Behavior of Ca, Mg and S in a soilless culture system for carnation

Nohora Astrid Vélez-Carvajal; Sandra Esperanza Melo-Martínez; Víctor Julio Flórez-Roncancio*

Universidad Nacional de Colombia, Sede Bogotá, Facultad de Ciencias Agrarias, Departamento de Agronomía. Carrera 30 Núm. 45-03 Edificio 500, Bogotá, Distrito Capital, Colombia. C.P. 14490. Correo-e: vjflorezr@unal.edu.co (*Autor para correspondencia).

Recibido: 10 de octubre de 2013. ]]> Aceptado: 7 de agosto de 2014.

Resumen

En los cultivos hidropónicos de la sabana de Bogotá se han encontrado cantidades excedentarias de iones en los lixiviados. El objetivo del estudio fue determinar el contenido de Ca, Mg y S en el sustrato, en el lixiviado y en el tejido de la planta entera de clavel estándar cv. Delphi, con tres porcentajes de recirculación del lixiviado y en diferentes etapas de desarrollo fenológico. Se utilizó un diseño experimental de bloques completos al azar, con nueve tratamientos y tres repeticiones, en parcelas divididas. La concentración de calcio en el lixiviado en función de la recirculación fue significativamente mayor sin recircular los lixiviados, mientras que, en función de los sustratos, tendió a ser mayor en el sustrato con menor porcentaje de cascarilla de arroz quemada (CAQ). Para magnesio, la concentración en el lixiviado aumentó con el avance del cultivo, de manera independiente de los factores, y fue significativamente mayor a medida que se incrementó el porcentaje de recirculación. Los contenidos de calcio y magnesio fueron significativamente menores en el sustrato con mayor contenido de CAQ. Para sulfato en los lixiviados se observó incremento en su concentración, con el aumento del porcentaje de recirculación, y las mayores concentraciones se presentan bajo el efecto del sustrato con mayor contenido de fibra de coco (FC). En los sistemas cerrados se deben ajustar las concentraciones de magnesio y azufre en las fórmulas de fertirriego. Además, cuando en el sustrato se mantengan porcentajes de FC, es necesario considerar la retención de los iones calcio y magnesio.

Palabras clave: Macroelementos secundarios, sustratos orgánicos, flor de corte.

Abstract

In the hydroponic growing systems of the Bogota plateau, excess amounts of ions have been found in the leachate. The aim of the study was to determine the Ca, Mg and S contents in the substrate, leachate and tissue of the entire plant of the standard carnation cv. Delphi, with three leachate recirculation percentages and in different phenological development stages. A randomized complete block experimental design in split plots with nine treatments and three replications was used. The calcium concentration in the leachate on the basis of recirculation was significantly higher without recirculating the leachate, whereas, on the basis of the substrates, it tended to be higher in the substrate with a lower percentage of burned rice husk (BRH). For magnesium, the concentration in the leachate increased with crop development, regardless of the factors, and was significantly greater as the recirculation percentage increased. The calcium and magnesium contents were significantly lower in the substrate with higher BRH content. The sulfate concentration in the leachate increased as the recirculation percentage increased, and the highest concentrations occurred under the influence of the substrate with higher coconut fiber (CF) content. In closed systems the magnesium and sulfur concentrations in the fertigation formulas must be adjusted. Furthermore, when CF percentages are maintained in the substrate, it is necessary to consider the retention of the calcium and magnesium ions.

Keywords: Secondary macroelements, organic substrates, cut flower.

De acuerdo con Abad et al. (2005), el cultivo en sustrato es un cultivo sin suelo (CSS). Este sistema puede ser abierto a solución perdida o cerrada, con recirculación de la solución nutritiva, como lo describe Marfà (2000). Arreaza (2000) y Meneses (2004) resaltan que en un cultivo de clavel en sustratos es adecuado obtener lixiviados entre 5 y 20 % del volumen aplicado. Para las condiciones mediterráneas descritas por Lorenzo et al. (1993) es necesario utilizar una fracción de lavado entre 20 y 50 %.

Entre los materiales usados como sustratos en la sabana de Bogotá, se destacan la fibra de coco (FC) y la cascarilla de arroz quemada o tostada (CAQ). La FC está compuesta de lignina y celulosa, con una relación carbono:nitrógeno (C:N) de 80, pH entre 4 y 7, conductividad eléctrica (CE) entre 1 y 6 dS·m^-1, contenido de materia orgánica de 92 %, capacidad de intercambio catiónico (CIC) entre 50 y 90 meq·100 g^-1, porosidad total de 92 % y densidad aparente de 0.06 g·cm^-3 (Alarcón y Urrestarazu, 2006). Entre las principales propiedades de la CAQ se encuentran baja tasa de descomposición, baja densidad aparente (0.090 a 0.22 g-m^-3de masa seca), buen drenaje, pH neutro, y CE y CIC bajas (Burés, 1997).

La técnica de CSS con recirculación permite la supresión total o parcial del vertimiento de lixiviados al medio, ahorro de fertilizantes y de agua y mitiga problemas medioambientales derivados de la lixiviación de fertilizantes (Zekki et al., 1996; Anónimo, 2003; Marfà et al., 2006). Parte de los problemas agronómicos en los CSS cerrados se derivan de la progresiva alteración de la composición originaria de la solución nutritiva, principalmente por la acumulación de ciertos iones como cloruro, sodio y sulfatos (Marfà et al., 2006).

De acuerdo con Marfà et al. (2006), en CSS donde se utilizan sustratos de naturaleza orgánica, química y biológicamente activos, la solución nutritiva interacciona con el sustrato y no es sencilla la incorporación de la recirculación al sistema de cultivo. Asi, la composición iónica de los lixiviados no es igual a la de la solución nutritiva originaria, ya que incorporan sólidos en suspensión, solutos exudados por las raíces y microorganismos que pueden ser patógenos. Por lo anterior, los lixiviados deben filtrarse, desinfectarse y restituirse al circuito cerrado, corrigiendo su composición.

El clavel absorbe calcio y potasio fácilmente. Cuando hay un suministro deficiente de potasio los iones K, Na, Ca y Mg compiten por absorción, y magnesio y calcio serían absorbidos por un sistema separado en el que compiten por igual (Holley y Baker, 1991).

El calcio se absorbe como Ca²⁺, su contenido en las plantas superiores está alrededor de 5 a 30 mg·g^-1 de masa seca (Azcón-Bieto y Talón, 2000; Mengel et al., 2001). Es más móvil en el apoplasto que en el simplasto. El magnesio se absorbe como Mg²⁺, y se comporta como un elemento móvil tanto en la planta como en la célula (Azcon-Bieto y Talón, 2000). Su tasa de absorción puede ser presionada por otros cationes, como K⁺, NH₄⁺, Ca²⁺ y Mn²⁺, y por H⁺, a pH bajo. El calcio es de los elementos más competitivos con el magnesio, por lo tanto, las altas concentraciones de calcio en el sustrato resultan en un aumento de este elemento en la hoja, con reducción de las concentraciones de magnesio (Bernstein y Hayward, 1958). El azufre es absorbido por la planta casi exclusivamente como SO₄^-2. En pequeñas cantidades puede ser absorbido como SO₃^-2 y de la atmosfera como SO₂ (Navarro y Navarro, 2003). Su contenido en las partes vegetativas de los cultivos varía entre 0.1 y 2 % de la masa seca (0.03 a 0.6 mmol·g^-1 de masa seca).

El objetivo del estudio fue evaluar el comportamiento de las concentraciones de Ca, Mg y S en el continuo sustrato-planta-lixiviado en un sistema de cultivo en sustratos a base de CAQ y FC, para clavel estándar cv. Delphi con recirculación de lixiviados.

MATERIALES Y MÉTODOS

Se acondicionó un invernadero tradicional en madera con cuatro secciones de 6.8 x 65 m cada una, con ventilación lateral y cenital pasiva. Se utilizó clavel estándar cv. Delphi sembrado en sustrato a una densidad de 24.3 plantas·m^-2 de invernadero, en camas suspendidas de 15 x 0.8 m, con riego a presión y goteros de 1.2 Lph cada 20 cm.

Se fertirrigó a través de un sistema computarizado y de un sistema automático de recirculación de drenajes (SARD). Este sistema está compuesto de tarjeta de adquisición de datos de National Instruments, computador, sensores de CE, pH, Ca⁺² y Mg⁺², tanques de recolección y almacenamiento de soluciones, sensores de medición de volumen, válvulas solenoides y electrobombas, sensores de radiación global, radiación fotosintéticamente activa, humedad relativa y temperatura. El funcionamiento del SARD está descrito en Cuervo et al. (2011).

Para todos los tratamientos, la fórmula de fertilización en la fase vegetativa fue la siguiente (mg·litro^-1): N, 200; P, 30; K y Ca, 150; Mg, 60; S, 72; Zn, 0.5; Cu y B, 1; Fe, 4; y Mo, 0.1. Y en la fase productiva: N, K y Ca, 150; P, 30; Mg, 60; S, 120; Zn, 0.5; Cu y B, 1; Fe, 4; y Mo, 0.1.

Variables medidas

Las muestras de tejido, del sustrato, del lixiviado y del agua del reservorio se sometieron a caracterización química de calcio, magnesio y azufre, conforme el protocolo del laboratorio de aguas y suelos de la Facultad de Ciencias Agrarias de la Universidad Nacional de Colombia (Carrillo et al., 1994).

Las etapas de desarrollo fenológico definidas fueron previamente seleccionados al azar, expresadas en semanas después de la siembra (SDS), para los muestreos respectivos: primer pico (27 SDS), valle (34 SDS), transición vegetativo - reproductivo (44 SDS), desbotone (48 SDS) y segundo pico (54 SDS).

Análisis de laboratorio

En el Cuadro 1 se presentan los análisis de agua del reservorio muestreado en cada etapa fenológica en el cultivo de clavel estándar cv. Delphi. Esta fue la composición del agua con la que se prepararon las soluciones fertilizantes utilizadas durante el periodo de desarrollo del cultivo estudiado. La caracterización química del sustrato, del tejido vegetal y del lixiviado se realizó en los laboratorios de la Universidad Nacional de Colombia, sede Bogotá, según las metodologías propuestas por el Centro Nacional de Investigación de Café (Carrillo et al., 1994).

Diseño experimental

Se utilizó un diseño experimental en bloques completos al azar con parcelas divididas y nueve tratamientos con tres repeticiones (Melo et al., 2007), donde el factor de las parcelas principales fueron los porcentajes de recirculación (0, 50 y 100 %) y el factor de las subparcelas los sustratos (100CAQ, 65CAQ y 35CAQ), conforme se muestra en el Cuadro 2. La unidad experimental fue la cama de 15 m, para un total de 27 camas.

Los datos obtenidos del experimento para cada una de las variables estudiadas se analizaron mediante un análisis de varianza bajo el modelo de parcelas subdivididas con el paquete estadístico SAS versión 9.2 (Anónimo, 2009). Se midió el efecto de los factores estudiados de manera independiente (sustratos y porcentajes de recirculación) así como el efecto la interacción de sustratos por porcentajes de recirculación (tratamientos).

RESULTADOS Y DISCUSIÓN

Calcio en el lixiviado

La concentración de calcio en función de la recirculación y de los sustratos presenta una tendencia similar, mostrando las concentraciones más altas en la primera y en la última etapa fenológica. Se aprecia que la concentración del ion en función de la recirculación tiende a ser mayor en los tratamientos sin recirculación, con diferencias significativas entre los tratamientos en algunas etapas (Figura 1A). Por otro lado, la concentración de calcio en función de los sustratos fue significativamente mayor en el tratamiento con menor contenido de CAQ, en las etapas fenológicas "primer pico" y "desbotone" (Figura 1B).

Calcio en el tejido

A partir del estadio "transición", el contenido de calcio en función de la recirculación y de los sustratos presenta una leve tendencia a disminuir con la edad del cultivo (datos no mostrados), aun cuando no se encontraron diferencias estadísticas significativas entre los tratamientos para esas etapas fenológicas.

Esta tendencia es contraria a lo expuesto por Sánchez-Alonso y Lachica (1987), quienes afirman que con excepción de calcio y, en algunos casos, de hierro y boro, el contenido de nutrientes con base en la masa seca disminuye a medida que avanza la edad de la planta o de sus órganos. La causa de esta disminución se debe principalmente a un incremento relativo del material estructural (paredes celulares y ligninas) y compuestos almacenados (almidones) en la masa seca (Marschner, 1995). Mientras que en el ensayo realizado por Kleiber et al. (2009), con el envejecimiento de las plantas de anturio se determinó una disminución significativa en el contenido de calcio en la mayoría de los cultivares estudiados.

Para este elemento no se presentaron deficiencias ya que las concentraciones en la planta se mantuvieron en el rango de 0.8 a 1.52 %. De acuerdo con Price (1986), los contenidos foliares adecuados para calcio antes de que los botones florales sean visibles deben estar entre 1.0 y 2.0 %; y considerados deficientes cuando están por debajo de 0.6 %, según valores establecidos a partir de datos de estudios en cultivos comerciales. En general estos son los rangos que se deben mantener durante el cultivo; rangos obtenidos a partir de registros de diagnóstico derivados de un banco de datos de análisis.

Calcio en el sustrato

Para el contenido de calcio en los sustratos en función de la recirculación no se encontraron diferencias significativas (datos no mostrados), por lo que se podría inferir que la concentración de este ion en el sustrato se mantiene de forma independiente de la recirculación. Al contrario, cuando esta variable se analizó en función de los sustratos, el contenido de calcio fue significativamente menor en el sustrato con mayor contenido de CAQ en todas las etapas fenológicas (Figura 2).

Este comportamiento es contrario al reportado por Fernández et al. (2006), quienes encontraron en clavel estándar variedad Nelson que los contenidos de calcio en el sustrato eran excesivos para el sustrato 100CAQ.

Sin embargo, según Torre et al. (2001) el contenido de calcio es mucho más bajo en flores que en hojas. Y debido a la gran diferencia en la tasa de transpiración entre flores, frutas y hojas, el flujo del xilema es principalmente dirigido por las hojas altamente transpirantes; por lo que para incrementar el contenido de calcio en las hojas y flores es más efectivo estimular la tasa de transpiración que adicionar más calcio a la solución nutritiva.

Magnesio en el lixiviado

Cuando se analizó la concentración del ión magnesio en función de los porcentajes de recirculación, se encontró que aumentó durante el periodo estudiado. Además, la concentración del ion en el tratamiento 100 % es significativamente mayor a 0 % de recirculación, en las últimas tres etapas de desarrollo (Figura 3A). De forma similar, la concentración de magnesio en función de los sustratos se incrementó con el desarrollo de las plantas, aunque no se presentaron diferencias estadísticas significativas entre los tratamientos hacia el final del periodo de desarrollo del cultivo estudiado (Figura 3B).

Lo anterior concuerda con Prado (2000), quien afirma que el magnesio, el cloruro, el calcio, el sodio y el sulfato son los iones que habitualmente presentan problemas de acumulación en las soluciones nutritivas recirculadas. Aunque para este estudio el incremento de magnesio en función de la recirculación representaría más bien ahorro en fertilizante.

Magnesio en el tejido

El contenido de este ion en función de la recirculación y de los sustratos es constante; excepto en la etapa "valle", donde en función de ambos factores es ligeramente menor y, en función de los sustratos, se constataron diferencias significativas entre los tratamientos.

Estos resultados concuerdan con Kleiber et al. (2009), quienes con respecto al magnesio reportan que no hubo efecto significativo en el periodo vegetativo en la nutrición de las plantas de anturio. Contrario a lo reportado por Fernández et al. (2006), quienes encontraron que para clavel estándar variedad Nelson el contenido de este ión decreció durante el ciclo del cultivo, presentando los valores más altos, incluso excesivos, en la etapa de pinch. En el presente ensayo, el contenido de magnesio se mantuvo entre 0.49 y 0.67 %, dentro del rango óptimo de acuerdo con información recopilada por Price (1986), donde los contenidos foliares adecuados de este elemento deben estar entre 0.25 y 0.50 %; y se considera deficiente cuando está por debajo de 0.15 %.

Magnesio en el sustrato

Los porcentajes de magnesio en función de la recirculación no presentaron diferencias estadísticas entre los tratamientos para la mayoría de las etapas fenológicas estudiadas, pero, se observa una tendencia de menor contenido para los tratamientos sin recirculación en todas las etapas evaluadas (Figura 4A). Cuando el contenido de este ion es analizado en función de los sustratos, se encuentra que para el sustrato con menor contenido de cascarilla (35CAQ) el contenido de magnesio es significativamente mayor que para el sustrato con 100 % de CAQ, en todas las etapas estudiadas (Figura 4B).

En función de la recirculación y de los sustratos se observa mayor contenido del ion magnesio en la última etapa de desarrollo evaluada, lo cual coincide con Dasgan y Ekici (2005), quienes reportaron en plantas de tomate las más altas concentraciones en las últimas dos semanas de cultivo, con valores de 10.76 y 10.72 mmol en los sistemas abierto y cerrado, respectivamente. En el sistema cerrado se incremento de un contenido de 4 a 24 % más magnesio durante el cultivo. Los autores reportan una moderada acumulación de este ion en ambos sistemas, aunque resaltan que pudo ser debido a que la concentración de la solución original suministrada, que contenía 50 mg·litro^-1, podría ser mayor debido a la concentración en el agua utilizada para la preparación de la solución nutritiva (0.73 mol o 17.8 mg·litro^-1).

Azufre en el lixiviado

Para el contenido de sulfato en función de los porcentajes de recirculación se presentaron diferencias significativas en las etapas "primer pico", "transición" y "segundo pico"; de hecho, a lo largo del periodo estudiado, se observa una tendencia al aumento de la concentración de este ion, a medida en que aumenta el porcentaje de recirculación. Esta tendencia se hace significativa en las etapas "transición" y "segundo pico" (Figura 5A). Lo anterior, posiblemente se presenta por tratarse de un ion soluble poco retenido por los sustratos; concordando con López et al. (1996), quienes afirman que en los sistemas de cultivo hidropónico, reciclar la solución de nutrientes provoca acumulación de iones sulfato, lo cual puede generar desequilibrios de nutrientes que afectan el rendimiento del cultivo. En plantas de tomate cultivadas en perlita, Dasgan y Ekici (2005) encontraron que las diferencias entre un sistema abierto y uno cerrado surgieron a las doce semanas después del trasplante; y la solución reciclada presentó 36, 34 y 34 % más sulfatos respectivamente en las semanas 16, 20 y 24 después de trasplante. Tras 26 semanas, la diferencia en los niveles de sulfato entre los dos sistemas disminuyó a 17 %.

Zekki et al. (1996) encontraron que mientras se mantuvieron la CE y el pH en los niveles óptimos en un sistema de cultivo de tomate en NFT, no se observó ningún problema nutricional en las plantas cultivadas; sin embargo, las concentraciones minerales desequilibradas dieron lugar a la acumulación de SO₄^-2 en el sistema, debido al reciclaje que se produce durante largos períodos de uso de la solución nutritiva.

Cuando la variable sulfato se analiza en función de los sustratos, de manera general se observa tendencia al incremento con el avance del cultivo, excepto en la etapa "desbotone". Las mayores concentraciones de sulfato en los lixiviados estarían bajo el efecto del sustrato 35CAQ (Figura 5B); lo cual podría deberse a la capacidad de intercambio aniónico (CIA) de la fibra de coco, permitiendo mayores contracciones del anión sulfato en los lixiviados.

Dependiendo de la etapa fenológica, tanto la recirculación como el sustrato ejercen efecto en el comportamiento del contenido de sulfato en los lixiviados.

Azufre en el tejido

El contenido de azufre en el tejido en función de la recirculación no presenta diferencias estadísticas significativas, mientras que, en función de los sustratos sólo se presenta diferencia significativa en la etapa "desbotone" (Datos no mostrados); pero, se observa que de manera independiente de la recirculación y de los sustratos, la concentración de azufre presenta la misma tendencia, los valores más bajos en el estadio "valle" y un ligero aumento a medida que avanza el cultivo.

Este comportamiento podría atribuirse al incremento en biomasa consecuente con el desarrollo del cultivo en el tiempo. Los contenidos encontrados en este ensayo concuerdan con rangos adecuados de suficiencia (0.1 a 0.3 %) reportados por Bennett (1993), para granos y legumbres.

El comportamiento de la concentración de azufre en el tejido es influenciado en la etapa "desbotone" por los sustratos, en las demás etapas no depende de los sustratos ni de la recirculación.

Azufre en el sustrato

El contenido de azufre en el sustrato en función de la recirculación y de los sustratos no presenta una tendencia clara ni diferencias significativas en ninguno de los estadios fenológicos evaluados. Es decir que el comportamiento del porcentaje de azufre en los sustratos no es afectado por el nivel de recirculación ni por el tipo de sustrato. Aun cuando no se presentaron diferencias significativas en función de los sustratos, se observó en casi todas las etapas, que los contenidos más bajos se obtuvieron en el sustrato con mayor contenido de CAQ, es decir que los sustratos que más lo retienen serían 35CAQ y 65CAQ, con porcentajes de FC. Esto podría deberse a la capacidad de intercambio aniónico, que está inversamente relacionada con el pH del suelo; a pH bajo se pueden desarrollar cargas positivas que retienen SO₄^-2, esta retención es mínima cuando el pH es mayor a 6.0; adicionalmente, la materia orgánica en algunas ocasiones también desarrolla cargas positivas capaces de atraer este elemento (Foth, 1990).

Confrontando estos resultados con los obtenidos por Dasgan y Ekici (2005) en plantas de tomate cultivadas en perlita en sistemas abierto y cerrado, en el sustrato no se presentó acumulación de azufre en ninguno de los sistemas evaluados.

Es de resaltar que los mayores contenidos de calcio y magnesio se encontraron en el sustrato con mayor porcentaje de fibra de coco (35CAQ) (Figuras 2 y 4B, respectivamente), el cual presentó la mayor CIC (Vélez et al., 2014). En los sustratos con mayor CIC los coloides electronegativos del sustrato, en este caso la materia orgánica, pueden retener estos cationes (Navarro y Navarro, 2003). La CIC se incrementa a medida que la materia orgánica aumenta (Farrús y Vadell, 2002).

CONCLUSIONES

La concentración del ion calcio en el lixiviado fue significativamente mayor sin recirculación, y en función del sustrato tendió a ser mayor en la mezcla con mayor porcentaje de FC, mientras que la concentración de magnesio en el lixiviado aumentó de manera independiente de los factores, la cual fue significativamente mayor, a medida que se incrementó el porcentaje de recirculación de los lixiviados. Los contenidos de ambos iones fueron significativamente menores en el sustrato con mayor contenido de CAQ. Sin embargo, en el tejido de la planta entera los porcentajes de calcio y magnesio no fueron influenciados.

El ion sulfato en los lixiviados aumentó su concentración a medida que aumentó el porcentaje de recirculación, con mayores concentraciones bajo el efecto del sustrato con mayor contenido de FC. Las concentraciones de azufre en el tejido de la planta entera y en los sustratos no dependen de los factores; es decir, ni de la recirculación ni de los sustratos.

Para sistemas cerrados, se recomienda ajustar en las fórmulas de fertirriego las concentraciones de magnesio y azufre, en razón a su aumento con la recirculación. Cuando en el sustrato se mantengan porcentajes de fibra de coco, es necesario considerar la retención de los iones calcio y magnesio, pues sus concentraciones son significativamente mayores en el sustrato con mayor contenido de fibra de coco.

AGRADECIMIENTOS

Los autores agradecen al Ministerio de Agricultura y Desarrollo Rural, a Colciencias y a Ceniflores, por su financiación en efectivo; así como a las empresas Suata Plants S.A. por la donación del material vegetal, a Productos Químicos Andinos S.A. por la cesión de los materiales plásticos de cubierta y de contenedores de las camas de cultivo y a Brenntag Colombia S.A. por suministrar las soluciones nutritivas para fertirriego. Estos aportes hicieron posible la realización del proyecto "Producción más limpia en el cultivo de clavel en sustrato en la sabana de Bogotá", en cuyo marco se desarrolló el presente trabajo de investigación.

LITERATURA CITADA

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