Optimización de la fertilización nitrogenada en cultivos de invernadero con técnicas de monitorización en suelo y planta
María Teresa Peña-Fleitas (Investigadora); Rodney Thompson (Prof. Titular de Universidad); Marisa Gallardo (Prof. Catedrática de Universidad); Francisco M. Padilla (Investigador Ramón y Cajal), del Departamento de Agronomía de la Universidad de Almería18/12/2015
Para mejorar el uso del nitrógeno (N) en cultivos hortícolas intensivos del sureste español y así poder reducir la lixiviación de nitrato a los acuíferos subyacentes, los sistemas de monitorización se plantean como un método prometedor para controlar los aportes de fertilizante en concordancia con las necesidades del cultivo. Se proponen distintos sistemas de monitorización, tanto los tradicionales basados en medidas directas de la concentración de nitrato en savia o en solución de suelo, como los más novedosos basados en medidas en planta con sensores ópticos. El empleo de valores de suficiencia es esencial para interpretar los datos obtenidos en cualquiera de los distintos métodos de monitorización del estado nutricional.
Introducción
La gestión óptima del nitrógeno (N) es un requisito cada vez más importante en la agricultura intensiva debido a la presión legislativa para reducir los problemas medioambientales asociados a la contaminación por nitrato de las aguas subterráneas y superficiales. Prácticamente la totalidad de la zona de producción hortícola bajo invernadero del sureste español ha sido declarada como zona vulnerable a la contaminación por nitrato de origen agrario (ZNV) por lo que se hace necesario adoptar medidas que reduzcan esta situación y eviten el deterioro continuo de la calidad de las aguas en los acuíferos subyacentes.
Uno de los elementos que caracterizan el sistema hortícola intensivo del sureste español es el uso de sistemas de riego localizado que en combinación con equipos sofisticados de fertirrigación proporcionan a las explotaciones agrícolas la capacidad técnica para aplicar de forma precisa las necesidades nutricionales de los cultivos para cada fase de desarrollo, siendo capaces de corregir de forma rápida los volúmenes de agua y las concentraciones de nutrientes. De esta forma es posible realizar un manejo óptimo del N, ya que ajustando los aportes de N a las necesidades del cultivo se pueden reducir las pérdidas por lixiviación de nitrato.
Para poder satisfacer las necesidades de N de los cultivos a lo largo de su ciclo productivo es necesario conocer su estado nutricional. La forma ideal de hacerlo sería mediante una evaluación rápida en campo que permita detectar deficiencia o exceso. Conocido el estado de N es posible hacer las correcciones necesarias de manera que se realice un manejo óptimo, reduciendo los aportes sin reducir la producción o la calidad. Es posible realizar esa evaluación rápida en campo de manera continua a lo largo del ciclo productivo de un cultivo mediante el uso de sistemas de monitorización como la concentración de nitrato en savia, la concentración de nitrato en la solución del suelo o los sensores ópticos. Relacionando los valores obtenidos en campo con los sistemas de monitorización con el estado de N en planta es posible establecer valores de suficiencia para las distintas fases fenológicas de los cultivos.
El objetivo de este artículo es revisar el trabajo desarrollado por el grupo de investigación AGR-224 'Sistemas de cultivo Hortícolas Intensivos' de la Universidad de Almería en técnicas de monitorización del estado de N de cultivos hortícolas bajo invernadero y su implementación mediante la determinación de niveles de suficiencia.
Sistemas de monitorización
Concentración de nitrato en savia
Imagen 1. Secuencia del proceso de muestreo y extracción de savia. (a) Selección de la primera hoja completamente expandida, (b) Separación y troceado del peciolo y (c) Extracción de savia con prensa.
En trabajos previos se ha puesto de manifiesto que en varios cultivos hortícolas como tomate, pimiento o pepino, el análisis de la concentración de nitrato en peciolos es un método adecuado para monitorizar el estado de N en planta (Hochmuth, 2012). Se trata de un sistema simple que no requiere una elevada inversión, aunque se debe seguir un protocolo establecido para obtener resultados fiables (Imagen 1). Se debe muestrear la primera hoja completamente expandida, en torno a 20 hojas/medida y a primera hora de la mañana. El análisis de la savia de los peciolos debe hacerse de manera rápida una vez se ha realizado su extracción previa utilizando una prensa manual (Hochmuth, 2012). La concentración de nitrato en savia se puede medir en campo con equipos portátiles (Imagen 2) (Thompson et al., 2014). De esta forma se obtiene un resultado inmediato que permita en caso de ser necesario realizar una corrección rápida del aporte del N.
Imagen 2. Equipo portátil de medida de la concentración de nitrato (Laquatwin, Horiba).
Un estudio reciente sugiere usar un valor umbral óptimo de concentración de N en la forma de nitrato de 1050 mg L-1 único para todo el ciclo de tomate bajo invernadero (Peña-Fleitas et al., 2015). En estudios previos con tomate y otros cultivos donde la aplicación de N se realizó en momentos puntuales se observó que la concentración de nitrato en savia disminuía a lo largo del ciclo productivo del cultivo (Hochmuth, 2012). La combinación de fertirriego y riego de alta frecuencia que se da en el sistema hortícola intensivo provee un aporte continuo de N que hace que los valores de concentración de nitrato en savia sean prácticamente constantes para las distintas fases fenológicas.
Concentración de nitrato en la solución del suelo
El uso de sondas de succión (muestreadores de la solución de suelo con cápsulas cerámicas) para monitorizar la concentración de nitrato en la solución del suelo es un método de monitorización simple, no requiere una elevada inversión y permite realizar los análisis en campo con equipos portátiles. Sin embargo con este método hay incertidumbre en el uso de valores de suficiencia; el sistema es particularmente adecuado para detectar excesos en la fertilización nitrogenada evaluando la dinámica de la concentración de nitrato en el tiempo. Si la concentración de nitrato aumenta a lo largo del tiempo, indica que el N se está aportando en exceso, ya que se está produciendo una acumulación de N en el suelo.
Figura 1. Evolución de la concentración de nitrato en la solución del suelo en un cultivo de tomate bajo invernadero. Se comparan tres tratamientos nitrogenados a lo largo del ciclo de 5, 13 y 20 mmol L-1 de nitrato a partir de 28 días después del trasplante.
En la figura 1 puede observarse la tendencia de la acumulación de nitrato en la solución de suelo para tres tratamientos constantes de nitrato (5, 13 y 20 mmol L-1) a lo largo de un ciclo de tomate bajo invernadero. Estos datos revelan cómo la concentración de N a disposición de la planta va acumulándose conforme avanza el ciclo para los tratamientos de 13 y 30 mmol L-1 de nitrato.
Sensores ópticos
En los últimos años se han desarrollado varios sensores electrónicos, como una forma de teledetección, para determinar el estado de N en planta basado en propiedades ópticas. Son técnicas no destructivas que permiten una evaluación ‘in-situ’ y a tiempo real del estado de N en planta. Este tipo de equipos podrían ayudar a los agricultores de invernaderos a ajustar de manera óptima la aplicación de N. La monitorización del N con sensores ópticos de reflectancia de la cubierta vegetal (Imagen 3) se lleva realizando desde hace varios años en explotaciones comerciales de EE UU y Centroeuropa en cereales y otros cultivos extensivos. Un estudio reciente realizado en Almería (Padilla et al. 2014) sugiere que la reflectancia de la cubierta vegetal presenta un potencial elevado para evaluar el estado de N en cultivos hortícolas.
Imagen 3. Medida de la reflectancia de la cubierta vegetal en cereales (Crop Circle ACS-470, Holland Scientific).
Estos sensores no miden el contenido de N en planta de forma directa en el tejido vegetal, pero proporcionan índices basados en las propiedades ópticas de los cultivos que son sensibles a variaciones en el estado de N en planta. En relación a los métodos anteriores, los sensores ópticos presentan varias ventajas para la monitorización del N ya que las medidas se hacen con facilidad y rapidez y los resultados están disponibles de forma rápida, evitando la demora y los problemas logísticos de los métodos que implican el análisis de laboratorio. Un ejemplo de sensor óptico que lleva mucho tiempo en el mercado, es el medidor de clorofila SPAD (Minolta) que se muestra en la imagen 4. El sensor es un dispositivo tipo clip que mide el contenido de clorofila en hoja, presenta una superficie de medida pequeña y requiere del contacto directo del sensor con la planta.
Imagen 4. Medidor de clorofila (SPAD-502, Minolta).
Otro tipo de sensores ópticos son los basados en la reflectancia de la cubierta vegetal. El Crop Circle ACS-470 es un ejemplo (Imagen 5). Una ventaja importante de este tipo de sensores es (i) que la medida se realiza en continuo y (ii) que el sensor recibe información de un campo de visión grande, proporcionando de ese modo una medida representativa del cultivo.
Imagen 5. Medida de la reflectancia de la cubierta vegetal en invernadero (Crop Circle ACS-470, Holland Scientific).
Estado de N en planta. Valores de Suficiencia
Desde el grupo AGR-224 ‘Sistemas de cultivo Hortícolas Intensivos’ de la Universidad de Almería proponemos que la monitorización del estado de N en planta para lograr un manejo óptimo del N se realice basándose en el índice nutricional de nitrógeno (NNI) definido como el cociente entre el contenido de nitrógeno actual (Na) y el contenido crítico de nitrógeno (Nc), que es el contenido mínimo de nitrógeno necesario para alcanzar el máximo crecimiento del cultivo. Valores de NNI =1 indican suficiencia, por encima de 1, exceso y por debajo, deficiencia. Relacionando los valores de NNI con las medidas obtenidas en los sistemas de monitorización en planta es posible derivar valores de suficiencia para distintas fases fenológicas de los cultivos.
En la tabla 1 se muestran los valores de suficiencia de SPAD (medidor de clorofila) y NDVI (índice de reflectancia obtenido a partir de las medidas del sensor Crop Circle ACS-470) para las distintas fases fenológicas de un cultivo de tomate bajo invernadero.
Tabla 1.Valores de suficiencia del medidor de clorofila SPAD-502 y del índice de reflectancia NDVI medido con el sensor de reflectancia Crop Circle ACS-470, determinados para las distintas fases fenológicas de un cultivo de tomate bajo invernadero. DDT (Días después de trasplante).
El enfoque desarrollado para la determinación de valores suficiencia a partir del NNI facilita el uso de los distintos sistemas de monitorización para controlar el estado de N en planta, y permite saber si los cultivos disponen de N en cada momento de su desarrollo y en caso necesario corregir la dosis de N forma rápida. Por tanto, el uso de valores de suficiencia facilita de forma importante la interpretación de los resultados. Es necesario seguir investigando con el fin de obtener estos valores para todas las especies cultivadas en el sistema hortícola intensivo de la provincia de Almería.
Hochmuth, G.J. (2012). Plant Petiole Sap-Testing For Vegetable Crops. http://edis.ifas.ufl.edu/pdffiles/CV/CV00400.pdf
Padilla, F.M., Peña-Fleitas, M.T., Gallardo, M., Thompson, R.B. (2015). Threshold values of canopy reflectance indices and chlorophyll meter readings for optimal nitrogen nutrition of tomato. Annals of Applied Biology 166, 271-285.
Peña-Fleitas, M.T., Gallardo, M., Padilla, F.M., Farneselli, M., Thompson, R.B. (2015). Assessing crop N status of vegetable crops using simple plant and soil monitoring techniques. Annals of Applied Biology 167, 387-405.
Thompson R.B., Padilla, F.M., Peña-Fleitas, M.T., Gallardo M. y Fernández Fernández, M.M. (2014). Uso de sistemas de análisis rápidos para mejorar el manejo del nitrógeno en cultivos hortícolas. Horticultura, 315, 26-32.
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