Caracterización fisico-química de residuos orgánicos compostados, evaluación de su potencial nutritivo y aprovechamiento agrícola

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1 Caracterización fisico-química de residuos orgánicos compostados, evaluación de su potencial nutritivo y aprovechamiento agrícola S. Hernández 1, J. Pérez 2, A. Masaguer 2, E. Eymar 1 1 Dpto. Química Agrícola. Facultad de Ciencias C-VII. Universidad Autónoma de Madrid Madrid. 2 Dpto. Edafología. ETSI Agrónomos. Universidad Politécnica de Madrid Madrid. Resumen La generación creciente de residuos orgánicos, en especial restos de poda y biosólidos, es un problema medioambiental común en la mayoría de las grandes ciudades siendo una necesidad urgente valorizar de forma eficaz este tipo de materiales. En este trabajo se utilizaron tras compostaje previo: restos de poda urbana solos (RPU) y mezclados con biosólidos (RPB), corteza de pino (CP) y restos de poda hortícolas procedentes de Almería (RPH). Todos estos residuos se mezclaron con corteza de pino (25%). Se les realizaron los análisis de caracterización física y química convencionales, se realizaron espectros de resonancia magnética nuclear de los materiales (CP MAS 13 C RMN) para la caracterización de grupos funcionales mayoritarios. Al residuo RPH se le hizo un pretratamiento de lavado con agua para rebajar la conductividad eléctrica. Se utilizaron plantas de albahaca (Ocimum basilicum L.) que se trasplantaron en contenedores de 1 litro y se regaron únicamente con agua con el fin de evaluar durante 30 días el potencial nutritivo de dichos materiales. Los resultados obtenidos indican que todos los materiales son aptos en las condiciones ensayadas de invernadero para producir planta, aunque cada uno por sus propiedades constitutivas necesitará un manejo diferente del riego y de la fertirrigación. En este sentido, se observa que los materiales con mayor relación carbono/nitrógeno (C/N) como la corteza de pino CP (C/N igual a 38) producen en la planta mayores deficiencias de N y menores crecimientos, por lo que serán necesarias aplicaciones de fertilizantes nitrogenados para reducir esta C/N. Los biosólidos junto con los restos de poda urbana RPB (C/N igual a 14) suministran N suficiente para las primeras semanas de crecimiento. Estos materiales, con mayor concentración de N soluble en su composición permitirían por lo tanto un ahorro inicial en fertilizantes. Palabras clave: fertilizantes, sustratos de cultivo, albahaca, fertirrigación INTRODUCCIÓN Durante los últimos años se demuestra que el sector profesional de los sustratos de cultivo es capaz de aprovechar muchos subproductos generados en diferentes actividades de producción, facilitando una demanda creciente de materiales de desecho y valorizándolos (Abad et al., 2005). Todos estos subproductos son materiales orgánicos de muy variada procedencia composición y propiedades, de los cuales con más o menos éxito han derivado los denominados sustratos alternativos eco-compatibles (López- Cuadrado y Masaguer, 2006). El reciclado, mediante compostaje, y la posterior valorización de estos residuos como sustratos o componentes de sustratos de cultivo reporta, entre otros, un beneficio ambiental, al eliminarse los residuos sin alteración relevante del equilibrio ecológico; y 165

2 agrícola, al recuperarse y aprovecharse la materia orgánica y los elementos fertilizantes contenidos en los mismos (Abad et al., 1997, 2001). Sin embargo, a pesar de esas ventajas y su enorme potencialidad, son muy escasos, por el momento, los compost de residuos vegetales hortícolas producidos, caracterizados y evaluados como sustratos para el cultivo sin suelo (Carrión et al., 2004). Los objetivos de este trabajo son, por un lado, evaluar el comportamiento de diferentes sustratos orgánicos basados en residuos forestales, urbanos y agrícolas. Por otro lado, conocer su incidencia sobre el crecimiento vegetal utilizando albahaca (Ocimum basilicum L.) como planta indicadora en condiciones de invernadero. MATERIAL Y MÉTODOS Se seleccionaron 4 tipos de materiales orgánicos residuales compostados: residuos forestales (compost corteza de pino CP-); Residuos urbanos (Compost de restos de poda urbana RPU- y Compost restos de poda urbana + biosólidos RPB-); residuos agrícolas (compost restos de poda hortícolas RPH-). El compost RPH mostró inicialmente valores muy elevados de conductividad eléctrica (C.E.) por lo que fue necesario hacer lavados con agua. Los últimos 3 residuos se mezclaron con corteza de pino (25%) para mejorar las propiedades físicas y químicas de los materiales. Se realizó a cada uno de los materiales una caracterización hidrofísica (densidad aparente seca (Das) y densidad real (Dr), materia orgánica (%M.O.), cenizas y curva de retención de humedad. La caracterización química de los materiales consistió en un análisis químico elemental (LECO CHNS-932 SIdI U.A.M.), en la extracción con agua destilada 1/5 en volumen (v/v) (norma UNE-EN (2001) y en el extracto se determinaron ph (norma UNE-EN (1999)), conductividad eléctrica (UNE-EN 13038, 2001), carbono hidrosoluble (Tapia, 2007), aniones por cromatografía iónica (Metrohm 861 IC advanced compact), cationes (Perkin Elmer 400 AAA. (UNE-EN 13652, 2002) y amonio por colorimetría (Cadahía y col., 2008). Se llevaron a cabo análisis espectroscópicos de infrarrojo (FTIR Bruker IFS60v) y de resonancia magnética nuclear (CP MAS 13C RMN; Bruker AV 400 WB). El experimento se realizó en el invernadero del departamento de Química Agrícola de la Universidad Autónoma de Madrid. Los contenedores empleados para el cultivo fueron de 1L de capacidad, sembrando 10 plantas (Ocimum basilicum L.) por tratamiento (una planta por contenedor). Análogamente se colocaron 5 contenedores por tratamiento sin planta. Se utilizó un sistema de riego con agua por goteo empleando goteros de 2 L h -1 (uno por contenedor). Después de julio se fertirrigaron todos los tratamientos con disolución nutritiva Hoagland y Arnon diluída al 50%. Semanalmente se realizó la medición del índice SPAD (Minolta 502). El peso fresco y seco de la parte aérea de las plantas y el peso seco de las raíces se determinaron al final del periodo Mayo-Julio. Todos los datos fueron analizados usando el programa estadístico SPSS v Las medias fueron comparadas usando ANOVA de un factor con el test de Duncan con una significación p 0,05, utilizando desviación estándar para determinar la variabilidad de las medidas. RESULTADOS Y DISCUSIÓN De las características hidrofísicas de los 4 materiales analizados (tabla 1), se observa que en todos se obtienen valores similares a los de otros autores que utilizan estas mismas mezclas como sustrato (López Cuadrado, 2006; Tapia, 2007). La mezcla con niveles de volumen de aire y agua total disponible más adecuados es la CP. 166

3 Dentro de los sustratos residuales ensayados, el porcentaje de materia orgánica (%M.O.) es más elevado en los sustratos CP y RPU (74 y 64 % respectivamente). El sustrato RPH tiene un 30% de M.O., por debajo del nivel aceptable de 35-40% considerado en la legislación (RD 824/2005), lo que impediría su utilización como enmienda orgánica (compost y compost vegetal), pero sí se podría utilizar como enmienda orgánica húmica. En la tabla 2 se observa que el compost CP tiene el porcentaje de C total más alto y menor concentración de carbono hidrosoluble (CH) indicando que sus componentes son más difíciles de degradar. Por el contrario el sustrato RPH contiene un %C total menor y una concentración de CH mayor, lo que indica que es más fácilmente degradable y su mineralización será más rápida con pérdidas mayores de CO 2. La concentración de CH y %C total en el sustrato RPU es parecido al sustrato CP y ambos presentan la misma materia orgánica, lo que podría indicar un comportamiento similar en su mineralización. El compost RPB contiene alto CH y un %C total significativamente igual al RPU, y se espera una mineralización más rápida que en el sustrato RPU debido a la presencia de biosólidos que son compuestos de fácil degradación (Fernández, 2007). El contenido más bajo de N total de un material orgánico proporciona una relación carbono/nitrógeno (C/N) alta que indicaría una mineralización más lenta (Castillo et al., 2000) como sucede en el sustrato CP que tiene menos nitrógeno total y significativamente diferente a los demás compost y el %C más alto. Lo contrario sucede con el RPH donde la relación C/N indica que la mineralización se lleva más rápidamente porque los microorganismos que descomponen los materiales orgánicos frescos utilizan el nitrógeno para la síntesis de sus proteínas celulares y al ser más abundante la actividad microbiana es más rápida la descomposición (Abad et al., 2005);. Según este autor una relación C/N entre 20 y 40 es considerada como óptima para el cultivo en sustrato. En las condiciones experimentales realizadas en este trabajo (sin suministro adicional de N a los materiales), el único material con una relación en ese intervalo es CP (C/N igual a 38). Por otro lado, para las enmiendas orgánicas (compost vegetal) se recomienda una C/N < 15 según RD 824/2005. En la tabla 3 se pueden ver las diferencias en el ph y se observa que el sustrato CP presenta un ph más bajo y el RPH mas alto. El rango de conductividad eléctrica requerido para un adecuado crecimiento del cultivo se encuentra entre 1,5 a 3,0 ds m -1, dependiendo de la especie (Carrasco et al., 2007). Se tienen niveles menores en todos los sustratos (tabla 3). En principio no sólo no se tendrán problemas de salinidad, sino que previsiblemente se pueden encontrar deficiencias de nutrientes, por lo que se debería incrementar la concentración de sales fertilizantes para el crecimiento vegetal. Se observa que el sustrato con mayores concentraciones de NH 4 + y NO 3 - respecto a los demás es el RPB, por lo que se espera que en las plantas se observe una deficiencia menor de este elemento ya que las formas de nitrógeno están disponibles. Los sustratos que presentaron concentraciones menores fueron RPU y CP sin diferencias significativas entre ellos. El sustrato CP es el compost orgánico que presenta las menores concentraciones de macronutrientes (Ca 2+, Mg 2+, K +, H 2 PO 4 - ) en forma soluble (tabla 4). Por el contrario el sustrato RPH aportaría a la fase líquida soluble mayores concentraciones de Ca, K y P. Ninguno de los materiales estudiados presenta problemas potenciales de Na + ni de Cl -, confirmado previamente con los valores tan bajos de conductividad eléctrica. Se obtuvieron espectros de resonancia magnética nuclear en estado sólido de 13 C (CPMAS RMN) de los compost. Los resultados se muestran en la tabla 5. Entre otros 167

4 aspectos se puede destacar que CP presentó una mayor composición de grupos aromáticos y fenólicos que los demás materiales, lo que indica una mayor presencia de moléculas derivadas de la lignina y una mayor resistencia a la degradación (Stevenson, 1994; Preston y Forrester, 2004). En los pesos de plantas de albahaca al final del cultivo (periodo mayo-julio) se obtuvieron diferencias significativas entre los tratamientos. En la tabla 6 se observa que es el RPB el que consigue mayores pesos de planta mientras que CP y RPU fueron significativamente iguales con los valores más bajos. En los pesos secos de raíces no se encontraron diferencias significativas. A veces la concentración de N puede ser correlacionada con el índice SPAD y éste puede dar una idea de la severidad de la deficiencia de este u otros nutrientes en general. En la figura 1 se observa la evolución del índice SPAD en las hojas de albahaca. Todas las plantas crecidas en los materiales orgánicos experimentan descensos del índice SPAD con el tiempo, aunque en los tratamientos RPH y RPB el descenso es menos acusado. El sustrato CP es el que obtuvo el menor valor en el índice SPAD y la deficiencia de N se hace más patente a lo largo del ensayo. Tras el muestreo realizado en julio, se observó que la aplicación a todos los tratamientos de una disolución Hoagland diluída al 50% las plantas recuperaban el crecimiento y se igualaban. El tratamiento que mejor se recupera tras la adición de una disolución nutritiva es el de CP. CONCLUSIONES Los residuos orgánicos estudiados en este trabajo mostraron su capacidad para que plantas de albahaca crezcan en él, especialmente si se les aporta una disolución nutritiva. El material CP al tener mejores propiedades físicas es el que mejor comportamiento proporciona en este sentido. Sin embargo, si se trata de aprovechar este material sin adición de fertilizante nitrogenado, las plantas experimentan una rápida deficiencia de N debido a su elevada C/N y su mineralización más lenta como consecuencia de la mayor presencia de derivados de la lignina en su composición. El material que mayor concentración de N soluble posee es el residuo de poda mezclado con biosólidos (RPB) y es el que mayores pesos de planta proporciona. El residuo de poda hortícola (RPH) contiene más nutrientes (P, K, Ca, Mg) que los demás, pero no por ello obtiene un mayor peso de planta. Agradecimientos Este trabajo se ha realizado gracias al Consejo Nacional de Ciencia y Tecnología (CONACYT) de México por la beca otorgada a Sandra Hernández. Referencias Abad, M., Noguera, P., Noguera, V., Roig, A., Cegarra, J. y Paredes, C Reciclado de residuos orgánicos y su aprovechamiento como sustratos de cultivo. Actas de Horticultura 19: Abad, M., Noguera, P. and Burés, S National inventory of organic wastes for use as growing media for ornamental potted plant production: case study in Spain. Bioresource Technol. 77:

5 Abad, M., Noguera, P. y Carrión, C Sustratos para el cultivo sin suelo y fertirrigación. En Cadahía, C. (coord. y dir.). Fertirrigación. Cultivos hortícolas frutales y ornamentales. 3 ed. Mundi- Prensa. España. 681 pp. Cadahía, C, Frutos, I. y Eymar, E La savia como índice de fertilización: Cultivos agroenergéticos, hortícolas, ornamentales y frutales. Mundi-Prensa. España. 250 pp. Carrasco, G., Ramírez, P. y Vogel, H Efecto de la conductividad eléctrica de la solución nutritiva sobre el rendimiento y contenido de aceite esencial en albahaca cultivada en NFT. IDESIA (Chile). 25, 2: Carrión C., Abad, M., Puchades, R., Fornes, F., Maquieira, A. y Noguera, V Caracterización de composts de residuos vegetales de origen hortícola como sustratos o componentes de sustratos de cultivo. Actas de las VII Jornadas del Grupo de Sustratos de la SECH. Madrid de Marzo. Castillo, E., Quarín, H.y Iglesias, C Caracterización química y física de compost de lombrices elaborados a partir de residuos orgánicos puros y combinados. Agricultura técnica (Chile). 60, 1: Fernández, J.M Transformaciones de la materia orgánica en suelos enmendados con lodos de depuradoras urbanas: implicaciones agronómicas y ambientales. Tesis Doctoral. Universidad Autónoma de Madrid. España. López- Cuadrado, M.C Estudio de sustratos de cultivo alternativos a la turba para la producción de planta ornamental en contenedor. Tesis Doctoral. Universidad Politécnica de Madrid. España. López- Cuadrado, M.C. y Masaguer, A Sustratos para viveros: conocer sus propiedades ayuda a su correcta utilización. Horticultura. vol. extra: Preston, C.M. and Forrester, P.D Chemical and carbon-13 cross-polarization magic-angle spinning nuclear magnetic resonance characterization of logyard fines from british Columbia. J. Environ. Qual. 33: Stevenson, F.J Humus Chemestry. 2 ed. John Wiley & sons, Inc. Estados Unidos. 496 pp. Tapia, Y.M Movilidad de metales pesados en sustratos de restos de poda y biosólidos, Ensayos de fitoextracción con Rosmarinus officinalis y Atriplex halimus. Tesis Doctoral. Universidad Autónoma de Madrid. España. Tabla 1. Caracterización física de los sustratos estudiados Sustratos Das Dr V a10 A.F.U. C.C.A. A.D.U. % % % (kg/m 3 ) (kg/m 3 ) % vol. % vol. % vol. % vol. Cenizas M.O Porosidad CP 0,23 a 1,7 a 24 b 25 d 6 d 25 b 25ª 74 d 86 c RPB 0,36 c 1,9 b 26 c 18 b 3 b 35 c 49 c 51 b 81 ab RPU 0,30 b 1,8 ab 20ª 22 c 4 c 22 a 35 b 64 c 83 b RPH 0,42 d 2,2 c 25 bc 9ª 2ª 43 d 70 d 30 a 80ª Niveles < >85 2 Referencia V a10 = volumen de aire en la zona de raíces, AFU= agua fácilmente utilizable, CCA= capacidad compensadora de agua, ADU= agua difícilmente utilizable, Das= densidad aparente seca, Dr=densidad real.d 1 Tapia, 2007; 2 Abad, et al., (2005) 169

6 Tabla 2. Porcentaje de hidrogeno, azufre, carbono y nitrógeno total de cada uno de los sustratos en extracto seco, relación C/N y Carbono hidrosoluble de extracto 1/5 v/v. Sustrato H% %S %C %N C/N Carbono hidrosoluble mg L -1 CP 4,53 c 0,20 b 36,95 c 0,97ª 38 c 189 a RPB 3,67 b 0,06ª 28,80 b 1,98 c 14 b 312 ab RPU 3,83 b 0,05ª 31,13 b 2,02 c 15 b 179 a RPH 2,45ª 0,17 ab 19,02 a 2,17 b 9 a 420 b (p 0,05) Tabla 3. ph, conductividad eléctrica y formas de nitrógeno presentes en extractos 1/5 v/v de los tratamientos analizados. Sustrato C.E(dS m -1 ) ph - NO 3 - NO 2 + NH 4 (mg L -1 ) CP 0,832 b 6,3 a 3 a 0,25 b 1 a RPB 1,130 b 6,8 b 60 c 0,12 a 7 c RPU 1,007 b 7,6 c 8 a 0,32 c 2 a RPH 1,136 b 8,7 d 27 b 0,65 d 3 b (p 0,05) Tabla 4. Concentración de aniones y cationes en los extractos 1/5 v/v de cada sustrato (mg L -1 ). Sustrato Ca 2+ Na + Mg 2+ K + Cl - - H 2 PO 4 CP 9,6 a 57 b 2,7 a 210,6 a 101,0 d 46,0 a RPB 52,7 c 18,1ª 6,9 c 286,1 c 80,1 c 193,2 c RPU 45,0 b 23,1ª 10,7 d 252,6 b 0 a 60,2 b RPH 476,6 d 28,0 a 4,2 b 440,1 d 40,7 b 206,3 d (p 0,05). 170

7 Tabla 5. Área relativa (porcentaje del área total) de los grupos funcionales de la materia orgánica determinado por CP-MAS RMN 13C para los materiales estudiados Desplazamiento Tipo de químico (δ) Cenlazado CP RPB RPU RPH 0 < δ 45 Alifático 11,8 16,2 24,5 27,1 45 < δ 60 N-alquilo 8,6 7,8 10,7 9,8 60 < δ 93 O-alquilo 37,8 33,7 26,1 25,3 93 < δ 110 Di-O-alquilo 9,2 9,7 7,7 6,7 110 < δ 140 Aromático 16,2 14,7 15,5 13,9 140 < δ 160 Fenólico 12,1 8,6 8,3 6,4 160 < δ 190 Carboxilo 4,1 8,2 7,0 9,5 190 < δ 220 Cetonas/amidas 0,2 1,1 0,2 1,3 Tabla 6. Peso fresco y seco de la parte aérea y peso seco de raíz (g), de los distintos tratamientos. Sustrato Peso fresco parte aérea (g) Peso seco parte aérea (g) Peso seco raíz (g) CP 14,9 ± 3,2ª 3,2 ± 0,8ª 3,37 ± 1ª RPB 98,7 ± 16,3 c 20,7 ± 3,5 c 3,5 ± 0,7ª RPU 12 ± 1,8 a 2,0 ± 0,29ª 3,1 ± 0,6ª RPH 57,7 ± 3,1 b 11,7 ± 1,2 b 3,5 ± 1,1ª (p 0,05). ÍNDICE SPAD 40,0 35,0 30,0 u.a. 25,0 20,0 15,0 10,0 INI fecha CP RPU RPB RPH Fig. 1. Evolución del índice SPAD en las hojas de albahaca (Ocimum basilicum L.) 171