Introducción

De acuerdo con la ^{Comisión Nacional del Agua (2011)}, en 2009 se trataron en México 88 m³ s^-1 (2.78 km³ año^-1) de agua residual doméstica, en 2029 plantas de tratamiento de agua residual (PTAR), caudal que representó solo el 42% del total colectado en sistemas de alcantarillado. Como resultado del tratamiento, se estimó una remoción de 610 mil Mg año^-1 de demanda bioquímica de oxígeno (DBO₅, con base en peso seco), de la cual alrededor del 50% es transformada en nueva biomasa en forma de lodos residuales. En la ciudad de Lerdo, Durango, se tiene instalada una PTAR que trata el 100% del agua residual urbana; el gasto que ingresa a la planta es de 200 L s^-1, con una producción de 4.1 Mg día^-1 de lodos residuales, los cuales son estabilizados por digestión aerobia. El método convencional para disponer de estos lodos residuales son los rellenos sanitarios o tiraderos a cielo abierto. Sin embargo, este método además de acortar la vida útil del relleno, tiene altos costos para las PTAR y representan un riesgo ambiental, ya que pueden contaminar el agua subterránea por lixiviación de N, provocar eutrofización de aguas superficiales por acumulación de nutrientes, acumular metales pesados en el suelo y causar riesgos a la salud humana por organismos patógenos (^{Figueroa et al., 2008}).

Cuando los lodos residuales de PTAR cumplen con la NOM-004-SEMARNAT-2002 (^{SEMARNAT 2002}), la cual establece las especificaciones y límites máximos permisibles de contaminantes para el aprovechamiento y disposición final de lodos, se les otorga el término de "biosólidos" y pueden ser aprovechados en suelos agrícolas, pastizales y bosques. Los biosólidos son materiales orgánicos ricos en nutrimentos, están compuestos principalmente por nitrógeno (N), fósforo (P) y materia orgánica (MO). El N y P son macro nutrientes esenciales para los cultivos, mientras que la MO además de aportar nutrientes, mejora las propiedades físicas, químicas y biológicas del suelo (^{Cogger et al., 2001}; ^{Figueroa-Viramontes y Cueto-Wong, 2003}).

Como el N es el elemento más abundante en los biosólidos (después del carbono, oxígeno e hidrógeno que componen la materia orgánica), la Norma de los EUA (^{US-EPA 2001}) señala que la dosis debe calcularse con base en: 1) la cantidad de N en los biosólidos que es disponible para el cultivo; 2) el N residual del suelo; y 3) el N que el cultivo requiere para obtener un rendimiento potencial, minimizando a la vez la lixiviación de nitratos. Los resultados de investigaciones muestran que en general se obtienen rendimientos similares o superiores con el uso de biosólidos con respecto a fertilizantes inorgánicos, cuando se aplican dosis que cubren el requerimiento del cultivo; lo anterior se ha reportado en algodón (^{Figueroa et al., 2008}), pasto alta fescue (^{Cogger et al., 2001}), sorgo sudán (^{Gilmour y Skinner, 1999}), sorgo forrajero (^{Hernández et al., 2005}) y maíz forrajero (^{Uribe et al., 2003}), entre otros. En avena forrajera, ^{Flores et al. (2008)} no observaron diferencias estadísticamente significativas en rendimiento de MS entre la aplicación de diferentes dosis de biosólidos (10, 20 y 30 Mg ha^-1), con respecto a un testigo sin aplicar; la falta de efecto de las dosis de biosólido fue atribuido a que el suelo tenía una concentración de N inorgánico de 28 mg kg^-1 antes de la siembra. Por otro lado, ^{Uribe et al. (2003)} registraron un incremento de 42% en el rendimiento de avena forrajera, con la aplicación de 40 Mg ha^-1 de biosólidos, con respecto al fertilizante en dosis de 160-60-00 kg ha^-1 de N-P₂O₅-K₂O.

Para estimar adecuadamente una dosis de biosólidos se debe considerar el porcentaje de N total y la tasa de mineralización de N, que es un indicador de la cantidad de N orgánico que pasa a formas inorgánicas disponibles para el cultivo. ^{Flores et al. (2007)} estimaron una tasa de mineralización de 20% al utilizar biosólidos en un ciclo de otoño-invierno de avena, cosechada a los 140 días. Como el proceso de mineralización depende de la temperatura ambiente, la tasa es mayor en cultivos de primavera-verano; por ejemplo, ^{Binder et al. (2002)} encontraron que un 40% del N total en biosólidos fue disponible en un ciclo de maíz. Un método indirecto para estimar la disponibilidad de N es mediante la técnica de equivalencia de fertilizante (EF), en la que se obtienen modelos de regresión entre las dosis de N con biosólidos (DN_bios) o con fertilizante (DN_fert) y el N extraído (N_ext) por el cultivo; el valor de EF es la dosis de fertilizante con el mismo valor de N_ext que una dosis dada de N total en biosólido; el N disponible al cultivo proveniente del biosólido (ND_bios) es entonces la proporción de DN_fert con respecto a la DN_bios que produce el mismo valor de N_ext (Motavalli et al., 1999; ^{Muñoz et al., 2004}; ^{Muñoz et al., 2008}). Sin embargo, no se tiene información regional sobre el porcentaje de disponibilidad de N en los biosólidos líquidos cuando se aplican en suelos agrícolas. Por lo tanto, los objetivos de la presente investigación fueron: 1) evaluar la respuesta agronómica de la avena forrajera a la aplicación de biosólidos líquidos; y 2) estimar el porcentaje de nitrógeno del biosólido que es disponible para un cultivo de avena forrajera.

Materiales y métodos

El experimento se realizó en las instalaciones de la PTAR Ecosistemas de Ciudad Lerdo S.A. de C.V., ubicada en Ciudad Lerdo, Durango, con coordenadas de 25° 34' 04" N y 103° 34' 31" O. El suelo donde se realizó el experimento es de textura limo arcilloso, con un contenido de N inorgánico (N-NH₄ ⁺ + N-NO₃-) de 10.7 mg kg^-1 y 0.56% de materia orgánica. El agua de riego utilizada fue agua residual tratada (Cuadro 1).

Cuadro 1 Caracterización química del agua de riego empleada. 

Los biosólidos utilizados fueron digeridos en un tiempo promedio de 12 días y contenían 1.3% de sólidos. De acuerdo a la NOM-004-SEMARNAT-2002 (^{SEMARNAT, 2002}), son catalogados como tipo "Excelente", clase "C", lo que permite que sean aprovechados con fines de mejoramiento de suelos y usos agrícolas (Cuadro 2). El fósforo en biosólidos se analizó de acuerdo al método de la ^{APHA (1998)}. El N total se analizó por el método Kjeldahl (^{Jhones, 2001}); la determinación de nitrato y amonio se realizó por arrastre de vapor en un equipo con titulación automática (Foss modelo 2300), en presencia de óxido de magnesio y aleación de Devarda (Mulvaney, 2006). Los metales pesados se analizaron en un espectrofotómetro de absorción atómica.

Cuadro 2 Características químicas y físicas del biosólido utilizado en las pruebas. 

Previo a la siembra, el suelo se preparó mediante un barbecho a 30 cm de profundidad, paso de rastra cruzado y nivelación con escrepa. La fecha de siembra de avena fue el 10 de diciembre de 2010 con la variedad Cuauhtémoc; el método de siembra fue al voleo, con una densidad de siembra de 120 kg ha^-1. Los tratamientos evaluados fueron tres dosis de N con sulfato de amonio y tres dosis de N con biosólidos, en ambos casos equivalentes al 67, 100 y 133% del requerimiento de N del cultivo (RNC) de avena forrajera, además de un testigo sin aplicación de N. El diseño experimental utilizado fue bloques al azar con tres repeticiones; la unidad experimental fue de 64 m² (8.9 × 7.2 m).

El RNC al 100% se estimó en 144 kg ha^-1 para un rendimiento esperado de 9 Mg ha^-1 (^{Núñez et al., 2010}). Al requerimiento anterior se restó el aporte del suelo y del agua de riego: el N inorgánico del suelo aportó 40 kg ha^-1, además de 9 kg ha^-1 provenientes de la mineralización de la materia orgánica del suelo (^{Castellanos, 2005}), y 21.3 kg ha^-1 que aporta el agua de riego (48 cm de lámina de riego con 4.43 mg L^-1 de nitratos). Del total anterior (70.3 kg ha^-1) se asumió un 70% de eficiencia, por lo que al RNC de 100% (144 kg ha^-1) se le restaron 49 kg ha^-1, quedando la dosis de fertilizante para cubrir el 100% del RNC en 95 kg ha^-1. Con base en el tratamiento anterior se calcularon las dosis al 67 y 133% del RNC (Cuadro 3). La dosis de biosólidos para aportar 95 kg ha^-1 (100% del RNC) se estimó asumiendo una tasa de mineralización de 35% del N orgánico en el biosólido (^{Gilmour et al., 2003}) y una eficiencia de uso del N de 70 %. Es decir, el N orgánico del biosólido aportó 293 × 0.35 = 103 mg L^-1 (Cuadro 3), más 76 mg L^-1 de nitrato + amonio, para un total de 179 mg L^-1; del aporte anterior se consideró un 70% de eficiencia de uso de N, o sea 179 mg L^-1 × 0.7 = 125 mg L^-1 de N aprovechable. La concentración anterior equivale a 0.125 kg m^-3, por lo que la dosis al 100% del RNC fue de (95 kg ha^-1 / 0.125 kg m^-3) = 760 m³ ha^-1; con base en la dosis anterior se calcularon los tratamientos al 67 y 133% del RNC (Cuadro 3).

Cuadro 3 Tratamientos de nitrógeno en función del requerimiento del cultivo. 

Las dosis de N, tanto con fertilizante sintético como con biosólidos, se aplicaron de manera fraccionada en 20, 40, 30 y 10% de la dosis en el riego de siembra y en los siguientes tres riegos, respectivamente. Se dieron tres riegos de auxilio cada 30 días después de la fecha de siembra, con una lámina de 12 cm cada uno.

En la cosecha (120 días después de la siembra) se midió la altura de 10 plantas por parcela. Para estimar el rendimiento de forraje en verde se cosecharon dos áreas de 1 m²; de la muestra anterior se tomó una submuestra de 200 g para secarse en una estufa de aire forzado a 65 °C, hasta llegar a peso constante, para estimar el porcentaje de MS. Con el dato anterior se determinó el rendimiento de forraje en base seca. Para evaluar la concentración de N en planta, se molieron muestras y se tamizaron en una malla de 1 mm de abertura (molino Thomas Wiley, modelo Mini-Mill, con tamiz integrado); la determinación de N fue mediante el método Kjeldahl (^{Jones, 2001}). La extracción de N (kg ha^-1) se calculó para cada parcela, multiplicando el rendimiento de MS (kg ha^-1) por la concentración de N total en planta (kg kg^-1).

Para estimar la disponibilidad de N en el biosólido se utilizó el método de EF descrito en la introducción (Motavalli et al., 1999; ^{Muñoz et al., 2004}; ^{Muñoz et al., 2008}), el cual implica análisis de regresión. Los datos experimentales se analizaron mediante ANOVA y la comparación de medias se realizó por el método de Tukey; además, el conjunto de tratamientos con fertilizante se comparó con el de estiércol mediante análisis de contrastes ortogonales. Todos los análisis estadísticos se realizaron con el programa SAS, versión 9.2 (^{SAS Institute, 2009}).

Resultados y discusión

La altura final de la planta de avena no fue estadísticamente diferente entre los tratamientos de biosólidos y fertilizante sintético sin importar la dosis (Cuadro 4), con una variación de 73 a 88 cm, comparado con 57 cm de las plantas sin fertilización nitrogenada. El rendimiento de forraje en MS, en promedio de los tratamientos con biosólido fue de 8.4 Mg ha^-1 mientras que con fertilizante sintético fue de 6.7 Mg ha^-1, diferencia que tuvo una Pr > F = 0.057, de acuerdo al análisis de contrastes ortogonales (Cuadro 4). Los rendimientos anteriores son menores a los reportados por ^{Flores et al. (2008)}, quienes registraron valores entre 16.6 y 17.6 Mg ha^-1 de MS de avena forrajera, cosechada a los 140 días después de la siembra, con la aplicación de 200 a 600 kg ha^-1 de N total con biosólidos. El menor rendimiento obtenido en el presente experimento pudo deberse a un menor ciclo de cultivo (120 dds) y al genotipo. El porcentaje de MS no fue afectado significativamente por los tratamientos, registrándose valores entre 32 y 36% (Cuadro 4), los cuales son mayores a los obtenidos en otros estudios (^{Sánchez et al., 2011}).

Cuadro 4 Altura de planta, rendimiento, materia seca y nitrógeno en planta, en respuesta a dosis de biosólidos y fertilizantes. 

RNC = requerimiento de nitrógeno del cultivo; MS = materia seca. Letras distintas en la misma hilera indican diferencias significativas, de acuerdo con Tukey (P < 0.05).

El tratamiento de 67% del RNC con fertilizante sintético (63 kg ha^-1 de N) registró el valor más alto de concentración de N en planta, con 2.32%; en conjunto, la concentración de N total en los tratamientos con fertilizante sintético (2.05%) fue mayor que con biosólidos (1.46%), de acuerdo con el análisis de contrastes ortogonales (Cuadro 4). La extracción de N por el cultivo fue estadísticamente igual en todos los tratamientos; lo anterior ocurrió aun cuando el N en planta fue mayor en los tratamientos con fertilizante, y se debió a que el rendimiento de forraje en MS tendió a ser más alto en los tratamientos con biosólidos (Cuadro 4). A pesar de que la concentración de N en planta fue menor con biosólidos, el valor de 1.46% del N total equivale a 9.1% de proteína cruda (PC) en el forraje, cuyo valor es adecuado para la etapa de corte en que se evaluó el rendimiento (^{Colin et al., 2009}). El valor de PC en cereales forrajeros como la avena, disminuye conforme el ciclo de cultivo se alarga; así, ^{Flores et al. (2008)} obtuvieron 5.7% de PC (0.91% de N total) en avena cosechada a los 140 dds.

La extracción de N mostró un incremento lineal en función del N aplicado (Figura 1), tanto cuando se aplicó fertilizante sintético (r² = 0.87) como cuando se aplicó biosólido (r² = 0.77), considerando todo el rango de dosis evaluadas. Al considerar el N_ext en el tratamiento de 100% del RNC con biosólidos (103.2 kg ha^-1, Cuadro 4), se observó que dicho valor de N_ext corresponde a una dosis de N con biosólidos (DN_bios) de 160.9 kg ha^-1 (Figura 1), estimada con la ecuación de regresión. El mismo valor de N_ext se obtuvo con una dosis equivalente de fertilizante (EF) de 37.5 kg ha^-1. En el caso del fertilizante, el valor de N_ext fue menor que la dosis aplicada porque parte del N_ext proviene del suelo y del agua de riego; resultados similares han sido observados en otros estudios (^{Figueroa et al., 2010}). Con los valores de equivalencia de fertilizante se calculó el valor de N del biosólido disponible para el cultivo (ND_bios):

NDC_bios = 37.5 / 160.9 * 100 = 23.3%

Figura 1 Nitrógeno extraído por avena forrajera fertilizada con diferentes dosis de nitrógeno de dos fuentes: fertilizante sintético y biosólido. 

El valor de ND_bios está relacionado con la tasa de mineralización; en general, la tasa de mineralización de abonos orgánicos, como biosólidos, estiércoles o compostas, está en función de la temperatura, con valores más altos durante primavera y verano, mientras que en otoño e invierno la magnitud es más baja (^{Binder et al. 2002}; ^{Barbarick e Ippolito 2007}). El valor encontrado en el presente estudio coincide con ^{Barbarick e Ippolito (2007)}, quienes en un estudio de 12 años encontraron una tasa de mineralización de N en biosólidos entre 21 y 33% en trigo sembrado en septiembre. También en avena, ^{Flores et al. (2007)} registraron 20% de mineralización de N en biosólidos. En cultivos de primavera-verano como el maíz, ^{Binder et al. (2002)} estimaron una disponibilidad de N para el cultivo de 40%. La estimación del N disponible de abonos orgánicos como de biosólidos, es importante para el cálculo de dosis de aplicación mediante el método de balance utilizado en el presente estudio, evitando así aplicaciones excesivas y riesgos de contaminación.

Conclusiones