Evaluación de la aplicación de orina
bovina sobre las emisiones de N
2
O
en suelos con pasturas productoras
de inhibidores biológicos de la
nitrificación en el piedemonte llanero
colombiano
Jaime Eduardo Garzón Alfonso
Universidad Nacional de Colombia
Facultad de Medicina Veterinaria y de Zootecnia. Departamento de Ciencias en la Producción Animal
Bogotá, Colombia 2017
Evaluación de la aplicación de orina
bovina sobre las emisiones de N
2
O
en suelos con pasturas productoras
de inhibidores biológicos de la
nitrificación en el piedemonte llanero
colombiano
Jaime Eduardo Garzón Alfonso
Tesis presentada como requisito parcial para optar al título de:
Magister en Producción Animal
Director:
M. Sc. (c) Ph.D., Edgar Alberto Cárdenas Rocha
Línea de Investigación: Nutrición Animal Grupo de Investigación:
Grupo de Investigación en Nutrición Animal
Universidad Nacional de Colombia
Facultad de Medicina Veterinaria y de Zootecnia. Departamento de Ciencias en la Producción Animal
Bogotá, Colombia 2017
La disciplina tarde o temprano vencerá a la inteligencia
Agradecimientos
Al profesor Edgar Cárdenas: tutor, consejero, director, jefe, guía y amigo.
A mis papas y a mi hermana, quienes me aconsejaron, ayudaron, aguantaron y sostuvieron desde el inicio hasta el final…..y más allá.
A Steffany Azcárate, amiga, compañera, zootecnista y estadística.
Al Fondo Regional de Tecnología Agropecuaria (FONTAGRO) y a Verónica Ciganda por el principal aporte económico para el proyecto.
A los Institutos de Investigación Nacional (INIA) Remehue (Chile) y La Estanzuela (Uruguay) por su aporte de conocimientos, resolución de dudas y análisis por cromatografía de gases.
A la Corporación Colombiana de Investigación Agropecuaria (CORPOICA) CI La Libertad y a Oscar Pardo, por su espacio y tiempo en la implementación del experimento y realización de los muestreos.
Al Programa Nacional de Proyectos para el Fortalecimiento de la Investigación, la Creación y la Innovación en Posgrados de la Universidad Nacional de Colombia 2013-2015 (Código HERMES 19085) por su apoyo económico.
A mis compañeros tramoyistas, quienes estando detrás de bambalinas también hicieron posible esta investigación: Johanna Ávila, Erika Gómez, David Robayo, Caroll Castillo, Luisa Segura, Eduar Vargas y Mercedes.
Resumen
En el presente estudio se evalúo los efectos de la aplicación orina bovina, tres especies forrajeras (Brachiaria decumbens cv. Basilisk, Brachiaria humidicola cv. Humidicola y
Megathyrsus maximus) y dos épocas climáticas (lluvias y seca), sobre las emisiones de
óxido nitroso (N2O) en el suelo, producción de biomasa y contenido proteico de las especies
forrajeras mencionadas. Además, se realizó un acercamiento al factor de emisión de N2O
del nitrógeno dado por orina (EF3PRP), comparándolo con el valor por defecto suministrado
por el IPCC. El experimento fue realizado en el Centro de Investigación CORPOICA “La Libertad” a través de la metodología de la cámara estática de flujo cerrado descrita por de Klein et al. (1). El análisis estadístico mostró que la aplicación de orina no tuvo un efecto significativo en las emisiones de N2O, producción de biomasa y contenido proteico de los
forrajes (p > 0,05), contrario a la época climática y especie forrajera sobre estas mismas variables (p < 0,05). Los factores de emisión calculados fueron siempre menores al valor por defecto dado por el IPCC.
Palabras clave: Factor de Emisión, Flujos negativos, Orina Bovina, Óxido nitroso,
Abstract
In the present study the effects of bovine urine application, three forage species (Brachiaria
decumbens cv. Basilisk, Brachiaria humidicola cv. Humidicola and Megathyrsus maximus)
and two climatic seasons (wet and dry), on emissions of nitrous oxide (N2O) in soil and
biomass production and protein content in the forage species mentioned. In addition, an approximation of the N2O emission factor by urine nitrogen (EF3PRP) was given and compared
to the default value defined by the IPCC. The experiment was conducted at the Research Center CORPOICA "La Libertad" through the methodology of static closed chamber flow described by Klein et al. (1) . Statistical analysis showed that the application of urine had no significant effect on N2O emissions in soil, biomass production and protein content of forages
(p > 0,05), contrary to the climate season and forage species on the same variables (p < 0,05). Calculated emission factors were always lower than the default value given by the IPCC.
Keywords: Bovine Urine, Colombian Piedmont Plains, Emission Factor, Negative fluxes,
Contenido
Pág.
Introducción ... 1
1. Revisión de literatura ... 5
1.1 Cambio climático, causa y efecto ... 5
1.2 El óxido nitroso como gas de efecto invernadero ... 6
1.2.1 Emisiones de componentes nitrogenados en campo: ... 6
1.2.3 Balances de nitrógeno en los sistemas bovinos: ... 8
1.2.4 Situación en Colombia: ... 9
1.3 Metodologías de la contabilización de emisiones de N2O en campo ... 11
1.3.1 Métodos de muestreo: ... 11
1.3.2 Técnicas analíticas: ... 12
1.3.3 Cálculo de flujos: ... 15
1.4 Opciones de mitigación ... 18
1.4.1 Inhibidores químicos de la nitrificación: ... 19
1.4.2 Inhibidores biológicos de la nitrificación (IBN): ... 21
2. Evaluación de la aplicación de orina bovina sobre las emisiones de N2O en suelos con pasturas productoras con inhibidores biológicos de la nitrificación en el piedemonte llanero colombiano ... 25
2.1 Materiales y métodos ... 25
2.1.1 Localización del experimento: ... 25
2.1.2 Metodología experimental: ... 25
2.1.3 Variables medidas en la atmósfera: ... 26
2.1.4 Variables medidas en suelo: ... 26
2.1.5 Variables medidas en el pasto: ... 27
2.1.6 Flujos de N2O: ... 27
2.1.7 Estimación de la cantidad de orina bovina a aplicar a cada pastura: ... 32
2.1.8 Análisis estadístico: ... 33
2.2 Resultados y discusión ... 36
2.2.1 Ambiente: ... 36
2.2.2 Suelo: ... 39
2.2.3 Flujos de N2O: ... 40
2.2.4 Producción de biomasa y contenido de proteína en los forrajes evaluados: .. 53
2.3 Conclusiones y recomendaciones ... 55
2.4.1 Conclusiones ... 55
A. Anexo: Validación de la metodología de la cámara estática de flujo cerrado para el piedemonte llanero ... 59 B. Anexo: Análisis estadísticos ... 67 Referencias ... 122
Lista de figuras
Pág.
Figura 1-1. Ciclo del nitrógeno en los sistemas bovinos (19, 26) ... 7 Figura 1-2. Emisiones de GEI en Colombia hasta N2O en el año de 2012 (4) ... 10
Figura 1-3. Esquema de un cromatógrafo de gases (54) ... 14 Figura 1-4. Curva del criterio de decisión para una precisión del 2% del cromatógrafo (56)
... 16
Figura 2-1. Valores promedio mensuales de precipitación y temperatura media ambiental
en CORPOICA CI La Libertad ... 37
Figura 2-2. Precipitación registrada durante los periodos de muestreos en CORPOICA CI
La Libertad ... 38
Figura 2-3. Valores promedio mensuales de humedad relativa ambiental de CORPOICA
CI La Libertad. ... 38
Figura 2-4. Producción de amonio (NH4+) y nitrato (NO3-) en el suelo durante ambas
épocas muestreadas ... 40
Figura 2-5. Flujos de N2O generados por suelos establecidos con tres pasturas del
piedemonte llanero en época lluviosa ... 42
Figura 2-6. Flujos de N2O generados por suelos establecidos con tres pasturas del
piedemonte llanero en época seca ... 44
Figura 2-7. Trazado de interacción para los rangos de flujos de N2O ... 48
Figura A-1. Concentraciones de N2O por hora en tres tiempos de muestreo (0, 20, 40
minutos) para dos días de medición por época climática ... 60
Figura A-2. Promedios de N2O en tres tiempos de muestreo ... 61
Figura A-3. Promedio de flujos de N2O y temperatura de suelo durante el periodo de
validación para la época lluviosa. ... 62
Figura A-4. Promedio de flujos de N2O, temperatura y humedad del suelo durante el
Lista de tablas
Pág.
Tabla 1-1. Métodos de muestreo de N2O comúnmente empleados en campo (48, 49) .... 11
Tabla 1-2. Técnicas analíticas para medición de N2O (48) ... 13
Tabla 1-3. Fórmulas empleadas para el cálculo de flujos de N2O ... 17
Tabla 2-1. Modelos de regresión, para predicción estructural de la curva de flujo de N2O 30
Tabla 2-2. Modelos de interpolación para predicción estructural de la curva de flujo de N2O
... 31
Tabla 2-3. Volumen calculado de orina y nitrógeno excretado por animal en el piedemonte
llanero ... 33
Tabla 2-4. Transformaciones de la variable N2O ... 34
Tabla 2-5. Resultados de análisis de suelo ... 39 Tabla 2-6. Promedio y errores típicos de los factores evaluados para los flujos de N2O en
el piedemonte llanero (g N-N2O/ha/día) ... 45
Tabla 2-7. Aproximación de emisiones de N2O a un año de medición de algunos proyectos
internacionales ... 47
Tabla 2-8. Correlaciones entre el flujo de N2O, producción de biomasa y proteína cruda en
los forrajes con las variables ambientales y de suelo ... 49
Tabla 2-9. Factores de emisión (FE) aproximados para tres especies forrajeras con aporte
nitrogenado en forma de orina bovina en el piedemonte llanero (%). ... 50
Tabla 2-10. Promedios y errores estándar de los forrajes evaluados para la producción de
biomasa y deposición de proteína cruda en los forrajes evaluados. ... 53
Tabla A-1. Flujos medios de N2O en los días de muestreo para validación por época
Lista de unidades
Símbolo Término Unidad
CO2 eq Equivalente de dióxido de carbono
h Hora min Minuto Gg Gigagramo 1.000 t Gt Gigatonelada 1.000.000.000 t Mt Megatonelada 1.000.000 t ha Hectárea 10.000 m2
ppb Parte por billón 0,000000001%
ppm Parte por millon 0,0001%
Introducción
“El calentamiento global es una realidad inequívoca, con cambios sin precedentes observados desde décadas hasta milenios” (2). Esta afirmación fue dada por el Panel Intergubernamental de Cambio Climático (IPCC) en su Quinto Informe de Evaluación en 2014; en él se reporta un incremento de 0,85°C de la temperatura atmosférica (durante el periodo entre 1880 a 2012) y 0,11°C por década de la superficie oceánica (1971 – 2010), lo que ha ocasionado un descenso hasta de 1,07 millones de km2 de las capas polares por
década (1979 – 2012) y un incremento de 0,19 m del nivel del mar (1901 – 2010) (3). El calentamiento es generado (entre otros) por el incremento en la concentración de gases de efecto invernadero (GEI) en la atmósfera, entre los cuales se cuentan el vapor de agua, dióxido de carbono (CO2), metano (CH4), óxido nitroso (N2O) y aerosoles artificiales.
Colombia no es ajena a este fenómeno. El Instituto de Hidrología, Meteorología y Estudios Ambientales (IDEAM), cumpliendo lo estipulado por la ley 164 de 1994 (Reconocimiento Nacional de la “Convención Marco de las Naciones Unidas sobre el Cambio Climático) y la ley 629 de 2000 (aprobación e ingreso de Colombia al “Protocolo de Kyoto de la Convención Marco de las Naciones Unidas sobre el Cambio Climático”) y siguiendo las “Directrices del IPCC de 2006 para los Inventarios Nacionales de Gases de Efecto Invernadero”, generó un reporte de las emisiones de estos gases por sectores económicos para el año 2012; en el concluyeron que el país aportó el 0,4% de GEI a nivel mundial (4), siendo los sectores de mayor producción el energético y agropecuario (incluye deforestación y el cambio y uso de suelos), con una emisión neta de 78 y 85,4 Mt de CO2 eq respectivamente. Para valores
más específicos, el reporte menciona que la agricultura y producción pecuaria generaron 66,3 Mt de CO2 eq, equivalente al 26% de las emisiones totales del país (5). Dentro del
sector, el 25,2% corresponde al CO2, 40,1% corresponde a CH4 (31% producido por la
fermentación entérica) y 34,7% por N2O (19% procedente de orina y estiércol de animales
El óxido nitroso es un reconocido GEI producido por todos los sectores económicos. Para 2010, su concentración en la atmósfera fue de 3 Gt, siendo superado por el CH4 y CO2 (2);
sin embargo, su importancia yace al poseer un potencial de calentamiento 265 veces mayor al CO2 (para un periodo de 100 años sin incluir los feedbacks de carbono climático) y una
vida media atmosférica de 121 años (3), ambos mayores a los otros GEI mencionados. Este se produce naturalmente en el suelo a través de diversas reacciones bioquímicas, generando además amoniaco (NH3) y óxidos nitrogenados (NOx), que a su vez pueden
transformarse en más N2O en la atmósfera (6). En consecuencia, a través del tiempo se han
desarrollado varias técnicas para su medición en campo, para así realizar diagnósticos y evaluar prácticas de manejo y mitigación, como los métodos micrometeorológicos o la cámara estática de flujo cerrado, siendo esta última la técnica más empleada, a nivel mundial, para la medición de N2O (7).
Pese a no encontrarse como una fuente directa de emisión de N2O dentro del sector
agropecuario, la ganadería colombiana generó 732,1 Gg de este GEI en 2012 (superado por la agricultura en un 74%), debido principalmente a la interacción de sus excretas con el suelo (4). En promedio, un bovino adulto puede excretar hasta 520 g de nitrógeno al día en forma de orina y heces (8), que podría ser transformado en N2O por los microorganismos
posteriormente. Esto es influenciado por el número de animales dentro del inventario nacional (más de 20 millones de cabezas), agrupado principalmente en los departamentos de Antioquia, Córdoba, Casanare y Meta (9). En varias de estas regiones, como los Llanos Orientales, la orina bovina es la mayor fuente nitrogenada para las pasturas. Se estima que cerca del 85 – 90% del nitrógeno ingerido por lo rumiantes retorna al medio a través de las excretas, de los cuales el 80% es expulsado por la orina (8). Además, se ha reportado que, por micción, una vaca lechera puede depositar el equivalente de 1000 kg N/ha (10, 11). Este excedente sería aprovechado por los pastos, resultando en un incremento de la producción y calidad de la biomasa forrajera (12). Thomas et al. (13) reportaron que, luego de 17 días de haber aplicado orina bovina (48 g N/m2) a un pastizal, este produjo 19 veces más de
materia seca (MS) y de 10 a 21 veces más de nitrógeno comparado con el tratamiento control; valores similares fueron reportados por Betterbridge y Andrew (14) y Ornelas (15), donde la inclusión de orina permitió un incremento del 49,4% de biomasa total, 53,1% de tallos y 48,1% de hojas, todas en comparación al tratamiento control. Sin embargo, este
incremento se considera como uno de los causantes de emisiones de N2O tales como los
1.614.000 Gg emitidos en el sector agropecuario de Brasil en 2010 (16), los 66.300 Gg del mismo sector en 2012 por Colombia (4) o los 13.910 y 8.222 Gg en Australia y Nueva Zelanda en 2014 respectivamente (17, 18).
Además, el sector cuenta con una ventaja única sobre los otros: su capacidad tanto de emitir como de absorber GEI de la atmósfera, puesto que en 2012 las tierras de cultivos, forestales y pastizales absorbieron 73,2 Mt de CO2 eq (5), lo que hace necesario evaluar este potencial
mitigatorio dentro de las producciones pecuarias. Otra ventaja es que muchas explotaciones del sector pecuario manejan pasturas que producen exudados químicos (como las del género Brachiaria (19)), que ralentizan el proceso bioquímico de la nitrificación del suelo; estos son identificados como “Inhibidores Biológicos de la Nitrificación” (IBN).
Finalmente, los inventarios son el resultado de investigación a nivel nacional, en donde, a través de los años, se han ido mejorando las metodologías de cálculo utilizando factores de emisión propios dentro del país. De esta forma se observa que, para el inventario publicado en 2008 con los datos de emisión nacional para el año 2004 (20) y empleando todos los factores de emisión por defecto del IPCC, el IDEAM publicó que el sector agropecuario generó 68.565.580 t de CO2 eq (Tier 1). Años después, el último inventario publicado por
este mismo instituto, incluyendo factores de emisión propios del país en fermentación entérica por ganadería bovina, emisiones por deforestación y tierras de cultivo, y otros, los cálculos arrojados para este mismo año (2004) concluyen una emisión de 55.700.000 t de CO2 eq (Tier 2) (5), lo que significó una reducción del 18,8% el la estimación de emisiones
totales del sector al emplear valores específicos del país. Casos similares han sido reportados por Lessa et al. (21), en donde, en un estudio en el Cerrado brasilero, calcularon un factor de emisión de N2O para orina y heces bovinas (FE3PRP) de 0,7%, un valor muy por
debajo al dado por el IPCC para la misma variable (2%). Observando estas marcadas diferencias, se hace necesario generar datos propios de país, dada la amplia diversidad de oferta ambiental para las producciones bovinas nacionales, con el fin de reportar al IPCC inventarios ajustados a la realidad.
En consecuencia, esta tesis evaluó los efectos de la orina bovina, la especie forrajera y la época climática sobre los flujos de N2O emitidos en suelos establecidos con pasturas
productoras de IBN, la producción de biomasa y el contenido proteico, relacionándolos con variables climáticas. Además, se realizó un acercamiento a la contabilización del factor de emisión para este tipo de aporte nitrogenado, bajo características de oferta ambiental propias del país, como es el piedemonte llanero colombiano.
1.
Revisión de literatura
1.1 Cambio climático, causa y efecto
El cambio climático es un proceso inequívoco que está sucediendo en la tierra; el IPCC (Intergovernmental Panel of Climatic Change) lo define como “la afectación en el estado del clima, que puede ser identificado por alteraciones en la media o variabilidad de sus propiedades y que persiste por un periodo largo, generalmente décadas o más” (22). Este efecto ambiental se ha demostrado a través de algunos hechos verificables en el mundo, como el incremento de la temperatura media global en 0,85°C desde 1880 a 2012, incremento del nivel del mar, descenso de las capas polares y mayores incidencias de temperaturas extremas (2).
El efecto invernadero siempre ha sido un proceso natural en la tierra, que ha permitido mantener temperaturas semi–constantes en la atmósfera, promoviendo condiciones ambientales relativamente estables para el desarrollo de la vida. Sin embargo, la intervención antropogénica ha incrementado las concentraciones de los gases de efecto invernadero (GEI) con el paso del tiempo, acumulando el calor producido por los rayos solares contenidos por la atmósfera. La agricultura mundial junto con el cambio de uso del suelo (AFOLU) aportó en 2010 un 24,9% de emisiones totales de GEI (2), ocupando el segundo puesto como sector de mayores emisiones, antecedido por el sector energético (25%) y delante del sector industrial (21%) y transportes (14%).
El dióxido de carbono (CO2), el gas metano (CH4) y el óxido nitroso (N2O) han sido
identificados como los principales gases causantes del calentamiento en el planeta, debido a su contribución en la emisión mundial y al efecto que tienen en el medio ambiente. El CO2 es el GEI de mayor importancia antropogénica debido a su alta producción. Desde
el inicio de la era industrial (1750), sus emisiones se incrementaron en un 40%, de 278 a 390,5 ppm en 2011, correspondiendo a un incremento de 240 Gt de CO2 en la atmósfera
(3). Actualmente este es empleado como unidad de referencia en la medición de los potenciales de calentamiento de los otros gases.
Por su parte, las concentraciones atmosféricas del CH4 se han incrementando desde la
revolución industrial, pasando de 722 a 1803 ppb en 2011 (3); tiene una contribución relativa estimada del 20% de las emisiones antropogénicas totales (23), en donde una molécula de metano tiene el potencial de calentamiento de 28 moléculas de dióxido de carbono en un periodo de 100 años.
1.2 El óxido nitroso como gas de efecto invernadero
Las concentraciones de óxido nitroso en el ambiente son actualmente 20% mayores a las demostradas en la era pre-industrial, con un incremento medio de 0,073 ppb anuales. Una molécula de este gas tiene un potencial de calentamiento de 265 veces que una de dióxido de carbono en un periodo de 100 años, aunque el valor se incrementa a 298 si se incluyen los feedbacks del carbono climático (3). Se ha estimado que alrededor de 0,015 Gt de nitrógeno son inyectados directamente a la atmósfera cada año como óxido nitroso, en donde las aplicaciones de fertilizantes a ecosistemas agrícolas (sin tener en cuenta abonos animales ni fijación biológica de nitrógeno) representa un 15,8% de estas emisiones (24).
1.2.1 Emisiones de componentes nitrogenados en campo:
Durante el ciclo del nitrógeno se generan normalmente varios compuestos que coexisten en equilibrio con el medio ambiente (Figura 1 – 1). Al igual que sucede con el efecto invernadero, sus concentraciones en la atmósfera y el suelo siempre han existido, no obstante, durante las últimas décadas el hombre ha incrementado las entradas de nitrógeno en el sistema a través de la fertilización, resultando en una mayor cantidad de este elemento transformándose en el suelo, lo que conlleva a un aumento de los vertimientos de nitratos en el suelo y de las emisiones de amoniaco y óxido nitroso a la atmósfera (25).
Figura 1-1.Ciclo del nitrógeno en los sistemas bovinos (19, 26)
La fertilización nitrogenada se realiza principalmente con la aplicación de urea o sulfato de amonio que es transformada por bacterias asimiladoras de nitrógeno diseminadas en el suelo (Azotobacter, Azospirillum), que transforman estos compuestos en amonio (NH4+)
(27). En el caso de grandes formas nitrogenadas (como materia orgánica), estas son transformadas a aminoácidos (a través de la aminificación) y luego a NH4+ por medio de la
amonificación; plantas, hongos y Archaeas también intervienen en estos procesos (28). A su vez, el amonio es oxidado a nitritos (NO2-) y posteriormente a nitratos (NO3-), por medio
del proceso de la nitrificación, la cual puede ser realizada por bacterias autótrofas y hongos heterótrofos (29). Este último proceso es realizado en tres etapas: 1) Ejecutada por bacterias del género Nitrosomona, consiste en la oxidación del amonioa hidroxylamina (NH2OH) a través de la enzima amonio-monooxigenasa, nombrada como la ruta AMO. 2)
Las bacterias del género Nitrosospira o Nitrosococcus toman la hidroxylamina y la oxidan a nitrito, por medio de la enzima hidroxylamina-oxidoreductasa, nombrada como la ruta HAO. 3) Por último, las bacterias del género Nitrobacter oxidan el nitrito a nitrato a través de la enzima nitrito-oxidoreductasa, siendo esta una forma nitrogenada soluble de fácil absorción por las plantas (19, 25).
Por medio de los nitratos y el amonio, las plantas obtienen el nitrógeno necesario para sus ciclos vitales; pero, debido al incremento del nitrógeno en el afluente del suelo por la fertilización, la cantidad de nitratos transformada en el ciclo supera lo que las plantas pueden aprovechar, lixiviándose a aguas subterráneas y terminando en pozos de agua, generando eutrofización (25).
Con este incremento en las entradas de nitrógeno al sistema, se produce una mayor volatilización de amoniaco a la atmósfera; este gas, aunque no tiene efecto invernadero, puede adoptar diversas formas, actuando como un precursor de N2O o de óxido nítrico (NO),
el cual puede reaccionar en la estratosfera debilitando la capa de ozono, para caer finalmente al suelo en forma de ácido nítrico (HNO3) (componente de la lluvia ácida) (30,
31).
Al haber condiciones anaeróbicas en el suelo, el nitrato que no se lixivia o absorbe por la planta es transformado en nitrógeno atmosférico (N2) por medio de la denitrificación,
realizada por bacterias del género Nitrosoma, Pseudomona y Nitrobacter (32), las cuales pueden usar el nitrato en lugar del oxígeno como un aceptador de electrones en sus procesos de respiración, generando óxido nitroso como un eslabón obligado en el proceso químico (33). Estos gases se incorporan en la atmósfera como parte del ciclo natural. Nuevas investigaciones han descubierto otros procesos químicos dentro del ciclo del nitrógeno que muestran nuevas interacciones entre poblaciones microbiales, entre estos se encuentran la denitrificación nitrificadora, la amonificación del nitrato, oxidación y denitrificación del amoniaco y la co-denitrificación (34). Todos ellos complejizan el cálculo acertado de balances de nitrógeno en el suelo, puesto que las interacciones en el mismo son muchas, enviando al nitrógeno aplicado por diversas rutas, dependiendo de las condiciones edafoclimáticas y microbiológicas del suelo.
1.2.3 Balances de nitrógeno en los sistemas bovinos:
Debido a la transformación continua y natural del nitrógeno en el medio, se han desarrollado mecanismos y proporciones de su consumo y utilización, detallándose a través del tiempo y usándolos actualmente para la realización de balances de nitrógeno como modelos simulados (31, 35, 36).
En sistemas de pasturas se conocen los siguientes supuestos: 1) De todo el nitrógeno suministrado al cultivo, solo el 30% es asimilado por las plantas, mientras que el resto se pierde volatilizado, denitrificado o lixiviado (37-39). 2) De la pastura disponible, los bovinos consumen el 30% del forraje (dependiendo de la pastura) (40). 3) Los bovinos retienen solo una parte del nitrógeno que consumen, siendo el 5 al 10% en bovinos para carne y del 20 al 25% para razas lecheras (los excedentes de nitrógeno vuelve al medio a través de las excretas) (8). 4) Del nitrógeno asimilado por el animal, un 2% se usa para deposición de músculo mientras que para producción de leche se usa un 2 a 2,5% diario (8, 41). 5) El pasto que no fue consumido en potrero emplea el 50% de nitrógeno retenido para la generación de tejidos nuevos y crecimiento (42). 6) Un máximo del 40% del nitrógeno de la pastura no consumida se transforma en hojarasca, la cual lo devolverá nuevamente al suelo. 7) Las leguminosas forrajeras fijan cerca del 90% de sus requerimientos nitrogenados, el 10% faltante lo toman del suelo (43, 44).
Estos balances, aplicados en ganaderías bovinas, se ven afectados dependiendo de los organismos que lo intervengan; el flujo de nitrógeno, al igual que la velocidad relativa de entradas y salidas del mismo, cambiarán si el sistema productivo es en campo, incluyendo cultivos transitorios e inclusión de leguminosas (ya sea en pastoreo permanente, alterno o rotacional); o es estabulado, en donde los flujos de nitrógeno (dentro de la producción) se guiarán hacia la producción de proteína animal y estiércol. Si se comparan ambos, el primero generará mayores cantidades de N2O (0 a 2% del nitrógeno suministrado al sistema
pastoril será eliminado por el estiércol en forma de N2O, sumado a que las reacciones
bioquímicas del suelo transformarán del 1 a 8% del mismo nitrógeno adicionado), al tener mayores etapas de transformación y un flujo más largo a través de la cadena suelo – pastura – animal – excretas. En el sistema estabulado, el flujo del N2O se centra en la producción
de estiércol (0 a 2% del nitrógeno en las heces generadas), sin valorar las emisiones por elaboración del concentrado que los animales están consumiendo (45).
1.2.4 Situación en Colombia:
A nivel nacional, las emisiones de óxido nitroso han sido contabilizadas por el IDEAM en varias ocasiones (4, 5, 20), siguiendo las metodologías determinadas por el IPCC. El documento más reciente fue generado en el marco de la “Tercera Comunicación Nacional del Cambio Climático”, la cual contiene el “Primer Informe Bienal de Actualización de Colombia ante la Convención Marco de las Naciones Unidas sobre el Cambio Climático”
(46) y el “Inventario Nacional y Departamental de Gases de Efecto Invernadero - Colombia” (5), en los cuales se determinó que, en 2012 y siguiendo las agrupaciones económicas propuestas por el IPCC, el sector agropecuario colombiano (agricultura, silvicultura, ganadería, cambio en el uso del suelo, etc.) produjo 66,3 millones de toneladas de CO2 eq
(47,99% de las emisiones totales de GEI nacionales, siendo el mayor emisor por la deforestación, principalmente), de los cuales el 9,97% fue generado por óxido nitroso, principalmente por emisiones directas de N2O de suelos gestionados (Figura 1 – 2). Este
mismo inventario reportó que la ganadería produjo el 14,7% (23,3 Mt de CO2 eq) de las
emisiones de GEI dentro del sector agropecuario, 9% de las emisiones totales en ese año.
Figura 1-2. Emisiones de GEI en Colombia hasta N2O en el año de 2012 (4)
Esto demuestra que el sector agropecuario colombiano está emitiendo N2O en sus campos,
causado en gran proporción con el uso intensivo de fertilizante nitrogenado sin conocer los valores o tiempos de asimilación del mismo en el suelo, empleando (en promedio) de a 50 a 70 kg de nitrógeno por hectárea/pastoreo (31, 47), produciendo a su vez daño ambiental por emisiones de amoniaco a la atmósfera y nitratos que afectan los cuerpos de agua, especialmente en sistemas bovinos de producción intensiva. Realizando un análisis de estos resultados, se plantea la necesidad de medir estas emisiones a nivel nacional, para tener un diagnóstico con menor incertidumbre a los actualmente presentados por el IDEAM, los cuales se basan en ecuaciones con valores por defecto calculadas por el IPCC para el módulo de N2O, al igual que le permita al país tener una línea base de emisiones con el fin
1.3 Metodologías de la contabilización de emisiones de
N
2O en campo
La medición de N2O en campo es una tarea ardua que debe enfrentar dos retos: la baja
concentración de este gas en la atmósfera y su alta variabilidad influenciada por cambios temporales y espaciales, además que su emisión es esporádica y varía por las condiciones edafoclimáticas (temperatura, humedad, pH, entre otros) (48). Por esta razón, a través del tiempo se han venido desarrollando diferentes metodologías para su contabilización, las cuales se pueden organizar en dos categorías: aquellas que permiten la toma de muestra en campo y las que miden específicamente el gas dentro de las muestras.
1.3.1 Métodos de muestreo:
Son aquellos que permiten la toma del gas en campo, pudiendo subdividirse a su vez en el método de la cámara estática y los métodos micrometeorológicos (Tabla 1 – 1)
Tabla 1-1. Métodos de muestreo de N2O comúnmente empleados en campo (48, 49)
METODOLOGÍA VENTAJAS DESVENTAJAS
Cámara cerrada estática
Bajo costo.
Nula necesidad de electricidad en campo.
Portátil.
No requiere técnicas analíticas rápidas o sensibles.
Alteración de emisiones por cambios de presión (turbulencia). Disturbación en el suelo.
Alto número de réplicas.
Muestreos cortos (menor
significancia). Métodos micrometeorológicos
Eddy covariance
Mide flujos verticales de emisión.
No requiere estabilidad
atmosférica para sus
mediciones.
Mediciones sensibles al calor o humedad ambiental.
Requiere instrumentación de rápida respuesta, incrementando sus costos.
Eddy accumulation
Provee una medición directa en el punto de instalación.
No requiere sensores de gases.
Depende de una válvula solenoide de alta respuesta.
Gradiente de flujo
Alta precisión.
Permite la medición de flujos de aire verticales y horizontales simultáneamente.
Las concentraciones de aire a comparar deben manejar la misma temperatura y humedad. Requiere concentraciones de aire
“buffer” que minimicen
fluctuaciones. Balance de
masas
No requiere correcciones por estabilidad atmosférica.
Mayor efectividad de emisión en
espacios pequeños y con
Emplea instrumentos sencillos y de lenta respuesta (más económicos).
No es apropiado para estudios de evaporación atmosférica.
Dispersión reversa estocástica de Lagrangian (bLs)
Determinación de flujos con un solo muestreo y la concentración ambiental.
Permite mediciones simultáneas de CO2, CH4, NH3, H2O, N2O y
CO.
Requiere de áreas pequeñas bien definidas.
Requiere de una ardua
parametrización inicial.
El empleo de láseres es costoso económicamente.
El mecanismo más utilizado para la medición de óxido nitroso en campo es la cámara estática de flujo cerrado, planteada por Mosier (50) y modificada por Baker et al. (51) y Saggar et al. (52). Trabaja con cámaras metálicas, plásticas o de PVC, compuestas por una tapa que puede ir sobre un anillo lleno de agua colocado sobre el suelo o sobre una rosca de caucho, procurando siempre generar condiciones impermeables que bloqueen el paso de aire entre el suelo y la tapa. En esta última se abren dos agujeros, uno que contendrá un tapón de caucho y otro que llevará una septa, de la cual se toman las muestras de N2O con
ayuda de una jeringa de polipropileno y una válvula de tres pasos conectada a ella, para asegurar el paso limpio del aire de la cámara a un vial al vacío, para posterior análisis por cromatografía de gases. Al momento de muestrear, la cámara se tapa y de ella se toman de 3 a 5 muestras durante un periodo no mayor a 60 minutos (51), con un intervalo de 5 a 20 minutos entre viales.
1.3.2 Técnicas analíticas:
Una vez se tengan las muestras, se debe emplear alguna técnica para contabilizar la concentración específica de N2O dentro del vial, para ellos actualmente se cuenta con
Tabla 1-2. Técnicas analíticas para medición de N2O (48)
TÉCNICA VENTAJAS DESVENTAJAS
Cromatografía
Detector por captura de electrones (ECD)
Bajo costo.
Permite una fácil comparación de datos.
No-continuo.
Requiere frecuente calibración. Alto tiempo de análisis cuando hay
gran número de muestras
(incluyendo transporte). Métodos ópticos Espectroscopia infrarroja con transformación de Fourier (FTIR) Medición continua. Bajos requerimientos de calibración. Portátil.
Alto costo por instrumentos. Requiere una fuente lumínica de bajo brillo.
Análisis de datos complejo. Láseres de sal de
plomo
Permite medidas sensibles y rápidas.
Baja interferencia con otros gases.
Requiere refrigeración criogénica. Requiere bajas presiones.
Alto costo por instrumentos.
Láseres de cascada cuántica
Portátil.
Rápida medición con mayor poder que los láseres de sal de plomo. Permite análisis isotópicos.
Menor calidad en el análisis espectral que con los láseres de sal de plomo.
Requiere bajas presiones. Alto costo por instrumentos. Método amperométrico
Microsensores Bajo costo.
Extremadamente portátil.
No permite largos periodos de medición.
Solo mide N2O disuelto.
La técnica analítica más empleada para detección de N2O es la cromatografía de gases que
emplea un detector por captura electrónica (53). Esta es un método de separación de gases con alta sensibilidad para analizar compuestos volátiles conformado por un equipo que contiene 3 componentes principales, marcados con rojo en la Figura 1 – 3:
Figura 1-3. Esquema de un cromatógrafo de gases (54)
▪ Inyector: Tienen como misión la vaporización de la muestra y su incorporación a la corriente de un gas portador que lo dirige al interior del cromatógrafo. Actualmente en el mercado existen inyectores para columnas empaquetadas, columnas capilares, inyectores con división de muestra, splitless, inyección en columna e inyectores de espacio de cabeza o “headspace” (53).
▪ Columna: Una vez inyectada la muestra y transportada por el gas de arrastre (puede ser helio, nitrógeno, hidrógeno, argón u oxígeno, dependiendo del gas a detectar) (55), es dirigida por un tubo curvado de material inerte (denominado “columna cromatográfica”) ubicado dentro de un horno a 400°C aproximadamente. Las altas temperaturas separan los componentes gaseosos de la muestra de aire y lo dirigen hacia el detector. En el mercado pueden encontrarse columnas empaquetadas y tubulares abiertas (también denominadas “columnas capilares”) (53).
▪ Detector: Una vez que los componentes de la muestra han sido separados por la columna, estos pasan por un dispositivo sensible a N2O que no genera ninguna señal
cuando lo atraviesa el gas de arrastre. Actualmente pueden encontrarse detectores por conductividad térmica (también conocido como detector de hilo caliente), de ionización de flama (el más empleado a nivel mundial), por captura electrónica (altamente sensible), de nitrógeno-fósforo (conocido también como detector termoiónico o de llama alcalina), detector fotométrico de llama (para detección específica de fósforo y azufre), de fotoionización (único en emplear fotones generados por una lámpara de descarga
para detectar compuestos orgánicos) y de conductividad electrolítica (o detector de Hall, muy sensible pero limitado a substancias que contengan elementos capaces de comportarse como electrolitos) (53).
1.3.3 Cálculo de flujos:
Del análisis por cromatografía de gases se obtienen las concentraciones de N2O en cada
uno de los viales, requiriendo un apoyo matemático para conocer el flujo total emitido durante el periodo de tiempo muestreado. En consecuencia se establece el tipo de regresión que más se ajuste a la curva y genere el menor error, empleando las ecuaciones de índice de curvilinearidad de datos y de flujo aparente (51, 56) (Ecuaciones 1 – 1 y 1 – 2).
IDC=
(T1-T0)(T2-T1)
(
Ecuación 1-1)Donde:
IDC: Índice de curvilinearidad de datos
T0: Concentraciónde N2O colectado en el vial al momento cero (Tras sellado de la cámara)
(ppm)
T1: Concentración de N2O colectado en el vial a los 20 minutos de ser tomada la muestra T0
(ppm)
T2: Concentración de N2O colectado en el vial a los 40 minutos de ser tomada la muestra T0
(ppm)
FA=
(T2-T0)HT2
(Ecuación 1-2)
Dónde:
FA: Flujo aparente (ppm)
HT2: Tiempo de duración del muestreo (hora)
Los resultados de las ecuaciones anteriores se interceptan en una gráfica que delinea los puntos en donde el residuo del método HM (Hutchinson/Mosier) (no lineal) es igual al residuo de la regresión lineal. Posteriormente, la decisión sobre el modelo se toma con respecto a la intercepción de los puntos.
La curva puede variar según el coeficiente de variación del cromatógrafo de gases que se emplee. Siguiendo esto, la Figura 1 – 4 ilustra la curva de precisión de un cromatógrafo con el 2% de coeficiente de variación.
Figura 1-4. Curva del criterio de decisión para una precisión del 2% del cromatógrafo (56)
Una vez se decide si un flujo es lineal o no, a continuación, se emplean fórmulas matemáticas diseñadas a partir de la fórmula de gases ideales, incluyendo variables como temperatura dentro de la cámara y presión ambiental para obtener resultados más específicos de la zona experimental (Tabla 1 – 3):
Tabla 1-3. Fórmulas empleadas para el cálculo de flujos de N2O FÓRMULA REFERENCIA Flujo lineal F = Δc Δt x M Vm x V A De Klein et al. (1) F = ρ x V A x Δc Δt x 273 (T+273) Saggar et al. (57) Flujo no lineal F = V x (C1-C0) 2 A x (t1 x (2 x C1-C2-C0)) x In ( C1-C0 C2-C1) Hutchinson y Mosier (58) Donde: F: Flujo de N2O.
Δc: Concentración de N2O durante el tiempo de muestreo.
Δt: Tiempo de muestreo.
M: Peso molar del nitrógeno dentro del N2O.
Vm: Volumen molar de un gas con la temperatura especifica dentro de la cámara al
momento del muestreo.
V: Volumen de la cámara. A: Área cubierta por la cámara. ρ: Densidad del N2O.
T: Temperatura dentro de la cámara.
C0, C1, C2: Concentración de gas en la cámara al momento de cada muestreo.
t1: Intervalo de tiempo entre toma de muestras.
Finalmente, debe cerciorarse si los flujos encontrados se toman como valores reales o son producto de un error de muestreo o del cromatógrafo, para ellos se emplean una o dos desviaciones estándar de los promedios obtenidos de los muestreos de línea base o con la fórmula del flujo mínimo detectable (59) (Ecuación 1 – 3):
Donde:
FMD: Flujo mínimo detectable.
Flujo: Flujo de N2O (lineal o no lineal) calculado (Tabla 1-3)
r:Límite de repetibilidad (ppm).
Así se conoce que los valores encontrados se encuentren por encima de los flujos mínimos detectables.
Una vez se conoce la cantidad del GEI emitido al momento del muestreo, hay que extrapolar la información por el periodo total del experimento. El método más sencillo es a través de los promedios entre muestreos realizados, asumiendo este valor como el flujo en los días no medidos (60). Sin embargo, el procedimiento supone que el suelo genera una misma respuesta en el tiempo, lo cual es falso al encontrarse permanentemente influenciado por la oferta ambiental. Por ello, otro mecanismo de extrapolación son las regresiones, de las cuales se selecciona aquella que más se acerque a los puntos conocidos de emisión (muestreos) (61). Finalmente, si se requiere un mayor nivel de ajuste, se puede emplear la interpolación (la cual calcula regresiones independientes entre cada muestreo) (62, 63) o la integración trapezoidal (calculando el área bajo la curva por medio de trapecios) (64).
1.4 Opciones de mitigación
A nivel mundial se han evaluado diversos métodos para disminuir las emisiones de compuestos nitrogenados en campo, cuyos principios son afectar la transformación del nitrógeno en el suelo para mantenerlo disponible para las plantas por más tiempo. Podrían categorizarse en prácticas aplicadas al animal y otras al suelo.
En el animal se han realizado investigaciones como la inclusión de sal en la dieta (mayor consumo agua que diluye el nitrógeno excretado en la orina) o el balanceo energía:proteína (mayor aprovechamiento del N consumido), pudiendo ser complementados con una inclusión de energía en la dieta a través de pasturas con alta concentración de azúcares solubles (Carbohidratos No Estructurales (CNE)) (65), suplementando con taninos o ácido hipúrico, realizando un mejoramiento genético dirigido a la eficiencia de utilización del nitrógeno y por último adicionando en la dieta inhibidores de la nitrificación (65-67). Estas
prácticas se encuentran en investigación, por lo que hay poca aplicabilidad para los productores actualmente.
En el suelo, los desarrollos han sido mayores y su adopción ha evolucionado, manejado aplicación escalonada de fertilizantes nitrogenados con índices deseables de irrigación, aireación y drenaje (68, 69), o centrándose en la inhibición de las reacciones químicas que suceden en el suelo una vez el fertilizante ha sido aplicado a través de dos tipos de inhibidores: químicos y biológicos.
1.4.1 Inhibidores químicos de la nitrificación:
Han sido estudiados cerca de 64 compuestos químicos que afectan bacteriostáticamente las poblaciones de microorganismos encargadas de la nitrificación, de ellos solo tres han tenido resultados notables y aceptación por parte del productor (principalmente por razones de costos y eficiencia): el 2-Cloro-6 triclorometil piridina (Nitrapyrina), la Diciandiamina (DCD) (19) y el 3,4-Dimetilpirazol fosfato (DMPP) (70).
La Nitrapiryna ha dado excelentes resultados inhibiendo las emisiones de N2O en campo,
como los reportados por Chen et al. (71), que, en condiciones de laboratorio en Australia, mostró una inhibición promedio del 90% de N2O en diferentes condiciones de temperatura
y humedad de suelo, mientras que Parkin et al. (72), con un cultivo de maíz en Estados Unidos, reportan una reducción del 50% de emisiones y un incremento productivo del 10% en grano seco comparado al control. Comparado con otros inhibidores, Zhang et al. (73) realizando muestreos durante dos años, observaron una reducción del 16,5% de N2O y un
incremento del 12,6% en la eficiencia del uso del nitrógeno con el uso de nitrapyrina en una rotación de siete cultivos agrícolas en China, mientras que el tratamiento con DCD no resultó significativo. Es comercialmente conocida como N-Serve®. El inconveniente de este químico es que demanda un manejo complejo debido a su alta volatilidad, tanto así, que requiere maquinaria especial para ser aplicado en el suelo, además que posee una alta retención por las arcillas y resulta corrosivo, explosivo y tóxico para las plantas cuando se maneja inadecuadamente (33).
La diciandiamida (C2H4N4) (DCD) es un compuesto soluble en agua, no volátil y con un
efecto bacteriostático específico para el género Nitrosomonas, con el cual las bacterias no resultan muertas, sino que interfiere con la citocromo-oxidasa en el sistema de transporte
de electrones en la respiración de las mismas (74), generando una ralentización de sus procesos metabólicos (19), comercialmente es conocida como Eco-N®.
Es un químico ampliamente estudiado por su efecto como inhibidor de la nitrificación, demostrando sus efectos en la reducción de emisiones de N2O en campo, que van desde
un 40% (75) hasta un 70% a menos de 12°C de temperatura ambiental (76).
Estos resultados demuestran que el efecto de la DCD es afectado por condiciones medioambientales; debido a su solubilidad al agua, suelos con alta precipitación tienen un efecto menor ante el inhibidor, Luo et al. (77) lo comprobaron al mostrar que en un suelo neozelandés con precipitación media (1100 mm/año), el porcentaje de inhibición fue del 35%, en comparación con un suelo con precipitación alta (2200 mm/año), con un 18% de inhibición, trabajando los mismos tratamientos durante el experimento (control, orina y orina + DCD). Por otra parte, la DCD es afectada también por la temperatura ambiental; Kelliher et al. (78), a través de análisis de datos, observó que a mayores temperaturas (con incremento de 2 a 4°C, llegando a un máximo de 15,7°C), la vida útil promedio del inhibidor se reducía 46 días; de otro lado, Puttanna et al. (79) mostraron que, en condiciones de laboratorio, a 30°C la DCD reducía su efecto inhibitorio un 14%; todo esto permite concluir que el uso de este químico es más recomendable para climas fríos.
La liberación lenta y controlada de N en el suelo permite una mayor absorción de este por las plantas, esto se ve reflejado en un incremento en la producción de biomasa forrajera. Experimentos realizados en Chile (80) demostraron que con el uso del inhibidor se incrementó la producción en materia seca un 6% en comparación con el tratamiento con fertilización nitrogenada, valor similar al demostrado por O’Connor et al. (81), con un incremento del 7% de MS.
A pesar que el DCD ha demostrado ser un buen inhibidor de la nitrificación, se han reportado estudios que muestran fito-intoxicaciones (70, 82). Reeves et al. (83), evaluando el químico en cultivos de algodón, maíz y sorgo, observaron clorosis y posterior necrosis en algunos de sus tratamientos, especialmente en el sorgo y algodón. Posteriormente, Zerulla et al. (70) reportaron síntomas de fitotoxicidad en cultivos de lechuga, al igual que Macadam et al. (82) con trébol. Se ha asumido que esta ocurrencia se debe al efecto inhibitorio de la nitrificación del químico, fomentando el incremento de amonio edáfico en lugar del nitrato y obligando su absorción por parte de las plantas, sin poder transformarlo posteriormente. Por último,
recientes estudios en Nueva Zelanda han detectado residuos traza de este inhibidor en la leche bovina y leche en polvo, poniendo en riesgo a la población que ingiera estos alimentos (84). Por ello, “actualmente la investigación en praderas y cultivos para el uso de este inhibidor de la nitrificación sigue adelante a nivel mundial, pero su comercialización y aplicación por productores está detenida” (Alfaro 2017, comunicación personal).
El DMPP (3,4-Dimetilpirazol fosfato) es un inhibidor de relativa novedad que se ha establecido en los mercados a cambio de la DCD, pues ha mostrado algunas ventajas comparativas como una mayor eficiencia en la inhibición de la nitrificación, resultando en una menor concentración de aplicación; la dosis recomendada de este primero es de 0,5 a 5 kg/ha para asegurar una inhibición por un periodo de 4 a 10 semanas (dependiendo de las características climáticas y de suelo) (70, 85, 86), mientras que para la segunda la dosis es de 10 kg/ha, manejando el mismo periodo de tiempo de inhibición (77, 87, 88). Comercialmente es conocido como ENTEC®, pudiéndose encontrar en Colombia bajo el nombre de Novatec®.
Al inhibir la nitrificación, el DMPP ha demostrado repetidamente su funcionalidad como mitigador químico de las emisiones de N2O en suelo, que van del 48% (89) hasta 68,8%
(90), manejándolo a temperaturas ambientales bajas.
Por último, al igual que la DCD, el empleo del DMPP incrementa las producciones de biomasa, reportándose en cultivos agrícolas con un incremento del 32% en algodón (comparándolo con el tratamiento con fertilización nitrogenada) (86), del 7 y 4% para cultivos de lechuga y coliflor respectivamente (90) o 6 y 13% para trigo y maíz respectivamente (91).
1.4.2 Inhibidores biológicos de la nitrificación (IBN):
Estos comenzaron a notarse de manera empírica, al observar que en lotes sembrados con
Brachiaria humidicola eran poco comunes las malezas (19, 92); a través de diferentes
investigaciones (93-96) se encontraron que hay ciertos tipos de forrajes que, a través de sus raíces, generan productos químicos naturales que inhiben las poblaciones de
Nitrosomonas, principal población bacterial en el suelo encargada de realizar el proceso de
nitrificación (25); con esta “ralentización” química, los forrajes tienen mayor tiempo para absorber nitrógeno, actuando a su vez como un método alelopático ante otras especies vegetales. Tiempo después se encontraron otros cultivos que también generan IBN (Melinis
minutiflora, Arachis hypogea, Andropogon gayanus, Sorghum spp. etc.) (19), todos ellos
contraste, cultivos como Lolium perenne, Brachiaria brizantha, Megathyrsus maximus,
Oryza sativa, Zea mays, Triticum aestivum y Hordeum vulgare, adaptados a suelos altos en
nitrógeno, presentan una baja capacidad inhibidora (96).
En la actualidad, algunos IBN han sido aislados e identificados para la especie B. humidicola y el género Sorghum spp., denominándose “Brachialactona” y “Sorgoleona” respectivamente (95, 97). A través de técnicas de purificación guiada en bioensayos, recientemente se ha reportado que algunos de los IBN exudados por las plantas son ácidos grasos libres insaturados, específicamente el ácido linoleico y linolénico, los cuales (como todos los IBN) actúan bloqueando ambas vías enzimáticas de la nitrificación en las bacterias del género Nitrosomona, la AMO y la HAO, catalizando la reacción esencial en la oxidación del amonio (96). Además, también interfiere con la citocromo-oxidasa en la respiración bacterial (tal y como sucede con la aplicación de DCD en el suelo), permitiendo una inhibición más eficaz que cualquiera de los inhibidores químicos anteriormente mencionados.
En adición, el país ya cuenta con diversos experimentos publicados que han comprobado la presencia y el potencial inhibidor de la Brachialactona. Para la detección de IBN, Nuñez (98) estandarizó una metodología para la detección de los IBN, a través de la inhibición in vitro de la enzima amoA en el género bacterial Nitrosomona. Por otro lado, experimentos en campo nacionales han revelado las bondades del género Brachiaria como IBN, realizando experimentos intra e inter-especies. Hurtado et al. (99), en estudios realizados en el Centro Internacional de Agricultura Tropical (CIAT), Valle de Cauca, reportaron diferencias significativas en la emisión de N2O en suelos sembrados con Brachiaria híbrido var. Mulato,
M. maximus, Glicine max y B. humidicola, en donde las tres primeras generaron emisiones
acumuladas de más de 550 mg N2O/m2/año, mientras que los últimos (porque se evaluaron
las accesiones CIAT 679 y CIAT 16888) emitieron 380 y 100 mg N2O/m2/año
respectivamente. Por otro lado, Pastrana et al. (100) y Espinosa (101) realizaron dos experimentos en el Centro de Investigación CORPOICA “Turipana”, ubicado en el municipio de Cereté (Córdoba). El primero evaluó tres accesiones de B. humidicola, indicando que el mejor genotipo, en términos de producción, fue CIAT 16888, con una producción de 2075 kg MS/ha, altura de 46,9 cm y relación hoja/tallo de 2,51, sin diferencias significativas con el genotipo CIAT 679 pero sí con el genotipo CIAT 26159; las emisiones de N2O fueron más
inhibidas por CIAT 679, la cual generó 88,2 µg/m2 menos que CIAT 26759 y 305,5 µg/m2
menos que CIAT 16888, notándose una correlación entre el crecimiento del pasto y el flujo emitido. La segunda investigación, realizada por Espinosa (101) reportó una emisión de N2O
menor para B. humidicola en comparación con M. maximus cv Tanzania, ya sea para la época lluviosa (sin aplicación de fuentes nitrogenadas) como para la época seca (con aplicación de 150 kg N/ha). Finalmente, en este misma localización, Vergara (102) reportó flujos de N2O negativos en suelo con B. humidicola cv. Tully (tanto en sequía como en
lluvias), explicando que el sumidero generado pudo deberse al efecto conjunto de la
2.
Evaluación de la aplicación de orina bovina
sobre las emisiones de N
2
O en suelos con
pasturas
productoras
con
inhibidores
biológicos de la nitrificación en el piedemonte
llanero colombiano
2.1 Materiales y métodos
2.1.1 Localización del experimento:
El estudio se realizó en el centro de investigación (CI) CORPOICA “La Libertad”, ubicado en la vereda “La Libertad” del municipio de Villavicencio, a 17 km vía Villavicencio (capital departamental) – Puerto López. El lote se encuentra a 4°03’33,2” Latitud Norte y 74°27’27,1” Longitud Oeste, a una elevación de 412 msnm, temperatura media de 26,2°C, 81% de humedad relativa y 2800 mm/año de precipitación distribuida en forma monomodal con un período de lluvias desde abril a diciembre y un período seco de enero a marzo (18), clasificado como Bosque húmedo tropical (Bh-T) (103).
2.1.2 Metodología experimental:
Para todas las variables se empleó un diseño completamente al azar con arreglo de parcelas divididas, donde el factor principal fue la especie forrajera (Brachiaria decumbens cv. Basilisk, Brachiaria humidicola cv. Humidicola y Megathyrsus maximus) y la sub-parcela
el aporte nitrogenado (control y orina bovina). Este diseño se repitió en época lluviosa y seca
Se emplearon 12 parcelas de 2,5 x 5,0 m distribuidas igualmente en las tres especies forrajeras; estas se encontraban previamente establecidas y sin ningún manejo desde dos años antes de iniciado el experimento. Por cada especie se realizó la aleatorización de la orina bovina, delimitando dos unidades experimentales por parcela (2,0 x 2,0 m cada una). Cada subdivisión constó de dos espacios, uno que se empleó para tomar las muestras de suelo y forraje y un segundo donde se instaló una cámara estática de flujo cerrado para medir el flujo de gases (mayor descripción de la cámara en el punto 2.1.6).
2.1.3 Variables medidas en la atmósfera:
Diariamente se midió temperatura (oC), precipitación (mm/día) y humedad relativa (%) en la
estación meteorológica instalada en el CI - La Libertad.
2.1.4 Variables medidas en suelo:
▪ Flujos de N2O: Detallado en el punto 2.1.6.
▪ Análisis de suelo: Anterior a la aplicación del aporte nitrogenado, se colectó una muestra de suelo de 0 – 20 cm de profundidad entre las que se evaluó densidad aparente1, textura2, pH3, carbono orgánico4, N5, P6, Ca7, K7, Mg7, Na7, Acidez
lntercambiable (AI)8 y capacidad de intercambio catiónico efectiva (CICE)9. El análisis
fue realizado en el Laboratorio de Aguas y Suelos de la Facultad de Ciencias Agrarias en la Universidad Nacional de Colombia (Sede Bogotá).
1 Método del cilindro
2 Bouyucos, dispersión con Na-Hexametafosfato. Triangulo de clasificación textural USDA 3 Suspensión suelo:agua (Relación peso:volumen 1:1). Potenciómetro.
4 Walkley-Black 5 CO x 0,0862 6 Bray II
7 Extracción con NH4 – Acetato 1M pH 7 8 Extracción con KCl 1M
▪ Concentración de amonio (NH4+) y nitratos (NO3-): Se tomaron cuatro muestras
semanalmente de cada aporte nitrogenado por especie vegetal durante el primer mes post-aplicación se determinó mediante la técnica de extracción con KCl (a la prueba para nitrato se le agrega la eliminación del NH4+ por reducción). Al igual que el anterior,
estos análisis fueron realizados en el Laboratorio de Aguas y Suelos.
Para evitar una mayor afectación del suelo que pudiera influir con las emisiones de N2O,
los agujeros realizados con el barreno para la toma de muestras fueron nuevamente rellenados con suelo aledaño a las parcelas y marcado, para así evitar tomar muestras posteriores del mismo punto.
▪ Temperatura y humedad del suelo: Se tomaron muestras cada hora con el apoyo de datalogger Decagon® Em5b con sensores para cada variable respectivamente.
2.1.5 Variables medidas en el pasto:
▪ Producción de biomasa (g MS/0,25 m2): Se midió producción de materia seca (MS)
cada 28 días. Con marcos de 0,5 x 0,5 m se cosechó el pasto a una altura de 5 cm en cada tratamiento, se pesó y posteriormente se secó en un horno de aire forzado a 60°C por 48 horas, para realizar los cálculos de MS (104).
▪ Nitrógeno en pasturas (%): Utilizando las mismas muestras colectadas para producción de biomasa, se determinó N a través del método de Kjeldahl (104), disponible en el laboratorio de Nutrición Animal de la Facultad de Medicina Veterinaria y Zootecnia de la Universidad Nacional de Colombia (Sede Bogotá).
2.1.6 Flujos de N
2O:
▪ Validación de la metodología (h): Antes de iniciar los muestreos de flujo de gases, se requirió determinar la hora adecuada para tal fin, por tanto, se realizó una validación de la técnica. Se eligieron al azar dos de las cámaras instaladas en las parcelas de B.
humidicola y con ellas se realizó un muestreo continuo cada hora (8:00 – 18:00) durante
dos días seguidos en cada época climática, con la finalidad de determinar la hora en donde el flujo de N2O fuera igual al promedio del día, siguiendo la metodología planteada
por Alves et al. (105) y de Klein et al. (60).
▪ Muestreos de los flujos de N2O (ppm): Se emplearon 24 cámaras estáticas de flujo
proyecto marco de suramérica, se solicitó uniformidad en materiales y equipos que, para este proyecto, aseguran un cierre hermético al momento de muestrear. Estas cámaras han sido empleadas en investigaciones por diversos autores (106-108) y constan de una base y una tapa; la base la conforman un tubo de PVC (25 cm de diámetro x 30 cm de altura) el cual va adherido a una “escotilla de alcantarillado” modificada (25 cm de diámetro x 9,5 cm de alto); en su interior se ubica un anillo de caucho que permite el adecuado sellado de la cámara para la toma de gas. Finalmente, la escotilla viene con una tapa con sistema de cerrado por medio giro, la cual se ubica y sella sobre la cámara al momento de muestrear.
Durante la época de lluvias, los muestreos de flujo de óxido nitroso fueron realizados dos veces en la primera y segunda semana (post-aplicación de tratamientos), las siguientes 6 semanas los muestreos se realizaron una sola vez por semana y una vez más en la semana 10. En la época seca, se tomaron muestras tres veces en días alternados durante las primeras dos semanas post-aplicación de tratamientos, dos muestreos en la tercera y cuarta semana y un muestreo final en la quinta. La diferencia entre la frecuencia de muestreo entre épocas se debió al periodo de tiempo de cada muestreo: de 72 días para la época lluviosa y 35 días para la seca, procurando asemejar un año climático en el piedemonte llanero, con 70% del periodo en época lluviosa y 30% en época seca. Durante el periodo total de medición, se re-programaron 5 muestreos para realizarse al día siguiente de una precitación mayor a 25 mm. En época seca dos de ellos coincidieron con un evento de lluvia del dia anterior. Las cámaras permanecieron en la misma ubicación durante ambos periodos muestreados.
Cada día planeado de muestreo, se tomaron las muestras de aire dentro de la cámara a los 0, 20 y 40 minutos de puestas las tapas en las bases y adicionalmente una muestra ambiental. Se empleó una jeringa de polipropileno de 30 ml por cámara y depositando las muestras en viales al vacío de 20 ml. Posteriormente estas fueron analizadas con un cromatógrafo de gases Perkin Elmer, Clarus 600 con headspace 110, con detector por captura electrónica y helio como gas de arrastre, instalado en el centro de investigación INIA Remehue (Chile).
▪ Cálculos de flujos (mg N-N2O/m2/h): Una vez obtenidos las concentraciones de este
GEI por cromatografía de gases, se evaluó que estuvieran por encima de los “Flujos Mínimos Detectables” y se clasificaron como flujos lineales o no lineales, teniendo en cuenta un coeficiente de variación del 2,6% para N2O dado por el cromatógrafo en Chile.
Con ello, la ecuación empleada para flujos lineales fue la descrita por de Klein et al. (1), que corrige el valor por la temperatura y el área dentro de la cámara, esta se observa a continuación (Ecuación 2 – 1): Fo= δN2O δt x M Vmx V A (Ecuación 2-1) Donde: Fo: Flujo de N2O (mg N-N2O /m2/h)
δN2O: Concentración de N2O durante el tiempo de muestreo (µL/L)
δt: Tiempo de muestreo (h)
M: Peso molar del nitrógeno dentro del N2O (g/mol)
Vm: Volumen molar de un gas con la temperatura especifica dentro de la cámara al
momento del muestreo (L/mol)
V: Volumen de la cámara (m3)
A: Área cubierta por la cámara (m2)
Así mismo, para el cálculo del flujo empleando regresión no lineal (tendencia curvilínea), Hutchinson y Mosier (58) reportaron la ecuación (2-2), se ilustra a continuación:
Fo = V x (C1-C0)2
A x (t1 x (2 x C1-C2-C0)) x In (
C1-C0
C2-C1)
(Ecuación 2-2)
Donde:
Fo: Flujo de N2O (µg N2O-N/m2/min)
V: Volumen de la cámara (L) A: Área de la cámara (m2)
C0, C1, C2: Concentración de gas en la cámara al momento 0, 20 y 40 respectivamente.
El valor final arrojado por esta ecuación se corrige para usar las mismas unidades que la fórmula anterior (2 – 3).
▪ Generación de los flujos de N2O por época (g N-N2O/ha/día): Se realizó a través de
la predicción de curvas de emisión unificando los valores calculados de N2O por cada
día de muestreo. Para ello, los datos fueron analizados a través de varios modelos (SAS®, 2011) (Tabla 2 – 1).
Tabla 2-1. Modelos de regresión, para predicción estructural de la curva de flujo de N2O
Modelo Fórmula R2 AICc
Regresión lineal y = a + bx 0.002013 -369.65 Racional y = a + bx 1 + cx + dx2 0.234161 -376.79 Log normal y = 1 xσ√2πe - 12(ln x - μσ )2 <0.00001 -367.12 Recíproco y = 1 (a + bx + cx2) 0.172575 -375.68 Sinusoidal y = a + b cos (cx + d) 0.085078 -368.78 MMF y = ax (b + x) 0.002476 -365.11 Tasa de crecimiento a saturación y = a + b ln x 0.190270 -378.84 Log Natural y =ab + cx d b + xd 0.002506 -369.67 Declinación armónica y = q0 (1 + xa) <0.00001 -386.59
Por tanto, con base en los resultados mostrados en la tabla anterior, en donde se busca un coeficiente de determinación (R2) alto y un Criterio de Información de Akaike
estimación de la curva de emisión. Se continuó entonces con el análisis por modelos de interpolación (ver tabla 2 – 2).
Tabla 2-2. Modelos de interpolación para predicción estructural de la curva de flujo de N2O
MODELO FÓRMULA R2 AICc
Interpolación lineal y = PW: a + bx 1 100 Interpolación polinomial orden 2 y = PW: a + bx + cx 2 1 -897.26 Interpolación polinomial orden 3 y = PW: a + bx + cx2 + dx 3 1 -880.96
Teniendo en cuenta el ajuste, flexibilidad y estabilidad de los parámetros, se estableció la interpolación lineal por splines como el método pertinente para la estimación de las curvas de emisión, al conseguir un alto coeficiente de determinación, criterio AICc positivo, mayor rankeo en el programa en comparación de los demás modelos y por ser un método de interpolación reconocido por ajustar curvas con formas variadas, empleando polinomios de bajo grado y evitando oscilaciones. Para la generación de estas se empleó el software CurveExpert®.
▪ Cálculo del factor de emisión: Posterior a la integración, los factores de emisión, por
especie, se calcularon por el periodo evaluado mediante la fórmula empleada por de Klein et al. (1), relacionando estos valores con la cantidad de nitrógeno aplicado y expresado finalmente en porcentaje (2 – 3):
FE = (N-N2O Orina) - (N-N2O Control)
N aplicado x 100 (Ecuación 2-3)
Donde:
FE: Factor de emisión (% de N2O emitido con respecto al nitrógeno aplicado)
N-N2O Orina: Emisión total de N2O en un suelo con aplicación de orina (kg N/ha)
N-N2O Control: Emisión total de N2O en el suelo control (kg N/ha)
