Revista Mexicana de Ciencias Agrícolas   volumen 12   número 4   16 de mayo - 29 de junio, 2021

DOI: https://doi.org/10.29312/remexca.v12i4.2542

Ensayo

Beneficios potenciales del biocarbón en la productividad de cultivos agrícolas

Carlos Alberto Pérez-Cabrera1

Porfirio Juárez-Lopez1§

José Anzaldo-Hernández2

Irán Alia-Tejacal1

Eduardo Salcedo-Pérez3

Rosendo Balois-Morales4

1Posgrado en Ciencias Agropecuarias y Desarrollo Rural-Facultad de Ciencias Agropecuarias-Universidad Autónoma del Estado de Morelos. Avenida Universidad 1001. Cuernavaca, Morelos, México. CP. 62210. 2Centro Universitario de Ciencias Exactas e Ingenierías-Universidad de Guadalajara. Blvd. Marcelino García Barragán 1421, Esquina Calzada Olímpica, Guadalajara, Jalisco, México. CP. 44430. 3Centro Universitario de Ciencias Biológicas y Agropecuarias-Universidad de Guadalajara. Camino Ramón Padilla Sánchez núm. 2100, Nextipac, Zapopan, Jalisco, México. CP. 45200. 4Unidad de Tecnología de Alimentos-Secretaría de Investigación y Posgrado-Universidad Autónoma de Nayarit. Ciudad de la Cultura s/n, Tepic, Nayarit, México. CP. 63000.

§Autor para correspondencia: porfirio.juarez@uaem.mx.

Resumen

El biocarbón, llamado en inglés biochar, es un material poroso sólido rico en carbono que se obtiene por la conversión termoquímica de la biomasa y de materiales orgánicos de origen agrícola o forestal en un ambiente limitado o carente de oxígeno. En el presente artículo de revisión se plantearon dos objetivos: 1) proporcionar una reseña de las técnicas de producción de biocarbón; y 2) realizar una revisión sobre el efecto del biocarbón en el crecimiento y la productividad de cultivos. Se incluyen las investigaciones de biocarbón en la agricultura realizadas en México, costos de producción, así como las tendencias y perspectivas de investigación. La búsqueda de los artículos científicos del biocarbón en la productividad de cultivos agrícolas publicados en el periodo de enero de 2011 a diciembre de 2020 se realizó a través de las bases de datos Web of Science, Dialnet, Redalyc y Scielo. Esta revisión muestra que en los últimos 10 años existe un incremento de investigaciones en el uso de biocarbón en la agricultura, debido que la mayoría de las investigaciones han reportado efectos positivos en el crecimiento y rendimiento de los cultivos; asimismo, es necesario incrementar investigaciones de biocarbón elaborado con biomasa vegetal y materiales orgánicos de disponibilidad local. La mayoría de los estudios de biocarbón se han realizado en cereales y algunas hortalizas, por lo que es necesario realizar investigaciones del efecto del biocarbón en plantas ornamentales, así como en hierbas aromáticas y en plantas medicinales.

Palabras clave: biochar, carbonización hidrotérmica, mejorador de suelos, pirólisis, rendimiento de cultivos.

Recibido: enero de 2021

Aceptado: marzo de 2021

El biocarbón es un material sólido rico en carbono que se obtiene por la conversión termoquímica de materiales orgánicos en un ambiente limitado o carente de oxígeno (Zheng et al., 2016; Guo, 2020), el cual tiene propiedades físicas y químicas aptas para el almacenamiento de carbono a largo plazo en un medio natural y potencialmente mejora de la fertilidad del suelo (Ibarrola et al., 2013).

El biocarbón es el resultado de la carbonización de materias primas como: residuos de cosecha, biomasa de árboles, desechos de papel, cascarilla de arroz, entre otros (Escalante-Rebolledo et al., 2016; Adeyemi y Idowu, 2017). Se puede obtener biocarbón de casi cualquier material orgánico, pero es apropiada la de origen vegetal, sobre todo la constituida por materiales lignocelulósicos, después del agua, son los constituyentes predominantes de la vegetación terrestre (Quesada-Kimzey, 2012). La distinción entre el biocarbón y otros productos ricos en carbono (carbón y carbón activado), el primero se aplica al suelo con el propósito del secuestro de carbono (Steiner, 2016). Es decir, las plantas en un ambiente natural se descomponen y el carbono se libera al medio ambiente, lo que incrementa la concentración de CO2; sin embargo, el CO2 puede reducirse al convertir la biomasa vegetal en biocarbón, ya que el carbono queda incorporado en el mismo.

La producción de biocarbón tiene cuatro objetivos principales (Ibarrola et al., 2013): 1) mejoramiento del suelo; 2) aprovechamiento de residuos; 3) mitigación del cambio climático; y 4) producción de energía. El mejoramiento se produce al adicionar el biocarbón al suelo, lo que favorece la retención de agua y nutrimentos, además, aumenta la actividad microbiana, el segundo objetivo se cumple, al reducir los desechos de la agricultura y otras industrias y darles valor agregado, el tercer objetivo del biocarbón es mitigar el cambio climático mediante el secuestro el carbono de la biomasa y reducción de gases de efecto invernadero (GEI), ya que esta tecnología reduce la liberación de los GEI al almacenarlas en forma de carbono estable en el suelo y por último, se puede producir energía renovable.

En los últimos años se han incrementado las investigaciones acerca de la producción y aprovechamiento del biocarbón (Jirka y Tomlinson, 2014; Verheijen et al., 2014) por lo que esta revisión concentra la información de los beneficios potenciales del biocarbón en la agricultura. Se plantearon dos objetivos: 1) proporcionar una reseña de las técnicas de producción de biocarbón; y 2) realizar una revisión acerca del efecto del biocarbón en el crecimiento y productividad de cultivos. Se incluyen las investigaciones de biocarbón en la agricultura realizadas en México, costos de producción, así como las tendencias y perspectivas de investigación.

Criterios empleados en la búsqueda de información

La búsqueda de artículos en inglés se efectuó en la base de datos de Web of Science, Dialnet, Redalyc y Scielo para los artículos en español, publicados de enero de 2011 a diciembre de 2020. Se consideraron las siguientes palabras en inglés biochar, importance of biochar, biochar and soil, biochar and yield of crops, biochar in agriculture, biochar in horticulture y en español: biocarbón, importancia del biocarbón, biocarbón y suelo, biocarbón y rendimiento de cultivos, biocarbón en agricultura, biocarbón en la horticultura.

De esta búsqueda, tanto en inglés como en español se obtuvieron 34 577 artículos, después se descartaron los artículos que se enfocaban en temas de termodinámica, compuestos químicos estructurales del biocarbón y microbiología de suelos, lo que redujo el número de artículos a 5 461. Finalmente, se seleccionaron 46 artículos enfocados en la aplicación del biocarbón con fines de incrementar la productividad de cultivos agrícolas.

Técnicas para producir biocarbón

Existen varias tecnologías termoquímicas para la producción de biocarbón: pirólisis (lenta, rápida y ultrarrápida), gasificación y carbonización hidrotérmica (HTC) por sus siglas en inglés (Zheng et al., 2016; Adeyemi y Idowu, 2017). De acuerdo con Quesada-Kimsey (2012), las técnicas de pirólisis y gasificación, requieren que el material (biomasa o residuos) sea secada previo al proceso de carbonización; sin embargo, esta etapa se puede omitir con la técnica de carbonización hidrotérmica (Figura 1), la cual representa una ventaja ya que el proceso se realiza en un medio acuoso y la humedad de la biomasa no afecta la elaboración del biocarbón, por lo que esta técnica permite el aprovechamiento de residuos con alto contenido de agua o residuos de cosechas recién cortados.

Figura 1. Diagrama del proceso de carbonización en seco (pirólisis). Las flechas con líneas discontinuas indican el proceso de la carbonización hidrotérmica (HTC). Adaptado de Quesada-Kimsey (2012).

Con las técnicas termoquímicas mencionadas se producen tres productos principales: sólido (biocarbón), líquido (bioaceite) y gas de síntesis (syngas) (Cuadro 1). En general, la pirólisis lento produce más syngas y biocarbón, la pirólisis rápida tiende a producir más aceites y líquidos, mientras que los sistemas de gasificación producen cantidades grandes de syngas y poco biocarbón, en contraste la carbonización hidrotérmica produce más biocarbón y poco syngas.

Cuadro 1. Rendimiento de producto final a partir de diferentes tecnologías termoquímicas para elaborar biocarbón (Ibarrola et al., 2013; Kambo y Dutta, 2015).

HTC: por sus siglas en inglés, carbonización hidrotérmica.

Investigaciones recientes han propuesto el uso de biomasa o residuos de la agroindustria (estiércol animal, paja de trigo, entre otros) como materias primas para la inmovilización, extracción o recuperación de nutrimentos tales como N, P y K mediante el proceso de carbonización hidrotérmica (HTC) (Ekpo et al., 2016; Melo et al., 2016; Adeyemi y Idowu, 2017). La técnica de HTC es un proceso que emplea medios acuosos y temperaturas moderadas (150-350 °C), que produce un material sólido llamado hidrochar (Kruse et al., 2013; Arteaga-Pérez et al., 2015).

Biocarbón en el crecimiento y productividad de cultivos

La interacción entre las propiedades físicas, químicas y biológicas determinan la fertilidad del suelo, las cuales pueden ser modificadas positivamente con la adición de biocarbón y puede favorecer el crecimiento y rendimiento de los cultivos. Silva et al. (2017) evaluaron tres biocarbones en dosis de 0, 2.5, 5, 7.5 y 10% v/v en el cultivo de frijol (Phaseolus vulgaris) y encontraron que, independientemente del biocarbón usado, estos promovieron mayor desarrollo de la planta de frijol con un aumento en la masa seca de raíz y tallo, el número de vainas, el número y la masa seca de los granos, en comparación con el tratamiento control. En general, las dosis de 10, 7 y 7% de biocarbón de cascarilla de arroz, aserrín y sorgo ensilado, respectivamente, generaron el mayor número de vainas, número de granos y en consecuencia, mayor producción de materia seca en grano de frijol.

Xu et al. (2015) probaron un biocarbón a partir de cáscara de cacahuate en suelo tipo ferrosol en el cultivo de cacahuate y reportaron que la aplicación del biocarbón a dosis de 9.2 t ha-1 mejoró la calidad comercial del grano (calidad jumbo). Pérez-Salas et al. (2013) aplicaron biocarbón de madera de melina (Gmelina arborea) en banano (Musa AAA) y reportaron un incremento de 104% en altura de planta en comparación con el testigo, a los 101 días después del trasplante.

Alburquerque-Méndez et al. (2013) reportaron que al aplicar biocarbón de astilla de pino y restos de poda de olivo no observaron diferencias estadísticas en el crecimiento de girasol, lo cual pudo ser debido a la propia naturaleza de ese tipo biocarbón,  por ser rico en carbono pero relativamente pobre en nutrimentos; asimismo, mencionan que el biocarbón puede mejorar las características físicas del suelo y que no tiene efectos negativos sobre el crecimiento del girasol, por lo que puede ser utilizado como reservorio de carbono en suelos agrícolas y forestales. En contraste, se han reportado efectos negativos del biocarbón aplicado al suelo; es decir, cambios desfavorables en las propiedades físicas, químicas y biológicas del suelo, que pueden originar reducción en el crecimiento y rendimiento en algunos cultivos.

Lo anterior puede deberse a que la mayoría de las investigaciones se realizan a corto plazo (Mukherjee y Lal, 2014), por lo que sería necesario hacer investigaciones a mediano y largo plazo, así como en varios ciclos de cultivo (Carter et al., 2013). En este sentido, Guo (2020) indica que para maximizar los beneficios de la aplicación de biocarbón como mejorador de suelos y que eventualmente favorezca el crecimiento y rendimiento de cultivos agrícolas, es importante considerar tres aspectos: la fuente o material orgánico con que se produjo el biocarbón, la dosis de aplicación y el tipo de suelo. En el Cuadro 2 se presentan dosis de aplicación de biocarbón y su efecto agronómico en varios cultivos.

Cuadro 2. Dosis de aplicación de biocarbón y beneficios agronómicos en varios cultivos agrícolas.

HTC: por sus siglas en inglés, carbonización hidrotérmica.

Como se puede observar en el Cuadro 2, la mayoría de las investigaciones se han realizado en cultivos de cereales y algunas hortalizas, sin embargo, hace falta investigar el efecto del biocarbón en el crecimiento de plantas ornamentales, aromáticas y medicinales, sobre todo por la importancia económica y social de esos cultivos hortícolas. Recientemente el biocarbón además de utilizarse como mejorador de suelo, también se utiliza en la producción de cultivos en contendedor y en invernadero.

En este sentido, el biocarbón se emplea en mezcla con sustratos comerciales como turba (peat moss), perlita, fibra de coco, vermiculita, entre otros, para mejorar sus propiedades físicas y químicas (Blok et al., 2017; Huang y Gu, 2019). Por ejemplo, Guo et al. (2018) proponen que el biocarbón puede ser utilizado hasta en 80% mezclado con el sustrato Shunshine® Mix # 1 en la producción de nochebuena en invernadero, sin afectar la calidad visual de la planta ni el índice de crecimiento.

Estos mismos autores concluyeron que las plantas de nochebuena cultivadas con 20% de biocarbón mostraron mayor crecimiento (8.3%) que el tratamiento testigo sin biocarbón. Por otra parte, Blok et al. (2017) reportaron que el biocarbón a base de madera, y residuos de tomate y pimiento dulce, puede sustituir en 20 y 10% con base a volumen a la turba comercial sin afectar el crecimiento de crisantemo y gerbera cultivados en maceta, respectivamente. Estos resultados plantean la posibilidad de que el biocarbón puede ser empleado en mezclas de sustratos orgánicos con la finalidad de remplazar parcialmente el uso de turba comercial (peat moss) no renovable, lo que permitiría reducir costos de producción y un manejo agronómico más sustentable.

Investigaciones de biocarbón en México

En función de los artículos publicados en revistas indizadas en los últimos 10 años, en México las investigaciones de biocarbón con fines agrícolas son escasas. A continuación se describen brevemente las investigaciones que se han realizado: Orozco-Gutiérrez y Lira-Fuentes (2020) evaluaron cinco temperaturas (350, 450, 550, 650 y 750 °C) en la elaboración de biocarbón de bambú producido mediante pirólisis lenta y obtuvieron que la mejor temperatura para la producción de biocarbón de bambú fue a 550 °C con rendimiento de conversión de 27%, además, con ese tratamiento se presentaron los mayores valores en las propiedades físicoquímicas con 11.2% de volátiles, 8.1% de cenizas y 72% de carbón. Velázquez-Maldonado et al. (2019) reportaron que para la elaboración de biocarbón de cascarilla de arroz, la adición de los ácidos maleico y cítrico al 10% como catalizadores, generan el mayor rendimiento de conversión (66%).

Los mismos autores indicaron que los tres macronutrimentos con mayor concentración fueron Ca, N y K, mientras que para micronutrimentos los de mayor concentración fueron Fe y Mn, así como el elemento Na. Velázquez-Machuca et al (2019) evaluaron el uso potencial del biocarbón de lodos residuales obtenidos de una planta de tratamiento de aguas residuales de Morelia, Michoacán, como mejorador de suelos agrícolas al considerar como indicadores las propiedades físicas y químicas del material, así como el contenido de nutrimentos y su concentración baja de metales tóxicos. Esta investigación concluye que el biocarbón elaborado puede utilizarse como mejorador de suelos agrícolas por su alto contenido de nutrimentos y posee bajo riesgo ambiental debido a su bajo contenido de metales tóxicos.

Por su parte, Medina y Medina (2018) construyeron y evaluaron el desempeño en condiciones de campo, de un prototipo de biocarbón-pirólisis autotérmico y móvil, con volumen útil de 1.7 m3 de biomasa triturada. En el equipo mencionado anteriormente, el cual tenía capacidad para procesar entre 300 y 400 kg de biomasa por día, elaboraron biocarbón de residuos de poda de aguacate, con un rendimiento de 16% en biocarbón.

Por su parte, Concilco-Alberto et al. (2018) al evaluar un biocarbón comercial de bambú en el crecimiento y rendimiento de avena forrajera, reportaron que el mejor tratamiento fue 25 t ha-1 de biocarbón con fertilización convencional NPK (120-60-00), ya que incrementa 34% la altura de planta y en 103% la materia fresca en comparación al tratamiento testigo. Escalante-Rebolledo et al. (2016) realizó una revisión acerca de la naturaleza, historia, fabricación y uso en el suelo del biocarbón. Como se puede apreciar, en México existe un interés creciente en el uso de biocarbón, pero hacen falta más investigaciones para fortalecer el aprovechamiento del biocarbón en sistemas de producción agrícola.

Costos de producción del biocarbón

La información detallada de los costos de producción de biocarbón es limitada; sin embargo, existen algunas investigaciones donde han realizado estimaciones tecnológicas y económicas. En México, Medina y Medina (2018) construyeron un equipo móvil de pirólisis lenta fabricado en acero inoxidable para la elaboración de biocarbón de residuos de aguacate, con un costo estimado de USD $32 500.00 con capacidad de 1.7 m3 de volumen útil, equivalente entre 300 a 400 kg de madera, la cual está en función del tamaño y humedad de la astilla.

La vida útil del equipo se considera de siete años, con uso intensivo de 19 h diarias durante los 365 días del año y 23 años con uso moderado de 8 h diarias durante el mismo lapso. Sin embargo, la recuperación de la inversión estará en función del análisis económico.

Estos autores mencionan que el equipo fabricado presenta costos competitivos respecto a equipos producidos en otros países, por ejemplo, equipos de fabricación norteamericana con capacidad de transformación de 200 kg de biomasa por carga, cuestan USD $350 000.00 más un costo adicional de USD $25 000.00 por concepto de capacitación.

Por otro lado, Ibarrola et al. (2013) reportan que la industria azucarera podría invertir en hornos tipo Adam Retort con capacidad de producción de 100 a 400 t por año y estimaron costos de producción entre USD $10.00 y $ 100.00 por tonelada de biocarbón; asimismo, atribuyeron esta variación de costos a la capacidad de producción de los ingenios, de la tecnología disponible para separar y recolectar el biocarbón. Los mismos autores mencionan que en un estudio realizado en Reino Unido concluyeron que el punto de equilibrio para la comercialización de biocarbón fluctúa de USD $205.00 a $540.00 por tonelada, entregada y depositada en el campo, aunque los costos de producción se pueden reducir entre USD $28.00 a USD $416.00 por tonelada de biocarbón, al utilizar hornos tradicionales e incrementar la producción del biocarbón.

Jirka y Tomlinson (2014) mencionan que el biocarbón y mezclas de biocarbón se comercializa en varios países de América del Norte, Europa, Asia, Oceanía y África con un precio promedio de USD $2.65 kg-1. La mayoría de las empresas dedicadas a la producción de biocarbón realizan sus ventas desde su sitio web y viveros, lo que significa que se vende a nichos de mercado de alta gama para su uso final en jardinería, viveros, paisajismo y otros productos a pequeña escala.

Los mismos autores, señalan que se dificulta predecir las ganancias del biocarbón debido a que las principales barreras para la expansión de la industria son el desconocimiento por parte del consumidor, las limitaciones tecnológicas y el acceso al financiamiento. Al respecto, Filiberto y Gaunt (2013) indican que hace falta de realizar evaluaciones sobre la viabilidad económica del uso del biocarbón, puesto que hasta el momento solo se tienen estimaciones generales por la incertidumbre que rodea los impactos indirectos de la aplicación del biocarbón al suelo, que impiden una valoración precisa de los costos de producción. Como se puede apreciar, no existe un consenso general de los costos de producción del biocarbón, es decir, hace falta realizar más investigaciones con ese enfoque en función de las condiciones socioeconómicas locales.

Tendencias y perspectivas de investigación

A partir de la literatura revisada, se identificaron las siguientes tendencias y perspectivas de investigación.

Desde el punto de vista de proceso

Determinar las condiciones óptimas para la elaboración de biocarbón mediante la evaluación de las técnicas termoquímicas, temperatura, tiempo de calentamiento, presión del reactor y adición de catalizadores. Estos factores influyen en las propiedades físicas y químicas de biocarbón.

Caracterizar las propiedades físicas y químicas de biocarbones elaborados con biomasa vegetal de disponibilidad local, para favorecer un manejo sustentable. Enriquecimiento de biocarbones con minerales específicos y su posterior incorporación en suelos agrícolas. Evaluación de biocarbón como alternativa para remediar suelos contaminados con metales pesados y por herbicidas.

Desde el punto de vista de uso agrícola

Evaluar dosis de biocarbón en diferentes tipos de suelo a mediano y largo plazo, su efecto en las propiedades físicas y químicas de suelos, así como en el crecimiento y rendimiento de cultivos. Evaluar el efecto de la aplicación del biocarbón al suelo en combinación con fertilizantes químicos, puesto que se ha observado su efecto positivo en el crecimiento de las plantas; sin embargo, hacen falta estudios para esclarecer los mecanismos del sinergismo.

Evaluar el efecto del biocarbón en el crecimiento y rendimiento en plantas ornamentales, así como en hierbas aromáticas y plantas medicinales, debido a que la mayoría de los estudios del efecto de biocarbón se han realizado en cereales y algunas hortalizas. Investigar el efecto del biocarbón sobre la actividad microbiana y su interacción con las plantas, así como el efecto sinérgico con el uso de micorrizas. Investigar acerca de la incorporación de biocarbón en el suelo para atenuar el efecto adverso de la presencia de elementos o sustancias contaminantes.

Investigar mezclas de biocarbón con sustratos orgánicos no renovables, como la turba comercial con la finalidad de disminuir su uso en la agricultura protegida. El biocarbón puede ser una alternativa para sustituir o disminuir el uso de sustratos orgánicos no renovables, tanto en la producción de plántulas como en la producción de cultivos hortícolas de alto valor.

Conclusiones

Esta revisión muestra que en los últimos 10 años existe un incremento de investigaciones en el uso de biocarbón en la agricultura, debido a que la mayoría de los estudios han reportado efectos positivos en el crecimiento y rendimiento de los cultivos agrícolas.

Es necesario incrementar las investigaciones de biocarbón elaborado con biomasa vegetal y materiales orgánicos de disponibilidad local.  Debido a que la mayoría de los estudios de biocarbón en la agricultura se han realizado en cereales y algunas hortalizas, es necesario realizar investigaciones del efecto del biocarbón en plantas ornamentales, así como en hierbas aromáticas y en plantas medicinales.

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