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DESARROLLO Y EVALUACIÓN DE FERTILIZANTES INTELIGENTES BASADO EN UNA MATRIZ ORGÁNICO R.D. Ramirez, J.L. Barradas, B.K. Singh1 Universidad EARTH Las Mercedes de Guácimo, Limón, Costa Rica Recibido 26 de noviembre 2010. Aceptado 10 de octubre 2012.

RESUMEN El aumento constante del uso de fertilizantes para la producción de cultivos en la agricultura, aunado con el creciente incremento de su costo, genera implicaciones negativas relacionadas al aumento de costo de producción de los alimentos, así como el aumento de la contaminación del ambiente. El presente estudio consistió en el desarrollo y evaluación de fertilizantes inteligentes basados en matrices orgánicas. Se desarrollaron dos fertilizantes, uno a base de lombricompost denominado CNPK-Lombri y otro a base de turba con el nombre de CNPK-Turba. Estos fertilizantes presentaron una composición de 4 % de N, 10 % de P2O5, 10 % de K2O, además el fertilizante elaborado conde lombricompost poseyó un contenido de 6 % de C y el de turba un contenido de 14 % de C. Primero, los fertilizantes fueron evaluados con una prueba de lisímetros; los fertilizantes inteligentes fueron comparados con un fertilizante químico con misma concentración de nutrientes. En este se logró la curva de liberación de NH4+ y NO3–, donde se demostró que los fertilizantes inteligentes mantuvieron una tasa de liberación alta hasta el último tiempo de evaluación, siete semanas. Adicionalmente se realizó un estudio en campo donde los fertilizantes inteligentes se compararon con el mismo fertilizante químico de la prueba de lisímetros y con un tratamiento control, sin fertilización. Se realizaron dos ciclos de cultivo con una sola aplicación de los fertilizantes en el primer ciclo. Se obtuvo más biomasa por el cultivo fertilizado con los tratamientos CNPK-Turba y CNPK-Lombri con respecto al control, en ese primer ciclo. En el segundo ciclo también se obtuvo diferencias estadísticamente significativas (p≤0.05) a favor de los fertilizantes inteligentes. Estas evaluaciones indicaron que los fertilizantes desarrollados tienen propiedades de liberación lenta. Palabras clave: carbono, fertilizante de liberación lenta, lombricompost, nitrógeno, pellet, turba. ABSTRACT The constant increase in the use of fertilizers for crop production, together with the recent increase in fertilizer costs, has generated negative implications related to the increase in the cost of food production as well as an increase in environmental pollution. The present study consisted in the development and evaluation of intelligent organic fertilizers. Two fertilizers were formulated: one of vermicompost, CNPK-Vermi, and the other a peat based fertilizer, CNPK-Peat. These fertilizers had a composition of 4 % N, 10 % P2O5, and 10 % K2O. The fertilizer formulated with vermicompost contained 6 % C and that which was formulated with peat contain 14 % C. First, the fertilizers were evaluated in lysimeters; the intelligent fertilizers were compared to a chemical fertilizer with the same concentration of nutrients. A release curve for NH4+ y NO3– was generated which showed that the intelligent fertilizer release rate remained high until the end of the evaluation, seven weeks. Additionally, a field study was conducted, 1

Contacto: B.K. Singh ([email protected])

ISSN: 1659-2751

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comparing the two intelligent fertilizers with the chemical fertilizer and a control, without fertilzer. Two cycles of cultivation were completed with a single application of fertilizer in the first cycle. The crops fertilized with CNPK-Turba and CNPK-Lombri obtained more biomass as compared to the control, in the first cycle. In the second cycle, statistically significant differences (p≤0.05) also were found, in favor of intelligent fertilizers. These evaluations showed that the fertilizers developed have slow release properties. Key words: carbon, slow release fertilizer, vermicompost, nitrogen, pellet, peat. INTRODUCCIÓN El uso de fertilizantes en la agricultura está aumentando cada vez más debido a la perdida de la fertilidad de los suelos por la intensificación de la siembra de cultivos. Se estima que para el año 2010, el uso de fertilizantes en la agricultura en Latinoamérica será de 117 kg/ha, lo cual alcanza un total de 16.9 millones de megagramos. De la totalidad de los fertilizantes aplicados en la agricultura, el porcentaje más alto corresponde al nitrógeno, debido a que es el nutriente más limitante en los sistemas agrícolas. El beneficio de este nutriente es el incremento de la producción; sin embargo, también presenta una debilidad ya que al ser aplicado tiende a perderse por medio de la infiltración de NO3- y por la volatilización de NH3 en los métodos comunes de labranza convencional (Alexandratos, 1995). La pérdida de nutrientes reducen en gran medida la eficiencia del fertilizante, la cual por un lado representa una pérdida económica para los productores y por otro lado representa un riesgo ya que tiene un potencial contaminante en los mantos acuíferos por la infiltración del NO3-, así como en la atmosfera por la volatilización de los gases nitrogenados de efecto invernadero (Aragon et al., 1996). Los fertilizantes comunes comercializados normalmente al ser aplicado en el suelo son liberados rápidamente ocurriendo pérdidas de nutrientes por los diferentes mecanismos. Las pérdidas de nutrientes se producen debido a que los cultivos no tienen la capacidad suficiente de absorber todos los nutrientes liberados en intervalos de tiempo reducidos. Estos tipos de fertilizantes se comportan de esta manera debido a que no poseen propiedades que le protegen de la rápida degradación en el suelo. A raíz de esta problemática han sido creados los fertilizantes de liberación lenta o controlada. Estos productos tienen la propiedad de que después de ser aplicados en el suelo no son liberados de forma completa en corto periodo de tiempo (Oliet y Segura, 1999). Entre los fertilizantes de liberación lenta se encuentran los recubiertos o encapsulados que son fertilizantes convencionales que son recubiertos por una capa semipermeable que está formada por compuestos insolubles o de baja solubilidad en agua (Suarez et al., 2006). Los fertilizantes de baja solubilidad son otra forma de lograr una liberación lenta, son abonos que requieren gran cantidad de agua para su completa solubilidad. Estos fertilizantes generalmente son combinados con alguna sustancia que le permita disminuir la solubilidad. Otros tipos de fertilizantes son los que tienen propiedades inhibidoras de la nitrificación que permiten una liberación lenta, ya que las principales pérdidas de nitrógeno cuando se aplican fertilizantes amoniacales y de urea, se producen después de su conversión a nitratos (Salas et al., 1995). En este trabajo se estudió otro mecanismo para generar un retardo en la liberación de los nutrientes del fertilizante. Este consiste en la combinación de fertilizantes comunes (DAP y cloruro de potasio) con materia orgánica con alto porcentaje de humus, referido éste a la fracción de la materia orgánica compuesta por los ácidos húmicos, ácidos fulvicos y huminas. En este

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estudio los fertilizantes fueron combinados con turba y lombricompost previamente tratados para la liberación de ácidos húmicos y fúlvicos, y fueron elaborados en forma de pellets. MATERIALES Y MÉTODOS El proyecto se desarrolló en la Universidad EARTH ubicada en el cantón de Guácimo de la provincia de Limón, Costa Rica, en las coordenadas 10°12’48” N y 83°35’47” W, con una altitud de 41 msnm. En cuanto a característica climatológica, se marca una precipitación promedio de 3400 mm anual, temperatura media de 25 °C y 80 % de humedad relativa media anual (Universidad EARTH, 2010). En el proyecto fueron elaborados dos fertilizantes, formulados de manera que sean exactamente iguales en los porcentajes de sus componentes, (arcilla, materia orgánica, DAP y KCl) con la variación de que uno llevó como materia orgánica el lombricompost y el otro la turba. El suelo vertisol fue utilizado como materia prima para la producción de los dos tipos de fertilizantes. Este tipo de suelo posee una textura arcillosa que al ser humedecida adquiere un estado viscoso aglutinante que le permite funcionar como adherente. Esta propiedad es aprovechada para aumentar la adherencia del fertilizante, por lo que fue incorporado como una materia prima para la elaboración de los dos tipos de fertilizantes de forma que permita la mezcla de los materiales usados para la elaboración del pellet. El material fue obtenido en la provincia Guanacaste, Costa Rica, donde es predominante. El lombricompost convencional fue producido en la Finca Pecuaria Integrada (FPI) de la universidad. Para ello fueron construidas dos camas de 5 m de largo por 1 m de ancho con un sistema de drenaje por medio de tubos agujereados. El modelo de las camas fue escogido debido a que se requería que todos los lixiviados recogidos sean devueltos como riego en el sistema para evitar pérdidas de nutrientes y lograr producir lombricompost con la mayor concentración de elementos nutritivos. Para la producción de lombricompost fue utilizada la especie lombriz roja californiana (Eisefia foetida) por su mejor adaptación y producción en las condiciones climáticas de la zona. Como alimentos o sustratos fue utilizado estiércol de ganado bovino madurado por 15 días. La turba es un material orgánico rico en carbono que es formado por medio de la putrefacción y carbonificación de la biomasa vegetal en aguas ácidas. Este material fue usado como segunda matriz orgánica y de aporte de carbono en el fertilizante desarrollado. Posteriormente, el producto obtenido fue sometido como un tratamiento en el estudio para su evaluación. La turba fue obtenida de su sitio de formación que es comercializado como materia orgánica en el mercado. Para la elaboración de los fertilizantes, los componentes orgánicos y la arcilla fueron secados y molidos. Posteriormente, las matrices orgánicas fueron tratadas con una solución alcalina para separar la fracción húmica de las fibras. La materia orgánica fue tratada con una solución ácida para bajar el pH a un nivel adecuado de 6.7 y mezclados con los fertilizantes DAP y KCl previamente calculados para obtener una formulación conocida. Estos materiales fueron mesclados con la arcilla, con lo que se obtuvo una pasta que se dejó en reposo por un periodo de tiempo para permitir la disolución del fertilizante y la liberación de nutrientes en el producto. Después del proceso de formación de la pasta, se llevó a cabo un proceso de secado en horno con una temperatura de 60 °C para evitar la volatilización de N. Posteriormente se trituró para permitir una homogeneización total del fertilizante, lo que generó un material en forma de polvo.

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Después del proceso de molienda, el fertilizante fue convertido en pellets con la ayuda de una maquina manual. La evaluación de la liberación de los nutrientes de los fertilizantes fue realizada por medio de lisímetros hechos de tubos de PVC de 8 cm (3”) de diámetro y 45 cm de largo. En los lisímetros se colocaron arena de rio, lavada y tratada con HCl para eliminar impurezas, residuos de materia orgánica o elementos que pudiese crear sesgo de los resultados en el experimento. En la preparación de los lisímetros, se llenó cada uno de estos con 1500 g de arena mezclado con la cantidad de fertilizantes que le corresponde a cada tratamiento según el tipo de fertilizante: NPK (T1), CNPK-Lombri (T2), CNPK-Turba (T3), con cuatro repeticiones cada uno. Las cantidades de fertilizante fueron 2 g de N, 5 g de P2O5 y 5 g de K2O. En cada lisímetro, sobre la arena, se colocó un recipiente con una solución de ácido bórico para capturar el amoniaco producido por el fertilizante N, y así determinar la volatilización del N del fertilizante. Cada semana, durante siete semanas, los lisímetros fueron lavados con 500 mL de agua, lo que corresponde aproximadamente al doble del espacio poroso de la arena en el lisímetro. Se analizaron los lixiviados recogidos para determinar la concentración de NH4+ y NO3– por medio de un espectrofotómetro electrónico manual. Con el fin de evaluar el efecto que produce el fertilizante sobre el crecimiento de las plantas, se estableció un ensayo de cuatro tratamientos: NPK (T1), CNPK-Lombri (T2), CNPK-Turba (T3) y control sin fertilizante (T4). Se realizó el experimento con cultivo de maíz sembrado en macetas con 2.5 kg de tierra. Cada tratamiento contó con 12 macetas equivalente a 12 repeticiones. Se realizó la recolección de los datos al primer ciclo de cultivo que duró 49 días. Posteriormente, los cultivos fueros cortados para ser medidos en biomasa y reemplazados con una nueva siembra, la cual tuvo un periodo de crecimiento de 41 días. El experimento fue realizado de esta manera para evaluar el efecto residual de los fertilizantes en el suelo. La evaluación del cultivo fue realizada en base a tres parámetros de crecimiento en el primer ciclo, diámetro del tallo, el ancho de la primera hoja y la biomasa seca total de la planta y solamente por medio de la biomasa al fin del segundo ciclo. RESULTADOS Y DISCUSIÓN Los fertilizantes a base de matrices orgánicos fueron comparados con el fertilizante NPK de liberación rápida para apreciar la tendencia de la curva de liberación de nutrientes, y de esta manera determinar si los fertilizantes desarrollados presentan propiedades de liberación lenta. La tasa de liberación de NH4+ por los fertilizantes inteligentes (T2 y T3) fue mayor que el fertilizante químico (T1) y además se mantuvo hasta los 42 días con algunas fluctuaciones. En cambio, la curva de liberación de NH4+ del fertilizante químico desciende después de los 35 días, la cual indica que el depósito de nutrientes en el fertilizante se agotó (Figura 1). Para la liberación de NH4+, usando la media de mg/kg liberados como valores comparativos, se encontró una diferencia estadísticamente significativa entre el fertilizante químico NPK (T1) y los otros dos tratamientos.

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10

250

Concetración (mg/kg)

NH4+

NO3T1 T2 T3

8

200

6

150

4

100

2

50

0

0 0

10

20

30

40

0

10

20

30

40

Tiempo (días)

Figura 1. Curva de liberación de NH4+ (izquierda) y NO3‒ (derecha) de los tres tratamientos in lisímetros. Se demostró que, en comparación, los fertilizantes CNPKs (T2 y T3) liberaran menos NO3‒ que el fertilizante NPK (T1) (Figura 1). Es la razón por lo que el fertilizante químico presentó mayor tasa de pérdidas en el suelo y por consiguiente menor eficiencia del fertilizante. También, se existió una diferencia estadísticamente significativa entre los fertilizantes elaborados a base de matrices orgánicas y el fertilizante químico para la liberación de NO3‒. Por medio de una evaluación cualitativa, se determinó que los fertilizantes inteligentes (T2 y T3) no produjeron volatilización de NH3. En cambio, el fertilizante químico presentó una pérdida por medio de la volatilización de NH3. Esta pérdida puede ser la razón por lo que en el análisis el fertilizante químico presenta tasas menores de liberación de NH4+ (Figura 1). El ensayo con el cultivo de maíz se pretendió determinar el aporte del material húmico del fertilizante al cultivo, ya que las sustancias húmicas ejercen un gran efecto estimulante sobre la fisiología en general de la planta. Esta sustancia principalmente favorecen los procesos de germinación, el desarrollo radicular y la permeabilidad de las membranas de las raíces y de esta manera se incrementa la absorción de nutrientes (AGRARES, 2010). Otro beneficio de las sustancias húmicas en el suelo es el aporte para mejorar las propiedades físicas de la misma, como la capacidad de intercambio iónico. Por medio de esta propiedad las sustancias húmicas retienen macro y micronutrientes y son puestos en la solución del suelo para su absorción por las raíces, impidiendo la formación de compuestos insolubles. Se realizó la medición del diámetro del tallo y ancho de la hoja en periodos semanales a partir de la segunda semana de emergencia del cultivo en el primer ciclo para todas las plantas de cada uno de los tratamientos. Se encontraron diferencias significativas (p≤0.05) entre los tratamientos por el variable diámetro del tallo (Figura 2). Las aplicaciones de las formulaciones que incluyen matrices orgánicos, T3 y T2, resultaron en plantas con el diámetro más grueso que el tratamiento químico (T4) y el control (T4), en un periodo de 49 días. Para el análisis del variable ancho de hoja, se encontraron resultados similares a los resultados para el diámetro del tallo. Se obtuvieron mejores resultados con los tratamientos de matrices orgánicos comparados con el tratamiento químico y el control, y las diferencias fueron significativas (p≤0.05) (Figura 2).

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2.0

6

Diámetro de tallo

Ancho de hoja 5

Tamaño (cm)

1.5 4 1.0

3 2

T1 T2 T3 T4

0.5 1 0.0

0 10

20

30

40

50

10

20

30

40

50

Tiempo (DDE)

Figura 2. Diámetro del tallo (izquierda) y ancho de la hoja (derecha) para todos los tratamientos del primer ciclo de cultivo. En el primer ciclo de cultivo se obtuvo una mayor producción de biomasa (matera fresca y materia seca) con la formulación CNPK-Turba (T3), seguido por el tratamiento CNPK-Lombri (T2); el NPK (T1) y el tratamiento control sin fertilizante (T4) obtuvo los resultados más bajos (Figura 3). Los resultados de la biomasa húmeda y seca en el segundo ciclo del maíz, el periodo que comprende desde los días 50 hasta los días 90 después de la aplicación de los fertilizantes, encontraron resultados similares al primer ciclo (Figura 3). Existió una diferencia estadísticamente significativa (p≤0.05) entre las plantas con el T1 y las plantas con el T2 y T3. Igualmente encontró una diferencia significativa con estos tratamientos y el T4 que presentaron crecimiento de las plantas muy bajo. Entre el T2 y T3 (fertilizantes inteligentes) no existió una diferencia estadísticamente significativa (p≤0.05) (Figura 3). Primer ciclo

Peso/planta (g)

200

150

Segundo ciclo

Materia fresca Materia seca

100

50

0 T1

T2

T3

T4

T1

T2

T3

T4

Tratamiento

Figura 3. Producción de materia fresca y seca para todos los tratamientos del primer ciclo (izquierda) y segundo ciclo (derecha) de cultivo

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Este resultado del segundo ciclo de cultivo fortalece los resultados obtenidos por la evaluación en el laboratorio, donde fueron encontrados que los fertilizantes CNPK Turba (T3) y CNPK Lombri (T2) presentaron características de fertilizante de liberación controlada debido a su mantenimiento en la curva de liberación de nutrientes. Este resultado de laboratorio se demostró en el campo ya que el crecimiento del cultivo fue mucho mayor para los fertilizantes elaborados con matrices orgánicos. CONCLUSIONES Los fertilizantes de liberación controlada desarrollados en el proyecto fueron evaluados por medio de lisímetros con los que se logró la curva de liberación de nutrientes. Se obtuvo que los fertilizantes a base de matrices orgánicos mantuvieran una tasa alta de liberación de N hasta los 42 días, en cambio el fertilizante químico demostró una caída de la curva de liberación desde los 35 días. En esta evaluación se demostró que la retención de N por los fertilizantes desarrollados a base de matrices orgánicos fue mucho mayor que el fertilizante químico. El segundo estudio fue desarrollado con el cultivo de maíz, realizado por medio de la siembra en macetas fertilizado una vez, y evaluados por dos ciclos de cultivos. En el primer periodo del cultivo se obtuvo un crecimiento mayor de 48 % de biomasa por el CNPK Lombri en comparación con el NPK y 59 % de diferencia del fertilizante CNPK Turba comparado también con el NPK. En el segundo ciclo se demostró la misma tendencia con diferencia estadísticamente significativa a favor de los fertilizantes desarrollados con matrices orgánicos en comparación con el fertilizante químico. Estas dos evaluaciones realizadas a los fertilizantes que fueron desarrollados demostraron que los productos presentaron propiedades de liberación lenta. AGRADECIMIENTOS Este estudio se pudo realizar gracias al financiamiento brindado por la Administración Académica y la Unidad de Investigación de la Universidad EARTH, Guácimo, Costa Rica. LITERATURA CITADA AGRARES. 2010. Enraizante AGRARES. Abono especial NPK conteniendo aminoácidos [en línea]. [consultado 7 octubre 2010], 13 p. Disponible en el World Wide Web: http://www.agrares.com/es/enraizante/Enraizante.pdf Alexandratos, N. 1995. Agricultura mundial: hacia el año 2010. 1ª ed. Madrid (ES): MundiPrensa. 493 p. ISBN 9253035900. Aragon, M.; Gonzalez, J. y Ruiz, M. 1996. Volatilización de amonio durante la incubación y secado de muestras de suelos alcalinos de la región Soure-Portugal. Información Tecnológica [en línea]. vol. 7, no. 4 [consultado 02 marzo 2010], p 27-30. Disponible en el World Wide Web: . Oliet, J. y Segura, ML. 1999. Los fertilizantes de liberación controlada lenta aplicados a la producción de planta forestal de vivero. Efecto de dosis y formulaciones sobre la calidad de Pinus halepensis mil. Invest. Agr.: Sist. Recur., vol. 8, no. 1, p. 208-228.

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Salas, R.; Molina, E. y Castro, A. 1995. Efecto de dosis y fuentes de fertilizantes nitrogenados de inmediata y lenta liberación en el cultivo de la fresa (Fragaria x Ananasa cv. Chandler). Agronomía Costarricense, vol. 19, no. 2, p. 1-6. Suarez, EA. y Vargas, I. 2006. Formulación de capas de permeación restringida para la elaboración de fertilizantes de liberación lenta [Proyecto de Graduación Lic. Ing. Agr.] Guácimo (CR): Universidad EARTH. 69 p. Universidad EARTH. 2010. Base de datos climáticos [documento en Excel]. Guácimo (CR). Actualizado mensualmente.