Absorción de macronutrientes por Jatropha curcas L. para la producción de Biodisel en un inceptisol de Colombia

Abstract

Dentro de los macronutrientes el nitrógeno y el potasio se consideran elementos determinante en el crecimiento, desarrollo, rendimientos y calidad de las cosechas. El nitrógeno es uno de los elementos minerales de mayor importancia en el metabolismo de las plantas. La mayor parte de los suelos especialmente en zonas de bosque seco tropical de Colombia son deficientes en N y los cultivos responden bien a la fertilización nitrogenada. El K+ actúa en la regulación estomática, la transpiración y fotosíntesis, y está implicado en la foto-fosforilación y en el transporte de foto-asimilados desde los sitios de síntesis a través del floema a los diferentes tejidos, es activador enzimático y su deficiencia ocasiona graves disturbios en el metabolismo. El N y el K son removidos en grandes cantidades del campo en los frutos frescos cosechados, de la Jatropha curcas L., lo cual permite afirmar que aun cuando la especie se adapta a suelos pobres en condiciones silvestres; si se establece como cultivo es necesario un buen suministro de nutrientes para alcanzar altos rendimientos. En Colombia no se han reportado estudios que determinen la absorción, acumulación y distribución de estos nutrientes en esta especie, por lo cual el presente trabajo constituye un estudio piloto en este aspecto. El objetivo general de la presente investigación fue el de determinar la acumulación de nitrógeno y potasio en el cultivo de J. curcas ecotipo M-3, destinado a la producción de biodiesel, en valle cálido del alto Magdalena en Colombia, mediante la obtención de curvas de extracción y análisis del crecimiento del cultivo. Por su parte los objetivos específicos fueron: i) Determinar la acumulación y distribución del nitrógeno y potasio, evaluando la concentración en el suelo y los diferentes órganos aéreos (tallo, hojas flores y frutos) de las plantas de J. curcas con la aplicación de diferentes dosis de los macronutrientes (N y K). ii) Obtención de las curvas de acumulación de estos nutrientes en los primeros 435 días después de siembra del cultivo. iii) Determinar el efecto de las diferentes dosis de nitrógeno y potasio sobre el crecimiento J. curcas iv). Determinar el efecto de las diferentes dosis de nitrógeno y potasio sobre el rendimiento, contenido y composición del aceite de las semillas de J. curcas. El experimento de campo fue establecido en el Centro Experimental Nataima de la Corporación Colombiana de Investigación Agropecuaria (CORPOICA), localizado en las coordenadas geográficas: 4° 11' 142” Latitud Norte y 74° 57' 225” longitud Oeste, a una altura de 371 msnm, con temperatura promedio de 28°C, humedad relativa del aire 70% y precipitación promedia anual de 1270 mm en zona de bosque seco tropical (bs-T), evaluando la respuesta a los diferentes niveles de fertilización con N y K, cuyos tratamientos correspondieron a una combinación de 3 dosis de N (50, 100, 150 Kg.ha-1) y 3 de K2O (60, 120, 180 Kg.ha-1) en una matriz factorial con un tratamiento testigo para potasio, uno para N y un testigo absoluto sin fertilización así: N0:K0, N0:K120, N50:K60, N50:K120, N50:K180, N100:K0, N100:K60, N100:K120, N100:K180, N150:K60, N150:K120, N150:K180. Se realizaron mediciones de crecimiento y se evaluó la acumulación de los macronutrientes N y K en los diferentes órganos aéreos (tallo, hojas, flores y frutos) del genotipo élite M-3. En el área experimental se caracterizó el perfil del suelo realizando la descripción de los horizontes en campo y complementando con la determinación de las propiedades mediante análisis de laboratorio. El análisis estadístico se realizó a partir de un enfoque descriptivo e inferencial usando métodos univariantes y multivariantes. El estudio evidenció que las plantas que recibieron las dosis más altas de N y K2O (150 kg.ha-1 y 180 kg.ha-1 respectivamente), acumularon la mayor cantidad de N y K en sus órganos aéreos. La fertilización indujo a una mayor disponibilidad de estos nutrientes en la solución del suelo lo cual se reflejó en mayor absorción e incremento en los rendimientos. Al aplicar solo K se redujeron los rendimientos siendo inferiores al testigo (sin fertilización). Los niveles de NO3 y NH4 en el suelo que produjeron un rendimiento relativo mayor a 7000 kg.ha-1 de frutos, fueron de 6,24 y 4,14 mg.kg-1, respectivamente. El rendimiento relativo por efecto de los niveles de K en suelo (mg.kg-1) para rendimientos superiores a 7000 kg.ha-1 fue 172 mg.kg-1. El contenido de N en tejido foliar resultó ser un buen estimador de los rendimientos (r2=0,91) y la concentración que permite obtener rendimientos superiores 7000 kg.ha-1 fue del 2,63%. Niveles de nitrato, amonio y potasio en suelo y concentraciones de N foliar por encima de los valores antes mencionados tendrían baja probabilidad de respuesta a la fertilización. El estudio también mostró que la altura de las plantas varió tanto en función de la fertilización con solo N, como en la interacción por el efecto anidado del K(N), presentando la mayor altura con dosis de 150 kg ha-1 de N más 180 kg.ha-1 de K. El diámetro basal del tallo no presentó diferencias estadísticamente significativas sin embargo los menores diámetros correspondieron al testigo sin fertilización y a las plantas que solo recibieron fertilización potásica. Mediante el análisis de regresión múltiple se obtuvo los modelos matemáticos que permiten estimar o predecir la altura de planta y diámetro basal del tallo, en función de la dosis de N y K2O. El análisis de crecimiento mostró que con la mayor dosis de N y K2O (150 kg.ha-1+180 kg.ha-1 de K2O) se obtuvo el mayor índice de área foliar (IAF) en todos los tiempos de evaluación alcanzando 2,32 a los 435 dds. La tasa de asimilación neta (TAN) alcanzó su más alto valor (1,852 g.m-2día-1) a los 75 dds, con la aplicación de 150 kg.ha-1 de N más 180 kg.ha-1 de K2O. Así mismo la mayor tasa absoluta de crecimiento (TCA) se observó cuando se aplicaron 150 kg.ha-1de N+180 kg.ha-1 de K2O al inicio de la etapa reproductiva (345 dds) con 24,5 g.día-1. El área foliar especifica (AFE) no fue influenciada por los tratamientos. En las plantas control sin fertilización, la tasa relativa de crecimiento (TCR) se hizo nula (0) a los 402 dds. A partir del análisis de la estimación mínimo cuadrática, se generaron modelos estadísticos de los índices TCA, TAN y TCR, con R2 superiores al 97,09% que permiten estimar estos índices para diferentes niveles de fertilización y tiempos de evaluación, evidenciando la influencia de la fertilización con N y K, sobre estos parámetros del crecimiento. La acumulación de masa seca (MS) y la distribución de N y K en los diferentes órganos de la parte aérea de la planta fue mayor a medida que se incrementaron las dosis de N presentando diferencias estadísticas con el control; con la interacción K(N) no se evidenciaron diferencias entre tratamientos. La extracción de N por las plantas de J. curcas a los 435 dds fue mayor (118,2 g.planta-1 de N), cuando se fertilizó con 100 kg.ha-1 de N sin la aplicación de K2O; la mayor extracción de K (126,5 g.planta-1) se presentó cuando las plantas fueron fertilizadas con 100 kg.ha-1 de N +180 kg.ha-1 de K2O. Las plantas de J. curcas extrajeron más K que N y lo acumularon en mayor porcentaje en los tallos. Los órganos en los que se presentaron las mayores concentraciones de N fueron las flores, pero la mayor extracción correspondió a las hojas y frutos por representar mayor cantidad de masa seca de la planta. Las producciones de frutos oscilaron entre el 4570 kg.ha-1 y 8800 kg.ha-1 y las semillas entre 2430 kg.ha-1 y 4746 kg.ha-1. Los mayores rendimientos fueron obtenidos con dosis de 150 kg ha-1 de N + 120 kg ha-1 de K, lo que incrementó la producción de frutos en un 92% y la de semillas en el 95%, lo cual representa un aumento del 100% en la producción de aceite por hectárea (de 947 kg.ha-1 a 1900 kg.ha-1). La nutrición mineral con N y K mejoró el rendimiento de aceite vegetal al aumentar el número total de frutos y semillas producidas por planta, pero no afectó el contenido total de aceite de las semillas, las cuales presentaron un contenido entre el 38,7 y el 40,1 % (w/w). El aceite presentó altos contenidos de ácidos grasos insaturados oleico (47 %) y linoleico (29 %). Los mayores contenidos de ácido oleico se obtuvieron en el aceite de las semillas provenientes de plantas testigo sin fertilización y en plantas con la aplicación de 100 kg ha-1 de N y 60 kg ha-1 de K, con promedio del 48%. El nivel más bajo del ácido graso oleico se presentó cuando se aplicó un nivel bajo de nitrógeno y mayor de potasio en relación 1:2,4 con dosis de 50 kg.ha-1 de N +120 kg ha-1 de K. Los contenidos de ácidos grasos saturados fueron bajos el palmítico con el 13,4% y el esteárico con 7,26%, lo que hace a estos aceites adecuados para la producción de biodiesel. Considerando que hubo diferencias significativas en rendimiento entre los tratamientos 100 Kg ha-1 N + 0 K y 0 N + 120 Kg ha-1 K, con un rendimiento promedio de 2690 kg más alto en el primero, en el que sólo se aplicó nitrógeno, se evidencia una mayor importancia de este elemento frente al potasio en la producción y calidad el aceite de J. curcas bajo las condiciones de suelo y clima del estudio. Los resultados de esta investigación constituyen información inédita en el país, encaminada a incentivar y mejorar la producción de J. curcas contribuyendo a la sostenibilidad del cultivo a partir del conocimiento de las necesidades nutricionales y su relación con el rendimiento y la calidad de los aceites. Este propósito también obedece a la necesidad de fomentar alternativas al consumo de combustible fósil y reducir la emisión de gases de efecto invernadero. (Texto tomado de la fuente).

Mineral nutrition with N and K in oleaginous crops used in the production of biodiesel is a determining factor for the growth, development, yield, and harvest quality. Nitrogen is one of the more important mineral elements in the metabolism of plants. The majority of soils, especially those in tropical dry forests, are deficient and crops respond well to fertilizers with nitrogen. K+ acts in stomatic regulation, transpiration, and photosynthesis, is involved in photophosphorylation and the transport of photoassimilates from the synthesis site to different organs via the phloem, and is in enzymatic activator; its deficiency causes serious disturbances in metabolisms. N and K are removed in large quantities from fields in freshly harvested fruits of Jatropha curcas L., leading to the conclusion that, although this species adapts to poor soils under wild conditions, when a crop is established, a good supply of nutrients is necessary to achieve high yields. In Columbia, no studies have been reported that have determined the absorption, accumulation, and distribution of these nutrients in this species, which is why the present research constitutes a pilot study into this aspect. The general objective of the present research was to determine the accumulation of nitrogen and potassium in a J. curcas M-3 ecotype crop, destined for the production of biodiesel in Valle Cálido del alto Magdalena, Colombia, by obtaining extraction curves and through analysis of the crop growth. The specific objectives included: i) determine the accumulation and distribution of nitrogen and potassium, evaluating the concentration in the different aerial organs (stem, leaves, flowers, and fruits) of the J. curcas plants with the application of different doses of macronutrients (N and K); ii) obtain accumulation curves of these nutrients in the first 455 days after sowing of the crop; iii) determine the effect of the different doses of nitrogen and potassium on the growth of J. curcas; and iv) determine the effect of the different doses of nitrogen and potassium on the yield and on the content and composition of the oil of the J. curcas seeds. The experiment field was established at the Centro Experimental Nataima of the Corporation Colombiana de Investigation Agropecuaria (CORPOICA), with the geographical coordinates: 4° 11' 142” North Latitude and 74° 57' 225” West longitude, at an altitude of 371 msnm and with an average temperature of 28°C, 70% relative humidity, and average annual precipitation of 1270 mm, in a tropical dry forest zone (TdF), evaluating the response to different levels of fertilizers with N and K, with treatments that corresponded to a combination of four doses of N (0, 50, 100, 150 Kg.ha-1) and four doses of K2O (0, 60, 120, 180 Kg.ha-1) in a design with the following 12 treatments: N0:K0, N0:K120, N50:K60, N50:K120, N50:K180, N100:K0, N100:K60, N100:K120, N100:K180, N150:K60, N150:K120, N150:K180. Measurements of growth were carried out and the accumulation of the macronutrients N and K in the different aerial organs was evaluated (stem, leaves, flowers, and fruits) in the elite M- 3 genotype. In the experiment area, the soil profile was characterized, carrying out the description of the horizons in the field and determining the properties through laboratory analysis. The statistical analysis was carried out with an inferential and descriptive approach, using univariate and multivariate methods. The study showed that plants that received the highest doses of N and K2O (150 kg.ha-1 and 180 kg.ha-1 respectively) accumulated the greatest amount of N and K in their aerial organs. Fertilization induced a higher availability of these nutrients in the soil solution, which was reflected in higher absorption and increased yields. By applying only K the yields were reduced being lower than the control (without fertilization). The levels of NO3 and NH4 in the soil that produced a relative yield greater than 7000 kg.ha-1 of fruits, were of 6.24 and 4.14 mg.kg-1, respectively. The relative yield from soil K levels (mg.kg-1) for yields superior than 7000 kg.ha-1 was 172 mg.kg-1. The N content in leaf tissue proved to be a good estimator of yields (r2 = 0.91) and the concentration that yields superior than 7000 kg.ha-1 was 2.63%. Nitrate, ammonium and potassium levels in soil and concentrations of N foliar above the values mentioned above would have a low probability of response to fertilization. This study as well demonstrated that the height of the plants varied both as a function of the fertilizer with only N and due to the K(N) interaction effect, presenting the greatest height with the dose of 150 Kg ha-1 of N + 180 kg.ha-1 of K. The basal stem diameter did not present statistically significant differences; however, the smaller diameters were seen in the control without fertilizers and in the plants that only received fertilizers with potassium. Mathematical models that estimate or predict plant height and basal stem diameter as a function of the dose of N and K2O were obtained with multiple regression analysis. The analysis of the growth demonstrated that the highest dose of N and K2O (150 kg.ha-1+80 kg.ha-1 of K2O) resulted in the highest foliar area index (IAF) in all of the evaluation periods, reaching 2.32 at 435 das. The net assimilation rate (NAR) reached its highest value (1.852 g m- 2day-1) at 75 das with the application of 150 kg.ha-1 of N + 180 kg.ha-1 of K2O. Likewise, the highest absolute growth rate (AGR) was observed with the application of 150 kg.ha-1of N+180 kg.ha-1 of K2O at the start of the reproductive stage (345 das), 24.5 g.day-1. The specific foliar area (SFA) was not influenced by the treatments. In the control plants without fertilizers, the relative growth rate (RGR) reached zero (0) at 402 days. With the minimum quadratic estimation analysis, statistical models were created with the AGR, NAR and RGR indices, with R2 above 97.09%, which allowed for the estimation of these indices for different fertilizer levels and evaluation periods, evidencing the influence of fertilizers with N and K on these growth parameters. The accumulation of dry mass (DM) and the distribution of N and K in the different organs of the aerial part of the plants were higher as the N dose increased, presenting statistical differences from the control. The K(N) interaction did not present differences between the treatments. The extraction ofN by the J. curcas plants at 435 das was higher (118.2 g.plant-1 of N) when they were fertilized with 100 kg.ha-1 of N without the application of K2O. The highest extraction of K (126.5 g.plant-1) was seen when the plants were fertilized with 100 kg.ha-1 of N + 60 kg.ha-1 of K2O. The J. curcas plants extracted more K than N and accumulated it at a higher percentage in the stems. The organs that presented the higher concentrations of N were the flowers, but the highest accumulation corresponded to the leaves and fruits with a higher quantity of dry mass. The production oscillated between 4570 kg.ha-1 and 8800 kg.ha-1 of fruits and, for the seeds, between 2430 kg.ha-1 and 4746 kg.ha-1. These yields demonstrated that fertilizing with a dose of 150 kg ha-1 of N + 120 kg ha-1 of K increased the production of fruits by 92% and the production of seeds by 95%, which represented an increase of 100% in the production of oil per hectare (from 947 kg ha-1 to 1900 kg ha-1). The mineral nutrition with N and K improved the yield of plant oil and increased the total number of fruits and seeds produced per plant, but did not affect the total content of oil in the seeds, which presented content between 38.7 and 40.1% (w/w). The oil presented high contents of the unsaturated fatty acids oleic (47 %) and linoleic (29 %). The higher contents of oleic acid were obtained in the oil of the seeds from the plants in the control without fertilizers and from the plants with an application of 100 kg ha-1 of N and 60 kg ha-1 of K, with a mean of 48%. The lowest level of the fatty acid oleic was seen with the application of a low level of nitrogen and a high level of potassium at a ratio of 1:2.4 with a dose of 50 kg ha-1 of N +120 kg ha-1 of K. The contents of saturated fatty acids were low, with palmitic at 13,4% and stearic at 7,26%, making these oils suitable for the production of biodiesel. Considering that there were significant differences in the yield between the treatments 100 Kg ha-1 N + 0 K and 0 N + 120 Kg ha-1 K, in which the former, with only a nitrogen application, had a mean yield that was 2690 kg higher, the results indicated that nitrogen is more important than potassium in the production and quality of J. curcas oil under the soil and weather conditions of this study. The results of this study provide new information for this country, encouraging and improving the production of J. curcas and contributing to the sustainability of this crop by establishing the nutritional requirements and the relationship with the yield and quality of the oils. Furthermore, these results contribute to the need to formulate alternatives to the consumption of fossil fuels and to reduce the emission of greenhouse gases.