Lixiviación de potasio y contenidos nutrimentales en suelo y alfalfa en respuesta a dosis de vinaza*

Potassium leaching and nutrient content in soil and alfalfa's response to a dose of vinasse

Patricia Flores Rodríguez¹, Francisco Gavi Reyes^1§, Elibeth Torres Benites¹ y Elizabeth Hernández Acosta²

²Departamento de Recursos Naturales de la Universidad Autónoma Chapingo. Carretera México-Texcoco km 36.5, Chapingo, Texcoco, Estado de México. C. P. 56230. (elizahac@yahoo.com.mx).

* Recibido: octubre de 2011
Aceptado: agosto de 2012

Resumen

Bajo condiciones de invernadero y con base a la concentración de potasio (K⁺) en la caracterización química de la vinaza, se evaluó el efecto de diferentes dosis (0, 250 y 500 kg ha^-1 de K⁺) sobre el suelo, en columnas de cloruro de polivinilo (PVC), empleando lisímetros de succión a dos profundidades (23 y 46 cm) y muestras al final de la columna (75 cm). En lixiviados se evaluó la concentración de K, el efecto sobre pH y conductividad eléctrica (CE), como cultivo indicador se uso alfalfa (Medicago sativa), efectuándose dos cortes, en un periodo de 120 días y una aplicación de vinaza al inicio del experimento y otra después del primer corte. En muestras de plantas las variables fueron materia seca, N_T, B, Ca, Cu, Fe, K, Mg, Mn, Na, P, Zn y NO₃ en suelo se consideró CE, pH, NH₄, NO₃, P, K, Na, Ca, Mg, Fe, Cu, Zn Mn y MO (materia orgánica). En el análisis estadístico la dosis 500 kg ha^-1 de K tuvo efecto sobre la fertilidad del suelo, registrando un incremento en: MO, NH4, P, Ca, Na, Mg, Fe, Cu, Zn, Mn y K. La CE y K el mayor efecto (p< 0.05) fue en los 10 cm en suelo y en lixiviados el efecto (p< 0.05), fue a los 23 cm de profundidad, para ambas aplicaciones de vinaza. El pH no presentó cambios (p< 0.05), con la aplicación de vinaza. En tejido vegetal los nutrimentos que aumentaron (p< 0.05) fueron para P= 1939.2 y Zn= 28.63 mg kg^-1 para dosis 500 kg ha^-1, en relación al control el P= 1025.2 y Zn= 14.17 mg kg^-1 respectivamente. Por lo anterior el uso de la vinaza, como insumo de nutrición vegetal, es recomendable.

Palabras calve: Medicago sativa, conductividad eléctrica, lisímetros, pH.

Under greenhouse conditions and based on the concentration of potassium (K⁺) in the chemical characterization of Vinasse, the effect of different doses (0. 250 y 500 kg ha^-1 de K⁺) was evaluated in the soil, in columns of polyvinyl chloride (PVC), using suction lysimeters at two depths (23 and 46 cm) and samples at the end of the column (75 cm). In Leaching, the K concentration, the effect on pH and the electric conductivity (CE) was evaluated; as the crop indicator, alfalfa was used (Medicago sativa), making 2 cuts in a period of 120 days and applying vinasse at the beginning of the experiment and then again after the first cut. In plant samples, the variables were dry material, N_T, B, Ca, Cu, Fe, K, Mg, Mn, Na, P, Zn and NO₃ in soil, CE, pH, NH₄, NO₃, P, K, Na, Ca, Mg, Fe, Cu, Zn Mn abd MO (organic material) was considered. In the statistical analysis of the K dose of 500 kg ha^-1 there was an effect on the soil fertility, registering an increase in MO, NH4, P, Ca, Na, Mg, Fe, Cu, Zn, Mn y K. La CE and K. The greatest effect (p< 0.05), was in 10cm of soil. In leached soil, the effect (p< 0.05) was at a depth of 23 cm for both applications of vinasse. The pH did not show changes (p< 0.05), with the application of vinasse. In plant tissue, the nutrients that increased (p< 0.05) were for P= 1939.2 and Zn= 28.63 mg kg^-1 for the dose of500 kg ha^-1, with respect to the control, P= 1025.2 and Zn= 14.17 mg kg^-1 respectively. For the former, the use of Vinasse as an in input of plant nutrition is recommended.

Key words: Medicago Sativa, electrcity conductivity, lysimeters, pH.

Introducción

Uno de los principales problemas ambientales en la mayoría de los países productores de caña de azúcar, tanto en la producción de alcohol etílico, es la generación de residuos orgánicos conocidos como vinaza. Bermúdez et al. (2000), advierten que la vinaza e s altamente contaminante, debido a su bajo pH y elevada demanda química de oxígeno (DQO).

En México existen 16 destilerías que producen más de 50 millones de litros de alcohol etílico (CEFP, 2002) y generan entre 12 y 14 litros de vinaza por cada litro de alcohol etílico producido de la fermentación de melaza Pandiyan et al. (1999) en el caso de alcohol anhidro que genera de 10 a 15 litros de vinaza (Perret et al, 2010). Basanta (2007) caracteriza a la vinaza como un residuo alcohólico, viscoso con densidad aproximada de 4 a 10 °Brix, que a temperaturas y concentraciones altas es corrosivo. Bebe et al. (2009) asoció la aplicación de vinaza con la elevada concentración de K, además de encontrar un aumento Ca, Mg y Na en la composición del suelo. En general, los resultados presentados se puede verificar que la aplicación de vinaza en el suelo fue favorable en la fertilidad del suelo y en la calidad ambiental de los efluentes. La aplicación de vinaza al suelo genera cambios en algunas de las características físicas, químicas y biológicas, como: pH, disponibilidad de nutrientes principalmente K, cambios en la materia orgánica, capacidad de intercambio catiónico, conductividad eléctrica y la actividad biológica (Quintero, 2003).

Desde el punto de vista de la fertilidad, puede observarse la alta concentración de potasio en los primeros 30 cm del suelo (Brito y Rolim, 2005).Actualmente se está estudiando la aplicación de vinaza de forma concentrada, diluida y mezclada con otras abonos o fuentes convencionales de fertilización, como la mezcla utilizada por Gómez (2009), de urea-vinaza mostró que en un periodo de 30 días las pérdidas de nitrógeno por volatilización fueron bajas, debido a que la vinaza concentrada (sin diluir) tienen características quelatantes, ligantes y encapsulantes, evitando perdidas altas de nitrógeno.

Gómez (2009) considera a la vinaza un fertilizante orgánico que se caracteriza por una alta concentración de sólidos, materia orgánica, nitrógeno, potasio, azufre y elementos menores, con alta actividad microbiológica, la aplicación puede incrementar el contenido de materia orgánica y favorecer la fertilidad física, química y biológica de los suelos. Bianchi (2008) considera a la vinaza como un excelente abono para el suelo. Estudios realizados por Bebe et al. (2009), en suelos de baja fertilidad, demuestran un incremento del potasio disponible en el suelo, especialmente en los primeros 10 cm de profundidad, demostrando que en los suelos aplicados con vinaza el potasio es retenido y no se lixivia.

Esta investigación presenta una alternativa para la aplicación de vinaza como fuente de potasio en suelos cañeros, la modificación de la fertilidad variará en función a la dosis así como la extracción de nutrimentos del cultivo.

Materiales y métodos

La presente investigación se llevó a cabo en el invernadero del área de Hidrociencias del Colegio de Posgraduados en Ciencias Agrícolas, Campus Montecillo, Estado de México, el suelo utilizado fue de la región cañera del Ingenio el Potrero Nuevo, municipio de Atoyac, Veracruz; el sitio se localiza a 18° 52' 40.548" de latitud norte y 96° 48' 11.375" de longitud oeste, con una elevación de 542 msnm. El registro de las temperaturas máximas y mínimas promedio dentro del invernadero, fue de 30.45 y 7.5 °C respectivamente, en un periodo de 132 días.

Establecimiento del experimento

Se emplearon 6 tubos de cloruro de polivinilo (PVC) de diámetro interior de 15.24 cm y 75 cm de longitud (Figura 1). En la parte inferior del tubo o columna se colocó malla de plástico con orificios de apertura menor a 1 mm; para contener el suelo dentro de la columna y no interrumpir el flujo del lixiviado a la parte inferior (75 cm); la malla fue sujeta con alambre galvanizado al tubo de PVC. Para el llenado de columnas se cavó un perfil de 80 cm de profundidad en la zona aledaña al Ingenio El Potrero, se tomaron muestras de suelo a tres profundidades para análisis de fertilidad, se instalaron 2 lisímetros de succión por columna (23 y 46 cm de profundidad) se llenó con 12.8 dm³ de suelo a cada columna, al finalizar el experimento se extrajo el suelo de cada columna, a cuatro profundidades (0-10, 11-30, 31-55 y 56-65 cm). Las columnas fueron llevadas al invernadero del Campus Montecillo; donde se colocaron sobre una estructura, asegurando una posición vertical para captar el lixiviado de la parte inferior de la misma.

Utilizando el criterio de muestreo del PROY-NMX-AA-003/1-SCFI-2008 se tomó la muestra del canal de vinaza; punto cercano a la alcoholera de Zapopan, S. A. de C. V. ubicada en el km 9 de la carretera Potrero Atoyac a 1 km al este de la población Potrero Nuevo en el municipio de Atoyac, Veracruz.

Se realizaron dos cortes al cultivo de alfalfa durante el experimento. Las plantas de cada columna se cortaron 5 cm de la base, después se almacenaron en bolsas rotuladas de papel, para su secado, pesado, preparación y análisis químico.

Establecimiento del cultivo. Las semillas de alfalfa se depositaron en la parte superior (0.01824 m²) de las columnas inalteradas de suelo, utilizando una densidad de siembre equivalente a 30 kg semilla ha^-1; lo que resultó en 0.0547 g de semilla por columna. Se usó la variedad inoculada Júpiter.

Se aplicaron dosis de K equivalente a 500 y 250 kg ha^-1 en forma de vinaza, la cual tuvo un contenido de K de 7358 mg L^-1. El control de humedad en la columna fue por diferencia de peso, manteniendo las columnas de suelo a capacidad de campo. Los tratamientos fueron: columna adicionada con 124 ml de vinaza (equivalente a 500 kg ha^-1 de K), columna adicionada con 62 ml de vinaza (equivalente a 250 kg ha^-1 de K) y columna sin adición de vinaza, cada tratamiento con repetición. Este proceso inicio a los 14 días después de que germinó la alfalfa; se aplicaron los tratamientos; la periodicidad en toma y medición de lixiviados fue cada 2 días en un periodo de 10 días; posteriormente se realizó cada 4 y 7 días, se utilizó jeringa de 30 cm³ para extraer los lixiviados y crear el vacío (2 atm).

Determinaciones

Las muestras de suelo fueron secadas en el invernadero, tamizadas (malla Núm. 2), se realizaron las siguientes determinaciones (Cuadro 1). El análisis se realizó de acuerdo al método descrito por la NOM-021-SEMARNAT-2000, que establece las especificaciones de fertilidad, salinidad y clasificación de suelos.

Para las muestras de agua se utilizó el método propuesto por Richards (1990), evaluando el pH (Hanna Instruments), CE en mmhos cm^-1 (Bridge mod. 31), temperatura, aniones: CO₃^2- (titulación con ácido sulfúrico estándar 0.01 N), HCO₃^- (titulación con ácido sulfúrico estándar 0.01 N), SO₄² (Gravimetría), Cl^- (titulación nitrato de plata) y cationes: Ca²⁺+Mg²⁺ (titulación EDTA), Ca² (titulación EDTA), Na⁺ y K⁺ (Flamometría, AutoCal Flame-Photometer 643).

Las determinaciones en lixiviados fueron pH (Hanna Instruments), CE mmhos cm^-1 (conductímetro Bridge mod. 31), temperatura y K⁺ ppm (Flamometría, AutoCal Flame-Photometer 643). Se utilizó el método propuesto por Richards (1990).

El análisis de tejido vegetal de alfalfa (Cuadro 2) se dividió en dos cortes: muestras de tallos y hojas de la cosecha 1 y 2 respectivamente Ambos cortes se realizaron a los 60 días, con una permanencia del la alfalfa de 120 días en total. Previo al análisis las muestras se manejaron según Jones y Case (1990).

Diseño experimental

El diseño experimental utilizado fue un diseño completamente al azar (DCA) con arreglo factorial (3 X 3 X 12 para la cosecha 1 y el arreglo factorial 3 X 3 X 7 para cosecha 2). Los factores evaluados fueron: profundidad (23, 46 y 75 cm), dosis de K (kg ha^-1) y días de muestreo. Se realizó por separado para cosecha 1 y 2. La asignación de los tratamientos fue aleatoria a las unidades experimentales, las cuales fueron homogéneas.

Modelo estadístico para muestras de suelo: Yikj= μ+ Ti + Pj + P * Tij + εijk

Donde: T= tratamiento; P= profundidad; y εijk= error experimental de cada observación.

Variables respuesta: pH, CE, MO, N, P, K, Ca, Mg, Mn, Fe, Cu, Zn, Na, NH₄ y NO₃

Modelo estadístico para tejido vegetal: Yij= μ+ Ti + ε_ij

Donde: T= tratamiento y ε_ij= error experimental de cada observación.

Variables respuesta: N, P, K, Mg, Fe, B, Ca, Cu, Zn, Na, Mn, materia seca (MS) y NO₃^-.

Modelo estadístico para lixiviados: Y_{ikjl =} μ + T_i + P_j + P * T_ij + ε_ijk + D_l+ T*D_il + T*P*D_ijl + ε_ijkl

Donde: T= tratamiento; P= profundidad; D= días de muestreo; y ε_ijk= error experimental de cada Observación.

Las variables respuesta: CE, K y pH

Para el análisis estadístico se utilizó el Statical Análisis System versión 9.0 (SAS Institute, 2002), realizando análisis de varianza (ANOVA) para datos completos y generados de las muestras de suelo y tejido vegetal, para los datos incompletos fueron analizados con el procedimiento GLM (General Lineal Model).Las pruebas de comparaciones múltiples realizadas a los datos obtenidos fue la prueba de medias de Tukey (p< 0.05)

Resultados y discusión

Los resultados del análisis del agua (Cuadro 3) utilizada para el riego del cultivo de alfalfa durante el experimento no mostró ningún grado de restricción para uso agrícola según las clasificaciones para salinidad e índice de permeabilidad contra relación de adsorción de sodio (RAS= 0.58 meq L^-1) de Ayers y Westcot (1987).

El análisis realizado a la muestra de vinaza se realizó en el laboratorio nacional de fertilidad de suelos y nutrición vegetal del Instituto Nacional de Investigaciones Forestales, Agrícolas y Pecuarias (INIFAP), Campo Experimental Bajío (Cuadro 4).

La NOM-001-SEMARNAT-1996, que establece los límites máximos permisibles de contaminantes en las descargas de aguas residuales en aguas y bienes nacionales; que para este caso el tipo de receptor es el suelo siendo los valores para el promedio mensual para cobre de 4 mg L^-1 y 10 mg L^-1 para zinc, referidos específicamente para metales pesados. La concentración de vinaza rebasa los límites máximos permisibles, siendo para Cu de 12.23 mg L^-1 y 14.9 de Zn mg L^-1.

El valor de conductividad eléctrica indican alto riesgo de salinidad (Richards, 1990); esta característica de la vinaza se debe según Bautista et al. (2000a); a todos los iones presentes, ya que los iones H⁺ y OH^- son los que presentan mayor conductancia eléctrica y movilidad iónica; es decir, que los valores de CE no se deben a los iones y cationes, también influye el contenido de materia orgánica disuelta. Las concentraciones de K (%) vinaza en comparación con los fertilizantes potásicos; presenta una concentración baja (K₂O 0.77%), en comparación con KCl que presenta 60% de K₂O, o K₂SO₄ con 22% de K₂O; considerándose como una enmienda orgánica (Seoánez et al, 2003), conjunta con otros abonos minerales mejora sensiblemente la productividad del suelo y cultivos como el de la caña de azúcar. Para N (0.55%) y P (0.09%) las concentraciones son poco considerables.

Conductividad eléctrica en lixiviados. Las concentraciones de sales solubles en la interacción dosis (500 kg de K ha^-1) por profundidad (23 cm) tuvo diferencias estadísticas (p<0.05) para ambas cosechas, lo cual se debe a mayor concentración de iones (K⁺, Mg⁺², Na⁺ y Ca⁺²) y MO presente en la vinaza disminuyó el valor con la profundidad. Bautista et al. (2000b), encontraron que la aplicación de vinaza aumentó cinco veces el valor de la conductancia, para un suelo Acrisol, mientras que en el Fluvisol hubo incremento nueve veces mayor al valor inicial. Arafat y Tassen (2002), mencionan que los valores de sales solubles (CE) en suelo con aplicación de vinaza disminuyeron después de la cosecha; tal modificación puede atribuirse a la cantidad de agua aplicada durante el periodo de crecimiento de los cultivos, provocando lixiviado de sales fuera de la zona de raíz a profundidades mayores, lo cual corresponde con los resultados obtenidos (Cuadro 6).

pH en lixiviados. La interacción dosis por profundidad no fue significativa.

Concentración de potasio en lixiviados. La dosis 500 kg ha^-1, 23 cm profundidad fue estadísticamente diferente (p< 0.05) únicamente para la cosecha 2, al resto de la interacción, la diferencia se debe a la dosis, la mayor concentración de K a los 23 cm de profundidad (Cuadro 7). El incremento de valores del K, se debe al K que contienen las vinazas, lo cual concuerda con Arafat y Yenssen (2002) y Ng Kwong y Deville (1984) y Gómez (1995) indican que al incorporar dosis crecientes de vinaza, el contenido de K intercambiable aumenta; en la profundidad de 0-20 cm, con respecto a otras profundidades.

Efecto de vinaza en tejido vegetal (Cuadro 8)

El efecto de la vinaza en la dosis 500 kg ha^-1 de K tubo un aumento de 52.86% de P (1 939.2 mg kg^-1) y 49.49% de Zn (28.63 mg kg^-1), con respecto al testigo, lo cual puede atribuirse a la aplicación de vinaza; sin embargo, los valores obtenidos bajo esta dosis no cumplen con los valores obtenidos de alfalfa bajo condiciones óptimas, P= 3 300 mg kg^-1 y Zn= 37.40 mg kg^-1 (NRC, 1996) (Cuadro 9).

Efecto de vinaza en suelo

Las profundidades 1 y 2 son estadísticamente diferentes a la 4, lo cual implica un incremento de pH en los primeros 30 cm, aplicando la normatividad, el pH del suelo es medianamente alcalino (profundidad 1, 2 y 3), en la profundidad 4 el resultado de pH es neutro. Los resultados corresponden a los reportados por Orlando et al. (1983) y Brito y Rolim (2005) concluyen que en todas las dosis de vinaza aplicada y el pH del suelo se eleva; lo cual se deba al potencial de reducción que tiene la vinaza, sobre todo el contenido de la materia orgánica que es degrada fácilmente (Brito et al. 2009). El pH de la profundidad 1, se clasifica: medianamente alcalino (7.4 -8.5 medianamente alcalino, NOM-021. RECNAT-2000).

En la prueba de medias para las variables de respuesta significativas (p> 0.05), P y para las bases intercambiables (Na, Mg y Ca) en profundidad para el caso de P y Na, las profundidades 1 y 2 fueron estadísticamente diferentes de 3 y 4; los valores de las profundidades 1, 2 y 3 fueron estadísticamente diferentes entre sí, la 3 y 4 fueron iguales en relación al contenido de Mg; En el caso de Ca las profundidades 1 y 2 fueron estadísticamente diferentes de las profundidades 3 y 4. Las concentraciones de P, Na, Mg y Ca; fueron mayores en la profundidad 1, decreciendo en los siguientes estratos; como lo indican Bautista et al. (2000a), encontrando un aumento en el contenido de Mg y Ca intercambiable, al aplicar vinaza al suelo; lo cual es posible ya que el Ca y Mg y otros iones se encuentren fuertemente retenidos entre las arcillas del suelo y por el efecto de la materia orgánica contenida en vinaza.

Los resultados de Gómez (1995), evidencian que la aplicación de vinaza, puede substituir 72% del fósforo (P₂O₅), proveniente de la fertilización mineral. Bautista et al. (2000b), menciona que el aumento de P posiblemente se deba al efecto combinado del aumento de pH y de las condiciones reductoras (disminución de la formación de compuestos entre el Fe (III) y el ión PO₄³ por el cambio de estado de oxidación de Fe III a Fe II) y la formación de quelatos de Fe.

Bautista et al. (2000b), encontraron un aumento en la concentración Mn, Zn y Fe, en Cu no se detectó algún cambio, menciona que el aumento de Fe y Mn extraíbles son una evidencia de la presencia de condiciones reductoras ya que el Mg, participa en el proceso de descomposición de la materia orgánica, aceptando electrones. Bautista y Durán (1998), menciona el riesgo por contaminación de metales pesados presentes (para este caso Zn, Cu y Mn) en la vinaza; dichos elementos posiblemente se incorporen a la vinaza durante la preparación de la melaza para la posterior fermentación y obtención del alcohol etílico. Aplicando la NOM-021. RECNAT-2000 como criterio de clasificación de micronutrientes, para el caso de la profundidad 1, el contenido de Fe (40.34 mg kg ^-1 se clasifica: Adecuado Cu (0.96 mg kg^-1) Zn (2.52 mg kg^-1) y Mn (19.04 mg kg^-1)

La prueba de medias para CE, K y NH₄ para dosis 500 kg de K ha^-1 fue estadísticamente diferente (p< 0.05) al control (0 kg de K ha^-1), Paturau (1989) menciona que la CE aumentó significativamente comparado con el control, atribuyendo el aumento en gran medida a la saturación de potasio provocado por la aplicación de vinaza. Velloso et al. (1982) realizaron un estudio en columnas de suelo con características arenosas, donde fueron adicionadas dosis crecientes de vinaza (0, 50, 100, 150, 200y 400 m³ ha^-1), encontraron que el contenido de nitrato disminuyó y el del amonio fue creciendo conforme aumentaba la dosis. Arafat y Yassen (2002), registró altos valores de K intercambiable en suelos, lo más probable es este incremento se deba a la dosis (20 ml L^-1) de vinaza aplicada al suelo.

Aplicando la NOM-021. RECNAT-2000 como criterio de clasificación de bases intercambiables para el caso de K (0.045 cmol (+) kg^-1 se clasifica: muy baja (menor de 0.2 cmol (+) kg^-1)

Conclusiones

Con las aplicaciones de vinaza el contenido de K, aumentó (p< 0.05), considerablemente ya que en el análisis de suelo previo al experimento no se detectó, posteriormente la mayor concentración se dio a los 10 cm de profundidad del perfil del suelo en ambas dosis de vinaza (250 y 500 kg de K ha^-1), para el caso de lixiviados, fue a los 23 cm de profundidad para ambas dosis.

La CE de lixiviados y suelo, incrementaron (p< 0.05) en el tratamiento 500 kg de K ha^-1, a la profundidades 23 y 10 cm respectivamente, atribuyendo tal efecto por la adición de vinaza, para los dos cortes de alfalfa (cosecha 1 y 2). En el caso de pH aparentemente existieron cambios pero al realizar interacciones de dosis*profundidad*días de muestreo, se descartó tal efecto (p< 0.05).

La vinaza tuvo un efecto sobre la fertilidad del suelo ya que estadísticamente se comprobó (p< 0.05), tal efecto con los tratamientos sobre: materia orgánica, NH4, K, P, Ca, Na, Mg, Fe, Cu, Zn y Mn; siendo el de 500 kg de K ha^-1, donde se registraron mayores concentraciones.

El análisis de tejido vegetal de alfalfa para P= 1939.2 y Zn= 28.63 mg kg-1 las concentraciones que corresponden a dosis de 500 kg de K ha^-1 incrementaron (p< 0.05) en relación al control el P= 1025.2 y Zn= 14.17 mg kg-1 respectivamente.

Literatura citada

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