parte es controlada por la presencia y abundancia de macroagregados estables al agua (Bayhan et al., 2005).

En Chile hay alrededor de 76 millones ha de suelos, de las cuales 46% presenta algún grado de erosión, con 27% calificado como grave (Pérez y González, 2001). Los suelos Alfisoles chilenos se encuentran principalmente entre la V y VIII Regiones que comprenden la zona centro norte, central y centro sur del país, ubicándose preferentemente en parte de la cordillera de la costa y depresión intermedia (Luzio et al., 2006), donde alrededor de 2 millones ha (63%) están fuertemente erosionadas (Santibáñez, 2000). En la patagonia chilena hay 3 595 600 ha con suelos Entisoles mayoritariamente derivados de cenizas volcánicas, que representan 1 602 220 ha (Cruces et al., 1999). Estos suelos han experimentado diversos procesos de erosión antropogénica y 17.3% de la superficie total de la XI Región sufre erosión severa (Pérez y González, 2001). Esto implica un enorme potencial de suelos degradados que podrían ser destinados como reservorios para el reciclaje de residuos orgánicos.

Las aplicaciones de lodos orgánicos aumentan la estabilidad de los agregados del suelo (Cuevas et al., 2006) y la adición de residuos vegetales a suelos susceptibles a la erosión es beneficiosa para el sistema edáfico (Sandoval et al., 2008). El Ministerio de Agricultura de Chile mantiene un programa de recuperación de suelos degradados con fuerte énfasis en la fertilización fosfatada, enmiendas calcáreas, praderas, prácticas de conservación de suelos y rotación de cultivos, pero no estimula el uso de lodos residuales.

MATERIALES Y MÉTODOS

Recolección de muestras de suelos y lodos

Las muestras del suelo patagónico fueron recolectadas en la Región de Aysén, sector Coyhaique (45° 31' 38, 33'' S y 71° 45' 0, 46'' O). Estos suelos pertenecen al orden Entisol (Celis et al., 2008) presentan textura franco arenosa, pendientes suaves (<5%), y densidad aparente 1 kg m^–3. La zona de muestreo corresponde a la estepa fría ubicada en la vertiente oriental de la Cordillera de los Andes hacia el límite con Argentina; la precipitación anual es 300 mm repartida homogéneamente en el año y durante el invierno (junio a agosto) cae como nieve.

La zona de muestreo del suelo Alfisol corresponde a la Región del Biobío, Comuna de Quillón (36° 44' 23, 92'' S y 72° 29' 22, 26'' O); pertenecen al secano costero ubicado en la vertiente oriental de la Cordillera de la Costa. Estos suelos son de textura arcillosa, con fuerte pendiente (>15%) y densidad aparente 1.4 kg m^{– 3}. El clima es mediterráneo con una estación seca (seis meses), seguida por un periodo húmedo con una precipitación promedio anual de 1100mm (Celis et al., 2006). Las muestras de ambos suelos fueron tomadas desde los primeros 20 cm de profundidad.

Los tipos de lodos fueron: urbano municipal, de la planta de tratamiento de aguas servidas de la ciudad de Coyhaique (45° 34' S; 72° 04' O); piscicultura salmonídea, de estanques de acumulación de residuos del cultivo de alevines, localizada a 10 km de Puerto Octay (40° 56' S; 72° 53' O); y salmonídeo lacustre, extraído debajo de jaulas de crianza, usando una draga a 20 m de profundidad del fondo del lago Tarahuín (42° 46' S; 73° 42' O). Los lodos fueron secados a temperatura ambiente (20±2 °C)y pasados por tamiz de 2 mm.

Los resultados de los análisis de MO, según técnica Walkley–Black digestión húmeda (Sadzawka et al., 2006), fueron: Alfisol (2.5%), Entisol (2.9%), lodo urbano 49.9%, lodo de piscicultura 20.7%, y lodo de salmonicultura lacustre 18.3%.

Preparación del ensayo

Para ambos tipos de suelos se estableció un experimento con macetas en invernadero, con ocho tratamientos, tres repeticiones, y un diseño experimental completamente al azar; la unidad experimental fue la maceta. Los tratamientos fueron: lodo urbano (LU), lodo de piscicultura salmonídea (LP) y lodo salmonícola lacustre (LL), aplicados al suelo en dosis de 25, 50, 75, 100 y 150 t ha^–1. Además hubo dos tratamientos adicionales sin lodo: suelo con siembra de Lolium multiflorum (TC); y suelo TC más fertilización inorgánica (FN) de 140 kg N ha^–1, 131 kg K₂O ha^–1 y 200 kg P₂O₅ha^–1. Se incluyó un testigo absoluto de solo suelo (TS). Para calcular las dosis de lodos y de fertilizante para cada suelo se consideró 1 kg de suelo por maceta, la densidad aparente del suelo correspondiente y la profundidad de muestreo. Los dos suelos fueron tamizados por malla 2 mm para homogenizar el material inicial. Una vez establecidos los tratamientos, las macetas fueron cubiertas completamente con bolsas de polietileno e incubadas por 30 d a 25 °C y 60–70% capacidad de campo. Los tratamientos TC y FN fueron sembrados con L. multiflorum L. variedad Winter star, con una dosis de 30 semillas por maceta, manteniendo 60% capacidad de campo y 20 °C. El experimento duró seis meses, y al final se determinó la distribución y la estabilidad de los agregados en cada maceta.

El suelo de cada maceta fue secado a temperatura ambiente (20±2 °C), se tomaron muestras de suelo que fueron secadas en horno a 40 °C por 24 h (Le Bissonnais, 1996), y pasadas por tamiz de 4 mm. Luego se transfirieron 100 g de cada muestra a un conjunto de tamices, de mayor a menor: 2; 1; 0.5; 0.25 y 0.05 mm (diámetro). Los tamices se sumergieron 15 min en agua y se agitaron a 25 ciclos min^–1 (Yoder, 1936).

Para el suelo Entisol, el porcentaje de agregados por tamaño se calculó de la masa seca de los agregados que quedaron en cada tamiz con relación al total de la muestra. El diámetro peso medio (DPM), indicador de la estabilidad de los agregados, se determinó según la fórmula de Kemper y Rosenau (1986).

Para el suelo Alfisol, debido a la presencia de una gran cantidad de gravilla cuarzosa, se descontó la fracción de arena y grava cuarzosa. Para ello, el contenido de agregados en cada tamiz se puso en un matraz de 50 mL y se cubrió con NaOH 0.5 N por 24 h. La muestra se agitó mecánicamente por 2 min a 15 000 ciclos min^–1, para disgregar los agregados en partículas básicas; luego estas partículas se desplazaron mediante un flujo constante de agua sobre un tamiz de 0.05 mm. Una vez separada la fracción arenosa, se secó a 105 °C por 24 h, y se descontó de la masa original de supuestos por tamiz.

Análisis estadístico

El diseño experimental fue completamente al azar con tres repeticiones por tratamiento. Los datos fueron analizados mediante ANDEVA y las medias analizadas con la prueba de Tukey (p< 0.05). Los valores se transformaron mediante la expresión para introducir los datos al programa SAS versión 8.1 para Windows (SAS Institute Inc, Cary, NC, USA).

RESULTADOS Y DISCUSIÓN

Enmiendas en el Entisol

En todos los tratamientos dominaron los macroagregados con diámetros de 1 a 0.25 mm (Cuadro 1). Los tratamientos con mayor proporción de macroagregados fueron LU a 100 y 150 t ha^–1 (64.1 y 64.2%), lo cual causó un aumento promedio del 12.5%. Al contrario, el testigo TS resultó con la mayor proporción de microagregados (<0.25 mm). La mayor proporción de macroagregados presentado por los tratamientos con aplicaciones de LU (100 y 150 t ha^–1), se explica por el aporte de MO que hace el lodo urbano (49.9% MO) al suelo. En la mayoría de los suelos la MO tiene una función fundamental en la formación de agregados (Tisdall y Oades, 1982; Golchin et al., 1994).

Las enmiendas con lodos de piscicultura en el Entisol, al igual que los lodos urbanos, muestran un predominio de los macroagregados de 1 a 0.25 mm (Cuadro 2). Hubo un aumento en la proporción de macroagregados con dosis crecientes de lodos: los valores fueron más altos (p< 0.05) en los tratamientos LP a 100 y 150 t ha^–1 (67.4 y 65.9%). Esto significó un incremento de 18% en macroagregados con aplicaciones de 100 t ha^–1 de LP, comparado con el testigo TS. Los valores de DPM variaron entre 0.26 a 0.50 mm; el valor más alto (0.50 mm) fue con 150 t ha^–1 de LP, esto es una mejora de 85% con respecto al testigo TS. Similarmente para las enmiendas con lodo urbano, FN alcanzó 61.8% de macroagregados y su DPM fue menor (p< 0.05) respecto a los tratamientos LP a 100 y 150 t ha^–1.

Los lodos de salmonicultura contienen grandes cantidades de MO, lo que favorece la agregación estructural de los suelos (Mazzarino et al., 1997; Annabi et al., 2007; Salazar y Saldaña, 2007). En el presente estudio, los lodos de piscicultura mostraron 20.7% de MO.

Las enmiendas con lodos salmonícolas de lago (Cuadro 3) tuvieron un menor efecto en la formación de agregados mayores a 0.25 mm y en su estabilidad. Los tratamientos con este tipo de lodo no presentaron diferencias significativas con el testigo TS. No obstante, una aplicación de 150 t ha^–1 aumentó hasta 8.9% la proporción de macroagregados, junto con un aumento de 11.1% en su estabilidad. La menor respuesta del lodo LL a la formación y estabilidad de macroagregados obedecería a su menor contenido de MO (18.3%), comparado con LU (49.9%) y LP (20.7%). Además, LL presenta un estado de reducción porque se obtiene bajo una columna de agua de más de 20 m de profundidad, lo que no favorece a la biomasa microbial y fungosa del suelo importante en la formación de agregados (Gupta y Germida, 1988; García–Oliva et al., 2004). Sin embargo, el tratamiento con fertilización inorgánica y siembra (FN) no se diferenció de los tratamiento LL (100 y 150 t ha^–1), debido a que la fertilización y el sistema radicular del ballico sembrado favorecieron de similar manera la formación y estabilidad de los agregados (Carter, 2004).

Enmiendas en el Alfisol

En el Cuadro 4 se observa que en general la agregación de este suelo fue baja debido a la excesiva presencia de arenas, que variaba de 26.1 a 40.1% (sumando micro y macroagregados). Las enmiendas con lodos urbanos a 100 y 150 t ha^–1 presentaron valores significativamente mayores (p<0.05) de macroagregados con respecto a los demás tratamientos (34.1 y 33%). Enmiendas con 100 t ha^–1 lograron 79.5% de incremento respecto del testigo TS. Los tratamientos con 100 y 150 t ha^–1 alcanzaron una mayor (p<0.05) DPM, con 0.40 y 0.42 mm, lo que corrobora que esta respuesta positiva es atribuible al mayor aporte de MO (Guerrero et al, 2001; Ellies, 2004; Sandoval et al., 2007). En comparación, los tratamientos LU a 25, 50 y 75 t ha^–1 no difirieron significativamente de los tratamientos TS, TC y FN, los cuales mostraron baja formación de macroagregados y poca estabilidad.

Los tratamientos TC y FN no se diferenciaron significativamente en la cantidad de macroagregados del testigo TS. Por tanto, se infiere que no hubo una destacada participación del sistema radicular en la formación de macroagregados, a diferencia del suelo Entisol donde las raíces sí tuvieron un efecto positivo en la agregación. La formación de macroagregados y su estabilización se estimula con el crecimiento radicular y la actividad microbiológica del suelo (Carter, 2004), los cuales son esenciales en el mejoramiento de la estructura del suelo (Chan et al., 2003).

Las enmiendas con lodo urbano a dosis altas en el Alfisol presentaron mayor cantidad de macroagregados y mejor estabilidad, al igual que en el Entisol. Estos lodos mejorarían las propiedades físicas del suelo, incluyendo la estabilidad de agregados (Guiding et al., 1988; Pagliai et al., 2004; Annabi et al., 2007). Según Guerrero et al. (2001), aportes de hasta 5% de lodos urbanos aumentan hasta 78% el DPM respecto a la condición inicial de un suelo con 7.5% MO, lo que proporcionaría protección del suelo ante la erosión (Roldán et al., 1996).

Las enmiendas con lodos salmonícolas de piscicultura en el Alfisol (Cuadro 5) muestran que hubo un aumento en los macroagregados, respecto del testigo TS Los valores de DPM fluctuaron entre 0.10 y 0.24 mm, que corresponden a un sistema muy inestable (Le Bissonnais, 1996). Los tratamientos LP a 75 y 100 t ha^–1 difirieron estadísticamente (p<0.05) de los otros tratamientos y del testigo TS. El valor de DPM aumentó (de 0.10 a 0.24mm) al aplicar dosis crecientes de lodos de 25 a 100 t ha^–1, y este último tratamiento produjo el mayor aumento en la estabilidad (140%). Este mejoramiento en la proporción de macroagregados y en su estabilidad se puede explicar por el aporte de MO del lodo de piscicultura (20.7%), porque es una variable física que favorece la agregación del suelo (Annabi et al., 2007).

Las enmiendas con lodos salmonícolas lacustres (Cuadro 6) indican un dominio de macroagregados aunque no superaron 25% del total de la muestra evaluada. Los valores de DMP fluctuaron entre 0.10 y 0.29 mm, que corresponde a un sistema muy inestable (Le Bissonnais, 1996). Los tratamientos LL a 50 y 100 t ha^–1 difirieron estadísticamente (p<0.05) de los otros tratamientos y de TS. Las enmiendas a 100 t ha^–1 aumentaron en 27.4% la proporción de macroagregados respecto de la condición inicial del suelo. Hubo una tendencia al mejoramiento de la estabilidad de los agregados al aplicar dosis crecientes de lodos, donde el tratamiento LL a 100 t ha^–1 mostró el valor más alto de DPM (0.29 mm). Este aumento se tradujo en un mejoramiento de 200% del DPM, que es mejor al límite establecido por Le Bissonnais (1996) para un suelo estable. Esta mayor estabilidad se traduce en un aumento del diámetro medio de los agregados favoreciendo el movimiento del agua y del aire (Ellies, 2004). El tratamiento FN presentó respuestas favorables a la agregación, semejantes a las mayores dosis de lodos enmendados. No obstante, la estabilidad de los agregados resultó menor que en los tratamientos con lodos urbanos y de salmonicultura. Esto concuerda con Bronick y Lal (2005), quienes señalan que la estabilidad de los macroagregados aumenta con altos contenidos de MO, siendo significativo en las enmiendas con lodos usados en el presente estudio.

CONCLUSIONES

Las enmiendas con lodos urbanos y salmonícolas aumentaron la proporción y la estabilidad de los macroagregados en el suelo Entisol y Alfisol en um periodo de seis meses. En el Alfisol, la proporción de macro y microagregados no sobrepasó 40% del total, debido a que la masa de suelo está predominantemente constituida por grava cuarcífera. Esto es importante en las evaluaciones físicas de este suelo, cuyos resultados pueden ser influenciados por esta condición.

La aplicación de lodos urbanos fue más efectiva que las enmiendas con lodos salmonícolas en el mejoramiento de los indicadores de agregación y estabilidad en ambos suelos, en especial con dosis de 100 y 150 t ha^–1. Por el contrario, las enmiendas con lodos salmonícolas lacustres fueron menos efectivas, especialmente en el suelo Entisol.

AGRADECIMIENTOS

Esta investigación fue financiada por el proyecto DIUC 209.123.011–011sp de la Universidad de Concepción, Chile.

LITERATURA CITADA

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