Repositorio Institucional de Documentos

Repositorio de la Universidad de Zaragoza – Zaguán http://zaguan.unizar.es E Ev va al lu ua ac ci ió ón n d de e l la a c ca ap pa ac ci id da ad d d de e s se ec cu ue es st tr ro o d de e c ca ar rb bo on no o e en n d do os s s su ue el lo os s d de el l V Va al ll le e d de el l E Eb br ro o m me ed di ia an nt te e l la a a ap pl li ic ca ac ci ió ón n d de e b bi io oc ch ha ar r: : e es st ta ab bi il li id da ad d d de e l la a m ma at te er ri ia a o or rg gá án ni ic ca a A Au ut to or ra a N No oe em mí í M Ma at te eo o M Ma ar rí ín n D Di ir re ec ct to or ra a C Cl la ar ra a M Ma ar rt tí í D Da al lm ma au u T Ti it tu ul la ac ci ió ón n C Ci ie en nc ci ia as s A Am mb bi ie en nt ta al le es s E Es sc cu ue el la a P Po ol li it té éc cn ni ic ca a S Su up pe er ri io or r d de e H Hu ue es sc ca a J Ju ul li io o 2 20 01 13 3 T Tr ra ab ba aj jo o d de e F Fi in n d de e G Gr ra ad do o 2 2 A Ag gr ra ad de ec ci im mi ie en nt to os s a a: : Clara Martí por su labor como directora, su profesionalidad, colaboración, disponibilidad y atención continua a lo largo de todo el proyecto. Joan Manyá, Sergio Laguarta y Miguel Ángel Ortigosa por la elaboración y suministro del biochar. David Badía y Javier Martínez por el aporte de los suelos y de información necesaria para la interpretación de los datos. Asunción Callizo y Belén Aguado por la ayuda y atención para una correcta realización del trabajo de laboratorio. Thomas Guillot por el préstamo del PXRF para el análisis medio de los metales totales tras la incubación. Por otro lado, agradezco y dedico este trabajo a mi familia y amigos, especialmente a mis padres, pues todo el trabajo y experiencias vividas en estos cuatro años han sido posibles gracias a ellos. 3 3 R Re es su um me en n: : La creciente preocupación por las emisiones de gases de efecto invernadero, las cuales son causa directa del calentamiento global, lleva a la investigación de alternativas que favorezcan la minimización de emisiones y de sistemas de secuestro de las mismas. El presente trabajo se basa en el estudio de la aplicación de biochar procedente de la pirólisis lenta de alperujo (residuo originado en la producción del aceite de oliva) al suelo como método de almacenamiento de carbono estable a la degradación microbiana. Las características físicas y químicas de este compuesto le otorgan propiedades mejoradoras del sustrato edáfico a la vez que podría mitigar el calentamiento global al favorecer el almacenamiento de carbono bajo formas orgánicas. Esto se ha podido observar tras el análisis físico-químico detallado de varias muestras obtenidas en diferentes condiciones de pirólisis (variación en la presión y temperatura) al ser aplicadas a dos suelos típicos del Valle medio del Ebro. Se ha observado que el sistema productivo del biochar afecta al contenido de las diversas fracciones de carbono así como a su grado de estabilidad, lo cual influye en parámetros edáficos de importancia agronómica y ecológica tales como el pH y la conductividad eléctrica. Asimismo, con la adición de biochar al suelo se ha apreciado un almacenamiento de carbono en el mismo ya que la muestra con mayor recalcitrancia ha sido la que menos CO2 ha desprendido respecto al carbono inicial existente. Además, se ha comprobado que la influencia del biochar sobre el pH del suelo tras la incorporación y la incubación es relativamente baja, siendo definido por el del suelo y no por el del material alóctono aportado. Con esto se concluye que, con el tiempo, esta enmienda supone un almacenamiento de carbono en el suelo con efecto sobre la mitigación del calentamiento global del planeta sin que se produzca una alteración significativa de propiedades edáficas con importancia agronómica. P Pa al la ab br ra as s c cl la av ve e: : Alperujo, carbón pirogénico, CO2, sumidero de carbono, fraccionamiento del carbono, respiración del suelo, cinética de mineralización, calcisol y gypsisol. 4 4 A Ab bs st tr ra ac ct t: : Carbon sequestration in soils is a climate change mitigation option as an approach for creating a long-term sink for atmospheric CO2. Biochar, a carbon rich product obtained through carbonization of biomass, has received increasing interest because a large amount of carbon highly resistant to decomposition when it is applied as agricultural amendment. Biochar types made from solid dreg of oil (alperujo) under controlled pyrolysis conditions at 400º C, 500º C or 600º C and 1,5 or 10 atmospheres pressure were evaluated. Particle size distribution (Pmpa), pH, electrical conductivity (EC), total organic carbon (TOC), soluble organic carbon (SOC), oxidable organic carbon (OxOC) and resistant organic carbon (ROC) were analyzed from each type. A short-term incubation study was carried out to evaluate the effect of two selected types of biochar addition to soil on CO2 emission. Two semiarid agricultural soils, with low organic matter content and contrasted properties were selected. Six soil treatments were tested: Calcareous soil (control); Calcareous soil + 5% biochar (600º C + 1 atm); Calcareous soil + 5% biochar (600º C + 10 atm); Gypseous soil (control); Gypseous soil + 5% biochar (600º C + 1 atm); Gypseous soil + 5% biochar (600º C + 10 atm). CO2-C was periodically measured throughout the experiment (30 days). It has been observed that the biochar type affects on pH, EC, the amount of the carbon reservoirs and its degree of stability. Highest pressure biochar have a ROC content up to 10 and 14% higher over to the samples produced at the same temperature but at lesser pressures. On average calcareous soils evolved higher carbon dioxide efflux than gypseous ones. The C in low pressures biochar mineralized faster than in the high pressure biochar. The estimated mean residence time (MRT) of carbon in the biochars varied between 600 and 1200 days representing the active or relatively labil C pool components. Nevertheless it is likely to increase under field conditions. On the other hand the influence of biochar on soil pH after the addition and incubation is relatively low. Thus it is possible to conclude that biochar is a relatively stable carbon source and could be an efficient, long-term strategy to sequester carbon in soils. K Ke ey y w wo or rd ds s: : Alperujo, pyrogenic carbon, CO2, carbon sink, carbon fractionation, soil respiration, mineralization kinetics, calcisol, gypsisol. 5 5 Í Ín nd di ic ce e Abreviaturas y acrónimos................................................................................................. Pág. 7 1. Introducción ............................................................................................................... Pág. 8 1.1. El biochar .......................................................................................................... Pág. 8 1.2. Subproductos orgánicos de la industria oleícola: el alperujo ............................. Pág. 11 1.3. Valorización del alperujo: producción de biochar para su incorporación al suelo ................................................................................................................ Pág. 13 1.3.1. Estabilidad de la materia orgánica y almacenamiento de carbono en el suelo ....................................................................................................... Pág. 16 2. Justificación ............................................................................................................... Pág. 20 3. Objetivos .................................................................................................................... Pág. 21 4. Material y métodos .................................................................................................... Pág. 22 4.1. Caracterización del biochar ............................................................................... Pág. 22 4.2. Mineralización de carbono orgánico: bioensayo de incubación ........................ Pág. 30 4.3. Analítica de los suelos utilizados ....................................................................... Pág. 31 4.4. Análisis medio de los metales totales: fluorescencia de rayos X ....................... Pág. 35 4.5. Análisis estadístico ............................................................................................ Pág. 35 5. Resultados y discusión ............................................................................................... Pág. 37 5.1. Características físicas del biochar ..................................................................... Pág. 37 5.1.1. Diámetro medio ponderado del agregado ................................................. Pág. 37 5.2. Características químicas del biochar ................................................................. Pág. 39 6 6 5.2.1. Conductividad eléctrica y pH .................................................................... Pág. 39 5.2.2. Fraccionamiento de carbono ..................................................................... Pág. 41 5.2.3. Relaciones entre las variables estudiadas .................................................. Pág. 47 5.3. Análisis de los suelos ......................................................................................... Pág. 52 5.4. Cinética de mineralización del biochar. Dinámica de la producción de CO2 (Respiración del suelo) ..................................................................................... Pág. 53 5.5. Efecto de la incubación y adición de biochar sobre determinadas propiedades edáficas .............................................................................................................. Pág. 58 5.6. Análisis del contenido medio de metales totales ............................................... Pág. 60 6. Conclusiones .............................................................................................................. Pág. 63 7. Bibliografía ................................................................................................................ Pág. 65 Anejos .............................................................................................................................. Pág. 73 I. Características del Calcisol y Gypsisol háplico .................................................. Pág. 74 Índice de figuras ............................................................................................................... Pág. 79 Índice de tablas ................................................................................................................. Pág. 81 7 7 A Ab br re ev vi ia at tu ur ra as s y y a ac cr ró ón ni im mo os s ALP: Biochar de alperujo CALP: Mezcla calcisol y biochar de alperujo CC: Capacidad de campo Ccontrol: Calcisol control CE: Conductividad eléctrica CIC: Capacidad de intercambio catiónico CO: Carbono orgánico COlábil: Carbono orgánico lábil COi: Carbono orgánico inicial COox: Carbono orgánico oxidable COs: Carbono orgánico soluble COr: Carbono orgánico recalcitrante COt: Carbono orgánico total Dmpa: Diámetro medio ponderado de los agregados GALP: Mezcla gypsisol y biochar de alperujo Gcontrol: Gypsisol control GE: Grado de estabilidad LE: Elementos ligeros MO: Materia orgánica MOi: Materia orgánica inicial MOt: Materia orgánica total PXRF: Analizador portátil de fluorescencia de rayos X TMR: Tiempo medio de residencia 8 8 1 1. .- - I In nt tr ro od du uc cc ci ió ón n 1 1. .1 1. . E El l b bi io oc ch ha ar r Según Lehmann y colaboradores (2011), el biochar, biocarbón, carbón vegetal o carbón pirogénico se puede definir como el producto sólido obtenido de la degradación térmica de la materia orgánica en ausencia de oxígeno (pirólisis) que posee varias propiedades que hacen de este material una enmienda orgánica para la mejora de la fertilidad física y química del suelo (alta capacidad de retención catiónica y de agua disponible, aptitud para el aumento del pH de suelos de carácter ácido, etc.). Recientemente se ha puesto énfasis en la utilidad de este producto como un material que, debido a la fijación y estabilidad de carbono orgánico, es útil para mitigar el calentamiento global (sumideros de carbono: secuestro de carbono en el suelo, minimización de las emisiones de N2O y CH4) (Intergovernmental Panel on Climate Change, 2007). En este sentido, para que exista un secuestro efectivo de carbono en el suelo es necesario que la fracción de carbono que se aporte sea difícilmente degradable por los microorganismos y que, a su vez, si se realiza como una práctica agrícola, no repercuta de forma negativa en el rendimiento de los cultivos. La incorporación de biochar de residuos orgánicos de carácter lignocelulósico y con un alto porcentaje de carbono fijo en su estructura, cumplirá estos requisitos puesto que su obtención se basa en la pirólisis. Sin embargo, también hay que considerar que su aplicación al suelo tiene cierta repercusión ecológica ya que es capaz de afectar a la abundancia y composición microbiana (Lehmann et al., 2011) cuando se aplica en elevadas dosis. La pirólisis consiste en la descomposición físico-química de la materia orgánica bajo la acción del calor y en ausencia de un medio oxidante; es un proceso termo-químico de conversión en el que se utiliza un material con alto contenido en carbono (biomasa) para producir compuestos más densos y con mayor poder calorífico, que pueden ser empleados con diversos fines (Castillo, 2008). Entre los factores principales que afectan al proceso Figura 1.1. Distribución de los productos procedentes de la pirólisis (Laguarta, 2012) 9 9 de pirólisis se encuentran la temperatura final, la velocidad de calentamiento y el tiempo de residencia del gas en el reactor. En función del valor que adopten estos parámetros, la distribución de los productos (Figura 1.1) será variable (Laguarta, 2012). Si el objetivo es lograr una alta producción de biochar (Tabla 1.1), como interesa en este caso, el proceso que debe llevarse a cabo es una pirólisis lenta (o carbonización), en la cual la biomasa adquiere temperatura a baja velocidad de calentamiento (menor de 20 K·min-1) y se fija un elevado tiempo de residencia para la fase vapor (Zhang et al., 2010). Líquido (Bio-oil) Sólido (Biochar) Gas (Syngas) Pirólisis rápida Temperatura moderada (500º C) Tiempo de residencia del vapor corto (< 2 s) 75 % (25 % agua) 12 % 13 % Pirólisis intermedia Temperatura moderada-baja Tiempo de residencia del vapor moderado 50 % (50% agua) 25 % 25 % Pirólisis lenta Temperatura moderada-baja Tiempo de residencia del vapor largo 30 % (70 % agua) 35 % 35 % Tabla 1.1. Cantidad de productos obtenidos en función de la tecnología pirolítica utilizada (Laguarta, 2012). La formación de biochar a partir de biomasa es compleja y sigue siendo poco clara. Según Demirbas (2004), citado por Kim y colaboradores (2012), el biochar o Carbón(2) se produce a través de las siguientes tres etapas de reacción: 1- Biomasa  Agua + Residuo sin reaccionar 2- Residuos sin reaccionar  Volátiles y gases(1) + Carbón(1) 3- Carbón(1)  Volátiles y gases(2) + Carbón(2) En este mecanismo de formación, la materia prima utilizada, además de otras condiciones del proceso de pirólisis como son la presión y la temperatura, serán las que, finalmente, determinen la cantidad y la estructura del biochar y, en consecuencia, sus propiedades. Por ejemplo, se sabe que la biomasa utilizada y la temperatura de pirólisis afectan al tamaño del poro y a la superficie total del biochar (Downie et al., 2009). Las altas temperaturas de pirólisis causan una disminución en el contenido de carbono alifático y aumento de la pérdida de materia volátil (Lehmann et al., 2011), mientras que las temperaturas por debajo de 600 – 700º C producen biochar que se oxida más rápidamente y alcanza mayor capacidad de intercambio catiónico (CIC) (Cheng et al. 2008; Nguyen et al., 2010). A estas mismas temperaturas el contenido alifático es superior al contenido aromático 1 16 6 1 1. .3 3. .1 1. . E Es st ta ab bi il li id da ad d d de e l la a m ma at te er ri ia a o or rg gá án ni ic ca a y y a al lm ma ac ce en na am mi ie en nt to o d de e c ca ar rb bo on no o e en n e el l s su ue el lo o La eficacia del uso del biochar como estrategia para mitigar el calentamiento global del planeta se basa en su lenta tasa de mineralización y, por tanto, en el retorno más lento de carbono orgánico terrestre a dióxido de carbono atmosférico (Lehmann, 2007). La cantidad de carbono orgánico almacenado en el suelo está controlada principalmente por dos factores que determinan su balance: la entrada de materia orgánica en el sistema, a través de la producción primaria, y la salida, originada por los procesos de descomposición. Este proceso se denomina mineralización de la materia orgánica. Es un proceso esencialmente microbiano (Saña, 2001) que consiste en la degradación de los compuestos orgánicos en productos inorgánicos sencillos (NH3, H2O, etc.) que quedarán a disposición de los vegetales y los microorganismos del suelo. Durante esta transformación también se genera CO2 del cual una parte pasará a la atmósfera del suelo, originando la respiración edáfica y otra fracción mucho menor, otra será inmovilizada por los propios microorganismos en su crecimiento. La velocidad de mineralización está sometida a numerosos condicionantes, esto es debido a que la eficacia de la actividad microbiana del suelo mineralizando sobre el sustrato orgánico depende principalmente de propiedades del suelo, tales como la humedad, temperatura, capacidad de infiltración, contenido de arcillas y aireación (Buchmann, 2000; Zibilske, 1994). Se han desarrollado varios modelos teóricos que intentan describir el proceso de mineralización de la materia orgánica del suelo, sola o conjuntamente con la aportada por un residuo orgánico en forma de enmienda. Un ejemplo de ello son las cinéticas de primer orden monocompartimentales (Paul et al., 2006) que consideran que la velocidad de mineralización es proporcional al contenido de materia orgánica, cuya constante de proporcionalidad k (llamada constante de velocidad) es independiente de este contenido. La expresión matemática es: Donde: MOt: Materia orgánica presente en el suelo transcurrido un tiempo t. MOi: Materia orgánica presente en el suelo inicialmente. k: Constante de velocidad de descomposición. 1 17 7 Aunque es una aproximación simple para describir exactamente la evolución de la materia orgánica se sigue utilizando, debido sobre todo, a la falta de los datos necesarios para poder aplicar modelos alternativos más complejos a situaciones reales de campo. Una mejora de este modelo monocompartimental que intenta recoger la heterogeneidad de la materia orgánica del suelo son las cinéticas de primer orden bicompartimentales (Leavitt et al., 2006; Paul et al., 2006) que asumen que la materia orgánica es una mezcla compleja de compuestos que evolucionan a lo largo de un continuo de escalas temporales. Este modelo conceptual separa la materia orgánica en tres o cinco fracciones, o depósitos discretos que se diferencian en su tasa intrínseca de descomposición (estabilidad). De este modo se reconocen tres fases temporales (como mínimo) que permiten definir los reservorios de la materia orgánica (Lutzow et al., 2006). Este autor determina un reservorio de carbono orgánico de mineralización rápida, otro reservorio de mineralización intermedia y un tercer reservorio de carbono orgánico denominado resistente o pasivo cuya tasa de mineralización es extremadamente lenta. La ecuación de primer orden (Paul et al., 2006) que describe este compartimento viene expresada como: Siendo: CTSOC: Carbono orgánico del suelo liberado en forma de CO2 en un tiempo t expresado en días. Ca: Carbono lábil. Cs: Carbono medio. Cr: Carbono resistente. k: Constante de velocidad de descomposición. En ambos modelos se considera una cinética de primer orden lo que implica que existe una relación de proporcionalidad lineal entre el carbono almacenado en el suelo y las entradas de carbono en el sistema, por lo que su aumento no tendría límite. Estudios posteriores han demostrado que existe un umbral en el contenido de carbono que puede ser almacenado en un suelo, de tal forma que aportaciones sucesivas de carbono orgánico por encima de este valor umbral, no conllevarían un aumento de la reserva de carbono del suelo. Así se definió el nivel de saturación de carbono en un ecosistema (Six et al., 2002). A pesar de estas limitaciones y teniendo en cuenta que el biochar es un compuesto con alto contenido en orgánico, los modelos mono y bicompartimentales han sido ampliamente aplicados en estudios de mineralización para analizar su dinámica en función del porcentaje de las diversas fracciones de carbono (Figura 1.7). 1 18 8 Figura 1.7. Estricta división en cuanto a composición del biochar (Lehmann et al., 2011). Un componente clave que establecerá la cantidad de carbono fijo contenida en el biochar y que es potencialmente estable durante un periodo largo de tiempo es la fracción de carbono recalcitrante. Ésta incluye el carbono aromático caracterizado por los grupos fenólicos en su estructura y por un alto grado de condensación, factores que determinan el grado de dificultad de descomposición microbiana. Esto es, a mayor grado de condensación del compuesto, más aromático es y presenta una mayor recalcitrancia. De hecho, debido a su naturaleza aromática y a la presencia de los núcleos condensados, este carbono puede tener un tiempo de residencia media en el suelo de más de 1.000 años, llegando hasta los 10.000 años (Swift, 2001) y persistir en el suelo incluso más tiempo que algunos componentes de la fase mineral (Certini et al., 2007; Marschner et al., 2008). (Sollins, Homann, & Caldwell, 1996) Hay que considerar que el término estabilidad del carbono hace referencia al grado de protección de la materia orgánica adquirida por mecanismos tanto físicos como químicos y que ayudan a prolongar su tiempo de residencia en el suelo. Sin embargo, para entender la rapidez con la que el carbono es reciclado dentro del ecosistema hay que tener en cuenta los procesos y mecanismos de estabilización de este elemento en el suelo. Sollins y colaboradores (1996) describen el ciclo del carbono en el contexto de mecanismos de influencia proximal y distal, es decir, que tienen una influencia inmediata en la estabilidad del carbono (por ejemplo, la recalcitrancia molecular, las interacciones órgano-minerales y la accesibilidad a la degradación biológica) o los mecanismos con una influencia distal y más general (por ejemplo, los factores estado del ámbito de la edafogénesis). Esta jerarquía conceptual es un marco útil para trazar las relaciones de los numerosos factores que influyen en el reciclado del carbono del suelo (Torn et al., 2009). Varios autores han proseguido con esta idea para explicar cómo permanecen en el suelo los diferentes compuestos orgánicos. Six y colaboradores (2002) proponen tres mecanismos principales de estabilización: estabilización bioquímica, química y física; posteriormente Lützow y colaboradores (2006) presentan una modificación a esta clasificación proponiendo los términos de preservación selectiva, inaccesibilidad espacial e interacciones con superficies e iones metálicos, que tiene muchas coincidencias con el trabajo anterior. A pesar de ello, es ampliamente aceptada la existencia Biochar C recalcitrante o aromático C lábil o lixiviable Cenizas 1 19 9 de dos categorías que agrupan los tres mecanismos principales de protección de la materia orgánica, esto es la recalcitrancia o protección bioquímica y la exclusión biótica que a su vez se subdivide en la adsorción a superficies e iones (protección química) o a la inclusión en microagregados (protección física). La estabilización bioquímica o preservación selectiva está relacionada con la composición molecular de la materia orgánica, que puede ser heredada del material vegetal (recalcitrancia primaria) o adquirirse durante la descomposición (recalcitrancia secundaria). En este segundo grupo es dónde cabría incluir la recalcitrancia del biochar (Lutzow et al., 2006). La protección química o la interacción con las superficies del suelo, es debida a los diferentes tipos de uniones intermoleculares (puentes catiónicos polivalentes, uniones de intercambio o quelatación) entre la materia orgánica y los componentes inorgánicos del suelo. La adsorción de las macromoléculas se considera irreversible y se asocia a modificaciones conformacionales que convierten estas moléculas inaccesibles a la acción extracelular de los enzimas. La protección física o la inaccesibilidad espacial, se produce por la oclusión de la materia orgánica en los agregados del suelo e influye en la facilidad que tienen los microorganismos y enzimas para degradar las macromoléculas orgánicas (Brodowski et al., 2006). 2 20 0 2 2. .- - J Ju us st ti if fi ic ca ac ci ió ón n Este trabajo se ha realizado en el marco del proyecto N2011-22657 “Obtención de carbones vegetales a partir de biomasa agrícola para su aplicación en suelos (biochar) y en pilas de combustible alcalinas”. En una primera fase de este proyecto se elaboró biochar a escala de laboratorio con un reactor de pirólisis de lecho fijo, utilizando dos tipos de materia prima diferente. Una vez caracterizado y optimizado el sistema de producción (cuyos estudios han dado lugar a dos trabajos de fin de grado), se planteó caracterizar y analizar producto obtenido (con mayor rendimiento) haciendo hincapié en las propiedades relacionadas con los procesos de estabilización de la materia orgánica una vez éstos son aplicados al suelo y así intentar evaluar el potencial del binomio (suelo-biochar) en el proceso de secuestro de carbono atmosférico. 2 21 1 3 3. .- - O Ob bj je et ti iv vo os s El objetivo principal de este trabajo es evaluar la capacidad de secuestro de carbono en dos tipos de suelos característicos del Valle medio del Ebro que han sido enmendados con biochar procedente de la pirólisis de residuos del orujo de oliva (alperujo). Se pretende conocer los procesos de transformación de este residuo orgánico al ser aplicado al suelo valorando la tasa de producción de CO2 como parámetro indicativo de la mineralización de la materia orgánica y, por lo tanto, de las pérdidas de carbono del sistema. Objetivos específicos: 1- Caracterizar químicamente siete muestras de biochar de alperujo obtenidos con diversas condiciones de producción (diferente temperatura y presión). Evaluar la estabilidad del sistema de producción en las características del biochar. 2- Aplicar dos tipos de biochar de alperujo, obtenidos con la modificación de una de las variables de producción, a dos clases de suelos, para observar la actividad biológica de éstos a la adición de material alóctono rico en carbono. Evaluar la cinética de mineralización de los residuos aplicados, calculando el coeficiente de mineralización y el tiempo medio de residencia según la tipología de suelo. 2 22 2 4 4. .- - M Ma at te er ri ia al l y y m mé ét to od do os s Para la consecución de los objetivos anteriormente descritos, en el presente capítulo se detallan los aspectos relacionados con la metodología experimental. Se incluye la descripción de los métodos utilizados para la caracterización del biochar, de los dos tipos de suelo, de los metales totales, la descripción del bioensayo para determinar la actividad biológica y, asimismo, la descripción del análisis estadístico. 4 4. .1 1. . C Ca ar ra ac ct te er ri iz za ac ci ió ón n d de el l b bi io oc ch ha ar r El biochar empleado en el presente trabajo procede del laboratorio de ingeniería química de la EPSH. La materia prima (alperujo) provenía de la almazara ecológica ECOSTEAN, situada en Costean (Huesca), que elabora aceite de oliva virgen extra con Denominación de Origen Somontano a partir de las variedades de aceituna empeltre, arbequina, blancal y verdeña (Laguarta, 2012). Para la obtención del biochar se ha utilizado la técnica de la pirólisis lenta. La biomasa adquiere temperatura a baja velocidad de calentamiento (menor de 20 K·min-1) y se fija un elevado tiempo de residencia para la fase vapor, con la modificación la presión y de la temperatura de trabajo con el fin de aumentar el rendimiento del carbono fijado (Laguarta, 2012). Las diferentes condiciones de producción y el tipo de biochar generado se detallan en la Tabla 4.1. Presión absoluta (MPa) Temperatura (º C) ALP 1 0,1013 400 ALP 2 0,1013 600 ALP 3 0,6013 500 ALP 4 0,6013 500 ALP 5 0,6013 500 ALP 6 1,0130 400 ALP 7 1,0130 600 Tabla 4.1. Condiciones de producción de las muestras. El biochar utilizado tiene unas relaciones de O:C y de H:C que oscilan en un rango de 0,397 a 0,715 y de 0,067 a 0,120 respectivamente, que son debidas a la acción de la temperatura y sobre 2 23 3 todo de la presión e indican un diferente grado de aromaticidad (valor máximo obtenido en ALP 7 con 62,08 % de carbono aromático) (Laguarta, 2012). La caracterización del biochar consta de los siguientes puntos: en las propiedades físicas se ha determinado tanto el diámetro medio de los agregados como el porcentaje de las diferentes fracciones; en las propiedades químicas se ha determinado el pH y la conductividad eléctrica. El estudio de su contenido orgánico se ha basado en la determinación de las fracciones de materia orgánica total (y, por tanto, carbono orgánico total), carbono orgánico soluble, carbono orgánico oxidable, carbono orgánico recalcitrante y grado de estabilidad. Caracterización física: Para cada una de las muestras de biochar (de ALP 1 a ALP 7) se ha determinado el tamaño medio de los agregados. Se ha realizado un tamizado en una columna de tamices con los siguientes tamaños de mallas: 2 mm, 1 mm, 500 µm, 250 µm y 200 µm. Figura 4.1. (Derecha) Columna de tamices. Con el tamaño medio se obtiene el diámetro medio ponderado de los agregados (Dmpa) en mm mediante el siguiente cálculo (Van Bavel, 1949): [( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( )] Siendo: A: Porcentaje de agregados con diámetro medio superior a 2 mm B: Porcentaje de agregados con diámetro medio comprendido entre 1 y 2 mm C: Porcentaje de agregados con diámetro medio comprendido entre 0,5 y 1 mm 2 24 4 D: Porcentaje de agregados con diámetro medio comprendido entre 0,5 y 0,25 mm E: Porcentaje de agregados con diámetro medio comprendido entre 0,25 y 0,2 mm F: Porcentaje de agregados con diámetro medio comprendido inferior a 0,2 mm Después, se procede a la molienda de las muestras mediante un molinillo de café y posterior tamizado para obtener muestras homogéneas de una granulometría de 200 µm con las cuales realizar el bioensayo y el siguiente análisis químico. Figura 4.2. Molienda y tamizado de las muestras. Caracterización química: Preparación del extracto acuoso 1:5 (masa/volumen) a partir de muestra tamizada a 200 µm. Se realiza la mezcla del biochar y agua destilada y se deja en agitación durante 30 minutos. Transcurrido este tiempo se filtran al vacío las suspensiones mediante un crisol de placa filtrante del número 3. A partir del extracto obtenido se valora el pH y la conductividad eléctrica de los carbones vegetales según los métodos de análisis recomendados por el Ministerio de Agricultura Pesca y Alimentación (1982) y Porta et al. (1986), respectivamente. La medición del pH se basa en el método potenciométrico con pH-metro calibrado (Figura 4.4) y la medición de la conductividad eléctrica en el método conductimétrico (Figura 4.3). 2 25 5 Figura 4.3. Conductímetro calibrado empleado. Figura 4.4. pH-metro calibrado utilizado. 3 32 2 Figura 4.12. Gypsisol háplico por cortesía de Javier Martínez. Debido a la variación temporal de algunas características edáficas y a la ausencia de valores de algunos parámetros físico-químicos se han realizado las siguientes determinaciones analíticas a partir de la tierra fina (Ø 2 mm) seca al aire. Caracterización química: pH actual: por el método potenciométrico en una suspensión de suelo-agua en proporción 1:2,5 (masa/volumen) (Ministerio de Agricultura Pesca y Alimentación, 1994). Este parámetro se valoró antes y después de la incubación para evaluar los efectos de la adición de biochar en el suelo. Prueba previa de salinidad (conductividad eléctrica, CE, S·cm-1) en un extracto acuoso 1:5 (masa/volumen) (Porta et al., 1986). Carbono orgánico oxidable (COox, %) por oxidación por vía húmeda (Walkley & Black, 1934). Caracterización física: Densidad aparente (ρap, g·cm-3): calculada a partir de cilindros de volumen conocido y el peso de la muestra inalterada (Figura 4.13) (Porta et al., 2003). 3 33 3 Figura 4.13. Procedimiento para cuantificar la densidad aparente por cortesía de David Badía. Capacidad de campo (CC, %) (sólo en el horizonte Ap del Gypsisol háplico) de muestra alterada: el suelo se humectó hasta su volumen de saturación (Figura 4.14), se dejó drenar 24 h y después se secó a 50º C hasta peso constante (Thompson & Troeh, 1982). La diferencia de peso se considera que es representativa del agua a capacidad de campo. Este valor fue posteriormente corregido con el porcentaje de elementos gruesos, calculado después del tamizado de la muestra. Con el valor obtenido se ha determinado la cantidad de agua a añadir a las muestras incubadas (1/2 de la CC). Figura 4.14. Medida de la capacidad de campo. 3 34 4 Figura 4.15. Parámetros y métodos utilizados para la caracterización de los suelos. Análisis de los suelos Propiedades químicas pH Método potenciométrico. Extacto 1:2,5 (MAPA, 1994) CE Conductometría. Extracto 1:5 (Porta et al., 1986) COox Oxidación por vía húmeda, (Walkley & Black, 1934) Propiedades físicas Muestra inalterada Humedad Secado y diferencia de pesada (MAPA, 1994) Capacidad de campo Saturación, drenaje y secado (Thompson & Troe, 1982) Densidad aparente Cilindros de volumen conocido (Porta et al., 2003) Elementos gruesos Tamizado 3 35 5 4 4. .4 4. . A An ná ál li is si is s m me ed di io o d de e l lo os s m me et ta al le es s t to ot ta al le es s: : f fl lu uo or re es sc ce en nc ci ia a d de e r ra ay yo os s X X La composición del biochar depende principalmente de los minerales que se encuentran en el material de origen ya que la mayoría de los elementos inorgánicos no se volatilizan a temperaturas de pirólisis típicas. Hay varias formas de determinar qué elementos están presentes y en qué cantidad relativa. Una de las técnicas más sencilla es la espectroscopia de fluorescencia de rayos X (XRF). La fluorescencia se produce cuando un átomo absorbe la energía de un fotón electromagnético, elevando el nivel de energía de un electrón. Cuando el electrón se relaja, se emite un fotón de energía electromagnética inferior. Cada elemento tiene longitud de onda característica o conjunto de longitudes de onda que se emite cuando es bombardeado con radiación de rayos X y la intensidad de la emisión se relaciona con la cantidad de ese elemento presente en la muestra. La espectroscopia de fluorescencia de rayos X usa este fenómeno para medir las cantidades de casi todos los elementos mayores que el sodio, presentes en una muestra. Los datos de análisis de fluorescencia de rayos X a menudo se establecen como porcentajes en peso del óxido más común del elemento analizado. Tras la incubación del suelo, con los dos tipos de biochar se realizó un análisis de fluorescencia de rayos X, para ello se utilizó un analizador portátil de fluorescencia de rayos X (PXRF, Innov-X, Olympus, Delta Standard model) haciendo un análisis por duplicado de cada muestra. 4 4. .5 5. . A An ná ál li is si is s e es st ta ad dí ís st ti ic co o Para comparar las características de los diferentes biochar y la cantidad de C-CO2 emitida durante la incubación se ha utilizado el análisis de la varianza (ANOVA) monofactorial. Para poner de manifiesto las diferencias entre las medias se ha aplicado el test de Fisher (PLSD) con una significación del 0,01 y 0,05. Con anterioridad al análisis estadístico se ha comprobado la normalidad de los datos por medio del test de Kolmogorov-Smirnof. Para que los valores porcentuales cumplieran este requisito han sido previamente transformados según la expresión arcoseno √ , siendo Pi la variable analizada expresada en porcentaje (Sokal & Rohlf, 1986). Las relaciones entre los diferentes parámetros fisicoquímicos de los biochars incluyendo los factores de producción, se han estudiado por medio de la correlación y la regresión. El análisis de los datos se ha realizado con el paquete estadístico StatView (SAS Institute Inc., 1998). 3 36 6 El estudio de la cinética de la mineralización se ha realizado con el programa SigmaPlot 12.5 (Systat Software Inc., 2012). Los datos obtenidos de la incubación en este trabajo fueron incorporados en un modelo de decaimiento exponencial simple. Este modelo asume que la materia orgánica de cada reservorio de carbono del conjunto de la materia orgánica o carbono orgánico total sigue una cinética de mineralización de primer orden, tal como se muestra en la siguiente expresión: Donde: COt: Carbono de la materia orgánica soluble tras la incubación realizada durante un tiempo t. COi: Carbono de la materia orgánica soluble al inicio de la incubación. k: Tasa de mineralización de la materia orgánica. De esta manera, las cantidades de C-CO2 emitido durante la incubación se ajustaron a este modelo, con un número mínimo de 200 iteraciones para buscar el cuadrado mínimo posible. El parámetro ajustado corresponde a la k, que es la tasa de mineralización de la materia orgánica. Dado que el tiempo ha sido introducido en el modelo en días, el valor de k tiene unidades de día-1. La obtención de este parámetro, además, ha permitido la estimación del tiempo medio de residencia del carbono orgánico en el suelo, como: En el análisis mineral elemental, dado el conjunto de variables que se han considerado y el elevado número de correlaciones entre ellas, ha sido necesario utilizar un análisis estadístico que permita identificar las que tienen una mayor incidencia en la explicación del comportamiento “suelobiochar”. En este sentido el análisis de componentes principales (ACP), ha permitido agrupar las variables analizadas, facilitando su interpretación. La similitud de las muestras de suelo se ha determinado con un análisis jerárquico considerando la distancia euclídea al cuadrado. En ambos casos se ha utilizado el programa XLStat (Addinsoft, 2012). 3 37 7 5 5. .- - R Re es su ul lt ta ad do os s y y d di is sc cu us si ió ón n Para evaluar la capacidad de los suelos semiáridos como sumideros de carbono y analizar la dinámica de mineralización del alperujo, éste se ha aplicado a dos suelos agrícolas muy abundantes en el Valle medio del Ebro. Una característica de este tipo de suelos es su bajo contenido orgánico. La entrada limitada de carbono es debida tanto a las condiciones climáticas (baja precipitación y altas temperaturas), a las condiciones de manejo intensivo, así como a la composición química de éstos, sobre todo el contenido y tipo de arcilla o la capacidad de intercambio catiónico (Dawson & Smith, 2007). Por esta razón cabe pensar que este tipo de suelos son posibles acumuladores de carbono con la capacidad para compensar parcialmente la emisión de CO2 a la atmósfera (Badía et al., 2013). 5 5. .1 1. . C Ca ar ra ac ct te er rí ís st ti ic ca as s f fí ís si ic ca as s d de el l b bi io oc ch ha ar r 5 5. .1 1. .1 1. . D Di iá ám me et tr ro o m me ed di io o p po on nd de er ra ad do o d de el l a ag gr re eg ga ad do o Las muestras de biochar obtenidas según los diferentes sistemas productivos muestran diferencias en la distribución del tamaño medio de los agregados. Los valores porcentuales de cada una de las fracciones tamizadas se muestran en la siguiente tabla: 2 mm 1 mm 500 µm 250 µm 200 µm < 200 µm ALP 1 17,12 % 25,93 % 18,67 % 15,37 % 2,94 % 19,98 % ALP 2 16,09 % 26,82 % 21,60 % 15,40 % 2,60 % 17,49 % ALP 3 12,72 % 31,02 % 21,09 % 14,95 % 2,78 % 17,45 % ALP 4 49,07 % 25,10 % 11,27 % 7,22 % 1,58 % 5,76 % ALP 5 27,90 % 32,26 % 18,60 % 10,63 % 1,44 % 9,17 % ALP 6 14,00 % 25,30 % 28,69 % 16,09 % 2,38 % 13,55 % ALP 7 3,10 % 16,93 % 29,55 % 22,17 % 2,84 % 25,41 % Total 21,82 % 26,86 % 20,26 % 13,85 % 2,33 % 14,88 % Tabla 5.1. Distribución porcentual del tamaño de los agregados. 3 38 8 Figura 5.1. Representación gráfica de la distribución del tamaño de los agregados. Una manera de simplificar la comparación de los distintos tamaños de los agregados es por medio del cálculo del diámetro medio ponderado (Dmpa) de cada una de las muestras (Van Bavel, 1949). Este método pondera del diámetro medio según el porcentaje de cada una de las fracciones granulométricas. Tras realizar los cálculos se obtiene que existe una gradación de tamaños en las muestras analizadas, siendo ALP 3, 4 y 5 los que presentan un diámetro medio del agregado superior (1,52 mm en la media de los tres), seguido del ALP 1 y 2, en ambos casos con un valor medio ponderado de 1,13 mm. Después le sigue el ALP 6 (1,09 mm), mientras que el ALP 7 (0,68 mm) es el que presenta un diámetro inferior. La fracción dominante en todas las muestras está comprendida entre 1 y 2 mm de diámetro medio. Sin embargo, el aumento de la temperatura y la presión durante la pirólisis, disminuye el tamaño medio de los agregados y se incrementa la proporción de partículas pequeñas en la muestra. Se produce un aumento significativo de las partículas de 500 m, con volúmenes acumulados cercanos al 30 %. En la muestra ALP 7 también se observa un mayor contenido de partículas de < 200 m, con un volumen acumulado cercano al 25 %, diferenciándose del resto de las muestras que presentan valores siempre inferiores al 20 %. Teniendo en cuenta que el tamaño de la biomasa de origen oscilaba entre 2,5 y 1 mm, se puede concluir que el proceso de pirólisis conlleva una disminución del tamaño medio de la partícula acrecentándose con el aumento de la temperatura y presión del proceso. Este hecho también se ha observado en estudios realizados tanto con pirólisis lenta como rápida y biomasa de eucalipto australiano o pino (Abdullah & Wu, 2009; Kim et al., 2012) e indicaría la rotura de la estructura macromolecular de la biomasa debido a la combustión, produciendo un compuesto más frágil a causa de la disminución de la resistencia a la tracción, el aumento de la contracción y el desgaste de 0% 20% 40% 60% 80% 100% ALP 7 ALP 6 ALP 5 ALP 4 ALP 3 ALP 2 ALP 1 2 mm 1 mm 500 µm 250 µm 200 µm < 200 µm 3 39 9 la materia prima que se traduce en la disminución de la resistencia a la abrasión del producto obtenido, mejorando su molturabilidad (Abdullah & Wu, 2009). Esta característica facilita el uso de la biomasa como combustible y posibilita su uso como enmienda aplicable al suelo, ya que este tipo de aplicación requiere un triturado previo para mejorar el contacto entre las partículas y los microorganismos del suelo pese a que los tamaños de partícula puedan disminuir a una escala decanal (Nguyen et al., 2008). 5 5. .2 2. . C Ca ar ra ac ct te er rí ís st ti ic ca as s q qu uí ím mi ic ca as s d de el l b bi io oc ch ha ar r 5 5. .2 2. .1 1. . C Co on nd du uc ct ti iv vi id da ad d e el lé éc ct tr ri ic ca a y y p pH H El pH de las muestras analizadas es ligeramente alcalino, con valores que oscilan entre el 7,68 en la muestra ALP 1 y el 9,05 en la muestra ALP 7 (Tabla 5.2). pH CE (S·cm-1) ALP 1 7,68 1.597 ALP 2 8,34 1.285 ALP 3 8,93 1.353 ALP 4 8,66 1.485 ALP 5 8,14 1.263 ALP 6 8,00 1.546 ALP 7 9,05 869 Tabla 5.2. Valores obtenidos de pH y conductividad eléctrica. La tendencia básica de los biochars es una característica muy común puesto que en el proceso pirolítico los ácidos de la biomasa se convierten en bio-oil y la alcalinidad (carbonatos inorgánicos y aniones orgánicos) se hereda en el material sólido (biochar) (Laird et al., 2010; Yuan et al., 2011, citados por Liu & Zhang, 2012). Los pH obtenidos son ligeramente inferiores a los registrados en biochar resultantes de la pirólisis (a 500º C) de paja de cereales, crucíferas y leguminosas con valores comprendidos entre 9,39 y 10,77 (Yuan et al., 2011) y a los obtenidos a partir de estiércol de aves de corral (a 700º C) con valores entre 9,5 y 10,3 (Cantrell et al., 2012), sin embargo, hay que destacar que tanto la temperatura de 4 40 0 combustión como la materia prima eran diferentes, factores que también influyen en este parámetro. Estos valores de alcalinidad pueden representar un condicionante en la aplicación de este tipo de residuo en suelos de ambiente templado por la influencia que podría ejercer sobre la disponibilidad de nutrientes (Atkinson et al., 2010) aunque en aplicaciones en suelos alcalinos desarrollados sobre loess (Liu & Zhang, 2012), se ha observado una acción ligeramente acidificante. Los valores de pH registrados muestran un incremento significativo (P-Value < 0,001) con el aumento conjunto de la temperatura y presión de pirólisis, según la expresión: pH = 5,922 + 0,591 (P (MPa)) + 0,004 (Tª (º C)); R2 = 0,672; P-Value < 0,001 La relación entre la temperatura de carbonización y la alcalinidad del biochar ha sido observada en estudios anteriores y es atribuida a la presencia de carbonatos, a la asociación de H+ con los grupos –COO- y –O- y a la presencia de iones orgánicos en la superficie del biochar (Yuan et al., 2011). Por lo general, los pH básicos también están relacionados con un alto contenido en ceniza mineral. Conocer los valores de la conductividad eléctrica de los biochars es muy útil para evitar procesos de salinización secundaria en los suelos, sobre todo cuando se realizan elevadas tasas de aplicación (30 - 300 t·ha-1). La conductividad eléctrica del biochar de alperujo es muy baja en todas las muestras, con valores comprendidos entre los 869 S·cm-1 del ALP 7 y los 1.597 S·cm-1 del ALP 1 (Tabla 5.2). Las muestras de ALP 3 a la 5 presentan valores intermedios. En contraste con estudios anteriores, los valores de conductividad eléctrica para los biochars disminuyen con el aumento de la temperatura de pirólisis siendo el valor más bajo de conductividad eléctrica el de la muestra calcinada a 600º C y 10 atm de presión. Este descenso se puede atribuir a la formación de compuestos inorgánicos unidos a óxidos o a otros aniones, a la formación de sulfuros o quelatos con el carbono fijo (Cantrell et al., 2012). La relación entre la conductividad eléctrica del biochar y las características del proceso productivo queda reflejada en la siguiente regresión lineal. Al igual que ocurría con el pH, el ajuste es mejor si se considera conjuntamente la temperatura y la presión. CE (S·cm-1) = 2.723,538 – 251,212 (P (MPa)) – 2,472 (Tª (º C)); R2 = 0,825; P-Value < 0,001 4 41 1 Con todo, los valores relativamente bajos de conductividad eléctrica están relacionados el origen y la calidad del material de partida e indican una procedencia claramente vegetal (Huerta et al., 2010). 5 5. .2 2. .2 2. . F Fr ra ac cc ci io on na am mi ie en nt to o d de e c ca ar rb bo on no o Es importante determinar qué cantidad de carbono inmobilizada en el biochar es potencialmente estable durante largos periodos de tiempo. Existen varias fracciones que difieren en su estabilidad, distinguiéndose entre las muy inestables (lábil) y las muy estables (recalcitrantes). Los valores de las distintas fracciones del carbono orgánico de las muestras de biochar se muestran en la Tabla 5.3. En todas ellas se observan diferencias estadísticamente significativas según el tipo de alperujo analizado. Materia orgánica total (%) Carbono orgánico total (%) Carbono orgánico soluble (%) Carbono orgánico oxidable (%) Carbono orgánico recalcitrante (%) Grado de estabilidad (%) ALP 1 86,262 ± 0,056 43,131 ± 0,028 16,997 ± 1,007 29,640 ± 1,374 27,835 ± 0,835 64,535 ± 1,888 ALP 2 85,635 ± 0,150 42,818 ± 0,075 14,260 ± 1,091 32,180 ± 0,381 34,313 ± 0,148 80,135 ± 0,488 ALP 3 85,600 ± 0,556 42,800 ± 0,278 13,369 ± 1,341 34,712 ± 1,004 36,053 ± 0,895 84,230 ± 1,541 ALP 4 85,609 ± 1,023 42,805 ± 0,512 14,991 ± 0,757 33,957 ± 0,628 31,573 ± 0,057 73,765 ± 1,011 ALP 5 89,570 ± 0,429 44,785 ± 0,215 14,432 ± 0,249 37,713 ± 1,430 31,562 ± 0,354 70,470 ± 0,453 ALP 6 90,157 ± 0,004 45,078 ± 0,002 14,086 ± 0,396 34,438 ± 1,304 34,913 ± 0,080 77,450 ± 0,184 ALP 7 88,184 ± 0,013 44,092 ± 0,006 10,826 ± 0,030 18,646 ± 1,620 41,481 ± 0,214 94,100 ± 0,495 Tabla 5.3. Porcentajes de carbono de los distintos biochar del estudio y grado de estabilidad. 4 48 8 Este resultado puede explicarse por el grado de transformación macromolecular de la biomasa. Un mayor contenido en carbono orgánico recalcitrante implica un nivel de degradación mayor. En estas circunstancias existe un predominio de las fracciones más resistentes a la degradación (estructuras con anillos aromáticos, ceras, suberinas, etc.) con enlaces del tipo alifático, alquílico y biarílico, disminuyendo la proporción en carbono orgánico soluble y carbono orgánico oxidable, formas más lábiles, caracterizadas por compuestos macromoleculares con un predominio de uniones de tipo hidrolítico, que se descomponen de manera relativamente rápida por la acción de las hidrolasas al degradar enlaces de tipo éter, peptídico u otras uniones C-N (Lutzow et al., 2006). Hay que mencionar que la suma de las diferentes fracciones de carbono es superior a la unidad, hecho que refleja un solapamiento en las determinaciones de los distintos depósitos de carbono con las diferentes técnicas analíticas utilizadas. Este hecho es particularmente cierto en la determinación del carbono orgánico oxidable, puesto que este procedimiento analítico está muy influenciado tanto por las características de la materia orgánica (grado de oxidación, aromaticidad, proporción C:H) como por las condiciones de trabajo (temperatura o cantidad de muestra). Además, hay que considerar el biochar obtenido por la pirolisis de biomasa es un continuo de material carbonizado, carbón y partículas hollín con estructuras químicas y físicas muy heterogéneas (Cowie et al., 2012) por lo que los procedimientos extractivos tienen algunas limitaciones (Huerta et al., 2010; Olk & Gregorich, 2006). También se observa la influencia que ejerce el tipo de carbono en el grado de estabilidad del biochar. En este aspecto se observa que el predominio de formas lábiles o de degradación intermedia influye negativamente en la estabilidad, mientras que un aumento de la proporción de carbono orgánico recalcitrante conducirá a un aumento de la estabilidad del biochar. En este caso las relaciones obtenidas se expresan según: GE (%) = 139,013 – 4,308 (COs (%)); R2 = 0,830; P-Value < 0,001 GE (%) = 109,803 – 1,001 (COox (%)); R2 = 0,389; P-Value < 0,05 GE (%) = 2,924 + 2,205 (COr (%)); R2 = 0,968; P-Value < 0,001 Según estos valores se puede decir que el porcentaje de carbono orgánico no hidrolizable tiene más importancia en el valor global del grado de estabilidad, mientras que el carbono orgánico oxidable es la fracción con una relación más débil con este parámetro, reforzando nuevamente la idea de que este reservorio incluye tanto formas lábiles como formas con un cierto grado de protección bioquímica. 4 49 9 La relación entre las diferentes fracciones de carbono del biochar, la conductividad eléctrica y el pH del extracto 1:5 se evidencia por los coeficientes de correlación significativos existentes entre estas variables. Para cada fracción orgánica, esta influencia puede expresarse en forma de regresión lineal múltiple según: COs (%) = 19,942 – 1,404 (pH) + 0,004 (CE (S·cm-1)); R2 = 0,670; P-Value < 0,001 COox (%) = 0,751 + 0,772 (pH) + 0,018 (CE (S·cm-1)); R2 = 0,432; P-Value < 0,05 COr (%) = 16,249 + 3,562 (pH) – 0,009 (CE (S·cm-1)); R2 = 0,731; P-Value < 0,001 Cuando el biochar presenta un mayor contenido de carbono orgánico soluble (fracción lábilactiva), se produce una disminución del pH y un aumento de la conductividad eléctrica del extracto 1:5. La disminución del pH se evidencia durante las primeras fases de degradación orgánica cuando existe un predominio de alcanos y ácidos orgánicos, que en su disociación pueden “ceder” protones al medio, ejerciendo una acción acidificante de la solución del suelo. Al mismo tiempo, la degradación de la materia orgánica conlleva una solubilización de monómeros simples, aminoácidos y cationes como el K+ o el Ca2+ (altamente relacionado con la composición de la biomasa) aumentando la conductividad eléctrica de la disolución cuando se realiza una suspensión de este biochar con agua. Con la mineralización de la materia orgánica (la muestra tiene una fracción de carbono oxidable mayor) se produce un aumento de la proporción de sustancias menos biodegradables debido a su composición estructural (moléculas polimetílicas como los lípidos o las ceras) y el aumento de la materia orgánica pirogénica incrementa la proporción de compuestos aromáticos con un elevado grado de condensación, que tienen la capacidad de adsorción de iones alcalinotérreos de carácter básico (Ca2+ y K+) y, por lo tanto, se produce un aumento del pH y una disminución de la conductividad eléctrica por la disminución de componentes solubles. Este último proceso se hace particularmente evidente cuando existe un predominio de carbono orgánico recalcitrante, produciéndose en esta fase, la disminución de la conductividad eléctrica del extracto. Al ser el grado de estabilidad un parámetro altamente correlacionado con la cantidad de carbono orgánico recalcitrante, no es de extrañar que el pH y la conductividad eléctrica sigan la misma línea que la establecida en la última ecuación, de tal manera que se puede establecer la siguiente expresión: GE (%) = 9,795 + 10,680 (pH) – 0,016 (CE (S·cm-1)); R2 = 0,786; P-Value < 0,001 5 50 0 Confeccionando un modelo radial de los parámetros característicos de los biochars de alperujo (Figura 5.7) se pueden comparar las diferentes muestras analizadas. Se observa que la muestra con una mayor diferencia al resto es el ALP 7 mientras que las tres muestras restantes ALP 1, ALP 2 y ALP 3 (como muestra media de la pirolisis de 500º C) son bastante parecidas. A partir de estas características se ha seleccionado el ALP 2 y el ALP 7 como biochar utilizado como enmienda del suelo. De este modo la elección del ALP 2 permite reducir variabilidad de un aspecto productivo (ambas muestras se obtienen a la misma temperatura) pero a la vez posee parámetros característicos intermedios a las muestras obtenidas a 400 y 500º C, y permitirá analizar el comportamiento de este tipo de muestra cuando se aplica al suelo. 5 51 1 Figura 5.7. Representación gráfica de los parámetros químicos analizados en las muestras de biochar de alperujo. COt, COox, COs, COr y GE en porcentaje; CE en mS·dm-1 y pH·10. 0 20 40 60 80 100COt COox COs COrGE pH CE Alperujo 1 0 20 40 60 80 100COt COox COs COrGE pH CE Alperujo 2 0 20 40 60 80 100COt COox COs COrGE pH CE Media alperujos 3, 4 y 5 0 20 40 60 80 100COt COox COs COrGE pH CE Alperujo 6 0 20 40 60 80 100COt COox COs COrGE pH CE Alperujo 7 5 52 2 5 5. .3 3. . A An ná ál li is si is s d de e l lo os s s su ue el lo os s El estudio de los suelos es de gran importancia antes de la incorporación del biochar con el fin de conocer la cantidad de enmienda a aportar y estudiar las modificaciones producidas en el sustrato a causa del biochar. Los suelos de partida de este trabajo tienen las siguientes características 1 : pH CE (S·cm-1) Humedad (%) Capacidad de campo (%) Tierra fina ( < 2 mm) (%) Elementos gruesos ( > 2 mm) (%) Carbono orgánico oxidable (%) Calcisol 8,80 84,3 4,65 - 90,05 9,95 0,3016 ± 0,0294 Gypsisol 7,74 1.741 10,90 26,52 ± 3,36 73,73 26,27 0,8871 ± 0,0438 Tabla 5.4. Resultados del análisis de suelos. Densidad aparente calcisol (kg·m-3) Densidad aparente gypsisol (kg·m-3) 0-6 cm 1.423,1 0-5 cm 2.259,2 6-12 cm 1.517,2 5-10 cm 1.089,4 12-18 cm 1.517,3 10-15 cm 965,9 18-24 cm 1.569,1 15-20 cm 1.330,3 Media 1.506,7 Media 1.193,9 Tabla 5.5. Densidad aparente de los suelos. 1 Ampliación bibliográfica en el Anejo I. 5 53 3 5 5. .4 4. . C Ci in né ét ti ic ca a d de e m mi in ne er ra al li iz za ac ci ió ón n d de el l b bi io oc ch ha ar r. . D Di in ná ám mi ic ca a d de e l la a p pr ro od du uc cc ci ió ón n d de e C CO O2 2 ( (R Re es sp pi ir ra ac ci ió ón n d de el l s su ue el lo o) ) Los estudios de incubación, permiten cuantificar la fracción de carbono orgánico lábil o materia volátil. Según los estudios de Nannipieri y colaboradores (1990) citados por Emran et al. (2012), la base teórica de esta metodología es la cuantificación del dióxido de carbono desprendido por los microorganismos en su actividad metabólica para obtener energía y utilizarla en su crecimiento a través de la descomposición de los restos orgánicos. Sin embargo, es un método de cuantificación que se ve muy influenciado por las condiciones de preparación de la muestra a incubar. Por este motivo, para una correcta incubación, es necesario homogeneizar cuidadosamente la mezcla de suelo-biochar con el agua a mitad de la capacidad de campo, para evitar una degradación irregular que altere las tasas (Knicker et al., 2013). (Emran, Gisper, & Pardini, 2012) La tasa de respiración expresada como la cantidad de C-CO2 acumulado · 100 g-1 de suelo seco, producido por cada muestra y cada tratamiento, sigue un modelo logarítmico durante el periodo de incubación (Figura 5.8). En todas las muestras se puede observar que la curva muestra dos fases diferentes según la pendiente de la recta. La fase inicial, más rápida, se caracteriza por la utilización de los compuestos de carbono más fácilmente disponibles y se asigna a la reactivación de la microflora por las condiciones óptimas a las que se somete el suelo con biochar (temperatura y humedad idónea). Posteriormente, existe una estabilización de la respiración, durante la cual se metabolizan los restos microbianos muertos y degradan los compuestos de carbono más resistentes (Knicker et al., 2013; Zavalloni et al., 2011). 5 54 4 Figura 5.8. Respiración acumulada (mg C-CO2 / 100 g de suelo seco) por cada tipo de suelo y tipo de biochar aplicado con un tiempo de incubación de un mes. Las barras de error representan la desviación típica (n=5). Existen diferencias estadística y altamente significativas (P-Value < 0,001) entre las diferentes mezclas suelo-biochar y la respiración acumulada, la respiración basal y la respiración normalizada (Tabla 5.6). 0 20 40 60 80 100 120 0 5 10 15 20 25 30 mg C-CO2 acumulado / 100 g suelo Días Respiración acumulada Ccontrol CALP 2 CALP 7 Gcontrol GALP 2 GALP 7 5 55 5 Calcisol Gypsisol Tratamiento Ccontrol CALP 2 CALP 7 Gcontrol GALP 2 GALP 7 mg C-CO2 acum. / 100 g suelo 21,48 ± 1,97 (f) 94,73 ± 1,29 (b) 68,95 ± 2,75 (d) 30,17 ± 3,09 (e) 110,31 ± 7,82 (a) 77,76 ± 4,14 (c) Respiración basal mg C-CO2 / 100 g suelo día 0,80 ± 0,07 (f) 3,51 ± 0,05 (b) 2,55 ± 0,10 (d) 1,12 ± 0,12 (e) 4,09 ± 0,29 (a) 2,88 ± 0,15 (c) Respiración normalizada mg C-CO2 / g Corg día 2,65 ± 0,24 (a) 1,44 ± 0,02 (b) 1,02 ± 0,04 (d) 1,26 ± 1,13 (c) 1,35 ± 0,10 (bc) 0,93 ± 0,05 (d) Tabla 5.6. Valores medios de emisión de C-CO2 de los tratamientos de incubación planteados. Las distintas letras indican las diferencias de emisión (P-Value < 0,001). En las muestras de suelos sin biochar (Ccontrol y Gcontrol) se observa que después de 5 días de incubación la tasa de respiración decrece fuertemente (menor pendiente en los controles de la Figura 5.8), llegando a estabilizarse entre los 7 y 12 días con una producción media de CO2 de 0,01 mg · 100 g-1 de suelo seco en el calcisol control y 0,96 mg CO2 · 100 g-1 de suelo seco en gypsisol control. En las muestras incubadas con biochar, también se observa el mismo patrón, pero con un retraso respecto al inicio de las medidas, produciéndose la disminución de la tasa respiratoria, una semana más tarde que en las muestras controles (a los 12 días de incubación). La relación entre el carbono lábil del biochar y la respiración acumulada durante la incubación puede representarse mediante una ecuación lineal de regresión simple: Para el calcisol: C-CO2 = 17,951 + 1,656 (% COs + COox); R2 = 0,962; P-Value < 0,001 Para el gypsisol: C-CO2 = 14,900 + 2,039 (% COs + COox); R2 = 0,847; P-Value < 0,001 La incorporación de biochar producido a menores presiones durante la pirolisis (ALP 2), produce un mayor incremento en la emisión de CO2 (P –Value < 0,001) tanto en suelos calizos como en suelos yesosos, mientras que adición del ALP 7, representa una emisión de CO2 un 28% (en calcisoles) y 29,5% (en gypsisoles) menor. Estudios previos (Cowie et al., 2012; Smith et al., 2010; Zavalloni et al., 2011) sobre la mineralización del biochar atribuyen las altas tasas respiratorias a la presencia de un mayor contenido de carbono orgánico soluble y a la existencia de una elevada fracción de carbono con poco grado de condensación en este tipo de biochar. 5 56 6 Las tasas de emisión de C-CO2 de este estudio son similares a las tasas descritas en los trabajos de Cowie y colaboradores (2012) con biochar de eucalipto y de estiércol de aves de corral y vacas. Sin embargo, son ligeramente superiores a las tasas obtenidas por Zavalloni y colaboradores (2011) y Smith y colaboradores (2010) en biochar de origen vegetal (madera y gramíneas), aunque otros estudios de incubación de laboratorio (Hamer et al., 2004) han demostrado que el 0,26 – 0,79 % del carbono total del biochar se pierde durante los primeros 60 días de incubación. Muchas de estas diferencias pueden atribuirse a la composición inicial del biochar, al tamaño de partícula incorporado al suelo, a la dosis utilizada y a las condiciones de incubación (Nocentinia et al., 2010). Si comparamos los valores obtenidos con trabajos realizados en suelos con la misma composición (Badía et al., 2013) se observa que la respiración normalizada de las muestras con biochar son en todos los casos inferiores a los producidos por suelos similares pero con incorporación de paja de cereal. Las muestras control, sin embargo, presentan emisiones de CO2 normalizado muy parecidos. El incremento de la tasa de respiración del suelo debido a la adición de biochar es relativamente superior en los suelos con presencia de yeso, sin embargo, cuando se tiene en cuenta la respiración normalizada (en base al carbono orgánico del suelo), se puede observar que los suelos que más respiran son los calizos, seguidos por los suelos enmendados con ALP 2, indistintamente de su composición química, seguidos por los suelos yesosos y, finalmente los suelos enmendados con ALP 7, donde nuevamente desaparecen las diferencias entre los tipos de suelo (Tabla 5.6). En la incubación de Steinbess y colaboradores (2009) los tratamientos con biochar respiraron el doble que los controles. En este trabajo la respiración de los suelos con ALP 7 es aproximadamente dos veces y media mayor que los controles, y la del ALP 2, tres veces y media superior. Pero cuando se referencia el CO2 al contenido de carbono orgánico inicial de la muestra (se normaliza) para poder comparar, se puede apreciar que esto no es así. Las tasas de degradación de las muestras vienen definidas por el tipo de biochar añadido y no dependen del suelo en sí o cualquier interacción suelo-biochar (Steinbeiss et al., 2009). Esto es apreciable en la Tabla 5.7 donde se diferencian tres grupos en cuanto a la descomposición: los controles, el alperujo 2 y el alperujo 7, siendo este último el que muestras diferencias más significativas. Para describir la mineralización del carbono del biochar, se ha utilizado una ecuación exponencial de primer orden. El grado de conformidad entre los datos experimentales y los valores previstos por la ecuación se expresa por el valor R2 (entre 0,64 y 0,92). En la Tabla 5.7 se relacionan las constantes de degradación (k), promedio de las cinco réplicas y sus desviaciones estándar para 5 57 7 cada muestra de biochar y suelo. Los valores obtenidos representan la velocidad de mineralización de prácticamente el 100 % de la fracción lábil (a). Son relativamente bajos ya reflejan la tasa de emisión de CO2 del primer tramo de la curva de la Figura 5.8. Sin embargo, son valores parecidos a los hallados en la degradación del biochar de eucaliptus tanto de madera como de hoja producidos a 550º C (Cowie et al., 2012). a (% COlábil) k1 (años-1) TMR 1/k1 (años) Ccontrol 96,4222 0,6716 ± 0,0326 1,4919 ± 0,0754 CALP 2 99,0828 0,4745 ± 0,0000 2,1075 ± 0,0000 CALP 7 99,2590 0,3285 ± 0,0258 3,0594 ± 0,2431 Gcontrol 98,7455 0,3796 ± 0,0554 2,6742 ± 0,3431 GALP 2 99,2856 0,4453 ± 0,0400 2,2594 ± 0,1915 GALP 7 99,3867 0,2993 ± 0,0163 3,3486 ± 0,1702 Tabla 5.7. Coeficiente de mineralización y tiempo medio de residencia de la fracción carbono orgánico lábil del biochar. El tiempo medio de residencia, calculado como 1/k (Knicker et al., 2013) acumulado durante un mes, oscila entre un año y medio (controles) y tres años y medio (suelo con ALP 7). Estos tiempos son relativamente cortos, pero hay que tener en cuenta que se refieren exclusivamente a la fracción lábil del carbono orgánico. A pesar de todo son valores muy similares a los obtenidos en la mineralización de biochar obtenido a partir de raygrass (3,2 años) y comparables a los valores descritos en recientes estudios (Zimmerman, 2010) con biochar producidos a partir de madera de roble y pino. También hay que considerar que el tamaño de partícula del biochar añadido al suelo influyen en su reactividad (Nocentinia et al., 2010) y que en condiciones de campo, la descomposición del biochar se considera 10 veces más lenta (Kuzyakov et al., 2009). A pesar de todo se pone de manifiesto que la incorporación de biochar de alperujo, fundamentalmente el obtenido a 600º C y 10 atm, posibilita un almacenamiento de carbono en el suelo, que se puede ver incrementado con el tiempo. 6 64 4 Como Trabajos Futuros se deberían contemplar:  Ampliación del periodo de incubación hasta la estabilización de las tasas de emisión de CO2 en las muestras con biochar lo cual permitiría ajustar los tiempos de residencia y las tasas de degradación de las fracciones más recalcitrantes de este residuo.  Analizar aspectos agronómicos tras la incorporación de biochar en el sustrato edáfico tales como la capacidad de intercambio catiónico, la capacidad de retención de agua disponible, la interacción con fitosanitarios y fertilizantes, etc. 6 65 5 7 7. .- - B Bi ib bl li io og gr ra af fí ía a  Abdullah, H., & Wu, H. (2009). Biochar as a Fuel: 1. 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COt, COox, COs, COr y GE en porcentaje; CE en mS·dm-1 y pH·10 (Pág. 51) Figura 5.8. Respiración acumulada (mg C-CO2 / 100 g de suelo seco) por cada tipo de suelo y tipo de biochar aplicado con un tiempo de incubación de un mes. Las barras de error representan la desviación típica (n=5) (Pág. 54) Figura 5.9. pH del bioensayo cuantificado para cada muestra (Pág. 59) Figura 5.10. Distribución ortogonal del análisis de componentes principales del contenido de metales totales (Pág. 61) Figura 5.11. Dendrograma de agrupación de las muestras suelo-biochar después de un análisis jerárquico (Pág. 62) 8 81 1 Í Ín nd di ic ce e d de e t ta ab bl la as s Tabla 1.1. Cantidad de productos según la tecnología utilizada (Pág. 9) Tabla 4.1. Condiciones de producción de las muestras (Pág. 22) Tabla 5.1. Distribución porcentual del tamaño de los agregados (Pág. 37) Tabla 5.2. Valores obtenidos de pH y conductividad eléctrica (Pág. 39) Tabla 5.3. Porcentajes de carbono de los distintos biochar del estudio y grado de estabilidad (Pág. 41) Tabla 5.4. Resultados del análisis de suelos (Pág. 52) Tabla 5.5. Densidad aparente de los suelos (Pág. 52) Tabla 5.6. Valores medios de emisión de C-CO2 de los tratamientos de incubación planteados (Pág. 55) Tabla 5.7. Coeficiente de mineralización y tiempo medio de residencia de la fracción carbono orgánico lábil del biochar (Pág. 57) Tabla 5.8. Valores de pH tras la incubación (Pág. 58) Tabla 5.9. Valores porcentuales del contenido de metales totales analizados por XRF. Valores medios y desviaciones estándar de cada uno de los tratamientos estudiados en la incubación (n=2) (Pág. 60)