Producción hidropónica de jitomate (Solatium lycopersicum L.) con y sin recirculación de la solución nutritiva

Hydroponic tomato (Solatium lycopersicum L.) production with and without recirculation of nutrient solution

Felipe Sánchez-Del Castillo¹*, Esaú del C. Moreno-Pérez¹, Joel Pineda-Pineda¹, José M. Osuna², Juan E. Rodríguez-Pérez¹, Tomás Osuna-Encino²

¹ Departamento de Fitotecnia, Universidad Autónoma Chapingo. km. 38.5 Carretera México-Texcoco. 56230. Chapingo, Estado de México, México. *Autor responsable (fsanchezdelcastillo@yahoo.com.mx).

Recibido: noviembre, 2013.
Aprobado: febrero, 2014.

Resumen

Los sistemas hidropónicos con recirculación de la solución nutritiva, ahorran agua y fertilizantes, pero con el tiempo es difícil mantener el balance nutricional y controlar las enfermedades que atacan a la raíz, lo que causa un rendimiento menor respecto a sistemas donde dicha solución no se recircula. El objetivo de este estudio fue comparar la eficiencia de utilización de agua y nutrimentos, así como el rendimiento en el cultivo de jitomate (Solanum lycopersicum L.), entre sistemas hidropónicos abiertos y cerrados usando la estrategia de manejo del cultivo a base de ciclos cortos, mediante el despunte a tres racimos por planta. El diseño experimental fue bloques al azar con cinco repeticiones y cinco tratamientos: 1) camas sin recirculación de los drenajes (cama abierta); 2) camas con recirculación de los drenajes (cama cerrada); 3) bolsas sin recirculación de los drenajes (bolsa abierta); 4) bolsas con recirculación de los drenajes (bolsa cerrada); 5) hidroponía profunda. Con los datos se realizó un ANDEVA y las medias se compararon con la prueba de Tukey (p≤0.05). Se midieron caracteres morfológicos, rendimiento y aprovechamiento del agua y fertilizantes. Los rendimientos mayores fueron con hidroponía profunda (16.7 kg m ^-2) y con bolsa con recirculación (15.3 kg m ^-2) en un ciclo de cuatro meses. El ahorro de fertilizante (K, Ca, N y P) en los sistemas de recirculación con sustrato fue 41 % y 35 % de agua respecto a los sistemas sin recirculación.

Palabras clave: Solanum lycopersicum L., cultivo sin suelo, hidroponía profunda, sustrato, tezontle.

Abstract

Key words: Solanum lycopersicum L., soilless culture, deep hydroponics, substrate, tezontle.

INTRODUCCIÓN

En México la superficie de producción de hortalizas bajo invernadero aumentó de 300 ha a fines de la década de 1990 a más de 10 000 ha en 2010 (Juárez et al., 2011) y el cultivo más importante en este sistema es el jitomate (Solanum lycopersicum L.), pero debido a las condiciones de manejo se favorece el establecimiento de patógenos en el suelo después de algunos ciclos de cultivo (Takahashi, 1984). La acumulación de sales es otro factor relacionado con el manejo intensivo del suelo afectando el rendimiento por los cambios en las propiedades químicas y físicas (Liang et al., 2006).

Una alternativa para solucionar estos problemas es la hidroponía o cultivo sin suelo, en el cual las plantas crecen en una solución nutritiva, con o sin un sustrato como medio de soporte (Urrestarazu, 2000), lo cual permite desarrollar el sistema radical de las plantas en completa independencia del suelo. Para que las plantas de jitomate crezcan sin limitantes nutricionales, la solución nutritiva hidropónica debe tener un pH de 5.5 a 6.5, una conductividad eléctrica (CE) de 1.5 a 3.5 dS m^-1 y los nutrimentos minerales disociados, en forma iónica, y en proporciones y concentraciones que eviten precipitados y antagonismos (Adams, 2004). La planta modifica el consumo de nutrimentos en función de sus fases de crecimiento y desarrollo, condiciones climáticas (temperatura, intensidad y calidad de luz y humedad relativa), carga de frutos, CE, oxígeno disuelto en la solución nutritiva, flujo de la solución nutritiva y pH (Jones, 2005; Sonneveld y Voogt, 2009). Así, las proporciones y concentraciones de los iones en la rizósfera se modifican, pero aumenta la CE que se corrige con un sobre riego que genere un drenaje de 10 a 40 % (Lieth y Oki, 2008). El sistema hidropónico es abierto cuando la solución drenada no se reutiliza y se permite la infiltración en el sitio o se conduce fuera del invernadero, y es un sistema cerrado si la solución nutritiva se recoge para volverse a usar en el cultivo, previa esterilización y ajuste del pH, CE y nutrimentos.

El agua es un recurso natural cada vez más limitado, por lo cual es necesario buscar sistemas de producción donde su uso sea más eficiente para la producción de alimentos. Asimismo, los fertilizantes son cada vez más caros y representan un porcentaje alto del costo de producción en sistemas hidropónicos (Huang, 2009). Así, los sistemas cerrados presentan ventajas respecto a los abiertos: ahorro de agua y fertilizantes, impacto ambiental menor al evitar que grandes cantidades de nitrógeno, fósforo y otros minerales contaminen ríos, lagos, mantos freáticos y mares (Pardossi et al., 2009; Massa et al., 2010; Nakano et al., 2010).

En los sistemas cerrados hay desventajas: incremento gradual de la CE de la solución nutritiva con el paso del tiempo, desbalance de la solución nutritiva y riesgo mayor de dispersar enfermedades que atacan a la raíz por la recirculación de la solución nutritiva en todo el sistema (Tüzel et al., 2009; Massa et al., 2010). El desbalance de la solución nutritiva se genera por un exceso de los iones menos consumidos por la planta (SO^2-₄, Ca²⁺ y Mg²⁺), lo que rompe el equilibrio de nutrimentos y muchas veces aumenta la CE hasta afectar el crecimiento y rendimiento, sobre todo con la presencia de un contenido alto de Na⁺ y Cl^- en el agua, obligando a desechar con frecuencia la solución nutritiva (Savvas et al., 2009).

Para minimizar el problema de alta CE se ha propuesto: renovar la solución nutritiva cada vez que alcance un valor de 4.5 dS·m^-1 (Dasgan y Ekici, 2005), reponer el agua transpirada con agua simple hasta que la concentración de N-NO₃^- baje a 1.0 mol m^-3, compensar el agua transpirada con la solución nutritiva estándar hasta que la CE aumente a 4.5 dS m^-1 y que la concentración de N-NO₃ baje a 1.0 mol m^-3 (Massa et al., 2010), y adicionar todos los nutrimentos con base en el consumo diario estimado previamente (Nakano et al., 2010).

Los estudios en jitomate han utilizado sistemas de producción con cultivares de tipo indeterminado, donde coexisten etapas vegetativas con reproductivas; estas últimas son la más afectadas cuando aumenta la CE. En un sistema cerrado es fundamental mantener una CE correcta durante el ciclo de cultivo, que en el jitomate de crecimiento indeterminado es hasta 11 meses, lo cual puede resultar técnicamente complicado y, debido al ciclo tan largo, las plantas están expuestas a enfermedades por más tiempo. Para que los sistemas cerrados se puedan implementar con mayor probabilidad de éxito y aprovechar sus ventajas, es conveniente buscar formas de manejo sencillas para el productor, sin reducir el rendimiento o la calidad. Una estrategia sería producir con ciclos de cultivo cortos porque entre más breve sea el tiempo desde trasplante hasta fin de cosecha, el aumento de la CE, el desbalance de nutrimentos y la probabilidad de trasmisión de enfermedades se reducen. En la Universidad Autónoma Chapingo se desarrolló un sistema de producción en el cual se hacen trasplantes tardíos (hasta 60 d después de la siembra), despuntes de las plantas por encima de la tercera inflorescencia, eliminando los brotes laterales y usando altas densidades de población que permitan producir un promedio de 16 kg m^-2 en un ciclo de 90 d de trasplante al final de la cosecha (Ucan et al., 2005; Sánchez et al., 2010). A pesar de las ventajas de este sistema, como facilidad mayor de manejo, concentración de las cosechas en ventanas de precio alto, disminución de enfermedades y costos menores de producción (Sánchez et al., 1999), en México se usa el sistema hidropónico abierto, lo cual implica un porcentaje elevado de los costos de producción en fertilizantes y la eventual contaminación de mantos acuíferos.

MATERIALES Y MÉTODOS

La presente investigación se realizó en invernadero en la Universidad Autónoma Chapingo, en Chapingo, Estado de México, de abril a agosto de 2010, y se usó el híbrido comercial de tomate (Solanum lycopersicum L.) 'Juan Pablo' tipo saladette de la compañía US Agriseeds, el cual presenta crecimiento indeterminado, excelente vigor y madurez de sus primeros frutos de 70 a 75 d después del trasplante (ddt). Sus frutos presentan hombros redondos y peso promedio de 130 a 135 g con extraordinaria firmeza (www.usagriseeds.com). Para el trasplante se usaron plántulas de 35 d de edad, provenientes de charolas de 200 cavidades, en las que se utilizó turba (peat moss) como sustrato.

Los tratamientos fueron los siguientes:

1) Camas sin recirculación de los drenajes (cama abierta), para lo cual se construyeron camas con polietileno negro calibre 1000 (250 µm) en el fondo y con tablas de madera en los costados, con dimensiones de 1.9 m de largo por 0.9 m de ancho y 0.3 m de altura. El plástico sobresalió de las camas 30 cm hacia el pasillo formando un canal para recuperar la solución del drenaje. Para rellenar la cama se depositaron 5 cm de grava de tezontle (partículas de 4 a 8 cm) en el fondo para facilitar el drenaje y encima 25 cm de arena de tezontle rojo (partículas de 1 a 3 mm) como sustrato. Con un polietileno bicolor (blanco con negro) se acolchó la superficie. Para recuperar el drenaje, en la parte baja de la cama se perforó el plástico y se condujo por gravedad a una cubeta de 19 L. En la solución drenada se midió volumen, pH y CE, y después se eliminó.

2) Camas con recirculación de los drenajes (cama cerrada), las cuales se construyeron de la misma manera que el tratamiento de cama cerrada. Cada día se midió volumen, pH y CE de la solución de drenaje y se condujo a un depósito de 400 L para ajustarla y reciclarla, como se indica más adelante.

3) Bolsas sin recirculación de los drenajes (bolsa abierta), bolsas de polietileno de 15 L de capacidad de color negro por dentro y blanco por fuera. Las bolsas se llenaron con arena de tezontle rojo (partículas de 1 a 3 mm) y se colocaron sobre canaletas de PVC para recolectar la solución de drenaje. Las canaletas se colocaron con una pendiente del 2 % para que el drenaje de la bolsa se dirigiera hacia una cubeta de 19 L donde se midió diariamente volumen, pH y CE.

4) Bolsas con recirculación de los drenajes (bolsa cerrada), las bolsas se colocaron y usaron igual que en el tratamiento de bolsa cerrada. Cada día se midió volumen, pH y CE de la solución nutritiva recolectada y se condujo a un depósito de 400 L para ajustarla y reciclarla, como se indica más adelante.

]]> 5) Hidroponía profunda (HP). Las camas se forraron completamente con polietileno calibre 1000 para contener 400 L de solución nutritiva y encima flotaba una placa de poliestireno expandido. El interior del cajón se cubrió con plástico negro calibre 1000. El nivel máximo de la solución nutritiva se marcó y se hizo un orificio a esa altura para que, al reponer el agua, el volumen fuera constante. La solución nutritiva de cada tina se oxigenaba con dos bombas de aire marca Resum^®, AC-9602. En el momento del trasplante las plántulas se pusieron dentro de vasos de plástico perforados para que sólo las raíces quedaran sumergidas. El agua traspirada por las plantas se restablecía al final de cada día. El pH y la CE se midió diariamente.

El diseño experimental fue bloques completos al azar con cinco repeticiones. La unidad experimental fue de 1.7 m² (1.9×0.9 m) donde 18 plantas estaban distribuidas en tres hileras (30 cm entre plantas y 30 cm entre hileras). Cada tratamiento de cama y bolsa cerrada era abastecida con solución nutritiva por su propio tinaco de 1000 L mientras que los tratamientos de cama y bolsa abierta compartían un solo tinaco. Para cada tratamiento se usó una bomba de ½ HP (Dica^® modelo BPHP.50), un temporizador STEREN^® modelo TEMP-08E, un filtro de anillos (Irritec^®) de 120 mesh, un medidor de flujo marca Dorot de 19 mm de diámetro, tubería de 1" y cinta de riego con gotero integrado con gasto de 1 Lh^-1.

En los sistemas abiertos y cerrados se midió cada día el volumen de solución nutritiva aportada con el medidor de flujo, así como la cantidad de solución nutritiva drenada y colectada en las cubetas. También se determinó el pH y CE con un medidor portátil (Hanna, modelo HI 98130); en el sistema de HP también se medía la cantidad de agua aportada, pH y CE.

A los 39, 46, 57, 63, 70, 78, 89, 97 y 106 ddt, intervalos en los que se acumulaban cerca de 400 L de solución drenada, se tomaron muestras de cada tinaco y muestras del sistema de HP, para analizar el contenido de N, P, K, y Ca. Para K, Ca y N-NO₃^- se utilizó un electrodo de ion selectivo (Thermo Scientific^®, modelo Orion 4 Star), y para P la técnica colorimétrica por el método de molibdovanadato (Chapman y Pratt, 1973).

En los sistemas cerrados con sustrato la solución nutritiva pasaba por un filtro de mallas (80 mesh) y después se desinfectaba con una lámpara UV con capacidad de 25 watts y 22.71 L min^-1 (marca Philips) y se vertía al tinaco de 1000 L, de acuerdo con el tratamiento (bolsa cerrada o cama cerrada). Una vez en el tinaco se reponían los elementos faltantes procurando alcanzar la concentración de la solución inicial. La solución ajustada se aforaba a 1000 L (capacidad de los tinacos) con la solución nutritiva normal. En las tinas de HP la solución nutritiva se ajustaba individualmente en cada repetición agregando agua simple o, de ser necesario, reponiendo los elementos minerales faltantes.

La composición de la solución nutritiva inicial (mg L^-1) fue: N 200, P 60, K 250, Ca 200, Mg 60, S 200, Fe 1, Mn 0.7, B 0.5, Cu 0.01 y Zn 0.01 (Sánchez et al, 2009). Como fuentes se usaron los siguientes fertilizantes comerciales: nitrato de calcio, nitrato de potasio, sulfato de potasio, ácido fosfórico al 85 %, sulfato de magnesio, sulfato de amonio, quelato de fierro (Fe-EDTA), sulfato de manganeso, tetraborato de sodio, sulfato de cobre y sulfato de zinc. El volumen de riego aplicado dependía de las condiciones climáticas y la etapa fenológica del cultivo, y se procuraba un drenaje de 20 a 30 % de lo aplicado.

La densidad fue 6.5 plantas m^-2 y las plantas fueron tutoradas con rafia amarrada a un alambre sostenido de la estructura superior del invernadero. En todos los sistemas las plantas fueron despuntadas (remoción de la yema terminal del tallo principal) a los 36 ddt, dos hojas por encima de la tercera inflorescencia. Los cortes de fruto fueron cinco, el primero a los 87 ddt y el último a los 114 ddt.

Las variables morfológicas medidas a los 25, 36, 51 y 92 ddt fueron: altura de la planta (cm), grosor del tallo (cm) a la altura del sexto entrenudo usando un vernier digital, índice de área foliar (m² m^-2) calculado a partir de la integración del área foliar (AF) de cada planta por m² cubierto por el cultivo con el apoyo de un integrador de AF (LICOR-300 Lincon, Nebraska) y biomasa seca por planta (g) calculada a partir de muestreos de dos plantas por repetición, que se secaron en estufa a 70 °C hasta peso constante. Al final del ciclo se midió el rendimiento total (kg), número de frutos por unidad de superficie (suma de cinco cortes) y el peso medio de fruto (g).

Con los datos se realizó un ANDEVA y una prueba de comparación de medias de Tukey (p≤ 0.05).

Además se evaluó el consumo y ahorro de agua y de N, P, K, y Ca. El consumo de agua (L) se calculó con los datos registrados con el medidor de flujo y el volumen de drenaje recolectado en cada sistema. En el sistema de HP se usó el volumen de agua restablecido. El consumo de nutrientes (g) se determinó con los análisis químicos realizados a los drenajes a 39, 46, 57, 63, 70, 78, 89, 97 y 106 ddt. Debido a la forma de recolección de las muestras, no se efectuaron pruebas estadísticas para el consumo y ahorro de agua y nutrimentos minerales.

RESULTADOS Y DISCUSIÓN

Caracteres morfológicos

A los 25 ddt la altura de planta fue significativamente mayor en el tratamiento HP respecto al de bolsa cerrada (Cuadro 1); también en HP el diámetro de tallo fue estadísticamente superior a los tratamientos de cama abierta y cama cerrada. En el índice de AF y peso seco (Cuadro 2) hubo diferencias entre tratamientos a los 25 y 36 ddt, las mayores correspondieron a la primera medición, con los valores mayores en el sistema de HP (p≤0.05) al resto de los tratamientos, mientras que a los 36 ddt sólo hubo diferencias significativas entre hidroponía profunda y el sistema de bolsa abierta.

En mediciones posteriores no hubo diferencias entre tratamientos (p≤0.05). Probablemente en los primeros días después del trasplante las raíces se adaptaron con mayor facilidad al sistema de HP, ya que la temperatura en el sistema radical fue más uniforme y constante (21 a 24 °C) que en las bolsas y, sobre todo, en las camas las temperaturas fueron más altas y llegaron a sobrepasar 30 °C. Chong e Ito (1982) estudiaron temperaturas de la solución nutritiva en un sistema NFT (nutrient film technique) y observaron que el crecimiento radical y parte aérea en plantas de tomate fue favorecido con 25 °C, lo cual es similar a lo señalado por Ikeda y Osawa (1988). Las diferencias iniciales del crecimiento disminuyeron con el tiempo, una vez que las plantas formaron nuevas raíces y el dosel fue suficiente para ocasionar sombra sobre el sustrato, reduciendo las temperaturas en la raíz.

Con el aumento de la CE (alrededor de 6 dS m^-1) al acercarse el final del ciclo de cultivo en los sistemas de bolsa y cama cerrada, se esperaría un efecto negativo en el crecimiento (Savvas et al., 2009), pero no fue así, lo que indica que al manejar ciclos cortos, la salinidad no alcanza niveles críticos como los reportados con los sistemas cerrados de ciclo de cultivo largo (Tüzel et al., 2009; Massa et al., 2010).

Rendimiento y sus componentes

Dado que el peso medio de fruto fue similar para todos los tratamientos, la diferencia del rendimiento entre HP y camas (cerrada y abierta) se debió a que en el primero hubo más frutos por unidad de superficie (Cuadro 3), lo que podría explicarse por un ambiente más estable en la rizósfera con HP. En cambio, en los sistemas de cama hubo fluctuación mayor de la temperatura, CE y contenido de humedad y nutrimentos en la zona de la raíz, sobre todo en los periodos entre riegos sucesivos, debido a la superficie mayor del sustrato expuesta a la evapotranspiración y que pudo provocar estrés en las plantas (Dasgan y Ekici, 2005; Liang et al, 2006).

Considerando que el ciclo de cultivo del trasplante al final de la cosecha se completó en 114 d, es posible lograr tres ciclos de cultivo al año, lo que representa un rendimiento potencial anual cercano a las 500 t ha^-1 año^-1, lo cual realizan los productores holandeses (Resh, 2001) con tecnología sofisticada, difícil y con un costo de producción más elevado que el de los sistemas aquí propuestos.

Uso y eficiencia de agua y nutrimentos

El ahorro de agua y nutrimentos, sin disminución del rendimiento y sin incrementar costos de producción, es importante para el productor, además de reducir las descargas de fertilizantes al ambiente. El uso de nutrientes en cama sin recirculación de los drenajes respecto a la cama con recirculación se redujo 46, 30, 27 y 38 % para N, P, K y Ca, respectivamente, mientras que en bolsa cerrada respecto a bolsa abierta fue 52, 40, 48 y 52 % menor (Cuadros 4 y 5). Dasgan y Ekici (2005) y Parra et al. (2009) reportan ahorros altos de fertilizantes cuando se recircula la solución nutritiva, pero señalan reducción del rendimiento, y Pellicer et al. (2007) y Oztekin et al. (2008) indican que el rendimiento no cambia.

El sistema HP condujo al rendimiento mayor por unidad de superficie, aunque estadísticamente fue similar (p>0.05) al de la bolsa cerrada, fue más difícil de manejar que los otros sistemas y no ahorró la cantidad calculada de fertilizante porque al final del ciclo la solución nutritiva remanente estaba desequilibrada y con una CE elevada (4.3 dS m^-1); esto limitó su uso para otro ciclo de cultivo. Del total aplicado en el sistema HP, el cultivo utilizó 62 % de N, 54 % de P, 74 % de K y 80 % de Ca, y el resto se desecharía al final del ciclo; a pesar de ello, los ahorros fueron 20.4, 48.1, 25.0 y 31.7 % respecto al sistema de cama sin recirculación (Cuadros 4 y 5).

La eficiencia en gramos de fruto producido (en peso fresco) por g de nutrimento aplicado del sistema cerrado (cama o bolsa) fue aproximadamente el doble que la del sistema abierto (Cuadros 4 y 5). También el sistema HP fue más eficiente en el uso de nutrimentos que el de cama abierta y esta eficiencia se traduce en menos costos por fertilizantes, y es favorable para el productor.

El consumo de agua por el cultivo (evapotranspiración) durante el ciclo de producción varió de un máximo de 471.6 L m^-2 en el sistema de hidroponía profunda a un mínimo 428.4 L m^-2 en el de cama abierta (Cuadro 6).

Los sistemas cerrados en sustrato con respecto a sus testigos abiertos, presentaron ahorros de agua de 32.6 % en cama y 35.8 % en bolsa. En HP se aprovechó 78 % del agua utilizada quedando 22 % en la tina al final del ciclo. La solución desechada en los sistemas cerrados con sustrato fue mínima (Cuadro 6), pues sólo se desperdició la del drenaje de los últimos días que ya no se recirculó. En HP, al final del ciclo quedaron 133.2 L m^-2 (22 % del gasto total).

CONCLUSIONES

El crecimiento de las plantas y el rendimiento de fruto fueron similares entre los sistemas con y sin recirculación de la solución nutritiva; incluso, con la hidroponía profunda el rendimiento fue mayor por unidad de superficie respecto a los sistemas abiertos sin recirculación, lo que significa que con un manejo del cultivo de jitomate basado en ciclos cortos, es posible recircular la solución nutritiva sin afectar el rendimiento y con un ahorro mayor a 30 % de agua y a 40 % de nutrimentos comparado con los sistemas sin recirculación. El sistema de bolsa con recirculación fue más fácil de manejar respecto al de hidroponía profunda, por lo que de disponer de un sustrato localmente, sería preferible para su uso por el productor.

LITERATURA CITADA

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