Arundo donax L. como biomasa residual de utilidad en usos agronómicos

Abstract

En España las cuencas de los ríos están colonizadas en su mayoría por Arundo donax L. (AD), lo que produce una pérdida importante de biodiversidad, así como un impacto medioambiental y socioeconómico. Arundo donax L. está considerada como una de las 100 peores especies invasoras del mundo (según la Base de Datos Mundial de Especies Invasoras de la UICN), estando entre los objetivos de la estrategia europea para la mitigación de la pérdida de biodiversidad para el 2020 “mantener y restaurar los ecosistemas” y “combatir las especies invasoras alóctonas”. La gestión de esta especie invasiva en el cauce de los ríos mediterráneos supone anualmente un gran coste económico a cargo de los recursos públicos para su arranque-control mediante diferentes procedimientos, destacando entre ellos la poda mecánica. Como problema asociado a su eliminación está la gran generación de biomasa, su difícil manejo, así como su potencial destino. La actual gestión, realizada por las entidades de dichas cuencas, se restringe al control-poda de estas especies sin realizar aprovechamientos significativos de la biomasa, trasladando el problema a los vertederos o las zonas de acopio. En este contexto se ha planteado esta tesis doctoral cuyo objetivo principal es proponer soluciones a la problemática actual de la gestión de residuos desde la ciencia, enfocadas al desarrollo de bioproductos fertilizantes orientados al secuestro de C utilizando biomasa de Arundo donax L. en procesos de co-compostaje y como material de cobertura de suelos agrícola. Con ello, queremos contribuir a evitar (o disminuir en gran medida) la quema y su eliminación mediante vertedero de esta biomasa residual, aprovechando este residuo y convirtiéndolo en recurso, en línea directa con la estrategia europea de la implantación de una economía circular. Este trabajo lo forma un conjunto de 4 experimentos, donde en el primero se estudia y analiza la propia planta Arundo donax L, su vegetatividad en condiciones de suelos marginales y salinos, así como la composición de sus partes valorizables (parte aérea y rizoma) como fuente principal de biomasa para su aprovechamiento, así como sus posibles usos potenciales. Cabe destacar su alta capacidad de adaptación a medios adversos, su eficiencia captadora de C atmosférico y su naturaleza potencialmente estructurante en los procesos de co-compostaje en función de su relación C/N media-alta. En el segundo experimento, se han diseñado y ejecutado diferentes escenarios de co-compostaje de lodos de depuradora de aguas residuales y lodo agroalimentario utilizando la biomasa de Arundo donax L, como agente estructurante, como estrategia sinérgica para la gestión de ambos residuos orgánicos y producir biofertilizantes orgánicos equilibrados. Como resultados de este experimento, se han optimizado estos procesos y se han obtenido los procesos más idóneos desde el punto de vista agronómico y medioambiental, confirmando el rol de AD como ingrediente significativo y además eficiente para disminuir la emisión de gases de efecto invernadero en procesos de compostaje de lodos de depuración. En el tercer experimento, se ha realizado la validación agronómica de los compost derivados de AD procedentes del experimento 2, en condiciones comerciales y comparándolos con escenarios de fertilización usuales en agricultura intensiva, usando un cultivo hortícola de hoja (espinaca) como caso de estudio demostrativo. Se han obtenido rendimientos similares a los fertilizantes complejos NPK de liberación lenta empleados en manejo comercial de estos cultivos, mientras que el suelo enmendado ha visto mejoradas en sus propiedades y su sostenibilidad, validando así su viabilidad potencial para su uso en horticultura de cultivos de hoja. Por último, en el cuarto experimento se han estudiado las potencialidades que tiene la biomasa de AD como material utilizado en cobertura del suelo. Para ello, se estudiaron específicamente los efectos que sobre la evaporación edáfica tiene la presencia o no de mulch (cobertura vegetal superficial al suelo) procedente de biomasa agrícola (poda de cítricos, de granado, tallo y rizoma de Arundo donax L. y hoja de palmera). También se incluyó como variable la adición o no de una enmienda orgánica (adición del 5% de materia orgánica en forma de compost) sobre tres tipos distintos de suelo. Se obtuvo que la presencia de mulch y la presencia simultánea de mulch y compost favorecen en todo caso la ralentización de la evaporación del contenido de agua del suelo, favoreciendo además una mayor retención inicial tras eventos de riego/lluvia. Los mulch derivados de Arundo donax L. obtuvieron resultados comparables o superiores a los otros estudiados. Como visión integradora de estos experimentos, podemos concluir que la propuesta para la gestión de la biomasa procedente de la extracción de la especie invasiva Arundo donax L. ya sea en su uso directo como material de cobertura vegetal del suelo o de forma indirecta tras su co-compostaje junto a otros flujos residuales es viable a nivel operativo, agronómico y medioambiental, generando soluciones locales, integradas en procesos de economía circular y proporcionando ventajas medioambientales y socioeconómicas

In Spain river basins are colonized mostly by Arundo Donax L. (AD), which results in an important loss of biodiversity, as well as an environmental and socioeconomic impact. Arundo Donax L. is considered as one of the 100 worst invading species in the world (according to World Data Base of Invading Species of IUCN), being among the goals of the European strategy for the mitigation of the loss of biodiversity in 2020 “to keep and restore the ecosystems” and “fight the invasive species”. The management of this invading species on Mediterranean river basins implies a great economic cost per year which must be supported by public resources for its starting-control by means of different procedures, being the most outstanding among them, the mechanical pruning. A problem associated to its removal is the great production of biomass, its difficult handling as well as its potential destination. The current management, performed by such river basins, is restricted to the control-pruning of these species without taking significant advantages of the biomass, moving the problem to landfills or to collecting areas. This doctoral thesis has been argued in this context whose main object is to suggest solutions to the current problems of waste management from Science, focused on the development of fertilizer products directed to the sequestration of C using biomass of Arundo donax L. in processes of co-composting and as mulching material on agricultural soils. Thus, we want to contribute to avoid (or reduce largely) the burning and its elimination by means of landfill of this residual biomass, making the most of this waste and changing it into resource, in concordance with the European strategy of a circular economy implementation. This work is made up of four different experiments, in which the first one the proper plant Arundo donax L. is studied and analyzed, its vegetative under conditions of marginal and saline soils, as well as the composition of its valuable parts (air part and rhizome) as main source of biomass for its exploitation, and also their potential use. It is worth stressing its high capacity of adaptation to adverse environments, its high efficiency to capture atmospheric C and its potential structure nature in the processes of co-composting according to its relation C/N medium-high. In the second experiment, different co-composting scenarios of sewage sludge of wastewater treatment plant and agri-food sludge have been designed and executed using the biomass of Arundo donax L., as bulking agent as synergistic strategy for the management of both organic wastes and produce balanced organic fertilizers. As a result of this experiment, such processes have been optimized and we obtained more ideal processes from environmental and agricultural point of view, confirming the role of AD as significant ingredient and efficient to reduce the greenhouse gas emissions in processes of composting of sewage. In the third experiment, we validated the agronomic conditions of the compost derived from AD from experiment 2, under commercial conditions and comparing them with usual fertilization scenarios in intensive agriculture, using a leafy horticultural (spinach) as case of demonstrative study. We obtained similar performance to those of NPK complex with slow release fertilizes used in the commercial management of these farmings, and at the same time the amended soil has been improved in properties and sustainability and give us feasibility for its potential use in leafy horticultural. Finally, in the fourth experiment we studied the potential use that AD biomass has as material used in soil as mulching. For its purpose, we studied specifically the effects that the presence or absence of mulch (superficial vegetable mulching soil) from agricultural biomass (citrus, pomegranate, stem and rhizome from Arundo donax L. and palm leaf) have on the edaphic evaporation. It was also included the addition or not of an organic amendment as variable (addition of 5% of organic material as compost) over three different kind of soils. We obtained that the presence of mulching and the simultaneous presence of mulching and compost assists specially the deceleration of the evaporation of water soil and helps in addition a bigger retention after events such as rain/irrigation. The mulching derived from Arundo donax L. obtained comparable results or even better to the other studied. As an integrating view of above experiments, we can conclude that the proposal for the management of biomass extracted from the invasive species Arundo donax L., either in its direct use as mulching vegetable material for soils, or in its indirect use after its co-composting together with other residual flows, is feasible at operative, agronomic and environmental level, providing local solutions and integrated in processes of circular economy and supplying socioeconomic and environmental advantages