Estimación del contenido de nitrógeno en hojas de coliflor por métodos de transmitancia y reflectancia

L. Rivacoba, N. Vázquez, M. L. Suso y A. Pardo, del Servicio de Investigación y Desarrollo Tecnológico Agroalimentario de La Rioja23/01/2014

La concentración de nitrógeno en plantas se determina habitualmente a través de análisis químicos, la determinación del N-NO_3- en la savia y la medida de la clorofila como una estimación indirecta del contenido de nitrógeno. Actualmente, los métodos de reflectancia y fluorescencia en regiones específicas del espectro se utilizan para el diagnóstico del estado nutricional en nitrógeno de las plantas. El objetivo de este estudio ha sido evaluar la utilización de sensores basados en estos principios en un cultivo de coliflor.

El ensayo se llevó a cabo en la Finca Valdegón, Sidta del Gobierno de La Rioja, en Agoncillo, en el año 2012. La plantación se realizó en agosto con un ciclo de cultivo de 75 días y se diseñó un experimento totalmente aleatorizado con cuatro tratamientos de nitrógeno disponibles: T1(Nmin inicial), T2 (190 kg N/ha), T3 (270 kg N/ha), T4 (320 kg N/ha). Periódicamente se realizaron muestreos de nitrógeno en suelo, en planta, nitrato en savia y medidas en hoja con los sensores Spad, Dualex, Multiplex, y Crop-Circle.

La mayoría de los sistemas de recomendación de abonado nitrogenado en los cultivos hortícolas se basan, bien en un análisis del N mineral en las primeras etapas del cultivo, o bien en el estado nutricional de la planta. Una buena revisión de estos sistemas puede encontrarse en Schröder et al. (2000). Entre ellos, el análisis rápido de nitrato en savia es un método práctico y simple para realizar el seguimiento del contenido de nitrato en los cultivos hortícolas (Rodrigo y Ramos, 2007). La buena correlación observada en muchos cultivos entre el contenido de N foliar y el de clorofila, especialmente cuando hay deficiencia de nitrógeno (Schepers et al., 1992), ha favorecido la aparición de sensores que utilizan la medida de la clorofila como indicador del nitrógeno foliar.

El sensor Multiplex puede obtener hasta veinte parámetros relacionados con el estado fisiológico de la planta.

En los últimos años se ha observado un progreso significativo en la investigación y desarrollo de sensores ópticos, útiles para determinar el estado nutricional de N de los cultivos. Los medidores de reflectancia se emplean a nivel de cubierta vegetal y sus medidas están relacionadas con propiedades de la cubierta tales como el índice de área foliar, el contenido de N foliar, la clorofila o la biomasa (Lemaire et al., 2008; Jongschaap, 2006). Barker y Sawyer (2010) han indicado la importancia del desarrollo de algoritmos a partir de las medidas de reflectancia como indicadores para el manejo del N en la producción agrícola, pero advierten que estos algoritmos están limitados a las condiciones de cultivo similares a las que se emplearon en su desarrollo. Hay estudios abundantes sobre la aplicación de las medidas de reflectancia para la gestión del abonado nitrogenado en cultivos extensivos, pero son escasos en cultivos hortícolas (El-Shikha et al., 2007; Peña et al., 2012). El objetivo de este trabajo ha sido evaluar la reflectancia y transmitancia de hojas y cubiertas mediante sensores ópticos, como estimadores del estado nutricional de nitrógeno en un cultivo de coliflor (Brassica oleracea var. botrytis).

Material y métodos

La experiencia se llevó a cabo en la finca del Sidta. Se utilizó coliflor var. Barcelona de ciclo corto. El suelo de textura franca estaba clasificado como torripsamments oxiácuico (Soil Survey Staff, 2006). El trasplante se realizó el 13 de agosto en mesetas separadas 1,5 m entre ejes, con dos líneas de cultivo por meseta (0,75x0,6 m), obteniéndose una densidad de 22.222 plantas/ha. El riego se realizó por aspersión. Como abonado de pre-plantación se aplicaron 0-150-275 kg/ha de un complejo N-P-K y en cobertera se realizó una sola aplicación de fertilizante nitrogenado a los 31 días desde el trasplante (DDT) en forma de nitrosulfato amónico 26-0-0, a una dosis variable en función del nitrógeno objetivo de los tratamientos.

Tabla 1. Tratamientos experimentales en función del N objetivo.

El diseño fue aleatorizado en función del nitrógeno mineral (Nmin) inicial del suelo y constaba de cuatro tratamientos con cuatro repeticiones. La parcela elemental tenía una superficie de 81 m² y contenía 6 líneas de cultivo. Los detalles de los procedimientos experimentales empleados en la determinación del N mineral en suelo (nitrato y amonio) y N total y N-NO₃^- en plantas se describen en Rivacoba et al. (2013). En cuatro fechas a lo largo del cultivo, se realizaron medidas de clorofila en hoja mediante los equipos Spad (Mod. 502, Minolta), Dualex y Multiplex (Force-A), a las 11:00 h, en una hoja totalmente expandida por planta, en diez plantas por parcela elemental. Cinco de estas hojas se trocearon y mezclaron en el laboratorio para extraer la savia mediante prensado y una alícuota de esta muestra se diluyó en agua desionizada midiéndose el contenido en N-NO₃^- mediante un reflectómetro portátil RQflex.

El sensor Dualex proporciona tres índices. El índice CHL, es un estimador del contenido en clorofila por medio de la relación de transmitancias en la hoja entre el rojo y el NIR. El índice Flav es un estimador del contenido en flavonoides en la hoja que aumenta en condiciones de deficiencia de nitrógeno. El índice de balance de nitrógeno, NBI, se calcula como la relación entre CHL y Flav. El sensor Multiplex genera fluorescencia en los tejidos vegetales utilizando la excitación de varias fuentes de luz para obtener hasta veinte parámetros relacionados con el estado fisiológico de la planta. En este trabajo se han utilizado el índice SFR-R, que es un estimador del contenido en clorofila obtenido por la relación de fluorescencia entre el rojo y el rojo lejano, y el NBI, que se calcula de modo diferente que el indicado para Dualex y se obtiene por relaciones de fluorescencia.

El sensor Crop Circle mide simultáneamente la reflectancia del suelo y del cultivo.

El 1 de octubre, a los 49 DDT, se realizó una medida de reflectancia con el equipo Crop-Circle ACS-430 (Holland Scientific) que mide simultáneamente la reflectancia del suelo y del cultivo a 670, 730 y 780 nm. Se realizaron dos trayectos de 5 m sobre dos líneas interiores de cada parcela elemental, a una altura de 0,9 m sobre el suelo, lo que supone un barrido de 0,75 m a nivel de la superficie del suelo. Este sensor proporciona los índices NDVI y NDRE. El índice NDVI (Rouse et al., 1973) es uno de los índices de vegetación más utilizados, y varía entre 0,1 para el suelo desnudo y 0,9-1,0 en cubiertas vegetales plenamente desarrolladas. El índice NDRE es similar al NDVI pero utiliza la reflectancia a 730 nm en vez de a 670 nm y es sensible a los cambios en el contenido en clorofila A o en nitrógeno de la hoja. Adicionalmente se calculó el índice de contenido de clorofila en la cubierta CCCI, a partir del NDVI y del NDRE y para su aplicación se han utilizado los coeficientes indicados por El-Shikha et al. (2007). El análisis estadístico de los resultados, Anova y pruebas de Student y Tukey se han realizado utilizando el programa Systat12.

Resultado y discusión

El contenido de nitrógeno total en las hojas de coliflor ha disminuido significativamente (p≤0,001) en todos los tratamientos durante el cultivo (Figura 1). Las concentraciones observadas en el tratamiento T1 han estado por debajo de los valores de nitrógeno crítico según el modelo de Kage et al. (2002) y ello justificaría los menores valores de producción comercial obtenidos (datos presentados en Rivacoba et al., 2013).

Figura 1. Concentración de nitrógeno total, Ntotal (%), en hojas de coliflor en los diferentes tratamientos. Las barras verticales indican el error estándar.

Figura 2. Concentración de N-NO3- (ppm) en savia en hojas de coliflor en los diferentes tratamientos...

Figura 2. Concentración de N-NO₃^- (ppm) en savia en hojas de coliflor en los diferentes tratamientos. IFI: Inicio de la formación de la inflorescencia. Las barras verticales indican el error estándar.

Tres días antes del abonado de cobertera, 31 DDT con la planta en estado de diez hojas, la concentración de N-NO3- en savia oscilaba entre 2100 y 2600 ppm (Figura 2), superior a la concentración crítica indicada por Hartz (2002) que oscila entre 1.000 y 1.600 ppm. Esta concentración se incrementó ligeramente al inicio de formación de las inflorescencias, a los 49 DDT, en los tratamientos T2, T3 y T4, siendo significativamente superior al contenido en T1 (Figura 2). Diez días después, estos valores disminuyeron mostrando diferencias significativas entre todos los tratamientos. Las concentraciones, en los tratamientos T2, T3 y T4, variaron entre 1.260 y 2.260 ppm y fueron superiores a las concentraciones críticas en pre-cosecha indicadas por Hartz (2002), lo que explicaría que no se hayan encontrado diferencias significativas en la producción. Otros autores (Olsen y Lyons, 1994), concluyeron que la concentración de nitrato en savia es un indicador sensible del estado nutricional de nitrógeno de la planta así como de las variaciones del contenido de nitrato en el suelo.

Figura 3. Contenido de clorofila en hojas de coliflor, unidades Spad en los diferentes tratamientos.

En las medidas realizadas con el sensor Spad, no se han encontrado diferencias significativas entre tratamientos y fechas salvo en la medida del 23 de octubre, en cosecha (Figura 3). Los valores Spad en el T1 disminuyen paulatinamente a lo largo del cultivo desde 63 hasta 54 unidades. Los tratamientos T3 y T4, los más fertilizados, presentan unos niveles estables en torno a 60 unidades Spad. El T2, con un nivel de aportación de nitrógeno más bajo que los anteriores, muestra una gran variabilidad en los resultados y no se observa ninguna tendencia clara a lo largo del cultivo. Existen discrepancias entre los autores en cuanto al uso de este medidor como guía de aplicación de abonado nitrogenado. Así Hartz et al. (1993) en pimiento, Goffart et al. (2006) en escarola y Gianquinto et al. (2003) en patata recomiendan su uso, mientras que Villeneuve et al. (2002) en brócoli o Tremblay et al. (2002) en judía verde lo desaconsejan para la recomendación de abonado.

El sensor Dualex proporciona tres índices: CHL, Flav y NBI.

En las medidas con el sensor Dualex, existen diferencias significativas para los parámetros CHL y NBI entre fechas y entre tratamientos frente al T1. El contenido del nitrógeno total en hoja (Figura 1) muestra un descenso continuado hasta el inicio de la cosecha. Esta tendencia no se detecta en los índices Dualex, salvo en los valores de NBI en el T1 (Figura 4 A y B). El parámetro NBI se ha mostrado más discriminante que el CHL para detectar estas diferencias.

Figura 4: Contenido de clorofila en hojas de coliflor, unidades Dualex: Clorofila, CHL (A) e índice de balance de nitrógeno, NBI, (B) en los diferentes tratamientos. Las barras verticales indican el error estándar.

La evolución de los índices Multiplex, SFR-R y NBI se muestra en la Figura 5 A y B. Existen diferencias significativas entre fechas en ambos índices. 21 días después del abonado, el índice SFR-R del T4 es significativamente superior al resto. Desde ese momento hasta la cosecha, los tratamientos T2, T3 y T4 muestran valores significativamente superiores a T1. Este tratamiento ha mostrado un índice NBI significativamente menor que el resto a partir del abonado de cobertera.

Figura 5: Contenido de clorofila en hojas de coliflor, unidades Multiplex: Clorofila, SFR (A) e índice de balance de nitrógeno, NBI, (B) en los diferentes tratamientos. Las barras verticales indican el error estándar.

En los trayectos realizados a los 49 DDT con el sensor Crop-Circle, no se han obtenido diferencias significativas entre los tratamientos para el índice NDVI (Tabla 2) que es principalmente un índice de vegetación que integra la reflectancia de suelo y planta, y puede estar influido por la altura del sensor sobre la cubierta vegetal. El tratamiento T1 ha mostrado un valor de NDRE significativamente inferior al resto (Tabla 2). El menor valor supone un incremento en la reflectancia a 730 nm que indica un menor valor del contenido en clorofila (Fitzgerald et al., 2006). El menor valor del CCCI en el T1 difiere significativamente del resto, indicando un estado deficitario en nitrógeno (Tabla 2).

Tabla 2: Índices NDVI, NDRE y CCCI calculados a partir de los valores de reflectancia a 670, 730 y 780 nm obtenidos en el cultivo de coliflor a los cuarenta y nueve días desde la plantación.

Conclusiones

El contenido de N total en los tratamientos T2, T3 y T4 ha estado por encima del N crítico y solamente el tratamiento T1 ha sido deficitario. El análisis rápido de N-NO₃ en savia mostró una gran sensibilidad para detectar las diferencias en contenido de N a lo largo del cultivo y entre tratamientos. Los sensores Dualex, Multiplex y Crop-Circle, detectaron la deficiencia de nitrógeno en el T1 siendo los índices NBI de Dualex y Multiplex más discriminantes que los CHL y SFR-R respectivamente. Los valores Spad no fueron capaces de discriminar el tratamiento deficitario T1 hasta la cosecha. Estos resultados sugieren que la medida de nitrato en savia y el empleo de métodos de reflectancia y transmitancia pueden ser adecuados para la determinación de deficiencias en el abonado nitrogenado de la coliflor. Estas deficiencias tendrían que ser detectadas a tiempo para ser corregidas en la fertilización de cobertera y dependerá del ciclo, del estado de desarrollo del cultivo y la técnica de aplicación del fertilizante.

Agradecimientos

Este trabajo está financiado por el proyecto Inia RTA2011-00136.

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