Efecto de la fertilización con estruvita (Crystal Green) sobre el contenido de elementos del suelo determinado por diferentes métodos en el cultivo de soja.

Scientific Reports volumen 13, número de artículo: 12702 (2023) Citar este artículo

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La estruvita se considera una prometedora alternativa a los fertilizantes minerales con fósforo; sin embargo, antes de fertilizar, se deben realizar pruebas del suelo para determinar las recomendaciones de fertilización. En mayo de 2022 se tomaron muestras de suelo de un experimento en macetas con aplicación de fósforo realizado en la Universidad de Wroclaw y en Ciencias Ambientales y Biológicas. El análisis químico del suelo incluyó fósforo, potasio y magnesio total y disponible determinados por los métodos de Egner-Riehm, Mehlich 3 y Yanai. El propósito del artículo es comparar la extracción de elementos del suelo mediante tres métodos diferentes bajo fertilización con estruvita y su uso en el cultivo de soja. La aplicación de estos métodos indicó un aumento inequívoco en el contenido de Mg del suelo después de la aplicación de estruvita. La fertilización al voleo de la soja afectó el contenido de fósforo del suelo. Los resultados del estudio indicaron que diferentes métodos de extracción presentaron diferentes contenidos de P del suelo. El contenido de fósforo disponible fue de alrededor de 122 a 156 mg kg-1 dm, 35,4 a 67,5 mg kg-1 dm y 100 a 159 mg kg-1 dm según los métodos de Mehlich, Yanai y Egner-Riehm, respectivamente. Se encontró una correlación positiva entre el contenido de Mg y K en el suelo determinado por los métodos Mehlich 3 y Yanai, lo que puede sugerir que el método Yanai podría introducirse en el análisis químico estándar del suelo en Polonia. No se encontró tal correlación para el fósforo, que es un elemento difícil de determinar debido a la multitud de factores que afectan su disponibilidad.

El fósforo es un elemento importante que mejora la riqueza de nutrientes y la fertilidad de los suelos. También es un componente fundamental, responsable del buen funcionamiento de las plantas y que conduce a rendimientos elevados en cantidad y buena calidad. La extensión real de las reservas mundiales de roca fosfórica comercialmente viables ha seguido siendo un tema de considerable incertidumbre en los últimos años1. Se estima que al ritmo de uso actual, la reserva global de fósforo (P) es suficiente para 600 a 1000 años2,3. Las reservas de roca fosfórica se están agotando, lo que amenaza la seguridad alimentaria mundial a largo plazo. Por tanto, se están investigando alternativas para P.

Una posibilidad prometedora es la estruvita (MgNH4PO46H2O), que puede recuperarse de los lodos de depuradora. La recuperación de estruvita tiene varias ventajas adicionales no sólo en el sector agrícola sino también en las plantas de tratamiento de aguas residuales4,5,6, ya que la estruvita se considera una fuente alternativa de elementos como fósforo, nitrógeno y magnesio para fines agrícolas7,8,9. La estruvita tiene un contenido teórico de P cercano al de la roca fosfórica (12,6% de peso seco [DW]) y se ha demostrado que es un fertilizante de P eficaz, especialmente en suelos ácidos, y se considera un fertilizante de liberación lenta que puede reducir las pérdidas de P al suelo. medio ambiente10,11. La estruvita también contiene algunos metales pesados, ya que las aguas residuales contienen una cantidad significativa de dichos elementos; sin embargo, estos ocurren dentro de límites aceptables, como se ha demostrado en nuestras propias investigaciones12. Los datos experimentales de varias especies de plantas demuestran que la fertilización con estruvita da como resultado rendimientos vegetales similares a los logrados con la fertilización mineral7,8,12,13,14,15.

Entre los nutrientes, el fósforo del suelo es uno de los más difíciles de analizar por sus diversas formas, como el P disuelto en la solución del suelo; P absorbido en minerales arcillosos, (hidr)óxidos de Fe y Al; P en minerales primarios P ​​orgánico; y depósitos microbianos de P16. El contenido de fósforo generalmente se analiza con pruebas de suelo que se han desarrollado durante las últimas seis décadas17,18,19. La interpretación de las pruebas de fósforo en el suelo está sujeta a una incertidumbre considerable. Las pruebas de fósforo del suelo intentan presentar la absorción de las plantas extrayendo todo o una cantidad proporcional de este elemento disponible para las plantas. Examinar el contenido de fósforo del suelo ayudará a determinar la dosis adecuada de fósforo20. Se utilizan numerosas pruebas en todo el mundo para determinar el contenido de P del suelo, y en Estados Unidos se han desarrollado más de 13 pruebas de fósforo para recomendaciones agronómicas. La selección de las pruebas generalmente depende de las condiciones locales del suelo (por ejemplo, algunas pruebas están mejor preparadas que otras para condiciones de pH alto o bajo), aunque los factores históricos e institucionales influyen principalmente en la selección de las pruebas en diferentes áreas. Originalmente, todas las pruebas de suelo se analizaban colorimétricamente, como el método del azul de molibdeno ideado por Murphy y Riley21. Después de la implementación de la espectrometría de plasma acoplado inductivamente (ICP), se desarrollaron nuevas pruebas de suelo en las décadas de 1970 y 1980, que permitieron la medición simultánea de muchos elementos de un solo extracto de suelo16. En Polonia, desde hace varios años, se utiliza el método Egner-Riehm para determinar la abundancia del suelo en fósforo y potasio disponibles para las plantas22. Se trata de extraer compuestos de fósforo del suelo mediante lactato de calcio acidificado con ácido clorhídrico (CH3-CHOH-COO)2Ca). La solución utilizada para la extracción es 0,04 N para lactato de calcio y 0,02 N para ácido clorhídrico22. Sin embargo, este método a menudo resulta insuficientemente preciso para determinar con precisión las dosis óptimas de fósforo para las plantas, a fin de garantizar una alta eficiencia de la fertilización y mantener al menos una abundancia promedio de suelo. en fósforo disponible para las plantas. Por lo tanto, se deben utilizar otros métodos más complicados que permitan determinar la abundancia del suelo en diferentes fracciones de fósforo.

Mehlich 3 es una parte fundamental de las recomendaciones de fertilizantes para fósforo (P), potasio (K), calcio (Ca), magnesio (Mg) y algunos oligoelementos para lograr un rendimiento óptimo; sin embargo, en Polonia no es tan popular en las estaciones químicas y agrícolas23. Este método se utiliza principalmente en la República Checa y en la mayor parte de Canadá y Estados Unidos24. El propósito de esta prueba es aislar porciones de varios depósitos de P diferentes que se correlacionan con la cantidad de fósforo disponible para las plantas durante la temporada de crecimiento23. La razón para implementar el método Mehlich 3 para pruebas de agroquímicos en Polonia es que proporciona una determinación relativamente simple de potasio, calcio, sodio, magnesio, hierro, manganeso, cobre, zinc, boro, azufre y especialmente fósforo en un único extracto de suelo extraído. . La determinación del contenido de fósforo mediante el método Mehlich 3 está influenciada principalmente por factores del suelo como el tipo de suelo, el contenido de arcilla, la mineralogía y el pH. La solución de extracción universal (pH 2,5 ± 0,01) está diseñada para la determinación de muestras de suelo con pH ácido y neutro que constituyen la mayoría de los suelos utilizados agrícolamente en Polonia. Las desventajas de Mehlich 3 son las siguientes: NO3−N no se puede evaluar; el ion F− en el extractor puede disolver el K de las botellas de vidrio; y el EDTA en el extractor precipita después de un almacenamiento prolongado25. Otro método que se puede utilizar en su lugar es el método Yanai, en el que se utiliza una única solución de extracción para extraer simultáneamente NO3-N, P y B disponibles, K, Ca y Mg intercambiables, Mn fácilmente reducible y Zn y Zn solubles en HCl. Cu25,26. Para minimizar el tiempo de análisis y los costes de laboratorio, la investigación se centra en el desarrollo de métodos multinutrientes que puedan utilizarse para analizar macro y micronutrientes de un mismo extracto. Yanai25,26 propuso un método de elementos múltiples modificado en el que la composición de la solución de extracción es la siguiente: CH3COOH 0,2 M, NH4Cl 0,25 M, ácido cítrico 0,005 M y HCl 0,05 M. Además, se puede utilizar para determinar el contenido de nitrato del suelo debido a que no hay iones nitrato en la composición de la solución26.

En la hipótesis de trabajo, asumimos que el contenido de P y Mg del suelo al que se le aplica estruvita aumentaría en el suelo determinado por todos los métodos, y que el método Yanai sería tan prometedor como Mehlich 3 para analizar P y K en el suelo.

Los objetivos del presente estudio fueron: (1) comprender el efecto de la fertilización con estruvita sobre el contenido de P, K, Mg en el suelo bajo fertilización con soja; (2) comparar tres métodos de laboratorio diferentes para el análisis del contenido de elementos en el suelo obtenidos mediante un experimento en maceta; y (3) seleccionar el método más apropiado para analizar el contenido del elemento.

No hubo ningún efecto significativo de los factores estudiados sobre el rendimiento de la soja, es decir, la ingesta de K, Mg y P. De hecho, la mayor cantidad de fósforo se encontró en la soja bajo fertilización con estruvita (Tabla 1).

Los efectos del método de colocación de fertilizantes y varios fertilizantes de fósforo sobre el contenido de K, P y Mg en el suelo bajo cultivo de soja se presentan en la Tabla 2. El mayor contenido de K, P, Mg y pH se determinó bajo fertilización en banda, mientras que para la salinidad se observó bajo fertilización al voleo (Tabla 2). En el caso de la fertilización con estruvita se observaron los contenidos más altos de los elementos examinados en el caso de la fertilización con estruvita. La fertilización con estruvita provocó un aumento en los elementos examinados en comparación con el control en el caso de Mg, y el control y superfosfato en los casos de K y P. La fertilización con fósforo disminuyó la salinidad en el suelo. Con respecto a la interacción entre los factores examinados, la fertilización en banda provocó una disminución en el contenido de K en el suelo y un aumento en el caso de la fertilización al voleo. El mayor contenido de P se observó en la fertilización con bandas de estruvita. La interacción entre los factores examinados provocó una disminución de la salinidad del suelo. El contenido de magnesio también aumentó después de la fertilización con estruvita: un 17% en comparación con el control (todas las diferencias no son estadísticamente significativas).

El método de colocación de fertilizantes fosfatados dio valores comparables para el contenido de K, P y Mg en el suelo (Tabla 3, Fig. 1a). El fertilizante de fósforo provocó diferencias en el contenido de todos los elementos probados. Con la fertilización con estruvita, el contenido de potasio aumentó un 2% en comparación con el control y un 14% en comparación con el superfosfato triple. El contenido de magnesio también aumentó después de la fertilización con estruvita: un 17% en comparación con el control. El contenido de fósforo disminuyó después de la fertilización con estruvita; sin embargo, esto podría haber sido causado por el pH ligeramente ácido del suelo. Los suelos polacos tienen una reacción muy ácida o ácida y, por tanto, afectan la disponibilidad de fósforo. La interacción entre factores resultó en un aumento en el contenido de K cuando se aplicaron gránulos de estruvita cerca de las semillas en germinación. La mayor cantidad de magnesio en el suelo se observó tanto con fertilización al voleo como con superfosfato en banda (Tabla 3, Fig. 1a,b). El contenido de fósforo y potasio en las muestras en comparación con el control fue estadísticamente significativamente menor (excepto K después de la administración de estruvita) después de la administración de cada fertilizante mediante el método al voleo. El contenido de Mg, por otro lado, fue estadísticamente significativamente mayor después de la administración de fertilizantes, en casi todas las combinaciones, que en las muestras de control.

(a) Contenido de Mg, K y P determinado por Egner-Riehm bajo diferentes métodos de fertilización con colocación de fertilizante (mg kg-1 dm3). (b) Contenido de Mg, K y P determinado por Egner-Riehm bajo fertilización con fósforo (mg kg-1 dm3).

El método de colocación de fósforo diferenció el contenido de K en el suelo, mientras que P y Mg estaban en el mismo nivel (Fig. 2a). En el método Mehlich 3, los valores de todos los elementos fueron mayores bajo fertilización con estruvita. El contenido de magnesio bajo fertilización con estruvita aumentó en un 65% en comparación con el control y en un 50% en comparación con el superfosfato (Tabla 4, Fig. 2b). Con base en los números límite de Mehlich 3 desarrollados por Kęsik22,26, el contenido de fósforo del experimento después de la aplicación de superfosfato y estruvita tomando la reacción del suelo (5,6–5,8) se determinó como promedio, el contenido de potasio fue alto y el contenido de magnesio fue bajo. El contenido de magnesio bajo fertilización con estruvita aumentó estadísticamente de manera significativa: en un 65% en comparación con el control y un 50% en comparación con el superfosfato (Tabla 4, Fig. 2b).

(a) Contenido de Mg, K y P determinado por Mehlich 3 bajo diferentes métodos de fertilización por colocación de fertilizante (mg kg-1 dms). (b) Contenido de Mg, K y P determinado por Mehlich 3 bajo fertilización con fósforo (mg kg-1 dm3).

El mayor contenido de K, P, Mg se observó bajo fertilización al voleo (Tabla 5, Fig. 3a). La fertilización con estruvita provocó un aumento del contenido de P y Mg en el suelo. Nuevamente, como en el método Mehlich 3, el contenido de Mg aumentó con la fertilización con estruvita en un 19% en comparación con el control y en un 60% en comparación con el superfosfato (Fig. 3b). El contenido de Mg fue estadísticamente significativamente menor con la fertilización con superfosfato en un 24 % en comparación con el control, con el fertilizante en banda menor en un 24 % con la fertilización al voleo en un 27 %.

(a) Contenido de Mg, K y P determinado por Yanai bajo diferentes métodos de fertilización con fósforo y colocación de fertilizantes (mg kg-1 dms). (b) Contenido de Mg, K y P determinado por Yanai bajo fertilización con fósforo (mg kg-1 dm3).

Los métodos de Mehlich y Yanai dan resultados correlacionados, lo que significa que existe una relación lineal estadísticamente significativa entre ellos (Tablas 6, 7). Así, las indicaciones generadas por los métodos pueden considerarse proporcionales. Sobre la base de análisis estadísticos, se encontró una correlación positiva entre el contenido de Mg y K en el suelo determinado por los métodos de Mehlich 3 y Yanai. No se encontró tal relación para el método Egner-Riehm. Con respecto al contenido de fósforo, no hubo correlación entre ningún método, lo que puede sugerir que el fósforo es un elemento sensible a determinar y depende de muchos factores, el más importante de los cuales es el pH del suelo.

Las mediciones de fósforo mediante cada método indicaron resultados diferentes. No es posible indicar una relación lineal para las concentraciones obtenidas para ningún par de métodos de medición con una significación estadística en el nivel α = 0,05 (Tabla 8).

La significación estadística de la correlación lineal se confirma mediante el diagrama de dispersión de la Fig. 4. La línea de regresión \(Mg\left(M\right)=0,932\times Mg\left(Y\right)+14,0\) con una correlación estadísticamente significativa. (con ∝ = 0,05) pendiente de 0,932 ajustada con el método de mínimos cuadrados permite una estimación de los resultados de un método en función de los valores obtenidos con otro método. Se cumplen todos los supuestos de regresión lineal (los residuos del modelo se ajustan a la distribución normal, heterocedasticidad de los residuos, no hay autocorrelación de los residuos). La estimación está sujeta a un gran error (error de estimación estándar 10,6) y a una medida de bondad de ajuste \({R}^{2}=0,48\).

Dispersión del contenido de Mg en el suelo determinada por los métodos de Yanai y Mehlich 3.

Se encontró un efecto significativo de la fertilización con fósforo sobre el contenido de K del suelo al determinar este elemento mediante el método de Egner-Riehm. No se encontró tal relación utilizando los otros dos métodos (Tabla 9).

El método de colocación del fertilizante de fósforo tuvo un efecto significativo sobre el contenido de fósforo del suelo determinado por los métodos de Egner-Riehm y Yanai. La fertilización con fósforo modificó significativamente el contenido de este elemento en el suelo según lo determinado por el método de Egner-Riehm (Cuadro 10).

El método de aplicación del fertilizante de fósforo tuvo un efecto significativo sobre el contenido de magnesio del suelo determinado por el método de Egner-Riehm. La fertilización con fósforo afectó significativamente el contenido de este elemento según lo determinado por los tres métodos probados (Tabla 11).

En este estudio, evaluamos el desempeño de tres métodos en la determinación de P, Mg y K en suelo bajo fertilización con estruvita en el cultivo de soja. Sims et al.27 afirmaron que la aplicación de fertilización con fósforo en forma de desechos orgánicos y fertilizantes con fósforo en función de la abundancia del suelo requiere una prueba que se integre con los requisitos de las prácticas agrícolas para el manejo de este nutriente y que tenga en cuenta riesgos ambientales.

En nuestro estudio, el contenido de P bajo estruvita disminuyó después de la cosecha de soja, a diferencia del estudio de Bastid et al.28 donde la disponibilidad de P fue mayor en el suelo con estruvita. En el estudio de Bastid et al.28 la disponibilidad de P fue menor al mes. Esta disminución en la disponibilidad de P durante un mes puede deberse a la precipitación de P en forma de fosfatos de Al, Fe y Ca y a la absorción por las plantas29,30. Esta disminución también se observó en nuestro estudio y también puede explicarse por la precipitación de P, que se indica por un pH bajo. El pH y la salinidad son los principales factores que influyen en los comportamientos de sorción-desorción de P en los suelos31. Liu et al.32 observaron que la sorción de P en los sedimentos aumenta a baja salinidad, mientras que disminuye a medida que aumenta la salinidad (> 5‰). La fertilización con estruvita provoca una disminución de la salinidad. Nuestro estudio indica un aumento de la sorción de P. En nuestro experimento, la aplicación de estruvita redujo el contenido de fósforo en el suelo. Bajo la influencia de la aplicación de estruvita, la reacción del suelo disminuyó aún más. La fertilización con fósforo puede provocar un aumento no muy diferente en el contenido de las formas disponibles de fósforo en el suelo. En suelos ácidos y ligeramente ácidos, puede aparecer fósforo en forma lixiviable y P-Al. Es necesario realizar más investigaciones para determinar las diferentes formas (incluidas las fracciones: fácilmente soluble, intercambiable, unida a materia orgánica, unida a compuestos orgánico-minerales y minerales estables, residual) del P. Los contenidos disponibles de P, K, Ca y Mg pueden disminuyen con el tiempo después de la fertilización como resultado de su absorción y absorción por las plantas.

El suelo fertilizado con estruvita presenta un contenido de P disponible ligeramente menor y un contenido de Mg disponible más alto, y esto puede estar relacionado con la mayor solubilidad del superfosfato según la Ref.33 y la mayor cantidad de Mg contenido en la estruvita.

En nuestro estudio, la fertilización con estruvita no tuvo un efecto más significativo sobre el rendimiento de las semillas y la absorción de fósforo que el observado en otros estudios15,34,35 pero sí tuvo un efecto sobre el contenido de fósforo de las semillas. A pesar de la falta de diferencias significativas, los mayores valores de rendimiento de semillas y absorción de P pueden atribuirse principalmente a la mayor cantidad de Mg contenido en el fertilizante Crystal Green y su efecto sinérgico sobre la absorción de P36. De acuerdo con 34, la absorción de P y Mg dependió significativamente de la fertilización con P, mientras que la dosis de P no tuvo un efecto significativo en la lechuga.

La fertilización con fósforo requiere tecnologías de fertilización eficientes; por tanto, esta cuestión también concierne a la estruvita. En Talboys et al.9, los gránulos de estruvita colocados con la semilla no proporcionaron el mismo nivel de suministro de fósforo que los gránulos de DAP (fosfato diamonio) para el trigo de primavera de crecimiento temprano. Sin embargo, proporcionó tasas equivalentes de absorción de P, rendimiento y recuperación aparente de fertilizante en el momento de la cosecha, aunque sólo el 26% de los gránulos de estruvita se habían disuelto por completo. En nuestro estudio, el contenido de fósforo fue mayor en el suelo colocado al voleo. La difusión de P cuando se coloca en banda hacia el sistema radicular es alta debido al gran gradiente de concentración en comparación con la colocación de P al voleo. Sin embargo, cuando el P en la prueba del suelo es alto, los beneficios del P en bandas se reducen, y este fue probablemente el caso en nuestro estudio. Por lo tanto, el conocimiento de los niveles de P en las pruebas del suelo es fundamental a la hora de determinar las opciones de ubicación. El equilibrio óptimo entre las bandas P y la aplicación radiodifundida es difícil de lograr37,38. Las raíces absorben fosfato en forma de iones H2PO4. Cuando el pH se reduce de 6 a 4, la tasa de absorción de fosfato por las raíces aumenta, la cantidad de fosfato desorbida del suelo aumenta y la cantidad de fosfato absorbida por el suelo a menudo aumenta, pero esto no se confirma en nuestro estudio. donde el fósforo aplicado en la superficie suministró este elemento al suelo.

Fei et al.39 demostraron que la implementación continua y a largo plazo de fósforo en el suelo del invernadero, tanto en forma de fertilizantes minerales como naturales (estiércol), utilizado en la producción de hortalizas, provocó su acumulación en el suelo y el enriquecimiento de sus capas superiores. Los autores encontraron un aumento de cuatro veces en el contenido total de fósforo después de 13 años de uso en comparación con el valor inicial. El contenido total de fósforo del suelo generalmente varía entre 500 y 800 (50-3000) mg P kg-1 de suelo y depende de muchos factores. La mayor cantidad se encuentra en las capas cercanas a la superficie del suelo y disminuye con la profundidad del perfil del suelo. En nuestro estudio, el contenido total de P varía de 255 a 366 mg kg-1 d m.

Nuestra investigación muestra que la estruvita es una buena fuente de magnesio. En comparación con el control, los métodos de Yanai, Mehlich 3 y Egner-Riehm determinan un aumento notable en el contenido de magnesio del suelo bajo la aplicación de estruvita. STR es una fuente de P necesaria para el mercado de fertilizantes con beneficios agronómicos y ambientales, como proporcionar Mg disponible. Sin embargo, el mecanismo específico de liberación de Mg del suelo después de la aplicación de estruvita sigue sin explicarse. En Polonia, los suelos arenosos cubren varios millones de hectáreas. La mayoría son, al mismo tiempo, suelos poco fertilizados y deficientes en magnesio. Por lo tanto, se deben realizar más investigaciones. La aplicación de fertilizantes podría solucionar el déficit de magnesio que se produce en los suelos de Europa Central y del Este. Al igual que en nuestro estudio, Szymanska et al.13,40 también encontraron un aumento significativo del contenido de magnesio en el primer año después de la aplicación de estruvita.

Según el método Egner-Riehm, la aplicación de estruvita produjo un aumento significativo en el contenido de potasio del suelo. En el estudio de Kas et al.41, la fertilización orgánica aumentó casi el doble el contenido de K de los suelos en comparación con la fertilización mineral. Se encontró un contenido de K significativamente menor en suelos con control y NPK. Cong et al.42 demostraron que las deficiencias de N, P y Mg redujeron la efectividad del K aplicado y pueden haber sido la causa de una mayor lixiviación de K de la capa cultivable; esto es consistente con nuestro estudio. La estruvita contiene N y P en su composición y, en comparación con el superfosfato utilizado en este suelo, el contenido de K aumentó. Este aumento puede afectar la concentración de K en el suelo debido al antagonismo que puede aparecer entre K y Mg42.

Químicamente, el fósforo es un elemento de baja movilidad disponible para las plantas sólo directamente desde el espacio de las raíces y su absorción depende en gran medida de la reacción y la temperatura del suelo; de ahí la idea del estudio anterior43. Las formas en que se acumula el fósforo en el suelo dependen de las prácticas de manejo, las fuentes de fertilizantes y los métodos de aplicación, que pueden promover diferentes solubilidades del fósforo y su absorción por las plantas44.

Los métodos de Mehlich y Yanai permiten examinar en un solo extracto de suelo no sólo el contenido de macronutrientes básicos como fósforo, potasio y magnesio, sino también otros nutrientes importantes, por ejemplo, micronutrientes como boro, cobre y otros24. El resultado es una reducción significativa del consumo de energía y agua, así como una marcada reducción de la intensidad de la mano de obra y los costes de los reactivos. Esto hace que el método sea más económico y respetuoso con el medio ambiente. Desde el punto de vista del agricultor, la ventaja más importante del método Mehlich 3 es el costo de determinar P, K y Mg disponible (y pH) en una muestra de suelo. El coste de la determinación de elementos con el método Egner-Riehm es alrededor de un 27% mayor en comparación con Mehlich 3. El método Mehlich 3 se ha implementado gradualmente en Polonia desde 2015. Para Mehlich se han determinado números límite para cada elemento, mientras que no se han fijado tales números. determinado para el método Yanai, lo que resultó en una falta de interés en introducir este método a mayor escala22,25,26.

Se estableció un experimento en invernadero para evaluar el efecto de la fertilización con estruvita sobre el contenido de elementos en el suelo bajo cultivo de soja. En el experimento se utilizó una profundidad de suelo de 0 a 30 cm con muestras de la Estación Experimental de la Universidad de Ciencias Ambientales y de la Vida de Wroclaw (Pawłowice) (ubicación geográfica 17° 7′ E y 51° 08′ N en el Voivodato de Baja Silesia, Wrocław , Polonia). En 2022 se llevó a cabo un experimento en macetas en la Estación Experimental de la Universidad de Ciencias Ambientales y Biológicas de Wroclaw (Pawłowice) utilizando fertilizante producido a partir de lodos de depuradora (Crystal Green) del cultivo de soja. El experimento de dos factores se realizó en seis repeticiones. El primer factor fue la colocación diferencial del fertilizante fosforado (banda y voleo). La fertilización superficial consistió en la colocación aleatoria de fertilizantes sobre la superficie de la maceta, mientras que al voleo se realizó colocando gránulos de fertilizante a una profundidad de aproximadamente 5 cm por debajo de la semilla de soja sembrada. El segundo factor fue la diferenciación entre los fertilizantes fosfatados y el control. En el experimento se utilizaron dos fertilizantes de fósforo: el tradicional superfosfato triple (SUP), comúnmente utilizado en el cultivo de soja, y Crystal Green (CG). En el experimento se estudió el efecto de un fertilizante producido a base de lodos de depuradora con el nombre comercial Crystal Green (producido por Ostara Nutrient Technologies) en comparación con el fertilizante tradicional, el superfosfato triple26. Los gránulos blancos de estruvita miden aproximadamente entre 1 y 2 mm de diámetro. La recuperación de fósforo comprendió la precipitación de minerales de fósforo a partir de lodos de depuradora en forma de estruvita (fosfato de magnesio y amonio hexahidrato, MgNH4PO4 · 6H2O). La estruvita contiene N (2%), P (24%) y Mg (10%) y se caracteriza por un bajo contenido de metales pesados ​​en comparación con el superfosfato triple7,15. Desde el punto de vista químico, no es estruvita pura.

El número total de macetas fue 36. El diámetro de la maceta fue de 20 cm, la profundidad de 20 cm y el volumen de alrededor de 5000 cm3. Las macetas se llenaron con tierra que se mezcló con fertilizantes SUP, CG, nitrógeno y potasio. La distribución granulométrica de las partes minerales correspondió a arcilla arenosa.

En el experimento se utilizó suelo con los siguientes parámetros:

Método Mehlich 3: P—126, K—134, Mg—49 mg kg−1 dm (contenido promedio de P, según números límite, K—bajo contenido, Mg—bajo contenido)26,45.

Método Yanai: P 45,2, K—151, Mg—45,6 mg kg−1 dm (no se han desarrollado números límite).

Método Egner-Riehm: P—103, K—220, Mg—38 mg kg−1 dm3 (P—contenido promedio, K—contenido alto, Mg—contenido bajo/promedio)22,45.

Las dosis de fertilizante en el experimento se basaron en las óptimas para el cultivo de soja en condiciones de campo, es decir, 70 kg ha-1 de P2O5, 120 kg ha-1 de K2O y una dosis inicial de nitrógeno de 30 kg ha-1 N. Sólo se utilizaron nitrógeno y potasio. aplicado a la misma dosis. Se aplicaron (convertidas) las siguientes dosis de fertilizante por maceta:

Estruvita: 0,76 g,

Superfosfato: 0,54 g,

Nitrato de amonio: 0,27 g.

Sal potásica: 1,25 g.

Las semillas de soja Abellina se sembraron en macetas de 4 en la segunda década de mayo de 2022. Las semillas de soja tratadas fueron proporcionadas por Saatbau y habían sido inoculadas46. Las semillas de soja se inocularon con la tecnología Fix Fertig, que consiste en recubrir semillas en fábrica con bacterias que están inactivas. Las semillas fueron recubiertas con la bacteria Bradyrhizobium japonicum.

Previo a la siembra se determinó la capacidad germinativa con base en las normas vigentes. La capacidad de germinación de la variedad analizada promedió el 75%. El número de semillas sembradas por maceta se basó en la densidad óptima de semillas de soja en estas condiciones. Durante el experimento no se encontraron plagas ni malezas importantes en la soja, por lo que no fue necesario el uso de herbicidas. Las semillas de soja se regaron periódicamente.

Las muestras para análisis químico se tomaron una vez finalizada la temporada de crecimiento. El contenido de fósforo, magnesio y potasio en el material vegetal se determinó colorimétricamente: P mediante vanadomolibdato de amonio, Mg mediante el método del amarillo de titanio y K colorimétricamente. La absorción de P, Mg y K se basó en el rendimiento de las semillas de soja y el contenido de estos macronutrientes en las semillas de soja. El rendimiento de semilla se convirtió por hectárea con un contenido de humedad del 15%.

Se tomaron muestras de suelo de la capa de 0 a 20 cm después del final de la temporada de crecimiento de la soja (octubre de 2022) utilizando un palo Egner. Para los tratamientos de fertilización al voleo y en banda, se crearon muestras de suelo de cada maceta mediante submuestreo. Luego se mezcló suelo de tres o cuatro ubicaciones para formar una submuestra. Este procedimiento se repitió tres veces para cada maceta y se mezclaron para formar una muestra de superficie. Las muestras de suelo se secaron al aire, se desagregaron usando un mortero de porcelana y se tamizaron a <2 mm. Una porción de cada muestra se molió finamente para su análisis. La tierra para las macetas se tamizó a través de un tamiz con un diámetro de malla de 10 mm. La distribución del tamaño de partícula de la parte mineral se determinó utilizando un difractómetro láser Mastersizer 2000.

El pH del suelo se midió con un electrodo de pH de vidrio (suelo: agua desionizada 1:5, mediciones después de 30 minutos) y la conductividad se evaluó utilizando un medidor de conductividad (el método de conductividad). El contenido total de fósforo, potasio y magnesio se determinó después de la mineralización por microondas, mientras que las formas disponibles se determinaron con los métodos de Egner-Riehm, Mehlich 3 y Yanai.

Los compuestos de fósforo y potasio de un suelo según el método de Egner-Riehm se extrajeron con un tampón de lactato compuesto por lactato de calcio y ácido láctico. La reacción descrita ocurre según la fórmula:

La solución de extracción utilizada tuvo un pH = 3,55 (a este nivel de acidez las condiciones de extracción se mantienen independientemente de la reacción inicial del suelo)26. El contenido de fósforo, potasio y magnesio en el suelo se determinó según el método de Egner-Riehm, ver detalles en la Tabla 12.

La muestra de suelo seca al aire se extrajo con solución Mehlich 3 (una solución que contiene 0,2 mol l-1 CH3COOH, 0,25 mol l-1 NH4NO3, 0,015 mol l-1 NH4F, 0,013 mol l-1 HNO3 y 0,001 mol l-1 EDTA). La muestra de suelo seca al aire se extrajo con solución Mehlich 3 en una proporción de volumen de 1:10. Para ello se pesaron dos gramos de tierra seca en un recipiente de extracción (una botella de plástico con una capacidad de aproximadamente 150 ml) y luego se agregaron 20 ml de solución de Mehlich 3. La muestra se agitó durante 5 min a 220 ciclos min-1 en una máquina agitadora y se filtró a través de filtros medianos. La solución preparada de esta manera se analizó para determinar el contenido de potasio, fósforo y magnesio usando espectrometría de emisión de plasma acoplado inductivamente ICP-OES (Tabla 12).

Se extrajo una muestra de suelo seca al aire con solución de Yanai (una solución que contiene 0,2 mol l-1 CH3COOH, 0,25 mol l-1 NH4Cl, 0,005 mol l-1 C6H8O7 y 0,05 mol l-1 HCl) con una relación de volumen de 1 :10. Para ello, se pesaron 5 g de suelo en una botella plástica de extracción de 100 ml, se agregaron 50 ml de extractante y la mezcla se agitó durante 30 min a una velocidad de 180 ciclos min-1. La agitación se realizó en una zaranda. Luego se filtró la solución a través de papel de filtro Advantec Toyo No.5. En la solución así preparada se analizó el contenido de potasio, fósforo y magnesio mediante espectrometría de emisión de plasma acoplado inductivamente ICP-OES. Una muestra del extracto de suelo resultante se llevó a forma de niebla y se transfirió a un soplete de plasma, donde se excitó a alta frecuencia y se realizó la medición de la emisión atómica de radiación para las longitudes de onda apropiadas.

Los datos de los análisis químicos (P, Mg, K, pH, salinidad) se sometieron a análisis estadísticos Anova/Manova en el software Statistica (versión 13.1 StatSoft, Polonia)47. El nivel de significación fue α = 0,05. Se realizaron análisis de promedios unidireccionales y bidireccionales para determinar los efectos del fertilizante fosfatado en los análisis químicos del suelo. Las correlaciones y cifras se han preparado utilizando el software Statistica.

En resumen, cabe concluir que los fertilizantes tradicionales de fósforo pueden sustituirse por estruvita, lo que apoyaría simultáneamente una economía circular. Según los resultados del estudio, hubo un aumento del 34 al 37 % en el magnesio disponible en el suelo después de la aplicación de estruvita en comparación con el superfosfato; esto dependía del método analítico (Mehlich 3 y Yanai). El contenido de fósforo disponible en el suelo aumentó con la aplicación de estruvita en un 4% en relación con el superfosfato y en un 16% en relación con el control (Mehlich 3). Sin embargo, se necesitan experimentos de campo a largo plazo como una forma de medir la fertilización sostenible con fósforo en la agricultura, ya que contribuyen a una mejor comprensión de los efectos de la estruvita y examinan qué fracciones de fósforo dominarán en el suelo después de la aplicación de estruvita con respecto a la cuidado y protección del medio ambiente del suelo. Además, también se requieren experimentos de campo similares para evaluar las clases de abundancia de macronutrientes del suelo para el método Yanai, que, debido a su menor costo en comparación con el método Egner-Riehm, tiene la capacidad de determinar un conjunto mayor de elementos que los otros dos métodos. . Por lo tanto, en el caso de la introducción del método Yanai en los análisis en estaciones químico-agrícolas, sería necesario desarrollar valores límite basados ​​en experimentos de campo a largo plazo.

Todos los datos generados o analizados durante este estudio se incluyen en este artículo publicado. Las investigaciones experimentales y los estudios de campo sobre plantas (ya sean cultivadas o silvestres), incluida la recolección de material vegetal, cumplen con las directrices y la legislación institucionales, nacionales e internacionales pertinentes. Declaro que el material vegetal utilizado para nuestro estudio fue comprado a la empresa SAATBAU en Środa Śląska (Polonia) como material de semilla. Para los experimentos no utilizamos especies de plantas en peligro de extinción.

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Instituto de Agroecología y Producción Vegetal, Facultad de Ciencias y Tecnología de la Vida, Universidad de Ciencias Ambientales y de la Vida de Wrocław, 50-363, Wroclaw, Polonia

Anna Jama-Rodzieńska

Instituto de Ciencias del Suelo, Nutrición Vegetal y Protección Ambiental, Facultad de Ciencias y Tecnología de la Vida, Universidad de Ciencias de la Vida y el Medio Ambiente de Wrocław, 50-363, Wroclaw, Polonia

Bernard Gałka

Departamento de Nutrición Animal y Ciencias de la Alimentación, Facultad de Biología y Ciencia Animal, Universidad de Ciencias Ambientales y Biológicas de Wroclaw, 51-630, Wroclaw, Polonia

Anna Szuba-Trznadel

Centro de Análisis de la Calidad Ambiental, Instituto de Ciencias del Suelo, Nutrición Vegetal y Protección Ambiental, Facultad de Ciencias y Tecnología de la Vida, Universidad de Ciencias de la Vida y el Medio Ambiente de Wrocław, 50-363, Wroclaw, Polonia

Anita Jandi

Departamento de Matemáticas Aplicadas, Facultad de Ingeniería Ambiental y Geodesia, Universidad de Ciencias Ambientales y de la Vida de Wrocław, 50-363, Wroclaw, Polonia

Joanna A. Kamińska

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AJR, BG—escribió el manuscrito principal AJ—análisis químico del suelo AST—literatura, visualización JAK análisis estadístico.

Correspondencia a Bernard Gałka.

Los autores declaran no tener conflictos de intereses.

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Jama-Rodzeńska, A., Gałka, B., Szuba-Trznadel, A. et al. Efecto de la fertilización con estruvita (Crystal Green) sobre el contenido de elementos del suelo determinado por diferentes métodos en el cultivo de soja. Representante científico 13, 12702 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-39753-8

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Recibido: 02 de febrero de 2023

Aceptado: 30 de julio de 2023

Publicado: 05 de agosto de 2023

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-023-39753-8

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