Tratamiento de suelos mineros mediante co-compostaje con Biochar, estiércol
ovino y residuos orgánicos domiciliarios
Treatment of mining soils through co-composting with Biochar, sheep
manure and organic household waste
Luís Díaz, Hotman Laguna, Yenireth Gutiérrez, Aslenis Melo, Ana Vega ]]>
Universidad Popular del Cesar, Colombia
Resumen
Actualmente se requieren estrategias combinadas para minimizar el impacto ambiental de actividades antrópicas. El objetivo de este estudio fue evaluar el co-compostaje de residuos sólidos urbanos, caprinaza y biochar para el tratamiento en vivero de suelo de acopio de mina del departamento del Cesar. La metodología incluyó el análisis fisicoquímico y microbio lógico de suelo antes y después de aplicado el co-compost en vivero y el sostenimiento de Brachiaria y Caesalpinia ébano. Las propiedades del co-compost y su efecto favorable en suelo, indican un alto potencial para procesos de remediación conbeneficio de aprovechamiento de residuos sólidos urbanos rurales e industriales.
Palabras claves: Actividad antrópica, residuos sólidos, compost; restauración de suelos.
Abstract
Currently, combined strategies are required to minimize the environmental impact of anthropogenic activities. The objective of this study was to evaluate the co-composting of urban so lid waste, caprinaza and biochar for the treatment in nursery of soil of mine collection of the department of Cesar. The methodology included the physicochemical and microbio lo gical analysis of soil before and after the co-compost was applied in the nursery and the support of Brachiaria and Caesalpinia ebano. The properties of co-compos and its favorable effect on soil indicate a high potential for restoration processes withthe benefit of the use of urban and rural so lid waste.
]]> Keywords: Anthropic activity, so lid waste, compost; soil restoration
1. Introducción
El crecimiento económico global está asociado entre otras actividades a la agricultura y la minería. Sin embargo, los logros mundiales de producción en algunas regiones han causado una degradación de la tierra y los recursos hídricos, y el deterioro de los servicios eco sistémicos (Solaw, 2011).
Específicamente en Colombia, departamentos como el Cesar, con un perfil productivo basado principalmente en la explotación de minas y canteras; las actividades de servicios sociales, comunales y personales y; la agricultura, ganadería, caza y pesca (41,6, 13,4% y 9% del PIB departamental respectivamente) (Departamento Administrativo Nacional de Estadística, DANE 2013). La explotación minera es de 252.273 h correspondientes al 11,27% de superposición en el departamento, mientras que la ganadería abarca 1.645.794 h y la agricultura con 1.459.466 h sembradas.
No obstante, la presencia de minas de carbón a cielo abierto que abarcan los municipios de La Jagua de Ibirico, Becerril, Chiriguaná y Tamalameque, generan impactos que se ven reflejados especialmente con el cambio en el uso del suelo (Holguín, 2011). Además, son millones de extensión de ganadería bovina, y caprina que genera emisiones de gases de efecto invernadero (CH4 y CO2) por las excretas, que no son aprovechados y no se cuenta con un sistema organizado de manejo eficiente de residuos sólidos domiciliarios, principalmente por la que se genera en zonas rurales por las diferentes actividades agropecuarias y de la industria alimentaria (cita).
Lo anterior señala la necesidad de desarrollar estrategias para mitigar las consecuencias ambientales debido a que el recurso suelo es muy importante para el desarrollo económico de la región y principalmente para las comunidades afectadas por las actividades antrópicas (Guerrero et al, 2010).
En un estudio realizado por Tandy et al., (2008), se observó la efectividad de co-compostaje a base de residuos orgánicos, lodo de procesamiento de papel reciclado, biosólidos tratados terciariamente contribuyendo de manera efectiva a la reducción de la acumulación de Cu, Pb y As en vertederos de mina mediante una combinación de disponibilidad reducida de metal y nutrición vegetal mejorada. Los desechos orgánicos compostados pueden, por lo tanto, desempeñar un papel efectivo para ayudar para establecer la vegetación en el vertedero de la mina contaminada por elementos traza.
En consecuencia, se desarrolló el presente estudio con el objetivo de evaluar la eficiencia de la combinación de residuos de alimentos vegetales, caprinaza y de palma de aceite industrial transformado en biochar, para la elaboración de un compost con potencial en el tratamiento de suelo disturbado por la minería, en condiciones de vivero utilizando pasto Brachiaria decumbs el árbol nativo Caesalpinia ébano.
]]> El compostaje involucra la mezcla de diversos materiales orgánicos, por lo que la caprinaza presenta un alto contenido en potasio, debido a su alimentación que está basada en consumir hierbas y plantas leñosas como los arbustos; los cuales aportan gran cantidad de nutrientes al compost (Gómez, 2007). El compostaje proporciona la posibilidad de transformar de una manera segura los residuos orgánicos en insumos para la producción agrícola. La FAO lo define como la mezcla de materia orgánica en descomposición en condiciones aeróbicas empleada en la mejora de la estructura del suelo y proporcionarle nutrientes (Román et al, 2013). Por su parte, y en una versión mejorada el co-compostaje se refiere al compostaje de dos o más tipos de desechos en el mismo recipiente o proceso, lo que permite ahorrar costos y espacio.
2. Metodología
La metodología utilizada en este estudio es experimental, basada en el análisis del comportamiento de variables fisicoquímicas y microbiológicas de material edáfico proveniente de minas de carbón y el co-compost producido a partir de residuos sólidos urbanos (residuos de alimentos vegetales) y rurales (caprinaza y hojas secas), en dos tipos de plantas, el pasto Brachiaria decumbens y el árbol nativo Caesalpinia ébano.
2.1 Muestras
Las muestras de suelo disturbado por actividad de minería de carbón a cielo abierto, se tomaron de cinco puntos de los patios de acopio de carbón del municipio de La Loma, Cesar en las coordenadas 9°38'25.1"N 73°28'05.6"W, mediante protocolo "Toma de muestras de suelo para determinar contaminación del Instituto Colombiano de Normas Técnicas-ICONTEC (2004).
El proceso de compostaje y las pruebas en vivero se realizaron en la granja experimental de la Universidad Popular del Cesar en la vereda Mina El Cielo de Valledupar con 30°C, 500 msnm y 961 mm de pluviosidad media anual.
Los residuos orgánicos (correspondientes cascaras de frutas, verduras y tubérculos), se recolectaron en el mercado público de la ciudad de Valledupar, en bolsas de polietileno resellables de 5 kilos. Se realizó la recolección de caprinaza de la especie Capra anglonubiana (chivo) de la hacienda La Veguita, ubicada en el corregimiento Los Pondores del departamento La Guajira. También se utilizó hojas secas colectadas en la granja de la Universidad Popular del Cesar. El biochar se obtuvo a partir del residuo pirolizado a 450°C de la cascarilla (cuesco) de la palma de aceite (Elaeis guineensis); esta enmienda presentó características acordes a lo referenciado por Díaz et al., (2015), con pH de 8,9, Carbono orgánico de 0,68% y conductividad de 0.5 dS/cm,
2.2 Parámetros y técnicas evaluadas
A la muestra de suelo se le realizó un análisis físico-químico inicial y microbiológico en los laboratorios de la Universidad Popular del Cesar ubicada en la ciudad de Valledupar con temperatura promedio de 28°C y 169 msnm. De igual forma se realizó una evaluación final del suelo bajo diferentes tratamientos de co-compostaje.
]]> Entre los análisis fisicoquímicos y microbiológicos están: pH (Norma Técnica Colombiana-NTC 5264), conductividad eléctrica (NTC 5596), humedad (NTC 5167), densidad (NTC 5167), fósforo disponible (método Bray II), materia orgánica (Método Walkey Black), Capacidad de intercambio catiónico-CIC (NTC 5268), Buffering (Costello & Sullivan), identificación y conteo de esporas de micorrizas (Gerderman y Nicolsosn, 1963), actividad enzimática (técnica de actividades enzimáticas (3-glucosidasa e hidrólisis de diacetato de fluoresceína -FDA según Sánchez et al. (2011)), tinción de raíces (método de Philips y Hayman).2.3 Producción del co-compostaje en sistema cerrado.
El compostaje se preparó al realizar 92.4 Kg de una mezcla de hojas secas (2.1%), caprinaza (16.4%), residuos vegetales (76%) y arena de rio (5.5%), al cual se le brindó un proceso de maduración de 60 días. Al término se le agregó el biochar y se prolongó durante 30 días más para que se mezclara y compactara el compost con el biochar; obteniendo como resultado final el co-compostaje. Adicionalmente se evaluaron las propiedades fisicoquímicas del producto final en relación al compost con y sin biochar, además de valoración del efecto Buffering según la técnica descrita por Costello y Sullivan (2013).
2.4 Tratamiento del suelo minero con co-compostaje y pasto Brachiaria
Al iniciar el tratamiento al suelo minero, se usaron recipientes plásticos de 32x28x12 cm con 12,50 Kg de suelo en cada recipiente, según metodología descrita por Posso (2010), se agregaron dosis de co-compostaje al 5% y 7% y un control de 0% con respecto a la cantidad de suelo minero que se iba a tratar, es decir, 0,294 gr; 0,411 gr y 0,0 gr respectivamente. Se adicionó 50 g de semillas de pasto Brachiaria decumbens mediante método de surco o en líneas descrito por Low (2015). Durante las dos primeras semanas de la siembra se le hizo un riego por la mañana y otro por la tarde (2 L/día), evitando la exposición directa a la luz solar; después de transcurrir las dos semanas se regó solo por las mañanas (1 L/día).
2.5 Tratamiento del suelo minero con co-Compostaje y Caesalpinia ébano
Se utilizaron 60 semillas pre-tratadas con ácido sulfúrico durante 60 min a temperatura ambiente de 28°C, sembradas una profundad de 3 cm en recipientes de poliéster de 5 cm de profundidad por 15 cm de diámetro con Arena de rio y riego diario dos veces al día. Luego de 13 días, se procedió a trasplantarlo a macetas de 13x10 cm con abono durante tres meses, luego se realizó un segundo trasplante al suelo de acopio.
Para tratamiento del suelo de acopio, se realizó un montaje con 15 unidades experimentales, es decir, tres tratamientos y cinco replicas. Todos los tratamientos tienen una mezcla de suelo minero y arena de rio, relación 1:1 en recipientes plásticos (PET) de 1,5 L. El primer tratamiento es el control, el segundo y tercero con dosis de co-compost al 5% (47 ml/31.0 g) y 7% (65,8 ml/43.4 g) respectivamente. Se sembraron las plántulas previamente mantenidas en vivero durante tres meses. Se realizó riego diario tres veces al día. Posteriormente se realizó la medición de pH y conductividad.
3. Análisis de resultados
]]> A partir de residuos sólidos urbanos y rurales, con enmienda de biochar adicionada se obtuvo un producto con características favorables para su uso en el tratamiento de suelo minero con diferencias en el sostenimiento de plántulas de pasto Brachiaria y el árbol nativo de ébano.3.1 Co-compostaje en sistema cerrado o recipiente
El producto final del co-compost presenta características superiores en relación al compost sin biochar, con mayor CIC, fósforo y menor producción de CO2 (Tabla 1). Mientras que en contenido de carbono orgánico y conductividad eléctrica no se observaron diferencias significativas, lo cual se asocia al bajo nivel de estos parámetros aportado por el biochar correspondiente a 0,68% de carbono orgánico y conductividad de 0,5 dS/m, a diferencia del nivel de CIC, la capacidad para retener nutrientes como el fósforo y reducir la producción de CO2 lo cual coincide con las características del biochar indicadas por Díaz, Pino y Peñuela(2016).
La tabla 1, muestra las propiedades fisicoquímicas del producto final en relación al compost sin biochar.
Resultados contrastantes a los identificados por Khan et al (2016), quienes en la co-compostación de tres biochares, hechos de cáscara de nuez de macadamia (Macadamia integrifolia), viruta de madera dura y cama de gallina, con abono de pollo y aserrín; añadido en niveles del 5% y 10% en el co-compostaje no tuvieron un efecto consistente en el cambio en los contenidos de elementos de biochar compostados. La variación estaría asociada a la forma y material de obtención del biochar, que en el presente estudio fue de palma.
De forma general, el aporte como efecto Buffering para pH de suelos con tendencia a la acidificación y un mediano contenido de materia orgánica, en relación a otras enmiendas del co-compost producido, lo torna en un compuesto funcional para el manejo del suelo. Pérez et al (2008), identificaron niveles de 20 a 55% de materia orgánica en enmiendas compostadas a base de estiércol de animales, residuos orgánicos y tierra de bosque. De igual forma Ordoñez (2010), obtuvo un compost con 34% de carbono orgánico, utilizando estiércol de cabra, dichos valores son superiores porque se acondicionó un biodigestor metálico de 200 L, una mayor cantidad materia prima y condiciones controladas de flujo y aireación que favoreció el proceso.
Por su parte, la conductividad es alta, debido a que en el proceso de degradación de la materia orgánica hay liberación de moléculas orgánicas de bajo peso, que normalmente están cargadas, como el ácido acético, propiónico y butírico. Según Quinchía y Carmona (2004), en un proceso de compostaje la conductividad eléctrica se incrementa y evidencia la mineralización de la materia orgánica.
El menor contenido de CO2 en el material co-compostado, se explica según Díaz (2013), dada la micro porosidad comprobada en el biochar que permite la absorción de gases.
Adicionalmente, se observó mayor capacidad de efecto Buffering en el co-compost según técnica descrita por Costello y Sollivan (2013). La respuesta del pH del compost a la adición de ácido sulfúrico 0,25M fue razonablemente adecuada con una función de regresión lineal, altamente significativa, para todos los compost con valor de R= 0,981 sin dosis de biochar y 0,983 para el co-compost con biochar. El compost con biochar presentó una mayor capacidad Buffering, Díaz et al (2013), señalan el potencial de esta enmienda (biochar) para la regulación del pH en suelos mineros. También Barthod et al (2016) señalan la eficiencia en términos de reducción de las emisiones de CO2 hasta un 44% en comparación con el compost regular del co-compostaje con 50% de arcilla y 10% de biochar.
]]> Se realizó la prueba de determinación de C/N para la muestra de compost con biochar en donde estableció un porcentaje de carbono de 23,8% y de nitrógeno con 1,8%; lo que da como resultado una relación de 13,22%. Según los estudios de Román et al, (2013) en el Manual de Compostaje del Agricultor, establecieron un rango ideal de relación C/N para compost maduro de 10:1 - 15:1; lo que constata de que el co-compost producido en este estudio a partir de los tres tipos de residuos, está dentro del rango.3.2 Características físicas y microbiológicas iniciales del suelo minero bajo estudio
Las características físicas y microbiológicas que se le realizaron al suelo minero antes del tratamiento,indican que este presenta un pH neutro de 7,27 y se encuentra categorizado como no salino ya que su conductividad eléctrica es de 0,12 es decir, menor a 1,20 ds/m [20]. El parámetro de CIC con un resultado de 87,671 meq/100 g indica que posee un nivel muy alto. Según el valor de fósforo (18,26 mg/kg) en el suelo minero bajo estudio, esta categorizado con un alto contenido de fósforo soluble de acuerdo con Rioja (2002). El contenido en carbono orgánico del suelo se encuentra en 1,4%, un nivel de materia orgánica bajo según Bornemisza (1982). Además el suelo minero presentó una densidad real de 2 g/cm3 y Humedad 4,35%.
3.3 Características fisicoquímicas y microbiológicas finales de tratamientos a suelo de acopio sembrado con Brachiaria en vivero
En la Tabla 2 se observan las variaciones de las características fisicoquímicas del suelo minero, luego de haber realizado el tratamiento con el co-compostaje y la siembra de semillas de Bachiaria, obteniendo un pH medianamente básico, además de una ligera salinidad en los tres tratamientos de acuerdo a lo reportado por Rioja (2002), aumentando el nivel de salinidad que presentaba el suelo al inicio. En todos los tratamientos se observa una capacidad de intercambio catiónico medio, que a su vez depende de la cantidad de carbono orgánico. En este caso, el suelo control tienen un nivel muy bajo de carbono orgánico e inferior a los tratamientos con co-compost al 5% y 7%, cuyos niveles de carbono orgánico son bajos, acercándose un poco a los límites del nivel normal que se puede encontrar en un suelo en clima cálido según Guerrero (2009).
De acuerdo a la investigación realizada por Posso (2010) en el municipio de Agustín Codazzi, Cesar, donde estableció que, para este tipo de suelo, en un vivero de palmas de aceite la dosis máxima recomendable de compost es 5%, porque además de presentar mayores contenidos con diferencias significativas con el testigo, en parámetros relevantes como, CIC no presentan problemas de alta conductividad eléctrica.
De forma específica, se observa que el suelo acopio sin tratamiento presenta un pH neutro mientras que el control que fue tratado solo con Brachiaria su pH aumenta quedando medianamente básico según Rioja (2002), al igual que los tratamientos de dosis 5% y 7% aunque sin diferencias significativas entre los tratamientos y el control.
La conductividad eléctrica del suelo acopio, indica que no existen diferencias significativas entre los tratamientos de 5 y 7% de co-compost, pero sí de estos con el testigo. A su vez todos presentan niveles superiores al suelo de acopio indicando un incremento de dicho parametro mediado tanto por la planta como por el co-compost. En este sentido, Quinchia y Carmona (2004) manifiestan que la tendencia de la conductividad es la de aumentar en el tiempo, debido al proceso de degradación de la materia orgánica.
El carbono orgánico en el suelo de acopio presenta un nivel bajo de materia orgánica. Al momento de iniciar el tratamiento el suelo control que solo fue tratado con Brachiaria, presente un nivel muy bajo de materia orgánica, con diferencias significativas en relación a los dos tratamientos, ya que el tratamiento con una dosis de 5% de co-compost presenta un nivel bajo aproximándose un poco anormal, y de igual forma la dosis 7% Rioja (2002). Lo cual indica que se debe aumentar la proporción de materia orgánica del co-compost teniendo en cuenta la mineralización, la absorción por parte de la planta y el bajo contenido de la materia orgánica en el suelo problema, además de cumplir con requisitos de la normatividad para la producción de enmiendas de laNTC 5167, que estipula un contenido de carbono orgánico mínimo del 15%.
]]> La reacción del indicador de CIC, fue más favorable en los tratamientos que contienen 5 y 7% de co-compost, esto en relación directa con el contenido de materia orgánica presente en dicho material co-compostado, acorde con lo reportado por Guerrero (2009). En cuanto a los resultados de análisis microbiológicos, se observa que dichos parámetros presentan diferencias significativas entre tratamientos y de estos con el testigo siendo superior en las dosis del 7%. De forma general los HFM/g de suelo se encontraron muy escasos en relación a lo reportado para suelos tropicales con baja fertilidad por Barriga, Visbal y Acero (2011). LA actividad enzimática no presentó diferencias significativas entre tratamientos.En todo caso, el sostenimiento de la planta, indica una ligera recuperación de propiedades fértiles en suelo asociado al co-compost de acuerdo con lo indicado por Arranz (2015). Se observó mayor longitud en el pasto Brachiaria con los tratamientos de co-compost al 5 y 7% en relación al control. Lo cual, según Roman, Martínez y Pantoja (2013) se asocia al mayor aporte de nutrientes para el desarrollo de la planta, mientras que en el suelo minero existe un déficit de estos de acuerdo con Díaz, Pino y Peñuela (2015).
Así mismo, se puede considerar como un primer paso en la recuperación de los suelos disturbados por acción antrópica, el uso de co compostaje y el pasto evaluado en este estudio, que presenta ventajas de fácil acceso, aplicabilidad y efectividad como se demostró en el mejoramiento de la calidad de suelo en diversos parámetros como conductividad eléctrica y capacidad de intercambio catiónico.
3.4 Características fisicoquímicas finales de tratamiento a suelo de acopio sembrado con C. ébano en vivero
En C. ébano se observó diferencias significativas entre los tratamientos y el testigo con niveles de pH de 6,86 para el control sin co-compost, de 7,32 para el tratamiento con 5% y 7,2 para el tratamiento con 7% de co-compost. De igual forma, en la conductividad se diferenció el control de los tratamientos con niveles respectivos de 0,12; 0,36 y 0,59 ds/m.
De forma general, se obtuvo diferencias significativas entre tratamientos y el testigo, además de niveles más óptimos en el suelo de acopio como un pH más neutro y menor conductividad eléctrica que con la planta de Brachiaria. Lo cual se asocia a su característica como especie vegetal nativa del Caribe colombiano, lo que le confiere mayor adaptación a las características edafológicas de la zona bajo estudio, además de ser una planta que participa en la fijación de nitrógeno y retención de carbono según Gualdron (2009).
4. Consideraciones finales
La técnica de co-compostaje aplicada para el tratamiento del suelo de acopio de la mina de carbón a cielo abierto, generó un efecto positivo en las propiedades de dicho suelo. Esto indica que dicho producto puede ser utilizado como alternativa para remediar suelos disturbados por acción antrópica de minería de carbón a cielo abierto en el departamento del Cesar, principalmente por la población aledaña, que además de aprovechar residuos urbanos y rurales puede contribuir en la recuperación del recurso suelo, lo que se traduce en una estrategia múltiple que contribuye a la sostenibilidad ambiental de la zona de impacto
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