Efecto de enmiendas con biocarbones sobre propiedades

Efecto de enmiendas con biocarbones sobre propiedades

físicas, químicas y Fitoabsorción de Cadmio en suelos disímiles

sembrados con lechuga

Julio César Rivera

Universidad Nacional de Colombia

Facultad de Ciencias Agrarias

Bogotá, Colombia

2021

Efecto de enmiendas con biocarbones sobre propiedades

físicas, químicas y Fitoabsorción de Cadmio en suelos disímiles

sembrados con lechuga

Julio César Rivera

Tesis o trabajo de investigación presentada(o) como requisito parcial para optar al título

de:

Magister en Ciencias Agrarias

Director (a):

Dr., Jairo Leonardo Cuervo Andrade

Codirector (a):

PH.D., María José Martínez Cordón

Línea de Investigación:

Suelos y Aguas

Grupos de Investigación:

SISTEMAS INTEGRADOS DE PRODUCCIÓN AGRICOLA Y FORESTAL

y

LABORATORIO DE INVESTIGACIÓN EN COMBUSTIBLES Y ENERGÍA

Universidad Nacional de Colombia

Facultad de Ciencias Agrarias

Bogotá, Colombia

2021

Dedico este trabajo a mi madre que ha sido un

ejemplo de fortaleza en mi vida, a mi novia, que me

acompañó con su amor y sabiduría me dio fortaleza

en los momentos difíciles y de duda.

“Los primeros 30 centímetros de suelo,

separan al hombre del hambre”

“anónimo”

VI Efecto de enmiendas con biocarbones sobre propiedades físicas, químicas y

Fitoabsorción de Cadmio en suelos disímiles sembrados con lechuga

Declaración de obra original

Yo declaro lo siguiente:

He leído el Acuerdo 035 de 2003 del Consejo Académico de la Universidad Nacional.

«Reglamento sobre propiedad intelectual» y la Normatividad Nacional relacionada al

respeto de los derechos de autor. Esta disertación representa mi trabajo original, excepto

donde he reconocido las ideas, las palabras, o materiales de otros autores.

Cuando se han presentado ideas o palabras de otros autores en esta disertación, he

realizado su respectivo reconocimiento aplicando correctamente los esquemas de citas y

referencias bibliográficas en el estilo requerido.

He obtenido el permiso del autor o editor para incluir cualquier material con derechos de

autor (por ejemplo, tablas, figuras, instrumentos de encuesta o grandes porciones de

texto).

Por último, he sometido esta disertación a la herramienta de integridad académica, definida

por la universidad.

________________________________

Julio César Rivera

Fecha: 29/07/2021

Agradecimientos

A DIOS por darme todos los medios necesarios para culminar mis estudios.

A mi alma mater la Universidad Nacional de Colombia y a los docentes que me aportaron

lo mejor de sus conocimientos durante esta maestría.

Al Centro de Extensión Rural de la facultad de Ciencias Agrarias CIER, a los Laboratorios

de Investigación en Combustibles y Energía (LICE) y de Química Agrícola del

Departamento de Química de la Universidad Nacional de Colombia.

A la Doctora Adriana Zamudio y al laboratorio de aguas y suelos de la universidad Jorge

Tadeo Lozano, por sus servicios y asesorías en el desarrollo de la investigación.

A Wendy Bautista y Yhordan Rueda por su guía en la fase de laboratorio, a Jhon Reyes

su ayuda en la primera fase campo, a Juan Pablo Acero por su asesoría en temas

estadísticos.

Finalmente, agradezco muy especialmente a los docentes Jairo Leonardo Cuervo

Andrade, María José Martínez Cordón y Yazmin Yaneth Agamez Pertuz, por su

indispensable guía y acompañamiento en el desarrollo de esta investigación.

Resumen y Abstract IX

Resumen

El biocarbón actualmente es un material de interés, rico en carbono que cuenta con

propiedades potenciales para uso como enmienda de suelos y remediación de la

contaminación con metales pesados. Se obtiene por pirólisis (descomposición térmica en

ausencia de oxígeno) a partir de residuos de biomasas. Esta investigación utilizó

biocarbones producidos con raquis de palma (BRP), cuesco de palma (BCP), poda de

árboles (BP), pulpa de café (BC) y tallos de rosa (BTR), con el objetivo de caracterizarlos,

evaluarlos como enmiendas sobre el crecimiento de lechuga (Lactuca sativa) y determinar

su efecto en propiedades físico-químicas de suelos disímiles (Ferralsol, Umbrisol,

Andosoles y Tecnosol) contaminados con cadmio. Después establecer las propiedades

físicas y químicas de las biocarbones; en cinco ensayos en matera se evaluaron los

tratamientos 0, 3, 6, 9 y 12 ton ha-1 de biocarbón y fertilización convencional durante dos

ciclos de siembra. Se encontró que BTR, BC y BRP presentan potencial para uso agrícola,

mientras que BCP y BP tienen potencial ambiental. BC y BTR muestran una alta

correlación negativa en la concentración de cadmio en el tejido foliar de plantas de lechuga

frente al aumento de las dosis de biocarbón aplicadas, indicando que mitiga el efecto

fitotóxico del cadmio en las plantas; se encontró que el uso de biocarbón mejora la

densidad aparente y real, porosidad, capacidad de retención de humedad. Finalmente, se

encontró que el pH y Capacidad de Intercambio Catiónico, aumentaron con la aplicación

de los biocarbones. Los biocarbones en estudio permiten la enmienda de suelos, mitigar

los efectos de la contaminación con cadmio y el aprovechamiento de biomasas

contaminantes

Palabras clave: Biocarbón, cadmio, enmienda agrícola, propiedades del suelo, pirólisis

lenta, Lactuca sativa

X Efecto de enmiendas con biocarbones sobre propiedades físicas, químicas y


Abstract

“Effect of biochar amendments on physical-chemical properties

and Cadmium Phytoabsorption on dissimilar soils planted with

lettuce”

Currently biochar is a material of interest, rich in carbon with potential properties that allow

its use as soil amendment and remediation for heavy metals contamination. The Biochars

were obtained by pyrolysis (thermal decomposition in the absence of oxygen) using

biomass residues. This research used palm rachis (BRP), palm kernel (BCP), wood waste

(BP), coffee pulp (BC) and rose stems (BTR) biochars in order to characterize them and

evaluate them as amendments in the growth of lettuce (Lactuca sativa), and determine its

effect on physicochemical properties of dissimilar soils (Ferralsols, Umbrisols, Andosols,

and Technosols) contaminated with cadmium. In five pot trials, treatments 0, 3, 6, 9 & 12-

ton ha-1 of biochar and conventional fertilization were evaluated during two lettuce planting

cycles. BTR, BC and BRP were found to have potential for agricultural use, while BCP and

BP have environmental potential. BC and BTR show a high negative correlation in cadmium

concentration in the leaf tissue of lettuce plants compared to the increase in the doses of

biochar applied, indicating that it mitigates the phytotoxic effect of cadmium in plants. It was

found that the use of biochar improves bulk and real density, porosity, water holding

capacity. Finally, pH, cationic exchange capacity, increased with the application of biochar.

The biochar under study allow the amendment of soils, mitigate the effects of cadmium

contamination and the use of polluting biomass

Keywords: Biochar, cadmium, agricultural amendment, soil properties, slow pyrolysis,

Contenido XI

Contenido

Pág.

Resumen ........................................................................................................................ IX

Contenido ...................................................................................................................... XI

Introducción .................................................................................................................. 17 Planteamiento del problema ....................................................................................... 18 Justificación ................................................................................................................ 19 Preguntas de investigación ......................................................................................... 22

Hipótesis .................................................................................................................. 22 Objetivos ..................................................................................................................... 23

Objetivo general ....................................................................................................... 23 Objetivos específicos ............................................................................................... 23

Metodología ................................................................................................................ 24 Impactos esperados.................................................................................................... 26 Bibliografía .................................................................................................................. 27

CAPÍTULO 1. Biocarbón obtenido de residuos de poda, palma, rosas y café: Una alternativa ambiental para la enmienda de suelos. ..................................................... 31

1.1 Resumen y Abstract ......................................................................................... 32 1.1.1 Resumen ....................................................................................................... 32 1.1.2 Abstract ......................................................................................................... 32

1.2 Introducción ...................................................................................................... 33 1.3 Materiales y Métodos ....................................................................................... 35

1.3.1 Biomasas y producción de biocarbones ......................................................... 35 1.3.2 Rendimiento .................................................................................................. 38 1.3.3 Caracterización de propiedades termogravimétricas ..................................... 38 1.3.4 Caracterización de propiedades químicas. .................................................... 39 1.3.5 Caracterización de propiedades físicas ......................................................... 42

1.4 Resultados y Discusión .................................................................................... 43 1.4.1 Rendimiento .................................................................................................. 43 1.4.2 Caracterización de propiedades termogravimétricas. .................................... 44 1.4.3 Caracterización de propiedades químicas. .................................................... 47 1.4.4 Caracterización de propiedades físicas ......................................................... 52

1.5 Conclusiones .................................................................................................... 58 1.6 Bibliografía ....................................................................................................... 59

CAPÍTULO 2. Lechuga como bioindicadora de enmiendas con biocarbón en suelos disímiles contaminados con cadmio ........................................................................... 69

XII Efecto de enmiendas con biocarbones sobre propiedades físicas, químicas y


2.1 Resumen y Abstract .............................................................................................. 70

2.1.1 Resumen ........................................................................................................ 70 2.1.2 Abstract ........................................................................................................... 70

2.2 Introducción ........................................................................................................... 71 3.3 Materiales y Métodos ........................................................................................ 74

2.3.1 Producción del biocarbón ................................................................................ 74 2.3.2 Características del suelo. ................................................................................ 74 2.3.3 Material vegetal y establecimiento del experimento ........................................ 76 2.3.4 Variables de crecimiento y Desarrollo ............................................................. 76 2.3.5. Variables fisiológicas ...................................................................................... 77 2.3.6 Valoración de Cadmio Total ............................................................................ 78 2.3.7 Análisis de datos y modelo estadístico ............................................................ 78

2.4 Resultados y Discusión ......................................................................................... 79 2.4.1 Efecto de la aplicación de biocarbón en crecimiento y desarrollo vegetal de lechuga .................................................................................................................... 79 2.4.2 Efectos del biocarbón en la fisiología Vegetal de lechuga ............................... 87 2.4.3 Análisis de cadmio en la planta. ...................................................................... 92 2.4.4 Variables indicadoras ...................................................................................... 94

3.5 Conclusiones .................................................................................................... 95 2.6 Bibliografía ............................................................................................................ 97

110

CAPÍTULO 3. Efecto de la aplicación de biocarbón en las propiedades físicas y químicas de suelos disímiles contaminados con cadmio ....................................... 110

3.1Resumen y Abstract ............................................................................................. 111 3.1.1 Resumen ..................................................................................................... 111 3.1.2 Abstract ......................................................................................................... 112

3.2 Introducción ......................................................................................................... 113 3.3 Materiales y métodos........................................................................................... 115

3.3.1 Producción de Biocarbón .............................................................................. 115 3.3.2 Suelos de estudio y condiciones experimentales .......................................... 115 3.3.3 Propiedades físicas ....................................................................................... 118 3.3.4 Propiedades químicas ................................................................................... 118 3.3.5 Análisis estadístico. ....................................................................................... 120

3.4 Resultados Y Discusión ....................................................................................... 121 3.4.1 Efecto en Propiedades físicas del suelo ........................................................ 121 3.4.2 Efecto en las Propiedades químicas del suelo .............................................. 124 3.4.3 Efecto en el contenido de nutrientes ............................................................. 128 3.4.4. Análisis de componentes principales............................................................ 137 3.4.5. Efecto en las plantas de lechuga en el segundo ciclo de siembra. .............. 139

3.4 Conclusiones .................................................................................................. 143 3.5 Bibliografía ...................................................................................................... 144

155

Conclusiones y recomendaciones ............................................................................ 156 Conclusiones Generales ........................................................................................... 156 Recomendaciones ..................................................................................................... 157

Contenido XIII

Lista de figuras

Pág.

Figura 1-1 Esquema de las variables estudiadas para la caracterización de los

biocarbones obtenidos de residuos agroindustriales y podas. ........................................ 37

Figura 1-2. Perfil termogravimétrico de los biocarbones (A) TGA y DTGA de los

biocarbones obtenidos, (B) residuos de poda de árboles, (C) pulpa de café, (D) cuesco

de palma, (E) raquis de palma y (F) tallos de rosas. ......................................................455

Figura 1-3 Espectroscopía de infrarrojo de los biocarbones obtenidos. ........................ 49

Figura 1- 4 Espectroscopía de RAMAN de los biocarbones obtenidos………………...…50

Figura 1-5 Porcentaje de distribución del tamaño de partículas de los biocarbones

obtenidos acorde a la norma ASTM 4749-8…………………………………………………..53

Figura 1-6. Microscopia electrónica con aumentos de 700x, 3.000x y 10.000x de los

biocarbones obtenidos de residuos con pulpa de café (BC), cuesco de palma (BCP),

residuos de poda (BP), tallos de rosas (BTR) y raquis de palma (BRP)………………….55

Figura 2-1 Altura promedio de las plantas de lechuga. (A) SA +BC, (B) SF+BCP, (C) SF+

BRP, (D) ST+BP y (E) SU+BTR. .................................................................................... 82

Figura 2-2. Área del canopy promedio de las plantas de lechuga. (A) SA+BC (B)

SF+BCP, (C) SF+BRP, (D) ST+BP y (E) SU+BTR. ........................................................ 83

Figura 2-3 Conductancia estomática promedio de las plantas de lechuga. (A) SA+BC,

(B) SF+BCP, (C) SF+BRP (D) ST+BP y (E) SU+BTR .................................................... 89

Figura 2-4. Índice de Clorofila promedio de las plantas de lechuga. A) SA+BC, (B)

SF+BCP, (C) SF+BRP, (D) ST+BP y (E) SU+BTR. ........................................................ 91

Figura 2-5 Concentraciones de cadmio en el tejido foliar en los experimentos que

alcanzaron punto de cosecha (SA+BC y SU+BTR) ........................................................ 93

Figura 2-6 Porcentaje de varianza y aportes a cada dimensión de las variables ........... 94

Figura 2-7 Círculo de correlación de las primeras dos dimensiones de los componentes

principales. ..................................................................................................................... 95

Figura 3-1 Efecto de la aplicación de biocarbones en propiedades físicas de los suelos;

densidad aparente (A), densidad real (B), porosidad (C) y capacidad de retención de

humedad CRHH (D). En Andosol +BC, Ferralsol + BRP, Tecnosol + BP y Umbrisol +BTR

......................................................................................................................................123

XIV Efecto de enmiendas con biocarbones sobre propiedades físicas, químicas y


Figura 3-2 Efecto de la aplicación de biocarbones en el pH (A), conductividad eléctrica

(B), CIC(C) y porcentaje de carbón orgánico (D), de los suelos. En Andosol +BC,

Ferralsol + BRP, Tecnosol + BP y Umbrisol +BTR ........................................................ 127

Figura 3-3 Efecto de la aplicación de biocarbones en el contenido de nutrientes.

Nitrógeno amoniacal- NH4+ (A), Nitrógeno mineral-NO3

- (B), Fósforo disponible (C),

Potasio (D), Calcio (E) y Magnesio (F). En Andosol +BC, Ferralsol + BRP, Tecnosol + BP

y Umbrisol +BTR ........................................................................................................... 132

Figura 3-4. Efecto de la aplicación de biocarbón en el contenido de Sodio (mg Kg -1), en

cuatro suelos disímiles Andosol + BC, Ferralsol + BRP, Tecnosol + BP y Umbrisol + BTR.

..................................................................................................................................... 133

Figura 3-5: Análisis de componentes principales que influyen en variables de interés. 138

Figura 3-6 :Matriz de correlaciones de las variables estudiadas. .................................. 139

Figura 3-7 Efecto de la aplicación de biocarbón en el crecimiento de lechuga con modelo

de medidas repetidas. (A) altura de la planta (B) Número de hojas. .............................. 141

Figura 3-8 Efecto de la aplicación de biocarbones en peso fresco y seco de las plantas

de lechuga (A) Umbrisol + BTR (B), Andisol + BC, (C) Tecnosol + BP (D). Ferralsol +

BRP. ............................................................................................................................. 142

Contenido XV

Lista de tablas

Pág.

Tabla 1-1 Fuente de biomasa y tamaño de partícula promedio previo al proceso de

pirólisis.. ......................................................................................................................... 36

Los contenidos de nutrientes y la capacidad de intercambio catiónico, se presentan en la

Tabla 1-2. Rendimiento, análisis próximo, último y relaciones molares de los biocarbones

obtenidos de acuerdo a las normas ASTM. ................................................................. 5146

Tabla 1-3. Caracterización de propiedades químicas de los biocarbones obtenidos. ..... 52

Tabla 1-4. Densidades, porosidad y retención de humedad de los biocarbones obtenidos.

....................................................................................................................................... 55

Tabla 2-1 Características fisicoquímicas de los suelos utilizados en los ensayos de

biocarbón ......................................................................................................................755

Tabla 2-2. Descripción de los cinco experimentos con un tipo de suelo contrastante y

biocarbón. ...................................................................................................................... 77

Tabla 2-3 Promedios para longitud de raíz, peso fresco de la parte aérea (PF Aéreo),

peso fresco de raíz (PF Raíz), peso seco de parte aérea (PS Aéreo), Peso seco de raíz

(PS Raíz) y razón de peso foliar (RPF) a los 60 días después de transplante. ............... 84

Tabla 3-1. Propiedades fisicoquímicas de los biocarbones. (Resumen de resultados del

capítulo 1) ................................................................................................................... 1156

Tabla 3-2. Características fisicoquímicas de los suelos utilizados en los ensayos de

biocarbón. ................................................................................................................... 1177

Tabla 3-3. Resumen de los experimentos empleados para determinar los efectos en las

propiedades físicas y químicas de suelos disímiles contaminados con cadmio. ............117

Contenido XVI

Lista de Símbolos y abreviaturas

Símbolo Término

BRP Biocarbón de raquis de palma

BCP Biocarbón de cuesco de palma

BC Biocarbón de pulpa de café

BTR Biocarbón de tallos de rosas

BP Biocarbón de residuos de podas de arboles

CIC Capacidad de intercambio catiónico

%CO Porcentaje de carbono orgánico en la muestra.

CE Conductividad eléctrica

CRH

SF

Capacidad de retención de humedad.

Suelo ferralsol

SA Suelo Andosol

SU Suelo Umbrisol

ST Suelo tecnosol

ton·ha-1 Toneladas por hectárea

ddt Días después de trasplante

ACP Análisis de componentes principales

Introducción

El suelo es un recurso no renovable y en aquellas áreas donde la actividad agrícola se ha

venido desarrollando durante muchos años o presenta una baja fertilidad natural es

necesario realizar actividades de recuperación. Las enmiendas agrícolas, como el

biocarbón, además de contribuir con el secuestro de carbono, mejoran las propiedades

físicas, químicas y biológicas del suelo (Hernández et al., 2014).

La aplicación de biocarbón en suelos ha llamado la atención en la última década gracias

al descubrimiento de un suelo de alta fertilidad en el Amazonas denominado Terra Preta

(Cooper et al., 2020). Este suelo oscuro, antropogénico y cultivado por tribus indígenas

hace cientos de años, se formó por la adición de enmiendas orgánicas (como cenizas,

huesos), desechos de biomasa y estiércol (Glaser et al., 2002).

La incorporación de biocarbón aporta carbono orgánico a los suelos e incrementa la

fertilidad del suelo, al mejorar la CIC del suelo, debido a la interacción entre los grupos

carboxílicos cargados negativamente y los cationes (Sohi, et al., 2010). Esta tecnología

puede reducir el impacto ambiental de las actividades agrícolas, al pasar de tener una

continua producción de desechos orgánicos inútiles, a tener materiales que pueden

generar energía, contribuir a mitigar los efectos del cambio climático por el secuestro de

18 Introducción

carbono y contribuir a la mejora en las propiedades físicas y químicas de los suelos que

conllevan a un mayor rendimiento en los cultivos (Moreno et al., 2014).

Planteamiento del problema

La degradación de suelos es la pérdida de sus cualidades causado por usos inapropiados,

como la sobreexplotación de tierras agrícolas, malas prácticas de manejo de suelo y agua;

generando un deterioro físico, químico y microbiano que conlleva a reducir o eliminar las

funciones del suelo y su capacidad para soportar servicios de los ecosistemas esenciales

para el bienestar humano (FAO, 2015). Esta problemática se reporta en el 40% de los

suelos en Colombia donde se presenta algún grado de erosión (IDEAM, 2015), se estima

que las tierras afectadas por desertificación totalizan 4.828.875 hectáreas y corresponden

al 4.1 % del territorio nacional, de los cuales el 0.6% alcanzan niveles extremos de

gravedad y de insostenibilidad (Cuervo & Gomeéz, 2003). Además, la contaminación por

cadmio genera degradación química de suelos y se ha reportado en zonas agrícolas de

Colombia principalmente en los departamentos de Cundinamarca, Antioquia y Meta

(Mahecha et al., 2017).

Sumado a la degradación de las propiedades físicas y químicas del suelo, la contaminación

de suelos por metales pesados como cadmio (Cd2+), que procede de factores génicos

asociados al material parental (Kubier et al., 2019), o de aportes antropogénicos asociados

a fertilizantes fosfáticos, lodos residuales, compostajes municipales, vertederos de minas

y contaminación de las industrias del plástico, pinturas, esmaltes, insecticidas (Alloway &

Steinnes, 1999); la contaminación con cadmio genera una disminución importante en el

crecimiento y desarrollo de lechuga, la cual presenta una alta acumulación de este metal

en sus tejidos (Yazdi et al., 2019), lo que puede generar enfermedades crónicas graves a

los seres vivos que la consumen (Liu et al., 2018).

Actualmente, los deshechos agroindustriales en Colombia generan problemas ambientales

de polución por la quema de estos residuos en incineradores y contaminación de aguas

por procesos de lixiviación que favorecen la eutroficación. En el país, estos problemas

19 Efecto de enmiendas con biocarbones sobre propiedades físicas,

químicas y Fitoabsorción de Cadmio en suelos disímiles sembrados con lechuga.

ambientales se han reportado en cultivos que generan altas cantidades de residuos

agroindustriales; por ejemplo el cultivo de la palma africana genera 1.6 millones ton año-1

de residuos de biomasa (Marrugo et al., 2016), el cultivo de café genera alrededor de 2

millones de ton año-1 de residuos pulpa de café (Paredes et al., 2018), el cultivo de rosas

genera aproximadamente 681.000 ton año-1 (Quevedo et al., 2015) y los residuos de podas

de árbol alcanzan las 44.811 ton año-1 (Cadavid & Bolaños 2015). Todos estos residuos

presentan un problema para su manejo ambiental por su difícil recolección, disposición

final y costos asociados al manejo (Biswas et al., 2017).

Justificación

En Colombia es necesario establecer una alternativa de manejo ambiental y agronómico

de los residuos agroindustriales debido a la producción de grandes volúmenes de estos

desechos. La tecnología de pirólisis lenta de estas biomasas agroindustriales, se ha

propuesto como una alternativa de generación de energía mediante la obtención de

biocombustibles (Biswas et al., 2017), que adicionalmente tienen como subproducto

biocarbones que podrían destinarse al manejo de suelos como enmienda orgánica

(Abenza, 2012).

Se planteó trabajar con cinco tipos de biomasas que se seleccionaron teniendo en cuenta

su disponibilidad en el país y los problemas de contaminación que actualmente generan,

para comprender sus características en función del material de origen y su desempeño

agronómico en suelos disímiles contaminados artificialmente con cadmio; estas biomasas

corresponden a: Raquis de palma (BRP), cuesco de palma (BCP), pulpa de café (BC),

tallos de rosas (BTR) y residuos de podas (BP). Los biocarbones obtenidos con estas

biomasas se utilizaron como enmienda en suelos que se extrajeron de cuatro sistemas de

producción agrícola, acorde a la procedencia de las materias primas y corresponden a los

grupos de suelos Ferralsoles, Andosoles, Umbrisoles y Tecnosoles de la Base Referencial

Mundial del Recurso Suelo con el fin de investigar su potencial aprovechamiento en estos

suelos disímiles.

20 Introducción

Se estima una extensión mundial de los Ferralsoles en alrededor de 750 millones

hectáreas y corresponden a suelos, profundamente meteorizados, rojos o amarillos de los

trópicos húmedos, contienen arcillas de baja actividad principalmente caolinita y alto

contenido de sesquióxidos; en cuanto a los aspectos de manejo se debe tener en cuenta

que poseen baja capacidad de almacenamiento de agua, pobre fertilidad química,

marcados procesos de fijación de fósforo y pH ácido (FAO, 2014). En Colombia existen

alrededor de 20 millones de hectáreas en las sábanas tropicales de la región de los llanos

orientales, caracterizados por un alta acidez, infertilidad y alta retención de fósforo que

limita la producción de los cultivos (Phiri et al, 2001).El proceso dominante de génesis de

los Ferralsoles corresponde a la ferralización, donde la perdida de Ca, Mg, K, Na y Si

generan un aumento en la presencia de caolinita, oxihidróxidos de Fe y Al, intergrados

2:1:1, con aluminio interlaminar, pirofilita y gibsita en la fracción arcillosa (Malagón, 2003).

Los Andosoles cuentan con alrededor de 124 millones de hectáreas que corresponden

aproximadamente el 0,84 % de la superficie de la tierra, estos suelos derivados de ceniza

volcánica cuentan con materiales no cristalinos o de baja cristalinidad como alófana,

imogolita, complejos Al–humus y ferrihidirita (Tsai, et al., 2010). En Colombia existen

5.200.000 hectáreas presentes en las tres cordilleras; cuentan con una baja densidad

aparente, alta porosidad, alta capacidad de cambio catiónico y aniónico, alta retención de

fósforo, una acidez fuertemente ácida en los horizontes superficiales (pH: 5,1-5,5) y

contenidos de aluminio y hierro (Espinoza & Rubiano, 2015). Su génesis se debe al

proceso de andolización que consiste en la formación de materiales no cristalinos y

acumulación de materia orgánica en el suelo derivados de materiales volcánicos (Van

Ranst et al., 2019); es necesario un clima constantemente húmedo, precipitaciones que

exceden a la evapotranspiración y una temperatura menor a 25°C para favorecer la

andolización (Espinoza & Rubiano, 2015). En cuanto a aspectos de manejo presentan

potencial agrícola. Sin embargo, teniendo en cuenta que presentan una fuerte retención

de fosfatos causada por la presencia de cationes de Al y Fe, se deben manejar con

aplicaciones de cal, material orgánico y fertilización fosfatada (FAO, 2014).

Los umbrisoles corresponden a suelos que han acumulado materia orgánica dentro del

suelo superficial mineral, presentan baja saturación con bases y son comunes en regiones

montañosas de climas húmedos y sin déficit de agua; no reconocidos previamente en un

nivel taxonómico tan alto, muchos de estos suelos se clasifican en otros sistemas como:

varios Grandes Grupos de Entisoles e Inceptisoles; en cuanto a los aspectos de manejo



se deben realizar correcciones de pH con cal, tener en cuenta que son susceptibles a la

erosión y que demandan alta cantidad de insumosÑ principalmente se han destinado a la

introducción de pastos mejorados (FAO, 2014). Los Inceptisoles corresponden a los suelos

más extensos en el país abarcando un 55% del territorio, estos exhiben un desarrollo de

horizonte mínimo, sin procesos apreciables de iluviación de arcilla, óxidos de hierro /

aluminio y materia orgánica (García et al., 2021).

Se estima que el 3% de la superficie de la tierra se encuentra urbanizada, los Tecnosoles

están asociado al Antropoceno etapa donde las actividades humanas han generado

cambios y modificaciones en el uso de la tierra como: Fuerte urbanización, agricultura

intensiva y cambio climático, su proceso de génesis es reciente y aun no se ha desarrollado

por lo que se propuso un marco de referencia para su estudio, teniendo en cuenta a los

artefactos introducidos por el hombre como material parental, el clima favorable que se

encuentra en todas las áreas urbanas donde existen flujos adicionales de agua, el corto

tiempo, organismos como: Lombrices de tierra, artrópodos como Acari y Collembola,

microbios y plantas que se han observado regularmente en esos suelos incluso cuando

están muy contaminados y la capacidad del hombre para “hacer suelos” (Leguédois et al.,

2016). Los tecnosoles corresponde a suelos que contienen una cantidad significativa de

artefactos como escombros, lodos, escorias, desechos de minería y cenizas. En cuanto al

manejo se debe tener en cuenta que, están fuertemente afectados por la naturaleza del

material o la actividad humana que lo colocó (FAO, 2014).

En general se han descrito múltiples efectos benéficos en suelos tratados con biocarbón,

por ejemplo: mayor disponibilidad de agua, aumento de la retención de nutrientes, aumento

en el pH, secuestro de carbono, aumento en la CIC y estímulo de la actividad microbiana,

lo que se traduce en un mayor rendimiento agrícola (Lehmann et al., 2009). El biocarbón

puede retener temporalmente nitrógeno en su estructura y liberarlo más lentamente que

los productos inorgánicos convencionales, incrementando así la eficiencia de uso de este

elemento y su interacción con el ecosistema edáfico favorece la productividad de los

cultivos (Escalante et al., 2016). Del mismo modo, se ha reportado que el biocarbón tiene

el potencial para mejorar la fertilidad del suelo y mitigar las emisiones de gases de efecto

22 Introducción

invernadero (Zhang et al., 2015). Por otra parte, los biocarbones pueden retener

contaminantes orgánicos y metales pesados (Tan et al., 2015).

Preguntas de investigación

1. ¿Qué propiedades físicas y químicas poseen los biocarbones obtenidos con raquis

de palma, cuesco de palma, pulpa de café, tallos de rosas y residuos de podas?

2. ¿Cuál es el efecto de la aplicación de los biocarbones BRP, BCP, BC, BTR y BP

sobre variables de asociadas al cultivo de lechuga (Lactuca sativa var Vera) en

suelos disímiles contaminados con cadmio?

3. ¿Cuál es el efecto de la aplicación de los biocarbones BRP, BCP, BC, BTR y BP

sobre las propiedades físicas y químicas de suelos cultivados con lechuga (Lactuca

sativa var Vera) en suelos disímiles contaminados con cadmio?

Hipótesis

1. Las propiedades físicas y químicas de biocarbones BRP, BCP, BC, BTR y BP

permitirían realizar un manejo sostenible de residuos agroindustriales,

aprovechándolos como enmienda orgánica de suelos.

2. El uso de los biocarbones BRP, BCP, BC, BTR y BP puede mitigar los efectos de

la contaminación con cadmio en suelos disímiles y la fitoabsorción en plantas de

lechuga (Lactuca sativa var. Vera).

3. Las propiedades físicas (densidad real y aparente, porosidad, retención de

humedad) y las propiedades químicas (Capacidad de intercambio catiónico,

contenidos de nutrientes, conductividad eléctrica, porcentaje de materia orgánica y

pH) de los suelos pueden mejorar por el uso de enmiendas con biocarbones BRP,

BCP, BC, BTR y BP.



Objetivos

Objetivo general

Determinar la viabilidad de uso en la agricultura de biocarbones obtenidos a partir de raquis

de palma, cuesco de palma, pulpa de café, tallos de rosas y residuos de podas como

enmienda agrícola, para mejorar las propiedades físicas y químicas de suelos disímiles

contaminados con cadmio y mitigar la fitoabsorción de este metal pesado en el cultivo de

lechuga (Lactuca sativa var. Vera)

Objetivos específicos

1. Determinar las propiedades físicas y químicas de cinco biocarbones (BRP, BCP,

BC, BTR y BP) obtenidos con residuos orgánicos de palma, cuesco de palma, pulpa

de café, tallos de rosas y residuos de podas.

2. Evaluar el efecto como enmienda de los biocarbones BRP, BCP, BC, BTR y BP, en

suelos disímiles contaminados con cadmio en variables asociadas al cultivo de

lechuga (Lactuca sativa var. Vera) y la fitoabsorción de cadmio en el tejido foliar de

las plantas.

3. Evaluar el efecto de la aplicación como enmienda de los biocarbones BRP, BCP,

BC, BTR y BP en suelos disímiles contaminados con cadmio sobre las propiedades

físicas y químicas de suelos cultivados con lechuga (Lactuca sativa var. Vera).

24 Introducción

Metodología

Para la investigación los biocarbones se produjeron por medio del proceso de pirólisis

lenta, en un horno rotatorio de 7 m de largo y un diámetro de 0.6 m, con una tasa de

calentamiento de 5.5 ° C s-1 hasta llegar a una temperatura de 450 °C con un tiempo de

residencia de 45 min; posteriormente se caracterizaron en el Laboratorio de Investigación

en Combustibles y Energía y el de Química Agrícola del Departamento de Química de la

Universidad Nacional de Colombia, sede Bogotá. Se estableció un cultivo de lechugas en

los invernaderos de la Facultad de Ciencias Agrarias ubicado en las coordenadas 4°

38´11.89" N, y a 74° 05' 17.65" O a una altura de 2656 m.s.n.m., se registró una

temperatura promedio de 19.2ºC, con una máxima promedio de 24.7ºC y una mínima

promedio de 14.6 ºC. Las lechugas se sembraron en materas de 20 cm de diámetro y 20

cm de alto en un sistema de riego por goteo, estableciendo cinco ensayos bajo diseños

experimentales completamente al azar, uno para cada tipo de suelo muestreado en las

zonas agroecológicas donde se encuentran problemas ambientales por desechos

agroindustriales; se evaluaron seis tratamientos que consistieron cinco dosis de biocarbón

de 0, 3, 6, 9 y 12 ton ha-1 y fertilización convencional con cuatro repeticiones y un total de

120 unidades experimentales. Posteriormente, se determinó el efecto en el crecimiento de

lechuga en dos ciclos de siembra y después de nueve meses se evaluaron los efectos de

las enmiendas con biocarbón en las propiedades físicas y químicas de cuatro suelos

disímiles (Ferralsol, Andosol, Umbrisol y Tecnosol) contaminados artificialmente con

cadmio en el Laboratorio de suelos de la Universidad Jorge Tadeo Lozano, el resumen del

proceso metodológico se puede ver en el Anexo 1.

1) En el capítulo 1 se describe la Producción y caracterización de biocarbones:

La producción del biocarbón se realizó a partir de cinco biomasas de residuos

agroindustriales de palma, café, rosas y residuos de podas; para la caracterización de los

biocarbones se utilizaron metodologías reconocidas por la Sociedad Americana para

Pruebas y Materiales ASTM: En cuanto a las propiedades físicas se valoró densidad

aparente (cilindro) y real (picnómetro), distribución de tamaño de partículas, capacidad de

retención de humedad y se tomaron imágenes de microscopía electrónica SEM; para las

propiedades químicas se realizó: Análisis próximo y último, espectroscopía de Raman e



infrarroja (FTIR), capacidad de intercambio catiónico, pH, conductividad eléctrica,

contenido de bases intercambiables (absorción atómica) y contenido de Nitrógeno, Fósforo

y Azufre,

2) En el capítulo 2 se evaluó el efecto en variables fisiológicas de lechuga por el uso de

biocarbones en suelos disímiles contaminados con cadmio:

Se realizaron cinco experimentos en materas con dos kilogramos de suelos disímiles

(Ferralsol, Andosol, Umbrisol y Tecnosol) + biocarbón (5 dosis) y fertilización convencional,

estos suelos proceden de los lugares donde se tomaron los desechos agroindustriales. Se

midió altura, número de hojas, área de cobertura del follaje, contenido relativo de clorofila,

conductancia estomática, longitud de raíz, peso fresco, peso seco y relación de peso foliar

(RPF). Finalmente se valoró el contenido de cadmio en las hojas en el primer ciclo de

siembra. Para el segundo ciclo de siembra se midió altura, número de hojas, peso fresco

y peso seco.

3) En el capítulo 3 se evaluó el efecto en las propiedades físicas y químicas del suelo

por el uso de biocarbones

Después de dos ciclos de siembra (nueve meses), se tomaron muestras de los suelos

sometidos a la contaminación con cadmio y tratados con biocarbón; con el objetivo de

evaluar el efecto de la aplicación de los biocarbones fabricados en la propiedades físicas

y químicas de suelos disímiles (Ferralsol, Andosol, Umbrisol y Tecnosol). Se caracterizaron

los siguientes parámetros:

a. Propiedades Físicas: densidad aparente (método del cilindro) y real (método del

picnómetro) y capacidad de retención de humedad.

b. Propiedades Químicas: pH (Suspensión en agua 1:1, CIC (acetato - NH4 1M pH 7

y NaCl; volumétrico). Conductividad eléctrica (Extracto de la pasta saturada), Carbono

orgánico oxidable (Walkley y Black), nitrógeno mineral y amoniacal (Kjeldahl), bases de

cambio Mg, K, Ca y Na (absorción atómica) y fósforo disponible (Bray II).

26 Introducción

Impactos esperados

Impactos científicos:

Comunicar a la comunidad científica la relación entre las materias primas utilizadas y sus

efectos en el cultivo de lechuga y en las propiedades físicas y químicas de suelos disímiles

contaminados con cadmio.

Impactos sociales:

Proveer conocimientos a la creciente comunidad de agricultores orgánicos, que cuentan

con limitados recursos para la fertilización orgánica de sus cultivos y a agroindustrias que

deseen implementar esta tecnología para el aprovechamiento de sus residuos orgánicos

particularmente, palmicultores, caficultores y floricultores.

Impactos ambientales:

Promover alternativas tecnológicas que permitan el aprovechamiento de residuos

agroindustriales contaminantes, que potencialmente puedan enmendar suelos

degradados.



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30 Introducción

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CAPÍTULO 1. Biocarbón obtenido de residuos de poda, palma, rosas y

café: Una alternativa ambiental para la enmienda de suelos.

32 Efecto de enmiendas con biocarbones sobre propiedades físicas, químicas y


1.1 Resumen y Abstract

1.1.1 Resumen

El biocarbón en la última década ha sido ampliamente estudiado, por ser un material

poroso rico en carbono, con propiedades fisicoquímicas que han permitido su uso como

enmienda de suelos y además permite secuestrar carbono mitigando los efectos del

cambio climático; este se puede obtener con pirólisis lenta a partir de biomasas

agroindustriales, sometidas a procesos de descomposición térmica en ausencia de

oxígeno. El objetivo de este trabajo fue caracterizar las propiedades de cinco biocarbones

BRP, BCP, BC, BTR y BP, obtenidos usando la técnica de pirólisis lenta, para determinar

su potencial uso como enmienda de suelos. La caracterización de los biocarbones se

realizó mediante: Análisis próximo y último, distribución de tamaño de partículas, densidad

aparente y real, porosidad, análisis de microscopia electrónica (SEM), espectroscopía de

Raman e Infrarroja (FTIR), retención de agua, capacidad de intercambio catiónico,

contenido de nutrientes, pH y conductividad eléctrica. Los resultados indican que el BCP y

BRP mostraron un alto contenido de carbono fijo (55%) ideales para secuestrar carbono,

un contenido alto de cenizas en BTR (50%) ideal para el reciclaje de nutrientes; BRP y

BTR presenta una capacidad de retención de humedad del 75% y una porosidad del 80%

mostrando potencial para enmendar propiedades físicas del suelo; BC y BTR presentaron

una alta CIC (≈ 40 cmol (+) kg -1) sugiriendo potencial para enmendar suelos de baja

fertilidad. Todos los biocarbones excepto BCP tienen propiedades alcalinas y son

adecuados para enmendar suelos ácidos. Los biocarbones son una alternativa viable para

el manejo de residuos. BTR, BC y BRP presentan potencial para uso agrícola, por su pH

básico, contenido de nutrientes y capacidad de retención de humedad. Por su parte, BCP

y BP tienen potencial para mitigar los efectos del cambio climático.

Palabras Clave: Pirólisis lenta, manejo de residuos agrícolas, secuestro de carbono.

1.1.2 Abstract

The biochar in the last decade has been extensively studied, being a carbon-rich porous

material, with physicochemical properties that have allowed its use as a soil amendment

and also allows carbon to be sequestered mitigating the effects of climate change; this can

Capítulo 1 33

be obtained with slow pyrolysis from agro-industrial biomass, subjected to thermal

decomposition processes in absence of oxygen. The objective of this work was to

characterize the properties of five biochars BRP, BCP, BC, BTR and BP obtained using the

slow pyrolysis technique, to determine their potential use as soil amendment. The

characterization of biochars was performed by: proximal and ultimate analysis, particle size

distribution, bulk and real density, porosity, scanning electron microscopy SEM, Raman

and infrared FTIR spectroscopy, water retention, cation exchange capacity, nutrient

content, pH and electrical conductivity. Results indicate that BCP and BPR showed a high

fixed carbon content (55%) ideal for sequestering carbon, a high ash content in BTR (50%)

Ideal for nutrient recycling, BRP and BTR have a water holding capacity of 75% and a

porosity of 80% showing potential to amend physical properties of the soil; BC and BTR

had a high CEC (≈43 cmol (+) kg-1) suggesting potential to amending low fertility soils, all

biochars except BCP have alkaline properties and are suitable for amending acidic soils.

Biochars are a viable alternative to waste management. BTR, BC and BRP have potential

for agricultural use due to its basic pH, nutrient content and water holding capacity. On the

other hand, BCP and BP have the potential to mitigate the effects of climate change.

Keywords: Slow pyrolysis, agricultural waste management, carbon sequestration.

1.2 Introducción

Las biomasas agroindustriales son consideradas potenciales fuentes de energía

renovable, en especial las que están compuestas de hemicelulosa, celulosa y lignina

(Cheng et al., 2020). Por sus altos contenidos de energía tienen potencial para la

producción de biocombustibles, y por medio del uso de la tecnología de pirólisis, se brinda

una alternativa de solución para los residuos orgánicos contaminantes que son un

problema para su recolección y disposición final por su dificultad y costos (Biswas et al.,

2017). Además, el uso de la tecnología de pirólisis es sostenible económicamente según

modelos econométricos y puede mitigar los efectos asociados al cambio climático (Kung &

Zhang., 2015).



La pirólisis es un proceso de descomposición termoquímica en una atmósfera inerte

(ausente de oxígeno), en el que se obtienen productos como: biocarbón, bioaceites y

biogás (Czajczyńska et al., 2017). La pirólisis lenta es un tipo de pirólisis caracterizada por

una baja tasa de calentamiento (hasta 1°C s-1), un alto tiempo de residencia (horas en el

reactor) y un rango de temperatura del proceso que varía entre 300°C a 700°C (Qin et al.,

2020). La pirólisis lenta es una de las formas más convencionales para producir biocarbón,

ya que proporciona un alto rendimiento de biocarbón (Yu et al., 2017; Elkhalifa et al., 2019).

Los biocarbones que se obtienen como resultado de la tecnología de pirólisis lenta, dan

lugar a un material poroso, rico en carbono producido a partir de diferentes desechos

orgánicos como: Residuos agroindustriales, lodos residuales, estiércoles y residuos

sólidos orgánicos municipales (Colantoni et al., 2016). El biocarbón cuenta con

propiedades como: alta porosidad, capacidad de retención de agua, capacidad de

intercambio catiónico, área superficial, un pH básico, aportan nutrientes y son estables

estructuralmente (Amonette & Josep, 2009; Windeatt et al., 2014). Estas características

han promovido el estudio de los biocarbones en los últimos 10 años en aplicaciones

ambientales como: descontaminación de aguas, remediación de suelos contaminados y

su uso como catalizadores de reacciones (Wang & Wang 2019). Además, en el campo

agronómico el uso del biocarbón ha demostrado beneficios en el suelo como el incremento

en la fertilidad y secuestro de carbono (Guo et al., 2020).

La rentabilidad del uso de biocarbón se ha demostrado con análisis de sensibilidad, el cual

tiene en cuenta los costos de la planta de producción y los beneficios del uso del biocarbón

como: el aumento del rendimiento de los cultivos en un 38% al 45 %, ahorro de un 20% en

el uso de fertilizantes y un ahorro en un 10% del riego; aunque se debe tener en cuenta

que la rentabilidad depende de la biomasa utilizada (Kung et al.,2015).

El cultivo de palma africana en Colombia genera 1.6 millones ton año-1 de residuos de

biomasa (Marrugo et al., 2016). La fibra de raquis es un recurso prometedor que se

produce de la extracción del aceite de palma, esta biomasa usualmente se quema en

incineradores, lo cual crea problemas de polución ambiental en áreas vecinas a las plantas

de aprovechamiento (Manjarrés, 2019). Por su parte el cultivo de café generan alrededor

de 2 millones de ton año-1 de residuos pulpa de café que se considerada un serio

contaminante (Paredes et al., 2018). Igualmente el cultivo de rosas en Colombia genera

Capítulo 1 35

aproximadamente, 116 ton ha-1año-1 (Quevedo et al., 2015); Actualmente, existen 5.917

ha de este cultivo (Agronet, 2020), por lo que se estima un aproximado de 681.000 ton

año-1, las cuales constituyen una amenaza ambiental por la eutroficación de aguas por sus

lixiviados y contaminación del aire si se queman (Asocolflores, 2002). Los residuos de

podas de árbol en Colombia, que provienen del mantenimiento de las áreas urbanas,

alcanzan las 44.811 ton año-1 (Cadavid & Bolaños, 2015)

La fuente de biomasa y la temperatura son variables que durante la pirólisis se

correlacionan y afectan las propiedades de los biocarbones (Sun et al., 2017). Si bien se

han desarrollado estudios con meta-análisis de datos para predecir las propiedades de los

biocarbones en función de la materia prima y temperatura de pirólisis, no se debe pasar

por alto la caracterización de los biocarbones para determinar sus potenciales usos, ya

que otros factores pueden afectar las propiedades físico-químicas (Li et al., 2019).

En Colombia, resulta importante realizar investigaciones para conocer las propiedades

fisicoquímicas de biocarbones, con biomasas de alta oferta y que actualmente generan

problemas ambientales. La presente investigación tiene como objetivo brindar alternativas

de manejo para residuos agroindustriales y de poda, por medio de la producción de

biocarbón con pirólisis lenta de residuos de raquis de palma, cuesco de palma, tallos de

rosas, pulpa de café y residuos de poda de árboles, por medio de una caracterización de

sus propiedades físicas y químicas que permita conocer la naturaleza de los biocarbones

obtenidos para definir sus potenciales usos en la agricultura.

1.3 Materiales y Métodos

1.3.1 Biomasas y producción de biocarbones

Para la producción de los biocarbones, se utilizaron fuentes de biomasa procedentes de

residuos agroindustriales y podas, la procedencia y el tamaño de partícula promedio de las

biomasas, se resumen en la Tabla 1-1. La obtención de los biocarbones se realizó en la

compañía Tecsole LTDA. por medio de la técnica de pirólisis lenta, en un horno rotatorio 7

m de largo y un diámetro de 0.6 m, en el que se monitoreo la temperatura con una

termocupla tipo k marca MENGTE, se precalentó el horno a una temperatura inicial de 200



°C y con una tasa de calentamiento de 5.5 ° C s-1 hasta llegar a una temperatura de 450

°C, que se mantuvo durante un tiempo de residencia de 45 min. Se escogió pirólisis lenta

para favorecer el rendimiento ya que el aumento de la temperatura disminuye el

rendimiento en la producción de biocarbones (Luo et al., 2015). El análisis de las

propiedades fisicoquímicas de los biocarbones se realizó, por las técnicas descritas en la

Figura 1-1.

Tabla 1-1 Fuente de biomasa y tamaño de partícula promedio previo al proceso de pirólisis.

ID de la biomasa

Biomasa Fuente Tamaño de partícula promedio

BRP Raquis de palma Agroindustria palmera 80 mm de largo por 4 mm de ancho

BCP Cuesco de palma Agroindustria palmera 40 mm de largo por 40 mm de ancho

BTR Tallos de rosa

Agroindustria floricultora

350 mm de largo por 30 mm de ancho

BC Pulpa de café Agroindustria cafetera 30 mm de largo por 20 mm de ancho

BP Poda de árboles Jardín botánico de Bogotá

300 mm de largo por 150 mm de ancho

Capítulo 1 37

Recolección de los residuos agroindustriales: Tallos de rosas, residuos de poda, raquis y cuesco de palma y pulpa de

café

Fabricación

del biocarbón

Análisis de Propiedades

químicas Análisis de Propiedades

Físicas

C, H, N, O,

Relaciones molares H/

C, O/C, y C/N

Espectroscopía de

infrarrojo por

transformada de Fourier

(FTIR)

RAMAN

Material

volátil (%)

humedad

(%

Cenizas

(%)

Termogravimétrico

Densidad real y

aparenten,

porosidad

Rendimiento (%)

Carbono

fijo (%)

TGA y

DTGa

Microscopia

electrónica de

barrido electrónico

SEM

De contenidos

elementales y de

superficie

CIC

De interés agronómico

Ca, Mg, K, Na y

P

pH

Conductividad

eléctrica

Distribución de

partículas

Tamizado

Pirólisis

Figura 1-1 Esquema de las variables estudiadas para la caracterización de los biocarbones obtenidos de residuos agroindustriales y podas.



1.3.2 Rendimiento

El rendimiento de producción de biocarbón en masa fue calculado, de acuerdo a la

ecuación utilizada por Rehrah et al. (2014):

Rendimiento de masa (%) = (M f) / (M i) X 100 (1)

Donde, M f corresponde a la masa seca de biocarbón obtenida y M i corresponde al peso

seco de las biomasas utilizadas para la producción del biocarbón.

1.3.3 Caracterización de propiedades termogravimétricas

Análisis termogravimétrico.

Se realizó un análisis termogravimétrico de la descomposición térmica de los biocarbones

(TGA). Luego, se procedió a calcular la primera derivada con respecto a la temperatura

(DTGA) con el fin de conocer las diferentes temperaturas características de la

descomposición térmica de los biocarbones (Amin et al., 2016)

Análisis próximo.

El análisis próximo, se realizó de acuerdo con la metodología propuesta por Czajka (2018)

en un equipo TGA / DSC 1 STARe System (Mettler Toledo). Las muestras se pulverizaron

y se tamizaron a un tamaño inferior a 200 μm. 10 mg de cada biocarbón se sometieron a

una purga con un flujo de nitrógeno de 30 mL min-1 durante 15 min. Posteriormente, se

llevó a 110°C a una velocidad de calentamiento de 10°C min-1 para determinar la humedad.

La materia volátil se determinó calentando a 30°C min-1 hasta a una temperatura de 905°C

durante 60 min; Finalmente, se dejaron enfriar las muestras hasta 500°C, para el cambio

de atmósfera reactiva de aire y se calentó a 10°C·min-1 hasta 800°C dejando por 60

minutos a esta temperatura para determinar las cenizas.

Capítulo 1 39

El porcentaje de humedad, materia volátil, contenido de cenizas y contenido de carbón fijo,

se determinaron de acuerdo con la norma ASTM D1762-84., siguiendo las ecuaciones 2,

3 y 4:

Humedad (%) =[(A-B) /A]×100 (2)

Donde, A= peso de muestra (g) y B= peso de muestra (g) después de 105ºC.

Materia volátil (%) = [ (B-C) / B]×100

(3)

Donde, C= peso de muestra (g) después de 905°C y B= peso de muestra (g) después de

los 105°C.

Cenizas (%) = (D ⁄ B) ×100 (4)

Donde, D = peso residual de la muestra (g) y B= peso de muestra (g) después de los

105°C.

1.3.4 Caracterización de propiedades químicas.

Análisis elemental.

La composición química (porcentaje de carbono, hidrógeno y nitrógeno) se determinó

usando un analizador elemental marca Thermo Scientific FlashSmartTM, y el oxígeno se

determinó por diferencia.

Espectroscopía de Infrarrojo por Transformada de FOURIER (FTIR).

El análisis estructural y la caracterización de los grupos funcionales presentes en la

superficie de los biocarbones se realizó con un espectrómetro Nicolet iS10 Spectrometer

Thermo Fisher Scientific. Los espectros infrarrojos fueron capturados en modo ATR con



16 scanner a una resolución de 4 cm-1 con una velocidad óptica de 0.4747 kHz,

reconociendo un rango de 400 a 4000 cm-1.

Espectroscopía Raman.

El estudio de la estructura, composición y especiación de la superficie de los biocarbones

se realizó con la técnica espectrometría de Raman (Xu et al., 2020), utilizando un

microscopio dispersivo Raman HORIBA Yvon-LabRam (HR800), para lo cual se empleó

un láser de 562 nm con un poder de 8 mW, rejilla de 900 líneas/mm y una apertura del

espectrógrafo de 50 µm.

pH y Conductividad eléctrica.

Basado en la metodología descrita por Rajkovich et al.,( 2012) el pH y la conductividad

eléctrica, se obtuvieron por triplicado usando una relación peso volumen de 1:20 (1g en 20

ml de agua desionizada), agitando horizontalmente durante 90 minutos hasta equilibrar la

solución con las superficies del biocarbón, se estimaron con un pH-metro JENWAY ref:

3510 y conductímetro marca Hanna Instruments, modelo HI 98311.

Capacidad de intercambio Catiónico (CIC) y contenido de Bases de cambio.

La CIC en biocarbones es un desafío analítico y se han presentado grandes variabilidades

en los resultados reportados en la literatura debido a la presencia de cenizas, la porosidad

y la hidrofobicidad de los biocarbones, por lo que el análisis se realizó con el método

propuesto por (Munera et al., 2018), que contempla un pretratamiento de las muestras con

0.05M HCl hasta alcanzar un pH de 7 y realizar lavados con agua desionizada hasta

alcanzar una conductividad eléctrica < 200μS cm-1, el desplazamiento de amonio (NH4+)

se realizó con KCl y para remover el exceso de acetato de amonio (NH4OAc) se usó etanol;

finalmente, se calculó la CIC con la siguiente fórmula:

C.I.C. (cmol (+) kg-1) = (V-Bp) *N / (pm * pw) (5)

Donde, V corresponde al Volumen en mL de NaOH gastados en la titulación de la muestra,

Bp al blanco de proceso, N a la Normalidad del NaOH, pm al peso de la muestra en g. y

Capítulo 1 41

pw al factor de humedad que tenían los biocarbones (Humedad higroscópica determinada

a 105°C)

Los extractos de NH4OAc, fueron analizados para determinar los cationes Ca2+, Mg2+, K+,

Na+ por absorción atómica con el equipo PERKIN ELMER Aanalyst 300.

Fósforo.

Se determinó el fósforo disponible con el método de Bray II, utilizando 25 mL de solución

extractora de ácido clorhídrico HCl 0.1 N y fluoruro de amonio NH4F 0.03 N en 20 g de

biocarbón, después de 30 minutos agitación se filtró, para cuantificar colorimétricamente

el fósforo disponible generado por la reacción con ácido cloromolibdico y cloruro estanoso,

en un espectrofotómetro de rango visible (Bray & Kurtz, 1945). Finalmente, se estimó el

valor con la fórmula:

P (mg Kg-1) = [(Lm * fd) – LBp ] * (20/2.85) * pw (6)

Donde, Lm corresponde a la lectura de la muestra en mg Kg-1 en la curva de calibración,

LBp a la lectura del blanco de proceso, (20/2.85) a la relación entre volumen de extractante

en mL y el peso del suelo en gramos, fd al factor de dilución y pw al factor de humedad

higroscópica

Azufre

Se determinó el azufre con el método de cuantificación turbidimetría, que corresponde a la

medida de pérdida de luz transmitida debido a las partículas suspendidas en la solución, a

10 grs de biocarbón se les realizó una extracción con 20 mL de fosfato monocálcico 0.008

Ca (HPO4)2, después de 10 minutos en el agitador reciproco, se filtraron por gravedad en

vasos de precipitado de 50 mL, luego se cuantificó en el espectrofotómetro y se estimó con

la fórmula:

S (mg Kg-1) = [(Lm*fd) - LBp] * (20/10) / (10 g pw *1kg S/ 1000 gS) (7)

Donde, Lm corresponde a la lectura de la muestra en mg Kg-1 en la curva de calibración,

LBp a la lectura del blanco de proceso, (25/10) a la relación entre volumen de extractante



en mL y el peso del suelo en gramos, fd al factor de dilución y pw al factor de humedad

higroscópica.

1.3.5 Caracterización de propiedades físicas

Distribución del tamaño de partículas.

Se realizó un análisis de distribución de partículas de acuerdo a la norma ASTM D4749-

87., llevando a cabo un tamizado progresivo en seco utilizando las mallas 8 (2.38 mm), 18

(1 mm), 30 (600 µm), 60 (250 µm) y 100 (100 µm).

Densidad aparente, real y porosidad.

La densidad aparente del biocarbón se determinó dividiendo la masa seca sin compactar

de un cilindro con un volumen de 100 cm3. La densidad real del biocarbón se determinó de

acuerdo con la ASTM D854 2000; y la porosidad se determinó de acuerdo con la ASTM

F1815-11 con la fórmula:

Porosidad (%) = [1- (ρ b / ρ d)] × 100 (8)

Donde, ρ b corresponde a la densidad aparente y ρ d corresponde a la densidad real.

Retención de Humedad.

Para determinar capacidad de retención de agua se realizó el procedimiento descrito por

Yargicoglu et al., (2015), los biocarbones se secaron en horno durante 24 h. a 60°C, con

el fin de eliminar el agua residual absorbida por los biocarbones, se colocaron 25 g de

biocarbón en un embudo con papel de filtro y se añadió lentamente una cantidad conocida

de agua desionizada al biocarbón hasta que el biocarbón se saturó y se dejó drenar por

gravedad durante 24 horas.

RH (%) = [(VA –VD) / VA] × 100 (9)

Donde, VA corresponde al volumen de agua aplicado y VD al volumen de agua drenado.

Capítulo 1 43

Microscopia electrónica.

Para el estudio de la morfología superficial de los biocarbones se realizaron

microfotografías en un microscopio electrónico de barrido marca FEI QuantaTM FEG – 650.

Previamente, las muestras se tamizaron con una malla 18 para obtener partículas menores

de un milímetro, el sistema de recubrimiento de muestras se realizó por pulverización

catódica para metalizar las muestras en oro y se llevaron a una magnificación de hasta de

10,000 x con una distancia de trabajo de 10 – 11 mm (WD).

1.4 Resultados y Discusión

1.4.1 Rendimiento

En la Tabla 1-2. se muestran los rendimientos obtenidos de los biocarbones. Si bien, para

una mayor producción de biocarbón se suele usar el proceso pirólisis lenta, se debe tener

en cuenta los constituyentes de las biomasas usadas; debido a que la celulosa,

hemicelulosa y lignina influencian el rendimiento del biocarbón (Tripathi et al., 2016). Estos

constituyentes generaron las variaciones en rendimiento que se obtuvieron en nuestra

investigación ya que los biocarbones se sometieron a un mismo proceso de producción.

BP y BCP presentaron los mayores rendimientos, según Zhu et al. (2019) y Leng & Huang,

(2018) el contenido de lignina tiene una correlación positiva con el rendimiento, lo que nos

permite inferir que los residuos de palma y poda presentaban las mayores contenidos de

lignina.

Otro factor que afecta los rendimientos de los productos de pirólisis es el tamaño de

partícula de la biomasa utilizada, el rendimiento del biocarbón disminuye al aumentar el

tamaño de partícula, lo que implica que debe estudiar el rango de tamaño de partícula

óptimo para obtener un mayor rendimiento (Park et al., 2012). Esto coincide con nuestros

resultados ya que, las materias primas con menor tamaño (cuesco y raquis de palma)

cuentan con los mayores rendimientos de biocarbón.



1.4.2 Caracterización de propiedades termogravimétricas.

El perfil termogravimétrico (Figura 1-2 a) permite una comparación rápida de los procesos

de descomposición térmica de los biocarbones, a partir del cual se observan tres regiones:

la primera asociada con la humedad existente donde la pérdida de masa a 105°C se debe

a reacciones de deshidratación; la segunda región se debe a la volatilización del material,

finalmente la masa remanente de debe a reacciones de desvolatización (Seo et al., 2011).

En la DTGA (Figura 1- 2 b,c,d,e y f), se encontró el pico de degradación de lignina en BP,

BRP y BCP y los picos de degradación de celulosa y hemicelulosa en BC y BTR; la DTGA

permite identificar estados de descomposición de los biocarbones a través de picos

característicos que proporcionan información de la temperatura donde se presentan las

diferentes reacciones, el pico alrededor de 272°C está asociado con la descomposición de

la hemicelulosa, el pico en torno a los 331°C se asocia a la descomposición de celulosa y

a los 377°C se presenta la descomposición de la lignina (Quosai, 2017).

Capítulo 1 45

15 35 50 65 85 100 115 135 150 165 185 200 220

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100NITROGEN

X X

W

Minutes (min)

Weig

ht lo

ss T

G (

%)

BCP

BRP

BC

BTR

BP

V

A

FC

AIRX

50 113 117 535 903 905 830 665 495 445 605 765 805

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

TG BP

- - - - DTG BP

Temperature (°T)

Weig

ht lo

ss T

G (

%)

-0,08

-0,06

-0,04

-0,02

0,00

0,02

Derivate

weig

ht lo

ss D

TG

(%

/°C

)

50 115 117 535 903 905 830 665 490 440 600 765 805

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

Temperature (°C)

We

igh

t lo

ss T

GA

(%)

-0,08

-0,06

-0,04

-0,02

0,00

0,02

TG BC

- - - - DTG BC

De

riva

te W

eig

ht lo

ss(%

/°C

)

50 115 535 905 905 830 680 565 440 605 807 795 645

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

We

igh

t lo

ss T

GA

(%)

Temperature (°C)

TG BCP

- - - - DTG BCP-0,08

-0,06

-0,04

-0,02

0,00

0,02

De

riva

te W

eig

ht lo

ss(%

/°C

)

50 113 117 535 903 905 830 665 490 445 600 765 805

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

Weig

ht lo

ss T

G (

%)

Temperature (°T)

TG BRP

- - - - DTG BRP

0,02

0,00

-0,02

-0,04

-0,06

-0,08

Deriv

ate

weig

ht lo

ss D

TG

(%/°C

)

50 115 117 535 903 905 830 665 490 440 600 765 805

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

TG BTR

- - - - DTG BTR

Weig

ht lo

ss T

G (

%)

-0,08

-0,06

-0,04

-0,02

0,00

0,02

Derivate

weig

ht lo

ss D

TG

(%

/°C

)

Temperature (°T)

Figura 1-2. Perfil termogravimétrico de los biocarbones (A) TGA y DTGA de los biocarbones obtenidos, (B) residuos de poda de árboles, (C) pulpa de café (D), cuesco de palma, (E) raquis de palma y (F) tallos de rosas.

A B

C D

E F



El análisis próximo (Tabla 1-2), encontró que los biocarbones evaluados presentaban una

humedad de alrededor del 4%, a excepción de BC que presentó una mayor humedad cerca

del 6%. En cuanto al contenido de materia volátil BC y BP presentaron mayores valores

(aproximadamente un 35%), seguido BCP (28.2%) y BRP (28.2%); mientras que el menor

contenido de materia volátil se presentó BTR con un 16.3%. Por otra parte, los mayores

valores de carbono fijo se presentaron en BCP y BRP (50 % aproximadamente) seguido

BP (36.4%) y BC (34%), por último, el menor contenido de carbono fijo se presentó con

BTR que sólo presentó un 25.3 %. Finalmente, en cuanto al contenido de cenizas se

encontró que BTR presentó el mayor contenido (54.2%) que corresponde a la mitad de la

masa biocarbón; por otra parte, BP y BC presentaron alrededor de un 25% de contenido

de ceniza, al contrario de BCP (19.7%) y BRP (11.9 %) presentaron los menores

contenidos de ceniza.

Tabla 1-2. Rendimiento, análisis próximo, último y relaciones molares de los biocarbones obtenidos de acuerdo a las normas ASTM.

Fuente de biomasa Raquis de

palma (BRP)

Cuesco de palma (BCP)

Tallos de rosas (BTR)

Residuos de poda de

árboles (BP)

Pulpa de café (BC)

Rendimiento (%) 8.89 24.00 16.67 20.00 n.d.

Humedad (%) 4.10 4.11 4.20 4.63 5.96

Material volátil (%) 24.27 28.20 16.27 33.21 36.14

Cenizas (%) 19.75 11.98 54.25 25.76 23.91

Carbono fijo (%) 51.87 55.71 25.28 36.40 33.99

N (%) 2.22 1.10 1.96 1.10 3.40

C (%) 58.35 55.30 43.27 71.32 58.09

H (%) 2.51 3.10 0.40 3.10 3.82

Oa (%) 36.92 40.50 54.37 24.48 34.70

Relación molar H/C 0.51 0.67 0.11 0.52 0.78

Relación molar O/C 0.48 0.55 0.94 0.26 0.45

Relación C/N 26.28 50.10 22.06 64.68 17.11

a Calculado por diferencia.

El alto contenido de cenizas que presenta BTR, es interesante desde el punto de vista

agronómico, ya que como lo explica Berek & Hue (2016) un alto contenido de cenizas

Capítulo 1 47

tienen efectos positivos para el uso como enmienda de suelos porque los minerales y

cationes básicos de las biomasas sometidas al proceso de pirólisis han sido transformadas

en carbonatos y óxidos que se reflejan en el contenido de cenizas. Por otra parte, el perfil

termogravimétrico evidenció un mayor contenido de carbono fijo en BRP y BCP, esta

propiedad es ideal para mitigar los efectos del cambio climático por su eficacia para

secuestrar carbono en formas recalcitrantes que son resistentes a la degradación por

microorganismos, lo cual se demostró por Harvey et al., (2012) cuando propuso el índice

recalcitrante (R50).

Estos resultados, para el caso de los biocarbones de residuos de palma concuerdan con

lo encontrado por Ferreira et al., (2020) quien con el uso de pirólisis lenta, reportó

resultados muy similares: Un 61.1% de carbono fijo, un 26.7 % de volátiles, un 12.1% de

cenizas y un 6% de humedad; en el caso de BC se encontraron resultados semejantes por

Setter et al., (2020). No obstante, se reportaron marcadas diferencias en el contenido de

carbono fijo alcanzando un 66.1 % mientras que nosotros encontramos un valor de 34.0%,

esto se debe al uso exclusivo de cascarilla de café en briquetas, en nuestro caso incluir

pulpa de café llevó a una reducción del contenido de carbono fijo y un aumento del doble

en el contenido de cenizas con respecto a lo reportado por este autor.

Los biocarbones estudiados presentaron una correlación entre la fracción de masa de

hidrógeno y la materia volátil (r2 =0.95) lo cual concuerda con los resultados de Klasson,

(2017), quien reportó que la fracción de masa de hidrógeno esta correlacionada con la

materia volátil, incluso sugiere que la calidad de los biocarbones se puede estimar a través

de los resultados del análisis próximo con esta y otras correlaciones.

1.4.3 Caracterización de propiedades químicas.

Los resultados del análisis último se muestran en la Tabla 1-2. Es de resaltar que BP

presentó el mayor porcentaje de carbono con un 71.3%, mientras que los demás

biocarbones no superaron el 59% de carbono, la concentración de este elemento se debe

a que las reacciones de pirólisis favorece la eliminación de H y O, lo que conllevan una

concentración progresiva más alta de C, resultando en un residuo sólido con altos

contenidos de carbono (Crombie et al., 2013).



El mayor porcentaje de nitrógeno se encontró en BC (3.39%), seguido BRP (2.22 %) y BTR

(1.96%); mientras que, BCP y BP presentaron cantidades similares de nitrógeno con un

1.1%. En general, el nitrógeno está asociado a la presencia de proteínas en los tejidos

vegetales. En biocarbones permite el cálculo de la relación C/N, un indicador útil para

determinar el potencial de disminución de emisiones de N2O en su uso como enmienda

de suelo, cuando se obtiene una relación C/N > 30 (Brassard et al., 2016). Esto lo

encontramos particularmente en BCP (C/N=50.1) y en BP (C/N=64.68).

Los resultados muestran que el mayor porcentaje de oxígeno corresponde a BTR con un

54.37%, seguido de BCP (40.49%), BRP y BC que alcanzaron aproximadamente un 35%;

finalmente. BP presentó el menor porcentaje de oxígeno con un 24.54%.

Existen lineamientos establecidos por organizaciones como: International Biochar Initiative

(IBI) y European Biochar Certificate, que exigen la relación molar H/C < 0.7 como indicador

del grado de carbonización y estabilidad del biocarbón, con el fin de realizar un monitoreo

trasparente y verificable de la calidad de los biocarbones; una relación H/C con valores

superiores a 0.7 indican deficiencias en las condiciones de pirólisis; La relación molar O/C

dentro de las certificaciones es opcional por su costo y solo es exigida por normativa

europea con el fin de diferenciar los biocarbones de otros productos de carbonización y

debe tener valores inferiores a 0.4 (Schmidt et al., 2015).

Los biocarbones obtenidos se produjeron en buenas condiciones de pirólisis, debido a que

ninguno superó una relación H/C de 0.7 a excepción de BC que lo supero levemente; este

indicador se usa debido a que la conversión de materiales orgánicos a estructuras

aromáticas carbonosas se presenta a temperaturas superiores a 350°C, reflejándose en

una relación H/C de alrededor de 0.3 y revela presencia de compuestos con anillos

aromáticos altamente condensados, procesos de descarboxilación y aromatización de las

biomasas (Veiga et al., 2020).

La relación molar O/C de BP se encontró en los parámetros de la norma con 0.26; mientras

que los otros biocarbones estudiados, presentaron valores cercanos al recomendado por

la norma con valores de 0.45 para BC, 0.48 para BRP y 0.55 para BCP; únicamente BTR

presentó una relación demasiada alta (0.94). Sin embargo, se debe tener en cuenta que

una alta relación indica la presencia de grupos funcionales polares, que aportan

información de la hidrofobicidad y hidrofilicidad del material, los grupos funcionales polares,

podrán retener agua por interacciones electrostáticas y enlaces de hidrógeno y se ha

Capítulo 1 49

demostrado que relaciones de 0.29 presentan mayor capacidad de adsorción de agua que

relaciones de 0.05 y 0.09. (Schimmelpfennig & Glaser 2012), por lo que potencialmente

BTR, tendrá más potencial para retener agua, sin desconocer que se deben ajustar

parámetros en su proceso de producción.

La Figura 1-3 muestra el espectro infrarrojo de los biocarbones donde se observa la

presencia de las bandas 3338-3329 cm-1 que corresponden a los grupos funcionales

hidroxilo, 2925 cm-1 relacionadas con carbono alifático, 1595 –1507 cm-1 de componentes

aromáticos (Ma et al., 2018). La presencia en los biocarbones de lignina y celulosa

derivada de la transformación de la biomasa a 400°C, se evidencia en múltiples picos

encontrados en 1600-700 cm-1 (Keiluweit et al., 2010) y se observaron particularmente en

BRP, BTR y BP.

El estiramiento C-H simétrico y el estiramiento C-C inactivos en FTIR se resuelven a través

del espectro Raman (Figura 1-4) que proporciona información adicional sobre estructuras

no polares y caracteriza el grado de grafitización de materiales carbonosos (Ma et al.,

2017). La presencia de la banda de 1700 cm- 1 que corresponde a grupos carbonílicos, la

banda de 1590 cm-1 relacionada a alquenos, la banda de1300 cm-1 correspondiente a

enlaces sencillos de carbono y la banda de compuestos de carbono amorfo en su

estructura corresponde a 1540 cm-1 (Mohanty et al., 2013). En los biocarbones se encontró

una mayor intensidad de la banda de G (1540 cm-1), indicando desorden en la estructura

grafítica típico de estructuras amorfas de los biocarbones.

Las propiedades químicas para el uso de biocarbones con fines agrícolas se muestran en

la Tabla 1-3. Los biocarbones estudiados mostraron un pH alcalino y pueden ser usados

para enmendar suelos ácidos a excepción BCP, que presenta un pH cercano a la

neutralidad; esta capacidad se estudió por Buss et al., (2018) quienes demostraron el

cambio temporal y espacial del pH alrededor de biocarbón en suelos arenosos ácidos,

encontrando que después de 21 horas se alcanzó el óptimo pH para la fertilización de

plantas a una distancia de 1 a 1.3 veces el diámetro de la partícula de un biocarbón básico

(pH=9.72); en general, en la comunidad científica es aceptado que los biocarbones, tienen

la capacidad de incrementar el pH del suelo y se ha demostrado en diferentes estudios

(Beusch et al., 2019).



Figura 1-3. Espectroscopía de infrarrojo de los biocarbones obtenidos.

Figura 1- 4 Espectroscopía de RAMAN de los biocarbones obtenidos.

BC

BTR

BRP

BP

BCP

BC

BTR

Capítulo 1 51

La conductividad eléctrica más alta (1.66 dS m-1) y el contenido de sodio más alto (1.65

cmol (+) kg-1) se encontró en BTR, estos parámetros deben ser tenidos en cuenta, ya que

la aplicación de biocarbones con alta conductividad eléctrica asociado a un alto contenido

de sodio pueden propiciar una mayor salinidad del suelo generando un efecto negativo en

el crecimiento de las plantas (Ferreira et al., 2019). De hecho, el uso de biocarbón puede

afectar el crecimiento de las raíces, para que resulte beneficioso su uso como enmienda

de suelos se debe realizar un adecuado manejo que no incremente la salinidad de suelo

(Brockhoff et al., 2010).

Tabla 1-3. Caracterización de propiedades químicas de los biocarbones obtenidos.

Fuente de biomasa

Raquis de palma

(BRP)

Cuesco de palma

(BCP)

Tallos de rosas (BTR)

Residuos de poda

de árboles (BP)

Pulpa de café (BC)

CIC cmol (+) kg-1 28.34 9.07 39.13 16.14 41.13

Ca++ cmol (+) kg-

1 9.14 3.05 15.70 5.98 23.56

Mg++ cmol (+) kg-

1 18.93 1.30 12.90 2.98 9.32

K+ cmol (+) kg-1 0.06 4.65 8.88 7.07 7.41

Na+ cmol (+) kg-1 0.21 0.07 1.65 0.11 0.84

N (%) 2.22 1.10 1.96 1.10 3.40

C (%) 58.35 55.30 47.27 71.32 58.09

S (%) 0.12 0.06 0.11 0.03 0.12

P (%) 1.45 0.65 0.95 0.688 1.34

pH 10.19 7.62 10.4 8.57 9.75

Conductividad eléctrica (dS m-1)

0.56 0.63 1.66 0.1 0.39

Los contenidos de nutrientes y la capacidad de intercambio catiónico, se presentan en la

Tabla 1-3., la CIC más altas pertenecen a BC, BTR y BRP, y se debe a que los compuestos

minerales de los biocarbones y a la presencia de un mayor número de grupos funcionales

que contribuyen al valor de la CIC. Un alto valor de este parámetro es favorable para los



suelos, ya que aumenta la retención de nutrientes (Zhao et al., 2013), el incremento de la

CIC por aplicaciones de biocarbones a suelo, ha sido relacionado con el incremento de

grupos funcionales en la superficie de estos materiales (El-Naggar et al., 2019). BC, BRP

y BTR tienen potencial para mejorar esta propiedad en suelos, la cual ha demostrado

aumenta con la aplicación de biocarbón (Hale et al., 2020).

BC, BRP y BTR presentaron los mayores contenidos de fósforo entre 0.95 y 1.45 %, siendo

el doble con respecto a los biocarbones de poda y cuesco de palma; lo cual es de interés

agronómico ya que aporta este elemento al suelo, sumado al hecho que los biocarbones

mitigan la lixiviación de fósforo del suelo aumentando la eficiencia de uso de este elemento

en las prácticas de fertilización agrícola (Li et al., 2020).

1.4.4 Caracterización de propiedades físicas

La distribución de partículas se puede observar en la Figura 1-5, donde se resalta que

más del 60% de la masa de los biocarbones tiene un tamaño de partícula mayor a 1 mm a

excepción de BRP que por su forma (fibras delgadas y alargadas) mostró en una

distribución de partículas completamente opuesta y más del 60% de la masa tiene un

tamaño de partícula menor a un milímetro. El tamaño de partícula del biocarbón está

relacionado con el tamaño y forma de la materia prima y de la tecnología utilizada para su

procesamiento previo a la reacción de pirólisis (Lehmann, 2009).

Las propiedades fisicoquímicas dependen del tamaño de partícula del biocarbón, un

análisis con diferentes tamaños de partícula de biocarbón hecho a partir de madera de

pino encontró que, el punto de inflexión del cambio en las propiedades se da en un tamaño

entre 75-150 µm correspondiente a partículas finas y ultra finas (He et al., 2018), lo que se

debe tener en cuenta previo a aplicaciones en suelos.

Los biocarbones con mayor cantidad de partículas finas corresponden a BRP (22.2%) y

BP (16.7%); en estos se debe prestar atención al contenido de estas partículas ultrafinas

producidas con pirólisis a bajas temperaturas, ya que reportes previos ha demostrado que

Capítulo 1 53

estas presentan una mayor toxicidad para la bacteria v. fischer y por tanto, un alto riesgo

ambiental que debería ser estudiado con atención (Zhang et al., 2019).

Figura 1-5. Porcentaje de Distribución del tamaño de partículas los biocarbones obtenidos de acuerdo a la norma ASTM 4749-8

Se encontró una alta porosidad Tabla 1-4., en los biocarbones BTR y BRP, estos poros en

la superficie de los biocarbones se forman debido a que las macromoléculas orgánicas

internas se descomponen en pequeñas moléculas de gas, como H2O, CO2, CO y CH4 en

el proceso de pirólisis (Xiang et al., 2020). El incremento de la porosidad de estos

materiales les brinda potencial para ser utilizados en enmiendas de suelos contaminados

de acuerdo a Huong et al., (2016) el incremento del volumen total de poros contribuye a

una mejor capacidad de adsorción de plomo Pb2+. Además, la alta porosidad, encontrada

en los biocarbones implica que su aplicación en el ecosistema edáfico proporciona

espacios para el desarrollo de microorganismos en la rizosfera de las plantas (Han et al.,

2013), que incluso pueden suprimir el desarrollo de fitopatógenos como Ralstonia

solanacearum protegiendo las plantas de enfermedades (Zhang et al., 2017).

(mm

)



Los resultados muestran que BRP y BTR tiene una alta capacidad de retención de

humedad (Tabla 1-4) con 85.83 % y 77.5% respectivamente; al contrario, BCP tiene una

baja capacidad de retención de humedad del 7.5%. La retención de humedad presentó

una correlación positiva (r2 =0.87) con la porosidad, lo que concuerda con Yi et al. (2020),

quien reportó que la porosidad de los biocarbones tiene potencial para incrementar la

capacidad de retención de agua; esto se debe que la unión de minerales del suelo con la

superficie del biocarbón por medio de grupos funcionales carboxílicos y fenólicos, por

reacciones de oxidación o por la adsorción de la materia orgánica del suelo a través de

puentes catiónicos (Ca2+ y Al3+) que interactúan con coloides minerales del suelo formando

un complejo biocarbón-mineral (Lin et al., 2012)

La morfología de los macroporos puede ser caracterizada por medio de microscopia

electrónica con poros de un tamaño de 50 nm a 10 µm (Giffin et al., 2013); con esta técnica

se logró evidenciar qué BC y BCP presentan algunas estructuras laminares; BP y BTR

mostraron poros con una estructura típica de la madera asociada con la celulosa, y en BPR

se evidenció la presencia de fitolitos globosos Figura 1-6.

Tabla 1-4. Densidades, porosidad y retención de humedad de los biocarbones obtenidos.

Fuente de biomasa

Raquis

de

palma

(BRP)

Cuesco

de palma

(BCP)

Tallos de

rosas

(BTR)

Residuos

de poda de

árboles (BP)

Pulpa

de café

(BC)

Densidad aparente g cm-3 0.19 0.42 0.18 0.23 0.25

Densidad real g cm-3 0.97 0.89 0.99 0.85 0.92

Porosidad % 80.42 52.46 81.65 73.54 73.37

Retención de humedad % 85.83 7.50 77.50 26.25 45.00

Capítulo 1 55

BC

BC

BC

BCP

BCP

BCP

200 µm

200 µm

50 µm

50 µm

10 µm

10 µm



BP

BP

BP BTR

BTR

BTR

200 µm

50 µm

50 µm

10 µm

10 µm

200 µm

10 µm

Capítulo 1 57

Figura 1-6. Microscopia electrónica con aumentos de 700x, 3.000x y 10.000x de los biocarbones obtenidos de residuos con pulpa de café (BC), cuesco de palma (BCP), residuos de poda (BP), tallos de rosas (BTR) y raquis de palma (BRP).

BRP

BRP

BRP

10 µm

200 µm

50 µm



1.5 Conclusiones

Se realizó una caracterización de las propiedades de cinco biocarbones obtenidos de

biomasas de residuos agroindustriales y de madera con el fin de determinar su potencial

de uso como enmienda de suelos y brindar así una alternativa de manejo para estos

residuos que actualmente generan problemas ambientales.

El análisis próximo y último mostraron un alto contenido de carbono fijo para los

biocarbones obtenidos de residuos de palma con un 50% de la masa total; se encontró un

contenido alto de cenizas en BTR con un 54.25% de la masa total, lo que lo sugiere como

un material ideal para el reciclaje de nutrientes en estos sistemas productivos que

demanda una alta cantidad de fertilizantes.

En usos de interés agronómico se encontró potencial en BC, BTR, y BRP, debido a

propiedades como: un alto pH (pH=10), una alta CIC entre 28.34 – 41.13.45 cmol (+) kg-1;

mayores contenidos de fósforo entre 0.95 y 1.45 %, siendo el doble con respecto a los

biocarbones de poda y cuesco de palma y mayores contenidos de nutrientes, por lo que

BC, BRP y BTR tienen potencial para enmendar suelos ácidos y de baja fertilidad.

La alta capacidad de retención de humedad de BRP (85.83 %) y BTR (77.5%), podría

brindar una solución para mejorar la eficiencia del uso de agua en suelos agrícolas

especialmente en regiones áridas con problemas de déficit hídrico. No obstante, para BRP

se recomienda realizar un análisis de toxicidad ya que presenta un alto contenido de

partículas ultrafinas (22.2%) las cuales podrían afectar el ecosistema edáfico. De modo

similar, se debe tener precaución con el uso de BTR por presentar una conductividad

eléctrica alta (1.66 dS m-1) y alto contenido de sodio (1.65 cmol (+) kg-1) ya que esto puede

aumentar condiciones de estrés salino para las plantas.

Todos los biocarbones excepto BCP, son muy alcalinos, con un alto pH (8.5 a 10.4) por lo

que podrían ser usados para enmendar suelos ácidos.

Finalmente, para usos de interés ambiental se encontró que BCP y BP, tiene potencial

para secuestrar carbón y minimizar las emisiones de N2O, teniendo en cuenta que la

relación C/N (BCP = 50.10 y BP = 64.68) indicadora de este potencial.

Capítulo 1 59

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CAPÍTULO 2. Lechuga como bioindicadora de enmiendas con

biocarbón en suelos disímiles contaminados con cadmio



2.1 Resumen y Abstract

2.1.1 Resumen

El biocarbón ha llamado la atención durante los últimos años, por mejorar propiedades de

suelos degradados, de baja fertilidad e incluso contaminados con metales pesado como el

cadmio. Esta investigación tiene como objetivo evaluar el crecimiento y desarrollo de

lechuga (Lactuca sativa var. vera), sembrada en suelos con propiedades disímiles

contaminados con Cd2+. Se agregó 10 mg kg-1 de cadmio a los siguientes suelos: un

Ferralsol del departamento del Meta (SF), un Andosol del departamento del Tolima, (SA),

un Umbrisol del departamento Cundinamarca (SU) y un Tecnosol de la ciudad de Bogotá

(ST). Los tratamientos corresponden a: Control, fertilización, 3, 6, 9 y 12 ton ha-1 de

biocarbón. Los biocarbones fueron elaborados con pirólisis lenta a partir de los siguientes

residuos: Raquis de palma (BRP), cuesco de palma (BCP), poda de árboles (BP), pulpa

de café (BC) y tallos de rosa (BTR). Se encontró un aumento en la altura, área del follaje

(canopy), longitud de raíz, pesos secos y frescos de raíz y parte aérea en SU+BTR y

SA+BC. No obstante, en SF+BRP, SF+BCP y ST+BP no se presentaron diferencias

significativas en la mayoría de las variables. Se observó mayor conductancia estomática

en BRP, mientras que los demás biocarbones no presentaron diferencias significativas. El

índice de clorofila fue menor en todos los experimentos con biocarbón. Los ensayos

SA+BC y SU+ BTR muestran una alta correlación negativa de la concentración de cadmio

en las hojas de la planta frente a las dosis de biocarbón, indicando la mitigación del efecto

fitotóxico del cadmio en las plantas. El uso de biocarbón en los ensayos SU+BTR y SA+BC

mejoraron el crecimiento, fisiología, y disminuyeron la absorción de cadmio en lechuga

planta que funcionó como indicadora de las enmiendas realizadas con biocarbón.

Palabras claves: Biocarbón, estrés por cadmio, fitoextracción de cadmio, Lactuca sativa.

2.1.2 Abstract

Capítulo 2 71

Biochar has attracted attention in recent years, for improving properties of degraded soils,

low fertility and even contaminated with heavy metals such as cadmium. This research aims

to evaluate the growth and development of lettuce (Lactuca sativa var. vera), planted in

soils with dissimilar properties contaminated with Cd2+. 10 mg kg-1 cadmium were added to

the following soils: a ferralsol from Meta Department (SF), an andosol from Tolima

Department, (SA), an umbrisol from Cundinamarca Department (SU) and a technosol from

Bogota city (ST). Biochar treatments were as follows: control, fertilization, 3, 6, 9 and 12-

ton ha-1 of biochar. The biochars were made with slow pyrolysis from the following wastes:

palm raquis (BRP), palm kernel (BCP), wood waste (BP), coffee pulp (BC) and rose stems

(BTR). An increase in height, canopy area, root length, dry and fresh root and leaves

weights was found in SU+BTR and SA+BC. In SF+BRP, SF+BCP and ST+BP there were

no significant differences in most variables. Greater stomatic conductance was observed in

BRP, while other biochars had no significant differences. The rate of Chlorophyll was lower

in all biochar assays. The SA+BC and SU+BTR assays show a high negative correlation in

cadmium concentration in the aerial part versus biochar doses indicating the mitigation of

the phytotoxic effect of cadmium in plants. The use of biochar in SU+BTR and SA+BC tests

improved growth, physiology, and decreased the absorption of cadmium in lettuce plant

that functioned as an indicator of amendments made with biochar.

Keywords: Biochar, cadmium stress, cadmium phytoextraction, Lactuca sativa

2.2 Introducción

La aplicación de biocarbón en suelos ha llamado la atención en la última década gracias

al descubrimiento de la altamente fértil “Terra Preta” (Cooper et al., 2020), la cual es un

suelo oscuro antropogénico cultivado por tribus indígenas hace cientos de años, este suelo

se formó por la adición de enmiendas orgánicas (cenizas, huesos, desechos de biomasa,

estiércol, orina y biocarbón) (Glaser et al., 2012). Los biocarbones, han captado la atención

actual porque son un material prometedor y de bajo costo para remediar los efectos del

calentamiento global, ya que poseen un gran potencial de secuestro de Carbono, de

reducción de las emisiones de N2O y de otros gases de efecto invernadero del suelo (Bi et



al., 2019; Jung et al., 2019). Además, han demostrado mejorar suelos degradados y con

baja fertilidad (Bi et al., 2019; Major et al., 2019).

El biocarbón es un tipo de carbón vegetal hecho de biomasa a partir de materiales

orgánicos como desechos de animales y residuos de cultivos, que pueden ser una

enmienda orgánica para la remediación de suelos (Lynch et al., 2016; Hamid et al., 2019).

Este material, rico en carbono se produce por pirólisis a temperaturas entre los 300 y 1000

°C en condiciones de hipoxia o anoxia (Gao et al., 2020), siendo las condiciones de pirólisis

(temperatura y tiempo de residencia), la materia prima, el tipo de suelo e interacciones

bióticas las que determinan la eficacia en la aplicación de biocarbón en ambientes

agrícolas (Beluri et al., 2018). Es un compuesto poroso, fino, rico en carbono, con alta

cantidad de nutrientes esenciales y alta capacidad de retención de agua, lo que permite el

secuestro de metales pesados, mejorar la disponibilidad de nutrientes, mejorar la fertilidad

del suelo y uso eficiente del agua (Beesley et al.,2011; Agegnehu et al., 2016; Günal et al.,

2018; Gao et al., 2020; Hamid et al., 2020), aumentando por lo tanto el crecimiento y

rendimiento de plantas (Trupiano et al., 2017; Agegnehu et al., 2017).

El Cd2+ se destaca por su fuerte toxicidad, alta movilidad y naturaleza persistente en suelos

(Huang et al., 2020), causando estrés nutricional, síntomas de toxicidad y problemas

fisiológicos (Irfan et al., 2013), así como afectación en el crecimiento, desarrollo y

rendimiento debido a la disminución en la absorción de nutrientes como Ca, Mg, Cu, Fe,

Zn y Mo (MacKenna et al., 2017; UNEP, 2010; Rodríguez, 2017; Azzi et al., 2017; Amjad

et al., 2017; Ibrahim et al., 2019). Se ha encontrado una disminución importante en el

crecimiento y desarrollo de lechuga al estar expuesta a Cd2+, así como una alta

acumulación de este metal en la biomasa vegetal (Yazdi et al., 2019), lo que puede generar

enfermedades crónicas graves (Liu et al., 2018) y problemas en órganos y tejidos (Peláez

et al., 2016) en los seres vivos que la consumen.

La producción agrícola en Colombia se ha visto limitada por el deterioro de propiedades

fisicoquímicas y contaminación de suelos por presencia de metales pesados como cadmio

(Cd2+). La presencia de cadmio en el suelo proviene de factores génicos asociados al

material parental. Por ejemplo, se han reportado concentraciones de Cd en rocas

sedimentarias (0.01 a 2.6 mg kg-1), rocas ígneas (0.07 a 0.25 mg kg-1) y rocas metamórficas

(0.11 a 1.0 mg kg-1), en cuanto al agua de suelo se han reportado concentraciones de hasta

https://www-sciencedirect-com.ezproxy.unal.edu.co/topics/earth-and-planetary-sciences/crop-residue

https://www-sciencedirect-com.ezproxy.unal.edu.co/topics/earth-and-planetary-sciences/pyrolysis

Capítulo 2 73

5 μg L-1 y en aguas subterráneas hasta 1 μg L-1 (Kubier et al., 2019). En el suelo el cadmio

derivado de fuentes geogénicas se encuentra en los últimos horizontes cerca de la roca

madre y además su disponibilidad está asociada a un pH ácido (< 4.5) (Quezada et al.,

2015). Por otra parte, el cadmio puede proceder de aportes antropogénicos asociados a

fertilizantes fosfáticos, lodos residuales, compostajes municipales, cenizas de la

combustión de madera, vertederos de minas, contaminación de las industrias del plástico,

pinturas, esmaltes, insecticidas y la corrosión de estructuras galvanizadas. (Alloway &

Steinnes, 1999).

En Colombia, se encuentran suelos con contenidos de Cd2+ entre 7.48 a 20.07 mg kg-1

(Peláez et al., 2016; Rodríguez, 2017). En el municipio de Fuente de Oro, Departamento

del Meta, se han encontrado contenidos de Cd2+ de 3.3 mg kg-1, asociados a prácticas

intensivas de agricultura (Mahecha et al., 2015), prácticas que también conllevan pérdida

del contenido de carbono, disminución de la capacidad productiva y degradación del suelo

(Nieto, 2017). Hay suelos cercanos a la cuenca del río Bogotá con niveles de 0.2 a 19.2

mg kg-1 de Cd2+ (Vargas et al., 2004; Lora et al., 2010) que generan problemas de

contaminación en cultivos, como es el caso de hortalizas regadas con aguas este río

(Miranda et al., 2008; Ruíz, 2011).

Las condiciones de pirólisis y la materia prima influyen en las propiedades del biocarbón

(Campos et al., 2020), generando una respuesta diferente según la tasa de aplicación, el

suelo, el ambiente y la condición agrícola (Ahmed et al., 2016). El biocarbón puede

aumentar la altura de las plantas, longitud de raíz, pesos frescos y secos de raíz y parte

aérea en diferentes especies vegetales (Major et al.,2010; Saxena et al., 2013; Farhangi

et al., 2017) Teniendo en cuenta que, el uso de biocarbón es promisorio para remediar

suelos contaminados con metales pesados como el cadmio. Esta investigación tiene como

objetivo evaluar el crecimiento y desarrollo de lechuga, sembrada en suelos con

propiedades disímiles contaminados con cadmio Cd2+ enmendados biocarbones.



3.3 Materiales y Métodos

2.3.1 Producción del biocarbón

Para la producción de los biocarbones, se utilizaron biomasas de residuos agroindustriales

(Tabla 1-1, cap. 1) procedentes de los sistemas productivos donde se tomaron las

muestras de suelo (Tabla 2-1); Estas biomasas, se sometieron a un proceso de pirólisis

lenta, en un horno rotatorio 7 m de largo y un diámetro de 0.6 m, a una temperatura inicial

de 200°C con una tasa de calentamiento de 5.5°C s-1 hasta llegar a una temperatura de

450°C con un tiempo de residencia de 45 minutos. Para su previa utilización como

enmienda agrícola, los biocarbones se tamizaron para obtener partículas menores de 2

milímetros y se aplicó a los suelos de su correspondiente procedencia.

2.3.2 Características del suelo.

Las muestras de los suelos se tomaron del horizonte subsuperficial de los primeros 30 cm

de profundidad de cuatro sistemas de producción agrícola: El suelo (SF) proviene de la

plantación de palma Africana de San Carlos, departamento del Meta, municipio de San

Carlos de Guaroa, ubicada entre los 3°49’10,56’’ y 3°47’50,8’’ Norte y los 73°22’17’’ y

73°21’40’’ Oeste, en una altitud de 269 m.s.n.m. con un clima cálido seco, régimen de

precipitación monomodal y corresponde a un Ferralsol. El suelo (SA) proviene de un cultivo

de café, ubicado en la finca la esmeralda departamento del Tolima, municipio de Chaparral,

ubicada entre los 3°49´50,5 Norte y 75°34’01,7 Oeste en una altitud de 1882 m.s.n.m. con

un clima templado húmedo, régimen de precipitación bimodal y corresponde a un Andosol.

El suelo (ST) procede de uno de los lotes de relleno donde se pastorea ganado en la

Universidad Nacional de Colombia, sede Bogotá, ubicado entre los 4°38'17.2" Norte

74°05'19.8" Oeste en una altitud de 2556 m.s.n.m. con un clima frio húmedo, régimen de

precipitación bimodal y corresponde a un Tecnosol. El suelo (SU) procede de invernadero

Capítulo 2 75

dedicado a la producción de rosas, departamento de Cundinamarca, municipio Madrid

ubicado entre los 4°44'38.12" Norte 74°15'11.768" Oeste en una altitud de 2558 m.s.n.m.

con un clima frio húmedo transicional a seco, régimen de precipitación bimodal y

corresponde a un Umbrisol. Los suelos presentan algunas características contrastantes en

cuanto a textura (francos y arcillosos), contenidos de carbono orgánico (alto medio y bajo),

capacidad de intercambio catiónica efectiva y contenidos de nutrientes que se pueden en

las características fisicoquímicas de cada tipo de suelo en la Tabla 2-1.

Tabla 2-1 Características fisicoquímicas de los suelos utilizados en los ensayos de

biocarbón.

SF (Ferralsol)

SA (Andosol)

ST (Tecnosol)

SU (Umbrisol)

Textura FA FA Ar FArA

Densidad aparente (g cm-3) 1.29 0.90 1.3 1

% Arena (>0.05mm) 52.9 18.6 5.0 68

% Limo (0.05-0.002 mm) 24.7 15.4 12.0 8

% Arcilla (<0.002 mm) 15.7 66.0 83.0 24

pH 4.7 4.83 5.8 6

C orgánico (%) 2.69 5.13 11.5 7.7

N estimado (%) - 0.44 1.0 nd

Ca disponible (cmol (+) kg-1) 1.4 5.81 20.9 6.9

Mg disponible (cmol (+) kg-1) 0.62 1.60 4.3 3.7

K disponible (cmol (+) kg-1) 0.25 1.20 3.6 2.1

Na disponible (cmol (+) kg-1) 0.06 0.03 0.1 -

Al intercambiable (cmol (+) kg-1) 1.97 0.29 - 0

CICE (cmol (+) kg-1) 4.3 8.92 29.0 12.71

P disponible (mg kg-1) 27.8 7.59 94.6 50



2.3.3 Material vegetal y establecimiento del experimento

El experimento se llevó a cabo en los invernaderos de la Facultad de Ciencias Agrarias de

la Universidad Nacional de Colombia, sede Bogotá. Se tomaron macetas de 20 cm de

diámetro y 20 cm de alto en las cuales se colocó 2 kg de suelo secado al aire bajo

invernadero durante un mes. Se aplicó una dosis de cadmio que permitiera inducir

síntomas de estrés asociados a este metal como la reducción de tamaño y el número de

hojas Sehar et al., (2018); se utilizaron 10 mg CdCl2 Kg-1 que se agregaron

homogéneamente a la superficie de suelo expuesto en cada matera con 50 mL de una

disolución de 0.716 g CdCl2 L-1 y se dejó una semana en reacción. Posteriormente, a las

dos semanas de la aplicación de CdCl2, se realizó el trasplante de una plántula de lechuga

(Lactuca sativa var. vera) por matera, con 30 días de emergencia y 4 hojas verdaderas

procedentes de vivero de propagación comercial. Se establecieron cinco experimentos,

cada uno con un tipo de suelo y biocarbón fabricado con desechos orgánicos de la misma

zona donde se tomó la muestra de suelo a evaluar (Tabla 2-2).

En cada experimento se evaluaron 6 tratamientos con cuatro repeticiones que consistieron

en una dosis de biocarbón de (3, 6, 9 y 12 ton ha-1), un control y un tratamiento con

fertilización convencional a los 15 días después del trasplante (ddt), tomando en cuenta

los requerimientos nutricionales de la lechuga y el contenido de nutrientes de cada uno de

los suelos. Los requerimientos que se tomaron como referencia son los siguientes: 95 kg

ha-1 de N, 35 kg ha-1 de P2O5, 150 kg ha-1de K2O, 50 kg ha-1de Ca2O y 40 kg ha-1de MgO

(Salinas, 2013). Cada experimento consta de 24 materas para un total de 120 materas, en

los 5 experimentos se aplicó riego por goteo con un coeficiente de uniformidad de 89.3 %

el cual aportó 384 mL por planta cada semana.

2.3.4 Variables de crecimiento y Desarrollo

Se determinó cada 15 días el número de hojas y la altura de la planta en cm medida desde

la base del cogollo hasta la altura máxima que alcanzan las hojas con ayuda de una regla.

El área de cobertura del follaje (canopy) de la planta se determinó por medio de fotografías

tomadas a 60 cm acorde a la metodología empleada por (Gheshm & Brown., 2018), las

Capítulo 2 77

cuales fueron procesadas con el software ImageJ®. Se midió la longitud de raíz, peso

fresco y seco al día 60 ddt (días después de trasplante). Para el peso seco de hojas y raíz,

se llevaron las estructuras a la estufa de secado a 75 °C por 24 horas. Luego se pesó en

balanza analítica con los datos de peso seco se determinó la relación de peso foliar (RPF)

con la siguiente fórmula:

RPF= (Peso seco hojas/peso seco total) *100 (1)

Tabla 2-2. Descripción de los cinco experimentos (tipo de suelo y biocarbón).

Experimento: Tipo de suelo + Biocarbón

SA + BC SF + BCP SF + BRP ST + BP SU + BTR

Tratamientos

0 ton ha-1 BC (control)

0 ton ha-1 BCP (control)

0 ton ha-1 BRP (control)

0 ton ha-1 BP (control)

0 ton ha-1 BTR (control)

3 ton ha-1 BC 3 ton ha-1 BCP 3 ton ha-1 BRP 3 ton ha-1 BP 3 ton ha-1 BP




Fertilización convencional





2.3.5. Variables fisiológicas

Se realizó la medición de contenido relativo de clorofila con el SPAD CCM-200® (ADC,

2017). Se midió la conductancia estomática de 8 a 11 am, con un porómetro de hoja SC-1

(Decagon Devices, USA), con calibración previa de las condiciones ambientales del lugar.

La valoración se realizó en la hoja 5-6 los días 15, 30, 45 y 60 ddt.



2.3.6 Valoración de Cadmio Total

Se valoró el contenido de cadmio total presente en los tejidos de las hojas de las plantas

que alcanzaron punto de cosecha comercial. Utilizando el método de digestión ácida, con

una solución de ácido nítrico: ácido perclórico en relación 4:1. Se tomaron 3 g de muestra

de tejido vegetal (precisión de 0.0001g), luego se agregaron 24 mL de ácido nítrico (HNO3)

concentrado al 65% y 6 mL de ácido perclórico (HClO4) concentrado al 56%. La disolución

total del tejido, se realizó en placa de calentamiento a 220 °C y se llevó la muestra a

sequedad, una vez se alcanzó temperatura ambiente se agregaron 10 mL de agua

desionizada, para hacer un filtrado por gravedad en balones aforados de 25 mL. Luego, se

midió la muestra en un equipo espectrofotómetro de absorción atómica marca UNICAM,

modelo AA969, a una longitud de onda de 228.8 nm.

2.3.7 Análisis de datos y modelo estadístico

Se estableció un diseño completamente aleatorizado (DCA) para cada experimento con 4

macetas (repeticiones) por tratamiento, con 24 unidades experimentales por experimento

para un total de 120 materas. Se realizó transformación de los datos que no presentan

normalidad y se realizó se sometieron a un análisis de la varianza (ANOVA) y la prueba de

comparaciones múltiples de Tukey (p valor < 0.05) en búsqueda de diferencias entre los

tratamientos por medio del software estadístico R Studio.

Se realizó un análisis de componentes principales (ACP), para determinar las variables

más relevantes en las plantas a tener en cuenta como indicadores del efecto de las

enmiendas de biocarbones en suelos disímiles, se utilizaron los datos de diez variables del

último muestreo, verificando los supuestos de ausencia de valores atípicos, tamaño

muestral superior al número de variables, correlación y linealidad entre variables.

Capítulo 2 79

2.4 Resultados y Discusión

2.4.1 Efecto de la aplicación de biocarbón en crecimiento y desarrollo vegetal de lechuga

En el experimento SU+BTR no se encontraron diferencias significativas con la aplicación

de BTR en el peso fresco, aunque se mostró una tendencia con el aumento de la dosis de

biocarbón, esto se debe a la fertilidad de este tipo de suelo, el cual recibe constantemente

nutrientes de los sistemas de fertiirrigación en la producción de rosas. En el experimento

SA + BC se presentaron diferencias significativas por la aplicación de BC, se encontró que

hubo un mayor crecimiento entre las plantas con biocarbón y las que reciben los

fertilizantes desde dosis de 6 ton ha-1. En el experimento SF + BCP y SF + BRP, no se

encontraron diferencias significativas en el peso fresco con la aplicación de los

biocarbones. Por último, en el experimento ST + BP, se encontró que el tratamiento control

y fertilizado presentó un menor crecimiento que las plantas con biocarbón.

Resultados asociados al biocarbón de tallos de rosas (BTR) en el Umbrisol

El experimento SU+BTR presentó un menor tiempo de cosecha con 45 días después de

trasplante mientras que los demás experimentos se cosecharon a los 60 días; durante los

muestreos se encontró una mayor altura y número de hojas con respecto al control Figura

2-1 y 2-2. Además, posterior a la cosecha se encontró un mayor peso fresco y peso seco

de las hojas y raíces frente al tratamiento control Tabla2-3. No se encontraron reportes en

la literatura de biocarbones procedentes de tallos de rosas o plantas ornamentales. Sin

embargo, se han reportado aumentos en longitud de raíces y en pesos secos en maíz

asociados al aumento materia orgánica y de iones Ca2+ y Mg2+, al aplicar compost

elaborado a partir de tallos y raíces de rosas (Daza et al., 2014).



Los resultados positivos en términos agronómicos de estos compostajes a partir de

desechos de rosas, están asociados a que esta enmienda presenta valores de: 42 a 51 %

de materia orgánica, relación C:N menor a 20, pH de 5.5 a 8.0, conductividad eléctrica

menor a 3 ds m-1, CIC entre 97 a 151 (cmol (+) kg-1) (Idrovo et al., 2018; Idrovo et al., 2019).

Teniendo en cuenta los resultados encontrados en el capítulo 1, propiedades como la CIC

de 39.13 CIC (cmol (+) kg-1), los contenidos de nutrientes, el porcentaje de cenizas de un

54.25 %, la capacidad de retención de humedad del 77.50 % y porosidad del 81.65%,

presentes en el biocarbón de tallo de rosa, sugieren que esta enmienda tiene potencial

para mejorar la producción del cultivo de lechuga. Sin embargo, de los biocarbones en

estudio BTR presentó los mayores valores en la conductividad eléctrica (1.66 dS m-1), por

lo que se debe tener precaución de aplicarlo continuamente en altas dosis para evitar

afectar las condiciones de salinidad natural del suelo. Por tanto, se deben hacer estudios

en campo para estimar la dosis optima de aplicación y su uso se debe restringir a suelos

no salinos (0 – 1.1 dS m-1) y ligeramente salinos (1.2 – 2.4 dS m-1) acorde a la clasificación

establecida por (Dahnke & Whitney, 1988).

Resultados asociados al biocarbón de pulpa de café (BC) en el andosol

El experimento SA+BC mostró plantas de lechuga con mayor altura, área canopy, longitud

de raíz, pesos secos y frescos de raíz y parte aérea con el uso de biocarbón de pulpa de

café frente al control. Esto corrobora los resultados del capítulo 1, donde se sugirió el

potencial agronómico del biocarbón de café por su alta CIC (41.13 cmol (+) kg-1) y pH (9.75)

alto; de hecho, SA+BC mostró los mejores resultados al adicionar biocarbón frente a los

tratamientos control y fertilización, incrementando el peso fresco desde un 238 % a dosis

de 3 ton ha-1 hasta un 323% a dosis de 12 ton ha-1 %. Estudios similares han reportado

que el biocarbón de café contiene nitrógeno, fósforo, hierro, calcio y potasio, además de

retener iones fósforo y magnesio; presenta un pH de 9.9, retención de agua entre el 4.5 al

35 %, C.E menor a 2 dS m-1 y una relación C:N de 28, propiedades deseables en una

enmienda (Tangmankongworakoon, 2019; Shin et al., 2020; Li et al., 2020a).

Previamente De Sousa et al. (2018) encontró que el peso fresco del maíz era igual en el

tratamiento con biocarbón de cáscara de café y con fertilización convencional en suelos

Capítulo 2 81

arenosos, vinculando estos resultados a la alta superficie específica de los biocarbones de

café que permite retener agua, nitrógeno y fósforo, al aumento en el pH del suelo y a la

presencia de cenizas que aportan nutrientes como el potasio.

El aumento de nutrientes, la CIC y el ajuste del pH que potencialmente generó BC fueron

favorables para el crecimiento de lechuga; se ha sugerido que el aumento en la capacidad

de intercambio catiónico, en la materia orgánica y el ajuste de pH entre 5.5 a 6.5 aumentan

la disponibilidad de nutrientes en raíz, lo que genera un mayor contenido de minerales, y,

por ende, un aumento en el crecimiento y desarrollo de lechuga (Pinto et al., 2014; Cervera

et al., 2019; Abedin et al., 2021). Algunas enmiendas generan en lechuga un aumento en

la longitud de raíz y biomasa en fresco pueden generar también un aumento en el

contenido de proteínas y de la enzima rubisco (Wahid et al., 2021), favoreciendo el

metabolismo de la planta.



Figura 2-1 Altura promedio de las plantas de lechuga. (A) SA +BC, (B) SF+BCP, (C) SF+

BRP, (D) ST+BP y (E) SU+BTR.

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Capítulo 2 83

Figura 2-2. Área del canopy promedio de las plantas de lechuga. (A) SA+BC (B) SF+BCP, (C) SF+BRP, (D) ST+BP y (E) SU+BTR.

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Tabla 2-3 Promedios para longitud de raíz, peso fresco de la parte aérea (PF Aéreo), peso fresco de raíz (PF Raíz), peso seco de parte aérea (PS Aéreo), Peso seco de raíz (PS Raíz) y razón de peso foliar (RPF) a los 60 días después de trasplante.

Suelo Biocarbón Tratamiento

Promedio Longitud raíz

(mm)

Promedio PF Aéreo

(g)

Promedio PF Raíz

(g)

Promedio PS Aéreo

(g)

Promedio PS Raíz

(g) Promedio

RPF

SA BC

Control 11.23 bc 12.88 c 1.72 d 5.79 d 0.12 c 0.86 ab

Fertilizado 8.50 c 12.84 c 2.44 d 6.00 d 0.32 c 0.84 b

3 ton ha-1 15.38 a 44.38 b 5.60 c 8.71 c 0.73 b 0.89 a

6 ton ha-1 15.05 a 49.04 ab 9.83 ab 10.05 bc 1.49 a 0.83 b

9 ton ha-1 12.75 ab 44.42 b 9.08 b 10.41 ab 1.93 a 0.83 b

12 ton ha-1 12.83 ab 55.07 a 12.05 a 11.92 a 2.12 a 0.82 b

SF

BCP

Control 5.25 a 0.57 c 0.57 a 0.11 a 0.08 a 0.52 b

Fertilizado 10.23 a 4.45 ab 1.49 a 0.78 a 0.29 a 0.78 ab

3 ton ha-1 6.15 a 1.46 bc 0.84 a 0.22 a 0.12 a 0.60 ab

6 ton ha-1 5.57 a 3.80 ab 0.73 a 0.21 a 0.12 a 0.78 ab

9 ton ha-1 6.88 a 2.52 abc 1.01 a 0.26 a 0.13 a 0.65 ab

12 ton ha-1 2.06 a 5.73 a 0.72 a 0.32 a 0.18 a 0.89 a

BRP

Control 3.40 c 2.39 a 0.67 c 0.39 a 0.12 b 0.76 ab

Fertilizado 4.45 bc 4.99 a 0.80 c 0.48 a 0.12 b 0.85 b

3 ton ha-1 6.00 abc 8.15 a 6.22 a 1.09 a 1.07 a 0.55 a

6 ton ha-1 7.78 a 6.08 a 2.09 b 1.01 a 0.64 a 0.61 b

9 ton ha-1 7.33 ab 5.64 a 2.42 b 0.76 a 0.31 a 0.61 b

12 ton ha-1 7.30 ab 6.75 a 2.58 b 0.87 a 0.33 a 0.73 b

ST BP

Control 5.30 a 10.93 a 2.83 a 2.86 a 0.90 a 0.79 ab

Fertilizado 5.45 a 9.32 ab 1.59 ab 2.29 a 0.48 ab 0.84 ab

3 ton ha-1 6.83 a 4.73 b 2.46 a 0.77 b 0.82 a 0.64 b

6 ton ha-1 7.08 a 7.04 ab 1.79 ab 1.15 b 0.57 ab 0.80 ab

9 ton ha-1 6.23 a 6.06 ab 0,.73 b 1.09 b 0.21 b 0.88 a

12 ton ha-1 7.25 a 5.11 b 2.04 a 0.99 b 0.40 ab 0.73 ab

SU BTR

Control - 76.96 a 83.74 a 1.49 a 0.03 b 0.56 a

Fertilizado - 165.10 a 103.46 a 1.53 a 0.70 ab 0.38 a

3 ton ha-1 - 103.83 a 61.06 a 1.43 a 0.40 ab 0.44 a

6 ton ha-1 - 192.57 a 108.03 a 1.69 a 0.92 ab 0.37 a

9 ton ha-1 - 153.33 a 87.19 a 1.60 a 0.79 ab 0.36 a

12 ton ha-1 - 194.33 a 98.92 a 1.60 a 1.24 a 0.36 a

Resultados asociados al biocarbón de cuesco de palma (BCP) y raquis de palma (BPR) en

el ferralsol

En SF+BRP se observan mayores valores en las variables de crecimiento frente a SF+BCP

con un 20% más de peso fresco, estos resultados se deben a la diferencia en pH de los

materiales (Tabla 1-3) mientras que BRP tiene un pH básico de 10.19, BCP tiene un pH

cercano a la neutralidad de 7.62, permitiendo que BRP corrigiera la acidez natural de los

Capítulo 2 85

suelos Ferralsoles; además BRP cuenta con tres veces más CIC que BCP, generando una

mejor fertilidad para las plantas en suelos ferralsoles.

En cuanto a las dosis de biocarbón en SF+BRP estas presentaron una mayor altura, peso

fresco y seco de raíz, y RPF frente al control, pero no frente a la fertilización convencional.

De modo similar, en SF+BCP se observó mayor peso fresco aéreo y RPF frente al control

(Tabla 2-3) pero no frente a la fertilización. En plántulas de palma aceitera, el mismo

comportamiento se ha vinculado a aumentos de pH de 0.59, a mayores cantidades de

carbono, nitrógeno, calcio, magnesio, potasio, a la mejora en la capacidad de intercambio

catiónico, a la relación de C:N (de 9.7 a 17.5), a la capacidad retención de agua (de 16.7

% a 17.5 %) y mayores nutrientes (Radin et al., 2017). Así mismo, se ha encontrado que

el biocarbón de pulpa de almendra de palma de aceite tiene buenos contenidos de

nitrógeno y potasio, aunque la liberación es menor frente a los fertilizantes convencionales

(Domínguez et al., 2020).

Resultados asociados al biocarbón de residuo de poda (BP) en el tecnosol

ST+BP presentó menor altura, área canopy y peso seco aéreo para el tratamiento

fertilizado y el control. Al adicionar biocarbón de residuos de poda de coníferas, French et

al., (2018) y Schmidt et al., (2014) no encontraron efecto en tomate y uva, mientras que

Deenik et al. (2010); Van Zwieten et al. (2010); Borchard et al. (2014) encontraron

disminuciones en variables de crecimiento y desarrollo en lechuga, maíz, trigo y soja. Estas

disminuciones en el crecimiento para el biocarbón de poda pueden estar asociadas con la

relación C: N 64.68 (capítulo 1) que promueve una inmovilización de nitrógeno, un cambio

en los microorganismos del suelo y a un pH de 8.75 que no es suficiente para enmendar

las condiciones ácidas del suelo Tecnosol (Tabla 2-1).

Resultados similares se han encontrado con el uso de biocarbón procedente de poda de

olivo, que ha presentado disminuciones en masa aérea e inflorescencia en brócoli, y en

peso seco total, porcentaje de granos en trigo debido a la disminución del nitrógeno

disponible, a una alta conductividad eléctrica de 7.24 dS m-1, a un pH de 11, a una relación

C:N de 62 y a la presencia de sustancias fenólicas y aleloquímicas (Ibáñez et al., 2020;

Albuquerque et al., 2013; Nieto et al., 2016; Campos et al., 2020).

https://www-sciencedirect-com.ezproxy.unal.edu.co/science/article/pii/S0929139316304954#bbib0220



Aunque estos resultados muestran efectos negativos inmediatos por el uso de biocarbón

de poda fabricado en esta investigación, se debe tener en cuenta que previamente se ha

reportado biocarbones procedentes de residuos de poda de áreas urbanas que presentan

valores de pH de 9.6, conductividades eléctricas de 0,6 dS m-1, presencia de ácidos fúlvicos

y una elevada área superficial con un posible potencial como enmienda agrícola (Simón et

al., 2018). Además, es posible optimizar el efecto del biocarbón aplicándolo junto con

fertilizante generando aumentos en el crecimiento y desarrollo de Brócoli (Ibáñez et al.,

2020). Esta combinación mantendría una mayor concentración de nitrógeno, fósforo y

potasio en el suelo para el crecimiento de las plantas (Alves et al., 2019). Sin prescindir de

evaluaciones para cada biocarbón y sus combinaciones con fertilizantes pues se puede

afectar la actividad microbiológica (Kopéc et al., 2018) u otras condiciones que generen

efectos negativos en el suelo.

Efectos fitotóxicos del cadmio en las plantas de lechuga

Las enmiendas que retienen Cd2+ permiten una mejora en las propiedades químicas del

suelo (Tang et al., 2018; Woldetsadik et al., 2016), por ejemplo, mejoran las condiciones

de pH haciendo que el Cd2+ no esté disponible en el suelo (Zheng et al., 2017), esto se

presentó en SA+BC y en SU+BTR. Por otra parte, se observaron resultados de bajo

desempeño por parte de SF+BCP y SF+BRP debido, no solo a las características del

biocarbón usado, ya el suelo presenta la baja materia orgánica, bajo valor de pH y acidez

intercambiable típico de los suelos ferralsoles procedentes del Meta (anexo 2).

Una disminución en variables de crecimiento en lechuga, (altura de planta, área canopy,

longitud de raíz, pesos frescos y pesos secos de raíz y parte aérea), se asocian a una

disminución en la toma de nutrientes por parte de la planta y al estrés por Cd2+ (Yazdi et

al., 2019; Matraszek et al., 2016), situación que se asocia a los menores valores de pH en

los suelos. Las condiciones de estrés observadas en los experimentos con biocarbón de

palma y de residuos de poda posiblemente se deben al estrés oxidativo, previamente se

ha reportado como plantas de lechuga en suelos podzoles contaminados por cadmio

aumentan el contenido de Malondialdehído indicador del proceso de peroxidación lipídica,

Capítulo 2 87

estas condiciones de estrés se manifiestan en una menor longitud, número de hojas, área

foliar y peso (Loi et al., 2018). Del mismo modo, el aumento en la actividad de

fitoquelatinas, catalasa, peroxidasa y superóxido dismutasa, típico en condiciones de

estrés por metales pesados generan daños en los lípidos de las membranas proteínas

ácidos nucleicos y pigmentos (Kolahi et al., 2020).

Se ha demostrado que la reducción de longitud de raíz es causada por la interferencia de

metales pesados en el proceso de división celular, generando aberraciones cromosómicas

y mitosis anormal (Yazdi et al., 2019). En el experimento SF+BRP si bien no se encontró

un efecto inmediato, a pesar de su potencial agronómico (altos valores de CIC, pH y

contenido de nutrientes cap. 1), se debe ampliar su estudio para descartar la presencia de

sustancias fitotóxicas que pudieran alterar la biología del suelo o realizar experimentos a

mayores dosis de biocarbón, para enmendar las condiciones de baja fertilidad y acidez del

suelo.

Finalmente, con los biocarbones que se presentaron bajos resultados (cuesco de palma y

residuos de poda), se debe tener en cuenta que su efecto se puede potenciar con la adición

en mezcla con compost (Abideen et al., 2020; Alves et al., 2019; Faloye et al., 2019) para

mejorar el crecimiento y desarrollo en cultivos frente a los fertilizantes (Radin et al., 2017;

Adnan et al., 2017). Esto porque se mejora la disponibilidad de fósforo, evita la pérdida de

carbono, aumenta la eficiencia en el uso de nutrientes y mejora la actividad biológica

(Fisher et al., 2012; Agegnehu et al., 2016; Radin et al., 2017). El compost mezclado con

biocarbón genera una sinergia por la interacción de moléculas orgánicas con carbonos

oxidados, mediante enlaces de hidrogeno que resulta en una mayor hidrofilicidad, y

mesoporosidad, que fortalece las interacciones biocarbón agua y mejora la retención de

nutrientes (Hagemann et al., 2017).

2.4.2 Efectos del biocarbón en la fisiología Vegetal de lechuga

En la Figura 2-3 no se observan diferencias en la conductancia estomática para SA+BC,

SF+BCP y ST+BP, mientras que en SF+BRP es mayor y en SU+BTR es menor para los

tratamientos con biocarbón; se ha encontrado valores de conductividad estomática

menores en lechuga cuando se presenta una alta disponibilidad de agua debido a una

mayor toma de nutrientes (Majid et al., 2021). Por otra parte, en condiciones de estrés



hídrico, en suelo a 30 % de capacidad de campo, se encontró una disminución en la

conductancia estomática (Galieni et al., 2015), siendo posible que en SA+BC, SF+BCP y

ST+BP el biocarbón no aumentaran la disponibilidad de agua, lo cual coincide con los

biocarbones de menor capacidad de retención de humedad (Tabla 1-4, Cap. 1). Mientras

que, SF+BRP y SU+BTR biocarbones con una capacidad de retención de humedad > 75%,

mostraron un aumento en la disponibilidad de agua para las plantas de lechuga.

Se sabe que el biocarbón aumenta la retención de agua en diferentes tipos de suelo (Xiao

et al., 2016; Günal et al., 2018; De Sousa et al., 2018) aunque en algunos puede no

encontrarse diferencias relacionadas dependiendo del tipo de biocarbón utilizado

(Somerville et al., 2019; Paneque et al., 2016). En el experimento del biocarbón de cuesco

de palma (SF+BCP) podemos asociar el comportamiento con una menor capacidad de

retención de agua o de cadmio, por lo que la lechuga tomaría menor agua o cerraría

estomas para evitar la entrada de cadmio, generando estrés hídrico en la planta. Por el

contrario, con el uso de biocarbón de tallos de rosa SU+BTR se pudo mejorar la condición

hídrica o disminuir la disponibilidad de cadmio, permitiendo un mejor estado hídrico en la

planta con biocarbón. En suelos con estrés por metales pesados se ha encontrado una

disminución la conductancia estomática al estar presente el biocarbón que aumenta la

capacidad de retención de agua y promueve una absorción controlada de agua (Paneque

et al., 2016; Silva et al., 2019).

Capítulo 2 89

En general el índice de clorofila (Figura 2-4) fue menor para los tratamientos con biocarbón

y se redujo con el aumento en la dosis. Se ha encontrado que aumentos en la dosis de

Figura 2-3 Conductancia estomática promedio de las plantas de lechuga. (A) SA+BC, (B) SF+BCP, (C) SF+BRP (D) ST+BP y (E) SU+BTR.

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En general el índice de clorofila (Figura 2-4) fue menor para los tratamientos con biocarbón

y se redujo con el aumento en la dosis. Se ha encontrado que aumentos en la dosis de

biocarbón aumentan o mantienen constantes los valores de clorofila (Gale et al., 2019).

Disminuciones de clorofila al aplicar biocarbón pueden tener lugar si disminuye la cantidad

de nitrógeno o magnesio, si hay estrés hídrico (Safahani et al., 2019), o cuando hay

aumento en área foliar y número de hojas (Gale et al., 2019). Por otro lado, se han

reportado disminuciones en el contenido de clorofila en lechugas expuestas a

concentraciones de 5 a 100 mg kg-1 Cd2+ (Loi et al., 2018). El Cd2+penetra las raíces vía

apoplasto y simplasto, y es distribuido hasta los brotes transportadores de la membrana

plasmática de las raíces (Hamid et al., 2020). Puede causar estrés oxidativo porque

compite con los nutrientes disponibles para la planta y reemplaza los sitios de unión de

iones en las proteínas, afectando la síntesis de clorofila, los procesos metabólicos y la

estabilidad celular (Irfan et al., 2013; Tang et al., 2018).

Se observó un aumento y luego una disminución en el contenido de clorofila del control

asociado al estrés por Cd2+, indicando que inicialmente aumentan los procesos catabólicos

frente a los anabólicos con la alteración del normal funcionamiento, y luego se presenta un

proceso de adaptación y regulación en la planta (Wahid et al., 2021).

Capítulo 2 91

Figura 2-4. Índice de Clorofila promedio de las plantas de lechuga. A) SA+BC, (B) SF+BCP, (C) SF+BRP, (D) ST+BP y (E) SU+BTR.

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2.4.3 Análisis de cadmio en la planta.

La lechuga es una especie que presenta sensibilidad en el crecimiento al estar expuesta a

Cd2+ por su alta absorción y translocación (Azzi et al., 2017; Fang et al., 2019; Yazdi et al.,

2019) por lo que es utilizada en estudios de contaminación de cadmio (Tang et al., 2016).

En la Figura 2-5 se puede observar la concentración de cadmio en tejido foliar de lechuga

para los experimentos que alcanzaron punto de cosecha (SA+BC y SU+BTR). Se encontró

para BC una alta correlación negativa (r2=0.85) entre la disminución de la concentración

de cadmio en la planta frente al aumento en la dosis de biocarbón, generando una

reducción del 50.61% de cadmio en la planta. Igualmente, se encontró alta correlación

negativa entre BTR y la disminución de cadmio (r2=0.97), generando una reducción en la

concentración de cadmio del 37.34%. Aunque ambas concentraciones de cadmio están

por encima de lo permitido por la Unión Europea para hortalizas de hoja (0.2 mg kg-1) (Ruíz,

2011), podemos observar el potencial del biocarbón para mejorar la calidad de los

alimentos que consumimos al disminuir las concentraciones de cadmio.

Se han reportado cantidades de 3.62 mg kg-1 a 1.64 mg kg-1 de Cd2+ en peso seco, en

lechugas expuestas a 1.87 mg kg-1 de Cd2+ en un suelo limoso (Tang et al., 2016). Así

mismo, se han reportado valores de 5.47 mg kg-1 de Cd2+ en peso seco de Lactuca

sativa var. longifoliaf. Lam, al ser expuesta a 2.12 mg kg-1 de Cd2+ en un suelo limo arcilloso

(Fang et al., 2019). Se vincula la baja absorción de cadmio en SU+BTR a la alta presencia

de materia orgánica y arcillas del suelo (ver Tabla 2-1), ya que los ligandos orgánicos de

la materia orgánica influyen en la sorción, biodisponibilidad y toxicidad del Cd2+, mientras

que los minerales arcillosos, carbonatos u óxidos hidratados de hierro y manganeso o

puede precipitar el cadmio como carbonato, hidróxido y fosfato de cadmio (UNEP, 2010).

Además, el área de superficie específica de las partículas del suelo y su capacidad para

unirse con metales traza aumentan a medida que disminuye el tamaño de las partículas

(Li et al., 2020b).

Capítulo 2 93

Figura 2-5 Concentraciones de cadmio en el tejido foliar en los experimentos que alcanzaron punto de cosecha (SA+BC y SU+BTR).

Los biocarbones de endocarpio de café, de desechos de palma datilera y de residuos de

poda pueden adsorber cadmio (Li et al., 2020a; Usman et al., 2016). Esto gracias a que el

biocarbón genera la precipitación como oxi-hidróxidos, la formación de complejos con

grupos funcionales activos para fijar los metaloides, el cambio en el pH del suelo

(Maneechakr et al., 2020; Caporale et al., 2014; Simón et al., 2018). En este caso se omitió

la medición en BRP, BCP y BP por no haber llegado a punto de cosecha.

BC presentó una mayor absorción de cadmio frente a BTR debido a que el suelo Andosol,

presentaba un pH de 5.3 que permite una mayor disponibilidad de cadmio. Además, se

asocia una mayor absorción de cadmio en los biocarbones con una alta porosidad (Sajjadi

et al., 2020), en el capítulo 1 (Tabla 1-4) se encontró que la porosidad es mayor al 70 %

en los biocarbones excepto para el cuesco de palma (50 %). Los resultados encontrados

sugieren una disminución en la absorción de cadmio por parte de la planta con el uso de

biocarbón de tallo de rosa y pulpa de café. No obstante, no se debe desestimar el potencial

del biocarbón de raquis de palma y residuo de poda, para reducir el estrés por cadmio y

se sugiere evaluar las concentraciones de cadmio cuando se alcance el punto de cosecha

al implementar otros manejos como una mayor dosis, mezclas con fertilizantes



convencionales, mezclas con otras enmiendas como compost y lombricomposta, o

simplemente en otro tipo de suelo.

2.4.4 Variables indicadoras

Con el fin de determinar las variables relevantes a medir para el segundo ciclo de siembra,

se realizó un Análisis de Componentes Principales, donde se pueden observar las

contribuciones de las variables del experimento en la varianza total de cada una de las

dimensiones; en la Figura 2-6 se observa que las mayores contribuciones (58.1%)

correspondientes a la dimensión 1 son dadas por las variables altura, número de hojas,

peso fresco de la raíz, peso seco de la raíz, peso fresco de las hojas y peso seco de las

hojas. Mientras que, las variables conductancia estomática y contenido relativo de

clorofilas son las que contribuyen con la varianza (13 %) de la dimensión 2. Por último, el

contenido relativo de agua y la temperatura de las hojas explican la varianza (10.1%) de la

dimensión 3.

Figura 2-6 Porcentaje de varianza y aportes a cada dimensión de las variables

Adicionalmente, cuando observamos los gráficos factoriales para las dimensiones 1-2, se

puede denotar la correlación alta entre las variables asociadas a la dimensión 1 (Figura 2-

7). Estos resultados sugieren que se pueden utilizar como variables indicadoras la altura,

número de hojas, las cuales están relacionadas la comercialización de la lechuga (Zolezzi

Capítulo 2 95

M. et al., 2017). Por otra parte, la conductancia estomática y la temperatura de la hojas se

han usado previamente como variable indicadora de condiciones de estrés hídrico de las

plantas de lechuga en modelos computarizados para de uso eficiente de irrigación

(Adeyemi et al., 2018).

Figura 2-7 Círculo de correlación de las primeras dos dimensiones de los componentes principales.

3.5 Conclusiones

El experimento realizado con el suelo andosol del Tolima enmendado con biocarbón de

café SA+BC, mostró los mejores resultados en crecimiento y desarrollo para lechuga al

adicionar biocarbón frente a los tratamientos control y fertilización, incrementando el peso

fresco desde un 238 % a dosis de 3 ton ha-1 hasta un 323% a dosis de 12 ton ha-1 %. El

biocarbón de tallo de rosa (BTR) generó un mejor estado hídrico en el suelo, que se vio

reflejado en la conductancia estomática.



Las lechugas cultivadas en SA + BC presentaron una menor absorción de cadmio en las

hojas, a dosis de 12 ton ha-1 BTR se redujeron las concentraciones de cadmio en un

50.61%. Del modo similar, las lechugas sembradas en SA + BC a dosis de 12 ton ha-1 BC

se redujeron las concentraciones de cadmio en un 37.34% lo cual se debe a una posible

adsorción o retención de cadmio por los biocarbones de pulpa de café y tallos de rosas y

a una mejora en propiedades del suelo como la porosidad y pH.

El uso de biocarbón de raquis (BRP) y cuesco (BCP) de palma en el suelo del Meta, no

mostraron mejores resultados con respecto a los controles, aunque se observaron mejores

resultados con BRP con respecto a BCP en el suelo ferralsol, ya que presentó 3 veces

más área de cobertura de follaje (canopy), lo cual se debe a que este biocarbón tiene un

mayor contenido de nutrientes y un pH básico que mejora las condiciones ácidas de los

ferralsoles. Por otra parte, el suelo tecnosol de Bogotá con biocarbón de residuo de poda

ST+BP presentó disminución en el peso de fresco en un 90.85% y un aumento en la

conductancia estomática reflejando mayores condiciones de estrés. Se recomienda

realizar investigaciones con la adición de compost o de fertilizante que permita mejorar el

desempeño de BCP y BP o destinarlos a usos ambientales como el secuestro de carbono.

Finalmente, se sugiere el uso de la lechuga como planta indicadora de los efectos de los

biocarbones usados como enmienda agrícola teniendo en cuenta que la altura, el número,

peso fresco y seco de hojas indican en mayor medida los resultados de las enmiendas con

biocarbón.

Capítulo 2 97

2.6 Bibliografía

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3

110 Efecto de enmiendas con biocarbones sobre propiedades

físicas, químicas y Fitoabsorción de Cadmio en suelos disímiles sembrados con lechuga

CAPÍTULO 3. Efecto de la aplicación de biocarbón en las propiedades

físicas y químicas de suelos disímiles contaminados con cadmio

Capítulo 3 111

3.1Resumen y Abstract

3.1.1 Resumen

En la actualidad, la degradación de los suelos es un problema que reduce o elimina las

funciones del suelo para soportar servicios ecosistémicos esenciales para el bienestar

humano. Como alternativa de solución en los últimos años se ha investigado el uso de

biocarbón, ya que sus propiedades fisicoquímicas son de utilidad para enmendar las

propiedades del suelo. El objetivo de esta investigación fue determinar en suelos disímiles

Ferralsol, Umbrisol, Andosoles y Tecnosoles los efectos de la aplicación de biocarbones,

fabricados a partir de deshechos agroindustriales de raquis de palma, tallos de rosa, pulpa

de café y residuos de poda disponibles en la zona agroecológica de los suelos bajo estudio.

Se determinó la densidad aparente y real, porosidad, capacidad de retención de humedad,

pH, CIC, carbono orgánico conductividad eléctrica, bases intercambiables, aluminio

intercambiable, fósforo disponible y nitrógeno mineral y orgánico. Se encontró que los

biocarbones mejoran la densidad aparente, densidad real, porosidad, y capacidad de

retención de humedad en proporción a la dosis aplicada mostrando mayor impacto en los

suelos arenosos (Andosol y Ferralsol). Del mismo modo, propiedades químicas como el pH,

la CIC, carbono orgánico mejoraron. El biocarbón de tallo rosas presentó alta conductividad

eléctrica y contenido de sodio, por lo que a dosis de 12 ton ha-1 se sugiere un uso cauto o

restringirlo a cultivos tolerantes a la salinidad. El nitrógeno se redujo en el Tecnosol por la

alta relación carbono nitrógeno del biocarbón de residuo de poda. El biocarbón de raquis de

palma mejora las propiedades del suelo Ferralsol. Sin embargo, no es suficiente para el

adecuado desarrollo de lechuga por lo que es necesario investigar su efecto después de

varios periodos de siembra o en mezcla con otras enmiendas orgánicas para mejorar el

desempeño agronómico de esta enmienda. En general la aplicación de biocarbones en

suelos disímiles mostraron resultados positivos en las propiedades físicas y químicas del

suelo y se encontró que los biocarbones de pulpa de café y tallo de rosa mitigan el estrés

por cadmio en andosoles y umbrisoles en plantas de lechuga.

Palabras Claves: Biocarbón Pirólisis, Enmienda de suelos, remediación de suelos,

propiedades físicas y químicas del suelo.



3.1.2 Abstract:

Currently, soil degradation is a problem that reduces or eliminates soil functions, to support

ecosystem services essential for human well-being. The use of biochar has been

investigated as an alternative solution in recent years, since its physical chemical properties

have been useful for amending soil properties. The objective of this research was to

determine in dissimilar soils: Ferralsols, Umbrisols, Andosols and Technosols the effects of

the application of biochars, manufactured from agro-industrial wastes of palm rachis, rose

stems, coffee pulp and wood waste available in the agroecological area of the soils under

study. Bulk and real density, porosity, moisture retention capacity, pH, cation exchange

capacity, organic carbon, electrical conductivity, interchangeable bases, interchangeable

aluminum, available phosphorus and mineral and organic nitrogen were determined.

Biochars were found to improve bulk and real density, porosity, and water holding capacity

in proportion to the applied dose and with a greater impact on sandy soils (Andosol and

Ferralsol). Similarly, chemical properties like pH, CEC, organic carbon improved. The rose

stem biochar had high electrical conductivity and sodium content, so at a dose of 12 ton ha-

1 it is suggested to use it with caution or to restrict it to salinity-tolerant crops. Nitrogen was

reduced in Tecnosol due to the high carbon-nitrogen ratio of the wood waste biochar, the

palm rachis biochar improves the properties of the Ferralsol soil. However, it is not enough

for the proper development of lettuce, so it is necessary to investigate its effect after several

sowing periods or in a mixture with other organic amendments to improve the agronomic

performance of this amendment. The application of biochars in dissimilar soils showed

positive results in the physical and chemical properties of the soil, and the biochars of coffee

pulp and rose stem mitigate cadmium stress in andosols and umbrisols in lettuce plants.

Keywords: Biochar, Pyrolysis, Soil Amendment, Soil Remediation chemical and physical

properties of soil.

Capítulo 3 113

3.2 Introducción

La degradación de suelos comprende procesos de erosión, pérdida de nutrientes y materia

orgánica, salinización, acidificación, contaminación, compactación, degradación física u

anegamiento, que reducen o elimina las funciones del suelo y su capacidad para soportar

servicios de los ecosistemas esenciales para el bienestar humano (FAO, 2015). Se estima

una pérdida de suelo a nivel mundial de 1 ton ha-1 año-1 lo que equivale a un valor de

descenso del suelo de 0.08 mm. (FAO, 2010). En Colombia se estima que las tierras

afectadas por desertificación totalizan 4.83 millones de hectáreas, correspondientes al 4.1

% del territorio nacional y de las cuales el 0.6%, alcanzan niveles extremos de gravedad y

de insostenibilidad (Cuervo & Goméz, 2003).

Se calcula que en Colombia hay un 40% de degradación en las características físicas y

mecánicas de suelos, siendo el 18 % de la erosión de moderada a muy severa (Bindraban

et al., 2012; Franco, et al., 2015). Se podría disminuir la erosión si se mejora y se intensifica

el uso de suelos de baja fertilidad, como ferralsoles y ultisoles los cuales representan el

28.79 % de los suelos de Colombia (IGAC, 2016).

El suelo es un recurso no renovable y en aquellas áreas donde la actividad agrícola se ha

venido desarrollando durante muchos años o presenta baja fertilidad natural es necesario

realizar actividades de recuperación. Las enmiendas agrícolas, como el biocarbón, además

de contribuir con el secuestro de carbono, mejoran las propiedades físicas, químicas y

biológicas del suelo (Escalante et al., 2016).

Los Ferralsoles cuentan con unas 750 millones hectáreas corresponden a suelos

profundamente meteorizados, rojos o amarillos de los trópicos húmedos contienen arcillas

de baja actividad; los Andosoles cuentan con alrededor de 124 millones de hectáreas son

derivados a partir de ceniza volcánica; los Umbrisoles corresponden a suelos en los cuales

se ha acumulado materia orgánica dentro del suelo superficial mineral, ocupan unas 100

millones ha en todo el mundo. Finalmente, los Tecnosoles contienen una cantidad

significativa de artefactos introducidos por el hombre y se encuentran en todo el mundo en

áreas donde la actividad humana ha llevado a la construcción de “suelos artificiales” (FAO,

2014)



El Biocarbón es definido como un producto rico en carbono, obtenido a partir de la

descomposición térmica de materiales orgánicos entre los 300°C – 800°C en ausencia o

condiciones limitadas de oxígeno, sus propiedades fisicoquímicas le confieren utilidad para

enmendar propiedades del suelo; se debe tener en cuenta, que las actividades

agroindustriales en el país producen más de 70 millones de toneladas de residuos agrícolas

e industriales al año, originados de la cosecha de cultivos de café, plátano, caña de azúcar,

palma de aceite, maíz, banano y arroz etc. (Romero et al 2016), que pueden ser empleados

para obtener biocarbones.

En general, se han descrito múltiples efectos benéficos en los suelos tratados con biocarbón,

por ejemplo: mayor disponibilidad de agua, aumento de la retención de nutrientes y estímulo

de la actividad microbiana, lo que se traduce en un mayor rendimiento agrícola. Sin embargo,

hay que tener en cuenta que también se ha observado casos de efectos negativos por la

inmovilización de nitrógeno (Lehmann et al., 2009).

El uso de biocarbón, ha presentado tanto resultados positivos como negativos, debido al

efecto combinado de las propiedades del biocarbón y las condiciones del suelo que afectan

la respuesta productividad de las plantas. Un metaanálisis de 153 publicaciones mostró que

la respuesta en la productividad presentó un aumento (con una gran media de 16.0 ± 1.3%,

independientemente de las condiciones del biocarbón y suelo. No obstante, se presenta una

gran variación de productividad (31.8% a 974%), por lo que no se deben hacer

generalizaciones en el uso del biocarbón y estudiar las condiciones particulares de cada

agroecosistema. El aumento del pH parece la propiedad clave para el aumento en la

productividad, además se ha encontrado que los biocarbones con alto contenido de cenizas

y bajo contenido de carbón en suelos ácidos y arenosos aumentan la productividad (Dai et

al., 2020).

El objetivo de esta investigación es determinar los efectos en las propiedades físicas y

químicas de suelos disímiles (Ferralsoles, Andosoles, Umbrisoles y Tecnosoles)

contaminados con cadmio, por la aplicación de biocarbones producidos con deshechos

agroindustriales de tallos de rosas, raquis de palma, residuos de poda de árboles y pulpa de

café en los suelos donde se generan estos residuos agroindustriales, con el fin de conocer

el potencial de estos como enmiendas orgánicas en suelos agrícolas minimizando el efecto

fitotóxico del cadmio en plantas de lechuga (Lactuca sativa var. Vera).

Capítulo 3 115

3.3 Materiales y métodos

3.3.1 Producción de Biocarbón

La producción de los biocarbones, se realizó a partir de fuentes de biomasa procedentes de

residuos agroindustriales y podas, la materia prima y propiedades fisicoquímicas se

muestran en la Tabla 3-1. Los biocarbones se obtuvieron por medio de pirólisis lenta, en un

horno rotatorio 7 m de largo y un diámetro de 0.6 m, a una temperatura inicial de 200 °C y

con una tasa de calentamiento de 5.5 ° C s-1 hasta llegar a una temperatura de 450 °C,

donde se mantuvo un tiempo de residencia de 45 min.

3.3.2 Suelos de estudio y condiciones experimentales

Posterior a la primera evaluación del efecto de los biocarbones sobre el crecimiento de

lechuga de enero a marzo de 2020 (capítulo 2), en las mismas materas (los mismos suelos)

se aplicó nuevamente 10 mg CdCl2 Kg-1 de suelo, agregando homogéneamente 50 mL de

una disolución 0.716 g CdCl2 L-1 , y se dejó una semana en reacción con el suelo usando la

misma metodología del capítulo de 2 para la contaminación con cadmio. Luego, se aplicaron

los tratamientos que consistieron en evaluar cuatro dosis de biocarbón: 3, 6, 9 y 12 ton ha-1

con cuatro repeticiones en las mismas materas de la primera evaluación que tomó muestras

de los departamentos del Tolima, Cundinamarca y el Meta (repitiendo la misma dosis de

cadmio). Una semana después se sembraron plántulas de cuatro semanas de germinación

de lechuga (Lactuca sativa var. Vera) especie utilizada como indicadora (IBI, standars 2014)

y se evaluó su desarrollo durante un periodo de 10 semanas entre los meses de junio y

agosto de 2020

En la Tabla 3-2 se muestran las propiedades fisicoquímicas de los suelos Ferralsol,

Umbrisol, Tecnosol y Andosol en sus condiciones naturales; estos suelos presentan

características disímiles en cuanto a textura (francos y arcillosos), contenidos de carbono

orgánico (alto medio y bajo), capacidad de intercambio catiónica efectiva y contenidos de

nutrientes. En septiembre de 2020 se tomaron muestras de los suelos, para determinar los

efectos en las propiedades físicas y químicas en un corto tiempo (9 meses) y después de

dos ciclos de siembra de lechuga tratados con la misma dosis de biocarbón procedente de

cuatro suelos disímiles (Tabla 3-3). En esta segunda evaluación no se tuvo en cuenta el



cuesco de palma ya que la evaluación del primer ciclo de siembra no mostró efectos

prometedores como enmienda en estas dosis y escala de tiempo.

Tabla 3-1. Propiedades fisicoquímicas de los biocarbones. (Resumen de resultados del capítulo 1)

Fuente de biomasa Raquis de

palma (BRP)

Tallos de

rosas (BTR)

Residuos de

poda de

árboles (BP)

Pulpa de café

(BC)

Humedad (%) 4.10 4.20 4.63 5.96

Material volátil (%) 24.27 16.27 33.21 36.14

Cenizas (%) 19.75 54.25 25.76 23.91

Carbono fijo (%) 51.87 25.28 36.40 33.99

CIC cmol(+) kg-1 28.34 39.13 16.14 41.13

Ca++ cmol(+) kg-1 9.14 15.70 5.98 23.56

Mg++ cmol(+) kg-1 18.93 12.90 2.98 9.32

K+ cmol(+) kg-1 0.06 8.88 7.07 7.41

Na+ cmol(+) kg-1 0.21 1.65 0.11 0.84

N (%) 2.22 1.96 1.10 3.40

C (%) 58.35 47.27 71.32 58.09

S (%) 0.12 0.11 0.03 0.12

P (%) 1.45 0.95 0.688 1.34

pH 10.19 10.4 8.57 9.75

Conductividad eléctrica dS

m-1 0.56 1.66 0.1 0.39

Densidad aparente g cm-3 0.19 0.18 0.23 0.25

Densidad real g cm-3 0.97 0.99 0.85 0.92

Porosidad (%) 80.42 81.65 73.54 73.37

Retención de humedad (%) 85.83 77.50 26.25 45.00

Capítulo 3 117

Tabla 3-2. Propiedades fisicoquímicas de los suelos utilizados en los ensayos de biocarbón.

SF (Ferralsol)

SA (Andosol)

ST (Tecnosol)

SU (Umbrisol)

Textura FA FA Ar FArA

Densidad aparente (g cm-3) 1.29 0.90 1.3 1

% Arena (>0.05mm) 52.9 18.6 5.0 68

% Limo (0.05-0.002 mm) 24.7 15.4 12.0 8

% Arcilla (<0.002 mm) 15.7 66.0 83.0 24

pH 4.7 4.83 5.8 6

C orgánico (%) 2.69 5.13 11.5 7.7

N estimado (%) - 0.44 1.0 nd

Ca disponible (cmol (+) kg-1) 1.4 5.81 20.9 6.9

Mg disponible (cmol (+) kg-1) 0.62 1.60 4.3 3.7

K disponible (cmol (+) kg-1) 0.25 1.20 3.6 2.1

Na disponible (cmol (+) kg-1) 0.06 0.03 0.1 -

Al intercambiable (cmol (+) kg-1) 1.97 0.29 - 0

CICE (cmol (+) kg-1) 4.3 8.92 29.0 12.71

P disponible (mg kg-1) 27.8 7.59 94.6 50

Tabla 3-3. Resumen de los experimentos establecidos para determinar los efectos en las propiedades físicas y químicas en suelos disímiles contaminados con cadmio.

Experimentos

Andosol + BC Ferralsol + BRP Tecnosol + BP Umbrisol + BTR

Tratamientos

3 ton ha-1 BC 3 ton ha-1 BRP 3 ton ha-1 BP 3 ton ha-1 BP






3.3.3 Propiedades físicas

Las muestras para la densidad aparente, se tomaron acorde al método el cilindro (Blake &

Hartge, 1986); para la densidad real se utilizó el método del picnómetro (USDA, 2004) y se

calculó la porosidad con base en la fórmula:

Porosidad (%) = [ 1- (ρ b / ρ d)] × 100 (1)

Donde, ρb corresponde a la densidad aparente y ρd corresponde a la densidad real.

La capacidad de retención de humedad se realizó de acuerdo con la ASTM D2216 (Chen,

et al., 2008). Se tomaron 20 g de suelo y para homogenizar el contenido de humedad del

suelo las muestras se saturaron con agua destilada lentamente y se drenaron durante 24

horas. Se registró el peso húmedo y peso seco después de ser introducidas en horno

durante 24 h a 105°C para determinar la capacidad de retención de humedad (CRH) con la

fórmula:

CRH (%) = (MH –MS) / MH] × 100 (2)

Donde, MH corresponde a la masa de suelo húmedo y MS a la masa de suelo seco.

3.3.4 Propiedades químicas

Capacidad de intercambio catiónico y Bases de cambio

La CIC y cuantificación de las bases de cambio se realizó el método de extracción con

acetato de amonio 1M pH 7. Se tomaron 5 g de suelo seco tamizado al que se extrajo con

100 mL de acetato de amonio. Posteriormente, las concentraciones de las bases de cambio

(Na+, K+, Ca++ y Mg++) se midieron por espectrofotometría de absorción atómica (Pansu &

Gautheyrou, 2006), con un espectrofotómetro UNICAM, modelo AA969.

La capacidad de intercambio catiónica (CIC) de acuerdo con el proceso de titulación indicado

por (IGAC, 2006) y se calculó con la fórmula:

C.I.C.= (V-Bp) *N * (100+pW/100) / (pm) (3)

Capítulo 3 119

Donde, V corresponde al Volumen en mL de NaOH gastados en la titulación de la muestra,

Bp al Volumen en mL de NaOH gastados en la titulación del blanco de proceso, N a la

Normalidad del NaOH, pw al factor de humedad que tenían los biocarbones (Humedad

higroscópica determinada a 105°C) y pm al peso de la muestra en g.

pH y conductividad eléctrica CE

El pH se determinó con un pH metro marca Thermo scientific modelo Orion Start A221 de

una suspensión resultado de la mezcla de suelo y agua en relación 1:1 (IGAC, 2006). La CE

se determinó con el conductímetro Thermo scientific modelo shott lab 960 en el extracto de

saturación (IGAC, 2006).

Carbono orgánico CO

El porcentaje de carbono orgánico se determinó con el método de Walkley & Black (1934);

el suelo se oxidó con 10 mL de una solución 1 N de dicromato de potasio (K2 Cr2 O7) en

medio ácido (20 mL de H2SO4). Posteriormente, se calentó a 120 ºC por 90 minutos. La

reacción de oxidación del Cr+6 a Cr+3, equivale al C orgánico oxidado en la muestra, la cual

se valoró por titulación. Antes de la titulación que se realiza con sulfato ferroso amónico 0.5

N, se agregó 1 mL H3PO4 para evitar interferencias de hierro y manganeso principalmente y

cinco gotas de indicador de ortofenantrolina 0,025M. El % CO se calculó con la fórmula:

%CO = (Bp- V) *N*0,003 *100 * (100+pW/100) / pm) (4)

Donde, V corresponde al volumen en mL de sulfato ferroso amónico gastados en la titulación

de la muestra, Bp al volumen en mL de sulfato ferroso amónico gastados en la titulación del

blanco de proceso, N a la normalidad del sulfato ferroso amónico, 0.003 al peso en g de un

miliequivalente de carbono, pw: al factor de humedad higroscópica de la muestra y pm al

peso de la muestra en g.

Fósforo disponible

El fósforo disponible se determinó con el método Bray II, donde una muestra de 5 g de suelo,

se puso en contacto con 25 mL de solución extractora (HCl 0.1 N y NH4F 0.03 N) luego, se



agitó y filtró para cuantificar colorimétricamente por la reacción con ácido cloromolíbdico y

cloruro estanoso, en la que se forma un complejo color azul cuya intensidad es proporcional

a la cantidad de fósforo presente en la muestra y que tiene máxima absorbancia a una

longitud de onda de 660 nm (Bray & Kurtz, 1945).

P (mg Kg-1) = [(Lm * fd) – LBp ] * (20/2.85) * pw (5)

Donde, Lm corresponde a la lectura de la muestra en mg Kg-1 en la curva de calibración, LBp

a la lectura del blanco de proceso, (20/2.85) a la relación entre volumen de extractante en

mL y el peso del suelo en gramos y pw al factor de humedad higroscópica.

Nitrógeno

El nitrógeno se extrajo, con 50 mL de KCl 1N, utilizando un agitador recíproco, la suspensión

se filtró posteriormente, y se analizó utilizando un equipo de destilación por arrastre de vapor

en presencia de óxido de magnesio para la determinación del amonio. Los iones nitrato y

nitrito se determinaron con el mismo procedimiento, agregando aleación de Devarda al

extracto libre de amonio. Por último, la muestra se tituló con ácido sulfúrico, para cuantificar

el Nitrógeno mineral (Mulvaney, 1996) con la fórmula:

%Nt = (Vm-Bp) * N * 0.014 *100 * 5) * ((100+pW/100)) / (Pm) (6)

Donde, Vm corresponde a los mL de HCl gastado en la titulación de la muestra, Bp a los mL

de HCl gastado en la titulación del blanco del proceso, N a la normalidad del HCl utilizado

en la titulación, 0.014 al factor de conversión del peso equivalente del nitrógeno expresado

en meq, pm al peso de la muestra en gramos y pw al factor de humedad higroscópica.

3.3.5 Análisis estadístico.

Se realizó un diseño completamente al azar para cada experimento con cuatro repeticiones

para 16 unidades muestrales y un total de 64 materas teniendo en cuenta los cuatro tipos

de suelo; para determinar las diferencias sobre las propiedades físicas y químicas de los

Capítulo 3 121

tratamientos donde el factor de estudio consistió en la aplicación biocarbones a dosis de 3,

6 ,9 y 12 t ha-1. Para el análisis estadístico se utilizó un análisis no paramétrico, validando el

supuesto de homocedasticidad de varianza con la prueba de levene y las diferencias

estadísticas con la prueba de Kruskal-Wallis.

Se realizó un análisis de componentes principales (ACP) con los resultados de las variables

densidad aparente, densidad real, porosidad, capacidad de campo, pH, CE, Al, porcentaje

de saturación, porcentaje de Carbono orgánico, nitrógeno amoniacal (NH4+), nitrógeno en

forma de nitrato (NO3-), potasio (K+), Calcio (Ca++), magnesio (Mg++), sodio (Na+), CIC, peso

fresco, peso seco total y tratamientos, con el fin de establecer un conjunto reducido de

variables de mayor importancia que expliquen un mayor porcentaje de varianza de los datos

en los escenarios estudiados.

Finalmente, con un análisis de medidas repetidas en el tiempo (semanalmente), se modeló

el comportamiento de la altura y numero de hojas durante el segundo ciclo de cultivo,

verificando los supuestos de normalidad y esfericidad de las variables; finalmente, se realizó

un ANOVA para los factores.

3.4 Resultados Y Discusión

3.4.1 Efecto en Propiedades físicas del suelo

La aplicación de los biocarbones en los escenarios estudiados mejoró las propiedades

físicas del suelo; a dosis de 12 ton ha-1 la densidad real y aparente se redujo entre un 9.74%

y 30.75% con mayores efectos en el Tecnosol y Ferralsol; la porosidad aumentó un 5.66%

en el andosol y en el Tecnosol y un 12.32 % en el Ferralsol. Finalmente, la capacidad de

retención de humedad aumentó entre un 30.71% y un 39.15 %.

La aplicación los biocarbones estudiados mostraron una diferencia significativa en los cuatro

suelos estudiados con un p-valor = 0.06942 para la densidad aparente y un p-valor = 0.05796

para la densidad real, variables que disminuyeron con el aumento de la dosis de aplicación



de biocarbón en el suelo. Mientras que la porosidad y la capacidad de retención de humedad

aumentaron, a pesar de no presentar diferencias significativas (Figura 3-1). La mejora en

las propiedades físicas es proporcional a la aplicación de biocarbón con correlaciones con

un r2 ≈ 0.8; este efecto está en concordancia con estudios previos (Lee et al., (2018); Zhang

et al., (2020); Somerville et al., 2020).

Los cambios en las propiedades físicas del suelo, se deben principalmente al área superficial

y poros de los biocarbones, los cuales se incrementan con el incremento de la temperatura

de pirólisis que favorece poros de mayor tamaño (Jien, 2018). Estas dos variables se deben

caracterizar ya que, por ejemplo el área superficial puede variar según la materia prima

utilizada para la fabricación del biocarbón, paja de trigo, madera de abeto y de álamo

presentan diferentes valores de área superficial (Kloss et al., 2012). Por otra parte, el

incremento en la porosidad, se debe al cambio estructural y en la distribución de los poros

que conlleva cambio en las curvas de retención de humedad en suelos enmendados con

biocarbones de residuo de poda (Baiamonte et al., 2019).

El efecto positivo en las propiedades físicas estudiadas fue más evidente en el Ferralsol +

BRP (suelo arenoso) y en el Tecnosol + BP, resultados similares se reportaron por Hussain

et al., (2021), quien demostró que en suelos de arena limosa compacta y arena pura con la

aplicación de biocarbón de Prosopis juliflora se disminuye la densidad aparente, gravedad

específica y aumenta la capacidad de retención de humedad.

El efecto en la disminución en la densidad aparente y aumento en la capacidad de retención

de agua, en ensayos de matera en suelos disímiles también fue demostrado por Peake et

al. (2014), quien encontró en diversos suelos disímiles que a dosis 20 ton ha-1 la capacidad

de retención de agua puede aumentar en un 22%; esto varía según el tipo de suelos y

biocarbón, por ejemplo, en suelos arcillo limosos se reporta que es necesaria la aplicación

de 195 ton ha-1 biocarbón de pino amarillo para mejorar la capacidad de retención de

humedad (Yu et al., 2013). En Tecnosoles dosis de 22.5 ton ha-1 de biocarbón aumentaron

la capacidad de retención de agua entre el 15.2 % y el 42.4% empleando diferentes

biocarbones fabricados con residuos de maíz, arroz, trigo. Los autores señalan como causa

el cambio en las características de los poros (distribución de tamaño, forma, conectividad y

porosidad) del suelo cuando se añaden los biocarbonizados (Yang & Lu 2021).

Capítulo 3 123

Esto sugiere que se puede enmendar el suelo en condiciones de campo y reducir el consumo

de agua dulce que se destina en un 75% en la producción agrícola (Wallace, 2000), además

de reducir las condiciones de estrés hídrico para las plantas en las actuales condiciones de

cambio climático. De en hecho en Finlandia, se encontró un aumento del 11% en la

capacidad de retención de agua en parcelas bajo condiciones de invernadero (Karhu et al.,

2011).

Figura 3-1 Efecto de la aplicación de biocarbones en propiedades físicas de los suelos; densidad aparente (A), densidad real (B), porosidad (C) y capacidad de retención de humedad CRH (D). En Andosol +BC, Ferralsol + BRP, Tecnosol + BP y Umbrisol +BTR.

El resultado más significativo se encontró en el suelo andosol; lo que explica el aumento en

el rendimiento agronómico de las plantas de lechuga en el primer ciclo de siembra (Capítulo

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

1.4

3 6 9 12

Densid

ad a

pare

nte

g c

m-3

Tratamiento ton ha-1

A

Andosol Tecnosol

Ferralsol Umbrisol

0

0.5

1

1.5

2

2.5

3

3 6 9 12

Densid

ad r

eal g

cm

-3


B

Andosol Tecnosol

Ferralsol Umbrisol

0

20

40

60

80

100

3 6 9 12

Poro

sid

ad (

%)

Tratamietno ton ha-1

C

Andosol Tecnosol

Ferralsol Umbrisol

0

20

40

60

80

100

3 6 9 12

CR

H (

%)

Tratamietno ton ha-1

D

Andosol Tecnosol

Ferralsol Umbrisol



2) y fue consistente en el segundo ciclo de siembra Figura 3-7; No obstante, este efecto

depende del tipo de suelo en estudio: Por ejemplo, Herath et al., (2013) concluyeron que la

densidad aparente y porosidad mejoraron en alfisoles y andosoles enmendados con

biocarbón de restrojo de maíz, después de 295 días, siendo más notorios los cambios en el

alfisol.

3.4.2 Efecto en las Propiedades químicas del suelo

La aplicación de los biocarbones estudiados aumenta el pH, la CIC, el CO y la CE en los

suelos, con correlaciones con un r2 ≥ 0.846 siendo mayor el efecto en el Ferralsol +BRP y

Andosol + BC. Esto concuerda, con resultados previos, donde la aplicación de biocarbón de

cáscara de maní con dosis de 9.2 ton ha-1 en Ferralsoles, incrementó el pH, el contenido de

carbono orgánico, nitrógeno, potasio y zinc. (Xu et al., 2015). Igualmente, el uso de

biocarbón de eucalipto en relación volumen : volumen del 20%, aumento el pH, carbono

orgánico, y contenido de potasio en Andosoles, llevando a un incremento en el rendimiento

del cultivo de aguacate (Joseph et al., 2020).

pH y conductividad eléctrica

La aplicación con 12 ton ha-1 de BTR en el Umbrisol y BP en el Tecnosol presentaron el

menor aumento en el pH (0.7 unidades), lo cual se debe a que estos suelos presentan los

mayores contenidos de materia orgánica (tabla 3.2), que brinda al suelo capacidad

reguladora o buffer permitiendo una resistencia al cambio en el pH cuando se le adicionan

sustancias ácidas o básicas por la acción de los pares conjugados ácido-base presentes en

la materia orgánica (Bennardi et al., 2018). BC en el Andosol aumento 1.1 unidad es el pH

y BRP en el Ferralsol aumento en 2.3 unidades el pH (Figura 3-2a), permitiendo que

alcancen el valor óptimo para la toma de nutrientes de las plantas que se encuentra entre

5.5 y 6.5 (Islam et al., 1980).

Este incremento en el pH del suelo se debe a la naturaleza básica de los biocarbones en

estudio (Tabla 3-1). Esa propiedad se puede manipular en el proceso de fabricación ya que

se ha demostrado que el pH se incrementa con la temperatura de pirólisis (Angin, 2013;

Capítulo 3 125

Zhao et al., 2017); La pérdida de carbonos alifáticos y la formación de estructuras aromáticas

durante la pirólisis generan un incremento del pH y la conductividad eléctrica (Li et al., 2013).

No obstante, para la aplicación de los biocarbones en el suelo, se debe tener en cuenta las

dinámicas del pH en la “carbosfera”, ya que este efecto está relacionado con la conductividad

eléctrica, el tamaño de partícula y la edad de los biocarbones que afectan la distribución

espacial del pH en la enmienda en el suelo (Chen et al., 2021).

El aumento del pH en el Ferralsol y Andosol, permitió enmendar la acidez intercambiable, a

dosis superiores de 9 ton ha-1 no se encontraron valores de Aluminio intercambiable (Figura

3-2a); previamente se ha reportado este efecto después de la aplicación al suelo de

biocarbones de tusa de maíz y pasto varilla, que aumentaron el pH y disminuyeron la acidez

intercambiable (Chintala et al., 2014). La producción del cultivo de girasol mejoró con el uso

de biocarbones de paja de trigo y viruta de madera de pino en el suelo, que promovieron un

aumento del pH, capacidad de intercambio catiónico, y una disminución de la densidad

(Alburquerque et al., 2014).

En cuanto a la conductividad eléctrica encontramos un incremento significativo (p-valor =

0.0243) al aumentar la dosis de los biocarbones, resultado que se ha reportado previamente

con el uso de biocarbón de paja de arroz (Ibrahim et al., 2015). En general los biocarbones

obtenidos con pirólisis lenta, presentan baja conductividad eléctrica y han demostrado su

capacidad para reducir el impacto del estrés por salinidad en el crecimiento de cultivos

sensibles como el frijol. No obstante, se debe tener precaución con el incremento

acumulativo de la conductividad eléctrica en el suelo (Karabay et al., 2021). En este estudio

el uso de BTR (Figura 3-2b), mostró un alto incremento en la conductividad eléctrica, lo que

sugieren un uso cauto de BTR en umbrisoles, ya que después de una dosis de 9 ton ha-1,

este biocarbón únicamente debe ser utilizado en cultivos con una tolerancia a la salinidad

de media (9 a 6 dS m-1) a alta (18 a 10 dS m-1) acorde a los valores de referencia reportados

por USDA (1974).

La conductividad eléctrica es dependiente del grado del carbonización, proceso que se

presenta a altas temperaturas de pirólisis (Gabhi et al., 2017). Se ha demostrado que el valor

de la conductividad eléctrica y el contenido de cenizas de los biocarbones aumenta con la

temperatura de pirólisis (Rehrah et al., 2014). Por tanto, según la Tabla 3-1. BTR que



presenta el mayor contenido de cenizas (54.25%), explica los resultados encontrados en el

Umbrisol.

Capacidad de intercambio catiónico (CIC) y Carbono orgánico

Los resultados no muestran diferencias significativas en los valores de la CIC con las dosis

de aplicación. No obstante, los biocarbones con mayor CIC, utilizados en esta investigación

corresponden a BC, BTR y BRP; en el caso del suelo arenoso (Ferralsol + BRP) de muy

baja fertilidad (< 5 cmol (+) kg-1), se incrementó el doble la CIC con la dosis de 12 ton ha-1

(Figura 3-3 - 2c). Sin embargo, no fue suficiente para incrementar la CIC a valores que

permitan una fertilidad media para el desarrollo de los cultivos. Por otra parte, se presentó

un incremento en la CIC del Umbrisol y Andosol (Figura 3- 2c), suelos que presentaban una

baja CIC (5 -15 cmol (+) kg-1) alcanzaron con el uso de BTR y BC respectivamente valores

de una fertilidad alta (25- 40 cmol (+) kg-1) a muy alta (> 40 cmol (+) kg-1) acorde a la

clasificación de la fertilidad de asociada con la CIC (Fernández et al., 2006).

Los resultados mostraron un incremento de la CIC en los suelos con una correlación positiva

con la dosis de biocarbón de r2 = 0.846; esto ha sido ampliamente reportado (Chintala et al.,

2014; Prakongkep et al., 2020; Sg et al., 2021), y se ha atribuido al valor intrínseco de la CIC

de los biocarbones, que se explica por el aumento del área superficial y densidad de carga,

provocada por la oxidación de grupos funcionales que generan una mayor CIC por unidad

de Carbono (Liang et al., 2006).

No se encontraron diferencias significativas en el CO por el uso de biocarbones (Figura 3-

3 2d); Aunque se mostró una tendencia a aumentar en los suelos (p ≥ 0.846). Este efecto

en Ferralsoles se demostró previamente con la aplicación de biocarbón de bambú y madera

de roble generando un aumento de la actividad microbiana que esta correlacionado

positivamente con el aumento de macroagregados en el suelo resultando en una mejor

calidad del suelo (Demisie et al., 2014). En el Umbrisol nuestros resultados sugieren un

aumento en el carbono orgánico. No obstante, después de 9 ton ha-1, no se incrementó el

carbono orgánico, por lo cual se debe optimizar el tratamiento mezclando el biocarbón con

otras enmiendas orgánicas como el compost, ya que en Umbrisoles se ha demostrado un

Capítulo 3 127

aumento en el carbono orgánico a dosis de 20 ton ha-1 mezclado con biocarbón (Liu et al.,

2012).

Figura 3-2 Efecto de la aplicación de biocarbones en el pH (A), conductividad eléctrica (B), CIC(C) y porcentaje de carbón orgánico (D), de los suelos. En Andosol +BC, Ferralsol + BRP, Tecnosol + BP y Umbrisol +BTR

El incremento en el carbono orgánico del suelo, depende de la fracción lábil intrínseca de

cada biocarbón, la cual se convierte en fuente de energía para los microrganismos del suelo;

esta fracción lábil se puede manipular al obtener biocarbones, con un mayor tiempo de

residencia durante el proceso de pirólisis (Steinbeiss et al., 2009). Se ha sugerido que el uso

0

0.5

1

1.5

2

2.5

3

0

2

4

6

8

3 6 9 12

Al in

t c

mol (+

) kg -

1

pH


A

pH Andosol

pH Tecnosol

pH Ferralsol

pH Umbrisol

Acidez intferralsolAcidez int.andosol

0

2

4

6

8

10

12

3 6 9 12C

onductivid

ad e

léctr

ica dS

m-1

Tratamiento ton ha -1

B

Andosol

Tecnosol

Ferralsol

Umbrisol

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

3 6 9 12

Capacid

ad d

ein

terc

am

bio

catiónic

o C

molc

Kg

-1


C

Andosol

Tecnosol

Ferralsol

Umbrisol

0

1

2

3

4

5

6

3 6 9 12

Carb

ono o

rgánic

o %


D

Andosol

Tecnosol

ferralsol

Umbrisol



de biocarbones conlleva una disminución en la respiración del suelo y un cambio en la

estructura de sus microorganismos, por lo que el uso de biocarbones se debe modificar y

evaluar en cuanto a condiciones de pirólisis y dosis de aplicación con el fin de aumentar la

capacidad de secuestrar carbono del suelo (Xu et al., 2021). Por ejemplo, se demostró como

el uso de dosis de 20 t ha-1 de biocarbón de paja de trigo disminuyo en un 10.7 % las

emisiones de NO2 y un 23.8% las emisiones de CH4 generando una reducción de emisiones

de gases efecto invernadero (Zhang et al., 2012).

3.4.3 Efecto en el contenido de nutrientes

Nitrógeno

No se encontraron diferencias significativas con las dosis de aplicación de biocarbón. Sin

embargo, el nitrógeno amoniacal mostró una tendencia a aumentar en el Andosol e Umbrisol

mientras que en el Ferralsol y en el Tecnosol se mostró una disminución (Figura 3-3a).

Por otra parte, el nitrógeno en forma de nitratos mostró un aumento en el Andosol y Ferralsol

mientras que en el Umbrisol y Tecnosol se presentó una tendencia a disminuir (Figura 3-

3b). Los resultados concuerdan con estudios similares realizados en Andosoles con uso de

biocarbones de caña (Arundo donax L.) Del mismo modo, se encontró con biocarbón chips

de sauce un aumento en el nitrógeno amoniacal y nítrico; en suelos franco limosos (Garbuz

et al., 2020)

El contenido de nitrógeno en el suelo depende de los procesos de adsorción y lixiviación del

nutriente propios de cada biocarbón. Por ejemplo Yao et al., (2012), reportó que biocarbones

de madera de árbol de pimiento brasilero (Schinus terebinthifolia) y cáscara de maní

(fabricados a 600°C) tienen capacidad de reducir la lixiviación de amonio, nitrato y fosfato,

en suelos arenosos, permitiendo que se encuentre disponible para las plantas. Esto sugiere

que los biocarbones utilizados en el ensayo tienen capacidad de evitar la lixiviación de

nitratos particularmente en el caso del Andosol y en menor medida por los Umbrisoles y

Ferralsoles respectivamente.

Los resultados obtenidos para en Tecnosol + BP y en el Umbrisol + BTR indican que la

pérdida de nitrógeno está asociada al mayor contenido de cenizas de los biocarbones

Capítulo 3 129

estudiados; otros autores han mostrado pérdidas de nitrógeno en suelos por el uso de

biocarbones de cáscara de maní (Arachis hypogaea L.), cáscara de nuez (Carya

illinoinensis), gallinaza, y switchgrass (Panicum virgatum L) y se acentúan las pérdidas con

el uso de biocarbones con alto contenido de cenizas (Schomberg et al., 2012). Esto se ha

asociado a procesos de volatilización que son favorecidos por un pH alcalino en los que el

nitrógeno mineral se transforma en NH3 (Rochette et al., 2013), esto coincide con las

características de los biocarbones (Tabla 3-1) ya que BTR y BP presentan los mayores

contenidos de cenizas y altos valores de pH. Por tanto, en cuanto a la fertilización

nitrogenada se ha sugerido que se estudien las tasas de aplicación óptimas debido a que

los biocarbones pueden inmovilizar nitrógeno Kim et al., (2015).

Fósforo

El contenido de fósforo disponible en los suelos no mostró una diferencia significativa con la

dosis de aplicación. A pesar de esto, se observó un aumento en el contenido de fósforo en

todos los suelos estudiados, siendo menor en el Tecnosol (suelo arcilloso) (Figura 3-3c).

Los resultados positivos en Umbrisoles, han sido reportados previamente por Martínez et

al., (2017) quien con el uso de los biocarbones de madera de Eucaliptus globullus demostró

el incrementó en la concentración de fósforo soluble hasta en un 38% después de 30 días

de incubación; en cuanto al suelo arcilloso los resultados concuerdan con los encontrados

por Lusiba et al., (2017) quien no encontró diferencias significativas en el incremento de

fósforo disponible con el uso de biocarbón de Acacia nilotica y Eucalyptus obliqua a una

dosis de 20 ton ha -1.

El incremento en el fósforo disponible por biocarbones de madera a dosis de 12 ton ha-1, se

ha asociado a mecanismos abióticos como la estabilización de la materia orgánica y

fenómenos de adsorción y desorción de fósforo asociados a complejos órgano-minerales

del suelo (Gao & DeLuca 2018); estos autores no encontraron evidencia molecular que la

microfauna (microorganismos que sintetizan fosfatasa) mediara en los procesos de

movilización de fósforo. El proceso de adsorción de fósforo en los biocarbones, también se

encuentra asociado a su alta capacidad de intercambio aniónico y es variable según el tipo

de biomasa. Por ejemplo, la adsorción en una concentración inicial de fósforo para biocarbón

de rastrojo de maíz es de un 79%, para el biocarbón de residuos de pasto de un 76%,

mientras que el biocarbón de residuo de madera es de solo el 31% et al., 2011). De hecho,



estas propiedades de adsorción de los biocarbonizados demuestran su gran potencial para

ser utilizados como materiales que permiten una liberación controlada de fósforo y que

mitigan su lixiviación en el suelo (Li et al., 2020), por lo anterior los resultados encontrados

sugieren que posiblemente BTR, BRP y BC, reducen la perdidas de fósforo biodisponible

del suelo.

Las diferencias de resultados en el fósforo disponible entre los suelos (significativamente

mayor en el Andosol, seguido por el Ferralsol e Umbrisol), están asociados al cambio de pH

en el suelo (Figura 3-2 a), ya que la mayor cantidad de fósforo disponible se encuentra a un

pH entre 6.5 y 7 (Penn & Camberato, 2019). Además, los cambios en el contenido de fósforo

no dependen únicamente de los biocarbones, sino también a fenómenos de retención de

fósforo propios de cada suelo. Si bien, el biocarbón aumenta la capacidad de

almacenamiento de fósforo, este no tiene capacidad de reducir el proceso de fijación de

fósforo. En enmiendas a suelos con biocarbones la reducción en la fijación de fósforo ocurre

independientemente del biocarbón usado y está asociada a la cantidad de arcilla y óxidos

libres del suelo (Dari et al., 2016). En este sentido los resultados positivos en Andosol + BC

sugieren que en este tipo de suelo que presenta una alta capacidad de retención de fósforo

asociado complejos orgánicos y al contenido alófanas (Beck et al., 1999) y se presentó un

mejor aprovechamiento de la reserva de fósforo disponible en la superficie del biocarbón de

café.

Bases de cambio

El catión intercambiable que presentó diferencias significativas fue el potasio con un p valor

= 0.000697, mientras que las concentraciones de los otros cationes no presentaron

diferencias significativas. No obstante, se observa que las concentraciones de calcio y

magnesio aumentaron con el incremento de las aplicaciones de biocarbón (Figuras 3-3 d e

y f). Estudios previos, han demostrado como la aplicación de biocarbones de cáscara de

maní incrementa de manera lineal los contenidos de potasio, calcio y magnesio, en los

primeros 15 cm del suelo. Del mismo modo, el uso de biocarbón fabricado con mazorcas de

maíz aumentaron el contenido de potasio soluble (Abu, 2016). Sin embargo, estos

resultados dependen del biocarbón ya que este mismo resultado no se obtuvo con biocarbón

de viruta de pino (Gaskin et al., 2010).

Capítulo 3 131

El contenido de potasio y su disponibilidad son afectados por el proceso de liberación-fijación

de la capa intermedia de K+ de las arcillas, lo cual particularmente incidió en los resultados

encontrados en el Tecnosol que presenta un 83% de contenido de arcilla, en los suelos de

Bogotá se ha reportado la presencia de illitas y esmécticas (Caicedo et al., 2018), las

esmécticas en sus procesos de génesis sufren transformaciones como la pérdida de

cationes interlaminares hidratados y son reemplazados por potasio procedente de las

soluciones acuosas lo que en áreas de la sabana de Bogotá se presentó como una

transformación de progresiva esmécticas a illitas en función de la profundidad del suelo

(Bonilla et al., 2011).

Las illitas son conocidas por alto contenido de potasio el cual se encuentra en su superficie,

entre capas por lo que posee una alta proporción de K+ intercambiable (Murrell et al., 2021),

en este sentido el tecnosol + BP además del aporte de K+ del biocarbón de residuos de poda

las concentraciones de K+ posiblemente aumentaron por la presencia de este tipo de arcillas.

Previamente, se ha reportado como biocarbones fabricados con bambú promovieron una

mayor actividad de las bacterias Bacillus mucilaginosus y Bacillus edaphicus las cuales

tienen capacidad de disolver potasio directamente de los minerales o quelatan iones de

silicio que puede llevar K+ a la solución del suelo (Wang et al., 2018); incluso se han

reportado aumentos en la concentración de K+ de un 109.07% hasta un 1789.70% con el

uso de biocarbones fabricados a partir de residuos del cultivo de tabaco (Zheng et al., 2020).

Por otra parte, el aumento en los contenidos de potasio puede relacionarse con la

disminución de la lixiviación de este elemento (Rens et al., 2018), este hecho ha sido

demostrado con el uso de biocarbón de cascarilla de arroz, cáscara de coco y madera, que

permitieron un mayor rendimiento en el cultivo de maíz (Widowati et al 2014).

Los resultados sugieren un aumento en el contenido de magnesio en los tratamientos, pero

se debe tener en cuenta que algunos reportes muestran que la aplicación de biocarbón

reduce la toma de este nutriente por plantas de espinaca, debido a la alta disponibilidad de

potasio que promueven interacciones de mecanismos antagónicos entre el potasio y el

magnesio (Zemanová et al., 2017).

El uso de biocarbón de madera de coníferas, resultó en un incremento del calcio en un 38%,

y es uno de los cationes que más influencian el aumento de la CIC y el pH (Hailegnaw et al.,

2019). El aumento en la concentración de este catión se explica por la presencia de



carbonatos de calcio y otras sales alcalinas en los biocarbones, y tiende a ser más insoluble

conservándose en las partículas de biocarbón (Limwikran et al., 2018).

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

Andosol Tecnosol Ferralsol Umbrisol

Nitró

ge

no

-N

H4

+ m

g k

g-1

A3 t/ha 6 t/ha

9 t/ha 12 t/ha

0

20

40

60

80

100

120

Andosol Tecnosol Ferralsol UmbrisolN

itró

ge

no

-N

O3

-m

g k

g-1

B3 t/ha 6 t/ha

9 t/ha 12 t/ha

0

50

100

150

200

250

300

350

400


Fó

sfo

ro m

g k

g-1

C3 t/ha 6 t/ha

9 t/ha 12 t/ha

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

3500

4000

4500

5000


Po

tasio

mg

* K

g -

1

D3 t/ha 6 t/ha

9 t/ha 12 t/ha

0

500

1000

1500

2000

2500


Ma

gn

esio

mg

* K

g -

1

F

3 t/ha 6 t/ha

9 t/ha 12 t/ha

Figura 3-3 Efecto de la aplicación de biocarbones en el contenido de nutrientes. Nitrógeno amoniacal- NH4

+ (A), Nitrógeno mineral-NO3- (B), Fósforo disponible (C), Potasio (D), Calcio (E)

y Magnesio (F). En Andosol +BC, Ferralsol + BRP, Tecnosol + BP y Umbrisol +BTR

0

1000

2000

3000

4000

5000

6000

7000


Calc

io m

g *

Kg

-1

E

3 t/ha 6 t/ha

9 t/ha 12 t/ha

Capítulo 3 133

Se encontró que la aplicación en el Umbrisol + BTR presentan los valores más altos en las

concentraciones de sodio (Figura 3-4.), por lo cual se debe tener precaución con el uso de

este material, ya que no se debe usar en cultivos sensibles a la salinidad o en dosis muy

altas, acorde a la caracterización realizada (Tabla 3-1) BTR además presenta mayores

contenidos de sodio intercambiable (1.65 cmol (+) kg-1) y se debe tener precaución con su

aporte al suelo. Por esto, a pesar que previamente se ha reportado que el biocarbón de

madera tiene capacidad para reducir el estrés por salinidad en el cultivo de papa (Akhtar et

al., 2015), se debe tener cautela con la aplicación de biocarbones en el suelo y conocer

previamente sus contenidos de sodio, incluso ya se ha demostrado una disminución del

rendimiento de cultivos por el uso de biocarbones con alta salinidad (Liu et al., 2013). Por

ejemplo, los biocarbones de residuos de comida contienen 10 veces más contenido de sodio

que los biocarbones de madera, por lo que su aplicación generó una pérdida en el

rendimiento en el cultivo de maíz en un 92% con relación a una fertilización convencional

(Rajkovich et al., 2012).

Figura 3-4. Efecto de la aplicación de biocarbón en el contenido de Sodio (mg Kg -1), en cuatro suelos disímiles Andosol + BC, Ferralsol + BRP, Tecnosol + BP y Umbrisol + BTR.

Andosol

tecnosol

Ferralsol

Umbrisol

0

100

200

300

400

500

600

700

800

900

1000

36

912

Tip

o d

e s

uelo

Sodio

mg *

Kg

--1

tratamiento ton ha-1



Resultados asociados al biocarbón de raquis de palma (BRP) en el ferralsol

El biocarbón de raquis de palma cuenta con un pH alto 10.19, un alto contenido de magnesio

de 18.93 cmol (+) kg-1 y una CIC de 28.34 cmol (+) kg-1 (Tabla 3-1), lo que explica la mejora

en las propiedades del suelo Ferralsol; previos resultados encontrados con el uso de

biocarbón fibra de palma mostraron un incremento del pH, contenido de magnesio y

nitrógeno mineral, en ultisoles (Budianta et al.,2010). El aumento en los nutrientes reflejado

en la alta CIC se debe a que las cenizas de fibra de palma prensada contienen: 1.7 a 6.6%

de P, 17 a 25% de K, 7% de Ca, siendo fuente potencial de minerales para las plantas; no

obstante habitualmente se destina para las calderas de las plantas de transformación de

palma de aceite (Embrandiri et al., 2012).

Los resultados mostraron un aumento de la concentración K+ (97%) y Ca++ (68%) en el

Ferralsol + BRP a dosis 12 ton ha-1, y se debe a que el biocarbón de raquis de palma

contiene más ceniza comparado con el cuesco y tiene un contenido mayor de K+ (22%) y

calcio (9%) (Anyaoha et al., 2018). Los biocarbones de palma presentan un gran potencial

ya que se estima que existen 120 millones de palmas en el mundo, que continuamente

generan desechos agrícolas, los cuales en forma de biocarbón podrían secuestrar carbón,

absorber metales pesados por su alta área superficial, aumentar la fertilidad y pH de suelos,

más si son producidos a temperaturas bajas, por contener más grupos funcionales y pH más

bajos. (Tahir et al., 2020)

Resultados asociados al biocarbón de residuo de poda (BP) en el tecnosol

El biocarbón de residuo de poda, a pesar de no presentar potencial agronómico en el corto

plazo (capítulo 1 y 2), lo cual esta atribuido a su alta relación C: N, con aplicaciones continuas

puede mejorar los resultados; en la segunda siembra mostró una mejora en el desempeño

de esta enmienda y las lechugas alcanzaron altura y número de hojas más cercanas al suelo

con la fertilización (Figura 3-7), e incluso un peso promedio 84.6% mayor con respecto a la

primera aplicación. Aun así, su principal potencial sigue siendo el secuestro de carbono, por

su alto contenido de carbono elemental 71.32 % (Tabla 1-3). Bajo este contexto los residuos

de madera comercial y la tala, han sido utilizados para la producción de biocarbón, pero se

Capítulo 3 135

debe tener en cuenta la viabilidad económica y el balance de carbono de los ecosistemas

forestales de cada proyecto (Pandian et al., 2016). En general los biocarbones fabricados a

partir de mezclas de madera, tiene una mayor recalcitrancia, por sus bajos contenido de C

lábil, y baja tasa de respiración, por lo que pueden ser considerados como un aporte de

reserva de C para el suelo en el tiempo (De la Rosa et al., 2018).

La aplicación de biocarbón de madera mejoró levemente en el corto tiempo las propiedades

físicas y químicas del suelo (Figuras 3-1 y 3-2), no obstante en periodos más largos de

aplicación llevan a una mayor producción agrícola (Sänger et al., 2017). Además, se ha

reportado que el uso de biocarbones de residuos de poda forestales; con metaanálisis de

datos, conllevan un incremento del 10% en los rendimientos de los cultivos por las mejoras

del suelo, sin olvidar que también existen reportes con rendimientos negativos por lo se

deben evitar las generalizaciones (Brockamp & Sharon 2021).

Los biocarbones producidos a partir de residuos de madera, mostraron un incremento en la

porosidad, capacidad de retención de humedad y disminuyen la densidad aparente y real de

los suelos (Figuras 3-1) mejorando las propiedades físicas de los suelos, de modo similar

se reportaron estos efectos acorde a la caracterización de cada materia prima para la

producción de los biocarbones (Tabla 1-4, capítulo 1) y se debe tener en cuenta que para

optimizar su uso las condiciones de pirólisis pueden modificar sus propiedades (Sadasivam

& Reddy 2015).

Resultados asociados al biocarbón de pulpa de café (BC) en el andosol

Los biocarbones producidos a partir de café mostraron un buen desempeño agronómico en

la mejora de las propiedades físicas y químicas en suelos contaminados con cadmio, debido

a que presentaba la mayor CIC (41.13 cmol (+) kg-1), un pH básico (9.75) y un alto contenido

de nutrientes (Tabla 1-4). Del mismo modo, estudios previos han demostrado que el

biocarbón obtenido de residuos de café propician un aumento en el incremento del carbono

orgánico del suelo, por ejemplo con una aplicación de 5 ton ha-1 el %CO paso de 6.2±4.3

ton ha-1 a 9.1±5.2 ton ha-1 en un periodo de dos años (Dahal et al., 2018); igualmente se ha

demostrado mejoras en el pH, nitrógeno total, fósforo disponible, CIC, potasio, calcio y

magnesio del suelo a dosis de 15 ton ha-1 que aumentaron el rendimiento de pasto de limón



Cymbopogon citratuc L. (Agegnehu et al., 2019). En suelos de baja fertilidad la aplicación

de biocarbones de café producidos a bajas temperaturas (350°C), pueden reducir la

demanda de nutrientes y de enmiendas correctivas de pH y son más eficientes en la

aplicación de fósforo en el suelo (Fonseca et al., 2020). Incluso en lechuga se reportó un

rendimiento similar al de la fertilización con NPK, resultando en mayores contenidos de

nutrientes y rendimiento en las plantas (Cervera et al., 2020), lo que concuerda con nuestros

resultados en esta planta (Figura 3-7).

Resultados asociados al biocarbón de tallos de rosas (BTR) en el Umbrisol

Los biocarbones producidos a partir de tallos mostraron un buen desempeño agronómico en

la mejora de las propiedades físicas y químicas en suelos contaminados con cadmio, debido,

a su alto contenido de cenizas (54.25%), CIC (39.13 cmol (+) kg-1) y pH básico (10.4). Estas

propiedades actuaron en sinergia con las propiedades físicas, como la alta porosidad del

81.65% y capacidad de retención de humedad del 77.50% (Tabla 1-4 y 1-5).

En cuanto al uso biocarbones en la floricultura, hay pocos reportes que básicamente buscan

reducir la demanda de turba. Por ejemplo: Se han usado sustratos mezclados con

lombricomposta y biocarbón que permiten reducir (entre un 14 y 42 %) el uso de turba en la

propagación de geranios (Pelargonium peltatum) y petunias (Petunia hybrida) (Alvarez et

al., 2016); de mezclas de compost y biocarbón que mejoran las propiedades del sustrato y

aumentan el crecimiento de singonio (Syngonium podophyllum) (Zulfiqar et al., 2019). El uso

de sustratos con un 80% de biocarbón permiten un crecimiento aceptable de flor de navidad

Euphorbia pulcherrima (Guo et al., 2018), la mezcla de biocarbón, turba y hojas

compostadas en relación 1:1:1 de volumen, mejora las condiciones fisicoquímicas de los

sustratos, que permiten tener una mejor producción de flores de alelí (Matthiola incana) y

geranio (Pelargonium spp) (Altaf et al., 2020).

Actualmente, el uso de los residuos en la floricultura se destina a compost, los resultados

positivos encontrados en esta investigación sugieren que el biocarbón de tallo de rosa como

una enmienda con potencial que puede mejorar las propiedades de los suelos en la

floricultura. Aunque se debe limitar su uso a especies tolerantes a la salinidad y monitorear

Capítulo 3 137

la conductividad eléctrica y el contenido de sodio en su aplicación para evitar efectos

adversos.

3.4.4. Análisis de componentes principales

El análisis de componentes principales encontró tres dimensiones que explican la varianza

en las propiedades físicas y químicas del suelo, el primer componente acumula el 63.6% de

la varianza, la segundo acumula el 14.9% de la varianza y el tercero el 7.4%; de la varianza.

El plano factorial entre el componente principal 1 y 2 (Figura 3-5 a); muestra que las

variables porosidad, capacidad de campo, CIC y % de carbono orgánico aportan en mayor

proporción a componente principal 1; en el segundo componente principal el aporte de las

variables corresponde a la densidad real, el peso de la planta y los contenidos de nutrientes.

Finalmente, el tercer componente principal está asociado al nitrógeno amoniacal y el pH. Se

encontraron cuatro agrupaciones en el plano principal del ACP (figura 3.5) que corresponden

al evidente contraste de las propiedades de los suelos y es de notar como los individuos de

los tratamientos más altos cambiaron su ubicación en el plano evidenciando el cambio de

las propiedades de los suelos por efecto de las dosis de biocarbón. El uso de la técnica de

componentes principales se ha usado previamente para crear índices de calidad del suelo

que permiten determinar el efecto de la aplicación de los biocarbones (Bilgili et al., 2019).

La matriz de correlaciones (Figura 3-6), mostró relaciones conocidas en la ciencia del suelo

como correlaciones positivas entre la CIC con el porcentaje de carbono orgánico, la CIC con

los contenidos de bases intercambiables y el contenido de sodio con la conductividad

eléctrica. Asimismo, mostró correlaciones negativas como la densidad aparente con la

porosidad y la capacidad de campo. Es de resaltar que independientemente del tipo de

biocarbón y suelo los resultados de los tratamientos se relacionan más con el pH, el aluminio

intercambiable y la capacidad de retención de humedad. Según esto, estas propiedades

determinan el resultado de las aplicaciones como enmienda en la agricultura. Previamente,

se reportó que el pH, la porosidad y la capacidad de retención de humedad son propiedades

deseables en los biocarbones para la agricultura, se pueden obtener ajustando variables en

el proceso de pirolisis; con la selección de la materia prima se puede modificar el contenido

de C-alquilo e hidrofobicidad, el tiempo de residencia puede modificar la capacidad de



retención de humedad y el incremento de las temperaturas puede aumentar el contenido de

cenizas (Campos et al., 2020).

Figura 3-5: Análisis de componentes principales que influyen en variables de interés.

A

B

Capítulo 3 139

Figura 3-6 :Matriz de correlaciones de las variables estudiadas.

3.4.5. Efecto en las plantas de lechuga en el segundo ciclo de siembra.

Para el segundo ciclo de siembra del cultivo, el análisis de medidas repetidas en el tiempo,

mostró diferencias significativas entre los factores tratamiento y tiempo con un p> 0.001. Se

encontró que en el tiempo la altura y el número de hojas es mayor con respecto al control,

con el uso de biocarbones BC y BTR (Figura 3-7 a y b), debido a la mejora en las

propiedades físicas y químicas del suelo, resultando en un mayor rendimiento en el peso

fresco y seco de las plantas a pesar de las condiciones fitotóxicas por la contaminación con

cadmio.

densidad aparente



Las enmiendas con biocarbones en el segundo ciclo de siembra permitieron reducir el

estrés, aumentado el peso fresco y seco de las lechugas (figura 3-8) y se alcanzó punto de

cosecha con BC y BTR. El biocarbón de pulpa de café en el andosol mostró un aumento en

el peso fresco del 45.49% y el biocarbón de tallos de rosas en el umbrisol de un 14.75% con

un óptimo de aplicación a una dosis de 9 t ha-1; después de esa dosis se presenta un

descenso en el rendimiento atribuido principalmente por el aumento de las condiciones de

salinidad. A pesar que BP mostró mejores resultados con respecto al primer ciclo

incrementando cuatro veces el peso cosechado con 10.93 g en el primer ciclo a 45.25 g en

el segundo ciclo de cultivo aún no se logró un rendimiento adecuado. Finalmente, en el suelo

Ferralsol + BRP, no se alcanzó el punto de cosecha ya que sumado al estrés por Cadmio

los bajos contenidos de nutrientes y aluminio intercambiable del ferralsol no permitió un

óptimo desarrollo de las plantas en los dos ciclos de cultivo.

Estudios previos han demostrado el incremento del rendimiento de los cultivos, tanto en

matera como en campo y acorde a la dosis de aplicación de biocarbón; Baronti et al., (2010)

reportó un incremento del 120% en la masa seca de Ray Grass; en el caso particular de

lechuga el aumento en el rendimiento encontrado concuerda con los resultados de Nigussie

et al., 2012 que demostró que con dosis de 10 ton ha -1 de biocarbón fabricado a partir de

residuos de maíz, se aumenta la toma nutrientes de las plantas de lechuga en suelos

contaminados con cadmio, resultado que fue más evidente en el Umbrisol + BTR y en el

Andosol + BC.

Capítulo 3 141

Figura 3-7 Efecto de la aplicación de biocarbón en el crecimiento de lechuga con modelo de medidas repetidas. (A) altura de la planta (B) Número de hojas.

(cm

)

A

B



Figura 3-8 Efecto de la aplicación de biocarbones en peso fresco y seco de las plantas de

lechuga (A) Umbrisol + BTR (B), Andisol + BC, (C) Tecnosol + BP (D). Ferralsol + BRP.

Recientemente, se reportó con el uso de metaanálisis datos que los mayores incrementos

(25%) en el rendimiento de los cultivos se da principalmente en los trópicos, mientras que

en las zonas templadas no se encontró diferencia con el uso de biocarbones, por lo que en

estas regiones se debe enfocar su uso en ahorros en los fertilizantes, control en las

y = 3.025x + 10.875R² = 0.8544

y = 1.1494x + 0.5502R² = 0.9855

0

50

100

150

200

250

3 6 9 12

Pe

so

co

se

ch

a (

g)

Dosis de biocarbón t ha -1

D

Peso fresco promedioPeso seco promedio

y = 5.575x + 38.375R² = 0.943

y = 0.9059x + 9.7254R² = 0.8357

0

50

100

150

200

250

3 6 9 12

Pe

so

co

se

ch

a (

g)


C


y = 9.6167x + 59.167R² = 0.9187

y = 3.3727x + 7.8999R² = 0.9908

0

50

100

150

200

250

3 6 9 12

Pe

so

co

se

ch

a (

g)


B

Peso fresco promedio

Peso seco promedio

y = -13.667x3 + 99.375x2 - 199.96x + 316R² = 1

y = -1.1908x3 + 7.021x2 - 8.4777x + 29.67R² = 1

0

50

100

150

200

250

3 6 9 12

Pe

so

co

se

ch

a (

g)


A


Capítulo 3 143

emisiones de gases de efecto invernadero y otros servicios ecosistémicos (Jeffery et al.,

2017). No obstante, se sugiere antes de la implementación de estos materiales a gran escala

ampliar investigaciones a nivel de campo, ya que se deben evitar generalizaciones debido

a que se encontraron resultados adversos con el uso de los biocarbones de poda.

3.4 Conclusiones

La aplicación de los biocarbones mejoró las propiedades físicas se redujo la densidad real

y aparente (desde un 9.74% hasta un 30.75%), con mayores efectos en el tecnosol y

ferralsol; la porosidad aumentó entre un 5.66% hasta un 12.32% y la capacidad de retención

de humedad aumento entre un 30.71% y un 39.15 %. Estos resultados positivos permiten

mejorar el almacenamiento de agua en los suelos estudiados, en especial en los suelos

arenosos (Ferralsol e Umbrisol).

Las propiedades químicas pH y la capacidad de intercambio catiónico, aumentaron con la

aplicación de los biocarbones, la aplicación de BC en el Andosol aumento 1.1 unidades el

pH y de BRP en el Ferralsol aumento en 2.3 unidades el pH. La CIC aumento en el tecnosol

un 27,4% y un 68.4% en el ferralsol. Por otra parte, el biocarbón de tallo de rosas en

Umbrisoles generó un aumento de la conductividad eléctrica y el contenido de sodio en el

suelo por lo que no se recomienda esta enmienda en cultivos sensibles a la salinidad.

En cuanto a la cantidad de nutrientes, se presentó un aumento en el calcio, potasio,

magnesio y fósforo acorde a los contenidos que aportan cada biocarbón, el nitrógeno mineral

se redujo en el Tecnosol debido a que el biocarbón de residuo de poda tenía una alta relación

carbono nitrógeno.

El biocarbón de café y tallo de rosa presentaron mejoras en las propiedades físicas y

químicas que influyeron en el mayor rendimiento de las plantas de lechuga, y mitigaron los

efectos fitotóxicos del Cadmio en el segundo ciclo de siembra de las plantas de lechuga, lo

que se reflejó en un aumento en el peso fresco de en un 14.75% con el biocarbón de tallos

de rosas en el umbrisol y un 45.49% con el biocarbón de pulpa de café en el andisol.



La porosidad, la CIC y el % de carbono orgánico, son las variables que se agruparon en el

primer componente principal, y son las que más aportan a la varianza de los resultados con

un 63.6%, por lo que se sugiere usar estas como indicadoras del efecto de los tratamientos

con biocarbones en los suelos estudiados.

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Conclusiones y Recomendaciones 155



Conclusiones y recomendaciones

Conclusiones Generales

Se encontró potencial agronómico para los biocarbones BC, BTR y BRP debido a su mayor

pH y CIC pueden emendar suelos ácidos de baja fertilidad. Por su parte, para usos de interés

ambiental se encontró que BCP y BP tienen mayor potencial para uso ambiental ya que

tienen capacidad para secuestrar carbono y minimizar las emisiones de N2O por presentar

una relación C/N > 30.

Los biocarbones BC en el suelo Andosol y BTR en el suelo Umbrisol, mitigaron los efectos

fitotóxicos de la contaminación con cadmio sobre variables de asociadas al cultivo lechuga

(Lactuca sativa var. Vera).

La aplicación como enmienda de biocarbones BRP en Ferralsoles, BC en Andosoles, BTR

en Umbrisoles y BP en Tecnosoles, suelos disímiles contaminados con cadmio mejoró las

propiedades físicas de los suelos, disminuyendo la densidad real y aparente y aumentando

la porosidad y capacidad de retención de humedad, en proporción al aumento de la dosis

del biocarbón, generando resultados positivos que permiten mejorar el almacenamiento de

agua en los suelos estudiados, en especial en los suelos arenosos (Ferralsol e Umbrisol).

Del mismo modo, se presentó una mejora en las propiedades químicas de los suelos en

estudio, el pH, la capacidad de intercambio catiónico, el contenido de nutrientes y carbono

orgánico aumentaron proporcionalmente con a la aplicación de los biocarbones,

observándose un mayor efecto con el uso de BC y BTR.

Se debe tener en cuenta que el nitrógeno en forma de nitrato NO3- y amoniacal NH4

+

disminuyo en el Tecnosol, debido a que el biocarbón de residuo de poda aumento la relación

carbono nitrógeno en el suelo generando una inmovilización de nitrógeno.

El biocarbón de café y tallo de rosa presentaron mejoras en las propiedades físicas y

químicas que influyeron en el mayor rendimiento de las plantas de lechuga, y mitigaron los

efectos fitotóxicos de Cadmio en los dos ciclos de siembra de las plantas. Se deben evaluar

Conclusiones y Recomendaciones 157

otras alternativas que complementen los efectos positivos del biocarbón de palma en

Ferralsoles como su aplicación en mezcla con otras enmiendas como el compost,

lombricomposta o diferentes niveles de fertilización convencional.

El manejo de residuos agroindustriales contaminantes es posible con la transformación de

biomasas en biocarbones, que pueden emplearse como enmiendas a suelos que presenten

degradación de propiedades físicas y químicas o contaminación por cadmio para aumentar

la producción agrícola. De este modo, se puede hacer un manejo sostenible de los suelos

con la gestión de biomasas contaminantes.

Recomendaciones

Se sugiere que estos hallazgos se amplíen en ensayos de campo por periodos de tiempo

más largos, con el fin de determinar los efectos de la interacción biocarbón, suelo, planta y

el ambiente de la zona agroecológica donde se desee implementar con fines de interés

agronómico.

Los biocarbones de residuos de podas en Tecnosoles, de cuesco y raquis en Ferralsoles se

pueden potenciar con otras alternativas (compost, encalado, lombricomposta y niveles de

fertilización) que generen una sinergia que lleve a mayores resultados en la producción

agrícola.

Anexos 159

Anexo 1- Diagrama metodológico de la investigación

Anexos 161

Anexo 2 Datos de Aluminio intercambiable.

ID Muestra Suelo Tratamiento Al int cmol (+) kg -1

10 Ferralsol 3 ton ha-1 BRP 2.55






17 Ferralsol 9 ton ha-1 BC N.D.








81 Andosol 3 ton ha-1 BC 0.97







89 Andosol 9 ton ha-1 BC N.D.








Anexos 162

Anexo 3

Figura A3-1. Mapa de ubicación de las muestreas de los suelos utilizados en la

investigación SA: suelo andosol, SU: Suelo Umbrisol, ST Suelo Tecnosol y SF: Suelo

Ferralsol.

Anexos 163

Anexo 4 Coordenadas de las muestras y su referencia en el Mapas de Suelos del Territorio

Colombiano a escala 1:100.000. Departamentos de Cundinamarca y Tolima. Geoportal

IGAC, 2021

Ubicación Coordenadas Unidad cartográfica acorde al esudio de suelos del correspondiente departamento

Suelos presentes en la unidad cartográfica

SU Cundinamarca (Madrid)

4°44'38.12" Norte 74°15'11.768" Oeste

RLQ Pachic melanudands (50%) Andic Dystrustepts (20%), Aeric Endoaquepts (15%) y Aquic Hapludands (15%)

SA Tolima (Chaparral)

3°49´50,5 Norte y 75°34’01,7 Oeste

MQD(f1) Typic Eutropepts (40%), Typic Troporthents (30%), Entic Hapludolls (30%)

SF Meta (San Carlos)

3°49’10,56’’ y 3°47’50,8’’ Norte y los 73°22’17’’ y 73°21’40’’ Oeste

PVB(a) Oxic Dystropepts (45%), Plinthic Tropaquepts (30%), Typic Hapludox (15%) y Typic Tropaquepts (10%)

ST Bogotá (unal)

4°38'17.2" Norte 74°05'19.8"Oeste

No aplica por ser Zon Urbana

N.A.

Anexos 164

Anexo 5

Figura A5-1. Prueba de identificación de minerales tipo alófana en campo por medio de

la prueba de fluoruro de sodio NaF; el color rosado indica la presencia de cenizas

volcánicas (Fieldes y Perrot, 1966).

Ferralsol Umbrisol Andosol

Tecnosol Umbrisol

Documents

Efecto de enmiendas con biocarbones sobre propiedades