UNIVERSIDAD EARTH “DETERMINACIÓN DEL POTENCIAL DE MINERALIZACIÓN DE NITRÓGENO DE BOKASHI, COMPOST Y LOMBRICOMPOST PRODUCIDOS EN EARTH” Carmen Rosa Kameko Soria Trabajo de Graduación presentado como requisito parcial para optar al título de Ingeniera Agrónoma con el grado de Licenciatura Guácimo, Costa Rica Diciembre, 2003 Trabajo de Graduación presentado como requisito parcial para optar al título de Ingeniera Agrónoma con el grado de Licenciatura Profesor Asesor Manuel Cerrato, Ph.D. Profesor Coasesor Humberto LeBlanc, M.Sc. Decano Daniel Sherrard, Ph.D. Candidata Carmen Rosa Kameko Soria Diciembre, 2003 ii DEDICATORIA A mi querida madre, Rosario, con todo mi cariño, por su amor incondicional y por inculcarme desde pequeña el gusto por el estudio y la importancia del conocimiento en la vida de cada ser humano. A don Víctor Quiroga, por ser la persona más buena que he conocido en el mundo, por haberme cuidado durante cuatro años como a una hija y por brindarme toda su confianza y amistad incondicional. iii AGRADECIMIENTO Durante todo el desarrollo de este proyecto, hubo personas que me han apoyado en cada parte del proceso. Por esta razón, agradezco profundamente a don Manuel Cerrato y Don Humberto Leblanc, mis profesores asesores por su apoyo, guía, consejo y seguimiento en cada una de las etapas del proyecto. De igual manera, agradezco muy especialmente a todas las personas que han contribuido en la realización de este proyecto de investigación: Víctor Quiroga, Suichi Okumoto, Herbert Arrieta, Gerardo Cedeño, Carlos Araya, Luis Emilio Pineda, Berenice Granados, Marco González, Ninfa Godoy, Anel Rojas y María Ysabel Amador. iv RESUMEN Los abonos orgánicos pueden ser una alternativa viable al uso de fertilizantes químicos para proveer el N requerido por un cultivo. Sin embargo, la capacidad o potencial de un abono para proveer N debe ser conocida para evitar deficiencias o excesos de N resultantes de la adición del abono al suelo. El potencial de mineralización de N de un bokashi de Finca Comercial (FC), un compost de Finca Orgánica Integrada (FIO) y un bokashi y un lombricompost de Finca Pecuaria Integrada (FPI), todas fincas de EARTH, fue evaluado aplicando cantidades de abono equivalentes a una aplicación de 20 Mg ha-1 a 300 g secos de un suelo con un sistema de manejo convencional y de un suelo con un sistema en transición de un manejo convencional a un manejo orgánico. Muestras en triplicado de las 10 combinaciones de suelos y abonos fueron incubadas aeróbicamente y a temperatura ambiente durante 20 semanas. Después de 0, 2, 4, 6, 8, 10, 12, 14, 16 y 20 semanas las cantidades de N mineralizado fueron cuantificadas en todas las combinaciones de suelos y abonos. Las cantidades de N mineralizado de todos los abonos fueron bajas. En el caso del bokashi de FC cantidades apreciables de N disponible fueron inmovilizadas por la adición de este abono. Estos resultados fueron atribuidos a que los abonos tienen relaciones C:N iguales o mayores que 20:1, el nivel óptimo recomendado para una mineralización de N óptima. Los potenciales de mineralización de N de todos los abonos fueron bajos (28.7 mg NO3--N kg-1 de suelo hasta 74.5 mg NO3--N kg-1) y no cubrirían los requerimientos de N de varios cultivos producidos en el Trópico. En general, los abonos orgánicos producidos en EARTH podrán servir para mejorar algunas de las condiciones de los suelos, si embargo, no tienen una capacidad nutricional para N adecuada. Palabras claves: mineralización de N, potencial de mineralización de N, abono orgánico, bokashi, compost, lombricompost. Kameko, CR. 2003. Determinación del potencial de mineralización de Nitrógeno de bokashi, compost y lombricompost producidos en EARTH. Proyecto de graduación. Lic. Ing. Agr. Limón, Costa Rica. Universidad EARTH. 41p. v ABSTRACT Organic fertilizers may be a viable alternative to the use of chemical fertilizers to provide the N required by a crop. The potential or capacity of any organic fertilizer to provide N must be known in order to avoid a deficiency or an excess of N resulting from the application of the organic fertilizer to a soil. The N mineralization potential of four organic fertilizers produced at EARTH University, a bokashi from Finca Comercial (FC), a compost from Finca Integrada Orgánica (FIO) and a bokashi and a vermicompost from Finca Pecuaria Integrada (FPI) was evaluated. The organic fertilizers, in amounts equivalent to 20 Mg ha-1, were added to 300 g (dry basis) samples of a soil from a conventional management system and a soil from an organic management system. Triplicate samples of all treatments, including one control for each soil, were incubated aerobically at room temperature throughout 20 weeks. Mineralized NO3--N was determined in samples after 0, 2, 4, 6, 8, 10, 12, 14, 16 and 20 weeks of incubation. The results show that all four organic fertilizers mineralized very small amounts of N. The addition of bokashi from FC immovilized considerable amounts of available N already present in both soils. The C:N ratios of all organic fertilizers explain the results. All organic fertilizers had C:N ratios equal or greater than the optimum (20:1) required to induce mineralization of N. Nitrogen mineralization potentials of the four organic fertilizers were also low, ranging from 28.7 mg NO3--N kg-1 of soil to 74.5 mg NO3-N kg-1 of soil. These potential amounts of mineralized N from the organic fertilizers would not meet the N requirements of various crops. In general, the organic fertilizers produced at EARTH University do not have an adequate N supplying capacity. Key words: N mineralization, N mineralization potential, organic fertilizer, bokashi, compost, vermicompost. Kameko, CR. 2003. Determinación del potencial de mineralización de Nitrógeno de bokashi, compost y lombricompost producidos en EARTH. Proyecto de graduación. Lic. Ing. Agr. Limón, Costa Rica. Universidad EARTH. 41p. vi TABLA DE CONTENIDO Página DEDICATORIA........................................................................................................ iii AGRADECIMIENTO................................................................................................ iv RESUMEN ............................................................................................................... v ABSTRACT ............................................................................................................. vi 1 INTRODUCCIÓN...............................................................................................1 1.1 1.1 1.2 1.3 2 DESCRIPCIÓN DE LOS ABONOS PRODUCIDOS EN EARTH. ..............2 EL PROCESO DE MINERALIZACIÓN DE N ............................................6 ESTUDIOS DE MINERALIZACIÓN DE N .................................................8 POTENCIAL DE MINERALIZACIÓN DE N ...............................................9 OBJETIVOS .................................................................................................... 12 1.1 OBJETIVO GENERAL............................................................................. 12 2.1 OBJETIVOS ESPECÍFICOS ................................................................... 12 3 MATERIALES Y MÉTODOS ........................................................................... 13 4 RESULTADOS Y DISCUSIÓN ........................................................................ 17 4.1 DETERMINACIÓN DE LA MINERALIZACIÓN ACUMULADA, NETA Y LA TASA DE MINERALIZACIÓN EN LOS SUELOS TRATADOS CON LOS CUATRO ABONOS ORGÁNICOS. ........................................ 17 4.2 ESTABLECER EL POTENCIAL DE MINERALIZACIÓN DE N DE CADA ABONO EN CADA SUELO DESPUÉS DE 20 SEMANAS DE SU APLICACIÓN. .............................................................................. 30 5 CONCLUSIONES ............................................................................................ 35 6 RECOMENDACIONES.................................................................................... 37 7 LITERATURA CITADA .................................................................................... 38 vii LISTA DE CUADROS Cuadro Página Cuadro 1. Composición química de los abonos orgánicos evaluados en este estudio...................................................................................... 13 Cuadro 2. Propiedades químicas los suelos usados en este estudio.................... 14 Cuadro 3. Contenido de materia orgánica, C y N y relación C:N de los suelos usados en este estudio. ............................................................. 19 Cuadro 4. Contenidos de C y N y relación C:N de los abonos orgánicos estudiados............................................................................................. 24 Cuadro 5. Requerimientos semanales de ciertos producidos en el trópico............ 29 Cuadro 6. Cálculo del potencial de mineralización de los abonos.......................... 33 viii LISTA DE FIGURAS Figura Página Figura 1. Mineralización de N acumulada de los suelos tratados con los abonos orgánicos a través de 20 semanas de incubación.................... 18 Figura 2. Mineralización neta de N de los abonos orgánicos a través de 20 semanas de incubación............................................................... 22 Figura 3. Tasa de mineralización de N de los suelos tratados con los abonos orgánicos a través de 20 semanas de incubación.................... 26 Figura 4. Tasas de mineralización neta de N de los abonos orgánicos a través de en un periodo de 20 semanas. ........................................... 28 Figura 5. Potencial de mineralización de N de los suelos sin abono y con abono después de 20 semanas de incubación. .................................... 32 ix 1 INTRODUCCIÓN La producción de abonos orgánicos es una alternativa sostenible para el manejo de los desechos agrícolas, que ofrece una opción diferente a los fertilizantes químicos para proveer elementos nutritivos a la planta. En general, se cree que los nutrientes provenientes de los abonos orgánicos son menos susceptibles a pérdidas por lavado, lixiviación, escorrentía, volatilización y fijación que los nutrientes provenientes de fertilizantes químicos, pudiendo reducir situaciones de deficiencias para las plantas o de contaminación ambiental. De todos los nutrientes que un abono puede proveer, el nitrógeno (N) es uno de los elementos de mayor interés debido a que es el elemento con mayor requerimiento por las plantas, pero también es el elemento que puede causar problemas más fácilmente de contaminación ambiental. En general, se supone que el uso de abonos orgánicos es una práctica agrícola segura y beneficiosa para la calidad del suelo. Un beneficio de la aplicación de abonos orgánicos es el aumento de la materia orgánica del suelo, la cual actúa como un almacén de nutrientes, principalmente de N. Además, la aplicación de abonos orgánicos mejora la estructura del suelo y aumenta la retención del agua. En el abono orgánico, el N se encuentra en formas orgánicas que deben ser convertidas a formas inorgánicas que las plantas asimilen. El proceso de conversión de N orgánico a N inorgánico se conoce como mineralización y es un proceso que está controlado por condiciones del suelo como pH, humedad, aireación, y por ciertas propiedades del abono usado, como el grado de madurez y la relación carbono:nitrógeno (C:N). La relación C:N del abono es uno de los factores más importantes que definen las cantidades de N que serán liberadas por ese abono. Cuando las cantidades de N mineralizadas igualan a las requeridas por un cultivo, el abono fue aplicado en cantidades óptimas, pero cuando las cantidades de N mineralizado son inferiores a las requeridas por el cultivo, entonces este último mostrará deficiencias en su 1 desarrollo y las cantidades de abono aplicado fueron insuficientes. Una situación que generalmente no es considerada al usar abonos orgánicos es la posibilidad de que el abono libere cantidades excesivas de N que puedan inducir a la planta a un consumo de lujo o problemas de contaminación ambiental, principalmente contaminación de aguas por lixiviación o por escorrentía. En la Universidad EARTH, se producen abonos orgánicos en 3 áreas de operación: la Finca Orgánica Integrada (FIO), la Finca Pecuaria Integrada (FPI) y la Finca Comercial (FC). Los abonos producidos en estas áreas son compost, lombricompost y bokashi. Estos abonos tienen características especiales debido a que su elaboración varía un poco de los métodos tradicionalmente recomendados para la elaboración de abonos orgánicos. Las metodologías de producción, los usos y los contenidos totales de nutrientes, especialmente de N, de estos abonos han sido ampliamente estudiados (Gómez, 2001; León, 1998; Mendoza, 1997; Ramírez y Rivera, 1998 y Vélex, 2002). Sin embargo, la capacidad o potencial de liberar N disponible de estos abonos orgánicos es desconocida. En EARTH, estos abonos son aplicados a sistemas de producción de varios cultivos, generalmente en dosis de 200 g m-2 (2 Mg ha-1) cada 4 meses; sin embargo, esas dosis de aplicación no toman en cuenta las cantidades de N que estarán disponibles en diferentes tiempos después de la aplicación. La disponibilidad de N después de la aplicación de un abono orgánico no puede ser estimada a partir del contenido de N del abono. Vandevivere y Ramírez (1995) claramente destacan que el análisis químico de un abono es de poca ayuda para evaluar el valor nutritivo del mismo, ya que el análisis no indica el plazo en el cual los nutrientes estarán disponibles. La capacidad de liberar N disponible de un abono orgánico debe conocerse, solo así podrá hacerse un uso eficiente del mismo. 1.1 DESCRIPCIÓN DE LOS ABONOS PRODUCIDOS EN EARTH El proceso de compostaje es la descomposición microbiológica aeróbica de la materia orgánica bajo condiciones controladas. Durante el proceso de 2 compostaje los microorganismos consumen oxígeno (O2) mientras se alimentan de la materia orgánica. Este proceso genera cantidades grandes de energía que se liberan en forma de calor y cantidades grandes de dióxido de carbono (CO2) que se reflejan en una reducción significativa del volumen y del peso del material orgánico (Gouin et al., 1992; Brady y Weil, 1999). El compost que se produce en la FIO de EARTH, según Gonzáles (2003), se prepara siguiendo un proceso tradicional de degradación aeróbica del material orgánico. Los materiales usados son zacate (cualquier tipo de planta encontrada entre los cultivos), aráquis (Arachis pintoi,), poró (Eritrina poepigiana), Nacedero (Trichanthera gigantea), vástago de banano, gallinaza o estiércol de cabra o de búfalo. El tamaño de partícula de los materiales es reducido usando una picadora. Luego, los materiales se colocan en capas, una sobre otra, incorporando microorganismos de montaña (MM) al 50% al inicio y periódicamente durante el proceso de elaboración del compost. Durante el proceso de degradación, se voltea el material un promedio de 2 veces por semana, con el fin de mantener una aireación adecuada y de mantener la temperatura dentro en un rango de 50 a 65 ºC durante las dos primeras semanas. La temperatura disminuye por debajo de 50 °C a partir de la tercera semana. Durante el proceso también se adiciona agua, si es necesario, para mantener un contenido de humedad óptimo. El tiempo promedio de elaboración de este composte es de 5 semanas. El lombricompote es el resultado del proceso de descomposición de material orgánico a través de lombrices. Este proceso es conocido como lombricultura y en el mismo se puede utilizar diferentes tipos de materiales orgánicos, entre los cuales están la broza del café, diferentes estiércoles, desechos de comida y otros. El lugar donde se lleva a cabo no debe tener luz directa del sol y debe estar protegido de enemigos naturales de la lombriz, principalmente hormigas. El sustrato debe contener un alto contenido de humedad (Baier et al., 1994). 3 El lombricompost que se elabora en la FPI de EARTH, de acuerdo con Umaña (2003), utiliza estiércol de vacas en ordeño. Diariamente se depositan, aproximadamente 50 kg de estiércol y 1 kg de cal en pilas de estabilización. La estiércol se mantiene en las pilas durante 2 a 3 días con el fin de iniciar un proceso de degradación y de estabilizar el pH del material, ya que las lombrices son muy susceptibles al pH del estiércol. Luego de finalizado este proceso, las lombrices son alimentadas con el material ya estabilizado. Las lombrices se alimentan 2 veces por semana a razón de 5 cm de profundidad de alimento por encima del lecho existente en las pilas o en las cajas de cría. Durante este proceso, se mantiene una aireación adecuada del material y un contenido de humedad de alrededor del 70%. Aproximadamente un mes después de iniciada la alimentación de las lombrices, el material está listo para ser utilizado. El bokashi es un abono orgánico originario del Japón. La palabra bokashi significa materia orgánica fermentada. Tradicionalmente, el bokashi se prepara a partir de cascarilla de arroz, semolina, torta de soya, harina de pescado y suelo de bosques como inoculante de microorganismos. El proceso de degradación se realiza tanto bajo condiciones aeróbicas como anaeróbicas. El principal uso que se le da al bokashi en su zona de origen es como mejorador del suelo, ya que aumenta la diversidad microbiana y la cantidad de materia orgánica. Este abono contrasta con el composte el cual se utiliza como proveedor de minerales nutritivos para la planta (Shintani et al., 2000). En la FPI de EARTH, según Umaña (2003), el bokashi se prepara colocando una capa de aserrín (preferiblemente de maderas blancas) de aproximadamente 7 cm de profundidad en todo el corral (9 m x 27,5 m). Sobre esta capa de aserrín aproximadamente 100 animales, que entran al corral durante 2 a 4 horas por día, depositan su estiércol, la cual se va mezclando por efecto del recorrido de los animales sobre la misma durante su paso por el corral. Diariamente se agregan 4 L de una mezcla que contiene 320 cm3 de microorganismos efectivos (EM por 4 sus siglas en inglés, “effective microorganisms”) y agua sobre la mezcla de aserrín y estiércol dentro del corral. El EM ayudará en la rápida descomposición del estiércol y en la eliminación de malos olores e insectos indeseables. El período de producción depende de las condiciones climáticas, variando entre 22 días, en casos de alta humedad, a 6 meses bajo condiciones de poca precipitación. En el caso de haber poca humedad, cada mes se incorpora también una nueva capa de aserrín de 7 cm de profundidad y 4 L de EM preparados de la misma forma ya descrita anteriormente. Para finalizar el proceso, se retira todo el material del corral y se coloca en una pila durante 15 días. Durante este periodo el material se voltea dos veces por semana aplicando EM en cada volteo en la misma dosis usada en el corral. Finalizados los 15 días, el bokashi está listo para ser usado en el campo. En la FC de EARTH el bokashi se prepara a partir de los desechos de la planta empacadora de banano de EARTH (Céspedes, 2003). Estos desechos son picados y luego colocados en camas de 1 m de ancho, 1 m de alto y 14 m de largo. Cada cama contiene aproximadamente 3500 kg de banano y recibe 2 L de EM (proporción 1:30) todos los días. Posteriormente, se agrega aserrín en un promedio de 8%, pero esto varía dependiendo de la humedad del material que haya ingresado a la abonera. En ciertas ocasiones se adiciona urea o estiércol de vaca a los materiales de la cama. Se deja reposar el material por 5 días antes de proceder al primer volteo, a partir de entonces el material se voltea cada 3 días durante 5 semanas. Después de este período, el bokashi está listo para ser usado en el campo. Durante el proceso de elaboración, la temperatura varía desde 40 ºC al día siguiente de preparado hasta llegar a 70 °C después de 3 semanas. A partir de ese momento la temperatura desciende hasta llegar a menos de 50 ºC, al finalizar el proceso. En general, los abonos producidos en EARTH son muy variados, tanto en los materiales usados como materia prima como en los procesos de elaboración. Esta variación en composición y producto terminado podría ser determinante en la calidad de los abonos, especialmente en sus capacidades de mineralización de N. 5 1.2 EL PROCESO DE MINERALIZACIÓN DE N La mineralización de N es la conversión de compuestos orgánicos nitrogenados a formas minerales inorgánicas de N a través de la respiración aeróbica o anaeróbica de los microorganismos. (Bollag y Stotszky, 1993; Brady y Weil, 1999; Porta et al., 1994). En la mineralización aeróbica, el N orgánico es convertido a nitrato (NO3-) mientras que en la mineralización anaeróbica el N orgánico es convertido a amonio (NH4+) (Bollag y Stotszky,1993). El proceso de mineralización tiene 3 fases: aminificación, amonificación y nitrificación. En la primera fase, los microorganismos transforman las proteínas en aminas y aminoácidos. En la amonificación, los microorganismos transforman las aminas y aminoácidos en compuestos amoniacales. Si las condiciones son anaeróbicas, el N permanece en la forma de NH4+ pero si las condiciones son aeróbicas, la fase de nitrificación convierte ese NH4+ en NO3-. Durante la nitrificación, el NH4+ es oxidado por las bacterias nitrosomonas a nitrito (NO2-) y este a su vez es oxidado por las bacterias nitrobacter a NO3-. Existen diversas condiciones particulares que afectan al proceso de mineralización. Huffman et al., (1996) indican que la actividad microbiana, principal causante de la mineralización en los suelos, está controlada por la relación C:N del material, el contenido y disponibilidad de agua, el intercambio gaseoso de O2 y de CO2 y los efectos físicos de la textura del suelo. Otro factor de importancia es la temperatura, sin embargo, en las zonas tropicales las temperaturas no fluctúan en gran medida durante el día y durante el año. La relación C:N es un factor muy importante en el proceso de mineralización, ya que los contenidos de C y N son esenciales para la vida y la reproducción de los microorganismos. Los microorganismos necesitan C como fuente de energía y, junto con el N, para la síntesis de proteínas y estructuras celulares. En promedio cada microorganismo debe incorporar ocho partes de carbono por cada parte de N. Sin embargo, debido a que los microorganismos 6 sólo pueden asimilar alrededor de la tercera parte del carbono que consumen, necesitan alrededor de 24 partes de carbono por cada parte de N. Si la relación C:N excede 25, entonces los microorganismos degradarán la materia orgánica si hay suficiente N disponible para ellos en el medio, causando una inmovilización temporal de ese N. El proceso de conversión de N inorgánico a N orgánico se conoce como inmovilización de N. Si la relación C:N es muy alta, por ejemplo 100 o más, la degradación de la materia orgánica puede llegar a detenerse. Ahora, cuando la relación C:N es baja, por ejemplo menor que 20, la materia orgánica es degradada fácilmente, el N es temporalmente inmovilizado dentro de los microorganismos, pero al morir estos el N será liberado al medio. Cuando la relación C:N se encuentra entre 20 y 25 ambos procesos, mineralización e inmovilización estarán ocurriendo aunque en general terminarán liberando N al llegar a un equilibrio determinado (Brady y Weil, 1999). Schnitzer y Khan (1978) también indican que una relación C:N de 20 a 25 (aproximadamente 1,5 a 2% de N) es un rango en el cual existe una equivalencia en la cantidad de N mineralizado e inmovilizado. Si la relación C:N es menor que ese rango, es decir hay un mayor contenido de N, la mineralización prevalece, mientras que si la relación C:N es mayor, es decir que hay un menor contenido de N, la inmovilización es el proceso más prevaleciente. La naturaleza de la fuente de C influye mucho en la velocidad de degradación del material mismo. Materiales con alto contenido de lignina son atacados lentamente, mientras que aquellos con mucha celulosa, son degradados más fácilmente (Keeney, 1983). El contenido de humedad afecta el proceso de mineralización de dos formas. Cuando los contenidos de humedad son muy bajos, el contenido de NH4+, aumenta probablemente debido a que la nitrificación se ve más afectada que la amonificación (Schnitzer y Khan, 1978). Cuando los contenidos de humedad son muy bajos el proceso de mineralización completo se ve afectado por el efecto que la falta de agua tiene sobre el funcionamiento de los microorganismos. Por otro lado, contenidos muy altos de humedad afectan la aireación del suelo debido a 7 que el exceso de agua limita la difusión de O2 y la nitrificación se ve afectada. Los niveles óptimos de humedad varían con el tipo de suelo, pero en muchos casos la nitrificación ocurre rápidamente a niveles de -0.1 a -1 MPa de tensión de humedad (Paul y Clark, 1996). Igualmente, Brady y Weil (1999) indican que la humedad óptima es de 60% de poros del suelo llenos con agua. Debido a que el O2 es un requerimiento obligado para muchas especies, la aireación es esencial para el proceso de mineralización aeróbica, especialmente para la nitrificación. La difusión del O2 dentro del suelo y, por lo tanto, la aireación es controlada por factores como la humedad y la estructura del suelo (Paul y Clark, 1996). Una de las razones por las cuales la falta de aireación suprime el proceso de nitrificación es debido a que manteniendo cantidades adecuadas de O2 en el suelo se promueve el crecimiento de microorganismos, se activan muchas reacciones bioquímicas en el suelo y se fomenta el normal crecimiento de las raíces de muchas plantas. Estas reacciones pueden, potencialmente, usar grandes cantidades de O2 y la nitrificación puede al mismo tiempo acabar el O2 en el suelo al recibir grandes cantidades de desechos nitrogenados, aun cuando los procesos microbianos compitan favorablemente por el O2 bajo estas condiciones (Reddy y Patrick, 1983). 1.3 ESTUDIOS DE MINERALIZACIÓN DE N La mayoría de los estudios de mineralización de N se realizan a nivel de laboratorio (Chae y Tabatabai, 1986; Douglas y Magdoff, 1991; Vigil y Kissel, 1995), y muy pocos a nivel de campo (Zhang et al., 2002), debido a que es más fácil controlar variables muy influyentes en los procesos de mineralización como temperatura y humedad. Estos estudios, sin embargo, tienen la limitante de no representar fielmente las condiciones que ocurren cuando un abono es aplicado a un cultivo en el campo. Los estudios de mineralización en el laboratorio se realizan a través de la incubación de muestras de suelos y abonos por períodos de tiempo específicos. La mayoría de estos estudios cuantifica las cantidades de N 8 inorgánico, principalmente NO3--N, al final del período de incubación. Las incubaciones son hechas en condiciones aeróbicas o anaeróbicas, las cuales pueden ser lixiviadas o no lixiviadas (Douglas y Magdoff, 1991; Mazzarino et al. 1991; Meléndez, 1991; Motavalli et al. 1995; Smith et al., 1994), Las incubaciones lixiviadas consisten en colocar las muestras a incubar en tubos o jeringas que cuentan con un agujero en la parte inferior que permita la extracción de los lixiviados. En cada muestreo, una solución extractora es agregada por la parte superior del recipiente y luego se recogen los lixiviados por la parte inferior, extrayendo así los nutrientes solubles producidos durante el tiempo de incubación (Vigil y Kissel, 1995). Las incubaciones no lixiviadas consisten en colocar las muestras a incubar en un recipiente cerrado, que no permita movimiento de ninguna clase de los minerales producidos durante el proceso de incubación. En este método se analizan las muestras al final de cada periodo específico de incubación, generalmente destruyendo la muestra completa para realizar la extracción de los minerales formados durante ese tiempo. El uso de una u otra metodología ha causado mucha controversia entre la comunidad científica, aunque en general, los resultados obtenidos con cualquiera de las dos metodologías han sido aceptados por esa misma comunidad científica. 1.4 POTENCIAL DE MINERALIZACIÓN DE N Dos características fundamentales de un abono orgánico son su potencial de mineralización de N y su tasa de mineralización de N. Según Brady y Weil (1999), el potencial de mineralización de N es la cantidad máxima de N disponible que podrá ser liberada de un abono, después de su degradación por los microorganismos del suelo. El potencial de mineralización de N se establece a partir de la mineralización acumulada de N, la cual se define como la cantidad de N disponible liberada después de un período de tiempo específico. En el caso de un abono orgánico, la mineralización acumulada se establece adicionando una cantidad conocida de abono a una cantidad de suelo. La mezcla se deja reposar 9 durante un tiempo definido y las cantidades de N disponible, generalmente en forma de nitrato (NO3-), son cuantificadas a diferentes intervalos de tiempo. La tasa de mineralización de N es la cantidad del elemento que se libera por una unidad de tiempo específica. La tasa de mineralización, según Porta, et al. (1994) es igual a la velocidad o grado de mineralización, y se interpreta como el porcentaje de nutriente que se mineraliza y que permite conocer cuánto de un nutriente está siendo liberado en forma disponible en períodos específicos de tiempo. La tasa de mineralización se suele expresar en mg de NO3--N por kg de suelo por semana o en kg de NO3--N por hectárea de suelo por semana. La tasa de mineralización puede representar las cantidades de N liberadas de una mezcla de suelo y abono y se le llama tasa de mineralización de N acumulada. Además, la tasa de mineralización puede representar las cantidades de N liberadas sólo por abono y en este caso se le llama tasa de mineralización de N neta. Ésta última se calcula usando los valores de la mineralización neta, los cuales se obtienen restando el N mineralizado por el suelo del N mineralizado por la combinación de suelo y abono. El modelo exponencial ha sido ampliamente usado para establecer el potencial de mineralización de N (Cabrera, 1993; Garau et al., 1986; Stanford y Smith, 1972; Zhang et al.; 2002). Este modelo es ajustado a los datos de la mineralización acumulada de N. La ecuación (1) representa el modelo exponencial generalmente usado en estudios de esta naturaleza. N t = N o (1 − e − k ⋅t ) (1) En la ecuación anterior, el valor de N o representa el potencial de mineralización de N calculado a partir de los valores de la mineralización acumulada de N ( N t ) en un tiempo específico (t). El valor de k , la pendiente de la curva, representa la tasa constante de mineralización (Cabrera, 1993; Campbell et al., 1981). 10 Tanto el potencial de mineralización como la tasa de mineralización son dependientes del abono y suelo usado. Diferentes combinaciones de abono y suelos producirán variaciones en el potencial y la tasa de mineralización, sin embargo, estimados de estas dos características pueden ser obtenidos a partir de estudios individuales (Cabrera, 1993; Campbell et al., 1981; Vigil y Kissel, 1995). Como se mencionó anteriormente, el conocimiento del potencial y de la tasa de mineralización de un abono permitirá hacer un uso racional y eficiente de este recurso, evitando así situaciones de deficiencias o excesos de N con las consecuencias que estas situaciones puedan traer para los cultivos o el medio ambiente. 11 2 2.1 OBJETIVOS OBJETIVO GENERAL • Determinar el potencial de mineralización de N de cuatro abonos orgánicos producidos en EARTH. 2.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS • Determinar la mineralización de N acumulada y neta y la tasa de mineralización de N de dos bokashis, un compost y un lombricompost en dos suelos después de 2, 4, 6, 8, 10, 12, 14 16 y 20 semanas de incubación. • Determinar el potencial de mineralización de N de cada abono en cada suelo después de 20 semanas de su aplicación. • Evaluar las relaciones entre el potencial de mineralización y las características de los abonos y de los suelos. 12 3 MATERIALES Y MÉTODOS El estudio fue realizado en las instalaciones del Laboratorio de Suelos y Aguas (LSA) de EARTH. El experimento fue establecido usando un diseño completamente al azar (DCA) con 10 tratamientos (un testigo, cuatro abonos y dos suelos) cada uno con tres repeticiones. Los abonos usados fueron un compost de la Finca Integrada Orgánica (FIO), un bokashi de la Finca Comercial (FC), y un bokashi y un lombricompost de la Finca Pecuaria Integrada (FPI). Muestras del abono de cada una de las fincas fueron recolectadas a través de 6 semanas y luego fueron mezcladas uniformemente. Después de recolectados, los abonos fueron trasladados al LSA y refrigerados hasta completar la mezcla final y luego hasta su uso. La composición química de cada abono se presenta en el Cuadro 1. Cuadro 1. Composición química de los abonos orgánicos evaluados en este estudio. Abono C N P K Ca Mg Fe Cu Zn Mn ------------------------ % ----------------------- ---------- mg kg-1 ---------- Compost FIO 40 2.0 0.5 2.1 1.5 0.5 9200 26 177 557 Bokashi FPI 40 1.6 0.4 2.2 1.0 0.7 15175 32 108 500 Bokashi FC 50 1.6 0.2 2.7 0.7 0.4 6750 19 58 288 Lombricompost FPI 33 1.7 0.3 0.2 3.6 0.4 21080 49 244 610 El experimento fue realizado con un suelo proveniente de un sistema de manejo convencional para el cultivo de banano (Musa spp.) y un suelo proveniente de un sistema de manejo orgánico para el cultivo de Noni (Morinda citrifolia). El suelo con manejo convencional será identificado como suelo convencional y el 13 suelo con manejo orgánico como suelo orgánico. El sistema de manejo convencional incluye la aplicación de agroquímicos, mientras que el sistema de manejo orgánico utiliza fertilizantes orgánicos y controla las plagas y enfermedades a través de diferentes métodos recomendados en la Agricultura Orgánica. Los suelos fueron recolectados de varios puntos dentro de un área de 10000 m2 y hasta una profundidad de 10 cm. Después de recolectados, los suelos fueron trasladados hasta el LSA en donde fueron tamizados (0,5 cm) en húmedo y luego refrigerados hasta su uso. Las propiedades químicas de los dos suelos se presentan en el Cuadro 2. El suelo convencional presenta una textura franco arcillosa y tiene una densidad aparente de 0,85 g cm-3, mientras que el suelo bajo sistema orgánico tiene una textura franco arcillo limosa y una densidad aparente de 0,80 g cm-3. Cuadro 2. Propiedades químicas los suelos usados en este estudio. Suelo pH C N K Ca Mg P Fe Cu Zn Mn ---- % ---- --- cmol+ kg-1 --- ------------- mg kg-1 ------------- Convencional 5,8 3,9 0,41 0,55 5,5 1,8 92 179 7 7 11 Orgánico 5,9 5,7 0,66 1,54 5,9 3,1 24 215 5 7 14 Para la preparación de cada repetición de cada tratamiento, 300 g de suelo en base seca fueron mezclados uniformemente con una cantidad de abono equivalente a 20 Mg ha-1 en base seca. Los abonos fueron agregados al suelo sin haber sido secados o molidos, de esta manera se simuló una aplicación de abono a un suelo en condiciones de campo. Todas las muestras fueron llevadas a un contenido de humedad de 60%, calculado en base al porcentaje de humedad de la muestra al momento de su preparación. Cada una de las mezclas fue colocada en una bolsa de polietileno de 15 cm de ancho por 20 cm de largo, la cual tenía 14 agujeros en diferentes partes de la misma para permitir la circulación del aire. Las bolsas con suelo y abono fueron incubadas a temperatura ambiente en una de las salas del LSA durante 20 semanas. El contenido de humedad de cada muestra fue controlado semanalmente comparando el peso de la bolsa con su peso inicial y luego adicionando agua en caso de detectarse una diferencia de peso. Cada tratamiento fue muestreado destructivamente después de 0, 2, 4, 6, 8, 10, 12, 14, 16 y 20 semanas de incubación. Las muestras fueron mezcladas uniformemente, secadas al aire y luego molidas. Para el análisis de NO3--N, 2,5 g de muestra fueron extraídos con 25 mL de 1N KCl. Las concentraciones de NO3--N en los extractos fueron analizadas por espectrofotometría ultravioleta según el método 4500 – NO3- B descrito por Greenberg et al., (1992). Todos los análisis fueron realizados en el LSA. Para calcular el potencial de mineralización de cada una de las combinaciones de suelo y abono, el modelo exponencial fue ajustado a todos los datos de la mineralización acumulada. El potencial de mineralización se obtiene a partir de los resultados que provee un análisis no paramétrico, PROC NLIN, del paquete Statistical Analysis System (SAS, 1988). La ecuación (2) representa la regresión exponencial usada por el procedimiento no lineal. N t = N o (1 − e − k ⋅t ) (2) En la ecuación anterior, N t es la mineralización acumulada, N o es el estimador de parámetro de punto máximo, en este caso el potencial de mineralización, k es la pendiente de la curva, y t es el tiempo (semanas) de incubación. A partir de este modelo no lineal se obtienen dos derivadas: dN t =1 − e ( − k ⋅t ) dN o 15 (3) dN t = N o ⋅ t ⋅ . e ( − k ⋅t ) dk (4) Estas derivadas se utilizan para encontrar los valores de N o y k . Las soluciones se obtienen por el método de los mínimos cuadrados no lineales, usando la linearización de Gauss. Para ello existen varias metodologías como la “Expansión de la serie de Taylor”, pero en este caso se implementó en SAS, utilizando el método “Marquardt”. Para ajustar el modelo a los datos, al estimador N o se le asignó un rango de aproximaciones de cero a cincuenta con incrementos de 0,5; mientras que al estimador k se le asignaron aproximaciones entre 0,01 y 0,09, en incrementos de 0,01. 16 4 4.1 RESULTADOS Y DISCUSIÓN DETERMINACIÓN DE LA MINERALIZACIÓN ACUMULADA, NETA Y LA TASA DE MINERALIZACIÓN EN LOS SUELOS TRATADOS CON LOS CUATRO ABONOS ORGÁNICOS La Figura 1 presenta los promedios de las cantidades de N mineralizado acumuladas en los suelos sin abono y con abonos a través de 20 semanas de incubación. Esta figura muestra que las cantidades de N mineralizado acumuladas aumentaron a través del tiempo de incubación. Este aumento es el resultado de la degradación de la materia orgánica presente en el suelo y de los abonos orgánicos a través del tiempo. Sin embargo, las cantidades de N mineralizado acumuladas fueron mayores en los tratamientos con suelo orgánico que en los tratamientos con suelo convencional. Una comparación de los contenidos de materia orgánica de los dos suelos (Cuadro 3) muestra que el suelo orgánico tenía un contenido mayor de materia orgánica. La degradación de cantidades mayores de materia orgánica en el suelo orgánico muy probablemente llevó a una mayor acumulación de N mineralizado, esto también debió haber ocurrido en el suelo tratado con los abonos orgánicos. El Cuadro 3 también muestra que las relaciones C:N de los dos suelos eran conducentes a que la materia orgánica de los mismos mineralizara cantidades considerables de N disponible ya que ambos suelos tenían una relación C:N menor que 20:1. Este último valor ha sido establecido como el límite superior para que ocurra mineralización de N a partir de la degradación de cualquier material orgánico (Brady y Weil, 1999). El suelo orgánico probablemente mineralizó cantidades mayores de N debido a que su relación C:N era mejor que la relación C:N del suelo convencional. En conclusión, los dos suelos tenían un contenido de materia orgánica y una relación C:N óptima para la mineralización de N. 17 50 Suelo orgánico Suelo convencional 40 30 20 10 0 50 Suelo convencional + Compost FIO Suelo orgánico + Compost FIO Suelo convencional + Bokashi FPI Suelo orgánico + Bokashi FPI Suelo convencional + Bokashi FC Suelo orgánico + Bokashi FC Suelo convencional + Lombricompost FPI Suelo orgánico + Lombricompost FPI Mineralización de N acumulada (mg NO3--N / kg suelo) 40 30 20 10 0 50 40 30 20 10 0 50 40 30 20 10 0 50 40 30 20 10 0 0 2 4 6 8 10 12 14 16 20 0 2 4 6 8 10 12 14 16 20 Tiempo de incubación (semana) Figura 1. Mineralización de N acumulada de los suelos sin abono y con abonos a través de 20 semanas de incubación. 18 Cuadro 3. Contenido de materia orgánica, C y N y relación C:N de los suelos usados en este estudio. Suelo1 Materia Orgánica C N Relación C:N --------------------- % --------------------- 1 Convencional 6,74 3,91 0,41 9,54 Orgánico 9,79 5,68 0,66 8,61 A 10 cm de profundidad. En la Figura 1 también se observa una cierta variabilidad en la acumulación de las cantidades de N mineralizado entre tiempos de incubación contiguos. Esta variabilidad fue más marcada entre las repeticiones del N mineralizado de cada uno de los tratamientos (datos no presentados). En general, se espera que las cantidades de N mineralizado aumenten de un tiempo anterior de incubación a uno posterior. Por ejemplo, la cantidad de N mineralizado debería ser menor en la semana 4 que en la semana 6, ya que este último tiempo debe contener el N mineralizado hasta la semana 4 pero también debe contener el N mineralizado entre la semana 4 y la 6. En varios casos, las cantidades de N mineralizado se mantuvieron iguales o disminuyeron de un tiempo menor a uno mayor. Además, hubo varios casos en que el aumento de N mineralizado ocurrió como era de esperarse, sin embargo, dicho aumento no fue proporcional a como había venido ocurriendo en tiempos de incubación anteriores. La variabilidad observada en estos datos podría ser atribuida a un grado muy alto de heterogeneidad en el tamaño de partícula y en degradación que mostraban los abonos orgánicos al inicio del experimento. Esta heterogeneidad fue mucho mayor en los bokashis y el compost. El lombricompost fue el que mostró ser más uniforme. Los bokashis y el compost contenían materiales que excedían en dos veces o más el límite de 5 cm para el tamaño de partícula recomendado (ANAO, 1996) para todos los materiales usados al inicio del proceso de preparación de bokashi y compost. Aunque se trató en la mejor manera posible, de distribuir el abono en cada una de las 19 muestras al establecer el experimento, es muy probable que el abono no haya quedado distribuido uniformemente en el suelo y que dicha distribución haya variado mucho entre repeticiones de un mismo tratamiento y entre las muestras que serían evaluadas después de cada tiempo de incubación. Esta situación podría haberse evitado si los abonos hubieran sido molidos muy finamente, tal y como se ha hecho en muchos estudios de mineralización (Cabrera, 1993; Chae y Tabatabai, 1986; Curtin y Smillie,1995; Sharpley y Smith, 1989). Sin embargo, el criterio de la autora fue que la disminución del tamaño de partícula de los abonos no es una situación que representa la manera en que los abonos producidos en EARTH son aplicados en condiciones de campo. La autora cree que los resultados hubieran sobreestimado la capacidad del abono de mineralizar N debido a una mayor susceptibilidad del mismo a ser degradado por acción de los microorganismos por efecto de un tamaño menor de partícula de los componentes del abono. Las cantidades de N mineralizado por los suelos con abonos fueron mayores que las cantidades de N mineralizado por los suelos sin abono en casi todos los casos (Figura 1). Esas diferencias parecen ser menores en el suelo orgánico. Esta observación sugiere que, en el caso del suelo orgánico, las cantidades de N mineralizado únicamente del abono no contribuyen en gran medida al total del N mineralizado. En el caso del suelo convencional, los datos de la Figura 1 parecieran indicar que el compost y el bokashi de FPI y el lombricompost mineralizaron cantidades de N mayores que el suelo sin abono, contribuyendo en una medida mayor al total de N mineralizado. Sin embargo, se observa en la misma figura que los dos suelos tratados con el bokashi de FC produjeron cantidades menores de N mineralizado que los suelos sin abono. Este caso también se presenta para el suelo convencional tratado con compost. Cuando las cantidades de N mineralizado en un suelo tratado con abono son menores que las cantidades de N mineralizado en el mismo suelo sin abono ocurre un proceso conocido como inmovilización. Este proceso consiste en la 20 conversión de N inorgánico a N orgánico y se asocia con la adición al suelo de material orgánico con una relación C:N alta, generalmente mayor que 30:1. Durante la inmovilización los microorganismos usan N del suelo para degradar la materia orgánica. Esta situación se puede estudiar más detenidamente evaluando las cantidades netas de N mineralizado. Las cantidades netas de N mineralizado de los abonos orgánicos se presentan en la Figura 2. La mineralización neta de N de un abono orgánico es la cantidad de N que fue mineralizado del abono y se obtiene a través de la diferencia entre el N mineralizado por el suelo con abono y el N mineralizado por el suelo sin abono. Los datos de la Figura 2 muestran que todos los abonos mineralizaron cantidades apreciables de N. Sin embargo, la Figura 2 muestra claramente una variabilidad muy grande en las cantidades de N mineralizado por cada uno de los abonos a través del tiempo de incubación. Esta variabilidad en los resultados sigue siendo atribuida al alto grado de heterogeneidad de los abonos usados, el cual pudo haber sido motivo de una falta de uniformidad en composición del abono entre las muestras usadas para evaluar las cantidades de N mineralizado en los diferentes tiempos de incubación. Los resultados de este estudio parecieran indicar que sería necesario reducir el tamaño de partícula de los abonos y obtener así muestras más uniformes en composición. Sin embargo, la autora aún piensa que usar abonos molidos ya no seria representativo de la aplicación de estos abonos a suelos en condiciones de campo. La Figura 2 también muestra que la aplicación de bokashi de FC a los dos suelos produjo una inmovilización del N disponible o mineral presente en el suelo. Esta situación está representada en la Figura 2 por los valores negativos de la mineralización neta de N que se observan desde la semana 0 hasta la semana 10. La aplicación de los otros abonos no condujo a una inmovilización del N disponible presente en el suelo, sin embargo, la aplicación de compost y de bokashi de FPI mostraron valores de cero en la mineralización neta de N en las primeras semanas 21 30 Suelo convencional + Compost FIO Suelo orgánico + Compost FIO Suelo convencional + Bokashi FPI Suelo orgánico + Bokashi FPI Suelo convencional + Bokashi FC Suelo orgánico + Bokashi FC Suelo convencional + Lombricompost FPI Suelo orgánico + Lombricompost FPI 20 10 0 -10 30 Mineralización neta (mg NO3- / Kg suelo) 20 10 0 -10 30 20 10 0 -10 30 20 10 0 -10 0 2 4 6 8 10 12 14 16 20 0 2 4 6 8 10 12 14 16 20 Tiempo de incubación (semana) Figura 2. Mineralización neta de N de los abonos orgánicos a través de 20 semanas de incubación. 22 del estudio. Una comparación de los resultados presentados en las Figuras 1 y 2 claramente muestra que mientras todos los suelos con abonos mineralizaron N a través de todos los tiempos de incubación, el N mineralizado hasta la semana 10 estaba proviniendo del suelo mismo y una fracción significativa del lombricompost, una fracción mucho menor en los casos del compost y del bokashi de FPI y nada del bokashi de FC. En el caso del bokashi de FC, el N mineralizado no solo estaba proviniendo completamente de los suelos sino que parte del mismo estaba siendo usado para degradar el abono. A partir de la semana 10 los abonos mineralizaron fracciones mayores del total del N mineralizado, con la excepción del bokashi de FC. Estas observaciones indican que la degradación de los abonos no fue óptima, aunque variables como temperatura y humedad estaban siendo cuidadosamente controladas. Una variable que influye muy marcadamente en la degradación de un abono y, por consiguiente, en la mineralización de N es la relación C:N de los abonos. El Cuadro 4 muestra las relaciones C:N de los abonos usados en este estudio. Los datos del Cuadro 4 muestran que únicamente el compost y el lombricompost tienen relaciones C:N adecuadas, menores o iguales que 20:1, para que se lleve a cabo la mineralización de N. Las relaciones C:N, iguales o mayores que 25:1, de los dos bokashis son conducentes a una inmovilización de N disponible, ya que los microorganismos usarán cualquier N inorgánico disponible en el suelo para degradar esos abonos, inmovilizando temporalmente el N inorgánico dentro de sus organismos. Las cantidades bajas de N mineralizado observadas en las primeras 10 semanas de incubación en los casos del compost y del bokashi de FPI resultan del hecho de que estos abonos tienen relaciones C:N en el rango de 20:1 a 25:1 en donde puede ocurrir tanto mineralización como inmovilización simultáneamente. El lombricompost con una relación C:N menor que 20:1 mineralizará N casi desde su aplicación ya que no requiere de N disponible en el medio para ser degradado por los microorganismos del suelo. La inmovilización de N, que ocurrió cuando el bokashi de FC fue aplicado al suelo, fue inducida por la alta relación C:N de ese abono, lo cual obligó a los microorganismos del suelo a utilizar el N disponible proveniente de cualquier 23 otra fuente, en este caso del suelo, para degradar al abono. Okumoto (2003) dice que esta situación no se presentará en cultivos perennes, debido a que el abono es depositado sobre la superficie del suelo para dejar que termine de degradarse incorporándose al suelo posteriormente a su degradación. Aunque la autora concuerda con este último enunciado, también la autora piensa que la calidad del abono de FC debe ser evaluada en función de los resultados aquí presentados, especialmente en el caso de que este abono fuese usado en condiciones diferentes a las que ocurren con cultivos perennes. Cuadro 4. Contenidos de C y N y relación C:N de los abonos orgánicos estudiados. Abono C N Relación C:N ----------- % ----------Compost FIO 40 2,0 20 Bokashi FPI 40 1,6 25 Bokashi FC 50 1,6 32 Lombricompost FPI 33 1,7 19 Las relaciones C:N altas observadas en los dos bokashis son comunes, según Shintani et al., (2000) debido a que el bokashi es un material que no ha completado su proceso de degradación y por lo tanto tenderá a presentar relaciones C:N altas y mucha más variabilidad en la degradación hasta llegar a su estado de madurez. Sin embargo, el compost debería tener relaciones C:N igual o menor que 20:1 ya que este tipo de abono se prepara por un tiempo más prolongado con el propósito de que los componentes sean degradados hasta obtener un abono bastante uniforme. 24 El compost de FIO usado en este experimento presentó una apariencia muy parecida a los bokashis, muy heterogéneo en composición y tamaño, aunque el tiempo de preparación había sido alrededor de 60 días. La falta de uniformidad del compost terminado observada y los resultados de este estudio sugieren que el proceso de producción de este abono en la FIO debe ser evaluado. De los resultados presentados en la Figura 2 se puede concluir que la aplicación de compost, bokashi de FPI o lombricompost a un suelo resultará en la mineralizaron de N pero en cantidades relativamente pequeñas y variables después de 10 semanas de aplicación. Además, se concluye que la aplicación de bokashi de FC resultará en un efecto negativo para el N disponible en el suelo debido a que lo inmovilizará. Hasta ahora se ha evaluado la mineralización de N de cada abono en función del N acumulado a través de los tiempos de muestreo, sin embargo, la evaluación de las tasas de mineralización podría resultar más útil para predecir las cantidades de N mineralizado que podrían ser esperadas semanalmente después de la aplicación de cada abono. Las tasas de mineralización de los suelos sin abono y con abonos se presentan en la Figura 3. La tasa de mineralización de N es la cantidad de N que se mineraliza en un período de tiempo específico, en el caso de este estudio el tiempo es de una semana. Esta tasa se calcula de la división de la cantidad de N mineralizado acumulada entre el número de semanas transcurridas hasta ese momento. En la Figura 3 se observa que las tasas de mineralización de N fueron un poco más altas para los suelos con compost de FIO, bokashi de FPI y lombricompost de FPI y fueron menores para los suelos con bokshi de FC. Estos resultados, al igual que los resultados presentados en las Figuras 1 y 2, confirman la conclusión de que los abonos contribuyeron muy poco a la mineralización de N. Además, la misma variabilidad observada en los resultados presentados en la 25 10 Suelo convencional Suelo orgánico Suelo convencional + Compost FIO Suelo orgánico + Compost FIO Suelo convencional + Bokashi FPI Suelo orgánico + Bokashi FPI Suelo convencional + Bokashi FC Suelo orgánico + Bokashi FC 8 6 4 2 0 Tasa de mineralización de N (mg NO3--N / kg suelo / semana) 10 8 6 4 2 0 10 8 6 4 2 0 10 8 6 4 2 0 10 Suelo convencional + Lombricompost FPI Suelo orgánico + Lombricompsot FPI 8 6 4 2 0 2 4 6 8 10 12 14 16 20 2 4 6 8 10 12 14 16 20 Tiempo de incubación (semana) Figura 3. Tasa de mineralización de N de los suelos sin abono y suelos con abonos a través de 20 semanas de incubación. 26 Figura 1 se observa en las tasas de mineralización de la Figura 3, esta variabilidad ya fue atribuida anteriormente a las características físicas de los abonos. En la Figura 3 también se observa que en la mayoría de los casos, las tasas semanales de mineralización de N disminuyeron a través del tiempo de incubación. Este efecto ocurre debido a que las cantidades de N mineralizado son menores a medida que la materia orgánica se degrada. En términos prácticos, esto significa que cantidades de N mineralizado cada vez menores deben ser esperadas a medida que avanza el tiempo después de la aplicación de los abonos. Otro aspecto que se observa en la Figura 3 es que la magnitud de las tasas de mineralización de N obtenidas para los suelos con abono pareciera ser razonablemente aceptable. Sin embargo, esa conclusión debe ser evaluada más cuidadosamente ya que las cantidades de N mineralizado provienen en gran medida de los suelos mismos y muy poco de los abonos. Para esto, es conveniente evaluar las tasas de mineralización neta de N de los abonos. Las tasas de mineralización neta de N se presentan en la Figura 4. En este caso la tasa de mineralización se obtiene a partir de las cantidades netas de N mineralizado (Figura 2), esto es de las cantidades de N mineralizado únicamente por la degradación de los abonos. En la Figura 4 se observa claramente que los abonos estudiados mineralizaron semanalmente cantidades de N relativamente muy pequeñas, todas ellas inferiores a 2 mg de NO3--N kg-1 de suelo al finalizar la semana 20 del estudio. Las cantidades de N mineralizado semanalmente por los abonos estudiados no podrán cubrir los requerimientos de N de muchos cultivos. Esto es evidente al comparar la tasa de mineralización de cada abono en la Figura 4 con las cantidades de N requeridas semanalmente por varios cultivos que se producen en el trópico (Cuadro 5). De esta comparación se concluye que ninguno de los abonos estudiados estará en capacidad de suplir las necesidades de ninguno de esos cultivos. Esta comparación claramente establece que la calidad nutricional de los abonos producidos en EARTH no es adecuada y que debe ser mejorada. 27 10 8 Suelo convencional + Compost FIO Suelo orgánico + Compost FIO Suelo convencional + Bokashi FPI Suelo orgánico + Bokashi FPI Suelo convencional + Bokashi FC Suelo orgánico + Bokashi FC Tasa de mineralización neta de N (mg NO3--N / kg suelo / semana) 6 4 2 0 -2 -4 10 8 6 4 2 0 -2 -4 10 8 6 4 2 0 -2 -4 10 8 Suelo convencional + Lombricompost FPI Suelo orgánico +Lombricompost FPI 6 4 2 0 -2 -4 2 4 6 8 10 12 14 16 20 2 4 6 8 10 12 14 16 20 Tiempo de incubación (semana) Figura 4. Tasas de mineralización neta de N de los abonos orgánicos a través de 20 semanas de incubación. 28 Cuadro 5. Requerimientos de N de ciertos cultivos producidos en el trópico. Cultivo Aplicación por ciclo Aplicación por semana ------------------- kg ha-1 ------------------Arroz 243 20,3 Maíz 426 35,5 Tomate 400 16,7 Melón 300 12,5 Banano 600 15,0 Fuente: Domínguez (1989). En el caso de los bokashis, Okumoto (2003) indica que este tipo de abono orgánico se usa principalmente como mejorador del suelo y no como una fuente nutricional. Anteriormente se explicó que este abono no ha cumplido su ciclo de degradación por lo que necesita de un tiempo mayor para mineralizar N en cantidades suficientes para un cultivo. La autora cuestiona este hecho, específicamente en el caso del bokashi de FC ya que en su preparación, generalmente, no se usa una fuente de N que pueda enriquecer del mismo al abono o que le permita una vez que se va degradando mineralizar cantidades altas de N. En el caso del compost, del bokashi de FPI y del lombricompost de FPI se usan distintas fuentes de N que bajo un manejo adecuado en su preparación pueden resultar en abonos de mejor calidad nutricional. Varios ejemplos de bokashis elaborados con varias fuentes de N y con calidad nutricional adecuada son dados por Vélex (2002). 29 4.2 DETERMINACIÓN DEL POTENCIAL DE MINERALIZACIÓN DE N DE LOS ABONOS EN CADA SUELO DESPUÉS DE 20 SEMANAS DE SU APLICACIÓN La tasa de mineralización de N es un indicador de la eficiencia de un abono orgánico que permite estimar las cantidades de N inorgánico que serán liberadas, en este caso semanalmente, después de la aplicación del abono. La eficiencia de un abono también puede ser estimada a partir de la cantidad máxima de N que podría llegar a ser mineralizada en un período de tiempo definido. Este concepto se conoce como el potencial de mineralización de N y estima la cantidad máxima de N que podría ser mineralizada a partir de la degradación de la materia orgánica en un período de tiempo. El potencial de mineralización se obtiene de los resultados de una regresión exponencial de los datos de la mineralización acumulada, uno de los parámetros que resultan de la regresión que constituye el potencial de mineralización. Los potenciales de mineralización de N de los suelos sin abono y con abonos se presentan en la Figura 5. En esta figura se muestran las cantidades de N mineralizado acumuladas, las curvas de regresión que fueron ajustadas a esos valores y los parámetros de la regresión. A diferencia de la Figura 1 que presenta los promedios de las cantidades de N mineralizado acumuladas, la Figura 5 presenta las cantidades de N mineralizado acumuladas de las tres repeticiones de cada tratamiento en cada tiempo de incubación. La presentación de los valores de cada repetición permite contrastar el ajuste logrado con el modelo exponencial. En la Figura 5 se observa que el modelo exponencial fue exitosamente ajustado a las cantidades de N mineralizado acumuladas de los suelos sin abono y de casi todos los suelos con abono. El modelo no pudo ser ajustado a las cantidades de N mineralizado acumuladas del suelo convencional con bokashi de FC, esto se debió a la inmovilización de N que ocurrió en este suelo y que fue discutida anteriormente. En la Figura 5 también se observa que el grado de ajuste del modelo exponencial fue superior al 80% (R2 > 0.80) en cinco casos de suelo con abonos y los dos suelos sin abono. Esta observación indica que al tener el modelo exponencial un grado de ajuste bastante aceptable, la 30 confiabilidad del mismo para predecir el potencial de mineralización de N es también aceptable. En la Figura 5, el potencial de mineralización de N de los suelos sin abono y con abono se observa en el valor de la constante de la ecuación de la regresión exponencial. Por ejemplo, para el suelo convencional con compost la ecuación es Nt = 74.5 (1-e-0.03t), el valor de 74.5 (mg NO3--N kg1 ) representa el potencial de mineralización de N del compost al ser aplicado a este suelo. Los valores del potencial de mineralización de N de los suelos sin abono y con abono son bastante variados. Esta variación se observa más claramente en el Cuadro 6, el cual presenta un resumen de los potenciales de mineralización de los suelos sin abono y con abono. Los potenciales de mineralización de N variaron desde 28,7 mg NO3--N kg-1, para el suelo convencional sin aplicación de abono, hasta 170 mg NO3--N kg-1, para el Bokashi de FC aplicado al suelo bajo manejo orgánico. En general, los potenciales de mineralización de N fueron mayores en el suelo orgánico que en el suelo convencional en todos los casos excepto en el caso del compost. Estos resultados podrían ser atribuidos al hecho de que el suelo orgánico pudo haber tenido una flora microbiana más saludable y mejor establecida, ya que este suelo había estado por varios años bajo un manejo orgánico y no había recibido ningún tratamiento con agroquímicos. Este no es el caso del suelo convencional ya que debido a su manejo había recibido tratamiento de agroquímicos en detrimento de la flora microbiana. La presencia de una flora microbiana más saludable y establecida en el suelo orgánico daría condiciones más óptimas para que el abono fuese degradado. Sin embargo, en este análisis no se puede obviar el hecho de que el suelo orgánico mineralizó cantidades mayores de N que el suelo convencional y que ésta condición, más que las condiciones de la flora microbiana, sería una causa más probable de que los valores de los potenciales de mineralización de N de los abonos hayan resultado mayores en el suelo orgánico. El valor del potencial de mineralización de N del bokashi de FC en el suelo orgánico resulta absurdo al ser comparado con los resultados de los otros abonos. Este resultado se obtiene debido a la naturaleza de los datos 31 50 40 30 Suelo convencional Suelo orgánico Nt = 28,74 (1 - e-0,05 t) R2 = 0,82 Nt = 46,75 (1 - e-0,07 t) R2 = 0,88 Suelo convencional + Compost FIO Nt = 74,48 (1 - e-0,03 t) R2 = 0,88 Suelo orgánico + Compost FIO Nt = 51,56 (1 - e-0,11 t) R2 = 0,91 Suelo convencional + Bokashi FPI Nt = 37,12 (1 - e-0,06 t) R2 = 0,86 Suelo orgánico + Bokashi FPI Nt = 53,11 (1 - e-0,10 t) R2 = 0,92 20 10 0 50 Potencial de mineralización de N (mg NO3--N / kg suelo) 40 30 20 10 0 50 40 30 20 10 0 50 Suelo convencional + Bokashi FC Suelo orgánico + Bokashi FC Nt = 170,00 (1 - e-0,02 t) R2 = 0,94 40 30 20 10 0 50 40 Suelo orgánico + Lombricompost FPI Nt = 47,01 (1 - e-0,13 t) R2 = 0,78 Suelo convencional + Lombricompost FPI N = 29,39 (1 - e-0,12 t) t R2 = 0,71 30 20 10 0 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 Tiempo de incubación (semana) Figura 5. Potencial de mineralización de N de los suelos sin abono y con abono a través de 20 semanas de incubación. 32 usados en la regresión exponencial. En el suelo orgánico, la adición de bokashi de FC causó una inmovilización de N, que no es apreciable en la Figura 1 pero si es muy evidente en la Figura 2. Al examinar la Figura 5 se observa que la línea de la regresión exponencial en el caso de el bokashi de FC sigue una tendencia casi lineal y debido a esa tendencia el modelo sobreestima el valor máximo del N que será mineralizado en el suelo orgánico con la adición de bokashi de FC. Cuadro 6. Cálculo del potencial de mineralización de los abonos orgánicos estudiados. Suelo Abono Potencial de mineralización mg N kg-1 suelo kg N ha-1 suelo1 28,7 24,4 Compost FIO 74,5 63,3 Bokashi FPI 37,1 31,7 Bokashi FC ND2 ND Lombricompost FPI 29,4 25,0 Sin abono 46,8 37,4 Compost FIO 51,6 41,3 Bokashi FPI 53,1 42,5 Bokashi FC 170,0 136,0 Lombricompost FPI 47,0 37,6 Convencional Sin abono Orgánico 1 Conversión realizada utilizando la densidad aparente del suelo y 10 cm de profundidad. 2 ND = No determinado 33 El Cuadro 6 también muestra que las diferencias entre los potenciales de mineralización de N de los abonos y los potenciales de mineralización de N de los suelos son pequeñas. Esta observación indica que el potencial de mineralización de N de los abonos es bajo. Esta conclusión es congruente con los resultados de las cantidades netas de N mineralizado y de las tazas de mineralización de N muy bajas que se observaron en las Figuras 2 y 4. El Cuadro 6 también presenta los potenciales de mineralización de N expresados en kg de N ha-1. Al comparar estos valores con los requerimientos de N de varios cultivos (Cuadro 5) claramente se establece que ninguno de los abonos tendrá el potencial de proveer el N requerido por esos cultivos. Es muy probable que sea necesario aplicar cantidades mayores o realizar aplicaciones más frecuentes de estos abonos para que los mismos lleguen a cumplir con los requerimientos de los cultivos presentados en el Cuadro 5. Los resultados obtenidos de las tasas de mineralización de N y de los potenciales de mineralización de N de los abonos producidos en EARTH parecen indicar que estos abonos no tienen una calidad nutricional adecuada. El uso de estos abonos, en la cantidad aplicada y con una sola aplicación no llevaría a cumplir con los requerimientos de N de algunos cultivos que se producen en trópico. Los resultados de este estudio identificaron que la relación C:N de los abonos es el aspecto responsable de la falta de calidad nutricional de los abonos. Los resultados del estudio también identificaron que el alto grado de heterogeneidad de los abonos, principalmente del compost y de los bokashis, influye en la calidad de la degradación de los mismos y, por lo tanto, en las cantidades de N que serán mineralizadas. Es necesario evaluar los procesos de elaboración de estos abonos y asegurarse de que los mismos lleguen a alcanzar una relación C:N que sea conducente a producir un abono de calidad nutricional adecuada. 34 5 • CONCLUSIONES Todos los abonos evaluados mineralizaron cantidades bajas de N a través de 20 semanas de haber sido aplicados a los suelos. De los abonos evaluados, el lombricompost de FPI mineralizó la mayor cantidad de N después de 20 semanas de su aplicación. Las tazas de mineralización de N de todos los abonos resultaron ser muy bajas. Desde el punto de vista nutricional, los abonos no tienen la capacidad de proveer los requerimientos de N, durante el ciclo, de varios cultivos comúnmente producidos en el trópico de Costa Rica. Estos resultados fueron atribuidos principalmente a que todos los abonos tenían una relación C:N casi igual o mayor que la recomendada (20:1) para que un abono orgánico mineralice cantidades sustanciales de N. La relación C:N del bokashi de FC fue tan alta que durante las primeras 10 semanas del estudio inmovilizó parte del N disponible que había en los suelos. • Las cantidades de N mineralizadas por el compost de FIO y por los bokashis de FPI y FC fueron muy variables durante las 20 semanas del estudio. Esa variabilidad fue causada por un grado de degradación y un tamaño de partícula muy heterogéneos de los abonos al inicio del experimento. Además, la presencia en los abonos de materiales aún sin degradar debió haber sido otra causa de que esos abonos tuvieran relaciones C:N mayores que las adecuadas para un abono al ser aplicado al suelo. • El potencial de mineralización de N de los abonos estudiados resultaron también ser bajos. Esos potenciales están dentro de un rango que va desde 28,7 mg NO3--N kg-1 de suelo hasta 74,5 mg NO3--N kg-1 de suelo. El valor de 170,0 mg NO3--N kg-1 de suelo establecido para el bokashi de FC no fue aceptado como representativo del potencial de mineralización de N de este abono, debido a que dicho valor resultó de un ajuste del modelo exponencial a datos que no correspondían a una mineralización de N sino que a una inmovilización de N por parte de este bokashi. 35 Los abonos orgánicos producidos en EARTH no cuentan con un potencial de mineralización de N óptimo y, por lo tanto, no estarán en capacidad de suplir los requerimientos de N, durante el ciclo, de varios cultivos. • En general, los abonos orgánicos producidos en EARTH podrán servir para mejorar algunas de las condiciones de los suelos, si embargo, no tienen una capacidad nutricional para proveer N en una manera adecuada. 36 6 • RECOMENDACIONES Los resultados de este estudio sugieren que las fincas de EARTH deben evaluar sus sistemas de elaboración de abonos orgánicos. Uno de los factores que debe ser evaluado es el uso de fuentes de N que lleven al abono a alcanzar una relación C:N óptima para la mineralización de N. La relación C:N del abono al final del proceso de elaboración debe ser evaluada frecuentemente para realizar los ajustes necesarios. • Otro factor que debe ser evaluado periódicamente es el tamaño de partícula al inicio y al final del proceso de elaboración, debido a que los resultados de este estudio muestran que este factor puede causar variabilidad en las cantidades de N mineralizado a través de la descomposición del abono. 37 7 LITERATURA CITADA ANAO (Asociación Nacional de Productores Orgánicos). 1996. Curso introductorio a la agricultura orgánica. Heredia, CR. ANAO. 7 p. Baier, A; Bourque, M; Castillo, H; Solórzano R y Xet, AM. 1994. Fertilización Orgánica. 3º ed. Guatemala, GT. Tecnología Alternativa (ALTERTEC). 113 p. Bollag, JM y Stotzky, G. 1993. Soil Biochemistry Volumen 8. New York, US. Marcel Dekker, INC. 418 p. Brady, N y Weil, RR. 1999. The Nature and Properties of Soils. 12° ed. New Jersey, US. Prentice Hall. 881 p. Cabrera, ML. 1993. Modeling the flush of nitrogen mineralization caused by drying and rewetting soils. En Soil Science Society of America. 57: 63 – 66. Campbell, CA; Myers, RJK y Weier, KL. 1981. Potentially mineralizable nitrogen, decomposition rates and their relationship to temperature for five queensland soils. En Australian Journal Soil Research. 19: 323 – 332. Céspedes, R. 2003. Bokashi de Finca Comercial (entrevista). Encargado de bokashera Finca Comercial, Universidad EARTH. Mercedes de Guácimo, CR. Chae, YM y Tabatabai, MA. 1986. Mineralization of nitrogen in soil amended with organic wastes. En Journal of Environmental Quality. 15(2): 193 – 198. Curtin, D y Smillie, GW. 1995. Effects of incubation and pH on soil solution and exchangeable cation ratios. En Soil Science Society of America. 59: 1006 – 1011. Domínguez, VA. 1989. Tratado de Fertilización. 2º ed. Madrid, España. Mundi Prensa. 601 p. Douglas, BF y Magdoff, FR. 1991. An evaluation of nitrogen mineralization indices for organic residues. En Journal of Environmental Quality. 20: 368 – 372. Garau, M.; Felipó, M. y Ruis de Villa, C. 1986. Nitrogen mineralization of sewage sludges in soils. En Journal of Environmental Quality. 15(3): 225 – 228. Gómez, F. 2001. Evaluación del bokashi como sustrato para semilleros en la región atlántica de Costa Rica. Proyecto de Graduación Lic. Ing. Agr. Guácimo, Costa Rica. Universidad EARTH. 32 p. 38 Gonzáles, P. 2003. Compost de Finca Integrada Orgánica EARTH (entrevista). Encargado de Finca Integrada Orgánica, Universidad EARTH. Mercedes de Guácimo, CR. Gouin, F; Laliberty, L; Kay, D; Murphy, D; Hoitink, D y Brinton, W. 1992. On – Farm Composting Handbook. Nueva York, US. Northeast Regional Agricultural Engineering Service. 186 p. Greenberg, AE; Clesceri, LS y Eaton, AD. 1992. Standard methods for the examination of water and wastewater. 18º ed. Maryland, US. EPS group, Inc. Hanover. 912 p. Huffman, SA; Cole, CV y Scout, NA. 1996. Soil texture and residue addition effects on soil phosphorus transformations. En Soil Science Society of America. 60(4): 1095 – 1101. Keeney, DR. 1983. Principles of microbial processes of chemical degradation, assimilation and accumulation. En Soil Science Society of America (special publication). no. 11: 153 – 164 p. León, L. 1998. Efecto de la aplicación de materia orgánica en la recuperación de suelos degradados por el cultivo intensivo de banano. Proyecto de Graduación Lic. Ing. Agr. Guácimo, Costa Rica. Universidad EARTH. 47 p. Mazzarino, MJ; Oliva, L; Nuñez, A; Nuñez, G y Buffa, E. 1991. Nitrogen mineralization and soil fertility in the dry Chaco ecosystem (Argentina). En Soil Science Society of America 55(2): 515 – 522. Meléndez, G; Szott, LT y Ricse, A. 1995. Mineralización de N de material foliar de especies de Inga. En Nitrogen Fixing Tree Research Reports. Morrilton, Ark. 35 – 41 p. Mendoza, A. 1997. Evaluación de la calidad de abonos fermentados tipo bokashi elaborados con desechos que se generan en las fincas del Trópico Húmedo de Costa Rica. Proyecto de Graduación Lic. Ing. Agr. Guácimo, Costa Rica. Universidad EARTH. 31 p. Motavalli, PP; Palm, CA; Elliot, ET; Frey, SD y Smithson, PC. 1995. Nitrogen mineralization in humid tropical forest soils: mineralogy, texture and measured nitrogen fractions. En Soil Science Society of America. 59: 1168 1175. Okumoto, S. 2003. Bokashi Finca Comercial EARTH (entrevista). Profesor de Horticultura Orgánica, Universidad EARTH. Mercedes de Guácimo, CR. 39 Paul, EA y Clark, FE. 1996. Soil microbiology and biochemistry. 2º ed. California, US. Academic Press. 340 p. Porta, J; López – Acevedo, M y Roquero, C. 1994. Edafología para la agricultura y el medio ambiente. Madrid, España. Mundi Prensa. 807 p. Ramírez, J y Rivera, P. 1998. Estudio de la utilización de bokashis de residuos de Marginata como cobertura en tres cultivos ornamentales. Proyecto de Graduación Lic. Ing. Agr. Guácimo, Costa Rica. Universidad EARTH. 89 p. Reddy, KR y Patrick, WH. 1983. Effects of aeration on reactivity and mobility of soil. Chemical Mobility and Reactivity in Soil Systems. En Soil Science Society of America (special publication). no. 11: 11 - 34. SAS (Statistical Analysis System) Institute. 1988. SAS Procedures Guide. Release 6.03 Edition. North Carolina, US. SAS. 441 p. Schnitzer, M y Khan, SU. 1978. Soil Organic Matter: Development in soil science 8. Amsterdam, NO. Elsevier Scientific Publishing Company. 319 p. Sharpley, AN y Smith, SJ. 1989. Mineralization and leaching of phosphorus from soil incubated with surface - applied and incorporated crop residue. En Journal of Environmental Quality. 18: 101 – 105. Shintani M, Leblanc H, Tabora P. 2000. Bokashi (Abono orgánico fermentado). Guía para uso práctico. Limón, CR.Universidad EARTH. 24 p. Smith, CJ; Chalk, PM; Crawford, DM y Wood, JT. 1994. Estimating gross nitrogen mineralization and immobilization rates in anaerobic and aerobic soil suspensions. En Soil Science Society of America. 58: 1652-1660. Stanford, G. y Smith, S. 1972. Nitrogen mineralization potentials of soils. En Soil Science Society of América. 36: 465 – 472. Umaña, C. 1997. Mineralización de la materia orgánica del suelo bajo tres ecosistemas del Trópico Húmedo en Costa Rica. Tesis Lic. Ing. Agr. UCR. Turrialba, Costa Rica. 74 p. Umaña, L. 2003. Bokashi y lombricompost de Finca Pecuaria Integrada EARTH (entrevista). Asistente del encargado de la Finca Pecuaria Integrada, Universidad EARTH. Mercedes de Guácimo, CR. Vandevivere, P y Ramírez, C. 1995. Control de calidad de abonos orgánicos por medio de bioensayos. Memoria simposio centroamericano sobre agricultura orgánica. San José, Costa Rica. p. 121 – 140. 40 Vélex, L. 2002. Comparación de la calidad de bokashis elaborados con desechos de fincas del Trópico Húmedo de Costa Rica. Proyecto de Graduación Lic. Ing. Agr. Guácimo, Costa Rica. Universidad EARTH. 35 p. Vigil, MF y Kissel DE. 1995. Rate of nitrogen mineralized from incorporated crop residues as influenced by temperature. En Soil Science Society of America. 59: 1636 – 1664. Zhang, M; Karamanos, R; Kryzanowski, L; Cannon, K y Goddard, W. 2002. A single measurement to predict potential mineralizable nitrogen. Communications in soil science and plant analysis. 33:(15-18) 3517 – 3530. 41