Pine sawdust as hydroponic substrate. I: Variation in physical properties during five crop cycles

Joel Pineda–Pineda^1*; Felipe Sánchez del Castillo²; Armando Ramírez–Arias³; Ana María Castillo–González²; Luis Alonso Valdés–Aguilar⁴; Esaú del Carmen Moreno–Pérez²

¹ Departamento de Suelos, Universidad Autónoma Chapingo. km 38.5 carretera México–Texcoco. Chapingo Estado de México. C. P. 56230 Correo–e: pinedapjoel@yahoo.com.mx (*Autor para correspondencia).

² Profesor–Investigador. Departamento de Fitotecnia, Universidad Autónoma Chapingo. km 38.5 carretera México–Texcoco. Chapingo Estado de México. C.P. 56230.

³ Profesor–Investigador. Departamento de Preparatoria Agrícola, Universidad Autónoma Chapingo. km 38.5 carretera México–Texcoco. Chapingo Estado de México. C. P. 56230.

Recibido: 22 de julio, 2010.
Aceptado: 24 de enero, 2012.

Resumen

En agricultura bajo ambiente protegido se ha dado una sustitución gradual del suelo por sustratos, debido a limitantes físicas, químicas y biológicas. La utilización de materiales que son subproductos o desechos agroindustriales posibilita tener sustratos más baratos y un impacto ecológico positivo, como es el caso de la industria maderera que genera grandes volúmenes de aserrín con potencial como sustrato. Las características físicas de los sustratos son las más importantes, ya que una vez establecido el cultivo, difícilmente se pueden modificar y deben permanecer constantes a lo largo del ciclo del cultivo.

El objetivo de este trabajo fue evaluar la variación de las características físicas del sustrato formado por mezclas aserrín/tezontle durante varios ciclos de cultivo para determinar su factibilidad de uso. Para ello se establecieron 10 tratamientos que se formaron de la combinación de tres tamaños de partícula del tezontle (<3, 3–6 y 6–12 mm) con tres relaciones aserrín/tezontle (90/10, 80/20 y 70/30) más un tratamiento de 100 % aserrín. Estos tratamientos se evaluaron durante cinco ciclos continuos de cultivo con jitomate (30 meses). Al sustrato original y al final de cada ciclo se midieron porosidad total, volumen de partículas, capacidad de retención de humedad, capacidad de aireación y densidad aparente. Se encontró poca variación en la densidad aparente, pero la porosidad, la retención de humedad y la capacidad de aireación disminuyeron gradualmente durante los cinco ciclos de cultivo con jitomate. La capacidad de aireación fue la característica física que presentó mayor variación, mostrando valores por debajo del adecuado después de 24 meses de cultivo.

Palabras clave: Porosidad, humedad, aireación, densidad aparente.

In agriculture under controlled environment, soil has been replace by substrates due to physical, chemical and biological limitations. The use of materials coming from agro industrial wastes or byproducts facilitate the use of low cost substrates and enable a positive ecological impact, which is the case of the forest industry that produce a large volume of pine sawdust with potential as a substrate. Physical properties of the substrates are the most important, because once the crop has been settled, it can hardly be modified and it must remain constant throughout crop cycle.

The objective of this work was to evaluate the variation in physical properties of the substrate formed by a sawdust/volcanic rock mixture during several crop cycles to determine the feasibility of their use. For this purpose, 10 treatments were used, which consisted of the combination of three volcanic rock particle sizes (<3, 3–6 and 6–12 mm) and three sawdust/volcanic rock ratios (90/10, 80/20 and 70/30) plus a treatment 100 % pine sawdust. These treatments were tested during five continuous tomato crop cycles (thirty months). Total porosity, particle size, moisture retention capacity, air capacity and bulk density were measured at the end of each cycle and also from the original substrate. Little variation in bulk density was observed, but total porosity, moisture retention capacity and air capacity decreased gradually during the five tomato crop cycles. Air capacity was the physical characteristic that showed greater variation, showing values below the appropriate after 24 months of cultivation.

Keywords: Porosity, moisture, aeration, bulk density.

INTRODUCCIÓN

Debido al incremento de los sistemas de producción agrícola bajo ambiente protegido y a las limitantes físicas (profundidad, textura, pedregosidad, compactación), químicas (salinidad, alcalinidad, acidez, inmovilización y fijación nutrimental) y biológicas (contaminación con patógenos y nematodos) que presentan muchos suelos, se ha dado una sustitución gradual del suelo por sustratos hidropónicos.

Existe gran variación de materiales que pueden ser adecuados como sustratos de cultivo, pero se deben considerar sus características físicas, químicas y biológicas, las necesidades del cultivo, así como la compleja interacción de procesos y fenómenos que se suscitan en la relación contenedor–sustrato–planta–ambiente.

Fonteno y Bilderback (1993) mencionan que un sustrato debe cumplir cuatro condiciones: 1) proveer agua, 2) suministrar nutrimentos, 3) permitir el intercambio de gases entre la zona radicular y el exterior del sustrato, y 4) dar soporte a las plantas. Además, Raviv y Lieth (2008) indican que debe proporcionar un ambiente que mantenga un balance biológico.

De todas las propiedades del sustrato, las físicas son las más importantes, ya que una vez establecido el cultivo, difícilmente pueden manipularse (Abad et al., 2004; Blok et al., 2008) y deben permanecer estables durante el ciclo del cultivo (Raviv y Lieth, 2008). Para materiales orgánicos, la resistencia o facilidad que ofrecen a la descomposición microbiana (bioestabilidad) es un aspecto muy importante que influirá en el mantenimiento de las propiedades físicas durante el crecimiento de las plantas.

Además, en el proceso del cultivo se presenta la compresibilidad del sustrato por la acción de fuerzas mecánicas durante la manipulación, compactación durante el transporte o contracción del sustrato cuando se presenta variación en el contenido de humedad (humedecimiento y secado), y segregación de partículas finas al fondo del contenedor durante el riego, lo que hace que se pierda la forma y acomodo original del sustrato y se presente alteración en las relaciones agua/aire del sustrato (Lemaire, 1995; Abad et al., 2004).

El perfeccionamiento del manejo de los sistemas de producción agrícola usando sustratos, requiere una base de conocimientos mayor sobre la variación en las características físicas durante el ciclo de cultivo para poder manejar el suministro de agua y nutrimentos (Medrano et al., 2001; Suay et al., 2003) y mejorar los sistemas de producción comercial (Kláring et al., 1999; Roca et al., 2003).

Actualmente se comercializan sustratos de características y orígenes diversos, de forma pura o en mezclas de dos o más materiales, que buscan satisfacer las necesidades específicas de cada cultivo; sin embargo, sus altos precios (varios de ellos son de importación) limitan su acceso y uso a muchos productores. En las últimas décadas, se ha encontrado aplicación como medios de crecimiento a materiales que son subproductos o residuos de desecho de muy diversas actividades domésticas, urbanas e industriales (Resh, 1998; Sánchez y Escalante, 1988; Maher et al., 2008). La incorporación de estos materiales posibilita tener productos más baratos y, a largo plazo, un impacto ecológico positivo.

El aserrín de pino (Pinus sp), que proviene de la industria maderera, es un material que tiene potencial como sustrato. En México se procesan anualmente poco más de 8 millones de metros cúbicos de madera, de la cual 70 % se destina a la industria maderera, donde el principal producto de desecho es el aserrín y virutas, con una producción estimada de 2.8 millones de metros cúbicos (SEMARNAT, 2007). Las propiedades físicas del aserrín dependen del tamaño de sus partículas y se recomienda que del 20–40 % sean inferiores a 0.8 mm. Es un sustrato ligero, con una densidad aparente de 0.1 a 0.45 g·cm^–3. La porosidad total es superior al 80 %, la capacidad de retención de agua es de baja a media, pero su capacidad de aireación suele ser adecuada (Maher et al., 2008). La ventaja principal del aserrín es su bajo costo, pero al ser un material orgánico entra en descomposición, lo que reduce su vida útil como sustrato. Es posible que mezclando el aserrín con materiales inorgánicos como el tezontle (arena volcánica), los cambios en sus propiedades físicas sean más lentos, proporcionando un sustrato más durable sin incrementar los costos.

Con base en lo anterior, el objetivo de este trabajo fue determinar la variación en las características físicas del aserrín de pino solo y mezclado con distintas proporciones de tezontle durante cinco ciclos de cultivo, para determinar el tiempo que se mantienen las características principales que definen la calidad de un sustrato hidropónico, como son la retención de humedad, la capacidad de aireación, la densidad aparente y la porosidad total.

MATERIALES Y MÉTODOS

Ubicación del estudio

Éste se llevó a cabo en un invernadero de cristal con ventilación lateral y cenital ubicado en la Universidad Autónoma Chapingo. El control del microclima se realizó con extractores de aire húmedo para evitar temperaturas mayores a 35 ^oC en verano, mientras que en invierno se utilizan calentadores eléctricos que suministran aire caliente para mantener temperaturas arriba de 10 ^oC.

Los tratamientos se formaron utilizando un arreglo factorial 3 x 3. Uno de los factores correspondió al tamaño de partícula del tezontle y los tres niveles fueron diámetros <3, 3–6 y 6–12 mm, mientras que el segundo factor correspondió a relaciones aserrín/tezontle y los niveles fueron 90/10, 80/20 y 70/30. En todos los casos se uso aserrín de pino con diámetro de partícula <6 mm. La combinación de factores y niveles dio los siguientes tratamientos: T1: 90/10 (6–12 mm), T2: 80/20 (6–12 mm), T3: 70/30 (6–12 mm), T4: 90/10 (3–6 mm), T5: 80/20 (3–6 mm), T6: 70/30 (3–6 mm), T7: 90/10 (<3 mm), T8: 80/20 (<3 mm) y T9: 70/30 (<3 mm); se incluyó además un T10 que consistió en 100 % aserrín de pino. Se usaron bolsas de plástico bicolor (blanco–negro) de 15 L, de las cuales se llenaron 10 con cada tratamiento de sustrato y se trasplantaron dos plántulas de jitomate (Licopericon esculentum L.) variedad Tequila F1 en cada una. Las unidades experimentales se distribuyeron de acuerdo a un diseño completamente al azar, con un total de 10 tratamientos y 10 repeticiones.

Instalación y desarrollo experimental

El experimento se instaló en dos camas, cada una con dos hileras de bolsas y dos plantas por bolsa. Se establecieron cinco ciclos de cultivo con duración en promedio de seis meses cada uno. Al final de cada ciclo se removían los tallos junto con las raíces más gruesas, se tomaban las muestras para el análisis físico del sustrato y se acondicionaba el sistema para establecer el siguiente ciclo, periodo que duraba una semana. El fertirriego consistió en ocho riegos diarios con un sistema de goteo, colocando una estaca por planta. Durante los diferentes ciclos de cultivo, se aplicó la solución nutritiva de Steiner (1984) con una carga iónica de 20.5 meq·L^–1, incrementando la concentración de P a 1.5 y la de K a 7.5 meq·L^–1, para lograr el equilibrio entre cationes y aniones en la solución nutritiva.

Para el control del riego diario se consideró un drenaje de 15–25 %. Los cuidados principales consistieron en control preventivo de mosquita blanca (Bemisia tabaci) y de enfermedades producidas por Phytoptora sp, Phytium sp, y Rhizoctonia sp, así como las labores de manejo de la planta (eliminación de brotes laterales, tutoreo, deshojado, polinización) para conducir el cultivo hasta formar seis a siete racimos.

Variables medidas

Al inicio del experimento y al final de cada ciclo de cultivo se determinaron en los sustratos las propiedades físicas aplicando la metodología del porómetro propuesta por Fonteno y Bilderback (1993), Drzal et al. (1999) y Handreck y Black (2005), que en términos generales consistió en saturar el sustrato y posteriormente poner los contenedores a libre drenaje hasta el punto en que las fuerzas de retención del sustrato ya no permitieron la pérdida de agua. En este momento se midió el agua drenada, se pesó el sustrato húmedo, se secó el sustrato (105 °C) y se obtuvo el peso del sustrato seco. Con la información obtenida se calcularon las propiedades físicas: porosidad total, volumen de partículas, capacidad de aireación, retención de humedad y densidad aparente.

Con los datos obtenidos se realizó un análisis de varianza para determinar la interacción entre factores, así como pruebas de medias por factor, de las diferentes variables, mediante la prueba de Tukey (P<0.05). Para lo anterior se utilizó el programa estadístico SAS (SAS Institute, 2002).

RESULTADOS Y DISCUSIÓN

La interacción entre la proporción de tezontle en la mezcla con aserrín y el tamaño de partícula del tezontle usado también fue altamente significativa en todas las fechas estudiadas para la porosidad total, capacidad de retención de humedad y capacidad de aireación y a los 0, 18, 24 y 30 meses de cultivo para la densidad aparente.

Efecto del tamaño de partícula y de la relación aserrín/ tezontle

En el Cuadro 1 se observa que para la mayoría de las variables físicas en todos los ciclos de cultivo (0, 1, 6, 12, 18, 24 y 30 meses), hubo efecto altamente significativo de la interacción entre los factores diámetro de partícula del aserrín y relación aserrín/tezontle.

Porosidad total

En la Figura 1 se presenta el comportamiento de la porosidad total del sustrato antes de establecer el cultivo y al final de cada ciclo de cultivo (6, 12, 18, 24, 30) durante 30 meses. La tendencia general que se observa es que la porosidad se redujo conforme disminuyó la proporción de aserrín y aumentó la proporción de tezontle en la mezcla aserrín/tezontle. Los valores más bajos son inferiores a 70 %, lo que, según algunos autores (Abad y Noguera, 2005; Blok et al., 2008), los ubica fuera del intervalo adecuado, que debe estar entre 85–95 %, si se trata de un sustrato hidropónico. También se observa que la disminución en la porosidad del sustrato aserrín/tezontle fue menor cuando se usó tezontle con diámetro menor a 3 mm, lo que se atribuye a una mayor similitud entre tamaños de partículas del aserrín y del tezontle, ya que cuando se mezclan partículas con diámetros muy diferentes se da un mayor empaquetamiento entre ellas, disminuyendo la porosidad (Ansorena, 1994; Burés, 1997), lo que explica la menor porosidad en las mezclas aserrín/tezontle con mayor diferencia en diámetro (3–6 y 6–12 mm) de partículas. Adicionalmente, debido a la degradación biológica, las partículas del aserrín se fueron fraccionando al pasar los ciclos de cultivo (Lemaire, 1995), lo que influyó también en el comportamiento observado. La variación en la porosidad afectará la distribución del tamaño de macro y microporos, además de que se modificarán las fuerzas de adhesión a la superficie sólida del sustrato (potencial matricial) y con ello la capacidad de retención y disponibilidad de humedad, así como la capacidad de drenaje y aireación del sustrato (Lemaire, 1995).

Capacidad de retención de humedad

Con relación a la capacidad de retención de humedad, en la Figura 2 se observa una tendencia similar a la porosidad (Figura 1); es decir, la retención de humedad disminuyó conforme se redujo la proporción de aserrín y aumentó la proporción de tezontle en la mezcla aserrín/ tezontle. De manera general, en los diferentes ciclos de cultivo (Figura 2a, b, c, d, e, f), también se presentaron mayores valores de retención de humedad en las mezclas aserrín/tezontle con diámetro de partícula menor a 3 mm, situación que se ha relacionado con una mayor cantidad de microporos formados en mezclas de sustratos con partículas finas (Bunt, 1988; Handreck y Black, 2005).

De acuerdo con Abad y Noguera (2005), Bunt (1988) y Handreck y Black (2005), en sustratos con más de 90 % de porosidad, la retención de humedad mínima debe estar por arriba de 70 %, mientras que en sustratos con porosidad entre 70–85 % (como en este caso) la retención de humedad mínima debe estar entre 55–70 %, valores que pueden observarse en la Figura 2. Es importante notar que en el sustrato inicial (Figura 2a) la retención de humedad era más baja, pero aumentó conforme se desarrollaron los ciclos de cultivo, situación que se explica por la formación de mayor cantidad de microporos al darse la degradación biológica del aserrín (Lemaire, 1995).

Capacidad de aireación

El sustrato inicial (Figura 3a) y los de después de seis (Figura 3b) y 12 (Figura 3c) meses de cultivo mantuvieron la capacidad de aireación dentro del intervalo adecuado, que se considera entre 15–30 % (Abad y Noguera, 2005; Burés, 1997; Raviv et al., 2005), o bien por arriba del valor mínimo, que es 10 % (Bunt, 1988; Lemaire, 1995). No es recomendable una capacidad de aireación menor a 10 %, sobre todo en sustratos orgánicos que requieren de dos a tres veces más oxígeno que sustratos inorgánicos, para evitar deficiencia de oxígeno en las plantas por competencia con los microorganismos (Ansorena, 1994; Bunt, 1988). A los 24 (Figura 3e) y 30 (Figura 3f) meses todos los tratamientos estuvieron por debajo de la capacidad de aireación mínima exigida a un buen sustrato hidropónico. La disminución en la capacidad de aireación es un fenómeno normal en sustratos orgánicos después de estar sometidos a degradación biológica (Lemaire, 1995; Bunt, 1988).

Estos resultados concuerdan con Abad y Noguera (2005) y Burés (1997), quienes señalan que entre las características físicas más importantes de los sustratos está la porosidad total o espacio poroso total y su relación con la distribución de agua y aire dentro de esa porosidad.

Densidad aparente

Finalmente, aunque en el Cuadro 1 se indica significancia para la interacción entre diámetro de partícula y mezcla aserrín/tezontle para los ciclos de cultivo de 6 y 12 meses, la densidad aparente tuvo un incremento muy marcado en función de la relación aserrín/tezontle (Figura 4).

Con excepción de la mezcla 70/30, que presenta valores por arriba de 0.4 g·cm^–3, los demás tratamientos están por debajo de este valor, que es considerado como óptimo (Abad y Noguera, 2005; Blok et al., 2008). Es importante notar que la densidad aparente presentó muy poca variación durante los 30 meses de cultivo, lo que significa que aun cuando la porosidad disminuyó y aumentó el volumen de partículas, la relación masa del sustrato/ volumen total fue ligeramente afectada.

En resumen, se observó que solo la densidad aparente tuvo poca variación durante los 30 meses de cultivo, mientras que la porosidad total, volumen de partícula, retención de humedad y capacidad de aireación variaron significativamente. Considerando el balance entre estas características para definir el sustrato ideal, se observa que las características físicas iniciales del aserrín y mezclas aserrín/tezontle mejoraron al final de los 6, 12 y 18 meses de cultivo, pero a los 24 y 30 meses el balance quedó fuera de los intervalos normales, principalmente la capacidad de aireación, que se redujo a valores por debajo de los adecuados.

La capacidad de aireación es una característica muy importante, ya que tiene influencia en diversos procesos que afectan el crecimiento y desarrollo de las plantas, para las que en condiciones de contenedor el efecto podría ser más importante. La capacidad de aireación determina el intercambio gaseoso (CO₂ y O₂) entre el interior del sustrato y el exterior (Fonteno y Bilderback, 1993). El oxígeno en el medio de crecimiento desempeña un papel crítico, ya que determina la orientación radicular así como el estado metabólico de la raíz. El oxitropismo permite a las raíces evitar las zonas del sustrato con bajos niveles de oxígeno, y podría ser también un mecanismo fisiológico desarrollado para reducir la competencia entre las raíces por agua, nutrimentos y oxígeno (Morard et al., 2000; Porterfield and Musgrave, 1998).

Las plantas que crecen en contenedores, especialmente las que duran confinadas por largos periodos, normalmente desarrollan mayor cantidad de raíces en el fondo y en el espacio entre el sustrato y las paredes del contenedor. Esto se debe a la compactación del medio de crecimiento, el cual produce deficiencia de oxígeno y muerte de las raíces en el centro del contenedor (Asady et al., 1985). Este fenómeno puede ser más acentuado cuando el medio de crecimiento contiene materia orgánica que entra en descomposición por microorganismos consumidores de oxígeno.

El crecimiento vertical hacia abajo es una respuesta natural al gravitropismo e hidrotropismo, típico de todas las raíces activas. Sin embargo, en contenedores esto resulta frecuentemente en una maraña de raíces desarrollándose en el fondo del depósito, donde pueden ser expuestas a deficiencia de oxígeno debido a la competencia entre raíces por el oxígeno asociado a las frecuentes acumulaciones de agua en el fondo del contenedor. Se ha demostrado que aun con 10 min de interrupción en el suministro de oxígeno, el crecimiento de las raíces puede detenerse, y con ausencia de oxígeno de 30 min se produce la muerte de la zona de elongación arriba de la punta de la raíz (Huck et al., 1999).

De acuerdo con los resultados de este trabajo, se puede recomendar el uso del aserrín mezclado con tezontle en proporciones 80/20 y 70/30 por un periodo de 24 meses de cultivo continuo, sin riesgo de producir efectos negativos sobre el crecimiento y desarrollo del jitomate por variación en las características físicas.

CONCLUSIONES

Tanto en el aserrín como en las mezclas aserrín/ tezontle, la densidad aparente presentó poca variación después de 30 meses de cultivo con jitomate.

La disminución de la proporción de aserrín y el aumento en la de tezontle disminuyeron la porosidad, la retención de humedad y la capacidad de aireación del sustrato durante 30 meses de cultivo continuo con jitomate.

El balance adecuado en las propiedades físicas porosidad total (>70 %), retención de humedad (50–70 %), capacidad de aireación (>10 %) y densidad aparente (<0.5 g·cm^–3) del sustrato se mantuvo hasta los 18–24 meses de cultivo con jitomate.

La capacidad de aireación fue la característica física que presentó mayor variación, mostrando valores por debajo del adecuado (10 %) a los 24 y 30 meses de cultivo continuo con jitomate.

LITERATURA CITADA

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