Utilización de compost de lodo de depuradoras para la producción del cardo (cynara cardunculus l.), como cultivo energético

Resumen

La conservación del recurso suelo, la gestión apropiada de los residuos generados por la actividad humana y la obtención de energía a partir de fuentes renovables son grandes retos en la actualidad para el ser humano. El presente trabajo de investigación se articula en torno a estas tres temáticas, con la finalidad de proporcionar nuevos avances científicos orientados hacia el desarrollo sostenible. La investigación en estos campos es de especial importancia, en primer lugar, por la necesidad de tomar medidas urgentes para proteger y mejorar el estado de un recurso no renovable y fundamental como es el suelo, especialmente en las regiones mediterráneas. En segundo lugar, por la conveniencia económica, legal y, principalmente, ambiental de llevar a cabo la mejor gestión posible de los subproductos de la depuración de las aguas residuales. Finalmente, por la importancia de la generación de energía a partir de fuentes renovables, en aras de alcanzar un contexto energéticamente sostenible, que contribuya a la reversión del cambio climático. La conjugación de estos ejes temáticos da lugar a la finalidad de la presente tesis: determinar los efectos del uso de compost de lodo de depuradora en la producción del cardo (Cynara cardunculus L.), como cultivo energético. El cardo es una especie herbácea perenne, considerada cultivo energético para ambientes mediterráneos. Además de su empleo en alimentación se le atribuyen numerosos usos industriales, destacando su uso como biocombustible, principalmente sólido o líquido. A pesar de que el cultivo de esta especie puede iniciarse a partir de semillas, el uso de plantones generados en semilleros parece facilitar su establecimiento. En este contexto, la turba es el sustrato para semilleros más común, lo cual genera grandes impactos ambientales debido a la extracción de este recurso no renovable de áreas con gran valor ecológico. Entre las posibles alternativas viables al uso de turba, para este fin, se encuentra el compost de lodo de depuradora. Con objeto de determinar la viabilidad de este material residual en la generación de plantones de cardo, se llevó a cabo un ensayo en invernadero empleando diferentes proporciones de compost y turba (D1-0/100; D2-25/75; D3-50/50; D4-75/25; D5-100/0). Se valoró el porcentaje de germinación relativa, así como el peso fresco, el peso seco, el número de hojas y la longitud de la raíz de las plántulas de cardo. A pesar de que el uso de elevadas proporciones de compost puede dificultar la germinación y el desarrollo de las plantas, por el contenido en sales o de sustancias fitotóxicas, estos efectos no fueron observados en el ensayo. En líneas generales, el uso de mayores proporciones de compost (D4-D5) no indujo efectos significativos en las variables estudiadas, excepto el peso fresco y seco, que aumentó. Por tanto, bajo condiciones similares a las de nuestro ensayo, el compost de lodo de depuradora es susceptible de ser empleado en sustitución de la turba para semilleros de cardo. El efecto de la salinidad en el cardo, como cultivo energético, es otro de los aspectos abordados dentro de la presente tesis. A pesar de que la salinidad es un factor con gran impacto en el crecimiento vegetal y es recurrente en los ambientes Mediterráneos, especialmente en los áridos y semiáridos, su efecto sobre el cardo no está totalmente evaluado. Las investigaciones realizadas se centraron en la germinación y en los primeros estadios como plántula, sin reportar información respecto a las estructuras reproductivas, el material principalmente aprovechado para usos energéticos. Atendiendo a las anteriores consideraciones, se llevó a cabo un ensayo en tiestos (invernadero), durante el primer ciclo de desarrollo del cardo (Octubre-Julio), para determinar el efecto del riego salino sobre el crecimiento y la composición mineral del cardo. Los tratamientos de riego salino (predominancia de NaCl) emularon la conductividad eléctrica media (2 y 3 dS m-1) de las aguas más utilizadas en el sureste español. Adicionalmente, se escogieron dos suelos mediterráneos, que diferían en su contenido inicial en sales, para poder evaluar si éste factor influenciaba el desarrollo del cardo. Las siguientes variables fueron consideradas en cada una de las fracciones del cardo (escapo floral o tallo, hojas del tallo e inflorescencias): peso seco, Nk, P, Ca, Mg, K, Na, Cl, Cu, Fe, Mn, Zn. Así mismo, se consideraron diversos parámetros morfométricos (altura, número de inflorescencias y biomasa superficial producida), así como el contenido mineral de la biomasa superficial de cardo. El tipo de suelo afectó escasamente a las plantas de cardo, siendo los principales efectos observados en los niveles de K, P y Mn. Con respecto al riego salino (3 dS m-1 versus 0,7 dS m-1), la producción de biomasa disminuyó en aproximadamente un tercio, mientras que la producción de semillas disminuyó alrededor de un 57%. La disminución del crecimiento es un efecto comúnmente observado en las plantas sometidas a estrés salino. Así mismo, la concentración y el contenido en planta de Cl y Na aumentaron conforme la salinidad del agua de riego era mayor. Dado que no se observaron síntomas de desórdenes nutricional y que las plantas de cardo pudieron completar su ciclo vital, se interpretó que la elevada presencia de Na y Cl en la biomasa de cardo podría corresponder con un mecanismo de halotolerancia. En cualquier caso, la presencia de estos elementos disminuye la calidad de la biomasa para la producción de energía. Otros rasgos reseñables fueron la gran afinidad del cardo por el K, que permitió elevadas concentraciones de este elemento en las diferentes fracciones de la planta, así como la sensibilidad del Mg ante los incrementos de salinidad, disminuyendo su presencia en los tejidos vegetales analizados. Los efectos observados (disminución en la productividad y descenso de la calidad de la biomasa de cardo) apuntan a que la salinidad puede llegar a comprometer la posibilidad de uso del cardo como biocombustible. Finalmente, el rol del compost de lodo de depuradora como enmienda orgánica en la producción del cardo como cultivo energético representa el aspecto más importante de la presente tesis. La aplicación de materiales compostados, generalmente, mejora la calidad del suelo, favoreciendo la protección y conservación de este recurso. Por otra parte, estos subproductos actúan como fertilizantes orgánicos de liberación lenta, característica que potencialmente favorece el desarrollo de las especies vegetales. Recientemente, dentro de un contexto de necesidad de obtención de energía a partir de fuentes renovables, también se ha estudiado los efectos de diversos materiales orgánicos sobre aquellas especies vegetales susceptibles de ser empleadas para la producción bioenergía. Entre los materiales empleados como enmienda orgánica se encuentran los lodos producidos en la depuración de las aguas, ya sea en su forma compostada o bien sin compostar. Algunas de las principales ventajas del uso de los lodos de depuradora son: seguridad en el suministro en el medio plazo, ahorros energéticos y económicos en los insumos del cultivo en concepto de fertilización, aporte de materia orgánica y de nutrientes al sistema suelo-planta y valorización efectiva de un residuo. Dado que un aporte excesivo de este material orgánico implica un aprovechamiento ineficiente, pudiendo conllevar efectos negativos no deseados (ej. adición de metales pesados al suelo), queda patente la necesidad de optimizar las dosis de aplicación en función de las condiciones ambientales (ej. clima, características del suelo) y de la especie vegetal seleccionada. En el presente trabajo se escogió el cardo como cultivo energético por su elevada potencialidad en el ámbito mediterráneo y por la escasa investigación realizada sobre el efecto de la fertilización orgánica sobre la producción de esta especie. Fruto de estas consideraciones, surgieron dos experimentos de campo que se llevaron a cabo en distintas parcelas agrícolas de la provincia de Alicante, cuyos objetivos principales fueron determinar los efectos inducidos por el compost de lodo de depuradora en el suelo y en la planta, así como proponer una dosis de aplicación óptima para el cultivo del cardo. En el primero de los experimentos de campo, con duración inferior a un año y llevado a cabo en la estación agraria experimental del IVIA en Elche, se estudió el efecto sobre las propiedades del suelo y sobre las características de las plantas de cardo de las siguientes dosis de compost de lodo de depuradora (t ha-1): 0 (T0), 20 (T1), 40 (T2), 60 (T3) y 80 (T4). En las plantas de cardo se determinaron ciertas variables morfométricas (altura, número de inflorescencias, peso fresco y peso seco) y se analizó la composición mineral de las hojas (Nk, P, Ca, Mg, K, Na, B, Cu, Fe, Mn, Zn). En el suelo se analizaron las siguientes propiedades: pH, CE, Nk, PBurriel, Cox y cationes asimilables (Ca, Mg, K y Na, [acetato amónico] y Cu, Fe, Mn y Zn [DTPA]). La respuesta de las plantas de cardo ante la aplicación del compost fue muy limitada, mientras que en el suelo el efecto fue comparativamente mayor, mostrando diferencias significativas en el rango de aplicación de 40 a 80 t ha-1. Las variables morfométricas no presentaron diferencias significativas, siendo los valores medios por planta de 149 cm de altura, 16 inflorescencias, 7,9 kg (peso fresco) y 1,3 kg (peso seco). A excepción de la concentración de Fe, la composición mineral tampoco se vio afectada por la aplicación de compost. En lo que se refiere al suelo, Cox, NK y PBurriel fueron las propiedades que se vieron afectadas en mayor medida, aunque Mg, Fe, pH y Zn también mostraron variaciones significativas respecto del control. La principal hipótesis ante la falta de respuesta del cardo a los tratamientos de compost fue que los requerimientos nutricionales estaban satisfechos, incluso en el control. En el caso del suelo, el incremento general de la fertilidad fue similar al reportado por otros autores bajo condiciones similares (ambientes mediterráneos y uso de residuos orgánicos). El segundo experimento de campo se desarrolló en la región agraria de Algorós (Elche), durante un periodo de 3 años (2008-2011). En este caso, se evaluó el efecto sobre las plantas de cardo, exclusivamente, siendo los tratamientos de compost de lodo de depuradora los siguientes (t ha-1): 0 (T0), 30 (T1), 50 (T2) y 70 (T3). El compost se aplicó en substitución de la fertilización basal, generalmente de carácter inorgánico, llevada a cabo previamente al establecimiento del cultivo. Cada año se mantuvo el agua disponible para la planta alrededor de 760 mm año-1, llevando a cabo riegos por goteo cuando fue necesario. Así mismo, mediante el riego, se aplicó una tasa fija anual de reposición de nutrientes de 50-80-100 kg ha-1 (N-P2O5-K2O). Cada año, en Julio y tras llevar a cabo ciertas medidas morfométricas, las plantas de cardo fueron muestreadas y procesadas acorde a las necesidades posteriores de cada tipo de análisis. En concreto, las siguientes variables fueron consideradas: altura, número de inflorescencias, número de tallos, peso seco de cada fracción, proporción sobre el peso total de cada fracción, producción de biomasa aérea, producción de semillas y peso de 1000 semillas. Así mismo se analizó el porcentaje de aceite de las semillas y el poder calorífico superior de las diferentes fracciones del cardo, de manera que pudo calcularse la producción potencial de aceite y de energía. Se emplearon modelos lineales mixtos para discriminar y cuantificar los efectos derivados de los factores experimentales, aplicando un algoritmo REML para la estimación de los parámetros de los modelos significativos para los tratamientos de compost. , como resultado de los tratamientos de compost, se observó un incremento en la producción de biomasa aérea y en la producción de semillas, del 40% y 68%, respectivamente (comparativa entre T0 y T3; valor promedio durante los 3 años de ensayo). El comportamiento observado para la producción de aceite y de energía fue similar. Los modelos indicaron que, en estas variables, las diferencias debido al uso del compost eran significativas (P¿0.05), principalmente dentro del rango 50-70 t ha-1. Aquellas variables que no fueron influenciadas por el compost ni por el año de cultivo, mostraron los siguientes valores medios: 22,3% (porcentaje aceite de las semillas); 17,8 MJ m-2 (HHV0 promedio de la biomasa aérea del cardo); 40 g (peso de 1000 semillas); 43% (porcentaje de tallos + hojas sobre el peso total) y 57% (porcentaje de inflorescencias sobre el peso total). El hecho de que el factor ¿año de cultivo¿ afectara a la práctica totalidad de las variables se entiende que es debido a: las condiciones climatológicas, la dinámica de mineralización del compost de lodo de depuradora y a la propia fisiología de la planta. En lo que respecta al compost de lodo de depuradora, el efecto positivo observado en el crecimiento del cardo se atribuye a unas mejores condiciones nutricionales para la planta, de manera directa por aporte del compost y de manera indirecta por mejora de las propiedades del suelo. Por todos los motivos expuestos anteriormente, puede afirmarse que el uso del compost de lodo de depuradora, en tasas de 50 t ha-1, mejora la productividad del cardo y favorece la conservación y protección del suelo, suponiendo un ahorro potencial, tanto económico como energético, derivado de la gestión eficiente de un residuo ubicuo.