Condición hidrofísica y química de un suelo Haplustol éntico tratado con zeolita y residuos de feed lot

Los residuos orgánicos de feed lot (F) representan un recurso sumamente valioso para mejorar la fertilidad del suelo y aportar nutrientes esenciales a las plantas, principalmente nitrógeno (Herrero, 2014). La acumulación de este tipo de materiales y los riesgos ambientales derivados se han incrementado marcadamente en los últimos tiempos debido a la expansión de los sistemas intensivos de producción de carne o leche. Así, existen evidencias de procesos de contaminación del suelo, agua y aire en los propios sistemas de producción como así también en el área donde se aplican (Herrero y Gil, 2008).

 

Por otro lado, el uso de minerales en general, y de la zeolita (Z) en particular ha crecido en los últimos tiempos y se considera una de las innovaciones tecnológicas más destacadas para ser aprovechada en el ámbito agropecuario con fines de mejoramiento de la fertilidad de los suelos y la eficiencia de uso de recursos abióticos como agua y nitrógeno (N), principales factores limitantes de la productividad vegetal (De Campos Bernardi et al., 2013; Van Straaten, 2014; Herrmann y Torres Duggan, 2016). 

 

Dentro del grupo de las zeolitas naturales, la serie heulandita/clinoptilolita se considera especialmente importante por su abundancia en la naturaleza, capacidad de retención específica de amonio y de liberación progresiva de N a las plantas. Este mecanismo permite aumentar la asimilación de N en la biomasa vegetal y reducir pérdidas de N fuera del sistema suelo-planta, aumentando la eficiencia de uso del N aplicado a través de los abonos orgánicos, mitigando el impacto ambiental del N aplicado (Ramesh y Reddy, 2011).

 

La formulación conjunta de Z y F resulta en enmiendas órgano-zeolíticas (EOZ) que poseen buen potencial de aplicación en el ámbito local, teniendo en cuenta la disponibilidad de rocas portadoras de Z en yacimientos de la Argentina, como así también de una creciente generación de estiércoles y efluentes derivados de los sistemas intensivos de producción de carne y leche. 

Dichos efluentes, en términos generales, no son aprovechados como recursos dentro de los agroecosistemas, sino que representan un pasivo ambiental. Los mayores beneficios esperados de la aplicación de EOZ en agro-ecosistemas se presentan en suelos arenosos, caracterizados por bajos contenidos de MO, reducida CIC y muy baja capacidad de retención de agua. 

 

Estos suelos ocupan extensas áreas del territorio argentino tanto en zonas de secano como irrigadas (Duran et al., 2011; Panigatti, 2014). Sin embargo, la generación de tecnologías de manejo de Z, F y EOZ requiere de investigaciones básicas que permitan contribuir con nuevo conocimiento sobre las propiedades y funcionamiento de las enmiendas en el suelo. Por ello, en este trabajo se evalúa la viabilidad del uso de estas enmiendas en sistemas agropecuarios analizando dos aspectos: (1) los efectos sobre de la aplicación de Z, F y EOZ sobre la retención y disponibilidad de agua edáfica y (2) los cambios en propiedades químicas y físico-químicas del suelo.

 

 

Se realizaron dos tipos de estudios. En primer lugar, se formularon diferentes combinaciones de suelo con Z y F en un gradiente de succión mátrica para evaluar los cambios en la retención hídrica. En segundo lugar, se realizó un experimento en invernáculo donde se cultivó raigrás perenne (Lolium perenne L) y al final del ensayo se midieron los cambios en el pH, CE y CIC derivadas del agregado individual o combinado

de Z y F.

 

El suelo utilizado correspondió a un Hapludol éntico, serie Ameghino (Tabla 1). Luego de la extracción del suelo en el campo, el mismo se procesó en laboratorio utilizando metodologías de rutina Así, el suelo se homogeneizó, secó en estufa a 40ºC y tamizó por 2 mm. Se determinó: pH (potenciometría), CE (conductimetría), COT (Walkley y Black), N total (Kjeldahl), P extractable (Bray 1, cuantificación colorimétrica) según lo descripto en Sparks et al. (1996). Asimismo se cuantificó la concentración de nitratos en suelo por la técnica de diazotación con Snedd (Marban, 2005), amonio, CIC y cationes intercambiables (Richter et al., 1982). El fraccionamiento granulométrico (textura) se realizó según la metodología descripta en Ashworth et al. (2001). La medición de las constantes hídricas se realizó utilizando el método de Richards (1965).

 

La Z utilizada provino de yacimientos de la Cuenca de Paganzo (La Rioja). Con el fin de clasificar la roca portadora de la Z y la composición mineralógica de ésta, se integraron diferentes metodologías, como difracción de rayos X (DRX), análisis petrográficos en secciones delgadas de 30 μm y microscopía electrónica de barrido (SEM, EDS). 

 

Los resultados de los análisis por DRX de las rocas portadoras de Z (tobas vítreas) indicaron que la mismas están formadas mayoritariamente de Z de la serie Heulandita/clinoptilolita, en concordancia con los análisis químicos efectuados en diferentes secciones de las rocas (EDS) en el laboratorio de Microscopía Avanzada (CMA) de la FCEN de la UBA. En la mayor parte de las muestras analizadas, la relación Si/Al fue superior a 4, con un máximo de 4.3, valores considerados dentro del rango típico de la clinoptilolita (Russo et al., 2015). Los constituyentes minoritarios detectados en los análisis por DRX fueron plagioclasas, con contenidos accesorios de feldespato potásico, sin detectarse la presencia de filosilicatos. 

 

En la Tabla 2 se presenta la composición química, CIC, pH, pérdida de  calcinación y densidad aparente de la Z.

Tabla 2. Propiedades químicas, físicas y físico-químicas de la zeolita utilizada. 

El F utilizado en los diferentes estudios se obtuvo en un establecimiento de feed lot, tomado como barrido de corral. Para el análisis de las muestras se utilizaron métodos estándar de laboratorio, cuyos resultados se presentan en la Tabla 3.

 

Tabla 3. Principales características químicas y físicoquímicas del residuo de feed lot (F).

Evaluación de la retención hídrica gravimétrica en condiciones de laboratorio

Se formularon diferentes combinaciones del suelo natural (testigo o T) y sus combinaciones con F, Z o ambas: suelo + F (SF); suelo + Z (SZ); suelo + F+ Z (SZF) en recipientes de 500 cm3. (Tabla 4).

Tabla 4. Niveles de dosis de Z y F evaluadas para medir los cambios en la retención y disponibilidad de agua edáfica

En condiciones de laboratorio, los diferentes materiales fueron tamizados por 2 mm y secados en esfufa a 40ºC. Luego se determinó la retención de agua en cinco niveles de succión mátrica: 33, 100, 500, 750 y 1500 kPa utilizando la metodología de Richards (1965). En base a los valores de las constantes hídricas de capacidad de campo (CC) y punto de marchitez permanente (PMP) se calculó el contenido de agua útil (AU) y agua fácilmente disponible (AFD), según las ecuaciones (1) y (2):

AU=HGcc (ψ=-33 kPa)-HGPMP(ψ=-1500 Kpa) Ec. 1

 

AFD= HGCC (ψ=-33 kPa)-HG(ψ=-200 Kpa) Ec. 2

Con el fin de generar las curvas características de retención hídrica, los datos de humedad gravimétrica obtenidos en los diferentes niveles de succión mátrica, incluyendo la succión en saturación (i.e. 0Kpa), se ajustaron al modelo de retención hídrica de van Genutchen (1980) mediante la ecuación (3), considerando la restricción m= 1-1/n (Mualen, 1986). Para ello se utilizó el programa RETC (van Genutchen et al., 1991), obteniéndose en todos los casos una estimación de los parámetros del modelo con un R2 mayor a 0,89.

 

Donde, 

θ^g es el contenido de agua gravimétrica.

θ^gs es el contenido de agua gravimétrica en saturación.

θ_^gr es el contenido de agua gravimétrica residual.

h es el potencial mátrico en columna de agua.

α, m y n son parámetros empíricos de ajuste de la curva de retención hídrica.

El modelo de van Genutchen ha sido seleccionado entre diferentes modelos para generar funciones de ajuste ya que, además de ser ampliamente utilizado y conocido, se dispone del software RETC de uso libre, mencionado previamente (Reynolds et al., 2009).

Se realizó un experimento en invernáculo durante 105 días donde se cultivó raigrás perenne (Lolium perenne L.) en macetas plásticas de 17 cm de diámetro, utilizando una densidad se siembra de 4 g de semilla maceta -1. Durante el mismo se realizaron diferentes cortes de biomasa y luego del último corte se realizaron análisis químicos y físico-químicos del suelo tendientes a evaluar los efectos de las enmiendas agregadas en el momento de la siembra.

Se evaluaron seis tratamientos, utilizando un diseño en bloques completamente aleatorizados (DBCA) (Tabla 5).

Tabla 5. Tratamientos evaluados y dosis de enmiendas utilizadas en la formulación de los mismos

Al finalizar el experimento, luego del último corte, se muestrearon todas las unidades experimentales para cuantificar los cambios en el pH, CE y CIC.

 

 

Los efectos de tratamientos se analizaron mediante ANVA, para un DBCA, previa verificación de los supuestos del modelo lineal. Las comparaciones de medias se realizaron a través del test LSD Fisher (α=0.05) utilizando el software Statistix (versión 9.0). La normalidad de las variables se verificó mediante el test Shapiro-Wilk. Cuando las variables no cumplían con el supuesto de normalidad, se realizó una transformación mediante √X (Box et al., 2005)

La dosis más baja de Z aplicada (2,5% p/p) provocó pequeños cambios tanto sobre la magnitud de las constantes hídricas (agua retenida a 33 y 1500 kPa), como sobre la disponibilidad de agua útil (AU) o del agua fácilmente disponible (AFD). Por el contrario, se observó un aumento del 9, 16 y 24% en el agua retenida en CC y del 0, 13 y 28% en el AU para los tratamientos SZ2, SZ3 y SZ4, respectivamente. Se destacó el efecto sobre la fracción de AFD, con incrementos del 271, 254 y 245% para los tratamientos SZ2, SZ3 y SZ4, respectivamente. 

En cuanto a los efectos del agregado de F, el contenido de agua retenida en CC se redujo 13, 11 y 8.7% en relación al suelo natural y aumentó el contenido de agua retenida en PMP en 5.5, 7.4 y 5.5%, en los tratamientos SF1, SF2 y SF3, respectivamente. Como consecuencia, se redujo la disponibilidad de AU en 48.3; 34.3 y 31.4% para dichos tratamientos. No obstante ello, se verificó un aumento del 185, 200 y 257% en la fracción de AFD para SF1, SF2 y SF3, respectivamente.

En los tratamientos donde se combinó la aplicación de Z y F, se observó el mismo patrón descripto para la aplicación de las enmiendas en forma individual: un aumento de la retención hídrica y del contenido de AU en aquellos tratamientos con mayor dosis de Z. El mayor impacto sobre la disponibilidad de AU se presentó en los tratamientos SZ3F1 y SZ4F1, es decir donde se aplicaron dosis elevadas de Z bajas de F (5 Mg ha-1) (Figura 1).

Figura 1. Contenido de agua útil (A) y agua fácilmente disponible (B) según tratamiento. En los tratamientos donde se analizaron la Z o el F en forma independiente, se promediaron las dosis (N=4 y N=3, respectivamente). Nota: S: suelo natural (testigo). SZ: suelo + zeolita. SF: suelo + residuo de feed lot. SZF1: suelo+ zeolita + dosis baja de residuo de feed lot. SZF2: suelo+ zeolita + dosis intermedia de residuo de feed lot. SZF3: suelo+ zeolita + dosis alta de residuo de feed lot.

Las Figuras 2 y 3 muestran las curvas de retención hídrica gravimétrica ajustadas con la función de van Genutchen para los diferentes tratamientos, incluyendo el suelo sin tratar y el suelo tratado con las enmiendas en forma individual y/o en aplicación conjunta. La retención hídrica en Z1, siguió un patrón de distribución de retención hídrica similar al suelo natural, evidenciando un escaso impacto en la condición hidrofísica del suelo. Por el contrario, los tratamientos SZ2, SZ3 y SZ4 amentaron la retención hídrica en todo el rango de succión explorado, destacándose el muy marcado impacto en los niveles bajos de succión. 

 

 

La aplicación de F aumentó significativamente la retención hídrica en todos los niveles de dosis en el rango inferior de succión. Sin embargo, la retención hídrica del suelo tratado con F fue menor a la del testigo en niveles de tensión intermedios (incluyendo aquellos alrededor de CC), mientras que en niveles de tensión próximas al PMP, la retención hídrica en SF fue moderadamente superior al suelo sin tratar.

De acuerdo a los resultados presentados antes, se evidencia que las diferencias entre tratamientos de agregado de las enmiendas son especialmente evidentes en el rango de baja succión. 

 

Se observó una mayor retención hídrica en suelos tratados con F respecto de los detectados cuando se aplicó Z a niveles bajos de succión, mientras que a niveles intermedios la  retención en SF se ubicó levemente por debajo del tratamiento testigo. En cambio, a bajas succiones (próximas a CC), SZ y SF presentaron una distribución similar. Por otro lado, no se observaron diferencias apreciables entre la retención hídrica de SZ y SZF (Figura 3).

 

La aplicación de Z incrementó significativamente (p<0.05) el pH, CE y la CIC (+14%; +294 y +27,14%, respectivamente) medido al final del experimento, es decir, luego de 105 días de ocurrida la siembra del raigrás (Tabla 6).

Tabla 6. Cambios en la reacción del suelo (pH), salinidad (CE) y capacidad de intercambio catiónico (CIC) del suelo según tratamiento de aplicación de las enmiendas

La aplicación de F aumentó levemente el pH del suelo (p<0.05), sin provocar cambios estadísticamente significativos en la salinidad. En cuanto a los efectos de la EOZ, se presentó interacción entre Z y F, ya que en los tratamientos en donde se combinaron dichas enmiendas, se observó un aumento del pH, CE y de la CIC superior al detectado en los tratamientos donde las enmiendas se aplicaron en forma individual.

 

La forma y el patrón de distribución de las curvas de retención hídrica constituyen una heherramienta valiosa para inferir el comportamiento hidrofísico del suelo y la influencia del agregado de las enmiendas sobre éste. Así, en términos generales, los cambios observados en la retención hídrica a bajas succiones se pueden vincular con el almacenamiento de agua en macro y mesoporos, afectados por el manejo. Por el contario, a mayores niveles de potencial mátrico (e.g. cercanos a PMP), la retención hídrica se encuentra determinada principalmente por la cantidad y mineralogía de las arcillas (Reynolds et al., 2009; Picone, 2014). El agregado de Z demostró ser una herramienta efectiva para incrementar la retención hídrica del suelo, efecto observado en todo el rango de potencial mátrico, aumentando de un modo muy considerable la fracción de agua fácilmente disponible para las plantas (AFD). Estos resultados coinciden con otros estudios realizados en condiciones de laboratorio y de campo en suelos arenosos (Campos Bernardi et al., 2013; Ippolito et al., 2010).

Varios autores han informado que la presencia de esferas externas e internas dentro de la microestructura cristalina de la Heulandita/clinoptilolita permite el intercambio reversible de agua (Mumpton, 1999; Chester y Derouane, 2009; Ferreira y Schulthess, 2011), aspecto favorable por sus implicancias agronómicas en el sistema suelo-planta. Posiblemente el agua retenida a bajas succiones corresponda al agua contenida en las esferas externas de la Z mientras que las esferas internas serían las responsables de la conservación de agua a altas presiones mátricas.

 

Independientemente de la ubicación del agua retenida dentro de la estructura cristalina de la Z, la capacidad de este mineral de incrementar la porosidad total y la porosidad capilar en forma simultánea es un atributo de gran interés aplicado, especialmente para el mejoramiento de la fertilidad de los suelos arenosos, cuya capacidad de retención hídrica es intrínsecamente baja (Leggo et al., 2006; Githinji et al., 2010).

En cuanto al agregado del F, también se evidenció un marcado aumento de la retención hídrica gravimética a bajas succiones, reflejando un efecto principalmente sobre la macroporosidad del suelo. Estos resultados coinciden con lo reportado en otros trabajos que analizaron la influencia de la aplicación de diferentes residuos orgánicos como estiércol vacuno o compost (Reynolds et al., 2009; Larney et al., 2012). En cuanto a los efectos del agregado de residuos orgánicos al suelo, la literatura científica muestra que éstos pueden aumentar, disminuir o no modificar la disponibilidad de AU y ello depende de diferentes factores como la composición del material, tipo de suelo, prácticas de manejo, entre otros aspectos (Rasoulzadeh y Yaghoubi, 2010; Reynolds et al., 2014). La disminución en el contenido de AU reflejada en las curvas de retención hídrica de van Genutchen en el suelo tratado con F se podría vincular con fenómenos de hidrofobicidad derivados del aporte de determinados compuestos orgánicos presentes en el residuo de feed lot, como por ejemplo ceras provenientes de la superficie de las hojas, exudados y estructuras derivadas de raíces y hongos, entre otros (Hallett, 2007). 

Los procesos de hidrofobicidad se manifiestan especialmente en suelos arenosos por presentar menor área específica y por consiguiente el agregado de compuestos hidrofóbicos afectan a un mayor número de partículas de suelo comparado con suelos francos y/o arcillosos (Vogelmann et al., 2013). Sin embargo, en los experimentos en maceta, la aplicación de F, ya sea en forma individual y/o en combinación con Z, no afectaron el crecimiento del raigrás, sino que por el contrario, maximizaron la producción de MS debido al aporte de N, tanto en condiciones de elevada o baja disponibilidad hídrica (datos no mostrados).

En los tratamientos donde se aplicó Z y F en forma conjunta (i.e. EOZ), la magnitud de los cambios observados en la condición hidrofísica (AU, AFD) fue variable dependiendo de la dosis de las enmiendas dentro de la mezcla. Sin embargo, el análisis de las curvas de retención hídrica integrando todos los niveles de dosis del F, permitió demostrar la mayor capacidad de retención de agua de los tratamientos SF en relación a SZ o SZF, sobre todo a bajas succiones.

 

Los resultados no mostraron un efecto progresivo del agregado de dosis crecientes de F sobre la retención hídrica en SZF, sugiriendo una posible interacción entre Z y F diferencial según el nivel de dosis de F aplicado.

La elevada retención hídrica gravimétrica a bajas succiones derivada de la aplicación de Z y F, presenta algunas implicancias sobre el manejo de las enmiendas. Así, desde la perspectiva agronómica, este atributo podría ser una ventaja bajo una condición de sequía (por la mayor conservación de agua), mientras que en escenarios hídricos donde se presenten excedentes hídricos, una mayor retención de agua edáfica podría favorecer procesos de anegamiento y escurrimiento, impactando desfavorablemente sobre el crecimiento y rendimiento de los cultivos, como así también facilitando la pérdida de nutrientes fuera del sistema suelo-planta (Taboada y Lavado, 2009; Sasal et al., 2010; Urricariet y Fernández, 2014). 

 

Por lo dicho antes se deduce que las prácticas de manejo de las enmiendas deberían ajustarse según los contextos esperados de variabilidad y cambio climático propios del sitio de producción.

El conocimiento de la influencia del agregado de las enmiendas sobre la reacción y salinidad del suelo son aspectos centrales para evaluar la calidad y el valor fertilizante de las mismas (Mazzarino et al., 2012; Zubillaga y Branzini, 2012).

 

Desde el punto de vista agronómico, interesa conocer si los aumentos en la CE y el pH pueden limitar la productividad de los cultivos, aspectos importantes para analizar la viabilidad de la utilización de las enmiendas orgánicas y minerales en los sistemas de producción.

De acuerdo con los resultados obtenidos en el experimento en invernáculo, el pH determinado en el suelo al final del experimento mostró relación con la composición química y pH en agua de las enmiendas (pH de Z=9.5; pH de F=7.8), observándose un proceso de alcalinización moderado (Tabla 6). El origen de la alcalinidad derivada de la aplicación de Z, se vincula con las propiedades químicas y mineralógicas de la Z, con presencia de cationes básicos como Na, Ca y Mg.

El incremento observado en la CIC del suelo por el agregado de la Z es consistente con la propia CIC del mineral, muy superior a la del suelo (1.49 vs. 0.062 meq g-1). 

Estos resultados coinciden con lo reportado por otros autores que han evaluado la aplicación de Z en suelos arenosos (Mumpton, 1999; Campos Bernardi et al., 2013). En otras investigaciones, realizadas sobre un suelo Entisol con 0.95 g kg-1 de MO y 62% de arena; muy similar al empleado en el presente experimento, se evaluó el agregado de diferentes dosis de Z al trigo cultivado en macetas (Triticum aestivum var. Mexicali) registrándose aumentos en la CE y CIC del suelo y sin incrementos significativos en el pH (Tsadilas y Argyropoulos, 2011).

La aplicación de F modificó levemente la reacción y la CE del suelo. A pesar de las dosis elevadas aplicadas y el pH alcalino del F, la alcalinización observada fue moderada, al igual que los aumentos en la CE y CIC.

Los cambios provocados por la EOZ (aplicación conjunta de F y Z) tuvieron una tendencia esperada según los efectos individuales observados en cada componente, descriptos previamente. Es interesante resaltar que, debido a la gran variabilidad composicional y de características físicas y químicas de los residuos orgánicos pecuarios, éstos pueden determinar diferentes efectos sobre la reacción y/o salinidad del suelo, tanto aumentando como reduciendo o no modificando dichas propiedades (Larney y Angers, 2012).

 

En una recopilación de experimentos locales efectuada por Álvarez et al. (2015), se observó que la aplicación de los abonos orgánicos aumentaron un 3% el pH del suelo (p<0.05) luego de un ciclo de cultivo, independientemente del pH inicial del suelo o del abono. A diferencia de los resultados obtenidos en este experimento, los autores detectaron una tendencia (p=0.10) al incremento en la CE asociada a la aplicación de los abonos, que en promedio pasó de 0.74 a 1.05 dS m-1. Esta revisión incluyó el análisis de diferentes tipos de abonos y residuos orgánicos, incluyendo compost, lombricompuestos, efluentes de tambo, entre otros, cuya media de CE fue de 7.06 dS m-1.

Las modificaciones observadas en el pH y CE no afectaron la producción de MS del raigrás (datos no mostrados). Asimismo, en ninguna de las UE se observaron problemas de fitotoxicidad durante la emergencia/germinación que se pudieran vincular con efectos salinos y/o osmóticos causados por las enmiendas aplicadas. 

 

Estos resultados son esperables teniendo en cuenta que la magnitud de la alcalinidad y salinidad edáfica no alcanzaron niveles considerados críticos o desfavorables para el normal crecimiento vegetal (Summer, 1993; Qadir y Schubert, 2002). 

 

Es importante destacar que el sistema experimental utilizado (bajo cubierta) y con disponibilidad de agua edáfica en niveles del 90% de la CC), no se presentaron condiciones de drenaje (percolación), que hubieran podido lavar las sales. 

 

Este mecanismo es un componente importante en cultivos a campo abierto, ya que permite limitar la acumulación salina y/o la sodicidad de origen antrópico como puede ser la producida por la aplicación de residuos, efluentes o riego con aguas bicarbonatadas sódicas (Torres Duggan et al., 2012; Gambaudo et al., 2014).

 

Este trabajo ha sido financiado con fondos del proyecto UBACYT 20020120100172BA. Los autores agradecen especialmente a Tecnoagro S.R.L (Laboratorio INAGRO) por su apoyo y recomendaciones para los análisis de suelos, plantas y enmiendas; a Liliana Marbán por su apoyo metodológico en los estudios de retención hídrica; al Lic. Guillermo Cozzi (SEGEMAR) por su colaboración en los análisis por DRX y a Francisco Couchot, Sabina Marelli, Gabriela Civeira y Ana Muzlera por la ayuda durante la realización del experimento en invernáculo.