La fertilización combinada Zn-N: una estrategia 'win-win'

Por Mónica Montoya, Marina de Francisco y Patricia Almendros. Departamento de Química y Tecnología de Alimentos, ETSI Agronómica Alimentaria y de Biosistemas. Centro de Estudios e Investigación para la Gestión de Riesgos Agrarios y Medioambientales (CEIGRAM), Universidad Politécnica de Madrid

Es fundamental utilizar estrategias de fertilización win-win, las cuales, además de aumentar el rendimiento y la calidad de los cultivos, supongan una mitigación de las emisiones de gases de efecto invernadero.

Biofortificación en cereales. Importancia de la interacción Zn-N

 El zinc (Zn) es uno de los micronutrientes esenciales tanto para plantas como para animales y desempeña un papel fundamental en la salud humana. Se estima que aproximadamente un tercio de la población humana sufre una ingesta inadecuada de Zn (Alloway, 2009). El déficit del consumo de Zn en las dietas provoca graves problemas clínicos, entre los que se encuentran el retraso del crecimiento, disminución inmunológica y deterioro cognitivo.

Esta deficiencia de Zn en la población está asociada con dietas pobres en dicho micronutriente. La producción de cultivos en suelos pobres en Zn o con bajas concentraciones disponibles para la planta provoca la carencia de Zn en los cultivos (Figura 1). Los cultivos de cereal (trigo, arroz, maíz…) constituyen la base de la nutrición humana y proporcionan el 60% de la ingesta diaria de energía a la población. Sin embargo, hay estudios que indican que aproximadamente el 50% de los suelos utilizados para la producción de cereales en el mundo contienen bajos niveles de Zn disponible para la planta (Cakmak y Kutman, 2018).

Figura 1. Distribución mundial de la deficiencia de Zn. a) Distribución mundial de la deficiencia de Zn en suelo (Alloway (2008)). b) Distribución mundial de la deficiencia de Zn en ser humano (1990 - 2005) (Wessells y Brown (2012)).

Un aumento de la concentración de Zn en la parte comestible de estos cultivos (biofortificación) no solo mejoraría el estado nutricional de Zn en millones de personas, sino también la tolerancia de los cultivos a estreses abióticos (Faran y col. 2019). Además, la aplicación de Zn puede aumentar el rendimiento de los cultivos de cereal hasta en un 48% en comparación con los cultivos que solo reciben fertilizantes de macronutrientes (Singh, 2008).

Aumentar la concentración de Zn en grano es un desafío con implicaciones significativas para la producción de cereales y la calidad nutricional del grano.

En varias regiones de España, tradicionalmente se han aplicado altas dosis de fertilizantes nitrogenados para compensar las carencias de otros nutrientes en los suelos, con el objetivo de lograr altos rendimientos en los cultivos. Sin embargo, existen importantes inconvenientes asociados con el uso excesivo de fertilizantes nitrogenados: el coste económico y el coste ambiental.

Desde un punto de vista agronómico el uso excesivo de nitrógeno (N) no produce un aumento significativo en el rendimiento de los cultivos, cuando la planta recibe los aportes de nutrientes necesarios para su desarrollo. La Ley del mínimo o Ley de Liebig explica que el rendimiento de un cultivo se encuentra determinado por el elemento nutritivo que está presente en menor cantidad, es decir el elemento limitante (Figura 2). La deficiencia en un nutriente no puede ser compensada por un exceso de otro nutriente. Por lo tanto, para la obtención de un rendimiento óptimo es necesario un balance adecuado de nutrientes lo cual se debe tener en cuenta en el momento de la fertilización.

Figura 2. Ley de Liebig: efecto de la deficiencia de un nutriente en el rendimiento del cultivo. Autora: Marina de Francisco.

Además, un uso excesivo de fertilización nitrogenada causa problemas ambientales, normalmente asociados con pérdidas de N al medio natural, a través de lixiviación de N a las aguas subterráneas, escorrentía de aguas superficiales y emisiones de gases de efecto invernadero (GEI) (Spiertz, 2010). Por lo tanto, el uso excesivo de fertilizantes constituye un riesgo ambiental. Según la Comisión Europea, la agricultura es responsable de más del 50% de las descargas totales de N en las aguas superficiales.

La aplicación de N generalmente se basa en los requisitos de N del cultivo, aplicados de acuerdo con la Directiva Europea sobre nitratos (Directiva del Consejo 91/676/CEE) y de conformidad con las directrices de diferentes Comunidades Autónomas que sugieren límites más estrictos en áreas consideradas vulnerables a la contaminación por nitratos (Real Decreto 261/1996, Orden 158/2020 (DOCM), Decreto 27/2020 (BOCAM), Decreto 86/2018 (DOGV), etc.).

En este contexto, la estrategia agronómica de fertilización combinada Zn-N ofrece diferentes ventajas, que se muestran a continuación.

-Biofortificación con Zn

Este efecto no es debido solamente al propio aporte del fertilizante de Zn, sino a un efecto positivo (sinérgico) entre ambos nutrientes. Un efecto sinérgico tiene lugar cuando el efecto producido por el conjunto de dos factores, en este caso nutrientes, es superior a la suma del efecto de los dos factores considerados aisladamente. Mejorar el estado nutricional de N de la planta aumenta la abundancia de proteínas transportadoras y quelantes nitrogenados involucrados en la captación, translocación, movilización y distribución de Zn en el grano en cultivos de cereal (Cakmak y Kutman, 2018).

En un estudio realizado en trigo integral se obtuvieron incrementos en las concentraciones de Zn de más del 50% cuando la dosis de N aumentó de 50 a 400 mg N kg suelo^-1 (Kutman y col., 2011). Sin embargo altas dosis de N en el suelo pueden producir un aumento en el rendimiento de la biomasa, reduciendo así la concentración de Zn en grano, probablemente debido a una "dilución" secundaria de este elemento en la biomasa (Kabata-Pendias y Pendias, 2001; Miner y col., 2018). Por lo tanto, es necesario llevar a cabo una adecuada fertilización combinada Zn-N para garantizar el mejor efecto sinérgico posible entre ambos nutrientes y alcanzar tanto altos rendimientos en grano como una adecuada biofortificación en Zn del cultivo.

-Reducción de la dosis de fertilización nitrogenada

La fertilización combinada permite reducir la dosis de fertilización nitrogenada con el objetivo de minimizar el impacto ambiental de la fertilización, manteniendo concentraciones adecuadas de ambos nutrientes (Zn y N) en las plantas y un alto rendimiento de los cultivos. Una adecuada fertilización combinada Zn-N es una estrategia beneficiosa para obtener una mejor calidad nutricional y un alto rendimiento en los cultivos, tanto en términos económicos como de sostenibilidad, ya que puede suponer una reducción del 25% en la "tasa de aplicación racional de N" (Bellido, 2010). El efecto beneficioso de la aplicación de Zn en la disponibilidad de N puede deberse a la activación de un proceso fisiológico en el que el Zn actúa como una coenzima y/o catalizador (Arora y Singh, 2004). Además, algunos autores (Hu y col., 2003; Montoya y col., 2018) han indicado que diferentes fuentes de metales pesados (como el Zn) pueden causar la inhibición de la nitrificación. La aplicación de inhibidores de la nitrificación es una estrategia empleada para aumentar la eficiencia en el uso del N en los cultivos.

 -Reducción de las emisiones de GEI

La agricultura sostenible tiene como objetivo aumentar la producción de alimentos, en un contexto de crecimiento de la población mundial, sin comprometer la calidad de los cultivos ni los rendimientos, además de producir una reducción de la contaminación medioambiental (Braun, 2007). La fertilización nitrogenada es clave en el aumento de rendimientos, pero también afecta de manera importante al medioambiente, ya que parte del N puede perderse a través del agua o el aire, como ya se ha comentado previamente. Por ejemplo, una fracción del fertilizante nitrogenado que se aporta al suelo es liberado a la atmósfera en forma de óxido nitroso (N₂O), debido a la actividad producida por las comunidades microbianas involucradas en el ciclo del N. El N₂O se caracteriza por ser un GEI con un poder de calentamiento global mucho mayor que el dióxido de carbono (CO₂), lo cual provoca un efecto directo en el cambio climático (Stocker, 2014). Además, este gas está implicado en la destrucción de la capa de ozono de la estratosfera (Ravishankara y col., 2009). Es necesario, por lo tanto, llevar a cabo nuevas prácticas que contribuyan a reducir las emisiones de N₂O, a mantener o incrementar los rendimientos, así como a aumentar la calidad nutricional de los cultivos para el consumo. Además, se debe tener en cuenta las sinergias entre el N y otros nutrientes, como el Zn, ya que pueden ayudar a lograr estos objetivos mediante un uso adecuado de la fertilización (Foto 1).

Foto 1. Cámaras opacas estáticas (insertadas dentro de un anillo de aluminio) usadas para recoger muestras de N2O en un experimento de trigo. Autora: Rocío Rodríguez.

En el Departamento de Química y Tecnología de los alimentos de la Escuela Técnica Superior de Ingeniería Agronómica, Alimentaria y de Biosistemas (ETSIAAB) de la Universidad Politécnica de Madrid (UPM), se llevan a cabo diferentes estudios para mejorar la calidad del cultivo a través del manejo de la fertilización combinada Zn-N y evaluar estrategias de mitigación de emisiones de GEI, en cultivos de secano en área semi-árida (Almendros y col., 2019; Gonzalez y col., 2019; Montoya y col., 2018).

Se han llevado a cabo múltiples ensayos de campo con diferentes cultivos de cereales. En uno de ellos se investigó la eficiencia de la fertilización combinada Zn-N con dos fuentes de N (purín y urea) y Zn-CHELAL (Zn-DTPA-HEDTA-EDTA) en un cultivo de cebada. Para ello se utilizaron diferentes dosis de N (30, 60 o 90 kg ha^-1) y de Zn (0, 0,5, 1 o 1,5 kg ha^-1). Como se observa en los Gráficos 1 y 2, los resultados obtenidos mostraron que una dosis de aplicación de 90 kg N ha^-1 es recomendable para obtener valores altos tanto para el rendimiento del cultivo como para la absorción de N por la planta. La aplicación de purín se asoció con un rendimiento de grano y una utilización de Zn más altos que la aplicación de urea, pero con menor concentración de proteína de grano. Por otro lado, la tasa de aplicación más baja de Zn (0,5 kg ha^-1) fue suficiente para lograr un alto rendimiento (>3200 kg ha− 1). Las dosis más altas de Zn proporcionaron grandes concentraciones de Zn en las diferentes partes de la planta. Además, las mayores concentraciones de proteína de grano (>9,6%) se obtuvieron con combinaciones de N60 o N90 y ZnCHE-1 o ZnCHE-1.5.  La aplicación de este quelato de Zn sintético podría recomendarse como estrategia para reducir la tasa de aplicación de N obteniendo un alto rendimiento de grano y valor nutricional en la cebada.

Gráfico 1. Rendimiento obtenido en el cultivo de cebada tratado con fertilización combinada Zn-N (Zn-CHELAL: Zn-DTPA-HEDTA-EDTA y N: purín o urea).

Gráfico 2. Concentración de proteína en grano, N y Zn tomado en el cultivo de cebada tratado con fertilización combinada Zn-N (Zn-CHELAL: Zn-DTPA-HEDTA-EDTA y N: purín o urea).

También se llevó a cabo otro estudio en colaboración con investigadores de la Estación Experimental del Zaidín del Centro Superior de Investigaciones Científicas de Granada. Este experimento de campo con trigo de invierno pretendía evaluar el efecto de diferentes fuentes de Zn (sulfato-Zn: Zn-Sul, lignosulfonato-Z: Zn-LS, Zn-DTPA-HEDTA-EDTA: Zn-CHELAL, y Zn complejado con ácidos húmicos y fúlvicos: Zn-HuFu) con la aplicación de diferentes dosis de N (0, 120 y 180 kg N ha^-1) sobre la biofortificación de Zn en grano, las emisiones de GEI y las poblaciones de microorganismos nitrificantes y desnitrificantes. Como muestra la Tabla 1, los resultados indicaron que el tratamiento Zn-CHELAL reducía en un 21,4% las emisiones acumuladas de N2O y aumentaba en un 21,0% la concentración de Zn en grano, respecto al tratamiento sin aplicación de Zn. Este tratamiento también afectó a las poblaciones microbianas del suelo, disminuyendo las abundancias totales de los genes implicados en los procesos de producción de las emisiones de N₂O. Además, el Zn-CHELAL produjo un aumento del 31% del gen nosZ con respecto a la no aplicación de Zn. Este gen es el responsable de transformar el N₂O en N₂ (gas inerte que está presente de forma natural en el aire atmosférico). Sin embargo, el tratamiento Zn-HuFu resultó en las mayores emisiones de N₂O debido a un aumento de los genes implicados en la producción de dichas emisiones, mientras que no se observó ningún efecto de las fuentes Zn-Sul y Zn-LS sobre dichas emisiones. Desde el punto de vista ambiental, los resultados mostraron que la dosis óptima de N a aplicar sería 120 kg N ha^-1, ya que produjo las menores emisiones de N₂O. Basándonos en estos resultados, la aplicación de Zn-CHELAL puede ser una estrategia recomendada tanto para reducir estas emisiones como para mejorar la biofortificación de Zn en grano de trigo.

Tabla 1. Emisiones acumuladas de N₂O, metano (CH₄) y respiración CO₂, y poder de calentamiento global con diferentes fuentes de Zn (sin aplicación de Zn, sulfato-Zn: Zn-Sul, lignosulfonato-Zn: Zn-LS, Zn-DTPA-HEDTA-EDTA: Zn-CHELAL, y Zn complejado con ácidos húmicos y fúlvicos: Zn-HuFu) y con tres dosis de N (0 kg N ha⁻¹, 120 kg N ha⁻¹, 180 kg N ha⁻¹).

Agradecimientos

Los resultados de este trabajo han sido financiados por los proyectos AGL2015-64582-C3-3-R (Agencia Estatal de Investigación y Fondos FEDER, UE), AGRISOST-CM S2013/ABI-2717 y S2018/BAA-4330 (Comunidad de Madrid y Fondos FEDER y FSE, UE). M. Montoya ha obtenido una beca FPI BES-2016-076712 MINECO.

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