estabilización de residuos de vinazas y lodos de
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I Simposio Iberoamericano de Ingeniería de Residuos Castellón, 23-24 de julio de 2008. ESTABILIZACIÓN DE RESIDUOS DE VINAZAS Y LODOS DE DEPURADORA TRAS UN PROCESO DE VERMICOMPOSTAJE CON ESTIÉRCOL DE CONEJO EN CONDICIONES DE LABORATORIO Soriano, M.D.*; Molina, M.J..; Llinares, J.; Pons, V.; Ingelmo, F. ETSMRE. Universidad Politécnica de Valencia, C/ Blasco Ibañez nº 10 46010 Valencia Centro de Investigaciones sobre Desertificación- CIDE (CSIC-UV-GV, Camí de la Marjal s/n 46470 Albal (Valencia) EPSG Universidad Politécnica de Valencia, Ctra. Nazaret-Oliva s/n 46730 Grao de Gandía (Valencia). Resumen La adición de residuos orgánicos en suelos degradados de los ecosistemas mediterráneos supone una estrategia interesante para mejorar las propiedades estructurales y el contenido en material orgánica de los suelos. Los residuos orgánicos biodegradables como los lodos de depuradora o las vinazas de la industria alcoholera son una fuente de materia orgánica y nutrientes para mejorar su productividad, aunque su aplicación directa supone un riesgo de contaminación del agua y el suelo. Con la creciente necesidad de conservar los recursos naturales y la energía, el reciclaje de este tipo de residuos orgánicos adquiere gran importancia. Las lombrices son importantes agentes biológicos de la degradación de los residuos orgánicos y el vermicompostaje es una de las tecnologías más efectivas y ambientalmente sostenibles. Mediante el proceso de vermicompostaje sobre una base de estiércol de conejo, se adicionan dosis crecientes de lodos de depuradora y vinazas de lías. El experimento se lleva a cabo en el laboratorio donde sobre el estiércol de conejo se inoculan lombrices de la serie Eisenia foetida, siendo vermicompostados bajo condiciones controladas durante 2 meses. El vermicompost final obtenido utilizando estiércol de conejo y lodos de depuradora o vinazas presenta concentraciones de nutrientes y de metales pesados que lo hacen apto para su utilización agrícola, aunque la calidad del producto es inferior a la del vermicompost sobre estiércol, y ésta disminuye al aumentar la dosis de biosólido añadido. El proceso de humificación de la materia orgánica aumenta al añadir concentraciones crecientes de lodo y ocurre lo contrario en el caso del vermicompost con vinazas. La concentración de metales es mayor en el vermicompost con lodos, y la salinidad mayor en el de vinazas. En ambas series de compost las lombrices se desarrollaron favorablemente, aunque en menor proporción que en el control, lo que sugiere que el crecimiento de las lombrices es un indicador sensible a la ecotoxicidad de los biosólidos utilizados. El número de lombrices en el vermicompost final es mayor en el caso de los lodos que en las vinazas, a pesar de la mayor concentración de metales lo que sugiere la posibilidad de una mayor biodisponibilidad de éstos para las lombrices en el vermicompost con vinazas. Aunque el proceso de vermicompostaje constituye una ecotecnología efectiva para la obtención de enmiendas orgánicas maduras y para la eliminación de residuos contaminantes con metales pesados, su utilización debe contemplar no sólo su concentración total sino también su biodisponibilidad, y ésta puede depender de la cantidad y composición del humus y de los microorganismos implicados en el proceso. Palabras clave: residuos de vinazas, lodos de depuradora, estiércol de conejo, Eisenia foetida, vermicompostaje, cambios químicos, fitotoxicidad. * Correspondencia:[email protected] I Simposio Iberoamericano de Ingeniería de Residuos Castellón, 23-24 de julio de 2008. 1. Introducción Los ecosistemas mediterráneos presentan suelos degradados debido a la interacción entre la aridez climática y el uso y manejo del suelo, que aumenta la mineralización de la materia orgánica, disminuye la capacidad de retención hídrica, la cobertura vegetal y favorece los procesos de erosión y desertificación [1]. La materia orgánica en el suelo desempeña un papel clave en la sostenibilidad de los agrosistemas mediterráneos ya que posee propiedades como la de almacenamiento de agua, capacidad de intercambio catiónico, secuestro de contaminantes orgánicos e inorgánicos y efectos beneficios en sus características físicas, químicas y biológicas [2] [3]. Los residuos orgánicos biodegradables como los lodos de depuradora o las vinazas de la industria alcoholera son una fuente de nutrientes para mejorar la productividad de los agrosistemas, aunque su aplicación directa supone un riesgo de contaminación del agua y el suelo [4]. Con la creciente necesidad de conservar los recursos naturales y la energía, el reciclaje de este tipo de residuos orgánicos adquiere gran importancia. Las lombrices son importantes agentes biológicos de la degradación de los residuos orgánicos y el vermicompostaje es una de las tecnologías más efectivas y ambientalmente sostenibles para convertir los residuos orgánicos en productos fertilizantes, produciendo compost de mejor calidad que el obtenido por métodos tradicionales [5]. El potencial del vermicompostaje como tecnología ecológica, económica y socialmente aceptable para el tratamiento de residuos y otros usos agrarios e industriales, es reconocido internacionalmente [6]. La literatura especializada indica que hay numerosos estudios sobre el uso de las lombrices de tierra en procesos de compostaje de sustratos orgánicos muy variados como abonos orgánicos, residuos sólidos urbanos, residuos de la industria agroalimentaria, minería etc. [7]. En este proceso, la acción de las lombrices es física (fraccionamiento, mezcla, aireación) y bioquímica (descomposición microbiana de los resíduos fuera y en el intestino de las lombrices. Durante el vermicompostaje, se liberan nutrientes y hay evidencias de que los microorganismos patógenos no sobreviven a este proceso [8]. Cuando se utilizan este tipo de técnicas para la eliminación de residuos contaminantes se debe asegurar que las características del vermicompost producido son ambientalmente sostenibles para su utilización, y en este sentido no sólo es importante determinar las características del producto obtenido y la concentración total de elementos contaminantes sino que también lo es evaluar el crecimiento y el éxito reproductivo de las lombrices ya que éstas son excelentes bioindicadores de la biodisponibilidad de éstos [6], de modo que el crecimiento puede utilizarse como indicador de posibles riesgos ambientales. Los objetivos del trabajo son: i) comparar las características del vermicompost resultante del proceso de transformación y estabilización de dosis crecientes de lodos de depuradora y vinazas de la industria alcoholera mediante compostaje con estiércol de conejo utilizando lombrices de tierra, y ii) evaluar la ecotoxicidad potencial del producto obtenido utilizando el crecimiento de las lombrices como indicador biológico. 2. Materiales y Métodos La lombriz utilizada proviene de una población de Eisenia foetida obtenida de un lecho de cultivo con estiércol fresco de conejo (Fig. 1) en parcelas experimentales de la Universidad Politécnica de Valencia (Fig. 2). El estiércol fresco fue pre-compostado durante 21 días. El tratamiento de precompostaje consistió en tres volteos semanales para disminuir la humedad, la temperatura, estabilizar el pH y facilitar su manipulación. Las características del substrato después de este proceso se indican en la Tabla 1. En el laboratorio, 3 kg de este substrato se colocan en recipientes de plástico de 15 cm de diámetro y 20 cm de altura, con I Simposio Iberoamericano de Ingeniería de Residuos Castellón, 23-24 de julio de 2008. orificios que facilitan la aireación y la salida de gases, y una malla para evitar la pérdida de lombrices. A cada recipiente se añaden 45 lombrices. Se realizan 7 tratamientos: vermicompost con estiércol de conejo (Vo), vermicompost con estiércol de conejo y adición de lodos de depuradora (ver Tabla 1) a concentraciones crecientes de 10, 30 y 50% (VL1, VL2 y VL3), y vermicompost con adición de vinazas de lías (ver Tabla 1) a concentraciones crecientes de 10, 30 y 50% (VV1, VV2 y VV3). Se utilizan tres recipientes por tratamiento. Los tratamientos consisten en la adición de las disoluciones de los biosólidos al substrato de estiércol de conejo con las lombrices en la proporción y frecuencia que se indica en la Tabla 2, evitando las pérdidas por lixiviación. El experimento se realiza en condiciones controladas de laboratorio, a temperatura de 20 ºC y condiciones de humedad del 85%. En el vermicompost correspondiente a cada tratamiento se cuenta el número de lombrices en cada recipiente y se obtiene la media. Las lombrices se separan y el vermicompost se deja secar sobre papeles de filtro durante unos días en un lugar fresco y con una buena ventilación. En el vermicompost final se determina el C orgánico total y la proporción de substancias húmicas (ácidos fúlvicos, ácidos húmicos y humina oxidable), el contenido de nitrógeno total, la relación C/N, el contenido de fósforo asimilable, la cantidad de calcio y magnesio intercambiable, el pH y la conductividad eléctrica. Se utilizan los métodos oficiales del Ministerio de Agricultura [9]. El contenido total de metales se determina mediante digestión de la muestra con una solución ácida nítrico-perclórica y posterior medida en un espectrofotómetro de emisión de plasma Perkin Elmer ICP/-5500. El tratamiento estadístico de los datos se ha realizado mediante el programa SPSS v. 15.0. Se ha realizado el análisis de la varianza ANOVA para determinar diferencias significativas entre tratamientos y utilizado el test de Tukey para la comparación de medias. El nivel de significación utilizado es P<0.05. Fig. 1. Estiércol fresco de conejo Fig. 2. Parcelas experimentales en la Universidad Politécnica de Valencia 3. Resultados y Discusión Según indican los datos de la Tabla 1, los contenidos de materia orgánica del substrato y de los biosólidos son altos, lo asegura que las lombrices tienen C suficiente para su alimentación. Dichos contenidos son mayores en el estiércol mientras que el contenido de C orgánico es mayor en los biosólidos, y ello sugiere que los restos orgánicos del estiércol están menos transformados que los de los biosólidos. Otros macronutrientes como el N tienen mayores contenidos en el lodo y en el estiércol, comparado con las vinazas. En cambio, los biosólidos tienen mayor contenido de P y Ca2+ que el estiércol y éste mucho mayor contenido de K+. En general, el estiércol de conejo tiene un contenido nutritivo mayor y mejor proporcionado que los biosólidos. I Simposio Iberoamericano de Ingeniería de Residuos Castellón, 23-24 de julio de 2008. Tabla 1. Características del estiércol de conejo antes del pre-compostaje y características de los biosólidos utilizados en el estudio. PARÁMETROS Humedad (%) Materia Orgánica Total (%) Carbono Orgánico Oxidable (%) pH (sol. Acuosa 1:25) C.E. (dS/m) (extracto 1:5) Relación C/N Nitrógeno Total (%N) Fósforo Total (%) Potasio Total (%) Calcio (%CaO) Sodio (% Na) Cobre (ppm Cu) Manganeso (ppm Mn) Cinc (ppm Zn) Níquel (ppm Ni) Plomo (ppm Pb) Cadmio (ppm Cd) ESTIÉRCOL DE CONEJO 70 79,10 32,20 8,40 1,70 12 2,66 4,10 4,00 1,55 0,95 62 203 282 10 3 0,99 LODOS VINAZAS 80 59,30 36,50 7,63 2,22 9 3,99 7,75 0,14 11,40 0,21 276 120 1.377 303 168 0,74 88 58,98 34,29 5,00 6 20 2,5 6,43 0,17 9,20 6,00 39 20 780 133 ND ND Tabla 2. Concentración de lodo (L) y vinaza (V) y volumen añadido (ml) al estiércol de conejo precompostado para la obtención del vermicompost (V) correspondiente a cada tratamiento. VL indica vermicompost con lodos, VV vermicompost con vinazas. Los números 1 a 3 indican dosis crecientes de biosólidos en cada vermicompost. V0 es el vermicompost control, tratado con agua. Fechas Tratamientos 05/04/2004 07/04/2004 13/04/2004 20/04/2004 22/04/2004 28/04/2004 05/05/2004 10/05/2004 18/05/2004 26/05/2004 31/05/2004 09/06/2004 0% (agua) V0 250 150 250 150 150 150 150 150 150 150 150 150 Concentración de biosólido 10% 30% 50% VL1 y VV1 VL2 y VV2 VL3 y VV3 250 250 250 150 150 150 250 250 250 150 150 150 150 150 150 150 150 150 150 150 150 150 150 150 150 150 150 150 150 150 150 150 150 150 150 150 Entre las características de los substratos utilizados que pueden afectar al desarrollo de las lombrices destacan los altos niveles de salinidad y el pH ácido de las vinazas, comparado I Simposio Iberoamericano de Ingeniería de Residuos Castellón, 23-24 de julio de 2008. con el de los lodos y el del estiércol. Asimismo los contenidos totales de los metales Cu2+ y Zn2+ destacan, por su concentración, como los contaminantes de mayor toxicidad potencial para las lombrices en el estiércol y en los biosólidos, aunque ésta depende de su biodisponibilidad [10] [11]. En general, cuanto mayor es el pH, menor es ésta. En el caso de los lodos, la concentración total de estos metales es mayor, aunque dado su pH básico, posiblemente tengan menor disponibilidad que en el caso de las vinazas, cuyo pH es bajo. Además, las vinazas tienen un contenido alto de Na+, lo que puede dar origen a un mayor grado de dispersión de la materia orgánica y menor capacidad complejante que en los lodos. Finalmente, las vinazas tienen gran cantidad de polifenoles que son tóxicos [12] y, a diferencia de los lodos, pueden tener menor proporción de microorganismos o ser distintos a los anteriores. Tabla 3. Características del vermicompost final en los tratamientos con lodos a dosis crecientes (V0: vermicompost de estiércol de conejo, control; VV1 a VV3: vermicompost con vinazas a concentraciones de 10, 30 y 50% respectivamente). Letras diferentes indican diferencias significativas (Tukey test, P<0.05). C org. total g kg-1 % Humina % Ac. Húmicos % Ac. Fúlvicos -1 S. Húmicas g kg -1 Ntotal g kg C/N -1 P2O5 g kg -1 Ca cmol kg Mg cmol c/kg pH H2O -1 CE dS m -1 Cu g kg -1 Zn g kg -1 Ni g kg Estiércol V0 288a 5.44 a 0.52 a 1.51a 87 a Estiércol+Lodos VL1 VL2 258 b 255 b 5.86 a 5.61 a 0.62 a 0.51 a 1.82 a 2.51 b 168 b 185 c VL3 241 c 5.26 a 0.58 a 2.61 b 211 c 19.2 a 15 a 4.3 a 18 ab 14 a 6b 19.3 a 13 ab 7.2 c 18.9 a 13 ab 7.4 c 3.06 a 15.3 a 7.83 a 7.14 b 11.73 a 7.7 a 7.14 b 8.05 b 7.62 b 9.69 c 4.08 c 7.59 b 1.95 a 2.64 b 2.85 c 2.83 c 3 a 30 b 55 b 125 c 33 a 170 b 210 c 225 c 10 a 26 b 62 b 90 b El análisis de la varianza realizado sobre las muestras (no mostrado) indica que hay un efecto significativo del tipo de biosólido utilizado y de la dosis de éste. Además, en algunas de las variables analizadas la interacción también es significativa. Este resultado sugiere que las propiedades de los vermicompost de cada biosólido varían de forma diferente según la dosis de aplicación. Los resultados de las Tablas 3 y 4 indican variaciones significativas de las propiedades analizadas en los distintos vermicompost. Sin embargo, algunas de las propiedades tienen tendencias diferentes dependiendo del tipo de biosólido añadido. En las dos series de compost se produce una disminución del carbono orgánico total al aumentar las proporciones de biosólidos añadidas, tendencia que indicaría la respiración de los microorganismos implicados, la liberación de CO2 y la mineralización del C [13]. En el I Simposio Iberoamericano de Ingeniería de Residuos Castellón, 23-24 de julio de 2008. vermicompost con vinazas esta reducción tiende a ser mayor que en el vermicompost con lodos. Tabla 4. Características del vermicompost final en los tratamientos con vinazas a dosis crecientes (V0: vermicompost de estiércol de conejo, control; VV1 a VV3: vermicompost con vinazas a concentraciones de 10, 30 y 50% respectivamente). Letras diferentes indican diferencias significativas (Tukey test, P<0.05) -1 C org. total g kg % Humina % Ac. Húmicos % Ac. Fúlvicos -1 S. Húmicas g kg -1 Ntotal g kg C/N -1 P2O5 g kg -1 Ca cmol kg Mg cmol c/kg pH H2O -1 CE dS m -1 Cu g kg -1 Zn g kg -1 Ni g kg Estiércol Estiércol+Vinazas V0 VV1 VV2 VV3 288 a 282 a 265 b 236 c 4.8 b 4.92 b 4.38 c 5.44 a 0.52 a 0.54 a 0.65 b 0.35 c 1.51 a 1.65 b 1.72 b 1.39 c 87 a 70 b 73 b 61 c 19.2 a 15 a 4.3 a 21.9 b 13 a 4.9 b 22.3 b 12 ab 4.2 a 16.9 c 14 a 4.4 a 3.06 a 15.3 a 7.83 a 5.1 b 14.79 a 7.09 b 7.65 c 9.69 b 7.73 a 5.61 b 8.67 b 8.13 a 1.95 a 2.93 b 3.47 b 4.17 c 3a 20 b 24 b 30 c 33 a 100 b 150 c 300 d 10 a 6a 8a 12 a Los valores de las fracciones humificadas ácidos húmicos, fúlvicos y huminas nos indican la transformación de la materia orgánica en formas estabilizadas. En el caso del vermicompost con lodos hay un aumento de la proporción de substancias húmicas, lo que indica una progresiva transformación de la materia orgánica en humus. Sin embargo, en el vermicompost con vinazas se produce una reducción. Este resultado puede indicar que en este tipo de humus hay mayor proporción de sustancias húmicas solubles y poco estabilizadas y que ha habido mayor mineralización de la materia orgánica y menor humificación. Si esto es así, cabe esperar mayor biodisponibilidad de metales en el compost de vinazas, a pesar de que su contenido sea inferior al de los vermicompost con lodos. Las variaciones de la relación C:N de los vermicompost de lodos y vinazas respecto del control también indican un aumento de la mineralización durante el compostaje de estos residuos, aunque esta relación experimenta relativamente poca variación. En todo caso, la mineralización parece mayor en el vermicompost con vinazas, lo que indirectamente indicaría mayor humificación en el control y en el vermicompost con lodos. Valores de 12 o inferiores indican un buen grado de madurez del compost [14] (Ingelmo et al., 2003) Los valores de pH tienden a disminuir respecto del control, y esta disminución es más evidente en la serie de compost con lodos. Algunos autores [13] [15], interpretan esta disminución como debido a la mineralización del nitrógeno y los fosfatos y a la conversión de la material orgánica en diversos ácidos orgánicos. Esta interpretación sería coherente con los mayores aumentos de P observados en el compost con lodos, aunque los valores de N son inferiores a los del vermicompost con vinazas (Tablas 3 y 4). I Simposio Iberoamericano de Ingeniería de Residuos Castellón, 23-24 de julio de 2008. En el caso de la conductividad eléctrica, tanto en el vermicompost con lodos como con vinazas se produce un aumento que es proporcional a la concentración de biosólido añadido, y superior en el vermicompost con vinazas. Si consideramos como niveles admisibles de salinidad de la enmienda orgánica a añadir al suelo sin problemas para los cultivos valores del orden de 4 dS/m, el vermicompost con lodos resulta de mejor calidad [16]. Otra diferencia entre las dos series de compost es la variación del Ca2+ y el Mg2+ cambiables. El Ca2+ tiende a aumentar en ambas series, sin embargo, el Mg2+ tiende a disminuir mucho más en el vermicompost con vinazas, lo que puede estar relacionado con el aumento de la salinidad. Finalmente, la concentración de metales en el vermicompost aumenta sobre el control al aumentar la concentración de biosólido añadida, lo que es coherente con los resultados encontrados por otros autores [10]. Hay una mayor concentración de metales en los vermicompost con lodos y esto también está en consonancia con la mayor concentración de los metales mayoritarios. En conjunto, los resultados de las Tablas 3 y 4 indican que los vermicompost V0, VL1,VL2, VV1 y VV2 cumplen los estándares de la legislación española [17] para ser considerados como compost de Clase A, mientras que los vermicompost restantes son de Clase B y C. La Figura 3 muestra el número de lombrices contabilizadas en los vermicompost finales objeto de estudio. La población inicial de lombrices de 45 individuos por recipiente se ha multiplicado por diez en el vermicompost control. Las tasas de crecimiento de las lombrices en los sustratos estudiados son superiores a las observadas por otros autores en experiencias similares en laboratorio [18] [19] lo cual evidencia, al menos parcialmente, la idoneidad de los sustratos empleados en el estudio (Tabla 1). Los vermicompost con lodos y con vinazas muestran menor número de lombrices que el control y el número de lombrices se reduce al aumentar la dosis de aplicación. Este resultado puede estar indicando la sensibilidad de la lombriz a la acumulación de los elementos tóxicos y contaminantes de los biosólidos añadidos. Este resultado es coherente con las observaciones de otros autores [12] al comparar el crecimiento de lombrices entre varios vermicompost con vinazas de distinta naturaleza y el obtenido con estiércol. Nuestros resultados indican que las lombrices se reproducen menos o que hay mayor mortalidad en los vermicompost con biosólidos, especialmente en el vermicompost con vinazas. Una posible interpretación a los resultados de la Figura 3 es la influencia de la concentración de metales en el caso de los lodos, y una interacción de varios factores como la acidez, la influencia de las sales, la presencia de polifenoles y, posiblemente también una mayor biodisponibilidad de metales debida un peor proceso de humificación en el vermicompost con vinazas. Lo que sí es evidente es que, a pesar de la mayor concentración de metales en el vermicompost con lodos, las lombrices parecen ser menos sensibles a éstos que a los elementos tóxicos aportados por las vinazas. Una de las principales hipótesis a confirmar, por sus repercusiones ambientales y en la cadena trófica en el caso de utilizar estos compost en agricultura, es una mayor acumulación de metales en el tejido de la lombriz al añadir vinazas que al añadir lodos. Otros autores [11] [21] han observado reducción del crecimiento y mortalidad de la lombriz de tierra a concentraciones de Cu y Ni del orden de 200 g Kg-1. Sin embargo, en medios ácidos y elevadas concentraciones de metales, la inoculación de microorganismos como Saccharomyces y Pseudomonas [21], (o la gran cantidad de éstos y otros que existe en los lodos), pueden reducir la biodisponibilidad de dichos metales, bien de forma activa (bioacumulación) o pasiva (bioabsorción), y, de esta forma evitar la acumulación en el tejido de la lombriz. I Simposio Iberoamericano de Ingeniería de Residuos Castellón, 23-24 de julio de 2008. VL Vermicompost lodos VV Vermicompost vinazas Nº de Lombrices 500 400 300 200 100 0 0 10 20 30 40 50 Concentración de biosólido (%) Figura 3. Número de lombrices de Eisenia foetida en las muestras de vermicompost final, con lodos y vinazas a concentraciones de 10, 30 y 50% (0% corresponde al vermicompost de estiércol de conejo sin biosólidos, tomado como control). 4. Conclusiones El vermicompost final obtenido utilizando estiércol de conejo y lodos de depuradora o vinazas presenta concentraciones de nutrientes y de metales pesados que lo hacen apto para su utilización agrícola, aunque la calidad del producto es inferior a la del vermicompost sobre estiércol, y ésta disminuye al aumentar la dosis de biosólido añadido. El proceso de humificación de la materia orgánica aumenta al añadir concentraciones crecientes de lodo y ocurre lo contrario en el caso del vermicompost con vinazas. La concentración de metales es mayor en el vermicompost con lodos, y la salinidad mayor en el de vinazas. En ambas series de compost las lombrices se desarrollaron favorablemente, aunque en menor proporción que en el control, lo que sugiere que el crecimiento de las lombrices es un indicador sensible a la ecotoxicidad de los biosólidos utilizados. El número de lombrices en el vermicompost final es mayor en el caso de los lodos que en las vinazas, a pesar de la mayor concentración de metales lo que sugiere la posibilidad de una mayor biodisponibilidad de éstos para las lombrices en el vermicompost con vinazas. Aunque el proceso de vermicompostaje constituye una ecotecnología efectiva para la obtención de enmiendas orgánicas maduras y para la eliminación de residuos contaminantes con metales pesados, su utilización debe contemplar no sólo su concentración total sino también su biodisponibilidad, y ésta puede depender de la cantidad y composición del humus y de los microorganismos implicados en el proceso. 5. Referencias [1] Molina, M.J., Llinares, J.V., Soriano, M.D. (1999). La degradación de las propiedades del suelo en dos sistemas agroforestales de la Comunidad Valenciana. 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