VII Congreso SEAE Zaragoza 2006 Ejemplo resumido Comunicación ANÁLISIS FOLIAR, PARÁMETROS EDÁFICOS, CONTENIDO EN ACEITES ESENCIALES Y ESPECTROFOTOMETRÍA IR APLICADA AL CULTIVO ECOLÓGICO DE ESPECIES AROMÁTICAS MD Soriano, *MJ Molina,V. Castell, M Cortes, L García-España, **J Llinares ETSMRE. Universidad Politécnica de Valencia, C/ Blasco Ibañez nº 10 46010 Valencia, *Centro de Investigaciones sobre desertificación- CIDE (CSIC-UV-GV, Camí de la Marjal s/n 46470 Albal (Valencia), ** EPSG Universidad Politécnica de Valencia, Ctra. NazaretOliva s/n 46730 Grao de Gandía (Valencia) RESUMEN Se estudia en un cultivo ecológico de especies aromáticas el efecto del diferente manejo con la variante regadío/secano sobre el crecimiento vegetal y el aspecto de la planta, en cuanto al desarrollo del leño, la mortalidad y el rendimiento en la extracción de las esencias, así como sobre las características físicas y químicas y sus variaciones en los suelos. En la distribución de agregados en el suelo influye el manejo de regadío o secano principalmente en lo que se refiere a tamaños extremos. En los valores de macro y micronutrientes destacan contenidos de nitrógeno elevados principalmente para el suelo de lavanda frente a ajedrea, lo cual se corresponde proporcionalmente con los obtenidos en hojas para estas especies. La mortalidad de las plantas en secano fue mayor que en regadío dado las elevadas temperaturas en verano, que origina un importante stress hídrico en las especies cultivadas. Los contenidos de nitrógeno y fósforo en las hojas analizadas son normales, observándose una pequeña carencia en cuanto al contenido de potasio, se observa que los nutrientes en la hoja de lavanda en secano tienden a concentrarse más que en la de regadío. Destaca el rendimiento en la extracción de esencias de la planta de Lavanda siendo de 1,75% en secano y 0,44% en regadío. Para la ajedrea el valor del rendimiento de la extracción fue de 1,30%. La extracción de aceite en la planta bajo regadío fue mayor en todos los casos debido a la mayor riqueza en agua y menor lignificación. Las especies vegetales analizadas por espectroscopia infrarroja muestran diferencias en cuanto al manejo secano/regadío en cultivo ecológico. Las señales alrededor de los 1600 cm-1 son indicadoras de menor lignificación en la planta de ajedrea frente al resto de plantas analizadas. Diferentes rasgos debidos al manejo también se observan a través de la microscopia electrónica. Palabras clave: Cultivo ecológico, plantas aromáticas, propiedades físicas y químicas en suelos, biomasa INTRODUCCIÓN El cultivo de plantas aromáticas y medicinales ocupa en España una gran superficie cultivada, y de ella más de la mitad se dedican a la producción de lavanda, seguido de los VII Congreso SEAE Zaragoza 2006 Ejemplo resumido Comunicación de espliego, manzanilla, melisa, mentas, anís y salvia (Laurent, 1982; Peris et al, 1996). El cultivo de plantas medicinales es una de las opciones de la agricultura Ecológica (Lampkin, 1998). Este tipo de producción proporciona productos medicinales ecológicamente limpios, de alta calidad sin contaminar o destruir el ambiente, además de ello se podrían incluir entre los cultivos apropiados para la conservación del suelos (Hudson, 1982). Los objetivos del presente trabajo consisten en estudiar en un cultivo ecológico con manejo de regadío y secano de especies vegetales aromáticas, concretamente lavanda y ajedrea, el desarrollo del cultivo (crecimiento, biomasa, etc) al mismo tiempo que se analiza el efecto de estas especies sobre el suelo, y el rendimento y riqueza en esencias aromáticas aplicando técnicas como la cromatografía gases-masas, espectroscopia infrarroja y microscopia electrónica. MATERIAL Y MÉTODOS. Área de estudio. La parcela de estudio se encuentra en la zona denominada Barranco de la Casella, una pequeña cuenca que vierte sus aguas a la zona aluvial del Xúquer en la comarca de la Ribera de la provincia de Valencia. El suelo presenta una textura arenoso franca, con bajo contenido en carbonatos y la zona posee un tipo climático C1sB’3b’4 según Thorthwaite. Tabla 1. Localización y características climáticas de la zona de estudio. Estación Alcira Pm (mm) Tm (ºC) 120 30 100 25 80 20 60 15 10 40 5 20 0 0 En Fb Mz Ab My Jn Precipitación (mm) Jl Ag Sp Oc Nv Dc Temperatura (ºC) Tipo Altitud (m) Latitud Longitud Termopluviométrica 20 39º 09’ N 0º 26’ W Tipo climático Piso bioclimático Ombroclima C1 B’3 s a’. Seco subhúmedo Mesotérmico Superávit moderado en invierno Termomediterráneo Subhúmedo (P: 531 mm) Los materiales litológicos se componen de acúmulos de arenas de decalcificación y vaguadas donde se localiza la asociación vegetal Thymo piperellae-Cistetum crispi que comprende un elevado número de plantas vivaces, ramosas y muy polimorfas, entre las que se encuentran el tomillo (Thymus piperilla L.) endémico de nuestra comunidad y el brezo de escoba (Erica scoparia) (Costa, 1986; Peris et al, 1996). VII Congreso SEAE Zaragoza 2006 Ejemplo resumido Comunicación Metodología. Las parcelas de cultivo de plantas aromáticas utilizadas presentan en regadío un marco de plantación de 65 plantas en dos hileras, para cada una de las especies, repitiendo la misma distribución en las especies cultivadas en secano, con unas dimensiones de parcela de 95 por 150 metros. En el año 2000 se plantaron las primeras especies aromáticas, y su número se fue ampliando posteriormente. Tras labrar el suelo para la plantación se adicionaron a todas las plantas 2 litros de agua, realizando a continuación aportes de agua sólo a las especies en manejo de regadío. Durante este tiempo se ha estudiado la evolución de nutrientes en los suelos bajo las especies vegetales cultivadas, y realizado la extracción de esencias comparando los componentes esenciales de las plantas cultivadas en diferentes manejos. Las muestras de suelo son secadas al aire y tamizas a 2mm de diámetro. Los métodos analíticos empleados han sido los descritos en los Métodos oficiales de análisis del Ministerio de Agricultura, Pesca y Alimentación (MAPA, 1986). La materia orgánica se determina mediante el método de Walkey y Black (Walkey, 1934). en presencia de ácido sulfúrico, y valorando el exceso de dicromato con sulfato ferroso (Sal de Mohr). El nitrógeno total se determina por el Método de Kjeldahl, (MAPA 1986). Los contenidos de nitrógeno, fósforo y potasio se obtienen a partir del método de Spurway - Tamés. El contenido de nitratos se valora con una solución de difenilamina, el examen de fósforo se realiza con Molibdato Amónico midiendo a continuación en un espectroscopio, El potasio se valora con cobaltinitrito sódico y alcohol etílico, valorando el precipitado obtenido. Las bases de cambio se extraen utilizando una solución extractora de Acetato amónico 1N a pH 7, y midiendo el Na total por absorción atómica. Para obtener la distribución de los agregados del suelo se realiza el tamizado de las muestras utilizando una batería de seis tamices de tamaños: 10mm, 5mm, 2mm y 1mm. A partir de las muestras foliares de Lavanda (Lavandula officinalis) y Ajedrea (Satureja Montana) se emplea el método de la vía seca para obtener el extracto de la muestra determinando el nitrógeno, fósforo y otros nutrientes. La determinación de la biomasa vegetal de las muestras se lleva a cabo a partir del método establecido por Usó, et al (1997). Los aceites esenciales en planta fresca se extraen por medio de la técnica de destilación por arrastre de vapor, estudiando los aceites esenciales por cromatografía de gases-masa (Blanco, 1983; Dabrio, 1979; Luna, 1981; Medrano, 1997). Los grupos funcionales característicos de los aceites esenciales se determinan por espectrometría infrarroja utilizado un espectrómetro IR BRUKER Equinos 55. El análisis cuantitativo se hace midiendo la absorbancia de ciertas bandas, y la mínima superposición con las bandas de otras especies que puedan estar presentes. La microscopia electrónica se realiza utilizando un Microscopio electrónico de barrido HITACHI mod. S-4100 con cañón de emisión de campo, detector BSE AUTRATA, sistema de captación de imágenes EMIP3.0 y sistema de microanálisis RONTEC (Gimeno, 1990). VII Congreso SEAE Zaragoza 2006 Ejemplo resumido Comunicación RESULTADOS Y DISCUSIÓN. El suelo de la parcela de estudio se identifica como un Fluvisol eútrico (FAO, 1986) característico de las terrazas fluviales. Posee una textura arenoso franca, con pH neutro y escaso contenido en carbonatos, y bajos valores de capacidad de intercambio catiónico. Este tipo de suelo posee una elevada potencialidad agrícola, y sobre él se localizan amplias explotaciones citrícolas. 45 40 40 35 30 30 25 20 20 10 15 10 0 5 Lavanda regadí o Lavanda secano 0 A jed rea reg ad ío >10mm 10-5mm 5-2mm 2-1mm >10mm <1mm 10 -5mm A jedrea secano 5-2 mm 2 -1mm <1mm Figura 1. Distribución de agregados en el suelo con cultivo de Lavandula Officinalis y Satureja montana (secano y regadío). Comparando la distribución de agregados en el suelo de la lavanda en regadío y secano se observa que tanto los valores de la fracción mayor de 10 mm como la de 1 mm, son mayores en el manejo de regadío. En el suelo de la ajedrea los agregados mayoritarios corresponden al tamaño mayor de 10 mm. Para el resto de tamaños la distribución de agregados se muestra bastante similar entre ambos cultivos (figura 1), siendo en ambos casos elevado el contenido de la fracción más pequeña, principalmente para la ajedrea de regadío. Los valores de macro y micronutrientes en suelo se muestran en la tabla 2. Los contenidos de nitrógeno son elevados principalmente para el suelo de lavanda frente a ajedrea, lo cual se corresponde proporcionalmente con los obtenidos en hojas para estas especies. A excepción del calcio, el resto de nutrientes se muestran mayoritarios en la lavanda de secano frente a la de regadío. Mientras que para la ajedrea las concentraciones más altas son para el manejo en regadío. Tabla 2. Macro y micronutrientes en suelo. Muestras suelo N MO P K Ca Mg (valores medios) (%) (%) ppm ppm (cmol+/Kg) (cmol+/Kg) Lavanda secano 0.32 3.3 5.0 10 7.0 3.5 Lavanda regadío 0.49 2,3 2.5 3 8.0 2.0 Ajedrea regadío 0.23 2.3 2.5 2.5 5.7 2.5 Ajedrea secano 0.12 1.7 1.5 2 4.2 1.0 VII Congreso SEAE Zaragoza 2006 Ejemplo resumido Comunicación Los valores obtenidos en el cálculo de la biomasa de las especies vegetales se muestran en la tabla 3. Tabla 3. Evolución en altura de las plantas en el periodo estudiado. Biomasa vegetal. Diámetro Altura V ap. Biomasa (cm) cm) (m3) (g) Ajedrea regadío 4,94 7,88 0,15 29,23 Ajedrea secano 4,73 7,69 1,35 22 Año Año 6 años Muestra Periodo 2.000 2.006 2.000 2.006 Espacial Altura Lavanda regadío 9,00 65,96 11,00 93,06 86,36 88,18 731,60 9,00 47,95 11,05 66,27 81,23 83,33 277,99 Lavanda secano Los niveles más elevados para el valor de biomasa se obtienen para las especies de lavanda, tanto en secano como en regadío, duplicando en este segundo caso el valor de la biomasa respecto a las de secano (tabla 3). Se realiza el análisis de la varianza (Anova) para observar el efecto del tratamiento (riego/no riego) sobre la altura de las plantas de Lavanda y sobre las propiedades del suelo en que está cultivada. Los resultados indican que excepto para la variable % agregados de suelo de tamaño 2-1 mm, que podemos considerar que varía significativamente (0,05) el resto de variables de suelo no muestran variaciones debidas al tratamiento. Esto significa que, en los 6 años de experimento no se han producido cambios importantes en el suelo debido a la combinación planta/riego/no riego. Posiblemente la variabilidad climática interanual pueda ser un factor que interviene además del tratamiento de riego/no riego. En el caso de la variable % agregados del suelo de 2-1 mm, el suelo en regadío posee un contenido medio de 12% de agregados de este tamaño mientras que en el de secano es de 16%. Este resultado indica que en el suelo del valle de la Casella, el riego disminuye la proporción de agregados estables de este tamaño. Se ha calculado el crecimiento (en cm) experimentado en cada año y los datos se han ajustado por medio de una regresión lineal para conocer la tasa de crecimiento media anual. Los resultados se muestran en la Figura 2, e indican que la Lavanda en regadío crece 56 cm/año mientras que en secano crece 19 cm/año. Es decir, en el periodo de estudio, por término medio, la Lavanda en regadío crece 3 veces más rápido que en secano. Crecim iento (cm ) VII Congreso SEAE Zaragoza 2006 Ejemplo resumido Comunicación Regadío y = 56,033x Secano y = 19,367x R2 = 0,9474 R2 = 0,9532 400 300 200 100 0 0 1 2 3 4 5 Años Lavanda regadío Lavanda Secano Figura 2. Representación gráfica del ajuste lineal de los datos de crecimiento de lavanda en cm respecto a condiciones de secano y regadío con el tiempo (5 años estudiados). Tabla 4. Contenido de nutrientes en hojas. Muestra K Na Ca Mg Cu Mn Fe Zn (%) (%) (%) (%) (ppm) (ppm) (ppm) (ppm) (%) Lavanda regadío 0,65 0,32 1,36 0,25 1 56 1000 33 Lavanda secano 0,46 0,09 1,99 0,45 2 66 850 41 Ajedrea regadío 1,55 0,55 0,96 0,60 16 44 625 21 Ajedrea secano 0.75 0,33 0,85 0,61 15 55 412 12 Nt P (%) 1,56 0,030 1,09 0,061 0,27 0,057 0,12 0,033 Los elementos nitrógeno y fósforo muestran valores normales en las hojas analizadas, observándose una pequeña carencia en cuanto al contenido de potasio (Vivaldi, 1988). Entre las concentraciones de microelementos destaca el alto contenido de cobre en la planta de ajedrea, y bajos de hierro si comparamos con la lavanda. Los valores obtenidos del rendimiento en la extracción de aceites esenciales en las especies de lavanda fueron de 0,44% de esencia en secano y 1,75 en regadío y para la ajedrea es de 1,30%. Según Muñoz, (1996), se estima que el rendimiento en la extracción de aceites esenciales en la lavanda varía entre un 0,3 y un 0,7%, disminuyendo a partir del séptimo u octavo año de plantación. Para nuestro estudio los valores del rendimiento oscilan de 1,75% en secano a 0,44% para regadío. La extracción de aceite en la planta bajo regadío fue mayor debido a la mayor riqueza en agua, menor lignificación y mayor desarrollo. Los valores de rendimiento se muestran en consonancia con la bibliografía consultada, siendo en especial elevado para la lavanda en regadío. VII Congreso SEAE Zaragoza 2006 Ejemplo resumido Comunicación En la planta de la ajedrea en cultivo de regadío es el único del que se poseen esencias. En concreto el rendimiento de la extracción 1,30%, es elevado si se compara con la bibliografía consultada. La composición química de la lavanda en regadío analizada de nuestro cultivo muestra un elevado contenido de eucaliptol y contenidos importantes de terpenos. Los componentes principales del aceite esencial obtenido son: carburos terpénicos; alcoholes libres, como el hexenol, acetico, genariol y borneol y pequeñas cantidades de canfeno. Las hojas de la lavanda en cultivo de secano muestran diferencias con la misma cultivada en regadío. En este caso el máximo componente del aceite esencial obtenido es el β-pineno, seguido de canfeno y sabineno; y diferentes terpenos y óxidos. La composición del aceite esencial de Satureja montana posee cantidades elevadas de fenoles y terpenos, con un 6,08% de carvacol, y 6 % de bisaboleno, entre otros componentes. Por MEB en las hojas de lavanda en regadio y secano, y ajedrea se observan fragmentos dispersos del tejido de la hoja y bordes agudos mostrando escasos signos de alteración del tejido vegetal. En las especies con manejo de regadío se observa una mayor dilatación de las fibras vegetales, así como mayor tamaño y menor lignificación (figura 2). * (a) ** * (b) ** * (c) Figura 3: Observación mediante el microscopio electrónico de barrido de las hojas de lavanda en regadio (a) y secano (b), y de ajedrea (c), *escala 100 μm, y **escala 1000 nm. Los espectros infrarrojos de las hojas de las especies estudiadas muestran señales características comunes que corresponden a los distintos grupos funcionales típicos variando en su intensidad al comparar los espectros, lo que se interpreta como aumentos o disminuciones de algunos de estos grupos. Los cambios más característicos entre las hojas de lavanda en cultivo de secano y regadío son el aumento de la intensidad del pico a 3400 cm-1 (grupos OH y NH) mas intensa en regadío, el aumento de la señal correspondiente al CO2 (2360 cm-1) la cual no se manifiesta en la planta de secano, un hombro más marcado hacia 1720 cm-1 (ácidos carboxílicos) y un aumento de la señal hacia 1050 cm-1 (entre 1170-950 cm-1 característica de los polisacáridos). Los cambios se interpretan como derivados de la oxidación y actividad biológica que resultan en un aumento de los grupos con O (ácidos carboxílicos) y N, la producción de CO2 y el aumento de polisacáridos. VII Congreso SEAE Zaragoza 2006 Ejemplo resumido Comunicación 1,2 Transmitanc 1,0 0,8 0,6 0,4 0,2 0,0 0 1000 2000 3000 4000 5000 -1 cm Figura 4. Espectro infrarrojo de la esencia de Lavandula Officinalis (regadío). 1,2 Transmitancia 1,0 0,8 0,6 0,4 0,2 0,0 0 1000 2000 3000 4000 5000 cm-1 Figura 5. Espectro infrarrojo de la esencia de Lavandula Officinalis (secano). Los espectros de las hojas de ajedrea de regadío se componen de las típicas señales bastante similares a los de la lavanda de regadío, con la ausencia de un pico alrededor de los 2500 cm-1que aparecía en la especie de cultivo de secano. La disminución de las señales alrededor de los 1600 cm-1 es otra indicación de la escasa lignificación en la planta de ajedrea frente al resto de plantas analizadas. La intensidad de las señales en conjunto es bastante inferior al resto de especies. CONCLUSIONES En el estudio de las propiedades del suelo de cultivo de lavanda en condiciones de regadío y secano se observa que a lo largo del tiempo de cultivo se produce una disminución del contenido de materia orgánica, un aumento del contenido de nitrógeno total y un aumento de las proporciones de agregados de menor tamaño necesitando un estudio más largo en el tiempo para confirmar los resultados. La mortalidad fue mayor en cultivo de secano debido a la menor resistencia a los fuertes aumentos de temperatura en verano que origina un elevado stress hídrico en las especies cultivadas. VII Congreso SEAE Zaragoza 2006 Ejemplo resumido Comunicación La extracción de aceite en la planta bajo regadío fue mayor en todos los casos debido a la mayor riqueza en agua, menor lignificación y mayor desarrollo cuando se cultiva en regadío. Los valores de rendimiento se muestran en consonancia con la bibliografía consultada, siendo en especial elevado para la lavanda en regadío. En cuanto al análisis químico de las esencias extraídas los componentes de las plantas en secano y regadio manifiestan pequeñas diferencias en cuanto a su composición y contenido. En cuanto a las esencias de la ajedrea el componente esencial es el Canfeno, mientras que en las lavandas son el Pineno y Eucaliptol. Los contenidos de nitrógeno, carbono y fósforo en las hojas analizadas se consideran dentro de la normalidad, observándose una pequeña carencia en cuanto al contenido de potasio. Las especies vegetales analizadas por espectroscopia infrarroja muestran diferencias en cuanto al manejo en secano y regadío de las especies. En concreto las señales alrededor de los 2500 cm-1 aparecen solo en la especie de lavanda de secano. La disminución de las señales alrededor de los 1600 cm-1 es otra indicación de escasa lignificación en la planta de ajedrea frente al resto de plantas analizadas. En los años de seguimiento anual del cultivo de lavanda en regadío y secano, se observa que el tratamiento de regadío/secano afecta al crecimiento de la planta en una proporción 3:1. En el estudio de las propiedades del suelo de cultivo de lavanda en condiciones de regadío y secano se observa que el crecimiento de las plantas es paralelo a una disminución del contenido de materia orgánica, un aumento del contenido de nitrógeno total y un aumento de las proporciones de agregados de menor tamaño. BIBLIOGRAFÍA Blanco, M., 1983. Análisis químico de aceites esenciales: I, La cromatografía gas-líquido; tabulación de constantes de retención cromatográfica y patrones internos”. Serie tecnológica agraria; 9. Instituto Nacional de Investigaciones Agrarias. Madrid. Dabrio, M.V., 1979. Cromatografía de gases. Vol 2. Ed. Alhambra, Madrid. FAO-UNESCO. 1988. Soil map of de world. Revised legend. 1:5.000.000. Roma. Fernandez- Pola, J., 1996: Cultivo de plantas medicinales, aromáticas y condimentarias. Omega, Barcelona, 301 pp. Foncen, M.I., 1983. Análisis químico de aceites esenciales: II, Valoración del 1,8-cineol (eucaliptol) de las esencias oficinales. 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