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UNIVERSIDAD DE JAÉN Facultad de Ciencias Experimentales
Trabajo Fin de Grado
Trabajo Fin de GradoLa estruvita como fuente de fósforo reciclado; Efectos
sobre el desarrollo del girasol (Helianthus Annuus) y guisante (Pisum Sativum)
Alumna: Ana Belén Quesada Miranda
Julio, 2017
Universidad de Jaén
Facultad de Ciencias Experimentales
Grado en Ciencias Ambientales
LA ESTRUVITA COMO
FUENTE DE FÓSFORO
RECICLADO; EFECTOS
SOBRE EL DESARROLLO
DEL GIRASOL (HELIANTHUS
ANNUUS) Y GUISANTE
(PISUM SATIVUM)
Alumna: Ana Belén Quesada Miranda
Jaén, 13 de julio de 2017
ÍNDICE
1. RESUMEN……………………………………………………………............ 1
2. INTRODUCCIÓN……………………………………………………............ 3
2.1. La importancia del fósforo en las plantas…………………………… 3
2.1.1. ¿Para qué utilizan las plantas el fósforo?............................. 3
2.1.2. ¿Qué implica un déficit o superávit de fósforo?.................... 4
2.2. Las reservas de fósforo se están acabando…………………………. 5
2.2.1. ¿Cómo se ha ido utilizando el fósforo?................................. 5
2.2.2. ¿Dónde se encuentran las principales reservas de fósforo y
cuándo se acabarán las reservas?.................................................... 7
2.3. El uso de la estruvita como una de las muchas alternativas………. 8
3. OBJETIVOS…………………………………………………………………. 9
4. MATERIAL Y MÉTODOS………………………………………………….. 10
4.1. Diseño experimental……………………………………………………. 10
4.1.1. Fuentes de variación…………………………………………....... 10
4.1.1.1. Tipos de fuentes de fósforo……………………………...... 10
4.1.1.2. Cantidad de fósforo…………………………………………. 11
4.1.1.3. Tipo de plantas………………………………………………. 12
4.1.2. Replicación y número de unidades experimentales………….. 13
4.1.3. Variables dependientes…………………………………………. 13
4.2. Procedimiento…………………………………………………………… 13
4.2.1. Pretratamiento de las semillas…………………………………… 14
4.2.2. Plantación………………………………………………………….. 14
4.2.3. Medio de cultivo…………………………………………………… 14
4.2.4. Condiciones de experimentación …………………………….... 15
4.2.5. Medida de biomasa …………………………………………….. 18
4.3. Análisis estadístico…………………………………………………… 20
5. RESULTADOS…………………………………………………………….. 21
5.1. Efecto del tipo de fósforo y concentración de fósforo en la producción
de biomasa aérea y radicular del girasol……………………......................... 21
5.2. Efecto del tipo de fósforo y concentración de fósforo en la producción
de biomasa aérea y radicular del guisante…………………………………… 26
6. DISCUSIÓN………………………………………………………………… 30
7. CONCLUSIONES……………………………………………………......... 33
8. BIBLIOGRAFÍA…………………………………………………………...... 34
1
1. RESUMEN
El fósforo (P) es un macroelemento esencial para el adecuado
desarrollo de las plantas, necesario tanto en funciones energéticas como
estructurales y por eso es uno de los principales elementos que se añaden a
los cultivos. Es un recurso finito y, debido al incremento de la población y la
continua demanda de alimentos, las fuentes de roca fosfatada se están
agotando.
La necesidad de evitar esta situación plantea estrategias de gestión
de las reservas de P, encaminadas a un uso eficiente, reduciendo las
pérdidas y residuos generados y potenciando el reciclado de fósforo.
El uso de la estruvita, precipitado que se puede formar a partir de las
aguas residuales y que contiene una concentración de P elevada, además
de nitrógeno y magnesio, es una de las estrategias para reciclar el fósforo.
En este estudio se pretende evaluar los efectos de concentraciones
crecientes de fósforo reciclado en forma de estruvita sobre la producción de
biomasa aérea y radicular de plantas modelo de rápido desarrollo (girasol y
guisante), en comparación el superfosfato; la fuente más común de fósforo
en agricultura.
Los resultados obtenidos demuestran que la estruvita tiene un
comportamiento similar al superfosfato. Y, por tanto, la estruvita es una
alternativa más sostenible al uso de fertilizantes fosfatados convencionales.
La biomasa aérea no se vio influenciada con las distintas formas de
fósforo aplicadas. Sin embargo, la biomasa total de ambas especies
disminuyó significativamente a partir de dosis media, especialmente por el
descenso de la biomasa radicular. Este efecto es, posiblemente, causado
por la elevada disponibilidad de fósforo, que hace que las plantas no
precisen de una alta biomasa radicular.
2
ABSTRACT
Phosphorus (P) is an essential macro-element for plants
development, especially for adequate energetic and structural functions.
Therefore, it is not surprising that P is one of the main elements which is added
to crops. P is a finite resource and due to the increasing population and the
subsequent increase in P demand, main sources of mineral P are running out.
It is not surprising, therefore that strategies for an optimal P
management, based on an efficient use and P recycling are emerging. The use
of struvite, a mineral precipitate that can be recovered from wastewater
containing very high P concentration, in addition to medium levels of nitrogen
and magnesium, is one of the strategies to recycle phosphorus.
This study aims to evaluate the effects of increasing concentrations of
recycled phosphorus in the form of struvite on the aerial and root biomass
production of rapidly developing model plants (sunflower and pea), compared to
superphosphate; the most common source of phosphorus in agriculture.
The results obtained demonstrate that plants treated with struvite have
a similar behavior than superphosphate, and therefore struvite is an adequate
and sustainable and recycled source of P which can be an alternative to
superphosphate. Aerial biomass did not show significant differences due to the
two sources of P and due to increasing P concentrations, however, the total
biomass of both species decreased, due to a significant decrease in root
biomass for the two plant types, especially from middle doses. This effect is
likely due to the high availability of phosphorus, which prevent the need to
produce root biomass to increase the volume exploration of the radicular
systems.
3
2. INTRODUCCIÓN
2.1. La importancia del fósforo en las plantas
El fósforo (P) está considerado junto con el nitrógeno y el potasio
uno de los principales macronutrientes que limitan el crecimiento de las
plantas. Sus funciones no pueden ser ejecutadas por ningún otro nutriente y
se requiere un adecuado suministro de fósforo para que el crecimiento de la
planta y su reproducción se realicen de forma óptima.
El fósforo se clasifica como un nutriente primario, razón por la cual
es comúnmente deficiente en la producción agrícola y los cultivos lo
requieren en cantidades relativamente grandes. La concentración de P en la
parte aérea de muchos cultivos varía de 0.1 a 0.5 % (Múnera Vélez, G. A.
(2014). A modo de ejemplo que muestra las necesidades de este nutriente,
en la tabla 1 se muestran las cantidades de P que se extraen de los
principales cultivos para valores de cosecha normales.
Absorción total (kg/ton) Extracción en grano (kg/ton)
Cultivo N P K Ca Mg S
N P K Ca Mg S
Trigo 30 5 19 3 4 5
21 4 4 0,4 3 2
Maíz 22 4 19 3 3 4
15 3 4 0,2 2 1
Arroz 22 4 26 3 2 1
15 3 3 0,1 1 0,6
Cebada 26 4 20 - 3 4
15 3 5 - 1 2
Sorgo granífero 30 4 21 - 5 4
20 4 4 0,9 1 2
Centeno 26 4 18 - - -
15 3 5 - - -
Avena 34 5 20 - 6 6 20 3 3 - 1 1,8
Tabla 1. Extracciones típicas de P para los principales cultivos. Datos tomados
de Murrell (2005).
2.1.1. ¿Para qué utilizan las plantas el P?
El P juega un papel vital en todos los procesos que requieren
transferencia de energía en la planta (Ruttenberg, 2003). Los fosfatos de
alta energía, que son parte de la estructura química de la adenosina
difosfato (ADP) y de la ATP, son la fuente de energía que empuja una
multitud de reacciones químicas dentro de la planta. La transferencia de los
4
fosfatos de alta energía del ADP y ATP a otras moléculas (proceso
denominado fosforilación), desencadena una gran cantidad de procesos
esenciales para la planta.
La fotosíntesis es otro de los procesos dependientes del P (Reichet
al., 1988). En la fase lumínica, se utiliza la energía de la luz para sintetizar
ATP y NADPH, y en la fase fijadora de carbono, se utilizan los productos de
la primera etapa para la producción de azúcares.
También tiene un papel estructural como enlace fosfodiéster
presente en los ácidos nucleicos y en los fosfolípidos. Tiene una función
metabólica, en la regulación de la síntesis y transporte de hidratos de
carbono.
El P es tomado por las plantas a través del sistema radicular. Es
absorbido por la planta principalmente como ion ortofosfato (H2PO4-), pero
también puede ser tomado como ion fosfato (HPO42-), según el pH del
medio. Un factor que facilita la absorción es la presencia de micorrizas
asociadas a las raíces.
Una vez dentro de la raíz, el P puede quedarse almacenado en esta
área o puede ser transportado a las partes superiores de la planta para ser
incorporado a compuestos orgánicos como ácidos nucleicos (ADN y ARN),
fosfoproteínas, fosfolípidos, enzimas y compuestos fosfatados ricos en
energía.
2.1.2. ¿Qué implica un déficit o un superávit de P?
El efecto más acentuado de la falta de P en la planta es la reducción
en el crecimiento y número de hojas (Chapin y McNaughton,1989).
Generalmente, el desarrollo de la parte aérea se ve más afectado que el de
la parte radicular. Sin embargo, hay indicios claros de que el crecimiento de
la raíz también puede verse reducido ante una deficiencia de P, lo que
puede conllevar un menor volumen de exploración de suelo y déficit en
agua u otros nutrientes.
Una cantidad de P inadecuada deprime los procesos de utilización
de carbohidratos, produciendo una acumulación de los mismos y la
aparición de un color verde intenso en las hojas (Cabezas y Sánchez,
2008). Los problemas foliares aparecen, frecuentemente, en las hojas
5
inferiores, es decir, las de mayor edad. Otros efectos de deficiencia incluyen
el retraso de la madurez, enrojecimiento, así como una reducción de la
resistencia de las plantas a las enfermedades.
Los principales síntomas que experimenta la planta en caso de
concentraciones en exceso de P, son interferencia de la asimilación de
otros nutrientes como el zinc y gran desarrollo de las raíces en relación al
desarrollo foliar (Cabezas y Sánchez, 2008).
Teniendo en cuenta la disminución en el crecimiento y desarrollo de
las plantas bajo déficit de fósforo, se puede inferir que, en los sistemas
agrícolas, el P es una parte del paquete de fertilización para que las
producciones no estén mermadas o limitadas por el mismo.
2.2. Las reservas de fósforo se están acabando
2.2.1. ¿Cómo se ha ido utilizando el P?
La disponibilidad de fósforo (P) presente en la corteza terrestre
oscila entre 5-10x108 Mty su movilización ocurre principalmente por
procesos de meteorización de la roca y lixiviación (Kataki et al., 2016). Sin
embargo, el acelerado crecimiento de la población humana (se prevé un
aumento de 9.600 millones de personas para el año 2050) y la continua y
creciente demanda de alimentos, han causado una intensificación de la
agricultura y, por ende, un aumento en la demanda de fósforo (figura 1) y la
sobreexplotación de las reservas de P en los últimos 50 años. Durante
estos últimos 50 años se ha acentuado el consumo de fósforo (figura 2) y a
nivel mundial el consumo de fertilizantes fosfatados ha sufrido un
incremento que triplica la cantidad original. El consumo en 1960 estaba
alrededor de las 5 millones de toneladas de P, sin embargo en 2008 el
consumo es aproximadamente 16 millones de toneladas de P. Por otra
parte, se estima que el 90 % de P procedente de la roca en forma de
fosfato se destina a la agricultura como fertilizante (Kataki et al., 2016).
6
Figura 1. Consumo de fósforo en el planeta durante el periodo 1900 –
2009, principalmente para la agricultura. Figura tomada de Buckingham y
Jasinski (2006).
Figura 2. Consumo mundial de fertilizantes fosfatados durante los últimos
50 años en las áreas desarrolladas y en desarrollo. Figura tomada de
IFADATA.
Tras años de cultivo intensivo, los niveles de fósforo en el suelo se
reducen considerablemente y, por tanto, se busca la reposición del mismo.
Esto hace que la mayoría de las explotaciones agrícolas dependan de
fertilizantes derivados de minerales inorgánicos que enriquecen sobre todo
los suelos más pobres. Se ha convertido en una práctica común y cada vez
7
más importante, ya que se quiere mantener el actual sistema de producción
de alimentos pero la demanda es cada vez mayor debido al incremento de
la población.
2.2.2. ¿Dónde se encuentran las principales reservas de P y cuándo se
acabarán?
Las reservas de fósforo son escasas y están muy concentradas
geográficamente, por lo que unos pocos países tienen el control (figura 3).
Las reservas estimadas se localizan principalmente en Marruecos y Sáhara
Occidental y en menor medida en países como China, EEUU y Jordania.
Figura 3. Países con las principales reservas mundiales de fósforo. Figura
tomada de Van Kauwenburgh (2010).
El fósforo es un recurso finito y se estima que con los niveles de
consumo actuales las reservas se agoten en el año 2030. Huijun et al.
(2016) estimaron recientemente que el 70% de la producción mundial de P
de fuentes de reserva naturales se agotarán dentro de 100 años. Aunque,
otros estudios indican que las reservas de roca fosfórica llegarán a agotarse
entre 50-225 años (Wang et al., 2016). En cualquier caso, el agotamiento de
las reservas naturales de ese elemento considerado como no renovable a
escala humana, supone un riesgo en la sostenibilidad de la productividad
agroalimentaria y en la seguridad alimentaria, ya que el P es considerado
como un macroelemento esencial y limitante para el crecimiento de las
8
plantas. Además, es notorio que conforme mayor es el agotamiento de las
reservas de P, más costoso es su extracción. Este hecho se ha reflejado en
algunos estudios de Heffer et al. (2016) que indican que los precios de
producción de P se dispararán a partir del 2020.
La necesidad de evitar este futuro demoledor ha hecho que varias
entidades tanto gubernamentales como no gubernamentales estén
empezando a establecer una buena gestión de las reservas de P
encaminadas al uso eficiente y eficaz de P, reduciendo los residuos y
pérdidas generados a lo largo del ciclo de vida, potenciando el reciclado del
P (Metson et al., 2016).
2.3. El uso de la estruvita como una de las muchas alternativas
Como ya se ha mencionado, el fósforo no es un recurso renovable a
escala humana y durante el último siglo se ha verificado un aumento en la
demanda del mismo. Por ello no es de extrañar que distintos organismos
nacionales e internacionales hayan empezado a desarrollar estrategias
para aumentar la cantidad de P reciclado.
La estruvita es una de esas fuentes de fósforo. La estruvita o MAP
(Fosfato de magnesio y amonio hexahidratado-MgNH4PO4∙6H2O) es un
compuesto que se encuentra de forma natural en sistemas geoquímicos y
biológicos. La estruvita se suele encontrar como piedras en el riñón, y en
conservas de pescado y marisco (langosta, cangrejo, atún, -inofensivo para
la salud-). A nivel industrial se puede originar en las plantas de tratamiento
de aguas residuales industriales y urbanas, así como, en residuos
orgánicos de diverso origen (Barak & Stafford, 2006).
Actualmente la estruvita es considerada como una fuente alternativa
de sustitución de fertilizantes químicos basados en el fósforo. No obstante,
se ha encontrado que la estruvita presente en soluciones alcalinas (pH 8-
11) tiende a actuar como adsorbente mostrando cierto uso para remover
contaminantes presentes en aguas residuales alcalinas (Rouff et al., 2016).
9
Con la recuperación de P en forma de estruvita, por ejemplo a partir
de las aguas residuales, nos podemos acercar a un consumo circular de P,
es decir, reutilizamos el P que se ha consumido sin explotar ni importar P
de las reservas de forma masiva.
Figura 4. Ciclo de vida del fósforo con el reciclaje de la estruvita.
A pesar de que actualmente hay varias empresas que están
obteniendo y comercializando estruvita, no se disponen de estudios
suficientes que evalúen cual es el efecto de esta nueva fuente de fósforo
reciclada sobre el crecimiento de la planta, al menos en comparación con
otras fuentes de fósforo que actualmente se están utilizando, como es el
caso del superfosfato.
3. OBJETIVOS
El objetivo principal de este estudio fue evaluar el efecto que tiene
concentraciones crecientes de fósforo reciclado en forma de estruvita sobre
la producción de biomasa aérea y radicular de plantas modelo (girasol y
guisante) de rápido crecimiento, en comparación el superfosfato; la fuente
más común de fósforo en agricultura.
10
4. MATERIAL Y MÉTODOS
4.1. Diseño experimental
4.1.1. Fuentes de variación
4.1.1.1. Tipo de fuente de fósforo
Esta fuente de variación tiene dos niveles: fósforo en forma de
estruvita y fósforo en forma de superfosfato. Con esta fuente de variación se
pretende establecer si hay diferencias en el crecimiento de plantas modelo
de rápido crecimiento debido a la fuente de fósforo. Se utilizó el
superfosfato, principal fuente de fósforo en la agricultura, para contrastar los
resultados obtenidos con la estruvita. Las tablas 2 y 3 recogen las
principales características de interés de la estruvita y del superfosfato
empleados. Las figuras 5 y 6 muestran el aspecto de las fuentes de fósforo
empleadas.
Tabla 2. Contenido en nitrógeno, fósforo y magnesio de la estruvita
(Struvite Crystal Green®).
Tipo de nutriente Contenido (%)
Nitrógeno total (Nitrógeno amoniacal) 5
Fosfato total/Fosfato disponible (P2O5) 28
Magnesio (Mg) 10
Tabla 3. Contenido de fósforo y azufre en el superfosfato simple en función
de la solubilidad.
Nutriente (P) Contenido (%)
Fosfato soluble en citrato amónico neutro (P2O5) 18
Fosfato soluble en agua (P2O5) 12
Trióxido de azufre (SO3) 28
11
Figura 6. Fuentes de fósforo empleadas.
4.1.1.2. Cantidad de fósforo
Con esta fuente de variación se pretende evaluar el patrón de
incremento (o decremento) en la biomasa de las plantas modelo de rápido
crecimiento a concentraciones crecientes de fósforo. Los niveles de esta
fuente de variación fueron cinco: sin fósforo, dosis baja, media, alta y muy
alta de fósforo que correspondieron a las cantidades de estruvita y
superfosfato que se recogen en la tabla 4.
Figura 5. Fuentes de fósforo utilizadas en formato comercial.
12
Tabla 4. Dosis y cantidades de fósforo empleadas en el experimento.
También se recogen las cantidades de estruvita y superfosfato necesarias
para alcanzar esas concentraciones de fósforo.
Dosis
Cantidad de
fósforo
(mg P maceta-1)
Cantidad de
estruvita
(mg ST maceta-1)
Cantidad de
superfosfato
(mg SP maceta-1)
Cero (0) 0 0 0
Baja (B) 20 163,8 254,1
Media (M) 50 409,5 635,3
Alta (A) 150 1228,5 1906,0
Muy alta (MA) 500 4095 6353,2
4.1.1.3. Tipos de plantas
Los ensayos se realizaron en dos tipos de plantas fisiológicamente
muy distintas y con un crecimiento relativamente elevado para obtener
resultados a corto plazo. Esta fuente de variación tiene dos niveles que
corresponden con Helianthus annuus (girasol) y Pisum sativum L.
(guisante). Las semillas de estas dos especies fueron adquiridas en una
tienda especializada de venta de semillas.
Con las diferencias fisiológicas entre las dos especies se pretende
evaluar la robustez en la respuesta del crecimiento para las diferentes
fuentes de variación como son el tipo y la cantidad de fósforo.
Helianthus annuus, o como se denomina comúnmente el girasol, es
una planta herbácea anual de la familia de las asteráceas. Es una planta
poco exigente en relación al tipo de suelo dónde se desarrolla, aunque
muestra cierta preferencia por los suelos arcillo-arenosos y ricos en materia
orgánica. Es esencial para el óptimo crecimiento de la planta que el suelo
tenga un buen drenaje y la capa freática se encuentre a poca profundidad.
La germinación de las semillas de girasol depende de la temperatura y de la
humedad del suelo.
El guisante, o Pisum sativum es una planta herbácea de la familia de
las leguminosas (Fabaceae). Requiere una tierra suelta y ligera. No es muy
exigente respecto a la riqueza orgánica del suelo. Esta planta no tolera
13
suelos muy ácidos y se ha de vigilar el pH para tratar que no sea inferior a
6,5. Necesita una exposición soleada y riegos frecuentes. Como todas las
leguminosas, además de ser una buena fuente de proteínas, minerales y
fibras es beneficiosa para la tierra, ya que fija el nitrógeno en el suelo
debido a bacterias del género Rhizobium que proliferan en los nódulos de
las raíces y producen nitratos. Es relativamente exigente en fósforo.
4.1.2. Replicación y número de unidades experimentales
Se utilizaron tres replicas para cada combinación de niveles de las
fuentes de variación seleccionadas previamente.
Por tanto, el número de unidades experimentales fue de 60: 2
niveles para la fuente de variación tipo de fuente de fósforo x 5 niveles de la
fuente de variación cantidad de fósforo x 2 niveles de la fuente de variación
tipo de planta x 3 réplicas = 60
4.1.3. Variables dependientes
Al final del periodo de incubación, se midió la biomasa seca tanto del
sistema radicular como de la parte aérea. A su vez se midió la relación
biomasa aérea/radicular, así como la biomasa total.
4.2. Procedimiento
La unidad experimental básica consistió en macetas de
aproximadamente 10 cm de alto y 12 cm de diámetro. Cada maceta fue
rellenada con 40 gramos de vermiculita seca libre de nutrientes. La
vermiculita es un sustrato químicamente estable e inerte. La mitad de las 60
macetas acogió a las semillas de guisante y la otra mitad a las de girasol.
Las 30 macetas de cada especie de planta, recibió, por triplicado, la
combinación de cada uno de los niveles de la fuente de variación de tipo de
fuente de fósforo (o estruvita o superfosfato) y de la concentración de
fósforo (0, considerado como el control, 20, 50, 150 y 500 mg P maceta-1).
Una vez adicionado el fósforo se mezcló con la vermiculita para
conseguir una distribución homogénea en el conjunto de la maceta.
14
Las macetas se etiquetaron adecuadamente y las unidades
experimentales se distribuyeron aleatoriamente en una cámara de
incubación.
4.2.1. Pretratamiento de las semillas.
Previo a la introducción de las semillas en las macetas, las semillas
de girasol se colocarán en capas de papel de filtro humedecido con agua
destilada dentro de un paquete de papel de aluminio. Estos paquetes se
mantendrán en la estufa con una temperatura de 25º durante dos días.
Las semillas de guisante se introducirán en agua un día antes de su
plantación.
4.2.2. Plantación
Se añadieron 10 semillas de girasol y 10 semillas de guisante en las
macetas correspondientes. Estas fueron enterradas en la vermiculita con
unas pinzas, intentando mantener una distancia similar entre ellas.
Posteriormente, se añadió más vermiculita (4g maceta-1) para cubrir las
semillas.
4.2.3. Medio de cultivo
Se utilizó una solución nutritiva, totalmente libre de fósforo, como
fuente de agua y otros nutrientes esenciales para que el crecimiento no
estuviera limitado ni por agua ni por otros nutrientes distintos al fósforo
aportado.
La solución nutritiva aportada fue la solución de Hoagland al 50%, la
cual no incluye las soluciones de macronutrientes como KCl, NaH2PO4,
2H2O ni CaCl2·2H2O.
Se preparó solución en un matraz Erlenmeyer de 5L en el que se
añaden:
KNO3 75 mL
(CaNO3)2 ·4 H2O 50 mL
MgSO4· 7H2O 125 mL
Micronutrientes 50 mL
Solución madre de NH4+ 375mL
15
Solución de hierro (Secuestrene) 50 mL
Se ajustó el pH de la solución 6,5±0,1 y se enrasó con agua
destilada hasta completar los 25 litros. La solución nutritiva se almacenó en
una garrafa opaca para evitar la radiación solar.
Una vez preparada la solución, se añadieron 100 ml a cada maceta
comenzando el día en que se añadieron las semillas a las macetas. Se
añadieron 100 ml de esta solución nutritiva libre de fósforo cada 3 días
aproximadamente hasta la finalización de la incubación.
4.2.4. Condiciones de experimentación
El cultivo de las plantas tuvo lugar en una cámara de incubación. Las
condiciones ambientales termo higrométricas fueron constantes durante el
periodo de incubación. El ensayo se llevó a cabo bajo un fotoperiodo de 12
horas de luz y 12 de oscuridad. La fase luminosa se realizó desde las 9:00h
hasta las 21:00h. La temperatura de la cámara fue de 26 grados
centígrados con un margen de dos grados de variación. En el caso de la
humedad relativa de la cámara, se establece un porcentaje de 52%
pudiendo variar el mismo en función del número de especies presentes. Las
figuras 7-13 muestran el aspecto de la evolución durante el periodo de
incubación.
El ensayo de incubación de las plantas tuvo una duración de 22
días. El tiempo fue suficiente para que el crecimiento fuese significativo ya
que son especies de rápido crecimiento.
16
Figura 7. Aspecto de plantas en la cámara 5 días después del inicio de la
incubación. Guisante a la izquierda y girasol a la derecha.
Figura 8. Aspecto de plantas en la cámara 12 días después del inicio de la
incubación. Guisante a la izquierda y girasol a la derecha.
17
Figura 9. Ejemplares de guisante con estruvita en orden de concentración
decreciente de P. Día 15. Dosis muy alta (24), dosis alta (18), dosis media
(11), dosis baja (4) y blanco (52).
Figura 10. Ejemplares de guisante con superfosfato en orden de
concentración decreciente de P. Día 15. Dosis muy alta (47), dosis alta
(41), dosis media (36), dosis baja (30) y el blanco (52).
Figura 11. Ejemplares de girasol con superfosfato en orden de concentración
de P decreciente. Día 15. Dosis muy alta (43), dosis alta (37), dosis media
(32), dosis baja (26) y el blanco (51).
18
Figura 12. Ejemplares de girasol con estruvita en concentración de P
decreciente. Día 15. Dosis muy alta (19), dosis alta (13), dosis media (7),
dosis baja (1) y el blanco (51).
Figura 13. Aspecto de plantas en la cámara en el momento de la extracción,
22 días después del inicio de la incubación. Guisante a la izquierda y girasol
a la derecha.
4.2.5. Medida de la biomasa
Al finalizar el periodo de incubación, se procedió al desplante de las
macetas. La planta fue extraída del sustrato procurando despegar los
granos de vermiculita que han quedado adheridos a la parte radicular. Para
facilitar el trabajo, las plantas cosechadas se agitaron dentro de una
bandeja con agua destilada, recuperando del agua aquellas pequeñas
19
porciones de biomasa (especialmente raíces finas) que se pudieron haber
despegado durante el desplante.
La biomasa extraída se colocó unos minutos en papel de filtro para
eliminar el exceso de agua como se puede ver en las figuras 14 y15.
Figura 14. Aspecto de las plantas de guisante con superfosfato tras ser
cosechado de la maceta.
Figura 15. Aspecto de las plantas de girasol con estruvita tras ser
cosechado de la maceta.
20
A continuación, las plantas se colocaron en bandejas de aluminio
previamente numeradas y se introdujeron en la estufa el tiempo suficiente
(durante 25 días a 35 oC) para que perdiesen toda el agua y obtener así la
biomasa seca.
Una vez secas las plantas, las bandejas se extrajeron de la estufa y
se procedió a la separación de la biomasa aérea de la biomasa radicular. La
parte aérea se compone de hojas y tallos y la parte radicular se compone de
las raíces. Es en estas últimas donde podemos encontrar restos de
vermiculita, aun así su peso fue despreciable. Una vez separada la parte
aérea de la radicular, la biomasa seca se colocó en vasos de plástico
previamente tarados en la balanza de precisión (en algunos casos será
necesario cortar en varios tramos la parte aérea debido al volumen de sus
hojas) y se determinó el peso tanto de la biomasa aérea como de la
radicular.
4.3. Análisis estadístico
Los efectos de la fuente de fósforo (estruvita versus superfosfato) y
de la concentración de fósforo sobre la biomasa aérea, radicular y total, y la
relación biomasa aérea/biomasa radicular se evaluó a través de un ANOVA
de una vía y comparación a posteriori de Fisher. En algunos casos, para
establecer las diferencias entre la estruvita y el superfosfato para el
conjunto de concentraciones se utilizó un ANOVA de medidas repetidas.
Se utilizó un = 0.05 para establecer la existencia de diferencias
significativas.
21
5. RESULTADOS
5.1. Efecto del tipo de fósforo y concentración de fósforo en la
producción de biomasa aérea y radicular del girasol
La figura 16 muestra la biomasa aérea cosechada de girasol en
macetas con distinto tipo de fósforo (estruvita y superfosfato) a distintas
concentraciones (desde cero hasta 500 mg P por maceta).
Figura 14. Biomasa aérea del girasol (mg maceta-1) en función de la cantidad
de P añadido en forma de estruvita o superfosfato.
En general, no hubo diferencias significativas (ANOVA de medidas
repetidas; P> 0.05) en la biomasa aérea cosechada entre las dos formas de
fósforo. Sin embargo, si hubo un efecto significativo de la cantidad de
fósforo sobre la biomasa aérea.
Con la estruvita, concentraciones crecientes de fósforo no hicieron
cambiar la biomasa aérea cosechada del girasol, y no se constataron
diferencias significativas con respecto al control. La biomasa aérea
cosechada osciló entre 1,0 y 1,1 mg maceta-1.
Por otra parte, la cantidad de fósforo añadida en forma de
superfosfato si afectó de forma significativa a la biomasa aérea cosechada.
A baja cantidad de P (25 y 50 mg P maceta-1), la biomasa aérea disminuyó
con respecto al control, sin embargo, fue significativamente mayor que éste
0
0,2
0,4
0,6
0,8
1
1,2
1,4
0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 550
Bio
ma
sa
aé
rea
(m
g m
ace
ta-1
)
Cantidad de P (mg P maceta-1)
Estruvita
Superfosfato
22
conforme se aumentó la concentración de P, especialmente a partir de 150
mg P maceta-1. Para ambas fuentes de fósforo se constató una leve
reducción de la biomasa aérea cosechada a dosis muy altas de P, aunque
ésta no fue significativamente distinta que la registrada a dosis de 150 mg P
maceta-1.
La biomasa radicular cosechada, con respecto a la fuente y cantidad
de P añadida se observa en la figura 17. No hubo diferencias significativas
en la biomasa radicular cosechada debidas a la fuente de fósforo (ANOVA
de medidas repetidas; P> 0.05). Para ambas fuentes de fósforo, hubo una
clara reducción de la biomasa radicular cosechada conforme aumentó la
dosis de fósforo.
Figura 15. Biomasa radicular del girasol (mg maceta-1) en función de la
cantidad de P añadido en forma de estruvita o superfosfato.
En el caso de la estruvita, la biomasa radicular a dosis muy baja de
20 mg P maceta-1 fue similar que aquella cosechada en el tratamiento
control y a partir de esa concentración hubo un descenso de la biomasa
radicular, que fue algo mayor del 100 % a dosis muy altas (500 mg maceta-
1) de fósforo. Para el caso del superfosfato, el descenso fue muy acusado
desde las primeras dosis de P, y al igual que para la estruvita a dosis muy
-0,1
0,1
0,3
0,5
0,7
0,9
1,1
1,3
1,5
0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 550
Bio
ma
sa
ra
dic
ula
r (m
g m
aceta
-1)
Cantidad de P (mg P maceta-1)
Estruvita
Superfosfato
23
altas la biomasa radicular cosechada fue menos de la mitad que la medida
en el tratamiento control sin fósforo.
Los efectos que tuvieron la fuente de fósforo y la cantidad de éste
sobre la biomasa total cosechada del girasol, se muestran en la figura 18.
Figura 16. Peso total de la planta de girasol (mg maceta-1) en función de la
cantidad de P añadido en forma de estruvita o superfosfato.
No hubo diferencias significativas en la biomasa total cosechada
debidas a la fuente de fósforo (ANOVA de medidas repetidas; P> 0.05),
aunque eso dependió de la cantidad de fósforo añadida. Para ambas
fuentes de fósforo, hubo un descenso en la biomasa total cosechada a
cantidades crecientes de fósforo, aunque el patrón de descenso fue distinto
en cada fuente de fósforo. Para el caso de la estruvita, el descenso se dio a
partir de la cantidad muy baja de fósforo (20 mg P-estruvita maceta-1) y a
dosis muy alta, la biomasa total cosechada fue del 62 % con respecto al
control.
Para el caso del superfosfato, se verificó un descenso en la biomasa
total cosechada del girasol a cantidades muy bajas (20 mg P maceta-1). A
dosis muy altas de 500 mg P maceta-1, la biomasa total cosechada fue del
68 % con respecto al tratamiento control sin fósforo.
0
0,2
0,4
0,6
0,8
1
1,2
1,4
1,6
1,8
2
2,2
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0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 550Pe
so to
tal p
lanta
(m
g m
aceta
-1)
Cantidad de P (mg P maceta-1)
Estruvita
Superfosfato
24
En la figura 19 se muestra la relación entre biomasa aérea y
radicular en función de la fuente y cantidad de P añadidas. No hubo
diferencias significativas debidas a la fuente de fósforo en la relación
biomasa aérea/biomasa radicular (ANOVA de medidas repetidas; P> 0.05).
Para ambas fuentes de fósforo hubo un incremento muy significativo de
dicha relación a cantidades crecientes de fósforo, aunque el patrón fue
distinto en función de la fuente de fósforo. Para el caso del superfosfato,
hubo una relación lineal entre la cantidad de P añadida y la relación
biomasa aérea/biomasa radicular y para la dosis más alta esta relación fue
de 3.8 veces superior que el determinado para el tratamiento control. Para
el caso de la estruvita, la relación biomasa aérea/biomasa radicular para la
dosis muy baja fue similar a la del control, pero hubo un ascenso muy
acusado a partir de esta cantidad de fósforo, de forma que para la dosis alta
de 150 mg P maceta-1, la relación fue, en promedio, de 3.1 veces la
determinada para el control. La relación entre ambas biomasas se mantuvo
constante a cantidades de P superiores a 150 mg P-estruvita maceta-1.
Figura 179. Relación entre la biomasa aérea y radicular del girasol en relación
a la cantidad de P añadida en forma de estruvita o superfosfato.
0
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1
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2
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3
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0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 550
Ra
zó
n B
iom
asa
aére
a/ ra
dic
ula
r
Cantidad de P (mg P maceta-1)
Estruvita
Superfosfato
25
Combinado los valores de biomasa obtenidos tras añadir la estruvita
y el superfosfato para la misma cantidad de P, se puede apreciar cómo
cuanto mayor fue la cantidad de fósforo añadida menor fue la biomasa
radicular y la biomasa total, así como la relación biomasa aérea/biomasa
radicular (figura 20).
a
ab
bc
bc
c
0
0,2
0,4
0,6
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NADA BAJA MEDIA ALTA MUY ALTA
Bio
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a
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NADA BAJA MEDIA ALTA MUY ALTA
Bio
ma
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mg
ma
ce
ta-1
)
b
26
Figura 20. Promedio y desviación típica de la biomasa radicular (a), biomasa
total (b) y relación biomasa aérea/biomasa radicular del girasol para dosis
creciente de fósforo. Se han combinado los valores obtenidos con la
estruvita y del superfosfato para la misma dosis de fósforo añadida.
Distintas letras denotan diferencias significativas (ANOVA de una vía y test
de comparación a posteriori de Fisher).
5.2. Efecto del tipo de fósforo y concentración de fósforo en la producción
de biomasa aérea y radicular del guisante
En las figuras 21 y 22 se presenta la biomasa aérea y radicular
cosechadas del guisante para las distintas fuentes y cantidades de fósforo
añadidos. El patrón de biomasa área cosechada fue similar al de biomasa
radicular, para las distintas fuentes y cantidades de fósforo añadidos,
aunque la biomasa aérea cosechada fue, en general, del doble que la
radicular. Aunque no hubo diferencias significativas en la biomasa aérea ni
en la biomasa radicular del guisante (ANOVA de medidas repetidas; P>
0.05) debido al tipo de fuente de P, hubo una tendencia de mayor biomasa
cuándo el fósforo se añadió en forma de estruvita con respecto al
superfosfato, especialmente a partir de la dosis baja (50 mg P maceta-1) de
fósforo.
La cantidad de fósforo tuvo un efecto significativo de reducción de la
biomasa aérea (figura 21) y de la biomasa radicular (figura 22), a partir de
la dosis baja tanto cuándo el fósforo se añadió en forma de estruvita como
a a
a
b
b
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3
3,5
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NADA BAJA MEDIA ALTA MUY ALTA
Bio
masa a
ére
a/
bio
masa r
adic
ula
r c
27
de superfosfato, y para la dosis muy alta (500 mg P maceta-1), la biomasa
aérea cosechada fue, en promedio, un 68 % y un 41 % inferior con
respecto al control sin fósforo para la estruvita y el superfosfato,
respectivamente. Para el caso de la biomasa radicular, el descenso de la
biomasa fue 58 % y 36 % con respecto al control para la estruvita y
superfosfato, respectivamente.
Figura 21. Biomasa aérea del guisante tras la aplicación de distintas
fuentes y cantidades crecientes de P.
Figura 22. Biomasa radicular del guisante tras la aplicación de distintas
fuentes y cantidades crecientes de P.
0
0,2
0,4
0,6
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1
0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 550Bio
ma
sa
aé
rea
(m
g m
ace
ta-1
)
Cantidad de P (mg P maceta-1)
Estruvita
Superfosfato
0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 550
Bio
ma
sa
rad
icula
r (
mg m
ace
ta-1
)
Cantidad de P (mg P maceta-1)
Estruvita
Superfosfato
28
La biomasa total cosechada para el guisante, descendió de forma
significativa a cantidades crecientes de fósforo a partir de la dosis baja (50
mg P maceta-1), tanto si el fósforo fue añadido en forma de estruvita como si
fue añadido en forma de superfosfato (figura 23). Sin embargo, el descenso
fue más acusado cuándo la fuente de fósforo fue el superfosfato. Para la
dosis más alta, la biomasa total cosechada fue 1.5 y 2.5 veces inferior que
el control, para la estruvita y el superfosfato respectivamente.
Figura 23. Peso total de la planta de guisante en relación a la cantidad de P
añadida en forma de estruvita y superfosfato.
0
0,2
0,4
0,6
0,8
1
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1,4
1,6
0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 550
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ma
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tal co
se
ch
ad
a
(mg m
ace
ta-1
)
Cantidad de P (mg P maceta-1)
Estruvita
Superfosfato
29
Aunque hubo oscilaciones en la relación biomasa área/biomasa
radicular cuándo se añadieron las dosis muy bajas o bajas con respecto al
control, no hubo diferencias significativas debido a las cantidades de fósforo
ni al tipo de fuente de fósforo (figura 24).
Figura 24. Relación biomasa aérea/biomasa radicular del guisante según la
cantidad de P añadido en forma de estruvita o superfosfato.
Combinado los valores de biomasa obtenidos tras añadir la estruvita
y el superfosfato para la misma cantidad de P, se puede apreciar como
cuándo mayor fue la cantidad de fósforo añadida menor fue la biomasa
radicular y la biomasa total, para las dosis altas y muy altas (figura 25).
0
0,5
1
1,5
2
2,5
3
3,5
0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 550
Bio
ma
sa
aé
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icula
r
Cantidad de P (mg P maceta-1)
Estruvita
Superfosfato
a
ab ab
ab
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0,8
1
NADA BAJA MEDIA ALTA MUY ALTA
Bio
masa r
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r (m
g m
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-1) a
30
Figura 25. Promedio y desviación típica de la biomasa radicular (a) y biomasa
total (b) del guisante para dosis creciente de fósforo. Se han combinado los
valores obtenidos con la estruvita y del superfosfato para la misma dosis de
fósforo añadida. Distintas letras denotan diferencias significativas (ANOVA
de una vía y test de comparación a posteriori de Fisher).
6. DISCUSIÓN
En general, los efectos de la estruvita sobre la biomasa aérea,
radicular y total, y sobre la relación biomasa aérea/biomasa radicular, fueron
similares a los que tuvo la aplicación del superfosfato, tanto en el girasol como
en el guisante. Y, por tanto, la estruvita, fuente de fósforo reciclada, se
comportó de forma similar al superfosfato, principal fuente de fósforo en la
agricultura a escala global. Este resultado refuerza la idea de que la estruvita,
obtenida a partir de aguas residuales, ofrece una alternativa más sostenible, no
solo porque sea una fuente de fósforo reciclada sino, porque también
disminuye los niveles de fósforo y nitrógeno de los efluentes de las aguas
residuales.
La biomasa aérea, tanto del girasol como del guisante, no sólo no
aumentó, sino que disminuyó ligeramente a cantidades crecientes tanto de
estruvita como de superfosfato, con respecto al control en el que no se adicionó
fósforo. Este resultado contrasta con otros muchos resultados en los que se
muestra un efecto positivo de la disponibilidad de fósforo en el desarrollo de
muchas especies de plantas. Por ejemplo, Plaza et al. (2007) demostraron
a
ab ab
ab b
0
0,2
0,4
0,6
0,8
1
1,2
1,4
NADA BAJA MEDIA ALTA MUY ALTA
Bio
masa tota
l (m
g m
aceta
-1) b
31
recientemente que la estruvita tuvo un efecto significativo positivo sobre el
crecimiento de lechuga, comparable con el obtenido con el superfosfato.
Sin embargo, hay también estudios que muestran cómo
concentraciones crecientes de fósforo no hicieron aumentar la biomasa en
algunas plantas herbáceas. Por ejemplo, Hilt et al. (2016) encontraron
resultados parecidos a los de este estudio. En condiciones de jardín
experimental, encontraron que dosis crecientes (equivalentes a 24.4, 48.8 y
97.6 kg P ha-1) de fosfato amónico y P en forma de estruvita no tuvieron efecto
alguno en el crecimiento de triticale (Triticale sp) y en la avena, especialmente
cuándo el ensayo se efectuó a pH relativamente básico.
Teniendo en cuenta, que la única fuente de variación entre el control
y los distintos tratamientos fue la aplicación de fósforo en forma de superfosfato
o estruvita, la ausencia de un crecimiento significativo debió ocurrir por la
aplicación de estas dos fuentes de fósforo.
Aunque no se han medido los niveles de fósforo disponible en este
estudio, se asume una relación directa entre las cantidades de estruvita y
superfosfato añadidas y la concentración de fósforo soluble ya que en el TFG
de Irene Jiménez García (2016) se puso de manifiesto la elevada solubilidad
del fósforo tanto del superfosfato como de la estruvita en un amplio rango de
concentraciones, ambos una semana después de añadirlo al agua destilada.
El hecho de que la biomasa aérea del girasol y del guisante no
aumentase de forma significativa tras la aplicación de superfosfato como de la
estruvita denota que el fósforo no fue un factor limitante y/o que hubo algún
factor asociado a la estruvita y al superfosfato distinto del fósforo que afectase
al crecimiento de la planta.
La biomasa radicular fue, especialmente, la que más se redujo a
concentraciones creciente tanto de superfosfato como de estruvita y la relación
biomasa aérea/biomasa radicular para ambos tipos de plantas aumentó
ostensiblemente cuánto mayor fue la dosis de fósforo añadida. Las raíces, los
tallos y las hojas son funcionalmente interdependientes y deben mantener un
balance dinámico en sus biomasas que refleja la abundancia relativa de los
recursos en la parte aérea (luz y concentración de CO2, principalmente) en
relación a los recursos en la rizosfera (agua y nutrientes, principalmente)
(Poorter et al., 2012). En este estudio, los recursos de la parte aérea se
32
mantuvieron constantes, al igual que aquellos de la parte radicular con
excepción de la fuente y concentración de fósforo. Se ha descrito, hace ya
décadas, que una elevada concentración de fósforo hace aumentar la relación
biomasa aérea/radicular, tal y como se ha encontrado en este estudio. Por
ejemplo, Davidson (1969) encontró para el trébol blanco (Trifolium repens) que
la relación biomasa aérea/biomasa radicular se multiplicó por 1.5 bajo
condiciones de mucha disponibilidad de fósforo. Un resultado similar también
fue encontrado por Fredeen et al. (1989) para la soja que invirtió 5 veces más
biomasa en la parte aérea que en la radicular cuándo la disponibilidad de
fósforo fue muy elevada.
El P es un elemento limitante, y como consecuencia de baja
disponibilidad de éste, las plantas suelen aumentar el volumen de exploración
de P del suelo a través de un incremento ostensible en la biomasa radicular. Lo
contrario también es cierto. Ante un exceso de P y bajo condiciones óptimas de
luz, temperatura y agua (como es el caso en este estudio), las plantas no
precisan del gasto energético que conlleva la proliferación del sistema
radicular. Sin embargo, a pesar de que el sistema radicular en las plantas de
girasol y guisante a concentraciones medias, altas y muy altas, fue
significativamente inferior a las plantas control sin fósforo, la biomasa aérea fue
similar, lo que sin duda denota menor gasto energético en las plantas
fertilizadas con superfosfato o con estruvita.
Por otra parte, es posible que otros factores hayan determinado
menor biomasa radicular y ausencia de diferencias significativas en la biomasa
aérea con respecto al control no tratado. Es posible que tras aplicación de la
estruvita o del superfosfato haya habido cambios en el pH que pudieran afectar
al crecimiento. Otra posible hipótesis es que el exceso de fósforo soluble hay
repercutido negativamente en el crecimiento potencial de las plantas al
bloquear la incorporación de otros elementos nutritivos como por ejemplo el
zinc (Cabezas y Sánchez, 2008). Este estudio pone de manifiesto la necesidad
de seguir investigando el posible efecto que tiene la estruvita en estos factores
no controlados en este estudio.
33
7. CONCLUSIONES
1. Los efectos de la estruvita sobre la biomasa aérea, radicular y
total, y sobre la relación biomasa aérea/biomasa radicular, fueron similares a
los que tuvo la aplicación del superfosfato, tanto en el girasol como en el
guisante. Y, por tanto, la estruvita, fuente de fósforo reciclada, se comportó de
forma similar al superfosfato, principal fuente de fósforo en la agricultura a
escala global. Por tanto, se concluye que la estruvita, obtenida a partir de
aguas residuales, ofrece una alternativa más sostenible que el uso de
fertilizantes de fósforo convencionales, como el superfosfato.
2. La biomasa aérea, tanto del girasol como del guisante, a
cantidades creciente tanto de estruvita como de superfosfato, no fue
significativamente superior que el control en el que no se adicionó fósforo, lo
que sugiere que en estos estadios de desarrollo no hubo limitación por fósforo
o hubo otros factores no controlados en el experimento que disminuyeron el
efecto potencialmente positivo del fósforo de la estruvita y superfosfato.
3. La biomasa total tras la aplicación de estruvita y superfosfato
disminuyó significativamente tanto en el girasol como en el guisante, debido a
una manifiesta disminución de la biomasa radicular, especialmente a partir de
la dosis alta.
4. La biomasa radicular disminuyó ostensiblemente en las dos
especies ensayadas tras la aplicación de estruvita y superfosfato, y por tanto
aumentó de forma significativa la relación biomasa aérea/biomasa radicular,
especialmente a dosis medias o altas. El P es un elemento limitante, ante una
elevada disponibilidad de éste, las plantas suelen disminuir el volumen de
exploración de P del suelo a través de un descenso ostensible en la biomasa
radicular. Por tanto, se precisa de menor gasto energético para la misma
biomasa aérea con la aplicación de estruvita y superfosfato.
34
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Fe de erratas
Página Dice Debe decir
21. Gráfico Figura 14 Figura 16
21. Gráfico mg maceta-1 g maceta-1
21. P.3 La biomasa aérea cosechada osciló entre 1,0 y 1,1 mg maceta-1
La biomasa aérea cosechada osciló entre 1,0 y 1,1 g maceta-1
22. Gráfico Figura 15 Figura 17
22. Gráfico mg maceta-1 g maceta-1
23. Gráfico Figura 16 Figura 18
23. Gráfico mg maceta-1 g maceta-1
24. Gráfico Figura 179 Figura 19
25. Gráfico 20.A mg maceta-1 g maceta-1
25. Gráfico 20.B mg maceta-1 g maceta-1
27. Gráfico mg maceta-1 g maceta-1
28. Gráfico mg maceta-1 g maceta-1
29. Gráfico 25.A mg maceta-1 g maceta-1
30. Gráfico 25.B mg maceta-1 g maceta-1