Utilización de compost de lodo de depuradoras para la producción del cardo (Cynara cardunculus L.), como cultivo energético

Abstract

La conservación del recurso suelo, la gestión apropiada de los residuos generados por la actividad humana y la obtención de energía a partir de fuentes renovables son grandes retos en la actualidad para el ser humano. El presente trabajo de investigación se articula en torno a estas tres temáticas, con la finalidad de proporcionar nuevos avances científicos orientados hacia el desarrollo sostenible. La investigación en estos campos es de especial importancia, en primer lugar, por la necesidad de tomar medidas urgentes para proteger y mejorar el estado de un recurso no renovable y fundamental como es el suelo, especialmente en las regiones mediterráneas. En segundo lugar, por la conveniencia económica, legal y, principalmente, ambiental de llevar a cabo la mejor gestión posible de los subproductos de la depuración de las aguas residuales. Finalmente, por la importancia de la generación de energía a partir de fuentes renovables, en aras de alcanzar un contexto energéticamente sostenible, que contribuya a la reversión del cambio climático. La conjugación de estos ejes temáticos da lugar a la finalidad de la presente tesis: determinar los efectos del uso de compost de lodo de depuradora en la producción del cardo (Cynara cardunculus L.), como cultivo energético. El cardo es una especie herbácea perenne, considerada cultivo energético para ambientes mediterráneos. Además de su empleo en alimentación se le atribuyen numerosos usos industriales, destacando su uso como biocombustible, principalmente sólido o líquido. A pesar de que el cultivo de esta especie puede iniciarse a partir de semillas, el uso de plantones generados en semilleros parece facilitar su establecimiento. En este contexto, la turba es el sustrato para semilleros más común, lo cual genera grandes impactos ambientales debido a la extracción de este recurso no renovable de áreas con gran valor ecológico. Entre las posibles alternativas viables al uso de turba, para este fin, se encuentra el compost de lodo de depuradora. Con objeto de determinar la viabilidad de este material residual en la generación de plantones de cardo, se llevó a cabo un ensayo en invernadero empleando diferentes proporciones de compost y turba (D1-0/100; D2-25/75; D3-50/50; D4-75/25; D5-100/0). Se valoró el porcentaje de germinación relativa, así como el peso fresco, el peso seco, el número de hojas y la longitud de la raíz de las plántulas de cardo. A pesar de que el uso de elevadas proporciones de compost puede dificultar la germinación y el desarrollo de las plantas, por el contenido en sales o de sustancias fitotóxicas, estos efectos no fueron observados en el ensayo. En líneas generales, el uso de mayores proporciones de compost (D4-D5) no indujo efectos significativos en las variables estudiadas, excepto el peso fresco y seco, que aumentó. Por tanto, bajo condiciones similares a las de nuestro ensayo, el compost de lodo de depuradora es susceptible de ser empleado en sustitución de la turba para semilleros de cardo. El efecto de la salinidad en el cardo, como cultivo energético, es otro de los aspectos abordados dentro de la presente tesis. A pesar de que la salinidad es un factor con gran impacto en el crecimiento vegetal y es recurrente en los ambientes mediterráneos, especialmente en los áridos y semiáridos, su efecto sobre el cardo no está totalmente evaluado. Las investigaciones realizadas se centraron en la germinación y en los primeros estadios como plántula, sin reportar información respecto a las estructuras reproductivas, el material principalmente aprovechado para usos energéticos. Atendiendo a las anteriores consideraciones, se llevó a cabo un ensayo en tiestos (invernadero), durante el primer ciclo de desarrollo del cardo (octubre-julio), para determinar el efecto del riego salino sobre el crecimiento y la composición mineral del cardo. Los tratamientos de riego salino (predominancia de NaCl) emularon la conductividad eléctrica media (2 y 3 dS m-1) de las aguas más utilizadas en el sureste español. Adicionalmente, se escogieron dos suelos mediterráneos, que diferían en su contenido inicial en sales, para poder evaluar si éste factor influenciaba el desarrollo del cardo. Las siguientes variables fueron consideradas en cada una de las fracciones del cardo (escapo floral o tallo, hojas del tallo e inflorescencias): peso seco, Nk, P, Ca, Mg, K, Na, Cl, Cu, Fe, Mn, Zn. Así mismo, se consideraron diversos parámetros morfométricos (altura, número de inflorescencias y biomasa superficial producida), así como el contenido mineral de la biomasa superficial de cardo. El tipo de suelo afectó escasamente a las plantas de cardo, siendo los principales efectos observados en los niveles de K, P y Mn. Con respecto al riego salino (3 dS m-1 versus 0,7 dS m-1), la producción de biomasa disminuyó en aproximadamente un tercio, mientras que la producción de semillas disminuyó alrededor de un 57%. La disminución del crecimiento es un efecto comúnmente observado en las plantas sometidas a estrés salino. Así mismo, la concentración y el contenido en planta de Cl y Na aumentaron conforme la salinidad del agua de riego era mayor. Dado que no se observaron síntomas de desórdenes nutricional y que las plantas de cardo pudieron completar su ciclo vital, se interpretó que la elevada presencia de Na y Cl en la biomasa de cardo podría corresponder con un mecanismo de halotolerancia. En cualquier caso, la presencia de estos elementos disminuye la calidad de la biomasa para la producción de energía. Otros rasgos reseñables fueron la gran afinidad del cardo por el K, que permitió elevadas concentraciones de este elemento en las diferentes fracciones de la planta, así como la sensibilidad del Mg ante los incrementos de salinidad, disminuyendo su presencia en los tejidos vegetales analizados. Los efectos observados (disminución en la productividad y descenso de la calidad de la biomasa de cardo) apuntan a que la salinidad puede llegar a comprometer la posibilidad de uso del cardo como biocombustible. Finalmente, el rol del compost de lodo de depuradora como enmienda orgánica en la producción del cardo como cultivo energético representa el aspecto más importante de la presente tesis. La aplicación de materiales compostados, generalmente, mejora la calidad del suelo, favoreciendo la protección y conservación de este recurso. Por otra parte, estos subproductos actúan como fertilizantes orgánicos de liberación lenta, característica que potencialmente favorece el desarrollo de las especies vegetales. Recientemente, dentro de un contexto de necesidad de obtención de energía a partir de fuentes renovables, también se ha nestudiado los efectos de diversos materiales orgánicos sobre aquellas especies vegetales susceptibles de ser empleadas para la producción bioenergía. Entre los materiales empleados como enmienda orgánica se encuentran los lodos producidos en la depuración de las aguas, ya sea en su forma compostada o bien sin compostar. Algunas de las principales ventajas del uso de los lodos de depuradora son: seguridad en el suministro en el medio plazo, ahorros energéticos y económicos en los insumos del cultivo en concepto de fertilización, aporte de materia orgánica y de nutrientes al sistema sueloplanta y valorización efectiva de un residuo. Dado que un aporte excesivo de este material orgánico implica un aprovechamiento ineficiente, pudiendo conllevar efectos negativos no deseados (ej. adición de metales pesados al suelo), queda patente la necesidad de optimizar las dosis de aplicación en función de las condiciones ambientales (ej. clima, características del suelo) y de la especie vegetal seleccionada. En el presente trabajo se escogió el cardo como cultivo energético por su elevada potencialidad en el ámbito mediterráneo y por la escasa investigación realizada sobre el efecto de la fertilización orgánica sobre la producción de esta especie. Fruto de estas consideraciones, surgieron dos experimentos de campo que se llevaron a cabo en distintas parcelas agrícolas de la provincia de Alicante, cuyos objetivos principales fueron determinar los efectos inducidos por el compost de lodo de depuradora en el suelo y en la planta, así como proponer una dosis de aplicación óptima para el cultivo del cardo. En el primero de los experimentos de campo, con duración inferior a un año y llevado a cabo en la estación agraria experimental del IVIA en Elche, se estudió el efecto sobre las propiedades del suelo y sobre las características de las plantas de cardo de las siguientes dosis de compost de lodo de depuradora (t ha-1): 0 (T0), 20 (T1), 40 (T2), 60 (T3) y 80 (T4). En las plantas de cardo se determinaron ciertas variables morfométricas (altura, número de inflorescencias, peso fresco y peso seco) y se analizó la composición mineral de las hojas (Nk, P, Ca, Mg, K, Na, B, Cu, Fe, Mn, Zn). En el suelo se analizaron las siguientes propiedades: pH, CE, Nk, PBurriel, Cox y cationes asimilables (Ca, Mg, K y Na, [acetato amónico] y Cu, Fe, Mn y Zn [DTPA]). La respuesta de las plantas de cardo ante la aplicación del compost fue muy limitada, mientras que en el suelo el efecto fue comparativamente mayor, mostrando diferencias significativas en el rango de aplicación de 40 a 80 t ha-1. Las variables morfométricas no presentaron diferencias significativas, siendo los valores medios por planta de 149 cm de altura, 16 inflorescencias, 7,9 kg (peso fresco) y 1,3 kg (peso seco). A excepción de la concentración de Fe, la composición mineral tampoco se vio afectada por la aplicación de compost. En lo que se refiere al suelo, Cox, NK y PBurriel fueron las propiedades que se vieron afectadas en mayor medida, aunque Mg, Fe, pH y Zn también mostraron variaciones significativas respecto del control. La principal hipótesis ante la falta de respuesta del cardo a los tratamientos de compost fue que los requerimientos nutricionales estaban satisfechos, incluso en el control. En el caso del suelo, el incremento general de la fertilidad fue similar al reportado por otros autores bajo condiciones similares (ambientes mediterráneos y uso de residuos orgánicos).

El segundo experimento de campo se desarrolló en la región agraria de Algorós (Elche), durante un periodo de 3 años (2008-2011). En este caso, se evaluó el efecto sobre las plantas de cardo, exclusivamente, siendo los tratamientos de compost de lodo de depuradora los siguientes (t ha-1): 0 (T0), 30 (T1), 50 (T2) y 70 (T3). El compost se aplicó en substitución de la fertilización basal, generalmente de carácter inorgánico, llevada a cabo previamente al establecimiento del cultivo. Cada año se mantuvo el agua disponible para la planta alrededor de 760 mm año-1, llevando a cabo riegos por goteo cuando fue necesario. Así mismo, mediante el riego, se aplicó una tasa fija anual de reposición de nutrientes de 50-80-100 kg ha-1 (N-P2O5-K2O). Cada año, en Julio y tras llevar a cabo ciertas medidas morfométricas, las plantas de cardo fueron muestreadas y procesadas acorde a las necesidades posteriores de cada tipo de análisis. En concreto, las siguientes variables fueron consideradas: altura, número de inflorescencias, número de tallos, peso seco de cada fracción, proporción sobre el peso total de cada fracción, producción de biomasa aérea, producción de semillas y peso de 1000 semillas. Así mismo se analizó el porcentaje de aceite de las semillas y el poder calorífico superior de las diferentes fracciones del cardo, de manera que pudo calcularse la producción potencial de aceite y de energía. Se emplearon modelos lineales mixtos para discriminar y cuantificar los efectos derivados de los factores experimentales, aplicando un algoritmo REML para la estimación de los parámetros de los modelos significativos para los tratamientos de compost. , como resultado de los tratamientos de compost, se observó un incremento en la producción de biomasa aérea y en la producción de semillas, del 40% y 68%, respectivamente (comparativa entre T0 y T3; valor promedio durante los 3 años de ensayo). El comportamiento observado para la producción de aceite y de energía fue similar. Los modelos indicaron que, en estas variables, las diferencias debido al uso del compost eran significativas (P¿0.05), principalmente dentro del rango 50-70 t ha-1. Aquellas variables que no fueron influenciadas por el compost ni por el año de cultivo, mostraron los siguientes valores medios: 22,3% (porcentaje aceite de las semillas); 17,8 MJ m-2 (HHV0 promedio de la biomasa aérea del cardo); 40 g (peso de 1000 semillas); 43% (porcentaje de tallos + hojas sobre el peso total) y 57% (porcentaje de inflorescencias sobre el peso total). El hecho de que el factor ¿año de cultivo¿ afectara a la práctica totalidad de las variables se entiende que es debido a: las condiciones climatológicas, la dinámica de mineralización del compost de lodo de depuradora y a la propia fisiología de la planta. En lo que respecta al compost de lodo de depuradora, el efecto positivo observado en el crecimiento del cardo se atribuye a unas mejores condiciones nutricionales para la planta, de manera directa por aporte del compost y de manera indirecta por mejora de las propiedades del suelo. Por todos los motivos expuestos anteriormente, puede afirmarse que el uso del compost de lodo de depuradora, en tasas de 50 t ha-1, mejora la productividad del cardo y favorece la conservación y protección del suelo, suponiendo un ahorro potencial, tanto económico como energético, derivado de la gestión eficiente de un residuo ubicuo.

The conservation of the soil as a resource, the proper management of the residues derived from the human activity and the production of energy from renewable sources are great challenges that humanity is currently facing. The present research is based on these three topics, aiming to provide new scientific insights oriented towards sustainable development. Research within these fields is of the outmost importance, first of all, due to the urgent need of taking measures to protect and enhance the status of a fundamental nonrenewable resource such as the soil, especially in Mediterranean regions. Secondly, due to the economic, legal and, especially, environmental convenience of a proper management of wastewater treatment byproducts. Finally, due to the importance of energy production from renewable sources, so as to achieve energy sustainability, thus contributing to the reversion of climate change effects. The combination of these three thematic cornerstones motivates the purpose of the present thesis: to ascertain the effects of sewage sludge compost use for cynara (Cynara cardunculus L.) cultivation as energy crop. Cynara is a perennial herbaceous plant, considered as an energy crop for Mediterranean environments. In addition to its use for feeding, many other industrial uses have been attributed to cynara, standing out its use as biofuel, mainly solid or liquid. In spite that the cultivation of this crop can be initiated from seeds, the use of seedlings produced in seedbeds seems to facilitate plant establishment into the field. Within this context, peat is the most common seedbed substrate used, which involves great environmental impacts derived from the extraction of this nonrenewable resource from highly valuable ecological areas. Among the alternatives to peat use, sewage sludge compost is an option. In order to study the feasibility of this waste material for cynara seedlings production, a greenhouse experiment was carried out, using different proportions of sewage sludge compost and peat (D1- 0/100; D2-25/75; D3-50/50; D4-75/25; D5-100/0). The relative germination index, as well as the fresh weight, the dry weight, the number of leaves and the length of the roots of cynara seedlings were considered as variables. Even though high proportions of composted materials might impair plant germination and growth, due to salt or phytotoxic substances content, these effects were not observed in the experiment. Generally, the use of higher proportions of sewage sludge compost (D4-D5) did not significantly affect the studied variable, with the exception of plant weight, which slightly increased. Hence, under conditions similar to those in this study, sewage sludge compost can be used as peat substitute for cynara seedbeds. The effect of salinity on cynara, as an energy crop, is another aspect embodied within the present thesis. Whilst salinity has a great impact on plant growth and is a recurrent factor in Mediterranean environments, especially arid and semiarids ones, its effect on cynara are not totally assessed. Previous researchs on this topic elemenwere focused in the germination and in the first growth stages of cynara plants. Consequently, scarce information is available regarding the effect on cynara reproductive structure, which is the material mainly used for energetic purposes. Due to the previous considerations, a greenhouse pot experiment was carried out, during the first growing cycle of cynara plants (October-July), to ascertain the effect of saline irrigation on cynara growth and mineral composition. Saline irrigation treatments (predominance of NaCl) emulated the electrical conductivity (2 and 3 dS m-1) of the most common irrigation sources present in the south-east of Spain. Additionally, two Mediterranean soils, differing in their initial salt content, were selected so as to evaluate if this factor could influence cynara growth. The following variables were studied in each cynara fraction (stalk, caulicle leaves and inflorescences): dry weight, Nk, P, Ca, Mg, K, Na, Cl, Cu, Fe, Mn and Zn. In addition, several morphometric parameters (plant height, number of inflorescences and aboveground biomass yield) and the mineral content of cynara biomass were considered. Soil type scarcely affected cynara plants, being the principal effects observed in the levels of K, P and Mn. Concerning saline irrigation (3 dS m-1 versus 0.7 dS m-1), aboveground biomass yield was reduced in approximately one third, while seeds yield was reduced up to 57%. Growth impairment is a commonly observed effect in saline stressed plants. In addition, the concentration and the content of Cl and Na within the plant tissues increased paired with irrigation water salinity (the higher EC, the higher the concentration and content). Given that no nutritional disorders were observed and considering that cynara plants were able to complete inefiits growing cycle, the high Na and Cl presence in cynara biomass was assumed to be related with a salt resistance mechanism. In any case, the presence of these elements decreases the quality of cynara biomass for energy production. Other traits worth to mention were the high ability to absorb and accumulate K, which favoured high K levels in cynara biomass, and the sensitivity of Mg to salinity, decreasing its presence within cynara tissues. The observed effects (decrease of plant productivity and biomass quality) suggested that salinity may hinder the use of cynara as biofuel. Finally, the role of sewage sludge compost as organic amendment for the cultivation of cynara as an energy crop is the central axis of the present research. The application of composted materials generally enhances soil quality, favouring the protection and conservation of this resource. On the other hand, these by-products act as slow release organic fertilizers, characteristic that potentially promotes plant growth. Recently, within a context in need of energy production from renewable sources, these type of organic materials have been also studied, mainly on its effect over those plant species considered for bioenergy production. Among the waste materials that can be used as organic amendment, it can be found the sewage sludge produced in wastewater treatment, either in its composted form or uncomposted. Some of the advantages of sewage sludge use are: supply secured in the midterm, energetic and economical savings in crops fertilization cost, organic matter and nutrients addition to the soil-plant system and an efficient valorization of a residue. Considering that an excessive loading of this organic material implies an inefficient use, which may induce undesirable detriciente, pudiendo conllevar efectos negativos no deseados (ej. adición de metales pesados al suelo), queda patente la necesidad de optimizar las dosis de aplicación en función de las condiciones ambientales (ej. clima, características del suelo) y de la especie vegetal seleccionada. En el presente trabajo se escogió el cardo como cultivo energético por su elevada potencialidad en el ámbito mediterráneo y por la escasa investigación realizada sobre el efecto de la fertilización orgánica sobre la producción de esta especie. Fruto de estas consideraciones, surgieron dos experimentos de campo que se llevaron a cabo en distintas parcelas agrícolas de la provincia de Alicante, cuyos objetivos principales fueron determinar los efectos inducidos por el compost de lodo de depuradora en el suelo y en la planta, así como proponer una dosis de aplicación óptima para el cultivo del cardo. En el primero de los experimentos de campo, con duración inferior a un año y llevado a cabo en la estación agraria experimental del IVIA en Elche, se estudió el efecto sobre las propiedades del suelo y sobre las características de las plantas de cardo de las siguientes dosis de compost de lodo de depuradora (t ha-1): 0 (T0), 20 (T1), 40 (T2), 60 (T3) y 80 (T4). En las plantas de cardo se determinaron ciertas variables morfométricas (altura, número de inflorescencias, peso fresco y peso seco) y se analizó la composición mineral de las hojas (Nk, P, Ca, Mg, K, Na, B, Cu, Fe, Mn, Zn). En el suelo se analizaron las siguientes propiedades: pH, CE, Nk, PBurriel, Cox y cationes asimilables (Ca, Mg, K y Na, [acetato amónico] y Cu, Fe, Mn y Zn [DTPA]). La respuesta de las plantas de cardo ante la aplicación del compost fue muy limitada, mientras que en el suelo el efecto fue comparativamente mayor, mostrando diferencias significativas en el rango de aplicación de 40 a 80 t ha-1. Las variables morfométricas no presentaron diferencias significativas, mental effects (i.e. heavy metals loading into the soil), the optimization of compost application rates according to environmental conditions (i.e. climate, soil characteristics) and to the selected plant species is advisable. In the present research cynara was selected as an energy crop, due to its high potentiality in Mediterranean environments and due to the scarce research carried out testing the effects of organic fertilizers on the productivity of this crop. As a result of the previous reasoning, two field experiments were carried out in the province of Alicante, aiming to determine the effects induced by sewage sludge compost in the soil and in the plant, but also with the purpose to ascertain an optimum application rate for cynara cultivation. In the first of the field experiments, whose duration was inferior to one year and which was located in the agrarian experimental station of IVIA in Elche, it was studied the effect on soil properties and on the characteristics of cynara plants of the following sewage sludge compost doses (t ha-1): 0 (T0), 20 (T1), 40 (T2), 60 (T3) and 80 (T4). In cynara plants certain morphometric variables were measured (plant height, number of inflorescences, fresh weight and dry weight) and the mineral composition of the leaves was analyzed (Nk, P, Ca, Mg, K, Na, B, Cu, Fe, Mn, Zn). In the soil, the following properties were determined: pH, CE, Nk, PBurriel, Cox and available cations (Ca, Mg, K and Na, [ammonium acetate] and Cu, Fe, Mn and Zn [DTPA]). The response of cynara plants to compost application was scarce, while the effect in the soil was comparatively higher, showing significant differences within the application range of 40 to 80 t ha-1. Morphometric variables did not show any differences, producbeing its overall mean values per plant, 149 cm of height, 16 inflorescences, 7.9 kg (dry weight) and 1.3 kg (dry weight). Similarly, except for Fe concentration, the mineral composition was not affected by compost additions. Concerning soil effects, Cox, NK and PBurriel were the properties affected to a greater extent, yet Mg, Fe, pH and Zn also shown significant differences with respect to the control. The principal hypothesis underlying the lack of response of cynara plants to compost treatments was that nutritional requirements were meet in the plant, even in the control ones. On the other hand, the general increase of soil fertility was similar to that reported by several other authors under similar conditions (Mediterranean environments and organic residues use) The second field experiment occurred in the agrarian region of Algorós (Elche), during a 3-year period (2008-2011). In this case, the effect of sewage sludge compost was exclusively studied on cynara plants, being the treatments as follows (t ha-1): 0 (T0), 30 (T1), 50 (T2) and 70 (T3). Compost was applied as basal dressing, in substitution of the inorganic fertilization generally carried out previously to crop stablishment. Every year the available water for the plants was maintained at, approximately, 760 mm year-1, irrigating when necessary. In addition, a fixed fertilization rate of 50-80-100 kg ha-1 (N-P2O5-K2O) was applied yearly to replace nutrients extracted by the crop. Every year, in July and after taking some morphometric measures, cynara plants were sampled and processed according to the requirements of each analysis. More precisely, the variables that were considered were: plant height, number of inflorescences, number of stalks, dry weight of each cynara fraction, proportion of each cynara fraction on the total weight, aboveground biomass yield, seeds yield and 1000-seeds weight. The percentage of oil within the seeds and the higher heating value of the different cynara fractions (HHV0) were analyzed as well. From these data, the potential production of oil (oil yield) and energy (energy yield) were calculated. Linear mixed models were used to discriminate and quantify the effects derived from the experimental factors. A REML algorithm was applied to obtain the estimation of the parameters belonging to the significant models for sewage sludge compost treatments. An increase of aboveground biomass and seeds yield was observed, of 40% and 68%, respectively (comparison between T0 and T3; mean value for the 3 years trial), as a result of compost treatments. The behavior observed for oil and energy yield was similar. Models indicate that, for these variables, the differences due to compost application were significant (P≤0.05), mainly within the range of 50-70 t ha-1. The variables that were no influenced neither by compost nor by growing cycle, showed the following overall means: 22.3% (seeds oil percentage); 17.8 MJ m-2 (HHV0 value corresponding to aboveground biomass); 40 g (1000-seeds weight); 43% (stalks + leaves percentage on total biomass) and 57% (inflorescence percentage on total biomass). The fact that growing cycle affected, virtually, to the whole set of variables studied is considered to be related with: climatic conditions, sewage sludge compost mineralization dynamics and the physiology of the plant. Concerning sewage sludge compost, the positive effect observed in cynara´s growth is attributed to the enhancement of the nutritional status for the plant, directly through compost application and indirectly through soil properties improvement. The previous considerations lead to the conclusion that sewage sludge compost, applied at a rate of 50 t ha-1, improves cynara´s productivity and favours soil protection and conservation, potentially implying economical and energetic savings derived from an efficient management of an ubiquitous residue.