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1 EFICIENCIA DE LA APLICACIÓN DE CO-COMPOST PARA LA REMEDIACIÓN DE CÁRCAVAS EN TUNJA, BOYACÁ YENNY MARCELA PAEZ CABEZAS SAMANTA SALAZAR SANCHEZ UNIVERSIDAD PEDAGÓGICA Y TECNOLÓGICA DE COLOMBIA FACULTAD DE INGENIERÍA ESCUELA DE INGENIERÍA AMBIENTAL TUNJA 2021 2 EFICIENCIA DE LA APLICACIÓN DE CO-COMPOST PARA LA REMEDIACIÓN DE CÁRCAVAS EN TUNJA, BOYACÁ YENNY MARCELA PÁEZ CABEZAS SAMANTA SALAZAR SANCHEZ Trabajo de grado en la modalidad de proyecto de investigación para optar al título de Ingeniero Ambiental Director: M.S.c. Gloria Lucía Camargo Millán UNIVERSIDAD PEDAGÓGICA Y TECNOLÓGICA DE COLOMBIA FACULTAD DE INGENIERÍA ESCUELA DE INGENIERÍA AMBIENTAL TUNJA 2021 3 Nota de aceptación: ____________________________ ____________________________ ____________________________ ____________________________ ____________________________ ____________________________ ____________________________ Firma presidente del jurado ____________________________ Firma jurado ____________________________ Firma jurado 4 Tunja, 23 de junio de 2021. “La autoridad científica de la Facultad de Ingeniería reside en ella misma, por lo tanto, no responde de la opinión expresada en este proyecto”. Se autoriza la reproducción total o parcial indicando su origen. Copyright © 2018 5 A mis padres, Lucelly Cabezas y Jaime Paez; por su amor paciencia, comprensión, apoyo y confianza durante el desarrollo de este proyecto. Y a todos aquellos con quienes aprendí e hicieron parte de este camino. Yenny Paez. A mis padres, Nidia Sanchez y Wilson Salazar por su apoyo incondicional. A Ellie mi motivación en todo momento y a todas aquellas personas que con amor me acompañaron en todo el proceso. Samanta Salazar 6 AGRADECIMIENTOS Agradecemos a la Ingeniera Gloria Lucia Camargo Millán directora de este proyecto, por su apoyo incondicional, su confianza, guía y dedicación en su labor. A el laboratorista Julián Camilo Contreras Álvarez, por apoyo en el proyecto. A nuestras familias, por ser ese apoyo incondicional en nuestra formación personal y por ende en la realización de nuestro proyecto de grado. Universidad Pedagógica y Tecnológica de Colombia, Escuela de ingeniería ambiental, por la contribución a nuestra formación profesional a nivel de Pregrado. 7 CONTENIDO INTRODUCCIÓN ..................................................................................................... 13 1. OBJETIVOS ...................................................................................................... 15 1.1 GENERAL ...................................................................................................... 15 1.2 ESPECÍFICOS ............................................................................................... 15 2. MARCO REFERENCIAL ................................................................................... 16 2.1. MARCO CONCEPTUAL ................................................................................. 16 2.2. MARCO TEÓRICO ......................................................................................... 19 2.2.1. Suelo ............................................................................................. 19 2.2.2. Tipos de suelos ............................................................................. 19 2.2.3. Propiedades del suelo ................................................................... 22 2.2.4. Calidad de suelo ............................................................................ 26 2.2.5. Degradación de suelos .................................................................. 29 2.2.6. Pruebas de germinación ................................................................ 31 2.2.7. Papel de las plantas en la calidad del suelo .................................. 33 2.3. ESTADO DEL ARTE ...................................................................................... 35 2.4. MARCO NORMATIVO ................................................................................... 40 2.5. MARCO GEOGRÁFICO ................................................................................. 42 2.6. MARCO TEMPORAL ..................................................................................... 42 3. DISEÑO METODOLÓGICO .............................................................................. 43 3.1. FASE DE SUELO ........................................................................................... 43 3.1.1. Selección y limitación de la zona piloto ......................................... 43 3.1.2. Muestreo del suelo ........................................................................ 44 3.1.3. Caracterización inicial de la muestra de suelo ............................... 46 3.1.4. Muestreo final después de siembra y aplicación de bioabono....... 47 3.2. FASE DE BIOABONO .................................................................................... 49 3.2.1. Características del bioabono ......................................................... 49 3.2.2. Determinación de la tasa de aplicación del bioabono .................... 50 3.2.3. Proceso siembra y aplicación del bioabono en la zona piloto........ 51 8 3.3. FASE DE PRUEBAS DE GERMINACIÓN ..................................................... 53 3.3.1. Preliminar de germinación ............................................................. 53 3.3.2. Selección de la especie vegetal para siembra en campo .............. 63 3.4. EVALUACIÓN DE CALIDAD Y EFICIENCIA ................................................. 64 4. RESULTADOS Y ANÁLISIS ............................................................................. 66 4.1. RESULTADOS CARACTERIZACIÓN MUESTRA INICIAL DE SUELO ......... 66 4.1.1. Propiedades Físicas y Químicas realizadas por el IGAC .............. 66 4.1.2. Propiedades físicas realizadas a través de procedimiento manual y visual según E-102 del INVIAS ............................................................... 70 4.2. RESULTADOS CARACTERIZACIÓN MUESTRA FINAL DE SUELO ........... 74 4.2.1. Propiedades Físicas y Químicas realizadas por el IGAC .............. 74 4.2.2. Propiedades físicas realizadas a través de procedimiento manual y visual según E-102 del INVIAS ............................................................... 76 4.3. RESULTADOS PRUEBA DE GERMINACIÓN ............................................... 79 4.3.2. Periodo de latencia ........................................................................ 79 4.3.3. Capacidad de germinación ............................................................ 80 4.3.4. Coeficiente de velocidad ................................................................ 81 4.4. RESULTADOS SIEMBRA ESPECIES VEGETALES ..................................... 83 4.5. RESULTADOS EVALUACIÓN DE CALIDAD DEL SUELO ............................ 85 5. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES.................................................... 89 BIBLIOGRAFÍA E INFOGRAFÍA .............................................................................. 91 ANEXOS ................................................................................................................ 106 9 LISTA DE FIGURAS Figura 1. Clases texturales ....................................................................................... 22 Figura 2. Principales componentes de la calidad del suelo ...................................... 26 Figura 3. Área Objeto de Estudio ............................................................................. 42 Figura 4. Cárcava contigua al lote objeto de estudio ................................................ 43 Figura 5. Materiales para el muestreo ...................................................................... 45 Figura 6. Procedimiento del muestreo inicial del suelo ............................................ 46 Figura 7. zona de muestreo ...................................................................................... 48 Figura 8. Materiales para el muestreo ...................................................................... 48 Figura 9. procedimiento de muestreo final del suelo ................................................ 49 Figura 10. Sección de suelos y plantas a las que se le hace seguimiento ............... 53 Figura 11. Toma de muestra de suelo para prueba de germinación ........................ 54 Figura 12. Recolección muestra de suelo ................................................................ 55 Figura 13. Recipiente con muestra de suelo a desinfectar e introducción al horno ........................................................................................................................ 55 Figura 14. muestra de suelo desinfectada luego de 30 minutos en el horno ........... 56 Figura 15. Bioabono para sustrato de prueba de germinación ................................. 56 Figura 16. suelo desinfectado para sustrato de prueba de geminación ................... 57 Figura 17. Mezcla homogénea de sustrato para prueba de germinación ................. 57 Figura 18. Características de las semillas de col china ............................................ 58 Figura 19. Semillero de plástico con 288 secciones ................................................. 59 Figura 20. Adición de sustrato orgánico para prueba de germinación ..................... 59 Figura 21. bandeja con sustrato de germinación ...................................................... 60 Figura 22. Etiqueta de los sustratos ......................................................................... 60 Figura 23. Apertura de orificio a 0.5 cm para siembra de semilla ............................. 61 10 Figura 24. Siembra de semillas de col china ............................................................ 61 Figura 25. Proceso de riego de sustratos ................................................................. 62 Figura 26. Ubicación bandeja de germinación ......................................................... 62 Figura 27. Color de la muestra inicial de suelo ......................................................... 70 Figura 28. Consistencia de la muestra inicial de suelo ............................................. 71 Figura 29. Dilatancia de la muestra inicial de suelo ................................................. 72 Figura 30. Tenacidad de la muestra inicial de suelo ................................................ 72 Figura 31. Plasticidad de la muestra inicial de suelo ................................................ 73 Figura 32. Resistencia en seco de la muestra inicial de suelo ................................. 73 Figura 33. Color muestra final de suelo .................................................................... 76 Figura 34. Prueba de dilatancia muestra final de suelo ............................................ 77 Figura 35. Tenacidad de la muestra final del suelo .................................................. 78 Figura 36. Plasticidad muestra final de suelo ........................................................... 78 Figura 37. resistencia en seco muestra final de suelo .............................................. 79 Figura 38. Comparación visual de las plántulas en los dos tipos de sustratos ......... 83 Figura 39. Primer día de siembra Vs 31 día de siembra .......................................... 84 LISTA DE GRÁFICAS Gráfica 1. Capacidad de germinación de los 2 sustratos ......................................... 81 Gráfica 2. Evaluación Indicadores de calidad de la muestra de suelo INCIAL ......... 85 LISTA DE TABLAS Tabla 1. Tipos de suelos .......................................................................................... 20 Tabla 2. indicadores físicos, químicos y biológicos para monitorear los cambios del suelo .................................................................................................... 28 11 Tabla 3. Características prueba de germinación ...................................................... 33 Tabla 4. Indicadores biofísicos referentes a la cobertura vegetal del suelo ............. 34 Tabla 5. Caracterización inicial muestra de suelo .................................................... 66 Tabla 6. contenido de carbono orgánico según piso térmico ................................... 68 Tabla 7. clases de suelo por el contenido de carbono orgánico ............................... 68 Tabla 6. Identificación del suelo por ensayos manuales .......................................... 74 Tabla 9. Evaluación de calidad de la muestra de suelo INICIAL .............................. 85 Tabla 10. Apariencia de las plantas ....................................................................... 115 Tabla 11. Incidencia de plagas y enfermedades .................................................... 115 Tabla 12. Cobertura del suelo ................................................................................ 115 Tabla 13. Carbono Orgánico .................................................................................. 116 Tabla 14. pH ........................................................................................................... 116 Tabla 15. Capacidad de Intercambio Catiónico ...................................................... 117 Tabla 16. Fósforo ................................................................................................... 117 Tabla 17. Textura del suelo .................................................................................... 118 LISTA DE ANEXOS ANEXO A. Mapa localización zona de estudio ANEXO B. Caracterización del bioabono ANEXO C. Bitácora monitoreo pruebas de germinación ANEXO D-1. RESULTADOS RECOMENDACIÓN DE FERTILIZACIÓN PARA LA ESPECIE EUGENIA A PARTIR DE LO OBSERVADO EN LA MUESTRA DE SUELO ANEXO D-2. RESULTADOS ANALISIS QUÍMICO CARACTERIZACION Q-01 INICIAL PARA LA MUESTRA DE SUELO IGAC 12 ANEXO D-3. CONSIDERACIONES GENERALES PARA INTERPRETAR ANÁLISIS QUÍMICOS DE SUELOS IGAC ANEXO E. TABLAS PARA LA EVALUACIÓN DE LOS INDICADORES DE CALIDAD DE SUELO LISTA DE ABREVIATURAS PTAR: Planta de Tratamiento de Aguas Residuales SOC: Carbono orgánico del suelo N: Nitrógeno P: Fósforo CIC: capacidad de intercambio catiónico CE: conductividad eléctrica POT: Plan de Ordenamiento Territorial FAO: ORGANIZACION DE LAS NACIONES UNIDAS PARA LA ALIMENTACION Y AGRICULTURA 13 INTRODUCCIÓN La erosión de los suelos es un fenómeno que se puede presentar de forma natural, pero que se manifiesta como una problemática ambiental cuando se presentanactividades antrópicas que afectan gravemente la sostenibilidad del mismo recurso. Ocasionando perdida de cobertura vegetal, disminución de la diversidad, afección al rendimiento de cultivos entre otros. La FAO en el Resumen Técnico “Estado Mundial del Recurso Suelo”, expresa que para el año 2050 si se continua con esta tendencia de fenómenos erosivos se podría perder hasta un 10% del rendimiento potencial anual de los cultivos en todo el mundo (Montanarella et al., 2016). En Colombia, puntualmente en la ciudad de Tunja, que es donde se lleva a cabo la ejecución del proyecto, se presentan 16 zonas de cárcavas con altos grados erosivos y que representan un potencial riesgo ambiental. Es por ello que como una alternativa para la mitigación de esta problemática se plantea la aplicación de enmiendas orgánicas, para este caso un bioabono obtenido a partir de residuos sólidos orgánicos y lodos de PTAR, lo que contribuye según el Manual de Compostaje del Agricultor de la FAO a mejorar el manejo del suelo, aporta macronutrientes como el nitrógeno y organismos como bacterias y hongos que transforman los materiales insolubles en nutrientes. Además de ello se realiza la siembra de especies vegetales que brinden soporte al suelo, evitando un mayor impacto de fenómenos erosivos naturales. Este proyecto se llevó a cabo durante aproximadamente 6 meses en donde se realizó una prueba de germinación, aplicación de bioabono y siembra de una especie vegetal ornamental con la finalidad de evaluar la eficiencia del bioabono para la recuperación parcial del suelo de la zona de estudio vulnerable a procesos erosivos. 14 Sin embargo, debido a limitaciones en el tiempo de ejecución no fue posible evidenciar cambios en los indicadores físicos, químicos y agroecológicos propuestos, ya que para que un suelo comience un proceso de recuperación se requiere al menos de 90 días y esto se puede extender por cientos de años. A pesar de ello, de acuerdo a la bibliografía consultada y los resultados obtenidos con la prueba de germinación, se encuentra que la aplicación de enmiendas orgánicas es una alternativa viable para el manejo y recuperación de suelos erosionados. 15 1. OBJETIVOS 1.1 GENERAL Determinar la eficiencia de la aplicación de co-compost a partir de residuos sólidos orgánicos y lodos de Plantas de Tratamiento de Aguas Residuales para la remediación de zonas de cárcavas en la ciudad de Tunja. 1.2 ESPECÍFICOS • Realizar prueba de germinación a nivel de laboratorio con la finalidad de evaluar la eficiencia del bioabono • Contrastar las características físico-químicas del suelo antes y después de la aplicación del bioabono. • Aplicar el bioabono y sembrar las plántulas en la zona piloto objeto de estudio. 16 2. MARCO REFERENCIAL 2.1. MARCO CONCEPTUAL • Abono orgánico: Producto que al ser aplicado al suelo activa principalmente los procesos microbiales, fomentando simultáneamente su estructura, aireación y capacidad de retención de humedad y aportando pequeñas cantidades de nutrientes. Incluye subproductos animales, estiércoles, residuos vegetales y lombricompuestos.(Ministerio de Agricultura y desarrollo rural, 1995) • Acondicionador de suelo: Toda sustancia cuya acción fundamental consiste en el mejoramiento de las condiciones del suelo.(Ministerio de Agricultura y desarrollo rural, 1995) • Compostaje: proceso de biooxidación aerobia de materiales orgánicos que conduce a una etapa de maduración mínima (estabilización), se convierten en un recurso orgánico estable y seguro para ser utilizado en la agricultura.(Ministerio de Agricultura y desarrollo rural, 2001) • Compost: producto final del proceso de compostaje.(Ministerio de Agricultura y desarrollo rural, 2001) • Lodo: Suspensión de un sólido en un líquido proveniente del tratamiento de aguas residuales municipales.(Ministerio de Vivienda Cuidad y Desarrollo, 2014) • Biosólido: Producto resultante de la estabilización de la fracción orgánica de los lodos generados en el tratamiento de aguas residuales municipales, con características físicas, químicas y microbiológicas que permiten su uso.(Ministerio de Vivienda Cuidad y Desarrollo, 2014) 17 • Suelos degradados: Son aquellos que por actividades antrópicas o por fenómenos naturales han sufrido un proceso de pérdida de material superficial, pérdida de nutrientes o pérdida de su estructura original, afectando la capacidad de soporte de la vegetación preexistente o de los cultivos. Son suelos degradados también aquellos donde ha ocurrido desaparición de la vegetación natural o implantada y en. los que se incrementa la vulnerabilidad del suelo a procesos de degradación.(Ministerio de Vivienda Cuidad y Desarrollo, 2014) • Residuo solido: Son todos aquellos sobrantes que surgen de las actividades que cotidianamente desarrollan los seres vivos y que se desechan por desconocimiento sobre ellos, disponiéndolos como inútiles o no requeridos. Estos comprenden tanto la masa heterogénea de los desechos domésticos urbanos como la acumulación más homogénea de los residuos agrícolas, industriales y minerales.(Suárez, 2000) • Residuo solido orgánico: Son aquellos que provienen de organismos vivos como plantas y animales, quienes contienen compuestos orgánicos producidos por la naturaleza y que se descomponen biológicamente por la acción de microorganismos o agentes fisicoquímicos a condiciones normales.(Suárez, 2000) • Relleno sanitario: Es el lugar técnicamente seleccionado, diseñado y operado para la disposición final controlada de residuos sólidos, sin causar peligro, daño o riesgo a la salud pública, minimizando y controlando los impactos ambientales y utilizando principios de ingeniería, para la confinación y aislamiento de los residuos sólidos en un área mínima, con compactación de residuos, cobertura diaria de los mismos, control de gases y lixiviados, y cobertura final.(ministerio de ambiente vivienda y desarrollo territorial, 2005) • Co-compostaje: El Co-compostaje es la degradación aeróbica controlada de compuestos orgánicos, utilizando más de una materia prima. (lodos fecales y residuos sólidos orgánicos).(Tilley et al., 2014) 18 • Gestión lodos de PTAR: La gestión ambiental debe entenderse como las acciones que se pueden ejecutar para evitar un impacto negativo sobre el ambiente como consecuencia de cualquier actividad del ser humano.(Cossio et al., 2012) Por ende la gestión de los lodos producidos en una PTAR se refiere a todas aquellas acciones y procesos que se hacen a los mismos para minimizar los impactos que perjudican tanto al ambiente, como a las personas. • Aprovechamiento: Es el proceso mediante el cual, a través de un manejo integral de los residuos sólidos, los materiales recuperados se reincorporan al ciclo económico y productivo en forma eficiente, por medio de la reutilización, el reciclaje, el compostaje o cualquier otra modalidad que conlleve beneficios sanitarios, ambientales y/o económicos.(D.C., 2010) • Eficiencia:Grado en que se cumplen los objetivos de una iniciativa al menor costo posible.(Mokate, 2016) • Cárcavas: Terrenos que se componen de las zonas más áridas y que han sido severamente erosionadas, marcando canales de arrastre producidos por el agua cuya profundidad supera los 3 m.(Rene, 2016) • Sucesión vegetal: Según la Organización de las Naciones Unidas para la Agricultura y la Alimentación, la sucesión vegetal es el reemplazo una comunidad de plantas por otra. Existen dos tipos de sucesión: la progresiva y la regresiva.(FAO - Organización de las Naciones Unidas para la Agricultura y la Alimentación, 2021a) • Carbono lábil: hidratos de carbono o compuestos orgánicos de bajo peso molecular(Borie, G., Aguilera, S. M., & Peirano, 1999)(MartínezH et al., 2008). Es la fracción activa del carbono orgánico en el suelo relacionada con la fertilidad de los suelos.(Aguilar et al., 2015) 19 2.2. MARCO TEÓRICO 2.2.1. Suelo El suelo es uno de los ecosistemas más complejos de la naturaleza y uno de los hábitats más diversos de la tierra: alberga una infinidad de organismos diferentes que interactúan entre sí y contribuyen a los ciclos globales que hacen posible la vida.(FAO - Organización de las Naciones Unidas para la Agricultura y la Alimentación, 2015c) El suelo es la capa externa de la Tierra, en la cual crecen las plantas y árboles(FAO - Organización de las Naciones Unidas para la Agricultura y la Alimentación, 2017b) este está compuesto de solidos (minerales y materia orgánica) , líquidos y gases que se producen en la superficie de la tierra, ocupa un espacio y se caracteriza por la presencia de horizontes o capas que se distinguen fácilmente del material inicial como resultado de adiciones, perdida, transferencias y transformaciones de la materia y energía además de esto el suelo es el resultado de factores formadores como el clima, topografía, material parental y tiempo(MELA, 1955). El suelo es uno de los recursos más esenciales ya que tiene varias funciones como la producción y absorción de gases, es un medio para el crecimiento de las plantas, producción de cultivos, hogar de organismos, descomponedor de desechos, filtro de aguas y desechos, funciona como superficie absorbente y para muchos servicios ecosistémicos esenciales. Sin embargo, pese a que es un recurso natural muy valioso, a menudo no se le presta la debida atención.(FAO - Organización de las Naciones Unidas para la Agricultura y la Alimentación, 2015a) 2.2.2. Tipos de suelos 2.2.2.1. Suelos zonales 20 Son aquellos que se forman cuando la influencia del clima domina sobre los demás factores, son suelos maduros y evolucionados. Estos se dividen en suelos de latitudes altas, medias, tropicales y ecuatoriales. (MELA, 1955) 2.2.2.2. Suelos intrazonales Son aquellos condicionados por factores distintos al clima como son la roca madre o un mal drenaje (encharcamiento), es decir, el clima no es el factor predominante en la formación de estos suelos.(MELA, 1955) Estos se clasifican en suelos: - Leptosoles: debido a la roca madre - Halomorfos o suelos salinos: suelos con muchas sales - Hidromorfos: debido al encharcamiento 2.2.2.3. Suelos azonales Suelos no evolucionados, son formados en fuertes pendientes o sobre materiales recientes, por lo tanto, son poco desarrollados e inmaduros.(MELA, 1955) - Litosuelos: fuertes pendientes, en los que la erosión es muy intensa. - Regosoles: sobre materiales recientes (dunas, aluviones.), son suelos conformados por materiales sueltos no consolidados carentes de horizontes, como suelos arenosos, en los que el agua se infiltra con rapidez, sin producir apenas meteorización química ni la aparición de un manto importante de vegetación. Tabla 1. Tipos de suelos TIPO DE SUELOS CARACTERISTICAS AZONALES Inmaduros o brutos. Horizontes mal desarrollados LITOSUELOS Delgados, influidos por el tipo de roca madre debido a poca evolución temporal o desarrollo en grandes pendientes REGOSOLES sobre depósitos muy recientes aluviones, arenas, dunas. 21 INTRAZONALES poco evolucionados condicionados por roca madre y mal drenaje RANKER Sobre rocas silíceas (granitos) propio de climas fríos de montañas y fuerte pendiente. Suelo ácido pobre en carbonatos sin horizontes B RENDSINA Sobre rocas calizas en climas diversos. Poco espesor. Sin horizontes B. Es el equivalente al anterior en terrenos calcáreos. SALINOS Ricos en sales, climas secos. Escasa vegetación (halófitos) GLEY Zonas pantanosas, horizontes inferiores encharcados en los que se acumula Fe. TURBERAS Terreno encharcado con abundante vegetación y exceso de materia orgánica. Suelo acido. ZONALES suelos condicionados por el clima, que ha actuado largo tiempo. Son suelos maduros, muy evolucionados. Latitudes altas TUNDRA vegetación escasa, evolución lenta limitada al periodo estival Latitudes medias Clima frio PODSOL Tierras grises asociada a tierras de coníferas (taiga) rico en humus bruto. Suelo ácido y arenoso TIERRA PARDA DE BOSQUE En bosques de caducifobos rico en humus, horizonte B poco desarrollado. Climas templados MEDITERRANEOS Veranos secos, asociados a bosques de arbustos, pobre en humus y arcillosos por descalcificación de calizas, destacan los suelos rojos mediterráneos o terra rossa. CHERNOZIOM Tierras negras de estepa. Climas continentales, horizonte A muy desarrollado y rico en humus y óxidos de Fe. Suelos muy fértiles. DESERTICOS Poca materia orgánica. Latitud intertropical LATERITAS Clima ecuatorial, cálido y muy lluvioso, intensa meteorización química, suelos de gran espesor, carecen de horizonte A por el lavado intenso, el horizonte B presenta hidróxidos de Fe y Al. Se forma una costra rojiza muy dura. Fuente: La Edafosfera (MELA, 1955) 22 2.2.3. Propiedades del suelo 2.2.3.1. Propiedades físicas Las propiedades físicas de los suelos, determinan en gran medida, la capacidad de muchos de los usos a los que el hombre los sujeta. La condición física de un suelo, determina, la rigidez y la fuerza de sostenimiento, la facilidad para la penetración de las raíces, la aireación, la capacidad de drenaje y de almacenamiento de agua, la plasticidad, y la retención de nutrientes.(Universidad de la República, 2004) Dentro de las propiedades físicas del suelo tenemos: - Textura: La textura del suelo se refiere a la proporción de componentes inorgánicos de diferentes formas y tamaños como arena, limo y arcilla. La textura es una propiedad importante ya que influye como factor de fertilidad y en la habilidad de retener agua, aireación, drenaje, contenido de materia orgánica y otras propiedades.(FAO - Organización de las Naciones Unidas para la Agricultura y la Alimentación, 2006) Figura 1. Clases texturales Fuente: (Universidad de la República, 2004) 23 El interior del triángulo está dividido en casillas, cada una de ellas representa una clase textural de suelo caracterizado por las proporciones de uno o de dos elementos dominantes; suelos arenosos, limosos, arcillosos, arcillo arenosos, etc. (Universidad de la República, 2004) - Porosidad: El espacio poroso del suelo se refiere al porcentaje del volumen del suelo no ocupado por sólidos. En general el volumen del suelo está constituido por 50% materiales sólidos (45% minerales y 5% materia orgánica) y 50% de espacio poroso. Dentro del espacio poroso se pueden distinguir macro poros y micro poros donde agua, nutrientes, aire y gases pueden circular o retenerse. Los macro poros no retienen agua contra la fuerza de la gravedad, son responsables del drenaje, aireación del suelo y constituyen el espacio donde se forman las raíces. Los micro poros retienen agua y parte de la cual es disponible para las plantas.(FAO - Organización de las Naciones Unidas para la Agricultura y la Alimentación, 2006) - Estructura: Forma como se agregan las partículas del suelo. Es la responsable de las relaciones de aireación, Infiltración, humedad y temperatura del suelo. Se caracteriza por la estabilidad estructural, es decir, la resistencia que los agregados del suelo hacen para no ser destruidos.(Ramirez Carvajal, 1997) - Densidad: Mediante la determinación de la densidad se puede obtener la porosidad total del suelo. Se refiere al peso por volumen del suelo. Existen dos tipos de densidad, real y aparente. La densidad real, de las partículas densas del suelo, varía con la proporción de elementos constituyendo el suelo y en general está alrededor de 2,65. Una densidad aparente alta indica un suelo compacto o tenorelevado de partículas granulares como la arena. Una densidad aparente baja no indica necesariamente un ambiente favorecido para el crecimiento de las plantas.(FAO - Organización de las Naciones Unidas para la Agricultura y la Alimentación, 2006) 24 - Color: El color del suelo depende de sus componentes y varía con el contenido de humedad, materia orgánica presente y grado de oxidación de minerales presentes. Se puede evaluar como una medida indirecta ciertas propiedades del suelo. Se usa para distinguir las secuencias en un perfil del suelo, determinar el origen de materia parental, presencia de materia orgánica, estado de drenaje y la presencia de sales y carbonato.(FAO - Organización de las Naciones Unidas para la Agricultura y la Alimentación, 2006) - Consistencia: La consistencia es la propiedad que define la resistencia del suelo a la deformación o ruptura que pueden aplicar sobre él. Según su contenido de humedad la consistencia del suelo puede ser dura, muy dura y suave. Se mide mediante tres niveles de humedad; aire-seco, húmedo y mojado. Para la construcción sobre él se requiere medidas más precisas de resistencia del suelo antes de la obra. (FAO - Organización de las Naciones Unidas para la Agricultura y la Alimentación, 2006) 2.2.3.2. Propiedades químicas las propiedades químicas se relacionan con la calidad y disponibilidad de agua y nutrimentos para las plantas, entre ellas, cabe resaltar: - Capacidad de intercambio catiónico (CIC): La Capacidad de Intercambio Catiónico (CIC) es una medida de cantidad de cargas negativas presentes en las superficies de los minerales y componentes orgánicos del suelo (arcilla, materia orgánica o sustancias húmicas) y representa la cantidad de cationes que las superficies pueden retener (Ca, Mg, Na, K, NH4 etc.). Estos serán intercambiados por otros cationes o iones de hidrogeno presentes en la solución del suelo y liberados por las raíces. El nivel de CIC indica la habilidad de suelos a retener cationes, disponibilidad y cantidad de nutrientes a la planta, su pH potencial entre otras. Un suelo con bajo CIC indica baja habilidad de retener nutrientes, arenoso o pobre en materia orgánica. La unidad 25 de medición de CIC es en centimoles de carga por kg de suelo cmolc/kg o meq/ 100g de suelo.(FAO - Organización de las Naciones Unidas para la Agricultura y la Alimentación, 2021b) - pH: El pH (potencial de hidrógeno) determina el grado de adsorción de iones (H+) por las partículas del suelo e indica si un suelo está acido o alcalino. Es el indicador principal en la disponibilidad de nutrientes para las plantas, influyendo en la solubilidad, movilidad, disponibilidad y de otros constituyentes y contaminantes inorgánicos presentes en el suelo. El valor del pH en el suelo oscila entre 3,5 (muy ácido) a 9,5 (muy alcalino). Los suelos muy ácidos (<5,5) tienden presentar cantidades elevadas y tóxicas de aluminio y manganeso. Los suelos muy alcalinos (>8,5) tienden a dispersarse. La actividad de los organismos del suelo es inhibida en suelos muy ácidos y para los cultivos agrícolas el valor del pH ideal se encuentra en 6,5. (FAO - Organización de las Naciones Unidas para la Agricultura y la Alimentación, 2021b) - Nutrientes para las plantas: La cantidad de nutrientes presente en el suelo determina su potencial para alimentar organismos vivos. Los 16 nutrientes esenciales para el desarrollo y crecimiento de las plantas se suelen clasificar entre macro y micro nutrientes dependiendo de su requerimiento para el desarrollo de las plantas. Los macronutrientes se requieren en grandes cantidades e incluyen Carbono(C), Hidrógeno (H), Nitrógeno(N), Fósforo (P), Potasio (K), Calcio (Ca), Magnesio (Mg), Azufre(S). Los micronutrientes por otro lado se requieren en pequeñas, su insuficiencia puede dar lugar a carencia y su exceso a toxicidad, se refieren a Hierro (Fe), Zinc (Zn), Manganeso (Mn), Boro (B), Cobre (Cu), Molibdeno (Mo), Cloro (Cl).(FAO - Organización de las Naciones Unidas para la Agricultura y la Alimentación, 2021b) 26 - Conductividad eléctrica (CE): La concentración de sales solubles presentes en la solución del sustrato se mide mediante la CE. La CE es la medida de la capacidad de un material para conducir la corriente eléctrica, el valor será más alto cuanto más fácil se mueve la corriente a través del mismo.(Bárbaro et al., 2005) 2.2.4. Calidad de suelo El concepto de calidad del suelo está relacionado con las funciones y el uso del mismo, siendo atributo de sus propiedades físicas, químicas y biológicas. La calidad del suelo es la capacidad del mismo de funcionar con su ecosistema y su uso, sustentando la productividad biológica, la calidad del ambiente, la salud de las plantas, animales y la población(Doran & Parkin, 1994) El término calidad del suelo se empezó a acotar al reconocer las funciones del suelo: (1) promover la productividad del sistema sin perder sus propiedades físicas, químicas y biológicas (productividad biológica sostenible); (2) atenuar contaminantes ambientales y patógenos (calidad ambiental); y (3) favorecer la salud de plantas, animales y humanos (Doran & Parkin, 1994)(Karlen et al., 1997) Figura 2. Principales componentes de la calidad del suelo Fuente: (Doran y Parkin,1994)(Doran & Parkin, 1994) 27 2.2.4.1. Indicadores de calidad de suelo Los indicadores de calidad del suelo pueden ser propiedades físicas, químicas y biológicas, o procesos que ocurren en él, como lo ha sugerido Astier (2002) (Astier et al., 2002). Hünnemeyer et al. (1997)(Hünnemeyer, J.A., De Camino, R. y Müller, 1997) establecieron que los indicadores deberían permitir: (a) analizar la situación actual e identificar los puntos críticos con respecto al desarrollo sostenible; (b) analizar los posibles impactos antes de una intervención; (c) monitorear el impacto de las intervenciones antrópicas; y (d) ayudar a determinar si el uso del recurso es sostenible. Los indicadores disponibles para evaluar la calidad de suelo pueden variar de localidad a localidad dependiendo del tipo, uso, función y factores de formación del suelo(Arshad & Coen, 1992) - Indicadores físicos Las propiedades físicas que pueden ser utilizadas como indicadores de la calidad del suelo son aquellas que reflejan la manera en que este recurso acepta, retiene y transmite agua a las plantas, así como las limitaciones que se pueden encontrar en el crecimiento de las raíces, la emergencia de las plántulas, la infiltración o el movimiento del agua dentro del perfil y que además estén relacionadas con el arreglo de las partículas y los poros. La estructura, densidad aparente, estabilidad de agregados, infiltración, profundidad del suelo superficial, capacidad de almacenamiento del agua y conductividad hidráulica saturada son las características físicas del suelo que se han propuesto como indicadores de su calidad.(A. Bautista Cruz, J. Etchevers Barra, R.F. del Castillo, 2004) - Indicadores químicos Los indicadores químicos se refieren a condiciones de este tipo que afectan las relaciones suelo planta, la calidad del agua, la capacidad amortiguadora del suelo, la disponibilidad de agua y nutrimentos para las plantas y microorganismos. Algunos indicadores son la disponibilidad de nutrimentos, carbono orgánico total, carbono orgánico lábil, pH, 28 conductividad eléctrica, capacidad de adsorción de fosfatos, capacidad de intercambio de cationes, cambios en la materia orgánica, nitrógeno total y nitrógeno mineralizable.(A. Bautista Cruz, J. Etchevers Barra, R.F. del Castillo, 2004) - Indicadores biológicos Los indicadores biológicos integran gran cantidad de factores que afectan la calidad del suelo como la abundancia y subproductos de micro y macroorganismos, incluidos bacterias, hongos, nematodos, lombrices, anélidos y artrópodos. Incluyen funcionescomo la tasa de respiración y otros subproductos de los hongos, tasas de descomposición de los residuos vegetales, N y C de la biomasa microbiana (Karlen et al., 1997). Tabla 2. indicadores físicos, químicos y biológicos para monitorear los cambios del suelo PROPIEDAD RELACIÓN CON LA CONDICIÓN Y FUNCIÓN DEL SUELO VALORES O UNIDADES RELEVANTES ECOLOGICAMENTE; COMPARACIÓN PARA EVALUACIÓN FISICAS Textura Retención y transporte de agua y compuestos químicos; erosión del suelo % de arena, limo y arcilla; pérdida del sitio o posición del paisaje Profundidad del suelo, suelo superficial y raíces Estima la productividad potencial y la erosión cm o m Infiltración y densidad aparente Potencial de lavado; productividad y erosividad minutos/2.5 cm de agua y g/cm3 Capacidad de retención de agua Relación con la retención de agua, transporte, y erosividad; humedad aprovechable, textura y materia orgánica % (cm3/cm3), cm de humedad aprovechable/30 cm; intensidad de precipitación QUIMICAS Materia orgánica (N y C total) Define la fertilidad del suelo; estabilidad; erosión Kg de C o N ha-1 pH Define la actividad química y biológica comparación entre los límites superiores e inferiores para la actividad vegetal y microbiana 29 Conductividad eléctrica Define la actividad vegetal y microbiana dSm-1; comparación entre los límites superiores e inferiores para la actividad vegetal y microbiana P, N, y K extractables Nutrientes disponibles para la planta, pérdida potencial de N; productividad e indicadores de la calidad ambiental Kg ha-1; niveles suficientes para el desarrollo de los cultivos BIOLÓGICOS C y N de la biomasa microbiana Potencial microbiano catalítico y depósito para el C y N, cambios tempranos de los efectos del manejo sobre la materia orgánica Kg de N o C ha-1 relativo al C y N total o CO2 producidos Respiración, contenido de humedad y temperatura Mide la actividad microbiana; estima la actividad de la biomasa Kg de C ha-1 d-1 relativo a la actividad de la biomasa microbiana; pérdida de C contra entrada al reservorio total de C N potencialmente mineralizable Productividad del suelo y suministro potencial de N Kg de N ha-1d-1 relativo al contenido de C y N total INDICADORES DE RELIEVE Pendiente Condiciones permisivas para la presencia de erosión Orientación del terreno Diferencia en parámetros estructurales (biomasa, distribución de frecuencia) y comportamiento hidráulico del suelo Altitud Patrones de distribución de especies vegetales Adaptado de: La calidad del suelo y sus indicadores(A. Bautista Cruz, J. Etchevers Barra, R.F. del Castillo, 2004) y calidad y salud del suelo (Banegas, 2014) 2.2.5. Degradación de suelos La degradación del suelo es la perdida de la productividad de un suelo, debido a la contaminación, una disminución de la fertilidad y/o erosión.(MELA, 1955) 2.2.5.1. Antrópica La degradación del suelo debido a las practicas del hombre pueden ser - Erosión: es la pérdida del suelo que implica denudación y transporte del mismo debido a las malas prácticas hechas por el hombre. - Deforestación: facilita la erosión por la pérdida de la cubierta vegetal 30 - Pastoreo excesivo: afecta tanto por la eliminación de la cubierta vegetal, como por la pérdida de estructura del suelo debido a la compactación por el pisoteo, que impide la aireación del suelo y disminuye su porosidad. - Prácticas agrícolas inadecuadas: contaminación (plaguicidas y herbicidas), quema de rastrojos que elimina el aporte de materia orgánica, la roturación a favor de pendiente que favorece la erosión, el exceso de fertilizantes en climas cálidos que asciende por capilaridad formando costras salinas en la superficie del suelo. - Extensión inadecuada del regadío: se trata de explotar suelos de muy poca calidad agrícola (inadecuados para el cultivo). Como por ejemplo suelos salinizados. Pero que se explotan porque hay agua. - Sobreexplotación de acuíferos: hace descender el nivel freático, por lo que muchas plantas no pueden superar una época de sequía prolongada. También puede acabar por agotar el agua disponible para el riego o puede producir la entrada en el acuífero de agua de mar; si el acuífero está cerca del mar se saliniza el agua del acuífero y se riega con agua salada que degrada el suelo. - Minería y canteras a cielo abierto: producen desmontes facilitando la erosión al igual que las grandes obras de infraestructura, además en muchos casos la minería suele contaminar el suelo con metales pesados. - Roturación de terrenos marginales: en terrenos fácilmente erosionables como aquellos de pendientes elevadas o de climas áridos, la roturación del terreno con el tractor facilita enormemente la erosión. - Abandono de tierras de cultivo: después de muchos años las tierras de cultivo no son productivas porque la agricultura intensiva ha acabado con todos sus nutrientes, con lo que su abandono de aun suelo poco productivo y muy degradable que será fácilmente erosionable por la escasa vegetación que puede asentarse en este tipo de suelo.(MELA, 1955) 31 2.2.5.2. Natural - Erosión: es la pérdida del suelo que implica denudación y transporte del mismo ya que los agentes erosivos como el viento y agua denudan el terreno transportando los materiales erosionados hacia otra parte donde sedimentaran. - Climáticos: los factores climáticos más importantes en la degradación del suelo son las precipitaciones y el viento ya que son los que producen la erosión, no solo es importante la cantidad de precipitación que cae en una zona sino también su distribución temporal. - Características edáficas y sustrato litológico: la naturaleza del suelo, la textura, estructura, composición microbiológica y la cantidad de materia orgánica del suelo condicionan la mayor y menor susceptibilidad a la erosión. - Topografía: en terrenos con pendientes la erosión es mucho mayor. La orientación hacia el norte tiene más humedad y más vegetación que protege de la erosión. - Cobertura vegetal: cuanta más vegetación menor erosión porque la vegetación frena el avance del agua en las pendientes y amortigua el golpeteo de las gotas de lluvia, además la vegetación ejerce una pantalla contra el viento.(MELA, 1955) 2.2.6. Pruebas de germinación El compost se utiliza habitualmente para el crecimiento de las plantas y para remediar la contaminación ambiental. Es importante evaluar la calidad del compost y la prueba de germinación de las semillas es una poderosa herramienta para examinar la toxicidad (fitotoxinas) del compost que pueden alterar momentánea o permanentemente el crecimiento de las plantas. (Warman, 2013) (Luo et al., 2017) No hay un procedimiento universal de prueba de crecimiento o de especies de semillas que se utilice en todo el mundo, y ha habido pocos trabajos para determinar si hay una diferencia entre las especies de semillas y las de crecimiento. 32 El resultado de la prueba de germinación de semillas es un parámetro que depende de la especie de la semilla, y la semilla de berro es la especie más adoptada en estudios anteriores(Khan et al., 2014) (Said-pullicino et al., 2007)(Zeng et al., 2007)(Aslam et al., 2008) Emino y Warman (2004) (Emino & Warman, 2004) compararon los valores de IG (índice de germinación) de compost de residuos sólidos municipales maduros e inmaduros con tres grupos de semillas que incluían las de gran tamaño (judía verde, maíz dulce, pepino híbrido y girasol), el tamaño medio (brócoli, col china, rábano, tomate, amaranto y margarita de Shasta) y el tamaño pequeño (berro, zanahoria, lechuga y petunia). Llegaron a la conclusión de que la mayoría de las especies, incluido el berro, no eran lo suficientemente sensibles para discriminar entre el compost maduro e inmaduro, mientrasque la semilla de col china era la más sensible de estas semillas a ello. Por lo tanto, propusieron un criterio según el cual la semilla modelo germinaría y crecería bien en el compost maduro, mientras que la semilla germinaría menos y crecería lentamente en un compost inmaduro. Estudios anteriores sobre las semillas de col china en el compostaje de estiércol de cerdo (Tiquia et al., 1996) y tres tipos de compost maduro (Warman, 1999) indicaron que las semillas de col china eran sensibles al bajo nivel de toxicidad del compost, lo que confirmó la conclusión de que la semilla de col china cumplía el criterio. La semilla de col china tiene sus propias ventajas en cuanto a la respuesta a las sustancias tóxicas (sensible), el ciclo de germinación (48 h) y el tamaño de la semilla (medio), por lo que podría utilizarse como organismo modelo para investigar la toxicidad del compost. (Luo et al., 2017) Por lo tanto, para las pruebas de germinación del proyecto se escogerá la semilla de col china y la semilla de Eugenia la cual se sembrará en campo; para esto cada prueba de germinación tendrá una prueba control la cual como sustrato tendrá únicamente el suelo de la zona piloto; mientras que para las pruebas de germinación con el compost el sustrato 33 estará compuesto por un tercio de compost y dos tercios de suelo en volumen. (Warman, 2013) A continuación, se presenta algunas características que se tuvieron en cuenta para la prueba de germinación: Tabla 3. Características prueba de germinación Características Temperatura Ambiente luz Horas Recipiente Plástico Fuente: autores 2.2.7. Papel de las plantas en la calidad del suelo La vegetación cumple un papel importante en la formación de la estructura del suelo, es por ello que en algunas ocasiones hace parte de los indicadores de la calidad del mismo, ya que se asocia el crecimiento de vegetación con la fertilidad del suelo. Algunas de las funciones que cumplen las plantas en el suelo son: a) produce residuos que son la fuente de energía para la actividad microbiana en la producción de polisacáridos y humus; b) el sistema radicular no solo contribuye a la cantidad de residuos, sino que influye en la formación de* agregados; c) la cubierta vegetal protege la estabilidad de los agregados superficiales contra la acción destructora de la lluvia. (Universidad de la República, 2004) En la actualidad uno de los sistemas de control de la erosión es la revegetalización, controla la erosión en cárcavas al incrementar la infiltración y reducir la escorrentía. La vegetación ofrece protección física al suelo frente al impacto de la lluvia y la escorrentía, reduce la velocidad del agua al aumentar la resistencia hidráulica del terreno, por lo tanto, disminuye la capacidad erosiva del agua. (Diaz Mendoza, 2011) Si la velocidad se ha reducido lo suficiente, se sedimenta una parte de los materiales arrastrados y a partir de este momento se empieza a regenerar la vegetación natural (Hudson, 1982). El crecimiento de gramíneas 34 reduce la escorrentía del 50 al 60% y las pérdidas de suelo por erosión del 60 al 80% (Morgan, R. P., Urbano López, Meneses C., 1995). Así mismo la vegetación juega un papel crucial en la restauración de las zonas degradadas y contaminadas, ya que en primer lugar es un gran anclaje físico del suelo que reduce la erosión, amortigua la dispersión de partículas contaminantes y reduce la contaminación de los suelos adyacentes y de las aguas superficiales y subterráneas.(Tordoff et al., 2000)(Xiong, 2015) Ante un suelo erosionado como el que se presenta en las cárcavas del municipio de Tunja, es necesario recuperar esas funciones de la cubierta vegetal como protectora ante nuevos fenómenos erosivos, influyendo de forma directa en la calidad del suelo y garantizando que perdure en el tiempo. En consecuencia, el crecimiento de vegetación a través de la siembra o de forma esporádica en el suelo, podría indicar una mejora en las propiedades del mismo. En la siguiente tabla se muestran algunos indicadores adicionales a tener en cuenta en las mejoras de las propiedades del suelo, algunos de ellos se pueden medir de forma visual y otros se pueden apoyar con pruebas de laboratorio Tabla 4. Indicadores biofísicos referentes a la cobertura vegetal del suelo Tiempo de observación Indicadores Protección del suelo y fertilidad Estructura de la vegetación Corto plazo (hasta 1 año) Aumento en la cobertura del suelo con plantas vivas o residuos vegetales. Sobrevivencia de las plantas sembradas. 35 Mediano plazo (3 -5 años) Aumento en la materia orgánica, carbono orgánico, actividad biológica, estabilidad de agregados o retención de humedad en el suelo Sobrevivencia de plantas sembradas. Cambios en la distribución diamétrica y de alturas de la vegetación, área basal, cobertura de dosel, densidad de estratos foliares, densidad de tallos y volumen total de vegetación Largo plazo (más de 6 años) Cambios en los parámetros físicos y químicos del suelo. Cambios en la distribución diamétrica y de alturas de la vegetación, área basal, densidad de estratos foliares, densidad de tallos y volumen total de vegetación. Adaptado de: Monitoreo a procesos de restauración ecológica aplicado a ecosistemas terrestres (Aguilar Garavito & Ramirez, 2015) 2.3. ESTADO DEL ARTE Debido al crecimiento de la población y el desarrollo industrial, la generación de residuos sólidos y lodos de PTAR han ido en aumento generando problemáticas ambientales, económicas y sociales, como la disminución de la vida útil de rellenos sanitarios, contaminación de suelos, aumento de emisiones atmosféricas que contribuyen a los fenómenos de variabilidad climática. Constituyendo así un tema preocupante para la población y es por ello que a nivel mundial se han buscado múltiples alternativas para la disposición de los residuos sólidos orgánicos como de los lodos de plantas de tratamiento de aguas residuales; en el marco del proyecto se encontraron variedad de artículos, proyectos e investigaciones cuya finalidad es aprovechar este material y reincorporarlo al medio ambiente de la forma más sana posible. Los métodos más comunes para el aprovechamiento de los lodos de PTAR son: el aprovechamiento energético, como fertilizante orgánico y como material de construcción (TORRES CORTÉS, 2017). Algo similar ocurre con los residuos sólidos orgánicos, cuyo uso más común es el compostaje 36 para la elaboración de abonos orgánicos que es el material resultante de la descomposición natural de la materia orgánica por acción de los microorganismos presentes en el medio, los cuales digieren los materiales, transformándolos en otros benéficos que aportan nutrimentos al suelo y, por tanto, a las plantas que crecen en él. Es un proceso controlado y acelerado de descomposición de los residuos, que puede ser aeróbico o anaerobio, dando lugar a un producto estable de alto valor como mejorador del suelo (David Ramos Agüero et al., 2014); La enmienda del suelo degradado con compost mejora en gran medida la calidad fisicoquímica y microbiológica del suelo, promueve la absorción de N y P, reduce el contenido foliar de Fe y Mn en plantas como (alcaparra, pistacho y romero) (A. Sevilla-Perea & Mingorance, 2015) mejora propiedades estructurales, humedad del suelo(Asensio et al., 2013)(Ojeda et al., 2010)(Ana Sevilla-Perea et al., 2014) provoca una disminución de la formación de costras, escorrentía superficial, erosión, aumenta la porosidad del suelo y la conductividad hidráulica (Ramos, 2017)(HARGREAVES et al., 2008) Algunos investigadores informan que el tamaño de las partículas de las enmiendas orgánicas también juega un papel importante en la modificación de las propiedades del suelo (porosidad y retención de agua) (Liang et al., 2016)(Sigua et al., 2014)(Lozanoet al., 2009) por lo que la aplicación de Co- compost puede recomendarse para aumentar la retención de agua de un suelo arenoso (Głąb et al., 2020) Frente a esto se encuentran infinidad de proyectos unos más localizados que otros y que se adaptan a las condiciones particulares del área de estudio. Como es el caso del trabajo “restauración de suelos degradados mediante la aplicación de biosólido producido en la planta de tratamiento de aguas residuales el salitre en Bogotá d. c.” en el que el suelo enmendado presento enriquecimiento de macro y micronutrientes, aumentando su fertilidad y mejorando sus características físicas como textura, color, porosidad sin embargo hubo una disminución del pH del suelo producto del enriquecimiento con materia orgánica, en la cual los procesos de humificación son los principales causantes de esta caída pero queda demostrado el impacto positivo del biosólido sobre la calidad del suelo. (Bermúdez, 2013) 37 Uno de los casos más locales es el uso de un compost como inductor de la sucesión vegetal en un área afectada por minería a cielo abierto en la microcuenca del río la vega, Tunja, Boyacá donde El compost demostró ser una enmienda orgánica efectiva en la inducción de la sucesión vegetal y la recuperación de la vegetación en las áreas disturbadas por actividades extractivas a cielo abierto, ya que en menor tiempo los tratamientos con compost presentaron mejores resultados frente al control. (Acevedo et al., 2015) para suelos muy degradados como los suelos afectados por minería se recomienda la utilización de compost más la adición de un biofertilizante para mejorar en gran manera la calidad del suelo, el estado nutricional de las plantas y el crecimiento de las mismas.(A. Sevilla-Perea & Mingorance, 2015) a nivel internacional se tiene variedad de estudios que tras la aplicación de compost al suelo, las comunidades microbianas son capaces de degradar la materia orgánica por mineralización, lo que ocurre con mayor o menor facilidad, dependiendo del clima local(Vargas-García, M.C., Suárez-Estrella, 2008) es el caso de los suelos agrícolas mediterráneos (Sur de España) en los que el efecto en el suelo de la adición de compost está influenciado por varios factores, incluyendo tipo de suelo y sobre todo la temperatura, que modifican la evolución de los diferentes compuestos orgánicos añadidos. Este hecho permite elegir entre un rápido aumento de nutrientes a través de la mineralización (mayores temperaturas), o una estabilización y preservación del SOC (carbono orgánico del suelo) a través de un proceso de humificación (menor temperatura) , o ambos.(Pérez-Lomas et al., 2010) El abono orgánico usado para la recuperación parcial de la zona piloto será el elaborado en el proyecto previo de MinCiencias y este se realizó a través de la técnica de Co-compostaje la cual consiste en la degradación aerobia de la materia orgánica, pero este debe tener al menos 2 fuentes de materia prima, para este caso serían los lodos de PTAR y los residuos sólidos orgánicos. Como bien es sabido en los procesos de compostaje y elaboración de abonos orgánicos las condiciones ambientales son uno de los factores que más afecta el desarrollo óptimo del mismo y es por ello que como referencias se deben tener en cuenta 38 los casos particulares en los cuales se presenten aspectos símiles de temperatura, humedad, precipitaciones, etc. Como es el caso de la Guía técnica para el aprovechamiento de residuos orgánicos a través de metodologías de compostaje y lombricultura elaborado por la Unidad Administrativa Especial de Servicios Públicos- UAESP de la ciudad de Bogotá en la que se plantean diferentes técnicas de compostaje para el aprovechamiento de residuos sólidos orgánicos en el área rural y urbana de la ciudad; este mismo se plantea uno de los principales desafíos en el ámbito del aprovechamiento de residuos el cual es que “exista voluntad política que dé el soporte para la implementación del esquema de aprovechamiento de residuos orgánicos en la ciudad”. (UAESP, 2014) sin embargo, debido al alto contenido de metales pesados que pueden llegar a tener los lodos del tratamiento de aguas residuales es necesario buscar materiales que, una vez introducidos en la biomasa compostada, aumenten la eficacia de la inmovilización de los metales pesados y los hagan más estables en el suelo tras la aplicación del compost. Uno de estos puede ser el biocarbón (Czekała et al., 2016) que debido a sus propiedades y su área superficial puede inmovilizar los metales y convertir sus formas fácilmente accesibles en formas más estables, reduciendo así su movilidad y biodisponibilidad para las plantas.(Ahmad et al., 2014) Otro de los componentes de este proyecto va dirigido hacia la recuperación de suelos erosionados, la erosión del suelo es la causa de la pérdida de las capas superficiales que contienen reservorios de nutrientes orgánicos y minerales, la pérdida parcial o completa de los horizontes del suelo y la posible exposición del subsuelo limitando el crecimiento, así como de las repercusiones fuera del emplazamiento, como daños a infraestructuras públicas y privadas, la reducción de la calidad del agua y la sedimentación (FAO - Organización de las Naciones Unidas para la Agricultura y la Alimentación, 2017a). En la erosión del suelo se puede hacer diferencia de dos tipos: la erosión natural, cuyos principales factores aportantes son las lluvias, corrientes de agua, el viento, tipo de suelo, la temperatura y pendiente del terreno; y la erosión acelerada o antrópica, la cual es ocasionada por el mal manejo que le da el hombre al suelo.(Agrícola, 2001) Según el IDEAM (Instituto de 39 Hidrología, Meteorología y Estudios Ambientales) en el Departamento de Boyacá, el 73% de los suelos aptos para la agricultura presentan algún grado de erosión lo cual impactará la seguridad alimentaria; el 51% del área de suelos con vocación para sistemas agropecuarios y forestales presentan erosión y afectará la seguridad alimentaria, la economía y la calidad de vida; la erosión afecta el 33% de los suelos con vocación para la conservación de bosques naturales reduciendo la oferta de servicios ecosistémicos; la erosión está afectando 3´453.000 Ha de cuencas abastecedoras de embalses con fines energéticos, agropecuarios y acueductos municipales. (Boyacá, n.d.) Tan solo en estas cifras se ve reflejado que la problemática de erosión de suelos afecta a todo el Departamento, es por ello que se deben tomar medidas y hacer una búsqueda de alternativas que permitan minimizar estos impactos y corregir de alguna forma estos fenómenos, que en el departamento y en especial en el municipio de Tunja se manifiestan de los dos tipos, tanto antrópica por las malas prácticas agrícolas que se tienen en la ciudad, como de forma natural debido a que en este territorio se presentan fuertes vientos, con pendientes elevada y con un tipo de suelo predispuesto a sufrir de erosión. En el Plan de Ordenamiento Territorial del municipio de Tunja (Acuerdo Municipal N°0014 del 2001) se encuentran establecidas 16 zonas de cárcavas, las cuales han ido evolucionando a través del tiempo y en las que se han establecido proyectos de vivienda que se han visto en la penosa obligación de evacuar debido a que se presentan agrietamientos estructurales en las viviendas por el hecho de construir en estas zonas que son inestables e inadecuadas para el desarrollo de proyectos inmobiliarios. (Tiempo, 2010) Al ver reflejado estas problemáticas ambientales, además como un riesgo para la población es inminente el planteamiento de alternativas que posibiliten la recuperación en cierta medida de la estabilidad del suelo. Una de las recomendaciones que hace la FAO (Organización de las Naciones Unidas para la Agricultura y la Alimentación) en el documento “Directrices voluntarias para lagestión sostenible de los suelos” es el incremento del contenido de materia orgánica del suelo la cual garantiza el mantenimiento de las funciones 40 del mismo y previene su degradación. Es por ello que desde este proyecto se plantea una recuperación parcial de determinadas propiedades del suelo a través de la aplicación de enmiendas orgánicas, como lo es el co-compost obtenido en el proyecto previo. Y el establecimiento con plantas de crecimiento rápido que brinden al suelo una cobertura permanente y un mayor soporte. Para esta etapa primero se debe hacer unas pruebas de germinación que permitan determinar la viabilidad de las especies establecidas, la prueba de germinación tiene como finalidad determinar la viabilidad de un lote de semillas, la cual se determina a través del porcentaje de semillas que tienen la capacidad de generar plántulas normales, bajo condiciones óptimas de luz, agua, aire y temperatura.(López et al., 2016) Sin embargo, pese al tiempo corto que se tiene para la ejecución del proyecto lo más viable es la adquisición de plántulas para el ensayo de su viabilidad tanto en el laboratorio como en la zona piloto. 2.4. MARCO NORMATIVO En Colombia, la normatividad que regula y establece parámetros que competen principalmente al Co-compostaje, aprovechamiento de residuos sólidos y lodos de PTAR, se compone de las siguientes: • Resolución 0330 de 2017: reglamento técnico de agua potable y saneamiento básico, La Resolución reglamenta los requisitos técnicos que se deben cumplir en las etapas de diseño construcción, puesta en marcha, operación, mantenimiento y rehabilitación de la infraestructura relacionada con los servicios públicos de acueducto, alcantarillado y aseo. • Decreto 1287 de 2014: por el cual se establecen criterios para el uso de los biosólidos generados en plantas de tratamiento de aguas residuales municipales. En este se establecen los valores máximos permisibles de categorización de biosólidos para su uso, las tasas máximas anuales de aplicación (TMAA) y la tasa acumulativa de aplicación en el suelo, así como también en el Anexo 2 del decreto se establece 41 el procedimiento para determinar la Tasa Anual de Aplicación del biosólido (TAAB)(Ministerio de Vivienda Cuidad y Desarrollo, 2014) • NTC 5167:2011: establece los requisitos que deben cumplir y los ensayos a los cuales deben ser sometidos los productos orgánicos usados como abonos o fertilizantes y como enmiendas o acondicionadores de suelo.(Icontec, 2020) • Acuerdo Municipal N°. 0014 del 2001: por medio del cual se adopta el Plan de Ordenamiento Territorial del Municipio de Tunja. En este documento se especifican y limitan las zonas de carcavamiento en el municipio. Además, orienta el tipo y uso de suelo de la zona piloto de estudio. (Concejo municipal, 2001) • Decreto 2811 de 1974: Por el cual se dicta el Código Nacional de Recursos Naturales Renovables y de Protección al Medio Ambiente. Del artículo 182-186 relacionados con el uso y conservación de suelos. (Colombia, 1974) • Resolución 0170 del 2009: Por la cual se declara en Colombia el año 2009 como año de los suelos y el 17 de junio como Día Nacional de los Suelos y se adoptan medidas para la conservación y protección de los suelos en el territorio nacional.(Territorial, 2009) • Norma E-102 del INVIAS: Descripción e identificación de suelos (procedimiento visual y manual)(INVIAS, 2012) 42 2.5. MARCO GEOGRÁFICO El área objeto de estudio, está ubicada en la Vereda Tras del Alto del Municipio de Tunja. Según el Plan de Ordenamiento Territorial del mismo y el Sistema de Información Geográfica de Tunja TuSIG, esta es una zona corresponde a un tipo de suelo rural y con una amenaza de erosión media. El lote tiene unas dimensiones de 17.7 m por 24.3 m, abarcando así un área total de 430.11 m2. En el Anexo A. Se adjunta el mapa elaborado en ArcGIS de la localización espacial del área objeto de estudio. Figura 3. Área Objeto de Estudio Fuente: Autores 2.6. MARCO TEMPORAL Este proyecto tiene un marco temporal de 6 meses desde que se aprobó la propuesta hasta la entrega del mismo. Los dos primeros meses se tomó para revisión bibliográfica en la cual se fue avanzando en el documento final, para el tercer mes se hizo la primera muestra de suelo para realizar la prueba de germinación correspondiente, la cual tuvo un lapso de 15 días; al cuarto mes se hizo el muestreo inicial del suelo para su respectiva caracterización y análisis, procediendo al quinto mes a la aplicación del bioabono y siembra de especie vegetal 43 y ya en el último mes se hizo el muestreo final del suelo para su respectiva caracterización y análisis. 3. DISEÑO METODOLÓGICO 3.1. FASE DE SUELO A esta fase compete todo lo relacionado con el suelo, desde la selección, caracterización y evaluación de su recuperación parcial con la aplicación del bioabono y el establecimiento de los individuos vegetales. 3.1.1. Selección y limitación de la zona piloto Para la selección de la zona piloto de estudio, se tienen en cuenta los siguientes criterios: • Según el POT del municipio, la zona seleccionada debe pertenecer a una de las zonas de cárcavas: La zona seleccionada es susceptible a una amenaza media de erosión según el POT y el Sistema de Información Geográfica de Tunja TuSIG. Adicionalmente en las visitas hechas en campo se evidencia zonas desprovistas de cobertura vegetal y algunas cárcavas Figura 4. Cárcava contigua al lote objeto de estudio Fuente: Autores 44 • La zona debe ser de fácil acceso: Es posible llegar a la zona a través de una vía terciaria en condición aceptable • Es preferible que con el proyecto se beneficie colateralmente a una población: Con el establecimiento de especies vegetales se beneficia directamente a una familia. • El uso del suelo debe ser compatible con el establecimiento de especies vegetales según el POT del municipio: el área corresponde a suelo rural y no es de protección por lo tanto es permitido el establecimiento de especies vegetales. Teniendo en cuenta estos criterios se seleccionó el área descrita en el marco geográfico, ubicada en la vereda Tras del Alto del municipio de Tunja y su respectiva localización geográfica se encuentra en el Anexo A. 3.1.2. Muestreo del suelo La toma de muestras de suelo se realizó siguiendo las recomendaciones dadas en la Guía de Muestreo del Instituto Geográfico Agustín Codazzi (IGAC)(IGAC, 2013) de la siguiente forma: 1. Delimitación del área de muestreo: ya que el lote objeto de estudio no es mayor a 10 hectáreas y presenta características similares en cuanto al grado de pendiente, grado de erosión y tipo de vegetación, se considera como una unidad de muestreo de aproximadamente 430.11 m2. La unidad de muestreo se delimitó con una estaca de madera en cada esquina. 2. Materiales para el muestreo: para realizar el procedimiento se hizo uso de una pala, una pica (o zapapico), un sacabocado (cavador o hoyadora manual), un balde, bolsas con cierre hermético y guantes de nitrilo para evitar contaminar la muestra. En la siguiente imagen se visualizan algunos de los materiales usados. 45 Figura 5. Materiales para el muestreo Fuente: Autores 3. Para la toma de la muestra se retiró el material vegetal con la pica en un área de 25 x 25 cm aproximadamente, seguidamente con el sacabocado se retira la muestra de suelo a una profundidad de aproximadamente 20 cm y con ayuda de la pala se coloca dentro del balde. 4. Tipo de muestreo: el tipo de muestreo recomendado por la guía es en zig-zag. Por lo que se tomaron 5 muestras a lo largo y ancho del terreno que posteriormente fueron mezcladas en el balde y de esa mezcla se llenaron 2 bolsas con cierre hermético de aproximadamente 1 kg de peso para llevar a los laboratorios del IGAC en Bogotá.Las muestras fueron etiquetadas con la fecha de realización del muestreo, 30 de junio del 2021. 46 Figura 6. Procedimiento del muestreo inicial del suelo Fuente: Autores Para el desarrollo del proyecto es necesario realizar al menos 2 muestreos, el primero previo a la aplicación de bioabono para la caracterización inicial de la zona y el segundo muestreo se realiza después de la aplicación del bioabono para la caracterización final y evaluación de la recuperación parcial del suelo. 3.1.3. Caracterización inicial de la muestra de suelo Esta caracterización se realizó considerando parámetros físicos y químicos con el fin de proporcionar información suficiente para la posterior aplicación del bioabono en tasas adecuadas. Una de las recomendaciones de la FAO es que antes de la aplicación de compost o materia orgánica, se realice un análisis del suelo para tener un control de los 47 nutrientes y ajustar la fertilización en función de las necesidades del suelo y el cultivo. (FAO - Organización de las Naciones Unidas para la Agricultura y la Alimentación, 2015b) Por lo tanto, para la caracterización inicial se envió la muestra de suelo al laboratorio de suelos del IGAC, en donde se le realizaron las determinaciones analíticas Q-01: Caracterización básica (la cual incluye los siguientes indicadores: Capacidad de intercambio catiónico, Bases intercambiables, fósforo disponible, acidez intercambiable, carbono total, textura del suelo, pH) y la recomendación de fertilización. En el Anexo D se presentan los resultados enviados por la respectiva institución. Además de ello, se realiza la determinación de las siguientes propiedades físicas del suelo a través de métodos manuales establecidos por la norma E-102 del INVIAS: • Color • Olor • Condición de humedad • Consistencia • Cementación • Dilatancia • Tenacidad • Plasticidad • Resistencia en seco • Estructura 3.1.4. Muestreo final después de siembra y aplicación de bioabono Una vez sembrado y aplicado el abono en la zona objeto de estudio se hace la recolección de la muestra de suelo 31 días después para los análisis correspondientes del mismo; a continuación, se presenta el procedimiento e imágenes del mismo: 48 1. Área de muestreo: para el muestreo se eligió la zona de las 10 primeras plantas sembradas en el terreno ya que a estas se les aplicó abono en la parte superior e inferior Figura 7. zona de muestreo Fuente: Autores 2. Materiales de muestreo: para realizar el procedimiento se hizo uso de una pala, recipiente de plástico, y bolsas con cierre hermético. Figura 8. Materiales para el muestreo Fuente: autores 49 3. Para la toma de la muestra se retiró el material vegetal con la pala, seguidamente se retira muestra de cada uno de los puntos a una profundidad de aproximadamente 15 cm, se coloca en el recipiente de plástico con ayuda de la pala se mezcla y se procede a empacar 2 muestras de suelo de aproximadamente 500 g en la bolsa hermética. Figura 9. procedimiento de muestreo final del suelo Fuente: autores 3.2. FASE DE BIOABONO 3.2.1. Características del bioabono La caracterización del bioabono debería ser proporcionada de forma completa por el proyecto previo de MinCiencias SGI-2476 “Estrategia para la mitigación de la variabilidad climática en el departamento de Boyacá valorizando un bioabono de residuos sólidos orgánicos y lodos de plantas de tratamiento de aguas residuales municipales” se espera que sea un bioabono categorizado por la norma técnica colombiana NTC 5167 (productos para la industria agrícola. productos orgánicos usados como abonos o fertilizantes y enmiendas o acondicionadores de suelo) específicamente en la sección 4.2.6 Enmiendas o 50 acondicionadores de suelos orgánicos no húmicos sólidos, respecto a requisitos fisicoquímicos, macro contaminantes sección 4.2.8 y los requisitos microbiológicos, sección 4.2.9., con lo cual se garantiza que es viable y seguro su uso en la recuperación, restauración o mejoramiento de suelos degradados. En el Anexo B, se presenta una tabla resumen con la caracterización del bioabono proporcionada. 3.2.2. Determinación de la tasa de aplicación del bioabono La tasa de aplicación del bioabono depende de la cantidad de nutrientes que requiera tanto el suelo como el rendimiento esperado de las especies vegetales que serán plantadas. Según el Manual del Compostaje del Agricultor, para la toma de decisiones a la hora de aplicar compost como fertilizante orgánico, así como para aplicarlo en nutrición integrada con fertilizantes minerales, se debe tener en cuenta: • Necesidades del cultivo en cuanto a fertilización (análisis de suelo y foliares) • Acceso y disponibilidad de ambos fertilizantes localmente • Costes de ambos fertilizantes • Necesidad de materia orgánica del suelo(FAO - Organización de las Naciones Unidas para la Agricultura y la Alimentación, 2015b) En este caso como las plántulas que se desean establecer son ornamentales y de jardinería, la FAO recomienda mezclar de 20%-50% de compost, con tierra y otros materiales como turba y cascarilla de arroz. (FAO - Organización de las Naciones Unidas para la Agricultura y la Alimentación, 2015b) Teniendo en cuenta lo anteriormente mencionado y las recomendaciones realizadas por el personal a cargo de la siembra y acondicionamiento del suelo a cada planta se le agregó aproximadamente 170 g de bioabono, divididos en 2 partes, una en el fondo del agujero antes de instalar la plántula y la otra en la parte superior de la misma. 51 3.2.3. Proceso siembra y aplicación del bioabono en la zona piloto Para el proceso de aplicación de compost al suelo, se tiene en cuenta nuevamente el Manual de Compostaje del Agricultor de la FAO. El compost se puede aplicar semimaduro o ya maduro. El compost semimaduro tiene una elevada actividad biológica y el porcentaje de nutrientes fácilmente asimilables por las plantas es mayor que en el compost maduro. Por otro lado, al tener un pH no estable aún (tendiendo a la acidez), puede afectar negativamente a la germinación, por lo que este compost no se usa para germinar semillas, ni en plantas delicadas. (FAO - Organización de las Naciones Unidas para la Agricultura y la Alimentación, 2015b) Para el proceso de siembra se hace uso del hidroretenedor ya que estos retienen grandes cantidades de agua y nutrientes al incorporarse al suelo, ayudando en el desarrollo de la planta, por su estructura permite que cada granulo se expanda hasta 300 veces su peso en agua esto quiere decir que un gramo de hidroretenedor almacena 300 ml de agua(Laguna Martínez & Jarquín Olivas, 2017) (Guzmán & Gómez, 2017); además de esto permitan incrementar la capacidad de retención de agua del suelo, aprovechar mejor el agua de lluvia o riego, disminuir las pérdidas por filtración, contribuye a mejorar la eficiencia en el manejo del agua, minimizar los costos y proteger los ecosistemas(Rojas et al., 2004). A continuación, se presenta un diagrama de flujo en el cual se describe el proceso de siembra de las plántulas en la zona piloto: 52 Para fines prácticos solo se le realiza seguimiento de una sección del cultivo que corresponde a 10 plantas de Eugenia a la que se les aplicó el bioabono, así mismo de este sector se toma la muestra de suelo para su respectiva caracterización final. 1. Se excavan hoyos por el perímetro del terreno con las siguientes características •40 cm de profundidad •20 cm de diámetro •Equidistancia de 40 cm entre hoyos 2. Preparación del hidroretenedor •Para toda la plantación se hizo uso de aproximadamente 30g de hidroretenedor activado, el cual fue diluido en agua •Posteriormente se aplicó una cantidad considerable en el fondo de cada hoyo 3. Adición de bioabono •Sobre el hidroretenedor se aplica aproximadamente
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