Scientific registration n : 1765 Symposium n : 21 Presentation : poster. ORTIZ Oriol, ALCAÑIZ Josep Maria

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1 Scientific registration n : 1765 Symposium n : 21 Presentation : poster Actividad biológica de suelos calizos tratados con lodos de depuradora Activité biologique des sols traités avec des boues de station d'épuration Biological activity of limestone soils treated with sewage sludge ORTIZ Oriol, ALCAÑIZ Josep Maria C.R.E.A.F., Centre de Recerca Ecològica i Aplicacions Forestals - Unitat d Ecologia. Facultat de Ciències, Universitat Autònoma de Barcelona, Bellaterra, Catalunya (Spain). ibecb@cc.uab.es Introducción La utilización de lodos de depuradora en la restauración de suelos de canteras es una práctica de reciente implantación en el Estado español que se encuentra actualmente en fase de experimentación en condiciones reales. Se desarrollan trabajos de investigación en este campo, para conocer los posibles riesgos y limitaciones de ésta práctica, y se establecen criterios dirigidos a la determinación de la dosis y forma de aplicación óptimas de los lodos en cada caso. Estos trabajos se vienen desarrollando sobre varios substratos geológicos y bajo condiciones climáticas también diversas. El uso de estos biosólidos en labores de restauración de suelos presenta, respecto a su uso agrícola, la principal diferencia de consistir en una única aplicación, en una dosis elevada, que debe preceder a los trabajos de revegetación de la zona afectada. Este hecho supone que los contenidos iniciales de materia orgánica en los suelos enmendados sean importantes, con los riesgos que esto implica de exceso de sales solubles, movilización de metales pesados, fuerte mineralización del nitrógeno y sobreproducción de nitratos, etc El trabajo que se presenta corresponde a un estudio de caracterización de la dinámica de la materia orgánica en un suelo calizo tratado con dosis elevadas de lodos. La utilización de mezclas suelo-lodo en proporciones experimentales anormalmente altas en condiciones reales ha permitido describir con detalle los principales procesos de mineralización de la materia orgánica que se producen en el suelo después de la aplicación de estos biosólidos. El objetivo principal de este trabajo consiste en establecer la dosis máxima recomendable de lodos a aplicar, basada en la utilización de indicadores biológicos del suelo. 1

2 Diseño experimental, material y métodos Se prepararon un total de 24 parcelas experimentales de 5x5 m 2 y 0,3 m de grosor sobre una plataforma de arenisca caliza de una cantera situada en Mont-ral (Tarragona, Catalunya). El suelo de las parcelas se obtuvo mediante la mezcla de tierras que provenían de los horizontes A y B w de un Typic Xerochrept próximo a la zona de estudio y lodos de la estación depuradora de Lleida (Catalunya). Se elaboraron 6 tipos distintos de mezclas, en las proporciones del 10, 20, 30, 40, 60 y 80 % (peso seco lodo / peso seco tierra). Con cada mezcla se prepararon tres parcelas, otras tres recibieron tierra sola y otras tres únicamente lodos. En la tabla 1 se presentan las características más notables del suelo y de los lodos utilizados. Tabla 1. Principales características analíticas del suelo y los lodos utilizados en la preparación de las parcelas experimentales. Media ± desviación estándar para n=3. Parámetro Suelo Lodo Arena gruesa (g kg -1 ) 71 ± ± Arena fina (g kg -1 ) 264 ± 167 ± 8 Limo (g kg -1 ) 277 ± ± 42 Arcilla (g kg -1 ) 398 ± ± 44 N Kjeldahl (g kg -1 ) 1,46 ± 0,05 22,44 ± 0, C org (g kg -1 ),2 ± 0,6 177,6 ± 10,6 C/N 8,36 ± 2,4 7,91 ± 3,3 CO 2-3 (g kg -1 ) 115 ± ± 32 ph (H 2 O) 7,86 ± 0,03 6,59 ± 0,33 ph (KCl) 7,22 ± 0,03 6,45 ± 0,24 CIC (cmolc kg -1 ) 35,56 ± 3,92 15,87 ± 27,49 P Olsen (mg kg -1 ) 22,28 ± 5,7 470,27 ± 76,3 El suelo de las parcelas se muestreó mensualmente durante un periodo de un año. Las muestras frescas obtenidas se tamizaron a 2 mm de diámetro aparente para determinar los niveles de carbono orgánico por oxidación en vía húmeda (Carbono oxidable: Nelson & Sommers, 1982), la biomasa microbiana de carbono (Vance et al., 1987) y la actividad respiratoria por incubación y análisis del CO 2 por GC (Blackmer & Bremner, 1977). Con los resultados obtenidos en cada muestreo se pudo calcular el coeficiente de mineralización del carbono (Dommergues, 1960), la relación C mic /C org (Anderson & Domsch, 1989) y el cociente metabólico microbiano (qco 2 : Anderson, 1994). El efecto de la dosis de lodo sobre las propiedades biológicas del suelo estudiadas se ha evaluado desde puntos de vista diversos, aunque complementarios. Por un lado, se han descrito las relaciones entre la dosis de lodo aportada, expresada en términos de C org, y los parámetros estudiados, al inicio del experimento y al cabo de un año. Por otro lado, las series temporales de datos de cada variable se han ajustado a funciones exponenciales (Anderson & Domsch, 1990) con objeto de describir tendencias temporales positivas (coeficiente r>0), negativas (r<0) o estables (r 0). En este último caso, la variable independiente se ha expresado como log(c org ), lo que aumenta sensiblemente los ajustes exponenciales. 2

3 Resultados En la tabla 2 se presentan los efectos iniciales y finales de la adición de los lodos sobre algunos parámetros biológicos suelo. Estos resultados de presentan en forma de regresión lineal simple frente al contenido de C org como regresor y el valor analítico de cada parámetro como variable dependiente. Como puede apreciarse, las consecuencias inmediatas de la aplicación de los lodos resultan en un incremento de la actividad respiratoria y la biomasa microbiana en relación a la dosis de lodo añadida. No obstante, el coeficiente de mineralización del carbono y el cociente metabólico microbiano no aumentan significativamente, hecho que demuestra que la variación es proporcional a la dosis de lodo. Por otro lado, las elevadas significaciones que se han obtenido demuestran que los incrementos en actividad respiratoria y biomasa microbiana son fundamentalmente explicables por la adición de los lodos. Tabla 2. Resultados de los análisis de regresión lineal para la evaluación de los efectos iniciales y al cabo de un año de la adición de lodos. En todos los casos, n=18. Las funciones obtenidas son de la forma y = β 0 + β 1 C org, siendo y el valor analítico del parámetro evaluado. Parámetro unidades tiempo (meses) Actividad respiratoria mg CO 2 g -1 h -1 0 Biomasa microbiana µg C mic g -1 0 C-CO 2 / C org g g -1 h -1 0 C mic / C org g 100g -1 0 qco 2 g g -1 h -1 0 : no significativo para α = 0,05. β 0 β 1 r 2 p -0,004-0,003 0,011 0,003 0,934 0,745-93, ,161 0, , ,48 0,891 6x10-5 4x10-6 0,215 0,002 2x10-4 0,409 0,0225 0,0008 Transcurrido un año de la aplicación de los lodos, todos los parámetros considerados presentan relaciones significativas con el contenido de C org. Cabe destacar que la actividad respiratoria y la biomasa microbiana presentan una relación menos acusada con la dosis de lodo, con unas funciones de regresión mucho más planas que en el momento inicial. Por otro lado, el coeficiente de mineralización del carbono y el coeficiente metabólico microbiano sí parecen estar relacionados con la dosis de lodo añadida, aunque en el mejor de los ajustes obtenidos (qco 2 frente a C org ), la dosis de lodo solamente explica en un 40,9% la variabilidad observada. La relación C mic / C org no presenta en ningún momento una relación significativa con la dosis de lodo, lo cual demuestra que la biomasa microbiana se encuentra en todas las parcelas en una proporción similar respecto al contenido de materia orgánica, sin producirse, por lo tanto, ningún tipo de inhibición sobre este compartimento. En relación a las series temporales obtenidas (tabla 3), la no significación de las funciones obtenidas para la actividad respiratoria y el coeficiente de mineralización del carbono pone de manifiesto que estos parámetros varían en el tiempo independientemente de la dosis de 3

4 lodo añadida. Por contra, el resto de los parámetros considerados sí presentan unas tasas de variación dependientes del contenido de C org. En el caso de la biomasa microbiana de carbono y de la relación C mic /C org, se puede apreciar que los coeficientes de variación r presentan valores positivos para dosis bajas de lodos, mientras que estos coeficientes resultan negativos para dosis más elevadas. Este hecho implica que las parcelas que han recibido dosis bajas o moderadas de lodos presentan una tendencia a aumentar en el tiempo su biomasa microbiana, en valor absoluto y en relación al contenido de materia orgánica. El coeficiente metabólico microbiano presenta una dinámica distinta, puesto que las tasas de variación temporal son siempre negativas, es decir, los valores de qco 2 tienen siempre una clara tendencia decreciente, más acusada cuanto mayor haya sido la dosis de lodo aplicada. Tabla 3. Resultados de los análisis de regresión logarítmica para la caracterización de las series temporales de datos. En todos los casos, n=18. Las funciones obtenidas son de la forma r = β 0 + β 1 log(c org ), siendo r los coeficientes de las funciones y t = y 0 e rt, donde y t e y 0 corresponden a los valores analíticos de cada parámetro en el tiempo t y al inicio, y t el tiempo en semanas. Parámetro unidades β 0 β 1 r 2 p Actividad respiratoria mg CO 2 g -1 h -1 Biomasa microbiana µg C mic g -1 0,009-0,013 0,504 0,0010 C-CO 2 / C org g g -1 h -1 C mic / C org g 100g -1 0, ,419 0,0070 qco 2 g g -1 h -1-0,046-0,016 0,595 0,0002 : no significativo para α = 0,05. Discusión Es interesante comprobar que los parámetros que más rápidamente responden a la adición de los lodos de depuradora son la actividad respiratoria y la biomasa microbiana de carbono. Estos incrementos se producen como consecuencia natural del aumento de materia orgánica fácilmente degradable en el suelo, de forma proporcional a la dosis de lodo añadida y de forma equilibrada, puesto que no se modifica significativamente el coeficiente metabólico microbiano. Estos resultados son acordes con los obtenidos por Lin & Brookes (1996) estudiando los efectos de la adición de residuos orgánicos sobre suelos con contenidos orgánicos similares, y son de gran importancia, puesto que en trabajos precedentes se había apuntado la posibilidad de algún tipo de inhibición de la mineralización de la materia orgánica bajo aportaciones elevadas de lodos (Ortiz & Alcañiz, 1993). En cuanto a las series temporales obtenidas, merece una especial atención el hecho de que la actividad respiratoria y su referente al contenido orgánico, el coeficiente de mineralización del carbono, no presentan una dinámica afectada por la dosis de lodo añadida. Es decir, en todas las parcelas se detecta una importante reducción de estos parámetros a lo largo del tiempo y las tasas que describen esta estabilización son similares para todas las parcelas, independientemente de su contenido de materia orgánica. La importante estabilización que experimenta en un año la actividad respiratoria de los suelos tratados con lodos de depuradora ha sido también descrita por Sopper (1993), y puede detectarse también mediante el coeficiente metabólico microbiano, que manifiesta una clara tendencia decreciente en todas la parcelas, de acuerdo con Anderson (1994), según el cual los 4

5 ecosistemas maduros tienden a presentar valores de qco 2 menores que sus equivalentes más jóvenes. Por su parte, la biomasa microbiana de carbono y la relación C mic /C org presentan tendencias temporales comparables. Las parcelas que han recibido dosis de lodos bajas o moderadas presentan una marcada tendencia positiva, es decir, experimentan un importante incremento de la biomasa microbiana que soportan, mientras que las parcelas que han recibido altas cantidades de lodos, a pesar del incremento inicial en C mic, experimentan una reducción muy importante de su biomasa microbiana. Esta constatación merece ser estudiada con detenimiento. Los importantes incrementos de la biomasa microbiana y de su actividad respiratoria conllevan una gran liberación al suelo de nutrientes que las plantas necesitan para su crecimiento, y este proceso se traduce en un gran desarrollo de la cubierta herbácea en pocos meses. Como consecuencia de este desarrollo, se produce un nuevo aporte de materia orgánica en el suelo, en forma de exudados radiculares, pequeñas raíces finas muertas, otros restos vegetales, etc. Se producen, pues, en el suelo, procesos de consecuencias distintas sobre la materia orgánica: la descomposición de los lodos añadidos y la incorporación de nuevos compuestos orgánicos de origen fundamentalmente vegetal. Es lógico pensar que en aquellas parcelas que han recibido dosis bajas de lodos predominan los procesos de reincorporación de materia orgánica, mientras que en aquellas que los han recibido en dosis más elevadas predominan los procesos de mineralización, con la consiguiente reducción de la biomasa microbiana. Dado que las funciones que describen el efecto de la dosis de lodo sobre las tasas de variación r de las series temporales y t = y 0 e rt son de la forma r = β 0 + β 1 ln(c org ), de estas expresiones puede despejarse el término C org con el objetivo de determinar qué valor toma cuando r=0, es decir, cuando la biomasa microbiana y la relación C mic /C org se mantienen constantes en el tiempo. Efectuando el cálculo del contenido de C org según este procedimiento se obtiene 1,99% para la biomasa microbiana y 1,89% para la relación C mic /C org. Este resultado puede ser interpretado en el sentido que los suelos de características edafológicas, climáticas y de uso similares a los estudiados tienden hacia unos niveles de carbono orgánico de alrededor de un 2%. De confirmarse esta hipótesis, el análisis del contenido de materia orgánica de suelos próximos y con usos similares a los previstos en las zonas a restaurar podría constituir un elemento más en la determinación de la dosis máxima de lodos aplicables en la restauración de suelos calizos. Conclusiones Los parámetros indicadores de la actividad biológica del suelo estudiados muestran una importante estabilización en un año de la materia orgánica aportada por los lodos de depuradora, sin que se hayan podido detectar efectos inhibitorios como consecuencia del tratamiento. Los distintos indicadores evaluados presentan respuestas similares a las que se han descrito para otros tipos de residuos orgánicos. La biomasa microbiana de carbono y la relación C mic /C org permiten detectar una cierta estabilización de los niveles de materia orgánica del suelo en niveles coincidentes. Según esto, los suelos que han recibido bajas dosis de lodos tienden a acumular materia orgánica, 5

6 mientras que los que la han recibido en exceso tienen tendencia a presentar una mineralización neta. Agradecimientos Este trabajo ha sido financiado parcialmente por el proyecto CICYT AMB y por una ayuda de la Junta de Sanejament de la Generalitat de Catalunya. Referencias -Anderson, T.-H Physiological analysis of microbial communities in soil: applications and limitations. In: K. Ritz, J. Gighton & K. E. Giller (eds.) Beyond the biomass. John Wiley & sons, BSSS, Sayce Publishing. -Anderson, T.-H. & K. H. Domsch Ratios of microbial biomass carbon and total organic carbon in arable soils. Soil Biol. Biochem., 21: Anderson, T.-H. & K. H. Domsch Application of eco-physiological quotients (qco2 and qd) on microbial biomasses from soils of different cropping histories. Soil Biol. Biochem., 22: Blackmer, A. M. & J. M. Bremner Gas chromatographic analyses of soil atmospheres. Soil Sci. Am. J., 41: Dommergues, Y La notion de coefficient de minéralisation du carbone dans les sols. L Agronomie Tropicale, XV(1): Lin, Q. & P. C. Brookes Comparison of methods to measure microbial biomass in unamended, ryegrass-amended and fumigated soils. Soil Biol. Biochem., 28: Nelson, D. W. & L. E. Sommers Total carbon, organic carbon, and organic matter. In: A. L. Page, R. H. Miller & D. R. Keeney (eds.) Methods of soil analysis. Part 2. Chemical and microbiological properties. American Society of Agronomy, SSSA, Madison, WI, USA. -Ortiz, O. & J. M. Alcañiz Respiration potential of microbial biomass in a calcareous soil treated with sewage sludge. Geomicrobiology Journal, 11: Sopper, W. E Municipal sludge use in land reclamation. Lewis Publishers. Boca Raton. -Vance, E. D.; P. C. Brookes & D. S. Jenkinson An extraction method for measuring soil microbial biomass C. Soil Biol. Biochem., 19(6): Palabras claves : actividad biológica, actividad respiratoria, biomasa microbiana, lodos de depuradora, materia orgánica, suelos calizos. Mots clés : activité biologique, biomasse microbienne, boue de station d'épuration, matière organique, respiration, sol calcaire. Keywords : calcareous soil, microbial biomass, organic matter, sewage sludge, soil biological activity, soil respiration. 6