Agricultural use of organic wastes as source of nitrogen and phosphorus: risks and opportunities

El nitrógeno (N) y el fósforo (P) son nutrientes esenciales en la producción de cultivos. El desarrollo de los fertilizantes de síntesis durante el siglo XX permitió una intensificación de la agricultura y un aumento de las producciones pero a su vez el gran input de nutrientes ha resultado en algunos casos en sistemas poco eficientes incrementando las pérdidas de estos nutrientes al medio ambiente. En el caso del P, este problema se agrava debido a la escasez de reservas de roca fosfórica necesaria para la fabricación de fertilizantes fosfatados. La utilización de residuos orgánicos en agricultura como fuente de N y P es una buena opción de manejo que permite valorizar la gran cantidad de residuos que se generan. Sin embargo, es importante conocer los procesos que se producen en el suelo tras la aplicación de los mismos, ya que influyen en la disponibilidad de nutrientes que pueden ser utilizados por el cultivo así como en las pérdidas de nutrientes de los agrosistemas que pueden ocasionar problemas de contaminación. Aunque la dinámica del N en el suelo ha sido más estudiada que la del P, los problemas importantes de contaminación por nitratos en zonas vulnerables hacen necesaria la evaluación de aquellas prácticas de manejo que pudieran agravar esta situación, y en el caso de los residuos orgánicos, la evaluación de la respuesta agronómica y medioambiental de la aplicación de materiales con un alto contenido en N (como los residuos procedentes de la industria vinícola y alcoholera). En cuanto al P, debido a la mayor complejidad de su ciclo y de las reacciones que ocurren en el suelo, hay un mayor desconocimiento de los factores que influyen en su dinámica en los sistemas suelo-planta, lo que supone nuevas oportunidades de estudio en la evaluación del uso agrícola de los residuos orgánicos. Teniendo en cuenta los conocimientos previos sobre cada nutriente así como las necesidades específicas en el estudio de los mismos, en esta Tesis se han evaluado: (1) el efecto de la aplicación de residuos procedentes de la industria vinícola y alcoholera en la dinámica del N desde el punto de vista agronómico y medioambiental en una zona vulnerable a la contaminación por nitratos; y (2) los factores que influyen en la disponibilidad de P en el suelo tras la aplicación de residuos orgánicos. Para ello se han llevado a cabo incubaciones de laboratorio así como ensayos de campo que permitieran evaluar la dinámica de estos nutrientes en condiciones reales. Las incubaciones de suelo en condiciones controladas de humedad y temperatura para determinar el N mineralizado se utilizan habitualmente para estimar la disponibilidad de N para el cultivo así como el riesgo medioambiental. Por ello se llevó a cabo una incubación en laboratorio para conocer la velocidad de mineralización de N de un compost obtenido a partir de residuos de la industria vinícola y alcoholera, ampliamente distribuida en Castilla-La Mancha, región con problemas importantes de contaminación de acuíferos por nitratos. Se probaron tres dosis crecientes de compost correspondientes a 230, 460 y 690 kg de N total por hectárea que se mezclaron con un suelo franco arcillo arenoso de la zona. La evolución del N mineral en el suelo a lo largo del tiempo se ajustó a un modelo de regresión no lineal, obteniendo valores bajos de N potencialmente mineralizable y bajas contantes de mineralización, lo que indica que se trata de un material resistente a la mineralización y con una lenta liberación de N en el suelo, mineralizándose tan solo 1.61, 1.33 y 1.21% del N total aplicado con cada dosis creciente de compost (para un periodo de seis meses). Por otra parte, la mineralización de N tras la aplicación de este material también se evaluó en condiciones de campo, mediante la elaboración de un balance de N durante dos ciclos de cultivo (2011 y 2012) de melón bajo riego por goteo, cultivo y manejo agrícola muy característicos de la zona de estudio. Las constantes de mineralización obtenidas en el laboratorio se ajustaron a las temperaturas reales en campo para predecir el N mineralizado en campo durante el ciclo de cultivo del melón, sin embargo este modelo generalmente sobreestimaba el N mineralizado observado en campo, por la influencia de otros factores no tenidos en cuenta para obtener esta predicción, como el N acumulado en el suelo, el efecto de la planta o las fluctuaciones de temperatura y humedad. Tanto el ajuste de los datos del laboratorio al modelo de mineralización como las predicciones del mismo fueron mejores cuando se consideraba el efecto de la mezcla suelo-compost que cuando se aislaba el N mineralizado del compost, mostrando la importancia del efecto del suelo en la mineralización del N procedente de residuos orgánicos. Dado que esta zona de estudio ha sido declarada vulnerable a la contaminación por nitratos y cuenta con diferentes unidades hidrológicas protegidas, en el mismo ensayo de campo con melón bajo riego por goteo se evaluó el riesgo de contaminación por nitratos tras la aplicación de diferentes dosis de compost bajo dos regímenes de riego, riego ajustado a las necesidades del cultivo (90 ó 100% de la evapotranspiración del cultivo (ETc)) o riego excedentario (120% ETc). A lo largo del ciclo de cultivo se estimó semanalmente el drenaje mediante la realización de un balance hídrico, así como se tomaron muestras de la solución de suelo y se determinó su concentración de nitratos. Para evaluar el riesgo de contaminación de las aguas subterráneas asociado con estas prácticas, se utilizaron algunos índices medioambientales para determinar la variación en la calidad del agua potable (Índice de Impacto (II)) y en la concentración de nitratos del acuífero (Índice de Impacto Ambiental (EII)). Para combinar parámetros medioambientales con parámetros de producción, se calculó la eficiencia de manejo. Se observó que la aplicación de compost bajo un régimen de riego ajustado no aumentaba el riesgo de contaminación de las aguas subterráneas incluso con la aplicación de la dosis más alta. Sin embargo, la aplicación de grandes cantidades de compost combinada con un riego excedentario supuso un incremento en el N lixiviado a lo largo del ciclo de cultivo, mientras que no se obtuvieron mayores producciones con respecto al riego ajustado. La aplicación de residuos de la industria vinícola y alcoholera como fuente de P fue evaluada en suelos calizos caracterizados por una alta capacidad de retención de P, lo cual en algunos casos limita la disponibilidad de este nutriente. Para ello se llevó a cabo otro ensayo de incubación con dos suelos de diferente textura, con diferente contenido de carbonato cálcico, hierro y con dos niveles de P disponible; a los que se aplicaron diferentes materiales procedentes de estas industrias (con y sin compostaje previo) aportando diferentes cantidades de P. A lo largo del tiempo se analizó el P disponible del suelo (P Olsen) así como el pH y el carbono orgánico disuelto. Al final de la incubación, con el fin de estudiar los cambios producidos por los diferentes residuos en el estado del P del suelo se llevó a cabo un fraccionamiento del P inorgánico del suelo, el cual se separó en P soluble y débilmente enlazado (NaOH-NaCl-P), P soluble en reductores u ocluido en los óxidos de Fe (CBD-P) y P poco soluble precipitado como Ca-P (HCl-P); y se determinó la capacidad de retención de P así como el grado de saturación de este elemento en el suelo. En este ensayo se observó que, dada la naturaleza caliza de los suelos, la influencia de la cantidad de P aplicado con los residuos en el P disponible sólo se producía al comienzo del periodo de incubación, mientras que al final del ensayo el incremento en el P disponible del suelo se igualaba independientemente del P aplicado con cada residuo, aumentando el P retenido en la fracción menos soluble con el aumento del P aplicado. Por el contrario, la aplicación de materiales orgánicos menos estabilizados y con un menor contenido en P, produjo un aumento en las formas de P más lábiles debido a una disolución del P retenido en la fracción menos lábil, lo cual demostró la influencia de la materia orgánica en los procesos que controlan el P disponible en el suelo. La aplicación de residuos aumentó el grado de saturación de P de los suelos, sin embargo los valores obtenidos no superaron los límites establecidos que indican un riesgo de contaminación de las aguas. La influencia de la aplicación de residuos orgánicos en las formas de P inorgánico y orgánico del suelo se estudió además en un suelo ácido de textura areno francosa tras la aplicación en campo a largo plazo de estiércol vacuno y de compost obtenido a partir de biorresiduos, así como la aplicación combinada de compost y un fertilizante mineral (superfosfato tripe), en una rotación de cultivos. En muestras de suelo recogidas 14 años después del establecimiento del experimento en campo, se determinó el P soluble y disponible, la capacidad de adsorción de P, el grado de saturación de P así como diferentes actividades enzimáticas (actividad deshidrogenasa, fosfatasa ácida y fosfatasa alcalina). Las diferentes formas de P orgánico en el suelo se estudiaron mediante una técnica de adición de enzimas con diferentes substratos específicos a extractos de suelo de NaOH-EDTA, midiendo el P hidrolizado durante un periodo de incubación por colorimetría. Las enzimas utilizadas fueron la fosfatasa ácida, la nucleasa y la fitasa las cuales permitieron identificar monoésteres hidrolizables (monoester-like P), diésteres (DNA-like P) e inositol hexaquifosfato (Ins6P-like P). La aplicación a largo plazo de residuos orgánicos aumentó el P disponible del suelo proporcionalmente al P aplicado con cada tipo de fertilización, suponiendo un mayor riesgo de pérdidas de P dado el alto grado de saturación de este suelo. La aplicación de residuos orgánicos aumentó el P orgánico del suelo resistente a la hidrólisis enzimática, sin embargo no influyó en las diferentes formas de P hidrolizable por las enzimas en comparación con las observadas en el suelo sin enmendar. Además, las diferentes formas de P orgánico aplicadas con los residuos orgánicos no se correspondieron con las analizadas en el suelo lo cual demostró que éstas son el resultado de diferentes procesos en el suelo mediados por las plantas, los microorganismos u otros procesos abióticos. En este estudio se encontró una correlación entre el Ins6P-like P y la actividad microbiana (actividad deshidrogenasa) del suelo, lo cual refuerza esta afirmación. Por último, la aplicación de residuos orgánicos como fuente de N y P en la agricultura se evaluó agronómicamente en un escenario real. Se estableció un experimento de campo para evaluar el compost procedente de residuos de bodegas y alcoholeras en el mismo cultivo de melón utilizado en el estudio de la mineralización y lixiviación de N. En este experimento se estudió la aplicación de tres dosis de compost: 1, 2 y 3 kg de compost por metro lineal de plantación correspondientes a 7, 13 y 20 t de compost por hectárea respectivamente; y se estudió el efecto sobre el crecimiento de las plantas, la acumulación de N y P en la planta, así como la producción y calidad del cultivo. La aplicación del compost produjo un ligero incremento en la biomasa vegetal acompañado por una mejora significativa de la producción con respecto a las parcelas no enmendadas, obteniéndose la máxima producción con la aplicación de 2 kg de compost por metro lineal. Aunque los efectos potenciales del N y P fueron parcialmente enmascarados por otras entradas de estos nutrientes en el sistema (alta concentración de nitratos en el agua de riego y ácido fosfórico suministrado por fertirrigación), se observó una mayor acumulación de P uno de los años de estudio que resultó en un aumento en el número de frutos en las parcelas enmendadas. Además, la mayor acumulación de N y P disponible en el suelo al final del ciclo de cultivo indicó el potencial uso de estos materiales como fuente de estos nutrientes. ABSTRACT Nitrogen (N) and phosphorus (P) are essential nutrients in crop production. The development of synthetic fertilizers during the 20th century allowed an intensification of the agriculture increasing crop yields but in turn the great input of nutrients has resulted in some cases in inefficient systems with higher losses to the environment. Regarding P, the scarcity of phosphate rock reserves necessary for the production of phosphate fertilizers aggravates this problem. The use of organic wastes in agriculture as a source of N and P is a good option of management that allows to value the large amount of wastes generated. However, it is important to understand the processes occurring in the soil after application of these materials, as they affect the availability of nutrients that can be used by the crop and the nutrient losses from agricultural systems that can cause problems of contamination. Although soil N dynamic has been more studied than P, the important concern of nitrate pollution in Nitrate Vulnerable Zones requires the evaluation of those management practices that could aggravate this situation, and in the case of organic wastes, the evaluation of the agronomic and environmental response after application of materials with a high N content (such as wastes from winery and distillery industries). On the other hand, due to the complexity of soil P cycle and the reactions that occur in soil, there is less knowledge about the factors that can influence its dynamics in the soil-plant system, which means new opportunities of study regarding the evaluation of the agricultural use of organic wastes. Taking into account the previous knowledge of each nutrient and the specific needs of study, in this Thesis we have evaluated: (1) the effect of the application of wastes from the winery and distillery industries on N dynamics from the agronomic and environmental viewpoint in a vulnerable zone; and (2) the factors that influence P availability in soils after the application of organic wastes. With this purposes, incubations were carried out in laboratory conditions as well as field trials that allow to assess the dynamic of these nutrients in real conditions. Soil incubations under controlled moisture and temperature conditions to determine N mineralization are commonly used to estimate N availability for crops together with the environmental risk. Therefore, a laboratory incubation was conducted in order to determine the N mineralization rate of a compost made from wastes generated in the winery and distillery industries, widely distributed in Castilla-La Mancha, a region with significant problems of aquifers contamination by nitrates. Three increasing doses of compost corresponding to 230, 460 and 690 kg of total N per hectare were mixed with a sandy clay loam soil collected in this area. The evolution of mineral N in soil over time was adjusted to a nonlinear regression model, obtaining low values of potentially mineralizable N and low constants of mineralization, indicating that it is a material resistant to mineralization with a slow release of N, with only 1.61, 1.33 and 1.21% of total N applied being mineralized with each increasing dose of compost (for a period of six months). Furthermore, N mineralization after the application of this material was also evaluated in field conditions by carrying out a N balance during two growing seasons (2011 and 2012) of a melon crop under drip irrigation, a crop and management very characteristic of the area of study. The mineralization constants obtained in the laboratory were adjusted to the actual temperatures observed in the field to predict N mineralized during each growing season, however, this model generally overestimated the N mineralization observed in the field, because of the influence of other factors not taken into account for this prediction, as N accumulated in soil, the plant effect or the fluctuations of temperature and moisture. The fitting of the laboratory data to the model as well as the predictions of N mineralized in the field were better when considering N mineralized from the soil-compost mixture rather than when N mineralized from compost was isolated, underlining the important role of the soil on N mineralization from organic wastes. Since the area of study was declared vulnerable to nitrate pollution and is situated between different protected hydrological units, the risk of nitrate pollution after application of different doses compost was evaluated in the same field trial with melon under two irrigation regimes, irrigation adjusted to the crop needs (90 or 100% of the crop evapotranspiration (ETc)) or excedentary irrigation (120% ETc). Drainage was estimated weekly throughout the growing season by conducting a water balance, samples of the soil solution were taken and the concentration of nitrates was determined. To assess the risk of groundwater contamination associated with these practices, some environmental indices were used to determine the variation in the quality of drinking water (Impact Index (II)) and the nitrates concentration in the groundwater (Environmental Impact Index (EII)). To combine environmental parameters together with yield parameters, the Management Efficiency was calculated. It was observed that the application of compost under irrigation adjusted to the plant needs did not represent a higher risk of groundwater contamination even with the application of the highest doses. However, the application of large amounts of compost combined with an irrigation surplus represented an increase of N leaching during the growing season compared with the unamended plots, while no additional yield with respect to the adjusted irrigation strategy is obtained. The application of wastes derived from the winery and distillery industry as source of P was evaluated in calcareous soils characterized by a high P retention capacity, which in some cases limits the availability of this nutrient. Another incubation experiment was carried out using two soils with different texture, different calcium carbonate and iron contents and two levels of available P; to which different materials from these industries (with and without composting) were applied providing different amounts of P. Soil available P (Olsen P), pH and dissolved organic carbon were analyzed along time. At the end of the incubation, in order to study the changes in soil P status caused by the different residues, a fractionation of soil inorganic P was carried out, which was separated into soluble and weakly bound P (NaOH-NaCl- P), reductant soluble P or occluded in Fe oxides (CBD-P) and P precipitated as poorly soluble Ca-P (HCl-P); and the P retention capacity and degree of P saturation were determined as well. Given the calcareous nature of the soils, the influence of the amount of P applied with the organic wastes in soil available P only occurred at the beginning of the incubation period, while at the end of the trial the increase in soil available P equalled independently of the amount of P applied with each residue, increasing the P retained in the least soluble fraction when increasing P applied. Conversely, the application of less stabilized materials with a lower content of P resulted in an increase in the most labile P forms due to dissolution of P retained in the less labile fraction, demonstrating the influence of organic matter addition on soil P processes that control P availability in soil. As expected, the application of organic wastes increased the degree of P saturation in the soils, however the values obtained did not exceed the limits considered to pose a risk of water pollution. The influence of the application of organic wastes on inorganic and organic soil P forms was also studied in an acid loamy sand soil after long-term field application of cattle manure and biowaste compost and the combined application of compost and mineral fertilizer (triple superphosphate) in a crop rotation. Soil samples were collected 14 years after the establishment of the field experiment, and analyzed for soluble and available P, P sorption capacity, degree of P saturation and enzymatic activities (dehydrogenase, acid phosphatase and alkaline phosphatase). The different forms of organic P in soil were determined by using an enzyme addition technique, based on adding enzymes with different substrate specificities to NaOH-EDTA soil extracts, measuring the hydrolyzed P colorimetrically after an incubation period. The enzymes used were acid phosphatase, nuclease and phytase which allowed to identify hydrolyzable monoesters (monoester-like P) diesters (DNA-like P) and inositol hexakisphosphate (Ins6P-like P). The long-term application of organic wastes increased soil available P proportionally to the P applied with each type of fertilizer, assuming a higher risk of P losses given the high degree of P saturation of this soil. The application of organic wastes increased soil organic P resistant to enzymatic hydrolysis, but no influence was observed regarding the different forms of enzyme hydrolyzable organic P compared to those observed in the non-amended soil. Furthermore, the different forms of organic P applied with the organic wastes did not correspond to those analyzed in the soil which showed that these forms in soil are a result of multifaceted P turnover processes in soil affected by plants, microorganisms and abiotic factors. In this study, a correlation between Ins6P-like P and the microbial activity (dehydrogenase activity) of soil was found, which reinforces this claim. Finally, the application of organic wastes as a source of N and P in agriculture was evaluated agronomically in a real field scenario. A field experiment was established to evaluate the application of compost made from wine-distillery wastes in the same melon crop used in the experiments of N mineralization and leaching. In this experiment the application of three doses of compost were studied: 1 , 2 and 3 kg of compost per linear meter of plantation corresponding to 7, 13 and 20 tonnes of compost per hectare respectively; and the effect on plant growth, N and P accumulation in the plant as well as crop yield and quality was studied. The application of compost produced a slight increase in plant biomass accompanied by a significant improvement in crop yield with respect to the unamended plots, obtaining the maximum yield with the application of 2 kg of compost per linear meter. Although the potential effects of N and P were partially masked by other inputs of these nutrients in the system (high concentration of nitrates in the irrigation water and phosphoric acid supplied by fertigation), an effect of P was observed the first year of study resulting in a greater plant P accumulation and in an increase in the number of fruits in the amended plots. In addition, the higher accumulation of available N and P in the topsoil at the end of the growing season indicated the potential use of this material as source of these nutrients.

Decoupling of soil nutrient cycles as a function of aridity in global drylands

The biogeochemical cycles of carbon (C), nitrogen (N) and phosphorus (P) are interlinked by primary production, respiration and decomposition in terrestrial ecosystems. It has been suggested that the C, N and P cycles could become uncoupled under rapid climate change because of the different degrees of control exerted on the supply of these elements by biological and geochemical processes. Climatic controls on biogeochemical cycles are particularly relevant in arid, semi-arid and dry sub-humid ecosystems (drylands) because their biological activity is mainly driven by water availability. The increase in aridity predicted for the twenty-first century in many drylands worldwide may therefore threaten the balance between these cycles, differentially affecting the availability of essential nutrients. Here we evaluate how aridity affects the balance between C, N and P in soils collected from 224 dryland sites from all continents except Antarctica. We find a negative effect of aridity on the concentration of soil organic C and total N, but a positive effect on the concentration of inorganic P. Aridity is negatively related to plant cover, which may favour the dominance of physical processes such as rock weathering, a major source of P to ecosystems, over biological processes that provide more C and N, such as litter decomposition. Our findings suggest that any predicted increase in aridity with climate change will probably reduce the concentrations of N and C in global drylands, but increase that of P. These changes would uncouple the C, N and P cycles in drylands and could negatively affect the provision of key services provided by these ecosystems.

Efecto de la fertilización orgánica y mineral en las propiedades del suelo, la emisión de los principales gases de efecto invernadero y en las diferentes fases fenológicas del cultivo de café (Coffea arabica L.)

El cultivo de café es de gran importancia a nivel mundial (ICO, 2011), y en el Ecuador ha sido uno de los cultivos más importantes en la generación de divisas (COFENAC, 2011). Sin embargo en los sistemas productivos de este país se puede apreciar el uso inapropiado de fertilizantes, lo que conlleva a una pérdida de nutrientes, por lo que es importante estudiar las dosis adecuadas para la fertilización tanto mineral como orgánica. El objetivo del trabajo fue evaluar el efecto de la fertilización mineral y orgánica en diferentes dosis en un monocultivo de café en la provincia de Loja, sobre las propiedades del suelo, la emisión de los principales gases que provocan el efecto invernadero y la fenología y productividad del cultivo. En la provincia de Loja (Ecuador) se seleccionó un área de 2.520 m2 en la que se establecieron 21 parcelas de café arábigo (Coffea arabica L.) var. caturra y se aplicó tres tratamientos con tres repeticiones de fertilización mineral y tres orgánicos con dosis: bajas minerales (MIN 1= 157 Kg NPK ha-1 año-1 para el primer año y 425 Kg NPK ha-1 año-1 para el segundo año), medias minerales (MIN 2= 325 Kg NPK ha-1 año-1 para el primer año y 650 Kg NPK ha-1 año-1 en el segundo año) y altas minerales (MIN 3= 487 y 875 Kg NPK ha-1 año-1 para el primer y segundo año respectivamente), bajas orgánicas (ORG 1= 147 Kg NPK ha-1 año-1 en el primer año y 388 Kg NPK ha-1 año-1 en el año dos), medias orgánicas (ORG 2= 265 Kg NPK ha-1 año-1 para el primer año y 541 Kg NPK ha-1 año-1 en el segundo año), altas orgánicas (ORG 3= 368 Kg NPK ha-1 año-1 para el primer año y 727 Kg NPK ha-1 año-1 en el segundo año) y fertilización cero (TES = sin fertilización). Se usó urea, roca fosfórica y muriato de potasio en la fertilización mineral y humus (Bioabor) en la orgánica, más un tratamiento testigo, cada tratamiento tuvo tres repeticiones. El tiempo de evaluación de los fertilizantes aplicados fue de dos años consecutivos, la fertilización se la realizó dos veces por año y en base a análisis del suelo y demandas nutricionales del cultivo. para determinar las características del suelo se realizó muestreos de suelos en cada parcela a una profundidad de 20 cm de estas muestras los parámetro iniciales determinados fueron: color (Munsell), textura (método del hidrómetro), pH (relación 1:2,5 suelo-agua), Materia orgánica (Walkey y Black), Nitrógeno (Micro Kjendahl), Fósforo (Bray y Kurtz), Potasio (Olsen), estos procesos se repitieron cada seis meses para poder evaluar los cambios de que se producen debido a la fertilización mineral y orgánica en el cultivo. Las emisiones de gases efecto invernadero desde el suelo al ambiente se determinaron por el método de cámara cerrada (Rondón, 2000) y la concentración por cromatografía de gases. Las mediciones fisiológicas (altura de planta, ancho de copa, grosor de tallo y producción) se las evaluó cada dos meses, a excepción de la producción que fue anual al término de cada cosecha. Además se realizó el análisis económico de la productividad del cultivo. El análisis estadístico de datos se lo realizó con el programa SPSS v. 17.0. Las medias fueron comprobadas mediante ANOVAS de un factor con test de Tukey (P < 0,05). El beneficio económico se estimó en términos de ingresos y gastos totales que se presentaron en el ensayo. Los resultados obtenidos al término del ensayo indican que los tratamientos MIN 2 y MIN 3 produjeron cambios más significativos en comparación con los otros tratamientos establecidos en la mejora de fertilidad del suelo, el pH ha sido menos afectado en la acidificación en comparación con los tratamientos orgánicos que se han acidificado mayormente; la materia orgánica (MO) tuvo incrementos considerablemente bueno en estos dos tratamientos, sin embargo fueron superados por los tratamientos de fertilización orgánica; el nitrógeno total (Nt )y el potasio (K) también presentaron mejores valores al termino del ensayo y el fósforo (P) mostro incrementos buenos aunque un poco menores que los de los tratamientos ORG 2 y ORG 3. En lo que respecta a las emisiones de gases efecto invernadero, los flujos acumulados de óxido nitroso (N2O) en los dos años han aumentado en todos los tratamientos en comparación con el tratamiento Testigo, pero de manera considerable y con mayores flujos en el tratamiento MIN 3 y MIN 2 que se podrían considerarse los de mayor contaminación por N2O al ambiente lo que se le atribuye a las dosis de fertilización mineral aplicadas en el periodo de investigación, los tratamiento MIN 1 y todos los tratamientos orgánicos muestran menores emisiones al ambiente. Las emisiones de metano (CH4) no muestran mayores diferencias de emisiones entre tratamientos, siendo los mayores emisores los tratamientos ORG 3 y ORG 2 posiblemente debido al abono orgánico y añadido al suelo; para las emisiones de dióxido de carbono (CO2) de manera similar al CH4 el tratamiento ORG 3 fue el que presento mayores emisiones, los flujos de CO2 al ambiente de los otros tratamientos fueron menores y no presentaron diferencias significativas entre ellos. La variables fisiológicas en todos los casos apoyaron al desarrollo de las plantas de café, esto al ser comparadas con el tratamiento Testigo, sin embargo las que alcanzaron las mayores altitudes, anchos de copas y diámetro de tallo fueron las plantas del tratamiento MIN 3, seguido del MIN 3, no mostrando significancia entre ellos, y para los tratamientos orgánicos el que presento muy buenos resultados en estas variables ha sido el ORG 3, el cual no presento diferencias significativas con el MIN 2, lo cual comprueba que la fertilización mineral es más efectiva en este caso frente a la orgánica. Para el primer año de producción el tratamiento mineral con fertilización MIN 3 es el que obtuvo mayor producción no presentando diferencia estadística con el tratamiento con el MIN 2, no obstante fueron significativamente mayores que los otros tratamientos. Vale indicar que también el tratamiento MIN 1 y el tratamiento ORG 3 han presentado una producción considerable de café no mostrando diferencias estadísticas entre ellos. Para el segundo año la producción el cultivo mostró mayores rendimientos que el primer año de evaluación en todos los tratamientos, esto debido a la fisiología propia del cultivo y por otra parte se atribuye a la adición de fertilizantes que se ha realizado durante todo el ensayo; de manera similar al anterior los tratamientos MIN 3 y MIN 2 obtuvieron mejores rendimientos, no enseñando diferencias estadísticas significativas entre ellos, no obstante el tratamiento mineral dosis MEDIA no presentó significancia estadística con el ORG 3. El benéfico económico ha resultado mayor en el tratamiento MIN 3 y MIN 2, aunque el tratamiento MIN 2, es el que obtiene la mejor relación costo-beneficio; los tratamientos ORG 2 y ORG 3 y Testigo has producido beneficios negativos para el productor. En cuanto a la parte ambiental se considera que los mejores tratamientos en cuanto ha cuidado ambiental serían los tratamientos MIN 1 y ORG 1, sin embargo a nivel de producción y rentabilidad para el productor baja. ABSTRACT Coffee growing has great importance worldwide (ICO, 2011), and in Ecuador, it has been one of the most important crops to generate income (COFENAC, 2011). However, in the productive systems of this country, the inappropriate use of fertilizers has been observed which produces loss of nutrients, thus it is important to study suitable doses for mineral and organic fertilizing. The purpose of the study was to evaluate the effect of mineral and organic fertilizing at different doses in a coffee monoculture in the province of Loja on soil characteristics, emission of the main gasses that produce the greenhouse effect and the phenology and productivity of crops. In the province of Loja (Ecuador) an area of 2.520 m2 was chosen, where 21 plots of Arabica coffee (Coffea arabica L.), the caturra variety were cultivated and three treatments with three repetitions each one for mineral and organic fertilization were used with doses that ranged from: mineral low (MIN 1= 157 Kg NPK ha-1 año-1 for the first year y 425 Kg NPK ha-1 año-1 for the second year), mineral medium (MIN 2= 325 Kg NPK ha-1 año-1 for the first year y 650 Kg NPK ha-1 año-1 I the second year) y mineral high (MIN 3= 487 y 875 Kg NPK ha-1 año-1 for the first and second year respectively), organic low (ORG 1= 147 Kg NPK ha-1 año-1 in the first year y 388 Kg NPK ha-1 año-1 in the second year), organics medium (ORG 2= 265 Kg NPK ha-1 año-1 for the first year y 541 Kg NPK ha-1 año-1 in the second year), organics high (ORG 3= 368 Kg NPK ha-1 año-1 for the first year and 727 Kg NPK ha-1 año-1 in the second year) y fertilization zero (TES = no fertilization).; urea, phosphoric rock and muriate of potash were used in the mineral fertilization and humus (Bioabor) in the organic, plus a blank treatment. Time to evaluate the applied fertilizers was for two consecutive years, fertilization was done twice per year based on soil analysis and nutritional requirements of the crops. In order to determine the characteristics of the soil, samples of soil in each plot with a depth of 20 cm were done; from these samples, the determined initial parameters were: color (Munsell), texture (hydrometer method), pH (soil-water 1:2,5 relation), organic matter (Walkey y Black), nitrogen (Micro Kjendahl), phosphorus (Bray y Kurtz), potassium (Olsen); these processes were repeated each six months in order to evaluate the changes that are produced due to mineral and organic fertilization in the crops. The emissions of greenhouse gasses from the soil to the atmosphere were determined by using enclosure method (Rondón, 2000) and the concentration, by using gas chromatography during the whole testing. The physiological measures (plant height, width of the top of the tree, thickness of the stem and production) were evaluated each two months, except for production which was annual at the end of each harvest. Moreover, the economic analysis of the productivity of the crops was done. The statistical analysis of the data was done using SPSS v. 17.0. The means were proved by ANOVAS with a factor of a Tukey test (P < 0,05). The economic benefit was estimated in terms of incomes and total expenses which were presented in the essay. The results obtained at the end of the essay show that the MIN 2 and MIN 3 treatments produced more meaningful changes in comparison with the other treatments used to improve soil fertility; pH was less affected in the acidification compared with the organic treatments which were greatly acidified; organic matter (MO) had increased considerably in these two treatments; however, they were surpassed by the organic treatments of fertilization; total nitrogen (Nt) and potassium (K) also presented better results at the end of the essay and phosphorus (P) showed good increasing figures although a little lower compared with ORG 2 and ORG 3 treatments. Regarding the emission of the greenhouse gasses, the fluxes accumulated from nitrous oxide (N2O) in two years increased in all the treatments in comparison with the blank treatment, but in a greater form and with higher fluxes in the MIN 3 and MIN 2 treatments which can be considered as the ones with greater contamination of N2O in the atmosphere, this can be due to the applied mineral doses to fertilize during the process; MIN 1 treatments and all the organic ones showed lower emission to the atmosphere. Methane emissions (CH4) did not show major differences in emissions in the treatments, being the greater emissions the ORG 3 and ORG 2 treatments; this is possibly due to the organic compost added to the soil; regarding carbon dioxide (CO2) emissions, in a similar way to CH4, the ORG 3 treatment was the one that presented greater emissions, the CO2 emissions to the atmosphere in the other treatments were lower and did not present meaningful differences among them. The physiological variables in all the cases helped coffee crops grow, this was observed when compared with the blank treatment; however, plants that reached the greatest height, width of top and diameter of stem were the plants of the MIN 3 treatment, followed by MIN 3, which did not show much significance among them, and for the organic treatments, the one that presented great results in these variables was ORG 3, which did not show meaningful differences compared with MIN 2, which proves that mineral fertilization is more effective in this case compared with the organic. In the first year of production, the mineral treatment with MIN 3 fertilization obtained greater production and thus did not show statistical difference with MIN 2 treatment, although the other treatments were greater. It is worth mentioning that MIN 1 treatment and ORG 3 treatment presented a meaningful production of coffee, not showing statistical differences among them. For the second year, the production of the crops showed greater profits than in the first year of evaluation in all the treatments, this was due to the physiological properties of the crops and on the other hand, it might be due to the addition of fertilizers during the whole essay; in a similar way, MIN 3 and MIN 2 performed better, not showing greater statistical differences among them, although the mineral treatment MEDIUM doses did not show statistical difference compared with ORG 3. The economic benefit was greater in the MIN 3 and MIN 2 treatments, although MIN 2 treatment is the one that shows the best cost-benefit ratios; ORG 2 and ORG 3 treatments and the blank produced negative benefits for the producer. Regarding the environment, the best treatments to care for the atmosphere are considered to be MIN 1 and ORG 1 treatments; however, regarding production volume and profitability they were low for the producer.

Enhanced iron gettering by short, optimized low-temperature annealing after phosphorus emitter diffusion for industrial silicon solar cell processing

The introduction of a low-temperature (LT) tail after P emitter diffusion was shown to lead to considerable improvements in electron lifetime and solar cell performance by different researchers. So far, the drawback of the investigated extended gettering treatments has been the lack of knowledge about optimum annealing times and temperatures and the important increase in processing time. In this manuscript, we calculate optimum annealing temperatures of Fe-contaminated Si wafers for different annealing durations. Subsequently, it is shown theoretically and experimentally that a relatively short LT tail of 15 min can lead to a significant reduction of interstitial Fe and an increase in electron lifetime. Finally, we calculate the potential improvement of solar cell efficiency when such a short-tail extended P diffusion gettering is included in an industrial fabrication process.

Understanding phosphorus diffusion into silicon in a MOVPE environment for III-V on silicon solar cells

Dual-junction solar cells formed by a GaAsP or GaInP top cell and a silicon bottom cell seem to be attractive candidates to materialize the long sought-for integration of III?V materials on silicon for photovoltaic applications. When manufacturing a multi-junction solar cell on silicon, one of the first processes to be addressed is the development of the bottom subcell and, in particular, the formation of its emitter. In this study, we analyze, both experimentally and by simulations, the formation of the emitter as a result of phosphorus diffusion that takes place during the first stages of the epitaxial growth of the solar cell. Different conditions for the Metal-Organic Vapor Phase Epitaxy (MOVPE) process have been evaluated to understand the impact of each parameter, namely, temperature, phosphine partial pressure, time exposure and memory effects in the final diffusion profiles obtained. A model based on SSupremIV process simulator has been developed and validated against experimental profiles measured by ECV and SIMS to calculate P diffusion profiles in silicon formed in a MOVPE environment taking in consideration all these factors.

Optimizing phosphorus diffusion for photovoltaic applications: peak doping, inactive phosphorus,gettering, and contact formation

The phosphosilicate glass (PSG), fabricated by tube furnace diffusion using a POCl3 source, is widely used as a dopant source in the manufacturing of crystalline silicon solar cells. Although it has been a widely addressed research topic for a long time, there is still lack of a comprehensive understanding of aspects such as the growth, the chemical composition, possible phosphorus depletion, the resulting in-diffused phosphorus profiles, the gettering behavior in silicon, and finally the metal-contact formation. This paper addresses these different aspects simultaneously to further optimize process conditions for photovoltaic applications. To do so, a wide range of experimental data is used and combined with device and process simulations, leading to a more comprehensive interpretation. The results show that slight changes in the PSG process conditions can produce high-quality emitters. It is predicted that PSG processes at 860 °C for 60 min in combination with an etch-back and laser doping from PSG layer results in high-quality emitters with a peak dopant density Npeak = 8.0 × 1018 cm−3 and a junction depth dj = 0.4 μm, resulting in a sheet resistivityρsh = 380 Ω/sq and a saturation current-density J0 below 10 fA/cm2. With these properties, the POCl3 process can compete with ion implantation or doped oxide approaches.