Nutrient extraction of tomato (Solanum lycopersicum L.) in mixtures of volcanic rock with fresh and recycled sawdust

Juan Manuel Vargas-Canales¹; Ana María Castillo-González¹; Joel Pineda-Pineda^2*; José Armando Ramírez-Arias³; Edilberto Avitia-García¹

¹ Universidad Autónoma Chapingo, Departamento de Fitotecnia, Instituto de Horticultura. km 38.5 Carretera México-Texcoco. Chapingo, Estado de México, MÉXICO. C. P. 56230.

² Universidad Autónoma Chapingo, Departamento de Suelos. km 38.5 Carretera México-Texcoco. Chapingo, Estado de México, MÉXICO. C. P. 56230. Correo-e: pinedapjoel@yahoo.com.mx (*Autor para correspondencia).

³ Universidad Autónoma Chapingo, Departamento de Preparatoria Agrícola. km 38.5 Carretera México-Texcoco. Chapingo, Estado de México, MÉXICO. C. P. 56230.

Recibido: 25 de febrero, 2013.
Aceptado: 5 de febrero, 2014.

Resumen

Los sistemas de producción en condiciones de invernadero e hidroponia permiten realizar una fertilización diaria, en función del ciclo de cultivo, del sustrato y del agua de riego. Actualmente se está utilizando el aserrín de pino como sustrato en la producción de cultivos en estas condiciones de forma exitosa, razón por la cual se evaluó el efecto de mezclas (v/v) de tezontle con aserrín nuevo y reciclado en la producción y extracción nutrimental de jitomate. Se utilizó un diseño experimental completamente al azar con cinco tratamientos: T1, tezontle; T2, tezontle/aserrín reciclado (20/80); T3, tezontle/aserrín reciclado (30:70); T4, tezontle/aserrín nuevo (20:80), y T5, tezontle/aserrín nuevo (30:70). Las tasas máximas de absorción se presentaron entre los 60 y los 136 días después del trasplante (ddt), con una tendencia similar en la dinámica de extracción, superior al 70 % para todos los nutrimentos en orden decreciente K > N > Ca > P > Mg. Los resultados indican que las mezclas de tezontle/aserrín reciclado producen el mismo rendimiento de fruto y eficiencia en la absorción de nutrimentos que el tezontle y mezclas de tezontle/aserrín nuevo. Esto demuestra que el reciclaje del sustrato es una alternativa viable que con el manejo adecuado se pueden mantener rendimientos óptimos durante varios ciclos de cultivo.

Palabras clave adicionales: Sustrato, reutilización, eficiencia nutrimental, nutrición mineral.

Abstract

Hydroponic or greenhouse production systems allow daily fertilization of vegetable crops, depending on its life cycle, substrate and available water. Sawdust is currently being used successfully as substrate in crop production and for this reason we evaluate the effect of mixtures (v/v) of volcanic rock with fresh and recycled sawdust in production and nutrient extraction of tomato. A completely randomized design was used with five different treatments, T1: volcanic rock, T2: volcanic rock/recycled sawdust (20/80), T3: volcanic rock/recycled sawdust (30/70), T4: volcanic rock/fresh sawdust (20/80) and T5: volcanic rock/fresh sawdust (30/70). The maximum absorption rate occurred between 60 and 136 days after transplanting (DAT), with a similar pattern in the extraction dynamics, higher than 70 % in all treatments in a decreasing order K > N > Ca > P > Mg. The results indicate that mixtures of volcanic rock/recycled sawdust produce an equal fruit yield and efficiency of nutrient uptake than volcanic rock and mixtures of volcanic rock/fresh sawdust. This indicates that recycling the growing media is a viable alternative and may provide higher yields during several crops cycles if management is appropriate.

INTRODUCCIÓN

En México se están extendiendo rápidamente los sistemas de producción de hortalizas en condiciones de invernadero e hidroponía (Pineda et al., 2012). Estos sistemas de producción permiten realizar una fertilización diaria, en función del ciclo del cultivo, del sustrato y del agua de riego. Además, permiten el reciclaje de la solución nutritiva y ajustar la composición nutrimental, la conductividad eléctrica y el pH. En algunos casos también se incorporan sustancias para evitar enfermedades radicales (Resh, 1998; Marfá, 2000). Sin embargo, en ciertas zonas el uso excesivo de fertilizantes ha generado graves problemas de contaminación (Urrestarazu, 2004). Esta situación ha obligado a buscar alternativas que reduzcan la emisión de contaminantes, tanto en los lixiviados como en los materiales desechados después de que finalizan los ciclos de cultivo. La meta actual de alcanzar y mantener una agricultura sostenible se basa en el conocimiento total de estos sistemas. Por ello, es importante realizar investigaciones precisas sobre estrategias de manejo que permitan el reciclaje de la solución nutritiva y la reutilización de sustratos para reducir el uso de agroquímicos y aumentar la eficiencia de utilización de nutrimentos y agua, así como optimizar la formulación, utilización y manejo de los sustratos de cultivo. En este sentido, los esfuerzos dirigidos al uso de sustratos alternativos procedentes de recursos renovables (por ejemplo: subproductos agrícolas y forestales como aserrines, cortezas, fibras vegetales, y también recursos mineros de alta disponibilidad como materiales volcánicos porosos que no requieran algún procesamiento artificial) contribuirán a una mayor sostenibilidad de los sistemas de cultivo sin suelo (Marfá, 2000).

El aserrín es un subproducto de la industria aserradora que se ha utilizado como sustrato de cultivo durante los últimos 25 años, debido a que con un buen manejo puede competir con otros sustratos, que comparativamente tienen disponibilidad limitada (Handreck y Black, 2005; Raviv y Lieth, 2008). Normalmente los subproductos de la madera requieren de un proceso de compostaje o de maduración (envejecimiento) previo a su uso como sustrato hortícola (Maher et al., 2008). Sin embargo, esto incrementa su costo y disminuye los volúmenes que pueden ser utilizados en las mezclas de materiales que conforman al sustrato. Considerando lo anterior, se estudió la dinámica de absorción de nutrimentos en jitomate cultivado en hidroponía con diferentes mezclas de sustratos formados con tezontle y aserrín nuevo y reciclado, después de usarse como sustrato durante dos ciclos de cultivo con jitomate, de ocho meses cada uno.

MATERIALES Y MÉTODOS

La investigación se realizó en un invernadero con cubierta de polietileno con una transmitancia de radiación solar del 90%, con un diseño tipo sierra ubicado en la Universidad Autónoma Chapingo, localizada en las coordenadas 19° 20' latitud norte, 98° 53' longitud oeste, a 2240 msnm. Se utilizó el híbrido de jitomate Rafaello tipo saladette, la siembra se llevó a cabo el día 13 de abril de 2010, en charolas de poliestireno de 200 cavidades, que fueron desinfectadas con hipoclorito de sodio al 5%. Como sustrato se utilizó una mezcla de la marca comercial ^®Kekkila previamente humedecido. Se colocó una semilla por cavidad y se dio un riego de saturación. El trasplante se realizó 32 días después de la siembra, en bolsas de polietileno con 15 litros de la mezcla de sustrato correspondiente a cada tratamiento. Se trasplantaron dos plantas en cada bolsa, con una densidad de 4 plantas·m^-2, en un sistema hidropónico abierto.

Se formaron diferentes mezclas de tezontle con aserrín (v/v) para evaluar los siguientes tratamientos: T1, tezontle; T2, tezontle/aserrín reciclado (20/80); T3, tezontle/aserrín reciclado (30:70); T4, tezontle/aserrín nuevo (20:80), y T5, tezontle/aserrín nuevo (30:70). Para todas las mezclas se utilizó tezontle nuevo con un tamaño de partícula < 6 mm. En el Cuadro 1 se presentan las características físicas obtenidas en laboratorio de las mezclas de aserrín nuevo y aserrín reciclado de dos periodos de cultivo de jitomate.

Las soluciones nutritivas se prepararon de acuerdo con los requerimientos medios del cultivo reportados por Urrestarazu (2004) y Steiner (1984). La primera (Cuadro 2) se aplicó durante los primeros 60 ddt, y la segunda (Cuadro 3), a partir del día 61 ddt hasta los 136 ddt (cuando finalizó el experimento). La concentración (mg·litro^-1) de micro nutrimentos en la solución nutritiva utilizada durante todo el ciclo de cultivo fue la siguiente: Fe, 3; Mn, 0.5; Cu, 0.1; Zn, 0.1; B, 0.6.

Determinación de nutrimentos

La determinación de nutrimentos se realizó en tallo, hojas, flores y frutos. Se usaron 0.5 g de materia seca, que se sometieron a una digestión húmeda con una mezcla de solución di ácida (ácido sulfúrico y ácido perclórico en relación 4:1) y 2 ml de peróxido de hidrógeno al 30%. Después de la digestión se aforó a 50 ml con agua deionizada. La determinación de la concentración de nitrógeno se hizo por el método de microkjeldahl (Chapman y Pratt, 1973). La concentración de P se determinó por el método de molibdovanadato amarillo (Chapman y Pratt, 1973) leyendo la absorbancia a 470 nm en un espectrofotómetro Thermo Spectronic modelo Genesys 10 UV. Las concentraciones de K, Ca y Mg se determinaron por espectrofotometría de absorción atómica, en un espectrofotómetro modelo SpectrAA 220 de Varian (Australia).

Análisis de datos

Los gráficos se realizaron con el paquete computacional Microsoft Office Excel 2010 y Sigma Plot versión 10.0, y los análisis de comparación de medias de Tukey(P ≤ 0.05), con el paquete estadísticos SAS versión 9.1.3 (Anónimo, 2006).

RESULTADOS Y DISCUSIÓN

Acumulación de materia seca

La mayor acumulación de materia seca la presentaron el tallo y las hojas; posteriormente inició una acumulación dominante en flores y frutos, que representó en todos los tratamientos más de 60%, un 30% para el caso de hoja y menos de 10% para tallo (Figura 2).

Concentración de nutrimentos en hojas

Las plantas no presentaron síntomas visibles de deficiencia nutrimental y los valores de concentración coinciden con los óptimos para jitomate reportados por Jones (1999) (Cuadro 4), por lo tanto se considera que las concentraciones obtenidas de cada nutrimento en las hojas se encuentran en los intervalos suficientes, indicando un buen abastecimiento nutrimental.

Extracción de nutrimentos

La extracción de macronutrimentos en orden decreciente fue: K > N > Ca > P > Mg (Cuadro 5). Las comparaciones de medias del contenido de N, P, K y Mg no presentaron diferencias significativas debido a efecto de tratamientos, salvo en el caso del Ca, el cual presentó los valores mayores de extracción nutrimental en la mezcla tezontle/aserrín reciclado (30:70, v/v) y los valores menores en tezontle y mezcla tezontle/aserrín nuevo (30/70), como se observa en el Cuadro 5.

Nitrógeno

En la Figura 3 se presenta la dinámica de extracción de N en los distintos tratamientos. Se observa que la curva de extracción de este nutrimento tuvo una tendencia similar en todos los tratamientos hasta los 60 ddt, manteniéndose un incremento constante. En el periodo comprendido entre los 61 y los 136 ddt se presentó un comportamiento diferencial (Figura 3f) lo cual indica que las plantas con mayor recuperación de N crecieron en las mezclas (v/v) 20/80 y 30/70 de tezontle/aserrín reciclado y la mezcla 20/80 de tezontle/aserrín nuevo. Se observa (Figura 3f) una baja demanda de N en los primeros 60 ddt que corresponden a la etapa vegetativa, ya que durante los 61 a 136 ddt se extrajo más de 70 % del N total demandado por la planta. Este período correspondió al crecimiento y desarrollo simultáneo de follaje, inflorescencias y frutos, cuando las exigencias de N son altas (Nuez, 1995). Este comportamiento coincide con lo indicado por Pineda et al. (2011), quienes reportan una baja demanda nutrimental en jitomate durante los primeros 40 ddt, lo que resulta en una pérdida importante de nutrimentos por lixiviación. Pero después de esta fecha las plantas recuperaron más del 90% del N suministrado con la solución nutritiva. Aunque no existieron diferencias significativas, en general la extracción de nitrógeno presentó valores numéricos mayores en las mezclas de tezontle con aserrín reciclado, mientras que los valores menores se observaron consistentemente en el tratamiento con tezontle y las mezclas tezontle/aserrín nuevo (Cuadro 5).

Fósforo

La Figura 4 muestra que en general la dinámica de acumulación de P en el tejido vegetal fue similar en los diferentes tratamientos. Se observa que la demanda nutrimental se incrementó a partir de los 40 ddt, lo que coincidió con el desarrollo de flores y frutos, ya que es un nutrimento indispensable para la división celular durante la floración y fecundación en la etapa reproductiva (Marschner, 2012; Mengel y Kirkby, 2001). Se observa que más del 80% de la absorción total de P se dio después de 60 ddt en los cinco tratamientos. Aunque no hubo diferencias significativa entre tratamientos (Cuadro 5), las mezclas (v/v) 30/70 de tezontle/serrín reciclado, 20/80 tezontle/aserrín nuevo y 20/80 tezontle/aserrín reciclado presentaron los valores mayores en la demanda de P; en contraste, tezontle y la mezcla 30/70 de tezontle/aserrín nuevo fueron los que mostraron menor demanda.

Potasio

La Figura 5 muestra que la dinámica de extracción de K fue similar en todos los tratamientos. Se observa una mayor extracción a partir de los 80 ddt, etapa que coincidió con el desarrollo de frutos y en la que se extrajo más de 70% del K total absorbido. Está bien documentado que el K es determinante para el crecimiento y desarrollo de fruto de jitomate (Jones, 1999; Nuez, 1995; Marschner, 2012).

Calcio

En la Figura 6 se presenta la dinámica de extracción de Ca, que en general fue similar en todos los tratamientos hasta los 60 ddt, pero de 61 a 136 ddt se observó una tendencia diferencial (Figura 6f), donde los tratamientos con mayor eficiencia en recuperación de Ca fueron las mezclas 20/80 y 30/70 de tezontle/aserrín reciclado. Este comportamiento es similar al de N, P y K, lo que sugiere una mayor disponibilidad de nutrimentos en estas mezclas. Lo contrario sucedió en los tratamientos de tezontle y la mezcla 30/70 tezontle/aserrín, que presentaron los valores más bajos. En el incremento del contenido total de Ca a través del tiempo, se observa que del 61 a los 136 ddt se acumuló más de 80 % del Ca demandado por la planta, lo cual coincidió con la floración, crecimiento, desarrollo y cosecha de frutos. Estos resultados describen el comportamiento normal del Ca en la mayoría de las plantas: se observan bajos requerimientos en la etapa inicial, pero a medida que la planta se desarrolla la demanda es mayor, y se alcanzan las concentraciones más altas al final del ciclo de cultivo (Marschner, 2012; Barker y Pilbeam, 2007). Es importante notar que, contrario a lo observado en los demás nutrimentos (N, P, K, Mg), para el caso del Ca sí se presentaron diferencias significativas entre tratamientos. La mayor eficiencia en la extracción de Ca se observa en la mezcla 30/70 de tezontle/aserrín reciclado, y las menores, en tezontle y mezcla 30/70 de tezontle/aserrín nuevo. Esta situación corresponde con el mayor espacio poroso total y capacidad de retención de humedad en la mezcla 70/30 tezontle/aserrín reciclado, y contrasta con los valores menores de dichas características en tezontle y mezcla 70/30 de tezontle/aserrín nuevo (Cuadro 1). Al respecto, Morard et al. (2000) indican que cuando la disponibilidad de humedad es adecuada y la concentración de calcio en la solución nutritiva es alta (> 5 mM), la absorción se da por un proceso pasivo acoplado a la absorción de agua durante el día y presión de raíz durante la noche.

Magnesio

En la Figura 7 se observa la dinámica de extracción de Mg. La tendencia que se observa es similar en todos los tratamientos hasta los 60 ddt, y de acuerdo al análisis estadístico no se presentaron diferencias estadísticas entre tratamientos en la extracción total de este nutrimento (Cuadro 5). En el periodo comprendido entre los 61 y 136 ddt se presentó un comportamiento diferencial entre tratamientos (Figura 7j). Se observa mayor eficiencia en la absorción de Mg en las mezclas 30/70 y 20/80 de tezontle/aserrín reciclado y en el tezontle, mientras que las mezclas 20/80 y 30/70 de tezontle/aserrín nuevo se observaron los contenidos más bajos de Mg. Durante esta etapa, que coincidió con el desarrollo de hojas, flores y frutos, se absorbió más del 80% del Mg total. Este comportamiento es similar al del Ca en relación a los requerimientos durante el desarrollo de las plantas (Marschner, 2012). Entre los 60 y 100 ddt se presentó, en la mayoría de los tratamientos, una disminución en la absorción de Mg. Esta situación podría estar relacionada con un efecto antagónico con los cationes K y Ca (Marschner, 2012; Barker y Pilbeam, 2007), los cuales presentaron altas tasas de acumulación en este periodo (Figuras 5 y 6).

Las tendencias en la extracción de N, P, K, Ca y Mg indican que las mezclas tezontle/aserrín reciclado favorecieron el aprovechamiento de estos nutrimentos, aunque solo para el Ca hubo diferencias significativas. En las Figuras 3, 4, 5, 6 y 7 se muestran los momentos de mayor y menor absorción durante el ciclo del cultivo, lo que ayudará a ajustar el programa de fertilización para proporcionar los nutrimentos en el momento oportuno, considerando la dinámica de cada uno de ellos (Bertsch, 2009).

Rendimiento de fruto

Efecto del sustrato

Como se describió previamente, los sustratos no produjeron diferencias significativas en la mayoría de las variables evaluadas. Sin embargo, se observó una tendencia muy marcada para la mayoría de ellas, donde los tratamientos formados por las mezclas 30/70 y 20/80 de tezontle/aserrín reciclado presentaron consistentemente los valores mayores (Cuadro 5 y 6, Figuras 3, 4, 5, 6 y 7). También, Mateo et al. (2011) reportan los valores más altos en producción de Cedrela odorata L. en mezclas donde el aserrín fue el componente principal (70 y 80%).

Dado que el control ambiental (luz, temperatura, radiación, humedad relativa) y la solución nutritiva suministrada durante el cultivo fue igual para todos los tratamientos, la respuesta observada se relaciona con las propiedades físicas de los sustratos, ya que en estos tratamientos se tuvieron características más favorables para el desarrollo del cultivo como son la porosidad total, la retención de humedad y la densidad aparente (Cuadro 1) que presentaron valores dentro de los intervalos considerados como óptimos (Abad et al., 2004; Bunt, 1988). En relación a la capacidad de aireación, las mezclas de tezontle/aserrín reciclado presentaron valores (5.1 a 7.7%) (Cuadro 1), que son inferiores a los recomendados por Cabrera (1999), Abad et al. (2004) y Bunt (1988), pero esto no significó una reducción en producción de biomasa y fruto (Cuadro 6). En cuanto a espacio poroso total, de acuerdo con Cabrera (1999) y Bunt (1988), todas las mezclas de tezontle/aserrín tuvieron los niveles adecuados (73.5 a 78.3%), con excepción del tezontle que presentó valores más bajos. Sin embargo, estos factores no afectaron el óptimo desarrollo de la planta, lo que indica que el jitomate puede desarrollarse sin ningún inconveniente con variaciones importantes en las propiedades físicas en relación con el sustrato ideal. Esto apoya la idea que si un sustrato se maneja de acuerdo a sus características, puede resultar adecuado, sobre todo si es de bajo costo y se tiene disponible (Abad et al., 2004).

En general, sustratos que difieren significativamente en tamaños de partícula presentan mayor densidad aparente, como ocurre en las mezclas (Pokorny et al., 1986) y del mismo modo tienen mayor espacio poroso total, mayor retención de humedad y mayor capacidad de aireación que los sustratos con partículas de tamaños similares (Raviv y Lieth, 2008). Las mezclas de sustratos utilizadas en el presente experimento cuentan con estas características. Las marcadas tendencias y diferencias encontradas en cuanto a absorción nutrimental sugieren que hay diferencias importantes en la disponibilidad de agua y nutrimentos.

Es importante destacar que la intensa actividad de la agricultura protegida está generando problemas de contaminación ambiental, tales como desechos vegetales, plásticos, envases de agroquímicos, fertilizantes, alambres, sustratos, entre otros, que han perdido su valor comercial en las condiciones de tiempo y lugar en que se han obtenido (Urrestarazu et al., 2005). El volumen medio de residuos de sustratos que genera un invernadero con sistemas de producción hidropónica varia de 6 a 10 t·ha^-1·año^-1 (Cara y Ribera, 1998). Sin embargo, existen investigaciones (Marfá, 2000; Pineda et al., 2012) que demuestran que se puede disminuir el impacto ambiental prolongando la vida útil de los sustratos, donde el reciclaje es una alternativa viable, tal como se ha observado en esta investigación, donde las mezclas de tezontle con aserrín reciclado produjeron rendimientos similares a los sustratos nuevos de tezontle y mezclas de tezontle con aserrín.

CONCLUSIONES

El tezontle y las mezclas de tezontle con aserrín nuevo y tezontle con aserrín reciclado presentaron una dinámica de acumulación de biomasa y de extracción nutrimental muy similar, el orden decreciente fue K > N > Ca > P > Mg.

Las tasas máximas de acumulación de materia seca y de extracción de N, P, K, Ca y Mg se presentaron durante la floración y fructificación, entre los 61 y los 136 días después del trasplante, periodo en el que se acumuló más del 70% de los nutrimentos.

Las mezclas de tezontle con aserrín reciclado (20/80 y 30/70, v/v) mantuvieron un balance adecuado en las propiedades físicas y permitieron un adecuado desarrollo de las plantas de jitomate, representando una alternativa viable para reducir costos y disminuir la cantidad de desechos contaminantes en sistemas hidropónicos.

LITERATURA CITADA

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