Desarrollo de biofertilizantes a partir de biomasa de palmáceas orientados al secuestro de carbono y la mitigación del cambio climático

Abstract

Las especies de palmáceas son un cultivo con una elevada importancia a nivel ambiental, paisajístico, económico y cultural, con una creciente presencia en la UE y especialmente en la cuenca mediterránea del Sureste de España. Además, existen parajes y entornos protegidos de palmeras debido a su singularidad y riquezas en muchas áreas de Europa y también de España. La poda de estas especies representa una gran cantidad de biomasa por hectárea y año. Según diversas estimaciones, en Europa existen entre 20 y 100 millones de palmeras de la especie Phoenix y entre 10‐20 millones de la especie Whasingtonia robusta, de las que el 40% se ubican en España. En este marco se planteó este trabajo de investigación donde se proponen soluciones a la problemática actual de la gestión de residuos desde la ciencia, enfocados al desarrollo de bioproductos fertilizantes orientados al secuestro de C utilizando biomasa de palmáceas en procesos de co‐compostaje. En el primer trabajo del compendio de artículos que forman esta tesis, se ha realizado una caracterización de materias primas procedentes de la palmera Phoenix dactylifera L., susceptibles de ser valorizadas mediante el compostaje, como tronco de palmera procedente de podas de jardinería municipal como ingrediente principal y como ingrediente secundario lodo agroindustrial procedente del procesado de pera. La primera fase de desarrollo de procesos de compostaje a escala piloto se compone de 2 experimentos, en el experimento 1 se formaron 4 pilas con distintas proporciones. Posteriormente, el experimento 2 de este trabajo consistió en un escalado comercial de dos réplicas de la proporción que mejor resultado mostró en el experimento anterior. Se dispuso una pila en un sistema de compostaje abierto en hilera trapezoidal con volteos semanales hasta el fin de su fase bio‐ oxidativa. Los resultados obtenidos muestran la viabilidad del co‐compostaje con los materiales estudiados, resultando en composts con buen grado de madurez y buenas propiedades físico‐químicas y químicas a pesar de su contenido en sales. También, se ha testeado con éxito el empleo de un nuevo índice denominado EXI2 como herramienta idónea para ajuste de mezclas complejas de compostaje. En el segundo trabajo se integran una serie de procesos de compostaje usando hoja de palmera Phoenix dactylifera L. procedente de jardinería municipal, como ingrediente principal. De ingrediente secundario se emplearon diferentes tipos de lodos, (lodo urbano procedente de las EDAR de Torrevieja, Orihuela y Elche, y lodo agroindustrial procedente del procesado de pera). Se dispusieron a través de un sistema de compostaje abierto en hilera trapezoidal con volteos periódicos. Se ha constatado una intensa fase termofílica y mayor índice EXI2 en aquellas pilas con mayor proporción de hoja de palmera usada. A pesar de las limitaciones agronómicas derivadas de la elevada salinidad mostrada, la calidad y madurez final de los compost elaborados es óptima. Además, gracias al empleo de lodos existe una alta concentración de nutrientes esenciales (NPK) en el compost producido que le aporta valor económico. Finalmente, en el tercer trabajo, se ha verificado la calidad agronómica y los efectos medioambientales de los compost elaborados a base de biomasa de Phoenix dactylifera L., en un trabajo de campo comparativo con otros fertilizantes en un cultivo intensivo de espinaca (Spinacia oleracia). Para ello, se han dispuesto 8 tratamientos fertilizantes divididos en 3 grupos (I) Fertilizantes inorgánicos; II) Fertilizantes orgánicos frescos; III) Fertilizantes orgánicos compostados, con un diseño experimental al azar por bloques con 4 repeticiones y una duración final del experimento de 61 días, momento en el cual se cosecharon las espinacas. La evaluación de los aspectos agronómicos y medioambientales se ha llevado a cabo en tres direcciones, a) efecto de las enmiendas orgánicas en el suelo; b) biomasa aérea producida y composición mineral de la misma; c) evaluación integral de indicadores ambientales en las diferentes estrategias de fertilización propuesta. Como parte de la evaluación integral de los fertilizantes en un entorno agrícola exigente se han medido las emisiones de gases efecto invernadero GEI (CO2, CH4, N2O) . Estas medidas se han realizado mediante cámaras estáticas opacas estandarizadas, usando la técnica de gas pooling y posterior determinación mediante cromatografía de gases. Finalmente, el potencial de calentamiento global (GWP) y la emisión de N2O por producción de biomasa han sido estimados como parte de la evaluación integral de los aspectos medioambientales. En este experimento se ha observado como el digerido y el vermicompost empleados como fertilizantes mostraron los mejores rendimientos. Además, estas enmiendas mostraron altas eficiencias de extracción de nitrógeno (NUE) junto al tratamiento inorgánico NPK+DMPP (con inhibidor de la nitrificación) en términos de rendimiento, extracción y acumulación de nitratos. Así, la concentración de NO3 ‐ en hoja se mantuvo por debajo de los límites que marca la legislación europea, siendo inducidos los valores más altos por los compost debido a su madurez. Entre las implicaciones ambientales evaluadas, cabe destacar las bajas emisiones acumuladas de N2O, por debajo del factor de emisión del 1% propuesto por el IPCC (2006). En el caso del CH4, se produce de forma general un efecto sumidero en el suelo, que se aprecia más intenso durante la última parte del experimento. En esta parte del experimento, las condiciones de la zona rizosférica del suelo fueron óptimas para el desarrollo de mayoresflujos de emisión de CO2. La enmienda que registró mayores emisiones GEI fue el lodo fresco debido a la presencia de C lábil y NO3 ‐ . Ambientalmente, el uso de compost derivado de Phoenix dactylifera L. como enmienda fertilizante disminuyó las emisiones de gases de efecto invernadero (GEI) y registró menor potencial de calentamiento global (GWP) con similar rendimiento al resto de fertilizantes, contrastando con el inhibidor de la nitrificación NI del fertilizante NPK+DMPP que no logró mejorar la eficiencia de extracción de N a pesar de disminuir sus emisiones de N2O. La otra gran implicación ambiental muestra que las enmiendas orgánicas mejoraron el Stock de C del suelo al finalizar el cultivo, sugiriendo que cualquier evaluación medioambiental de un agrosistema de cultivo debería integrar el rendimiento del cultivo, la variación del stock de C, las emisiones GEI, el GWP y un análisis económico

The palm species are a crop with a high environmental, landscape, economic and cultural importance, with a growing presence in the EU and especially in the Mediterranean basin of the Southeast of Spain. In addition, there are places and environments protected from palm trees due to its uniqueness and wealth in many areas of Europe and also of Spain. Pruning of these species represents a large amount of biomass per hectare and year. According to various estimates, in Europe there are between 20 and 100 million palm trees of the Phoenix species and between 10‐20 million of the Whasingtonia robusta species, of which 40% are located in Spain. In this framework, this research work was proposed where solutions are proposed to the current problem of waste management from science, focused on the development of fertilizer bioproducts oriented to the sequestration of C using palm biomassin co‐composting processes. In the first work of the compendium of articles that form this thesis, a characterization of raw materialsfrom the Phoenix dactylifera L. palm tree has been carried out, capable of being valued by composting, as a trunk from pruning municipal gardening as the main ingredient and as binary ingredient agroindustrial sludge from pear processing. The first phase of development of pilot‐scale composting processes consists of 2 experiments, in experiment 1 4 stacks were formed with different proportions. Subsequently, experiment 2 of this work consisted of a commercial scaling of two replicas of the proportion that showed the best result in the previous experiment. A stack was placed in an open composting system in trapezoidal row with weekly flips until the end of its bio‐oxidative phase. The results obtained show the feasibility of co‐composting with the materials studied, resulting in composts with good maturity and good physical‐chemical and chemical properties despite theirsalt content. In addition, the use of a new index called EXI2 has been successfully tested as an ideal tool for adjusting complex composting mixtures. In the second work, a series of composting processes are integrated using Phoenix dactylifera L. palm leaf from municipal gardening, as the main ingredient. Different types of sludge were used as a secondary ingredient (urban sludge from the WWTP of Torrevieja, Orihuela and Elche, and agroindustrial sludge from pear processing). They were arranged through an open composting system in trapezoidal row with periodic flips. An intense thermophilic phase and higher EXI2 index have been observed in those batteries with the highest proportion of palm leaf used. In spite of the agronomic limitations derived from the high salinity shown, the quality and final maturity of the compost produced is optimal. In addition, thanksto the use ofsludge there is a high concentration of essential nutrients(NPK) in the compost produced that provides economic value. Finally, in the third work, the agronomic quality and the environmental effects of the compost made from biomass of Phoenix dactylifera L. have been verified, in a comparative field work with other fertilizers in an intensive spinach crop (Spinacia oleracia). For this, 8 fertilizer treatments have been arranged divided into 3 groups (I) Inorganic fertilizers; II) Fresh organic fertilizers; III) Composted organic fertilizers, with a randomized experimental design by blocks with 4 repetitions and a final duration of the experiment of 61 days, at which time the spinach was harvested. The evaluation of agronomic and environmental aspects has been carried out in three directions, a) the effect of organic amendments on the soil; b) aerial biomass produced and its mineral composition; c) comprehensive evaluation of environmental indicators in the different fertilization strategies proposed. As part of the comprehensive evaluation of fertilizers in a demanding agricultural environment, GHG greenhouse gas emissions(CO2, CH4 and N2O) have been measured. These measurements have been made using standardized opaque static cameras, using the pooling gas technique and subsequent determination by gas chromatography. Finally, the potential for global warming and the emission of N2O from biomass production have been estimated as part of the integral assessment of environmental aspects. In this experiment, it has been observed how the digested and the vermicompost used as fertilizers showed the best yields. In addition, these amendments showed high nitrogen extraction efficiencies (NUE) together with the inorganic NPK + DMPP treatment (with nitrification inhibitor) in terms of nitrate yield, extraction and accumulation. Thus, the concentration of NO3 ‐ in leaf remained below the limits set by European legislation, the highest values being induced by compost due to its maturity. Among the environmental implications evaluated, it is worth mentioning the low cumulative emissions of N2O, below the 1% emission factor proposed by the IPCC (2006). In the case of CH4, there is a general sink effect in the soil, which is more intense during the last part of the experiment. In this part of the experiment, the conditions of the rhizospheric area of the soil were optimal for the development of greater CO2 emission flows. The amendment that registered the highest GHG emissions was fresh mud due to the presence of C labile and NO3 ‐ . Environmentally, the use of compost derived from Phoenix dactylifera L. as a fertilizer amendment decreased greenhouse gas (GHG) emissions and recorded lower global warming potential (GWP) with similar performance to the rest of fertilizers, contrasting with the nitrogen inhibitor (NI) of the fertilizer NPK + DMPP that failed to improve the efficiency of N extraction despite decreasing its N2O emissions. The other major environmental implication shows that organic amendments improved the C Stock of the soil at the end of the crop, suggesting that any environmental assessment of a crop agrosystem should integrate crop yield, C Stock variation, GHG emissions, the GWP and an economic analysis