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Effect of zeolite (clinoptilolite and mordenite) amended andosols on soil chemical environment and growth of oat/Efecto de la adicion de zeolita (clinoptilolita y mordenita) en un andosol sobre el ambiente quimico edafico y el crecimiento de avena/ Efeito da adicao de zeolita (clinoptilolita e mordenita) em um andosol sobre o ambiente quimico edafico e o crescimento de aveia.

SUMMARY

Among zeolites, clinoptilolite and mordenite are used in agriculture because they retain ammonia in both their internal and external structure, acting as a reservoir for slowly released nitrogen fertilizer. The effect of the zeolite [Z.sub.CU] (clinoptilolite and mordenite) on the production of vegetal biomass and the chemical properties of the soil was studied, employing oat as an indicative crop. Five concentrations of [Z.sub.CU] in soil were evaluated (0, 5, 10, 20 y 30% dried weight of soil) plus an additional treatment with [Z.sub.CU] alone. Aerial and root biomass, pH and cation-exchange capacity (CEC), N[H.sup.+.sub.4] in the substrate and lixiviated N[O.sup.-1.sub.3] were evaluated. The application of [Z.sub.cu] had a positive effect on the production of aerial and root biomass, and also modified the soil chemical environment (pH and CEC). The application of [Z.sub.CU] produced a lower accumulation of leached N[O.sup.-.sub.3] in relation to the amount of N[H.sup.+.sub.4] in the substrate. The results show that [Z.sub.CU] has the capacity to adsorb ammonium and reduce the nitrification process.

RESUMEN

Entre las zeolitas, la clinoptilolita y la mordenita se distinguen por su utilidad en la agricultura, debido a que al entrar en contacto con el amonio dei medio lo retienen en su estructura interna y externa, funcionando entonces como un fertilizante nitrogenado de lenta liberacion. Se estudio el efecto de la zeolita [Z.sub.CU] (clinoptilolita y mordenita) en la produccion de biomasa vegetal y el ambiente quimico del suelo, empleando la avena como cultivo indicador. Se evaluaron cinco concentraciones de [Z.sub.CU] en suelo (0, 5, 10, 20 y 30% peso base seca del suelo) y un tratamiento adicional preparado solo con [Z.sub.CU] Las variables evaluadas fueron biomasa aerea y de raices, pH y capacidad de intercambio cationico (CIC), N[H.sup.+.sub.4] sustrato y N[O.sup.-1.sub.3] lixiviado. La aplicacion de [Z.sub.CU] tuvo un efecto positivo sobre la produccion de la biomasa aerea y de raices y modifico el ambiente quimico edafico en sus valores de pH y CIC. La aplicacion de [Z.sub.CU] provoco una menor acumulacion de N[O.sup.-.sub.3] lixiviado en relacion a la cantidad de N[H.sup.+.sub.4] en sustrato. Los resultados apoyan que la [Z.sub.CU] tiene capacidad para adsorber amonio y aminorar el proceso de nitrificacion.

PALABRAS CLAVE / Amonio / Capacidad de Intercambio Cationico / Clinoptilolita / Evapotranspiraeion / Mordenita /

RESUMO

Entre as zeolitas, a clinoptilolita e a mordenita se distinguem por sua utilidade na agricultura, devido a que ao entrar em contacto com o amonio do meio, e retido na sua estrutura interna e externa, funcionando entao como um fertilizante nitrogenado de lenta liberacao. Estudou-se o efeito da zeolita [Z.sub.CU] (clinoptilolita e mordenita) na producao de biomassa vegetal e o ambiente quimico do solo, empregando a aveia como cultivo indicador. Avalia-ram-se cinco concentracoes de [Z.sub.CU] no solo (0, 5, 10, 20 e 30% peso base seca do solo) e um tratamento adicional preparado somente com [Z.sub.CU]. As variaveis avaliadas foram de biomassa aerea e de raizes, pH e capacidade de intercambio cationico (CIC), N[H.sup.+.sub.4] substrato e N[O.sup.-1.sub.3] lixiviado. A aplicacao de [Z.sub.CU] teve um efeito positivo sobre a producao da biomassa aerea e de raizes e modificou o ambiente quimico edafico em seus valores de pH e CIC. A aplicacao de [Z.sub.CU] provocou uma menor acumulacao de N[O.sup.-.sub.3] lixiviado em relacao a quantidade de N[H.sup.+.sub.4] em substrato. Os resultados apoiam que a [Z.sub.CU] tem capacidade para absorver amonio e minimizar o processo de nitrificacao.

Introduccion

Las zeolitas son aluminosilicatos con cavidades de dimensiones moleculares de 3 a 10[Angstrom] que contienen iones (N[a.sup.+], [K.sup.+] y C[a.sup.2+], entre otros) y moleculas de agua con libertad de movimiento, lo que favorece su capacidad de intercambio ionico con el medio circundante. Estos minerales se encuentran en las rocas sedimentarias, variando significativamente en sus propiedades fisicas y quimicas. Entre los diferentes tipos de zeolitas, la clinoptilolita y la mordenita se distinguen por su utilidad en la agricultura (Mumpton, 1983; Nus y Brauen 1991; Huang y Petrovic, 1994; Ming y Allen 2001) debido a que ai reaccionar con el amonio dei medio acuoso en el que se encuentran lo retienen en su estructura interna y externa, la que presenta una gran carga anionica, funcionando entonces como un fertilizante nitrogenado de lenta liberacion. Diversos trabajos han demostrado la utilidad dei uso de la zeolita, ya sea como un medio para reducir la cantidad de N-N[O.sup.-.sub.3] y N-N[H.sup.+.sub.4] residual en la solucion del suelo (Lewis et al., 1983; Ando et al., 1996), abatir la tasa de nitrificacion en suelos arenosos (MacKown y Tucker, 1985) o incrementar el contenido de [N.sub.2] en el tejido vegetal (Barbarick et al., 1990; Allen et al., 1996; Challinor et al., 1997). Sin embargo, en contraste con estos hallazgos, otros investigadores han reportado que el uso de la zeolita no aumento la concentracion de [N.sub.2] en la planta (Pirella et al., 1983; Nus y Brauen, 1991; Ando et al., 1996; Pivert et al., 1997). Seff (1996) y Ming y Allen (2001) atribuyeron estas discrepancias a una deficiente caracterizacion mineralogica y quimica de las zeolitas, lo que conduce a una seleccion y uso de materiales no apropiados ai realizarse estudioso aplicaciones en campo. Con la finalidad de contribuir a esclarecer la funcion de la zeolita como fertilizante de lenta liberacion, este trabajo tuvo como objetivo evaluar su efecto sobre la produccion de biomasa vegetal y el ambiente quimico dei suelo, usando para ello la avena como cultivo indicador.

Materiales y Metodos

Caracteristicas de la zeolita y condiciones experimentales

La zeolita utilizada en este trabajo ([Z.sub.CU]) es una mezcla de mordenita (55%) y clinoptilolita (45%) extraida de yacimientos ubicados en Cuba. Los resultados de su caracterizacion quimica y mineralogica fueron reportados previamente (Flores et ai., 2003) y sus principales caracteristicas se muestran en la Tabla 1.

El experimento se realizo en macetas bajo condiciones de invernadero, preparadas mezclando cinco diferentes concentraciones de [Z.sub.CU] en suelo (0, 5, 10, 20 y 30 % peso base seca dei suelo) y un tratamiento adicional preparado solo con [Z.sub.CU] como referencia. El arreglo utilizado fue completamente al azar con cuatro repeticiones. Como suelo se empleo el horizonte [A.sub.p] de un Andosol molico (FAO, 1988) proveniente de la zona agricola de Parres, Distrito Federal, Mexico, cuyas propiedades fisicas y quimicas se reportan en la Tabla II.

La cantidad de fertilizante aplicada a cada maceta fue de 1,7g de urea (135kg x [ha.sup.-1]), 1,36g de superfosfato de calcio triple (49,7 kg x [ha.sup.-1]) y 0,8g de KC1 (63,6kg x [ha.sup.-1]). Las mezclas suelo-[Z.sub.cu] se prepararon de la manera siguiente: la [Z.sub.CU], el suelo y el fertilizante fueron colocarlos en un recipiente cilindrico rotativo de plastico de 20 litros, girandolo manualmente durante 5min con el fin de homogeneizar la mezcla. El sustrato resultante fue depositado en macetas de 20cm de diametro por 18cm de profundidad (4,5 litros). Se coloco papel filtro de calibre 20 en el fondo de la maceta con la finalidad de evitar la perdida de suelo a traves de los orificios de drenaje. Las mezclas de [Z.sub.CU] con el suelo fueron evaluadas en un arreglo completamente al azar con cuatro repeticiones. Se sembraron ocho plantas de avena (Avena sativa) variedad Chihuahua por maceta (equivalente a 636435 plantas por ha).

Las macetas fueron mantenidas aproximadamente a capacidad de campo durante todo el experimento. Antes de iniciar el ensayo, cada maceta fue saturada con agua destilada y se dejo drenar durante 24h para obtener el valor de dicha constante hidrica y establecer asi la cantidad de agua que se debia mantener en cada unidad experimental. Los riegos se hicieron cada tercer dia con agua destilada, aplicando la cantidad de agua necesaria para mantener la capacidad de campo. Se busco minimizar la lixiviacion de solutos. La cantidad de agua consumida durante el ciclo dei cultivo se infirio mediante la sumatoria de cada uno de los riegos parciales.

Medicion de la biomasa aerea y raices

A los 111 dias posteriores a la siembra las plantas fueron cortadas lcm por encima dei suelo, cuando el grano se encontraba en estado lechoso a masoso, que es cuando aicanza el equilibrio de maxima calidad y rendimiento de avena (Merlo y Robles, 1986). La biomasa aerea se seco en un horno a 65[grados]C durante 48h y se peso en una balanza digital de 200 [+ or -] 0,01g de capacidad. La biomasa de raices se obtuvo extrayendo el sistema radical de la maceta y pasandolo a traves de un tamiz de malla 18 (lmm de abertura), eliminando el suelo adherido mediante lavado doble con agua destilada.

Evapotranspiracion, solucion de lavado y pH en sustrato

Al realizar la cosecha y antes de extraer la raiz, se aplico una lamina de riego de 500ml, para sobrepasar la capacidad de campo y ocasionar un lavado dei sustrato. La solucion de lavado recogida fue congelada para posteriormente determinar la concentracion de amonio por el metodo de Nessler (SMEWW, 1998) y de N-N[O.sup.-.sub.3] por el metodo de acido cromotropico (SMEWW, 1998). Al final dei ciclo se obtuvieron muestras dei sustrato de cada tratamiento, las cuales fueron analizadas para determinar valores de pH, capacidad de intercambio cationico (CIC), amonio y [Na.sup.+] (Westerman, 1990). Los datos fueron sometidos a analisis de varianza, prueba de comparacion de medias por Tukey y evaluacion cuantitativa de la relacion entre las variables estudiadas mediante la tecnica de regresion (SAS, 2001), donde el valor dei maximo coeficiente de determinacion se empleo como criterio de seleccion de cada modelo reportado.

Resultados y Discusion

Efecto sobre la biomasa producida

La respuesta de la avena a la aplicacion de [Z.sub.CU] se presenta en la Figura 1, donde se compara el efecto de los tratamientos sobre la biomasa total, aerea y radical. Se observa que la respuesta dei cultivo a la aplicacion de zeolita fue de tipo hiperbolica, manifestandose diferencias significativas en las distintas partes de la planta ai aplicar [Z.sub.CU], aunque el maximo valor de produccion de biomasa se alcanzo a partir de la aplicacion de la mezcla de 20% de zeolita con el suelo. La [Z.sub.CU] utilizada contiene 54,3[cmol.sup.+] x [kg.sup.-1] de [Na.sup.+], lo que podria causar un efecto toxico a la planta; sin embargo, aun en el tratamiento con 100% de [Z.sup.CU]. tal efecto no se observo. En apoyo a lo anterior, en la Figura 2 se presenta la relacion de la biomasa total con la biomasa de la parte aerea y de las raices de la avena, sin distincion de cada uno de los tratamientos que se evaluaron. La tendencia observada revela que hubo diferencias entre la produccion de biomasa en los distintos tratamientos, pero la relacion alometrica de la biomasa total con la parte aerea y radical se mantuvo constante. Autores como Rodriguez (1993) han encontrado un comportamiento similar, indicando que este tipo de resultados es atribuible ai efecto de la variable en estudio sobre la produccion. De hecho, Mexal y Landis (1990) sefialaron que si el medio donde se desarrollan los cultivos presenta limitaciones severas de humedad o nutrimental, habra una tendencia a un mayor crecimiento radical respecto ai de la parte aerea, modificando dicho indice alometrico.

En la Figura 3 se presenta el efecto de los distintos tratamientos aplicados sobre la evapotranspiracion acumulada hasta el momento de la cosecha de la avena. Los tratamientos utilizados repercutieron significativamente sobre el consumo de agua dei cultivo sin que hubiese diferencias estadisticas ai aplicar 10, 20 o 30% de [Z.sub.CU], lo cuaes corroborado de manera independiente con la tendencia de tipo logaritmica ([R.sup.2]=0,87) en el efecto de la [Z.sub.CU] sobre la evapotranspiracion dei cultivo. Al respecto, Knowlton y White (1981) indicaron que la clinoptilolita ([Z.sub.CP]) llega a tener una mayor capacidad de retencion de agua que la arena, mientras que Huang y Petrovic (1994) reportaronn que la cantidad de agua disponible para las plantas aumenta al incrementar la cantidad aplicada de [Z.sub.CP] en 5 y 10% (peso) y que la tasa de evapotranspiracion fue 6% superior en pastos crecidos en arena a la cual sele habia agregado 10% (peso) de [Z.sub.CP].

[FIGURA 1 OMITIR]

[FIGURA 2 OMITIR]

[FIGURA 3 OMITIR]

En la Figura 4 se observa la relacion cuantitativa entre la evapotranspiracion ([E.sub.T]) y la biomasa total y de las distintas partes de la planta. La tendencia positiva entre la ET y el incremento en produccion de biomasa de raices ([B.sub.R]), aerea ([B.sub.A]) y total ([B.sub.T]) fue significativamente mayor en los tratamientos con 10% de [Z.sub.CU] o mas, sin que hubiese diferencias estadisticas entre ellos, en comparacion con aquellos donde se aplico 0 o 5% de [Z.sub.CU], lo cual es congruente con la informacion presentada en la Figura 1. Por ello se puede colegir que una adicion de 10% de [Z.sub.CU] es suficiente para mejorar el rendimiento del cultivo, en contraste a lo que se obtiene sin la aplicacion de este tipo de materiales.

Efecto sobre el ambiente quimico edafico

La relacion entre la [Z.sub.CU] aplicada y la CIC tuvo una tendencia de tipo logaritmica (Figura 5), donde se observo una diferencia significativa en la CIC entre los tratamientos con [Z.sub.CU] Y los que no seles agrego [Z.sub.CU]. En este caso se descarto el tratamiento con 100% [Z.sub.CU] para solo evaluar las proporciones donde se mezclo dicho mineral con el suelo. Tambien se encontro que los cambios en la CIC se asociaron con la modificacion de otros indicadores como es el caso dei pH dei medio de cultivo (Figura 6). De acuerdo a Ming y Allen (2001) es frecuente que el valor dei pH dei suelo se incremente cuando se mezcla con zeolita, como resultado dei intercambio del amonio, [Ca.sup.2+] y [Na.sup.+] que se establece con la solucion dei suelo, donde se forman radicales OH. Dado que la [Z.sup.CU] es sodica, tambien se aprecio un incremento en la abundancia de este cation en el medio de cultivo, como lo muestra la Figura 7. Tendencias similares a las observadas en el presente experimento fueron reportadas por otros autores, como es el caso de Nishita y Haug (1972) y Pirela et al. (1983), aunque cabe indicar que en este caso la cantidad de [Na.sup.+] presente en el medio de cultivo no tuvo un efecto negativo sobre la produccion de biomasa.

[FIGURA 4 OMITIR]

[FIGURA 5 OMITIR]

[FIGURA 6 OMITIR]

[FIGURA 7 OMITIR]

[FIGURA 8 OMITIR]

[FIGURA 9 OMITIR]

En la Figura 8 se observa que la relacion entre la CIC y la concentracion de iones de nitrogeno en el suelo vario de manera inversa, esto es, en los tratamientos donde hubo mayor CIC, se presento menor concentracion de amonio (N[H.sup.+.sub.4]) y nitratos (N[O.sup.-.sub.3]). Resultados similares a los obtenidos en este trabajo fueron reportados por MacKown y Tucker (1985) y por Huang y Petrovic (1994), quienes indicaronn que la adicion de [Z.sub.CP] (10%) a suelos arenosos disminuye significativamente la cantidad de N-N[H.sup.+.sub.4] en soluciones de lavado. En promedio, el contenido de N[O.sup.-.sub.3] medido fue mayor que el de N[H.sup.+.sub.4] (7,0 y 43,5mg x [l.sup.-1], respectivamente), lo cualconcuerda con lo reportado por Morton et al. (1988), quienes encontraron una mayor presencia de nitratos en soluciones de lavado. La tendencia obtenida entre la relacion del ([EXPRESION MATEMATICA IRREPRODUCIBLE EN ASCII]) del medio de cultivo y los ([EXPRESION MATEMATICA IRREPRODUCIBLE EN ASCII]) lixiviados se muestra en la Figura 9. En un estudio similar ai presente, Huang y Petrovic (1994) determinaron que en arenas adicionadas con zeolita clinoptilolita (10%) disminuyo la concentracion de N[O.sup.-.sub.3] en las soluciones de lavado, siendo proporcionalmente menor ai incrementarse la concentracion de nitrogeno aplicado. Consistente con lo reportado por dichos autores, se aprecio una menor acumulacion de [EXPRESION MATEMATICA IRREPRODUCIBLE EN ASCII] en relacion a la cantidad de [EXPRESION MATEMATICA IRREPRODUCIBLE EN ASCII], lo cual es congruente con la menor disponibilidad de dicho cation que es susceptible de participar en el proceso de nitrificacion.

Conclusiones

La aplicacion de zeolita sodica (45% clinoptilolita y 55% mordenita) empleada en este estudio ([Z.sub.CU]) tuvo un efecto positivo sobre la produccion de la biomasa aerea, de raices y total de la avena, sin que hubiese diferencias estadisticas en el rendimiento a partir de la adicion de 10% de [Z.sub.CU].

E1 ambiente quimico del medio de cultivo (mezcla de [Z.sub.CU] con el suelo) fue modificado con los tratamientos aplicados, variando el pH, CIC y la concentracion de N[H.sub.4.sup.+]. La cantidad de N[O.sub.3.sub.-] en la solucion lixiviada disminuyo significativamente respecto a la concentracion de N[H.sub.4.sup.4] en el sustrato, lo que apoya que la [Z.sub.CU] tiene capacidad para adsorber amonio y aminorar el proceso de nitrificacion.

Recibido: 15/02/2007. Modificado: 04/09/2007. Aceptado: 07/09/2007.

REFERENCIAS

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Antonio Flores Macias. Ingeniero Agronomo y Doctor en Ciencias Biologicas, Universidad Autonoma Metropolitana (UAM), Xochimilco, Mexico. Profesor Investigador, UAM, Mexico. Direccion: Departamento de Produccion Agricola y Animal, UAM Xochimilco. Calzada dei Hueso 110, Col. Villa Quietud, 04960 D.E

Mexico. e-mail: floresuam@ prodigy.net.mx

Arturo Galvis Spinola. Ingeniero Agronomo, Universidad Autonoma de Taumalipas, Mexico. Doctor en Edafologia, Colegio de Postgraduados (COLPOS), Mexico. Investigador, COLPOS Montecillo, Mexico. Teresa Marcela Hernandez Mendoza. Ingeniero Agronomo, Universidad Autonoma del Estado de Mexico. Doctor en Edafologia, Colegio de Post-graduados (COLPOS), Mexico. Investigador, Universidad Autonoma de Chapingo, Mexico.

Fernando De Leon Gonzalez. Ingeniero Agronomo, Instituto Tecnologico de Estudios Superiores de Monterrey, Mexico. Docotor en Agronomia, Institut National Agronomique, Paris-Grignon, France. Investigador UAM, Xochimilco, Mexico. Fidel Payan Zelaya. Ingeniero Agronomo, UAM, Mexico. Doctor en Agroforesteria, University of Wales, RU y CATIE, Costa Rica. Investigador UAM, Xochimilco, Mexico
TABLA I
PROPIEDADES QUIMICAS Y FISICAS DE LA ZEOLITA [Z.sub.CU]

Propiedades                                                       Zcu

pH en agua (relacion 1:2)                                         8,02
Conductividad electrica (dS x [m.sup.-1])                        0,940
                                                [Na.sup.+]       54,34
                                                [Ca.sup.++]       86,8

Cationes intercambiables                        [Mg.sup.++]       23,2
  ([cmol.sup.+] [kg.sup.-1])                    [K.sup.+]         13,5

Densidad aparente (Mg x [m.sup.3])                                0,96
Densidad real (Mg x [m.sup.3])                                    2,24
Capacidad de campo (% p/p)                                        19,5
Punto de marchitamiento permanente (% p/p)                        17,8
Punto de saturacion (% p/p)                                        42
                                                >2,00mm           6,9
                                                1,00-1,99mm       63,2
Tamano de particula (%)                         0,425-0,999mm     27,5
                                                <0,425mm          2,4
Capacidad de intercambio cationico:
  saturacion con acetato de amonio                               142,06
  ([cmol.sup.+] x [kg.sup.-1])

Capacidad de intercambio cationico:                              176,00
  saturacion con acetato de amonio modificado
  ([cmol.sup.+] x [kg.sup.-1])

Flores et al., 2003.

TABLA II
PROPIEDADES FISICAS
Y QUIMICAS DEL
ANDOSOL MOLICO

Propiedad                                Valor

pH en agua (1:2)                          5,6
CIC ([cmol.sup.+] x [kg.sup.-1])         10,7
Arcilla (%)                              17,0
Limo (%)                                 36,0
Arena (%)                                47,0
Textura                                 Arenosa

Los analisis fueron efectuados segun
Westerman (1990).
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Title Annotation:REPORTS/COMUNICACIONES/COMUNICACOES
Author:Macias, Antonio Flores; Spinola, Arturo Galvis; Hernandez, Teresa Marcela Mendoza; De Leon Gonzalez,
Publication:Interciencia
Date:Oct 1, 2007
Words:3873
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