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Introducción
El sector agrícola juega un papel importante en la satisfacción de la demanda de alimentos para la población humana, así como para la producción de los alimentos destinados a la explotación pecuaria, donde el suelo es un recurso imprescindible (Hungria et al., 2016). Sin embargo, actualmente los suelos presentan problemas de degradación que afectan su productividad y, por lo tanto, disminuyen la productividad de los cultivos (Trupiano et al., 2017).
Algunas prácticas pueden mejorar la productividad agrícola; por ejemplo, la incorporación de materiales orgánicos al suelo (Murphy, 2015; Putwattana et al., 2015; Woldetsadik et al., 2016; Xie et al., 2017). La aplicación de biocarbón (BC) ha sido propuesta como una opción de gran interés debido a sus beneficios en el suelo y cultivos (Dai et al., 2016; Plaza et al., 2016; Trupiano et al., 2017).
El BC es el subproducto sólido del proceso de pirólisis (Jung et al., 2016), un proceso de conversión termoquímica de la biomasa (Bruun et al., 2017), el cual, se lleva a cabo en condiciones limitadas o en ausencia de oxígeno (Ahmed et al., 2016). La temperatura para elaborar BC puede variar de 300 a 1000 °C (Li et al., 2016; Tripathi et al., 2016). La materia prima para elaborar BC se basa en la utilización de residuos orgánicos, por lo que puede ser muy diversa y asequible (Wu et al., 2017).
El BC es un material rico en carbono (Purakayastha et al., 2016; Nguyen et al., 2017) y, resistente a la descomposición (Liao et al., 2016). Cuando el BC ha sido incorporado al suelo puede mejorar su calidad (Ajayi et al., 2016; Ye et al., 2016; Biederman et al., 2017), puesto que ha influido positivamente sobre sus propiedades físicas, químicas y bióticas (Mukherjee y Lal, 2014; Coumaravel et al., 2015; Subedi et al., 2016; Mia et al., 2017), mejorando los contenidos de materia orgánica, aireación, textura (Ajayi et al., 2016), retención de humedad, y disponibilidad de elementos químicos nutritivos para las plantas (Aker et al., 2013; Kanthle et al., 2016; Kim et al., 2016; Biederman et al., 2017; Esfadbod et al., 2017). El BC ha llegado a actuar como inmovilizador de oligoelementos contaminantes (Jones et al., 2016) y también ha mejorado aspectos relacionados con la actividad enzimática (Wang et al., 2015). Por otro lado, el BC ha influido positivamente sobre las poblaciones y la actividad de los microorganismos benéficos para las especies vegetales (Akhtar et al., 2015; Liao et al., 2016; Tripti et al., 2017). Por consiguiente, impactos positivos sobre la germinación (Clay et al., 2016), crecimiento y desarrollo de los cultivos (Pérez-Salas et al., 2013; Fawad et al., 2017; Liu et al., 2017a), y producción de biomasa pueden ser generados (Lou et al., 2016). Esto podría traducirse en mejores rendimientos de los cultivos (Mackie et al., 2015; Dai et al., 2016; Plaza et al., 2016; Zhang et al., 2016b; Mia et al., 2017; Trupiano et al., 2017). Además, cabe mencionar que el origen de la materia prima del BC coadyuva en la mitigación de efectos adversos sobre el ambiente (Escalante-Rebolledo et al., 2016). Sin embargo, los efectos del BC sobre la calidad de los cultivos no han sido muy estudiados (Petruccelli et al., 2015).
El uso del BC ha ido en aumento en diversas partes del mundo (Ajayi et al., 2016); sin embargo, más estudios sobre sus efectos son necesarios (Hammer et al., 2015; Wang et al., 2015; Ajayi et al., 2016; Aller, 2016; Prapagdee y Tawinteung, 2017; Seehausen et al., 2017), puesto que sus propiedades no serán siempre las mismas, debido a que dependerán de las características de la materia prima y las condiciones de la pirólisis (Clay et al., 2016; Laghari et al., 2016; Tripathi et al., 2016). Asimismo, los efectos del BC sobre los cultivos estarán influenciados por las cantidades aplicadas, el tipo de suelo y la especie vegetal cultivada (Cely et al., 2015); de tal forma que, así como pueden encontrarse efectos benéficos, también podrían encontrarse efectos nulos o desfavorables (Mackie et al., 2015; Escalante-Rebolledo et al., 2016; Plaza et al., 2016; Smebye et al., 2016; Trupiano et al., 2017). En atención a los elementos descritos, el objetivo del estudio fue evaluar el efecto de la aplicación de BC al suelo sobre atributos de rendimiento y calidad nutrimental de la avena forrajera (Avena sativa L.).
Materiales y Métodos
El estudio se realizó en el Campo Experimental de la Universidad Autónoma Agraria Antonio Narro, Unidad Laguna (UAAAN-UL), Torreón, Coahuila, localizado entre los 25° 33’ N, y 103° 22’ O, durante el ciclo agrícola otoño-invierno 2016-2017. El clima de la región, según la clasificación de Köppen modificada por García (1981), se caracteriza por una altitud promedio de 1100 m, clima seco-desértico, con promedios anuales de temperatura, evaporación y precipitación de 21 °C, 2000 y 258 mm, respectivamente.
Un diseño experimental de bloques al azar con cuatro repeticiones fue usado; los tratamientos evaluados fueron: T0 (control absoluto); T1 [fertilización convencional: N-P-K (120-60-00 kg ha-1)]; T2 (fertilización convencional + 2.25 Mg ha-1 de BC), y T3 (fertilización convencional + 4 Mg ha-1 de BC). El BC utilizado fue comercial, elaborado con biomasa de bambú (Bambusa vulgaris Schard. Ex J. C. Wendl., y Bambusa oldhammi Munro), en pirolisis de 650 °C, durante 4.5 horas. El área total de la parcela experimental fue de 160 m2, dividida en 16 unidades experimentales de 10 m2 (2 × 5 m). Las características químicas del suelo y del BC utilizados se presentan en el Cuadro 1.
Cuadro 1: Variables físico-químicas del suelo con profundidad de 30 cm y del biocarbón elaborado con biomasa de bambú (Bambusa vulgaris Schard. Ex J. C. Wendl. y Bambusa oldhammi Munro) utilizados en el estudio.
| Variable | Suelo | Biocarbón |
|---|---|---|
| pH | 8.27 | 8.85 |
| Materia orgánica (MO) (%) | 2.41 | 0.25 |
| Conductividad eléctrica (CE) (mScm-1) | 1.80 | 2.55 |
| Calcio (Ca) (mg kg-1) | 234 | 194 |
| Magnesio (Mg) (mg kg-1) | 8.4 | 12.5 |
| Sodio (Na) (mg kg-1) | 127 | 302 |
| Nitratos de Nitrógeno (N-NO3) (mg kg-1) | 9.40 | 27.0 |
| Fósforo disponible (P) (mg kg-1) | 21.6 | 38.8 |
| Potasio (K) (mg kg-1) | 201 | 332 |
| Fierro (Fe) (mg kg-1) | 1.85 | 3.55 |
| Cobre (Cu) (mg kg-1) | 0.42 | 0.86 |
| Zinc (Zn) (mg kg-1) | 0.55 | 1.25 |
| Manganeso (Mn) (mg kg-1) | 2.75 | 4.02 |
| RAS (%) | 2.22 | 5.66 |
| PSI (%) | 1.97 | 6.62 |
RAS = relación de absorción de sodio; PSI = por ciento de sodio intercambiable.
El BC fue aplicado e incorporado según el procedimiento empleado por Zhang et al. (2016a). La siembra de avena, variedad Cuauhtémoc, se llevó a cabo, el 2 de noviembre de 2016, al voleo; la densidad de siembra fue de 120 kg ha-1 (Flores-Félix et al., 2014). Posteriormente, la fertilización se realizó de forma manual. Durante el ciclo del cultivo se aplicaron cinco riegos por gravedad con láminas aproximadas de entre 80-100 mm, con intervalos promedio de 24 días; el primer riego se realizó el 5 de noviembre 2016 y el último fue el 8 de febrero de 2017. Para la prevención de ataque de la plaga pulgón, una dosis proporcional a 500 mL ha-1 de Dimetoato se aplicó a los 35 días después de la siembra (Cuéllar et al., 2015).
Variables
Las variables evaluadas fueron: altura de planta (AP) y materia verde (MV) determinadas a los 100 y 110 días después de la siembra, respectivamente, mediante el procedimiento utilizado por Trujano et al. (2008). Además, la materia seca (MS) se determinó por el método utilizado por Reyes et al. (2010). Las muestras de forraje seco se molieron y tamizaron en un molino Thomas Wiley Mini-Mill (Modelo: S55PZE-7831, Thomas Scientific®); después, dichas muestras se almacenaron en frascos de vidrio. Los atributos de calidad del forraje registrados fueron: proteína cruda (PC) determinada con micro-Kjeldahl (AOAC, 1990); fibra detergente ácido (FDA) y fibra detergente neutro (FDN) fueron determinadas con el método descrito por Van Soest et al. (1991). Los nutrientes digestibles totales (NDT) (Alves et al., 2011) y el porcentaje de digestibilidad de la materia seca (DMS) (Moore y Undersander, 2002) fueron determinados por medio de las siguientes ecuaciones: NDT = 102.56 - (FDA × 1.140); DMS = 88.9 - 0.779 × FDA.
Los datos obtenidos se sometieron a análisis de varianza (ANOVA) utilizando el Paquete de Diseños Experimentales V. 2.4 de Olivares-Sáenz (1993). Cuando se determinaron diferencias significativas (P < 0.05) entre tratamientos, las comparaciones de medias fueron realizadas con la prueba de Tukey.
Resultados y Discusión
Diferencias estadísticas significativas (P < 0.05) entre tratamientos fueron apreciadas al considerar la variable AP. Al tratamiento T2 se asoció 33% más de AP que la correspondiente a las plantas del T0. La AP asociada a T2 fue numéricamente mayor que las atribuidas al resto de los tratamientos, pero las diferencias fueron no significativas (Cuadro 2). El comportamiento registrado de la AP de avena coincide con los resultados reportados por Pérez-Salas et al. (2013) quienes al aplicar 20 Mg ha-1 de BC, activado y sin activar, al suelo cultivado con plantas de banano variedad Gros Michel Musa (AAA), concluyeron que el aumento de la altura de las plantas se debió a la aplicación del producto mencionado. Aunque las especies vegetales son diferentes y los suelos son de regiones también diferentes, la dosis aplicada en el experimento del caso presente fue al menos cinco veces menor a la dosis de 20 Mg ha-1 y favoreció la altura de las plantas de avena.
Cuadro 2: Atributos evaluados relativos al rendimiento de avena forrajera, en respuesta a la aplicación de biocarbón de bambú (Bambusa vulgaris Schard. Ex J. C. Wendl. y Bambusa oldhammi Munro).
| Tratamiento | Altura de planta | Materia verde | Materia seca |
|---|---|---|---|
| cm | Mg ha-1 | % | |
| T0 | 89.5 b | 31.50 c | 26.0 a |
| T1 | 108.6 a | 44.25 bc | 26.4 a |
| T2 | 119.94 a | 63.85 a | 29.0 a |
| T3 | 119.1 a | 56.90 ab | 26.7 a |
T0 = testigo absoluto; T1 = fertilización convencional; T2 = 2.25 Mg ha-1 de biocarbón + fertilización convencional; T3 = 4 Mg ha-1 de biocarbón + fertilización convencional. Letras distintas en la misma columna indican diferencia significativa, de acuerdo con la prueba de Tukey (P < 0.05).
Liu et al. (2017b) reportaron resultados similares con respecto a la variable AP en el cultivo de trigo. Ellos evaluaron dosis de 48 Mg ha-1 de BC elaborado con paja de maíz; el valor mayor que reportaron fue de 86 cm cuando aplicaron BC, representando 5% más AP que la relacionada al control, por lo que señalaron que, al incorporar BC al suelo, la porosidad mejoró al reducirse la densidad aparente, además de que el potasio aplicado se mantuvo disponible en mayor cantidad. Por ello, podría sugerirse que la mayor altura registrada, en el presente estudio, pudo deberse a tal efecto, puesto que se realizó la aplicación de potasio junto con el BC. Asimismo, Fawad et al. (2017) registraron hasta 33% mayor AP cuando aplicaron BC en relación al control; ellos concluyeron que el BC disminuye la pérdida de los fertilizantes aplicados, debido a su capacidad de adsorción. En este mismo sentido Ahmad et al. (2011) y Torres-Moya et al. (2016) mencionan que con la adición de fertilizantes se mejora el desarrollo del cultivo de avena. Tal práctica pudo favorecer la influencia positiva del BC sobre la AP en el presente estudio.
Con la variable MV se apreciaron diferencias estadísticas significativas (P < 0.05). El valor mayor se asocia al T2, representando 102% más producción que la del T0, T1 y T3 tuvieron diferencias numéricas de 44 y 12% menos MV, respectivamente, que T2 (Cuadro 2). La tendencia fue similar en el estudio de Zhang et al. (2016a) quienes obtuvieron mayor MV en el cultivo de maíz cuando aplicaron 20 Mg ha-1 de BC, ya que ellos registraron un 12.9% más de producción en relación al control; por sus resultados, ellos sugirieron que el BC mejoró la disponibilidad de los elementos nutritivos en el suelo aportados por los fertilizantes. Pese a la diferencia de tipos de cultivos, suelos y dosis de BC, el BC ha influido sobre la producción de MV y como es el caso del presente experimento, aunque la dosis utilizada de BC es menor, la diferencia fue significativa.
Trupiano et al. (2017) también encontraron mayor producción de MV al aplicar BC en el cultivo de lechuga en macetas. Estos autores reportaron que la actividad de las enzimas relacionadas con los ciclos del nitrógeno, fósforo y carbono resultaron mejoradas con la aplicación de este material; esa práctica favoreció la disponibilidad de estos elementos para las plantas y mantuvo disponible más humedad en el suelo. También Torres-Moya et al. (2016) mencionaron que la aplicación de fertilizante nitrogenado mejora la MV del cultivo de avena; por lo tanto, el BC pudo haber mejorado la disponibilidad de nitrógeno en el presente estudio.
La materia seca es uno de los indicadores de importancia de la calidad de un forraje, ya que influye sobre la digestibilidad y consumo de los rumiantes (Salas-Pérez et al., 2010). Para la variable de MS no se obtuvo diferencia estadística significativa con el uso de BC; sin embargo, el valor mayor se obtuvo con T2, en el cual, se utilizó BC. La MS por efecto de T2 fue mayor 11, 8 y 8.6% a T0, T1 y T3, respectivamente (Cuadro 2). Alburquerque et al. (2013) observaron la misma tendencia cuando aplicaron BC más una dosis de fertilizante sintético en el cultivo de trigo, ya que no encontraron diferencia estadísticamente significativa para esta variable. Por otro lado, aunque no evaluaron el impacto del uso de BC pero usaron biosólidos y fertilización sintética Flores-Félix et al. (2014), tampoco encontraron diferencia significativa para MS en avena.
Para las variables evaluadas sobre la calidad nutricional del forraje, no se asociaron diferencias estadísticas significativas (P < 0.05; Cuadro 3). No se tienen registros acerca de la influencia del BC sobre PC en avena. No obstante, el valor mayor de PC fue 11% por efecto de T3. Por otro lado, Espitia et al. (2012) encontraron un valor promedio de 10.8% al considerar varias etapas fenológicas y sugieren que este factor tiene gran influencia sobre los contenidos de PC, puesto que conforme la edad de la planta es mayor, los contenidos de PC disminuyen. Así mismo, Ramírez et al. (2015) mencionan que, de forma general, el nivel crítico de PC en el cultivo de avena para un buen funcionamiento del rumen de los animales consumidores es de 7%. El nivel óptimo de PC, según Trujano et al. (2008), es de 9.1%. Por lo tanto, los resultados obtenidos en este estudio con la aplicación de BC, son mayores que el nivel óptimo señalado, lo que indica que es benéfico para los animales.
Cuadro 3: Valores medios y significancia estadística de los parámetros analizados relativo a la calidad de la materia seca de avena forrajera, en respuesta a los diferentes tratamientos aplicados.
| Variable | PC | FDA | FDN | NDT | DMS |
|---|---|---|---|---|---|
| - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - % - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - | |||||
| T0 | 8.68 a | 58.0 a | 75 a | 21.3 a | 43.7 a |
| T1 | 10.36 a | 60.7 a | 75 a | 17.6 a | 41.6 a |
| T2 | 10.83 a | 63.8 a | 73 a | 13.2 a | 39.2 a |
| T3 | 11 a | 59.4 a | 67 a | 19.4 a | 42.6 a |
T0 = testigo absoluto; T1 = fertilización convencional; T2 = 2.25 Mg ha-1 de biocarbón + fertilización convencional; T3 = 4 Mg ha-1 de biocarbón + fertilización convencional. PC = proteína cruda; FDA = fibra detergente ácido; FDN = fibra detergente neutro; NDT = nutrientes digestibles totales; DMS = digestibilidad de la materia seca. Promedios con la misma letra en las columnas indican igualdad estadística, de acuerdo con la prueba de Tukey (P < 0.05).
Una concentración grande de fibra tiene una correlación negativa con la proporción de almidón, y consecuentemente, una disminución del contenido energético de la avena (NRC, 2000). En este estudio no existió diferencia estadísticamente significativa para los contenidos de fibras al aplicar diferentes niveles de BC; es nula la información referente a la influencia del BC sobre esta variable en el cultivo de avena, cabe mencionar que se ha observado la misma tendencia con otros tratamientos, como en el estudio de Trujano et al. (2008), quienes obtuvieron diferencias no significativas cuando aplicaron diferentes cantidades de estiércol y vermicompost.
Para las variables NDT y DMS no se apreciaron diferencias estadísticas significativas entre tratamientos con la aplicación de BC (Cuadro 3). El valor máximo para NDT fue de 13% y para DMS de 42.6%. No existen reportes sobre los efectos del BC sobre dichas variables en avena forrajera. Sánchez-Gutiérrez et al. (2014) mencionan que la etapa fisiológica al momento de la cosecha puede influir sobre NDT, ellos reportaron valores de hasta 56% cuando cosecharon avena de la variedad Karma en la etapa lechoso-masoso. Por lo tanto, podría deducirse que esos factores influyeron sobre los contenidos de NDT obtenidos en este estudio, los cuales, fueron más bajos, aunque aceptables para los animales. Del mismo modo para DMS ellos reportaron un valor mayor (61.7%) en comparación de los obtenidos en este estudio. Según Barnes (1990) además de la etapa fisiológica, también la variedad utilizada puede ser un factor que determina los contenidos de DMS.
Conclusiones
De acuerdo con los resultados obtenidos en las condiciones inherentes al presente estudio, la aplicación de biocarbón (BC) al suelo cultivado con avena forrajera podría ser una alternativa para mejorar el rendimiento de dicho cultivo. El BC influyó benéficamente sobre altura de plantas y producción de biomasa de avena. Sin embargo, la aplicación de BC al suelo no mejoró la calidad nutricional del forraje de avena con respecto al tratamiento control. Es recomendable continuar con más estudios sobre los efectos del BC, a mediano y largo plazos, en diferentes cantidades de aplicación al suelo considerando como respuesta las propiedades del suelo y, atributos de las plantas de otras especies cultivadas.
