NUTRICIÓN VEGETAL Y SOLUCIONES NUTRITIVAS M.C. Joel Pineda Pineda M.C. Ignacio Miranda Velázquez Universidad Autónoma Chapingo 2.1. Introducción La composición de las plantas. El tejido fresco de las plantas esta compuesto de 80-95 % de agua dependiendo de la especie, turgencia y época del muestreo. Debido a la variabilidad en el peso fresco, se requiere de un muestreo más preciso que estime el contenido de la planta, lo que normalmente se obtiene con el peso seco del tejido. Para obtener el peso seco, el material fresco se seca en una estufa hasta que toda el agua es removida. Lo que permanece como materia seca es alrededor del 5 a 20 del peso inicial. En promedio 90 % del peso seco estará formado por C, O e H. El agua suministra H y O, pero algo del O y el C es aportado por el dióxido de carbono presente en la atmósfera. Ya que solamente el 15 % del peso fresco de la planta es materia seca y 90 % de esta es representada por carbono, oxígeno e hidrógeno, todos los elementos restantes contribuyen aproximadamente con el 1.5 % del peso fresco de la planta. Elementos esenciales. Existen 92 elementos minerales naturales, pero solamente 60 de ellos se han encontrado en las plantas. Aunque no todos estos elementos son considerados esenciales, se puede decir que cualquier elemento que este presente en la solución del suelo o sustrato es absorbido por las raíces de las plantas en alguna cantidad. Sin embargo, las plantas son selectivas en cuanto a los elementos que absorben, así como en el contenido y velocidad con que los absorben. Esto significa que no siempre la absorción es proporcional a la disponibilidad nutrimental. Para que los elementos sean requeridos por las plantas, deben cumplir los siguientes tres criterios, llamados principios de esencialidad: a) En ausencia del elemento las plantas no pueden completar su ciclo normal de vida. b) El papel que el elemento desempeña en la vida de la planta debe ser específico, no pudiendo ser sustituido por otro elemento en esa función. c) El elemento debe estar directamente involucrado en la nutrición de la planta, siendo constituyente de algún metabolito esencial o ser requerido directamente para la acción de alguna enzima y no solamente influir para que otro elemento sea mas fácilmente disponible o disminuir la toxicidad de otro elemento. Así, el nitrógeno es esencial porque forma parte de compuestos orgánicos como aminoácidos, proteínas, coenzimas, ácidos nucleicos, hormonas, vitaminas, pigmentos como la clorofila y si falta, la planta no crecerá, quedará pequeña y morirá prematuramente. Existen 17 elementos que son considerados esenciales para el crecimiento de las plantas superiores. Desde el punto de vista de su esencialidad ningún nutrimento es más importante que otro, todos deben estar presentes solo que en diferente cantidad. Al hacer el análisis de tejido de cualquier planta, se puede encontrar trazas de minerales como plata, estroncio, aluminio, plomo y otros elementos, pero no cumplen con los criterios antes señalados, lo cual significa que la presencia de un elemento mineral no prueba que sea esencial para la planta. De esos 17 elementos esenciales, 14 son minerales y son los que se suministran en las soluciones nutritivas. De acuerdo a la concentración relativa en que se encuentran en los tejidos, los elementos esenciales se clasifican en macronutrimentos y micronutrimentos. El carbono (C) es obtenido del dióxido de carbono (CO2); el hidrógeno (H) y el oxígeno (O2) son obtenidos del agua y oxígeno; a partir de las cuales, las plantas elaboran un gran número de moléculas orgánicas. A estos tres elementos se les considera no minerales y constituyen del 90-96 % de la materia seca de una planta y, el resto está constituido por los elementos minerales. Los macronutrimentos minerales son: nitrógeno (N), fósforo (P), potasio (K), Calcio (Ca), magnesio (Mg) y azufre (S). Los micronutrimentos son: cloro (Cl), hierro (Fe), manganeso (Mn), boro (B), cobre (Cu), zinc (Zn), molibdeno (Mo) y níquel (Ni). A pesar de que los micronutrimentos se requieren en concentraciones muy bajas, éstos desempeñan funciones vitales para el crecimiento y desarrollo de las plantas. Generalmente los macronutrimentos forman parte estructural de diferentes compuestos orgánicos y, los micronutrimentos son constituyentes de grupos prostéticos en metaloproteínas y activadores de enzimas. Por otro lado, ciertas especies de plantas requieren de otros elementos, los cuales pueden considerarse esenciales para esa planta o simplemente se les llama benéficos o útiles. Por ejemplo, el sodio es un elemento esencial para plantas con fotosíntesis o metabolismo C4 (maíz, caña de azúcar, etc.), plantas CAM (cactáceas, bromeliáceas, orquídeas, etc.) y plantas halófitas (tolerantes a sales). El silicio es esencial o elemento benéfico en aquellas plantas que acumulan silicio en sus tejidos (gramíneas como el arroz, caña de azúcar y pastos; equiseto, pepino, malezas, etc.), formando parte de las estructuras de la pared celular. Se ha reportado que el silicio ayuda a prevenir enfermedades fungosas en pepino. En la actualidad muchos productores de pepino en sistemas hidropónicos, agregan silicio en la solución nutritiva (como silicato de potasio en concentraciones de 100 mg L-1). Generalmente el agua contiene sodio y cloro, por esta razón no es necesario agregar algún fertilizante para añadirlos en la solución nutritiva. Sustratos como las arenas contienen silicio y además es un elemento traza en algunos fertilizantes. Otros elementos como el Ni, Cl y Mo también están como impurezas, por lo que no es necesario aportarlos con sales minerales en la solución nutritiva. Otros elementos de este grupo son el aluminio (Al) (mejora el crecimiento en plantas adaptadas a pH ácidos), cobalto (Co) (ayuda en la fijación biológica de N2 en leguminosas), Platinum (Pt) (incrementa el crecimiento en algunas plantas) y Vanadio (V) (ayuda a la acción del Mo y puede sustituirlo en sus funciones). 2.2. Formulación y composición de la solución nutritiva Uno de los factores más importante para un buen manejo hidropónico es la nutrición de la planta. La solución nutritiva es el agua con los nutrimentos minerales esenciales disueltos en ella, en concentraciones y proporciones adecuadas para lograr un crecimiento y desarrollo óptimo. Para evitar la aparición de desórdenes fisiológicos (deficiencias y toxicidades) en las plantas, los nutrimentos deben ser repuestos en la solución nutritiva a través de las sales o fertilizantes, pero 2 también se debe evitar la acumulación de otros, como sucede con aguas de mala calidad o sistemas con tuberías de de metales que contaminan la solución (por ejemplo cobre y zinc). Las concentraciones adecuadas para preparar una solución nutritiva se deben de conocer perfectamente, ya que las formulaciones deben ser ajustadas frecuentemente. No existe una solución nutritiva ideal, ya que ésta depende de muchas variables ambientales que no pueden ser controladas en su totalidad. En general se considera que para preparar adecuadamente una solución nutritiva, se depende, entre otras, de las siguientes variables: a) b) c) d) e) Especie y variedad de planta Estado y desarrollo de la planta Parte de la planta que interesa (fruto, flor, follaje, tallo, raíz) Estación del año (principalmente por la duración del día) Clima (principalmente temperatura, intensidad lumínica, y hora.) Las plantas absorben a través de su sistema radicular los minerales disueltos en el agua para satisfacer sus requerimientos nutricionales. Los nutrimentos minerales al ser absorbidos por las raíces son transportados a las diferentes partes (tallos, hojas, flores, frutos, semillas) de la planta para su uso en funciones específicas de cada nutrimento en el metabolismo vegetal. La formulación de la solución nutritiva es un aspecto muy importante en los cultivos hidropónicos. Aunque existen soluciones generales o universales (Hoagland, 1940; Steiner, 1984; Cooper, 1996; Sánchez, 2000; etc) (Cuadro 1), no existe una solución óptima para todos los cultivos, porque no todos tienen las mismas exigencias nutricionales, principalmente en macronutrimerntos (nitrógeno, fósforo, potasio, calcio, magnesio y azufre). Existe un gran número de soluciones nutritivas para distintos cultivos, y muchas satisfacen los requerimientos de un buen número de ellos (Cuadro 1). Sin embargo, está demostrado que el crecimiento y rendimiento de cualquier cultivo puede optimizarse formulando una solución nutritiva específica (Cuadro2). Además, la concentración de la solución nutritiva debe ser diseñada para las diferentes etapas de crecimiento del cultivo (plántula, crecimiento vegetativo, floración, fructificación) y el tipo de cultivo. Por ejemplo, las plántulas de tomate de un mes no requieren la misma formulación y concentración de solución nutritiva y frecuencia de riego que plantas de tomate de 6-8 meses que están en plena producción. Por otro lado, una planta de lechuga no tiene las mismas necesidades nutricionales que una planta de tomate, fresa o pepino. La formulación de una solución nutritiva requiere del conocimiento de algunos conceptos de química elemental y saber algunos principios básicos de nutrición vegetal. La experiencia en la formulación y preparación de soluciones nutritivas se va adquiriendo con la dedicación a través del tiempo. La solución nutritiva debe tener la concentración y combinación precisa de todos los nutrimentos minerales esenciales para lograr una nutrición balanceada de las plantas, y con ello un crecimiento y desarrollo óptimo. Aunque la nutrición sólo es un factor, entre otros, que afecta el crecimiento de las plantas, la principal causa para que ocurran problemas en la nutrición de las plantas en un sistema hidropónico es una solución nutritiva totalmente desbalanceada. 3 Cuadro 1. Diferentes soluciones nutritivas generadas para plantas superiores g L-1 Sal KNO3 1.00 Ca3(PO4)2 0.50 MgSO47H2O 0.50 CaSO4 0.50 NaCl 0.25 FeSO4 Traza Ca(NO3)2 0.8 NO3 0.2 KH2PO4 0.2 MgSO47H2O 0.2 Referencia Sachs (1860) Knop (1865) 0.1 FePO4 -1 Macronutrimento (g L ) Arnon y Hoagland (1940) KNO3 1.02 Ca(NO3)2 0.49 NH4H2PO4 0.23 MgSO4.7H2O 0.49 -1 Micronutrimento (mg L ) H3BO3 2.86 MnCl2.4H2O 1.81 CuSO4.5H2O 0.08 ZnSO4.7H2O 0.22 H2MoO4.H2O 0.09 FeSO4.7H2O 0.5% Ac. Tartárico 0.4% g L-1 KH2PO4 0.263 KNO3 0.583 Ca(NO3)2.4H2O 1.003 MgSO4.7H2O 0.513 EDTA Fe 0.079 MnSO4.H2O 0.0061 H3BO3 0.0017 CuSO4.5H2O 0.00039 (NH4)6Mo7O24.4H2O 0.00037 ZnSO4.7H2O 0.00044 4 0.6 ml L-1 añadidos 3 veces por semana Cooper (1996) (Continuación, Cuadro 1) Sal Macronutrimentos (g L-1) NO3 g L-1 0.505 mM (mmol L-1) 5.0 Elemento o radical K+ NO3 - Hewitt (1966) Concentración o aporte en mM mN mg L-1 -1 -1 (mmol L ) (me L ) 5 5 195 5 5 310 N Ca(NO3)2 0.82 5.0 70 2+ Ca NO3 - 5 10 200 10 10 620 N NaH2PO4.2H2O 0.208 1.33 140 H2PO4 P MgSO4.7H2O 0.369 3.0 Mg - 1.33 1.33 129 - - 41 2+ 1.50 3.0 36 2- 1.50 3.00 144 SO4 -1 Micronutrimentos (mg L ) Citrato férrico 24.5 0.1 Fe 5.6 MnSO4 2.23 0.01 Mn 0.55 ZnSO4.7H2O 0.296 0.001 Zn 0.065 CuSO4.5H2O 0.24 0.001 Cu 0.064 H3BO3 1.86 0.033 B 0.37 (NH4)6Mo7O24.4H2O 0.035 0.002 Mo 0.019 CoSO4.7H2O 0.028 0.001 Co 0.0006 NaCl Fuente: Urrestarazu, 2003. 5.85 0.1 Cl 3.55 Para una producción comercial, la concentración de la solución nutritiva debe ajustarse según el cultivo. Así, los que producen hojas (lechuga, albahaca, apio, acelga, etc.) requieren relativamente más nitrógeno que los cultivos que producen raíces, bulbos y frutos. El nitrógeno es importante para promover un rápido crecimiento vegetativo. Los cultivos que producen frutos (tomate, pepinillo, pimiento fresa, melón, etc.) requieren relativamente más fósforo y potasio en la solución nutritiva; el fósforo para inducir la floración y el potasio para lograr una buena fructificación. Los frutos requieren cantidades significativas de nitrógeno, fósforo y calcio y, si la calidad del fruto necesita ser maximizada, se requiere niveles altos de potasio. El suministro de calcio es crítico durante la fase de crecimiento ya que se requiere para la formación de nuevas células y estructuras celulares. La carencia del transporte de calcio al fruto puede resultar en el desarrollo de pudrición apical (blossom-end-rot). El fósforo juega un papel relevante en las etapas de enraizamiento y floración, ya que es determinante sobre la formación de raíces y sobre el tamaño de las flores. Grandes cantidades de 5 fósforo son necesarias para formación de semillas dentro del fruto y una planta en fructificación absorbe proporcionalmente más fósforo que una que no fructifica. Por otro lado, los cultivos que producen tubérculos (papa), bulbos (cebolla, ajo) y raíces (zanahoria, camote) requieren menos nitrógeno y más potasio. El potasio juega un rol muy importante en la formación, crecimiento y desarrollo de raíces y tubérculos. La deficiencia de potasio provoca un desarrollo bastante pobre de los estolones y tubérculos, reduciéndose significativamente la producción. Otros cultivos como la fresa, espinaca, coliflor, papa y melón requieren adecuados niveles de magnesio. Las brasicáceas como la col, coliflor y brócoli, absorben cantidades apreciables de azufre en comparación con otros cultivos. Al respecto, después de varios años de investigación Steiner (1997) propone un equilibrio entre macronutrimentos en la solución nutritiva de acuerdo con las características de los cultivos (Cuadro 3), donde se observa que la proporción entre cationes y aniones, en algunos casos, difiere substancialmente del equilibrio propuesto inicialmente en la solución universal (Steiner, 1968, 1984), situación que indica la variación en los requerimientos nutrimentales por los diferentes tipos de plantas. Cuadro 2. Composición de soluciones nutritivas generales o ideales para algunos cultivos Solución ó Cultivo Hoagland P. Morard Steiner EC (ms.cm-1) - NH4 K 1.0 0 0 6.0 7.0 7.0 meq L-1 Ca Mg NO3 6.0 10.0 9.0 2.0 3.0 4.0 14.0 15.0 12.0 mg L-1 Zn B SO4 H2PO4 Fe Mn 3.0 3.0 7.0 1.0 2.0 1.0 - 0.5 0.05 0.5 1.33 0.62 0.11 0.44 0.02 0.048 Jitomate 0 9.0 10.0 3.0 15.0 5.0 2.0 1.5 0.60 0.20 0.50 Pimiento 0 6.0 7.5 2.5 12.25 2.5 1.25 0.56 0.56 0.26 0.27 Melón 0 5.5 8.0 2.0 12.25 2.0 1.25 0.56 0.56 0.26 0.22 Frijol 1.7 1.0 5.5 6.5 2.5 12.0 2.3 1.25 0.56 0.55 0.26 0.22 Pepino 2.2 1.25 8.0 8.0 2.7 16.0 2.7 1.25 0.84 0.55 0.33 0.27 Lechuga 2.6 1.25 11.0 9.0 2.0 19.0 2.2 2.0 2.20 0.50 0.26 0.32 Berenjena 2.1 1.5 6.7 6.5 5.0 15.5 3.0 1.25 0.84 0.55 0.03 0.33 Endivia 2.6 1.25 9.0 10.0 3.0 19.0 2.2 2.0 2.24 0.27 0.27 0.33 Clavel 1.1 0.75 4.0 3.3 1.2 7.0 1.4 0.8 1.10 0.28 0.20 0.22 Crisantemo 1.8 1.25 7.5 5.0 2.0 12.7 2.0 1.0 3.36 1.10 0.20 0.22 Rosa 0.75 5.0 7.5 1.5 11.0 2.5 1.25 1.5 0.4 0.20 0.24 Gerbera 1.7 1.5 5.5 6.0 2.0 11.2 2.5 1.25 1.96 0.30 0.26 0.32 Noche buena 1.7 1.0 6.0 7.0 2.0 11.5 3.0 1.5 2.0 0.60 0.20 0.20 Anturio 0.8 0.8 3.0 2.0 1.4 4.5 2.0 0.7 0.84 0.20 0.22 0.22 Alstroemeria 1.7 1.25 6.0 5.8 2.0 11.2 2.5 1.25 1.40 0.60 0.30 0.30 Adaptado de Cahahia, 1998; Burgueño, 1998; Fernández et al., 1999; Sonneveld, 1994; Urrestarasu, 2004. 6 Cu Mo 0.02 0.01 0.15 0.03 0.03 0.83 0.05 0.05 0.05 0.05 0.04 0.04 0.04 0.05 0.03 0.03 0.06 0.05 0.05 0.05 0.05 0.05 0.05 0.05 0.05 0.05 0.05 0.05 0.05 0.05 0.05 0.05 Cuadro 3. Equilibrio entre macronutrimentos en la solución nutritiva universal de Steiner para diferentes cultivos (Proporciones expresadas en miliequivalentes) (Steiner, 1997). Cultivo* Solución nutritiva universal (Límites tolerables) ---------------Cationes-------K+ Ca2+ Mg2+ Na+ 0 20 45 35 (25/45) (35/55) (6) Cultivos de fruto Cultivos de hoja de crecimiento rápido Cultivos de hoja de crecimiento lento --------------Aniones-------------NO3H2PO4SO42Cl0 35 5 60 (25/45) (0/20) (35/65) (3/12) 50 44 6 - 69 9 22 - 38 56 3 1 6 - 90 0.5 9.5 - 2 - 79 1.5 19.5 - 67 *Promedio de varios cultivos 2.3. Desórdenes nutrimentales Los elementos minerales esenciales deben estar disueltos en la solución nutritiva dentro de un rango óptimo (Cuadro 1, 2, 3, 4 y 5) según el tipo de cultivo; fuera de este rango se pueden producir deficiencias si el elemento está por debajo del rango óptimo o, toxicidad si el elemento está muy por encima del rango óptimo. En ambos casos, las plantas mostrarán síntomas característicos, principalmente en hojas. Por ejemplo: amarillamiento (clorosis), coloración rojiza o morada, deformación de hojas, quemaduras y finalmente necrosis o muerte de tejido; lo cual afectará significativamente el crecimiento, desarrollo, rendimiento y calidad de un cultivo. Cuadro 4. Rangos mínimo, óptimo y máximo (ppm) de elementos y de los iones presentes en las soluciones nutritivas según Schwarz (1975, citado por Sánchez, 1988). Elemento radical Nitrato (NO3)Amonio (NH4)+ Fósforo (P) Potasio (K)+ Calcio (Ca)+2 Magnesio (Mg)+2 Sulfato (So44)-2 Cloro (Cl)Sodio (Na)+ Fierro (Fe)+2 Ácido Bórico (H3Bo3) Zinc (Zn)+2 Cobre (Cu)+2 Manganeso (Mn)+2 Cobalto (Co)+2 Florúro (F)Molibdeno (Mo)+1 Mínimo 200 -30 150 100 25 150 30 ----- Optimo 300-900 0- 40 30- 90 200-400 150-400 25 - 75 200-1000 -. 350 ---0.5-2 0.2-1 0.2-2 0.1-2 1-5 Máximo 1000 100 100 600 600 150 1000 600 400 5 20 5 15 Nota: El guión indica que el elemento no está presente y el espacio en blanco significa falta de información. 7 El nitrógeno, fósforo, potasio, magnesio, cloro y molibdeno dentro de la planta se movilizan sin dificultad; en cambio el calcio y boro son prácticamente inmóviles, mientras que el azufre, hierro, manganeso, zinc y cobre son poco o medianamente móviles. Por tal razón los síntomas de deficiencia de los elementos móviles se observan principalmente en las hojas adultas; mientras que los síntomas de deficiencia de los elementos poco móviles e inmóviles aparecerán en las hojas jóvenes y puntos de crecimiento. Conocer este criterio de diagnóstico es importante porque permite detectar alguna deficiencia durante el crecimiento del cultivo, lo que permite hacer correcciones oportunas, ya sea a nivel de la solución nutritiva, agregando los elementos esenciales móviles que son rápidamente absorbidos y translocados hacia los diferentes órganos de la planta; o mediante la aplicación foliar de un fertilizante apropiado, para aportar directamente los micronutrimentos requeridos por la planta. Cuadro 5. Rangos mínimos, optimo y máximo (ppm) de elementos presentes en soluciones hidropónicas según Douglas ( 1976, citado por Sánchez, 1988). Elemento Mínimo Óptimo Máximo Nitrógeno 150 300 1000 Calcio 300 400 500 Magnesio 50 75 100 Fósforo 50 80 100 Potasio 100 250 400 Azufre 200 400 1000 Cobre 0.1 0.5 0.5 Boro 0.5 1 5 Fierro 2 5 10 Manganeso 0.5 2 5 Molibdeno 0.001 0.001 0.002 Zinc 0.5 0.5 1 En una solución nutritiva siempre existirán interacciones entre nutrimentos. En nutrición vegetal, una interacción entre dos iones es cuando la combinación de sus efectos no son iguales a la suma algebraica de los efectos por separado. Esta interacción puede ser positiva (sinergismo) o negativa (antagonismo), de acuerdo con el signo de la diferencia. La interacción puede también existir entre tres o más iones. Si las concentraciones en la solución son las adecuadas se producirán relaciones de sinergismo entre los nutrimentos (Cuadro 6), pero cuando uno o más no están en concentraciones adecuadas, se puede provocar un desbalance nutrimental, generando deficiencias, toxicidades y antagonismos entre los nutrimentos (Cuadro 6). El antagonismo ocurre cuando un elemento se encuentra en altas concentraciones y puede conllevar a la deficiencia de otro elemento, interfiriendo en su absorción, transporte o asimilación. Es posible que dos iones sean antagónicos durante su absorción, pero sinérgicos durante el metabolismo o viceversa. También la aplicación foliar de un fertilizante en dosis altas puede producir toxicidad o el antagonismo de algún elemento mineral en los tejidos. Por ejemplo el exceso de hierro induce una deficiencia de manganeso y viceversa; el exceso de fósforo produce una deficiencia de zinc; el exceso de calcio produce deficiencia de magnesio y potasio; mientras que el exceso de potasio 8 inhibe la absorción de calcio y magnesio. Por ello es muy importante que la solución nutritiva contenga tanto los macro como los micronutrimentos en concentraciones óptimas. El antagonismo durante la translocación puede ser debida a una precipitación en los tejidos de la raíz o en otro lugar de la planta. Un exceso de iones fosfato puede causar precipitaciones de fosfato de zinc y hierro a lo largo de los conductos de transporte e inducir deficiencias de estos micronutrimentos. La necesidad de Mo y Mn para la reducción del NO3 a NH4 hace que ningún nutrimento estimule el crecimiento si uno de los dos falta. La relación entre N y P es muy importante para la formación de ácidos nucleicos y fosfoproteinas. La deficiencia interna de ellos impide la formación de nuevas células. Si ambos son deficientes, la aplicación de los dos elementos incrementa el crecimiento mucho más rápido que la aplicación de solo uno de ellos. Otro sinergismo típico es el que se da entre el P y Mg, ya que el Mg activa la fosforilación mediante las quinasas y las ATPasas. En cambio el Mg se ve poco afectado por el P. Las interacciones en serie pueden ocurrir cuando un elemento como el K incide en la carencia de B sin que estos dos iones estén relacionados entre sí; sino que un exceso de K puede disminuir la absorción de Ca y afectar al B a través de la relación sinérgica Ca/B. Cuadro 6. Relaciones de sinergismo y antagonismo entre los distintos nutrimentos N P K Ca Mg Na Fe Cu Mn B Mo Zn -- -++ ++ + 0 ++ -- -++ + + ++ (++) -- -(+) (+) (+) + + -- -+ (+) (+) ++ 0 -- -- (+) (--) ++ + + (+) (+) (+) (--) 0 (+) (+) ++ 0 0 (++) (++) (++) (+) 0 + + (+) (+) (+) (+) (+) (++) (-- --) (+) 0 (+) ++ ++ 0 Sin Fe.................. Sin Cu.................. Sin Mn................. Sin B................... Sin Mo................. Sin Zn.................. SERIE DE EXESOS¨: Más N ................. Más P.................. Más K.................. Más Ca................ Más Mg............... 0 -0 0 0 0 0 + 0 (+) 0 0 (--) + 0 (+) 0 (+) 0 + 0 (+) 0 0 0 (+) 0 0 (+) 0 (--) (+) 0 0 0 (--) (--) + 0 + -0 + -+ 0 0 + 0 0 -+ 0 0 0 + 0 -- -0 -- -+ + 0 -- -+ 0 + 0 0 --- ++ 0 --0 (--) ++ --0 (--) (+) + (--) (+) 0 --+ -- ( --) ---+ (+) ++ --0 --(--) 0 (--) (--) 0 0 (--) (+) 0 (--) (--) -0 0 0 0 -0 -- -(--) (--) ++ 0 0 (--) 0 0 (+) Más Fe................ Más Cu................ Más Mn............... Más B.................. Más Mo............... Más Zn................ + 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 + 0 0 0 0 0 (--) 0 --0 0 + 0 0 0 0 0 (+) --0 0 -- 0 ++ 0 0 0 0 (+) 0 + 0 0 0 0 0 0 ++ 0 0 + 0 -+ ++ 0 0 0 0 -0 0 SERIE DE DEFICIENCIAS Sin N.................... Sin P.................... Sin K.................... Sin Ca.................. Sin Mg................. Fuente: Penningsfeld y Kurzmann (1975).Citadas por Sánchez ,1988. NOTA:+ aumento y—disminución del contenido en la planta (peso seco).O indica que no hay diferencia con el testigo. Los signos dobles ++ y --- indican diferencias en comparación con el testigo de un contenido mínimo del 50% de macroelementos y el 30% de microelementos; el signo ( ) indica que la desviación no se presenta en todas las plantas ensayadas en el mismo sentido. 9 2.4. Factores que influyen en la absorción de nutrimentos de la solución nutritiva a) Características físico-químicas de cada ión. La velocidad de transporte es función de la valencia y radio de hidratación del ión. La difusión a través de soluciones acuosas es inversamente proporcional al radio del ión hidratado y no del ión en sí. Para cationes, el orden de difusión es el siguiente: K+ > Na+ > Ca2+ > Mg2+. El movimiento a través de la membrana es el siguiente y también es diferente entre iones. Para cationes es NH4+ > K+ > Mg2+ > Ca2+ > Na+ y para aniones es NO3- > Cl- > SO42- > H2PO4-. También se debe tomar en cuenta que las tasas de movimiento a través de las membranas son mayores para cationes que para aniones. La valencia del ión y el pH juegan un claro papel en la absorción. El ión fosfato H2PO4-, es absorbido por el sistema radicular a pH menor de 7.2. Cuando el pH se incrementa la forma H2PO4- se empieza a transformar en HPO42- y su absorción disminuye drásticamente. El B se encuentra en solución en forma de ácido bórico (H2BO3 o B(OH)3. Su absorción a pH 6 es del 100 % sin estar disociado, pero conforme el pH aumenta el ácido bórico se disocia en B(OH)4- e H+ y su absorción disminuye significativamente a pH de 7.4. b) Contenido de oxígeno en la solución. Tiene un papel importante en la absorción iónica. La disminución de O2 en los sustratos o en la solución nutritiva en sistemas NFT o NGS, pueden acumular CO2 en el medio radicular, el cual aumenta su solubilidad conforme disminuye la temperatura formando ácido carbónico H2CO3, que a su vez se disociará en HCO3- e H+. La relación H+/HCO3- influirá en la incidencia de clorosis férrica. Por ejemplo se ha observado en sistemas NFT, que bajos niveles de O2 producen deficiencias de Fe y acumulaciones de Mn en la hoja. También niveles bajos de O2, afectarán la absorción nutrimental, especialmente K+ y NO3-. c) Temperatura. En general, la temperatura influye sobre la velocidad de difusión de los iones, especialmente potasio y fósforo. A temperaturas bajas el ión amonio se absorbe más rápido que el nitrato. La temperaturas altas en la solución incrementan la clorosis férrica como resultado de la mayor tasa de respiración. La absorción de B no se ve afectada por la temperatura del medio radicular, pero se favorece por el aumento de la temperatura del ambiente. d) Carbohidratos. Los azúcares formados en fotosíntesis y transportados a la raíz son su fuente de energía. Existe una relación directa entre el contenido de carbohidratos en la raíz, la velocidad de absorción y el contenido de nutrimentos. e) Respiración. El nivel de oxígeno unido al contenido de carbohidratos están implicados en la respiración y en la absorción de nutrimentos. f) pH. Tiene un marcado efecto en la absorción iónica. A pH alto se favorece se ve reducida la absorción de aniones y se favorece la de cationes. A pH mayor de 7.5 se observa una reducción en la absorción de nitratos y fosfatos, independientemente de su concentración. La disminución de pH reduce la absorción de amonio y aumenta la de nitratos. A pH cercanos a 4 la absorción de potasio disminuye debido a un efecto de competencia con los 10 iones H+ en las posiciones de absorción. A pH menor de 4 se produce una depolarización de la membrana por la entrada a gradiente de H+, lo que puede originar una pérdida de K+ hacia el exterior de la misma. g) Concentración externa de nutrimentos. En general, la absorción de nutrimentos depende de su concentración en la zona radicular. La curva de absorción cuando aumenta la concentración externa, puede ser descrita por la isoterma de absorción de Langmuir. h) Edad de la planta. Existe una correlación entre la absorción iónica yy¡ el crecimiento y desarrollo de la raíz. El tamaño aumenta con la edad de la planta y la absorción variará a lo largo de la raíz. i) Interacción entre iones. La absorción de un catión de una solución constituida por un solo fertilizante, dependerá de la naturaleza del ión acompañante. Se sabe que la absorción de K+ por la raíz es más rápida cuando se suministra como KCl que como K2SO4. Esto se debe a la diferencia de permeabilidad de los aniones en la membrana. De igual manera el K+ del KNO3 se absorbe más rápido que el de KCl. Un exceso en la concentración de K+ puede inhibir la de NH4+, Na+, Ca2+ y Mg2+. A altas concentraciones de Cl- se afecta la absorción de NO3-. Al parecer la absorción de fosfatos no se ve restringida por los NO3-, Cl- o SO42-. Altas concentraciones de SO42- disminuye la absorción de MoO42-. Un exceso de fosfatos inhibe la absorción de hierro, zinc, manganeso y boro. El antagonismo entre Fe/Mn es muy conocido y funciona en ambas direcciones. El Cu presenta competencia por el Zn y a su vez se ve afectado por un exceso de K. j) Salinidad. Altas concentraciones de sales en solución, así como de sodio y cloruros influyen directamente en la absorción de nutrimentos. El Na afecta directamente la absorción de K y el Cl la de NO3. La presión osmótica de la solución originada por la alta concentración salina, disminuye el gradiente de potencial hídrico de la planta, lo que tiene como consecuencia una disminución en la absorción de agua. Esta es la razón por la cual se ve afectada la absorción de los nutrimentos que son transportados por flujo de masas (transpiración) como el calcio y boro. Para disminuir o evitar estos efectos negativos, la conductividad eléctrica debe mantenerse entre 1.5 a 3.0 dS m-1, lo que equivale a una presión osmótica entre 0.5-1.0 atmósferas, donde las plantas pueden desarrollarse sin problemas. La presión osmótica se calcula con las siguientes relaciones: Potencial osmótico (PO, kPa) = -42 CE -0.16 CE2 PO (atm) = -CE (0.36) En ambos casos la CE en dS m-1 11 2.4. Diseño de la solución nutritiva de acuerdo a la etapa de crecimiento Las plantas tienen diferentes necesidades nutrimentales según la etapa fenológica de su ciclo de vida. Por ejemplo, para inducir un mayor crecimiento vegetativo en las plantas se debe aumentar el nivel de nitrógeno en la solución nutritiva, pero es importante no excederse (>250 ppm de N), ya que se provoca un crecimiento excesivo de las plantas, siendo más suaves y suculentas, resultando en mayor susceptibilidad a daños mecánicos, daños por insectos y a enfermedades. Los niveles de nitrógeno deben mantenerse relativamente bajos (130-150 ppm) en condiciones de bajas temperaturas y baja intensidad luminosa. Se recomienda cuando menos incrementar en dos ocasiones durante el desarrollo del cultivo, las cantidades de nutrimentos (principalmente macronutrimentos). Por ejemplo hasta plántula, la solución al 35 %, al 75% en desarrollo vegetativo y al 100% durante el desarrollo reproductivo. Aunque esto depende de la especie y de su ciclo, entre otras circunstancias. Para inducir una mejor respuesta a la floración se requiere aumentar el nivel de fósforo en la solución nutritiva (40-50 ppm). Para estimular la fructificación se necesita elevar el nivel de potasio (250 -350 ppm) en la solución nutritiva. La concentración de potasio también puede ser ajustado de acuerdo a las condiciones ambientales; para bajos niveles de luz, aumentar la concentración de potasio (250-300 ppm) y bajar la de nitrógeno (140-150 ppm). También hay que cuidar de no excederse en los niveles de potasio porque este elemento tiende a neutralizar los efectos del calcio y magnesio. En los Cuadros 7 y 8 se presentan la composición de la solución nutritiva para diferentes etapas de desarrollo de jitomate y pepino, recomendadas por algunos investigadores Cuadro 7. Concentración de nutrimentos en la solución nutritiva para cultivo de tomate según el estado de crecimiento y desarrollo (Rodríguez, 2004). Crecimiento Floración Fructificación -1 Macronutrimentos mg L Nitrógeno 200 170 200 Fósforo 40 50 55 Potasio 200 250 350 Calcio 195 195 195 Magnesio 50 50 50 Azufre 93 93 114 Micronutrimentos Hierro 1.8 1.8 1.8 Manganeso 1.0 1.0 1.0 Boro 0.7 0.7 0.7 Zinc 0.2 0.2 0.2 Cobre 0.1 0.1 0.1 Molibdeno 0.07 0.07 0.07 CE(mS/cm) 2.20 2.30 2.70 12 Cuadro 8. Concentración de macronutrimentos (mg L-1) en la solución nutritiva para el cultivo de pepino según su etapa de desarrollo (Lefevre, 1987). Etapa y/o efecto N-NO3 N-NH4 P K Ca Mg Desarrollo vegetativo 150 30 50 130 120 40 Mantener crecimiento rápido 200 30 45 150 120 40 Promover desarrollo de fruto 160 25 40 220 120 45 2.5. Propiedades físicas y químicas de los fertilizantes empleados para preparar soluciones nutritivas En los cultivos hidropónicos, todos lo elementos esenciales se suministran a las plantas disolviendo las sales fertilizantes en agua, de manera que sean ionizados y estén en disponibilidad para las plantas. De tal manera que la selección de los fertilizantes está en función de diversos factores tales como: la proporción relativa de iones que se deben de añadir a la solución, la solubilidad del fertilizante, su costo y su disponibilidad en el mercado. Existen diversos fertilizantes para ser usados en la preparación de soluciones nutritivas, pero se recomienda utilizar fertilizantes cristalinos solubles. La solubilidad es una medida de concentración del fertilizante que permanecerá en solución cuando se diluye en agua. La solubilidad varía según las características químicas de las sales fertilizantes. Por ejemplo, el sulfato de potasio (K2SO4) es menos soluble que el nitrato de amonio, en 1 litro de agua sólo se disuelve 100 g de sulfato de potasio mientras que en el mismo volumen de agua se pueden disolver hasta 1700 g de nitrato de amonio (NH4NO3). Cuando no se consiguen los fertilizantes ideales, se pueden utilizar fertilizantes que se no son de alta pureza, pero de debe considerar que contienen materias inertes como partículas de arena, arcilla y limo. Para formular la solución nutritiva se deberán tener en cuenta el grado de pureza de dichos fertilizantes. Para formular una solución nutritiva se debe tener en cuenta el grado de pureza de los fertilizantes y la compatibilidad con otros fertilizantes y el agua. Por ejemplo, los mejores fertilizantes tienen pureza arriba del 95 % y las sales que aportan calcio son incompatibles con las que aportan sulfatos y fosfatos. El nitrato de calcio Ca(NO3)2 es incompatible con sulfato de amonio (NH4)2SO4, sulfato de potasio K2SO4, fosfato monoamónico NH4H2PO4 y fosfato diamónico (NH4)2HPO4. Esto explica por qué se deben preparar por separado soluciones concentradas A, B y C y nunca se deben mezclar, de lo contrario algunos de los elementos minerales precipitarían y no estarán disponibles al momento de regar a las plantas. La riqueza de los fertilizantes que aportan fósforo, potasio, calcio y magnesio no está expresada directamente como elemento (P, K, Ca, Mg) sino como compuesto (P2O5, K2O, CaO, MgO), de tal manera que se debe usar un factor de conversión para conocer la cantidad del elemento que contiene el fertilizante. Los factores de conversión son: P2O5 (0.4364) = P; K2O (0.8302) = K; CaO (0.715) = Ca; MgO (0.6032) = Mg. Por ejemplo, si la riqueza del nitrato de potasio es 45 % K2O, equivale a 37.5 % de K (45 x 0.8302). Si el sulfato de magnesio tiene una riqueza de 16 % de MgO, ésta equivale a 9.6 % Mg (16 x 0.6032). 13 También se pueden emplear como fuente de macronutrimentos fertilizantes líquidos como el ácido nítrico (22 % N), ácido fosfórico (73 % P2O5) y ácido sulfúrico (33 % S), aunque estos compuestos son utilizados principalmente para acidificar el agua de riego o solución nutritiva, y para limpiar el sistema de riego por goteo. Pero como son ácidos fuertes, se debe tener mucho cuidado al manipularse porque son corrosivos y pueden provocar quemaduras. La principal forma de absorción del nitrógeno por las plantas es el nitrato, pero las plantas responden positivamente cuando se incluye una fracción del nitrógeno (5-30 %) en forma de amonio (NH4+) o urea (NH2-CO-NH2). Sin embargo la mejor relación nitrato/amonio o nitrato/urea depende de cada especie y requiere ser determinada, ya que altas proporciones de amonio o urea pueden ser tóxicas. Algunos investigadores recomiendan no usar urea como fuente de nitrógeno en la preparación de soluciones nutritivas, sobre todo para sistemas como raíz flotante y NFT o recirculante, porque todo el nitrógeno es liberado en la forma amoniacal. También existe en el mercado fertilizantes complejos cristalinos sólidos y líquidos que contienen dos o más elementos fertilizantes, los cuales se obtienen industrialmente por medio de reacciones químicas. Por ejemplo, un fertilizante complejo 20-5-10-2 tiene la siguiente riqueza: 20 % N, 5 % P2O5, 10 % K2O y 2 % MgO. Los fertilizantes complejos son relativamente más caros que los fertilizantes simples o comunes. Entre los criterios de selección de fertilizantes para preparar soluciones nutritivas se debe tener en cuenta su disponibilidad en el mercado, riqueza, solubilidad y costo. Existen otras particularidades que se tienen que tomar en cuenta en la elección de los fertilizantes, por ejemplo; si se usa un medio seco, tal como el aserrín, turba o vermiculita, pueden utilizarse alguna de las sales menos solubles, mientras que si la solución de nutrimentos se prepara con anterioridad, se usan los más solubles. El cloruro de potasio y de calcio se deberá utilizar solo para corregir deficiencias y únicamente si existe en la solución menos de 50 ppm de cloruro de sodio. Un resumen de las características y propiedades de sales fertilizantes que se pueden usar para preparar una solución nutritiva para cultivos hidropónicos se presenta en el Cuadro 9 y 10, poniendo especial atención particularmente en lo que concierne a su calidad de invernadero y a su elevada solubilidad, procurando no usar los que son poco solubles y con alto contenido de impurezas. Es recomendable utilizar quelatos (hierro, manganeso, zinc) ya que permanecen fácilmente en la solución de tal manera que están disponibles para la planta; incluso bajo condiciones de pH muy variable. Sin embargo, tienen el inconveniente de que son caros. Un quelato es un compuesto químico en el cual un ión metálico está enlazado por varios ligandos a una molécula orgánica, de manera que protege al elemento evitando su hidrólisis y precipitación. Existen varios tipos de quelatos: EDTA (ácido etilen diamino tetra acético), DTPA (ácido dietilen triamino penta acético), EDDHA (ácido etilen diamino diorto hidroxifenil acético), EDDHMA (ácido etilen diamino diorto hidroxi parametil fenil acético). La eficiencia de un quelato va a depender de su capacidad para mantener el ión metálico disponible para la planta en la solución nutritiva. Los quelatos EDTA y DTPA son menos estables y sufren descomposición química mientras que el EDDHA, es más estable en un amplio rango de pH. 14 Cuadro 9. Resumen de las sales fertilizantes utilizadas en los cultivos hidropónicos. Formula Química* Nombre Químico Peso Molecular Elementos que se aportan Relación de Costo por solubilidad del Kg. soluto al agua Otros datos A) Macroelementos *KNO3 Nitrato de potasio (salpeter) 101.1 K+, NO3- 1:4 Alto *Ca(NO 3)2 Nitrato cálcico (Nitrato de calcio) 164.1 Ca++ , 2(NO3-) 1:1 Medio 132.2 2(NH4)+,SO 4= 1:2 Bajo 115.0 1:4 1:1 1:2 Bajo Medio Medio Sulfato amoniaco dihidrofosfato amónico Fosfato monoamónico Nitrato de amonio Fosfato diamónico 80.05 132.1 NH 4+, H2PO- 4 NH4+.NO32(NH 4).HPO4- Fosfato monopotásico 136.1 K+H 2 PO 4- KCI Cloruro de potasio 74.55 K+,CI- 1:3 *K 2 SO4 Sulfato de potasio 174.3 2K+,SO 4- 1:15 Ca (H 2PO 4)2 H2 O Fosfato monocálcico 252.1 Ca++, 2(H2PO4-) 1:410 Ca(H2PO 4)2 Superfosfato de calcio triple Variable Ca++,2(PO 4-3) 1:300 MgSO4.7H 2 O Sulfato de magnesio (sales de epson) 246.5 Mg++.SO 4= 1:2 (NH 4)2 SO 4 NH 4H 2PO 4 NH 4NO 3 (NH4) 2HPO4 KH 2 PO4 CaCI 2 6H 2 O Cloruro de calcio 219.1 Ca++,2CI- CaSO4.2H 2 O Sulfato cálcico (yeso) 172.2 1:3 Muy caro Alto Ca++, SO4= 1:500 Bajo Medio Acido fosfórico Ácido ortofosfórico 98.0 PO4-3 B) Micro elementos FeSO47H2O FeCl3, 6H2O Sulfato de Hierro Cloruro férrico 278.0 270.3 Fe++,SO4= Fe+++,Cl- 1:4 1:2 ** -- * Fe EDTA Quelato de hierro 382.1 Fe++ Altamente Alto 1:20 Alto H3BO3 Acido bórico B 381.4 B +++ ++ 61.8 197.9 Mn , 2Cl ZnSO4. 7H2O ZnCl2 Tetraborato sódico (bórax) Sulfato de cobre (piedra azul) Sulfato de manganeso Cloruro de manganeso Sulfato de zinc Cloruro de zinc 287.6 136.3 Zn++ ,SO4= Zn++,2Cl- (NH4) 6Mo7O24 Molibdato amónico 1.163.9 NH4+,Mo++ *Zn EDTA Quelato de zinc 431.6 Zn++ *Mn EDTA Quelato de Manganeso 381.2 ++ Na2B4O7.10H2O CuSO4.5H2O MnSO4 4H2O MnCl2 4H2O 1:25 Medio 249.7 Cu , So4 = 1:5 Bajo 223.1 Mn++, SO4= 1:2 Medio ++ Mn = Una sal excelente altamente soluble y pura, pero muy costosa. Deberá utilizarse solamente en caso de deficiencia en K, y cuando no este presente el cloruro sódico en la solución Tiene una solubilidad muy baja pero Alto disuelve en agua caliente. Muy difícil de obtener con un buen Bajo grado de solubilidad. Muy baja solubilidad es muy bueno solamente para preparaciones en Bajo seco. Pero no para soluciones de nutrimentos Excelente, barato, altamente soluble, Bajo-medio sal pura. 1:1 +++ Altamente soluble, pero se prepara con una cubierta grasienta, la cual debe ser limpiada de la solución de nutrimentos Estos compuestos deberán utilizarse solamente bajo condiciones muy buenas de iluminación o para corregir deficiencias de nitrógeno Bajo-medio Solución concentrada de ácido H3 PO4 Altamente soluble ,muy puro 1:2 Medio 1:3 1:1.5 1:2.3 Altamente soluble Altamente soluble Altamente soluble Barato Alto Altamente soluble, muy bueno para compensar las deficiencias en CA pero deberá utilizarse solamente si no esta presente en la solución de nutrimentos el Na Cl. Muy insoluble no puede ser utilizado en las soluciones de nutrimentos. Muy bueno para corregir las deficiencias de fósforo. --La mejor fuente de hierro (disolver en agua caliente) La mejor fuente de boro: se disuelve en agua caliente Alto Alto Alto Fuente: Resh (1996), modificado por Sánchez del Castillo, 2000. * Compuestos que por ser más solubles son los recomendables para preparar una solución nutritiva 15 Cuadro 10. Características de las principales fuentes de elementos esenciales para elaborar soluciones nutritivas para cultivos hidropónicos. Adaptado de Schwarz (1975), Ellis y Swaney (1963), Bentley (1955, 1959). Fuente Fórmula Peso molecular Contenido de los elementos nutritivos (%) (Considerando Solubilidad impurezas) en agua Nitrato de potasio KNO3 101 36 (K)-13 (N) 1:4 Nitrato de calcio Ca(NO3)2 164 23.5 (Ca) 16.5(N) 1:1 Nitrato de sodio Nitrato de amoniaco Sulfato de amoniaco Fosfato monoamónico (11-48-0) Fosfato diamonico(18-460) Urea Super fosfato simple Superfosfato triple Sulfato de potasio Cloruro de potasio Sulfato de calcio (yeso) Cloruro de calcio Sulfato de magnesio (sal de epsom) Nitrato de magnesio Sulf. de magnesio (anhidro) Sulfato ferroso Cloruro Férrico Sulfato de Manganeso Cloruro de Manganeso Acido Bórico Tretaborato de Sodio (Bórax) Sulfato Cúprico Gramos requeridos para dar 1ppm de elementos en 100 Relaciones litros de agua 0.28gr=1ppm de k= K:N-2.8:1 0.36 ppm de N 0.43gr=1ppm de Ca :N-1 Ca=0.70ppm de N 42:1 0.65gr =1ppm de N 0.30gr = 1 ppm de N NaNO3 85 15.5 (N) 1:1 NH4NO3 80 33 (N) 1:1 (NH4)2SO4 132 20.5 (N) 1:2 NH4H2PO4 115 27 (P) - 11 (N) 1:4 0.37gr= 1ppm de P P:N-2.45:1 =0.40 ppm de N (NH4)2 HPO4 132 23.5 (P) - 18 (N) 1:2 0.43gr =1ppm de P P:N-1.3:1 =0.77ppm de N (NH2)2-CO CaH4-(PO4)2 H2O(más otros materiales) CaH4 (PO4)2 H2O 60 46 (N) 1:2 750 (aunque es muy variable) 26.6 (Ca) - 7 (P) 1:410 310 (también variable) 18.6 (P) - 13.6 (Ca) 1:300 K2SO4 174 44.8 (K) 1:15 K CI 75 52 (K) 1:3 172 23 (Ca) 1:500 219 18 (Ca) 1:1 246.5 10 (Mg) 1:3 9.5 (Mg) 11 (N) 1:1 CaSO4 2H2O CaCI2 6H2O 0.49gr = 1 ppm de N 0.22gr = 1ppm de N 0.38gr =1ppm de Ca Ca:P-3.8:1 = 0.26ppm de P 0.54gr = 1ppm de P P:Ca-1.37:1 =0.73ppm de Ca 0.45 = 1ppm de K 0.19gr =1ppm de K 0.43gr = 1ppm de Ca 0.56 = 1ppm de Ca 1.0gr = 1ppm de Mg MgSO47H2O Mg(NO3)26h2O MgSO4 120 20 (Mg) 1:10 FeSO47H2O FeCI36H2O 278 270 20 (Fe) 21 (Fe) 1:5 1:2 MnSO44H2O 223 25 (Mn) 1:3 MnCI24H2O 198 28 (Mn) 1:2 H3BO3 62 18 (B) 1:20 Na2B4O-10H2O 381 12 (B) 1:27 CuSO45H2O 250 25 (Cu) 1:5 1.05 gr=1ppm de Mg 1.15 ppm de N 0.5 = 1ppm de Mg 0.5gr = 1ppm de Fe 0.48 gr=1 ppm de Fe 0.4 gr=1 ppm de Mn 0.36 gr=1 ppm de Mn 0.56 gr=1 ppm de B 0.83 gr=1 ppm de B 0.4 gr=1 ppm de Cu 0.27 gr. =1 ppm de Cloruro Cuproso CuCI2H2O 170 37 (Cu) 1:2 Cu Sulfato de Zinc ZnSO47H2O 288 23 (Zn) 1:3 0.43 gr=1 ppm de Zn Cloruro de Zinc ZnCI2 136 48 (Zn) 1:1.3 0.2 gr=1 ppm de Zn *En muchos casos el nitrato de calcio viene hidratado, siendo su formula Ca(NO3)2 4H2O,su peso molecular 236,su porcentaje de Ca 16.9%,y de N 11.8%. 16 Existe una diversidad de quelatos que aportan micronutrimentos, con una variedad de riqueza, pero lo más aconsejable es aportar sólo el hierro a través de un quelato y los demás micronutrimnetos a través de sales o fertilizantes, de esta forma se mantiene disponible el hierro y se reduce el costo de la solución nutritiva, ya que los quelatos son relativamente caros. El sulfato de hierro tiene el inconveniente que al mezclarse con otras sales que aportan micronutrimentos en una solución concentrada, precipita el hierro. Se recomienda emplear una solución concentrada de sulfato de hierro por separado y agregarse al momento de preparar la solución nutritiva. 2.6. Calidad del agua y soluciones nutritivas Para preparar la solución nutritiva se debe tener en cuenta la concentración de sales en el agua de riego. Generalmente el agua contiene cantidades importantes de bicarbonato, calcio, magnesio, sulfato y boro, los cuales deberán tenerse en cuenta al formular la solución nutritiva. Algunos cuerpos de agua (acuíferos subterráneos y aguas superficiales como ríos, lagunas, lagos) podrían estar contaminados con aguas residuales o lixiviación de nutrimentos, por lo que tendrán nitratos, amonio y fosfatos, en cuyo caso deberán también tomarse en cuenta. La cantidad de micronutrimentos normalmente es mínima (trazas), aunque algunas veces es posible detectar valores significativos de Zinc (hasta en 0.5 mg L-1) debido a la utilización de tubería galvanizada en algunas instalaciones de la red hidráulica. También el agua contiene sodio y cloro que, en cantidades altas aumentan la salinidad del agua y pueden provocar toxicidad a las plantas, por lo que no se recomienda usar fertilizantes que aportan estos elementos como el cloruro de potasio KCl, cloruro de calcio CaCl2 y nitrato de sodio NaNO3. En la mayoría de las aguas, el principal problema que se presenta es la alcalinidad, normalmente influida por el equilibrio CO3/HCO3. Esta relación es una medida de la resistencia del agua a su acidificación a valores ideales de pH (5.5-6.0) de las soluciones nutritivas. Para neutralizar la alcalinidad será necesario agregar ácidos fuertes como el sulfúrico, fosfórico, nítrico o incluso el clorhídrico. Si la concentración de bicarbonato (HCO3-) es inferior a 0.5 meq L-1, no es necesario acidular el agua. La resistencia del agua a disminuir el pH es lo que se llama capacidad tampón ó buffer, o capacidad de amortiguamiento. Si se representa gráficamente la disminución de pH en función del ácido agregado, se verá que la curva tiene forma sigmoidal con dos puntos de inflexión, uno a pH 8.3 donde los carbonatos CO32- se destruyen y pasan a bicarbonatos HCO3-, y otro punto a pH 4.3 donde se destruye el ion HCO3- y pasa a ácido carbónico H2CO3. Este es un ácido débil que se descompone en CO2 y H2O. Las reacciones son las siguientes: CO32- + H+ → HCO3HCO3- + H+ → CO2 ↑ + H2O 17 El consumo inicial de ácido es alto con disminuciones pequeñas de pH. Alrededor de pH 5.5 se tiene un contenido aproximado de HCO3- de 0.5 meq L-1. No es conveniente destruir totalmente los HCO3- porque el pH puede bajar a 4.3 o menos, con consecuencias negativas para la planta desde el punto de vista fisiológico y problemas de estructura física en los sustratos (Por ejemplo la lana de roca y perlita pierden estabilidad física a pH menor de 5). Para calcular la cantidad total de sales que tendrá la solución nutritiva (sales en el agua + sales de los fertilizantes), deben restarse los HCO3 destruidos, los cuales se transformaron en CO2 y H2O. En el Cuadro 11 se presenta la composición química de algunas aguas procedentes de distintas regiones de México, donde se aprecia la variabilidad tanto en pH como en contenido de sales. Cuadro 11. Resultados del análisis químico de aguas de diferentes regiones de México (Laboratorio Central de la Universidad Autónoma Chapingo). Origen pH Destilada (Lab) Chapingo, Méx. Cotaxtla, Ver Cuapiaxtla, Pue. Ixtapaluca, Méx Jaral, Gto. México, DF El Salvador, Pue Pánuco, Ver 5.0 7.10 8.9 8.54 8.60 7.10 8.26 7.64 8.90 CE dSm-1 0.006 0.42 0.40 1.3 0.32 0.42 5.59 0.79 1.15 Ca Mg Na K CO3 HCO3 SO4 Cl B -----------------------------meq L-1----------------------------mgL-1 ND 0.01 ND ND ND ND 0.05 ND 0.06 1.39 1.23 1.58 0.20 ND 2.00 2.05 0.50 0.05 1.42 1.22 0.73 0.19 2.18 0.97 0.02 0.50 0.01 3.20 5.25 3.80 0.53 0.75 8.55 1.64 2.35 1.86 0.91 0.63 0.98 0.27 0.40 1.90 0.06 0.75 0.31 1.83 1.74 1.32 0.16 0.10 3.06 1.24 0.65 ND 5.26 9.18 31.34 0.93 1.80 5.30 9.03 39.75 3.26 4.33 2.52 1.48 0.11 ND 5.20 2.08 1.00 0.15 6.59 3.30 2.09 0.30 1.45 2.78 1.75 6.59 0.33 ND: No detectado por el método empleado Antes de proceder a la interpretación de los resultados del análisis químico del agua, se deben establecer algunas relaciones entre los datos para decidir si se puede confiar en las determinaciones reportadas. Por ejemplo: a) la suma de aniones debe ser igual a la suma de cationes, b) la suma de cationes o de aniones dividida entre 10 debe ser igual a la conductividad eléctrica, c) si el pH es mayor de 8.2 indica presencia de carbonatos CO3, pero si es menor de 8.2 solo se deben detectar a los bicarbonatos HCO3. El Cuadro 12, muestra un ejemplo de interpretación de análisis de agua. 18 Cuadro 12. Interpretación de un análisis químico de agua (Pánuco, Ver) Análisis de salinidad Representación Gráfica Determinaciones mg L-1 Muy Bajo Medio Alto Muy bajo alto pH 8.90 xxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxx CE (dS m-1) 1.15 xxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxx -1 Ca (meq L ) 6.59 131.80 xxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxx Mg (meq L-1) 3.30 39.60 xxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxx Na (meq L-1) 2.09 48.07 xxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxx K(meq L-1) 0.30 11.73 xxxxx Total cationes CO3 (meq L-1) HCO3 (meq L-1) Cl (meq L-1) SO4 (meq L-1) Total aniones B (mg L-1) Salinidad efectiva Salinidad potencial CSR RASajustada Dureza Clasificación Riverside 12.28 1.45 2.78 1.75 6.59 12.27 5.59 5.05 -5.66 3.60 48.7 C3S1 231.20 87.00 169.58 62.12 316.32 655.02 0.33 xxxxxxxxxxxxxxxxxxxxx xxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxx xxxxxxxxxxxxxxxxxxxxx xxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxx xxxxxxxxxxxxxxxxxxxx xxxxxxxxxxxxxxxxxxxxx xxxxxxxxxxxxxxxxxxxxx x xxxxxxxxx xxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxx xxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxx CSR: Carbonato de sodio residual, RAS: Relación de adsorción de sodio pH. Se trata de un agua con pH muy alcalino (mala calidad), lo que se explica por la cantidad de bicarbonatos (HCO3) y carbonatos (CO3) presentes en el agua. Sin embargo, si esta agua se acidula a pH 6, se neutralizarán los carbonatos y la mayor parte de los bicarbonatos, produciendo un agua de buena calidad por este parámetro. Conductividad eléctrica (CE, dS m-1). Indica un valor medio de sales en solución, si esta agua se aplica en altas cantidades o por periodos largos de tiempo podría generar cierta acumulación salina, a menos que el suelo o sustrato sea muy permeable y se lave el exceso de sales. El nivel de sales, se comprueba también con los valores de Salinidad Efectiva, salinidad potencial y Clasificación Riverside. Cationes en solución (K, Ca, Mg, Na). El Calcio (132 mg L-1) y Magnesio (38 mg L-1) se encuentran en cantidad media. El potasio es muy bajo (12 mg L-1) y el sodio esta en un valor medio a bajo (48 mg L-1). El agua aportará más del calcio y magnesio del que requiere el cultivo, incluso podría existir cierta acumulación en el medio, dependiendo del drenaje y capacidad de intercambio catiónico. 19 Aniones en solución (CO3, HCO3, Cl, SO4). Los carbonatos (43 mg L-1) y cloruros (62 mg L-1) se encuentran en cantidad media a baja, mientras que los sulfatos (316 mg L-1) y bicarbonatos (170 mg L-1) están en cantidad media. Los bicarbonato y carbonatos se pueden destruir al acidificar el agua a pH 6, lo que es importante en caso que esta agua se aplique en suelo alcalino. Los problemas de alcalinidad se presentarán como deficiencias de fósforo y micronutrimentos, en especial hierro, manganeso y zinc. Boro. Se encuentra en un nivel aceptable, no hay riesgo de toxicidad por este elemento, ya que las plantas en general toleran concentraciones menores de 0.6 mg L-1, sin riesgo de toxicidad. Salinidad efectiva: Indica nivel medio de sales solubles. Salinidad Potencial: Indica nivel medio de sales solubles. Carbonato de sodio residual (CSR): Indica que no existen problemas por acumulación de carbonatos y bicarbonatos de sodio, ya que se formarán los de calcio y magnesio principalmente. Relación de adsorción de sodio ajustada (RASajustada). Indica que no habrá problemas por acumulación de sales de sodio, ya que dominan las de calcio y magnesio. Dureza: Indica que es un agua con dureza alta, lo que se explica por las cantidades de calcio (Ca) y magnesio (Mg) presentes en el agua. Clasificación Riverside (C3-S1): Por su contenido de sales, indica que es un agua de salinidad alta que puede utilizarse para riego solo en suelos con buen drenaje aplicando una lámina en exceso para evitar la acumulación salina y utilizando cultivos resistentes a la salinidad. Por su bajo contenido de sodio, es un agua apta para el riego en la mayoría de los casos. Sin embargo pueden presentarse problemas en cultivos muy sensibles al sodio. En general esta agua es de calidad media para los cultivos agrícolas. Para disminuir el pH se recomienda ácido nítrico (HNO3) y ácido fosfórico (H3PO4). No debe emplearse ácido sulfúrico (H2SO4) o clorhídrico (HCl) porque el agua ya contiene mucho sulfato y suficiente cloruro. Se debe aplicar alrededor de 3.8 meq de ácido por litro de agua, de los cuales 1-1.5 meq pueden ser de ácido fosfórico y el resto 2.3-2.8 meq de ácido nítrico. Se requiere un medidor de pH (bien calibrado) para asegurar que el valor de pH final del agua estará entre 5.5-6.0. Se debe calcular la cantidad de nitrógeno y fósforo que se aportará con ácidos para considerarlos en el balance de concentraciones de la solución nutritiva. La cantidad de ácido dependerá de la pureza y la densidad. Los ácidos grado industrial son más baratos. De manera aproximada la cantidad de ácidos para 1000 L de agua sería la siguiente: H3PO4 = (1.5) (98) (1/1.7) (100/85) (1/1000) (1000) = 101.75 ml m-3 de agua HNO3 = (2.3) (63) ((1/1.45) (100/65) (1/1000) (1000) = 153.75 ml m-3 de agua 20 Donde el primer factor son los meq de ácido a agregar, el segundo factor es la densidad del ácido (dato proporcionado por el fabricante), el tercer factor es la pureza (dato proporcionado por el fabricante), el cuarto factor es para pasar de µL a ml y 1000 son la cantidad de agua donde se hará la prueba. Mezclar perfectamente y medir el pH, si el valor no está entre 5.5-6.0 agregar mas o disminuir ácido nítrico. 2.7. Cálculos de una solución nutritiva en partes por millón (ppm) Se puede tomar como punto de partida para los cálculos los Cuadros 4 y 5 dentro de los rangos mínimo y máximo en ellos especificados, procurando mantenerse cerca del óptimo. Para el presente caso, se ejemplificaran los cálculos con las dosis que han sido probadas en el Departamento de Preparatoria Agrícola de la Universidad Autónoma Chapingo y con las fuentes también utilizadas en esta institución. CÁLCULOS Se aportarán las siguientes concentraciones: Elemento N P K Ca Mg S Elemento Fe Mn B Cu Zn ppm 300 80 250 300 75 100 ppm 4.0 1.0 0.5 0.5 0.5 Las fuentes que usaremos para macronutrimentos serán: Sulfato de magnesio MgSO47H20 Nitrato de calcio Ca(NO3)2 Nitrato de Potasio (Multi K) KNO3 Acido fosfórico H3PO4 Las fuentes que usaremos para micronutrimentos serán: Sulfato ferroso FeSO4 Sulfato de manganeso MnSO4 Sulfato de cobre CuSO4 Sulfato de zinc ZnSO4 Acido bórico H3BO3 21 Para calcular nos apoyaremos en el Cuadro 23, donde incluye la masa atómica de los elementos más comunes. Para que queden expresados en partes por millón (ppm), los cálculos se harán en gramos por cada 1000 litros de agua. CÁLCULO DE MACRONUTRIMENTOS Debido a que son limitadas las fuentes de calcio, iniciamos el cálculo por el fertilizante que aporta este nutrimento. 1. CALCIO Con Nitrato de Calcio: Ca(NO3)2 Primero se calcula el peso molecular (PM) del fertilizante, sumando la masa atómica (peso atómico) de los elementos que lo constituyen: Entonces el peso molecular será: Ca = 40.08 x 1 = 40.08 N = 14.02 x 2 = 28.02 O = 16.00 x 6 = 96.00 Total 164.10 Para determinar la cantidad de fertilizante necesario para aportar 300 ppm de calcio, se formula una regla de tres: (aportan) (disueltos en 1000 l. de agua) 164.10 g. de Ca(NO3)2 X 40.08 ppm de Ca 300 ppm de Ca Despejando la incógnita: X= 164.10 x 300 40.08 = 1228 g. de nitrato de calcio Por lo que es necesario disolver 1228 g. de nitrato de calcio en 1000 litros de agua para aportar 300 ppm de calcio. Debido a que el nitrato de calcio aporta también nitrógeno, mediante otra regla de tres, determinamos la aportación de este elemento: (aportan) 164.10 g. de Ca(NO3)2 1228 g de Ca(NO3)2 X= 22 1228 x 28.02 164.10 = 28.02 g. de N X 209.68 ppm de N Por lo tanto, con 1228 g. de nitrato de calcio diluido en 1000 litros de agua, se aportan: 300 ppm de calcio requeridas 209.7 ppm de nitrógeno. 2. POTASIO. Ahora, calculamos el potasio y base de nitrato de potasio y determinamos cuanto nitrógeno es aportado por este fertilizante: Nitrato de potasio: KNO3 Calculamos su peso molecular: PM: K = 39.10 x 1 = 39.10 N = 14.01 x 1 = 14.01 O = 16.00 x 3 = 48.00 Total 101.11 Planteamos una regla de tres para determinar cuanto fertilizante se requiere para aportar 250 ppm de K: (aportan) 101.11 g. de KNO3 X 39.10 ppm de K 250 ppm de K 101.11 x 250 X= = 646.48 g de nitrato de potasio 39.10 Calculamos cuanto nitrógeno se aporta con esta cantidad del fertilizante: 101.11 g. de KNO3 646.48 g. de KNO3 14.01 ppm de N X 646.48 x 14.01 X= = 89.58 ppm de N 101.11 Consiguientemente, con 646.48 g de nitrato de potasio, estaremos aportando: 250 ppm de K 89.58 ppm de N 23 3. NITRÓGENO. Observemos, que circunstancialmente, se completan las 300 ppm del nitrógeno requeridas, pues: El nitrato de calcio aporta 209.68 ppm de N El nitrato de potasio agrega 89.58 ppm de N TOTAL 299.26 ppm de N Por lo cual se queda en tales cantidades a usar en la solución nutritiva. 4. MAGNESIO – AZUFRE El magnesio y el azufre se aportarán con sulfato de magnesio (sal epson): Sulfato de magnesio: Mg SO4. 7 H2O Peso molecular: Mg = 24.31 x 1 = 24.31 S = 32.06 x 1 = 32.06 O = 16.00 x 11= 176.00 H = 1.008 x 14= 14.11 TOTAL 246.48 Calculamos la cantidad de este fertilizante necesario para aportar 75 ppm de Mg, mediante una regla de tres: 246.48 de sulfato de Mg X 246.48 x 75 X= 24.31 ppm de Mg 75 ppm de Mg = 760 g de sulfato de magnesio 24.31 Calculamos el azufre aportado, con otra regla de tres: 246.48 g de sulfato de Mg 760 g de sulfato de Mg X= 760 x 32.06 246.48 = 32.06 X 98.85 ppm de S. Debido a que normalmente el sulfato de magnesio comercia tiene un grado de pureza del 80%, se hace el ajuste correspondiente: 760 / 0.8 = 24 950 g de sulfato de magnesio Entonces: 950 g. de sulfato de magnesio, aportan: 75 ppm de magnesio 99 ppm de azufre. Por lo que podemos considerar que se cuenta con las cantidades necesarias para preparar la solución nutritiva. 5. FÓSFORO. Este elemento se aportará con ácido fosfórico: H3 PO4. Determinamos el peso molecular. PM: H = 1.008 x 3 = 3.02 P = 30.97 x 1 = 30.97 O = 16.00 x 4 = 64.00 TOTAL 97.99 Determinamos la cantidad del producto necesario para aportar 80 ppm de P, mediante una regla de tres: 97.99 g de H3 PO4 X X = 97.99 x 80 30.97 30.97 ppm de P 80 ppm de P = 253.12 g de H3 PO4 Para convertirlo a mililitros, dado que su presentación es en forma líquida, consideramos una densidad de 1.834: 253.12 g = 138.02 ml. 1.834 Cuando se usa ácido fosfórico grado industrial y éste se encuentra a una concentración de 80%, se hace el ajuste: 138.02 = 0.80 172.5 ml. de ácido fosfórico Se requiere, por tanto: 172.5 ml. de ácido fosfórico para aportar 75 ppm de P. 25 CALCULO DE MICRONUTRIMENTOS. 6. FIERRO. Sulfato ferroso Fe SO4. 6H2O Peso molecular: Fe = 55.85 x 1 = 55.85 S = 32.06 x 1 = 32.06 O = 16.00 x 10 = 160.00 H = 1.008 x 12 = 12.10 TOTAL 260.01 Para determinar la cantidad necesaria de este producto para aportar 4 ppm de Fe, planteamos una regla de tres: 260.01 g. de sulfato ferroso X X = 250.01 x 4.0 55.85 = 55.85 ppm de Fe 4.0 18.6213 g. de sulfato ferroso 7. MANGANESO. Sulfato de manganeso: Mn SO4. 4 H2O Peso molecular: Mn = 54.94 x 1 = 54.94 S =32.06 x 1 = 32.06 O =16.00 x 8 = 128.00 H = 1.008 x 8 = 8.06 TOTAL 223.06 Para conocer la cantidad a usar de este fertilizante al aportar 1 ppm de manganeso, formulamos una regla de tres: 223.06 g. de sulfato de manganeso X X = 223.06 x 1 = 54.94 26 4.06 g. de sulfato de manganeso 54.94 ppm de Mn 1 ppm de Mn 8. COBRE Sulfato de cobre: Cu SO4. 5H2O Peso molecular: Cu = 63.54 x 1 = 63.54 S= 32.06 x 1 = 32.06 O= 16.00 x 9 = 144.00 H= 1.008 x 10 = 10.08 TOTAL 249.68 Para definir la cantidad de sulfato de cobre necesaria para tener 1 ppm de Cu, lo hacemos mediante una regla de tres: 249.68 g. de sulfato de cobre X 249.68 x 0.5 X= = 63.54 ppm de Cu 0.5 ppm de Cu 1.97 g. de sulfato de cobre 63.54 9. ZINC. Sulfato de zinc : ZnSO4.7H2O Peso molecular Zn = 65.37 x 1 = S = 32.06 x 1 = O = 16.00 x 11= H = 1.008 x 14 = TOTAL 65.37 32.06 176.00 14.11 287.54 Planteando una regla de tres se determina cuanto sulfato de zinc se necesita para aportar 0.5 ppm de este elemento: 287.54 g. de sulfato de zinc X 287.54 x 0.5 2.20 g. de sulfato de zinc X= = 65.37 65.37 ppm de Zn 0.5 ppm de Zn 27 10. BORO. Ácido Bórico: H3BO3 Peso molecular: H= 1.008 x 3 = 3.02 B= 10.81 x 1 = 10.81 O= 16.00 x 3 = 48.00 TOTAL 61.83 Mediante una regla de tres, calculamos la cantidad de ácido bórico necesaria para agregar 0.5 ppm de boro: 61.83 g. de H3BO3 X X = 61.83 x 0.5 = 10.81 10.81 ppm de B 0.5 ppm de B 2.86 g. de ácido bórico Resumiendo: Para obtener las concentraciones señaladas anteriormente, se disolverán en 1000 litros de agua: Para macronutrimentos: Nitrato de calcio: Nitrato de potasio: Sulfato de magnesio: Ácido fosfórico: 1228.0 g. 646.5 g. 950.0 g. 172.5 ml. Para micronutrimentos: Sulfato ferroso: 18.6 g. Sulfato de manganeso: 4.1 g. Sulfato de cobre: 2.0 g. Sulfato de Zinc: 2.2 g. Ácido bórico: 2.9 g. Los micronutrimentos se pueden preparar en una solución madre a mayor concentración, guardándola en un recipiente ámbar y agregando la necesaria para conseguir las concentraciones buscadas. 28 2.7.1. Preparación y cuidados de la solución nutritiva Los pasos prácticos básicos a seguir para la preparación de una solución nutritiva son: 1.- Pesar fertilizantes. 2.- Llenar el tanque con agua aforando al 50 o 75 % de la cantidad deseada. 3.- Bajar el pH a 5.5. cuando no se usa ácido fosfórico 4.- Disolver individualmente cada fertilizante del menos soluble al más soluble. Cuando las sales son poco solubles utilizar agua caliente. 5.- Agregar los micronutrimentos y después disolver los macronutrimentos ( Se puede hacer a la inversa). 6.- Comprobar el pH y ajustarlo con Ácido sulfúrico o hidróxido de potasio, según sea el caso. 7.- Aforar a la cantidad deseada la solución nutritiva 8.- Diariamente aforar a la cantidad total de solución, en caso de un sistema cerrado. 9.- Al menos cada tercer día ajustar el pH. Los pasos prácticos para preparar un litro de solución madre de micronutrimentos son: 1. Se agregan lentamente 10 ml. de ácido sulfúrico (H2SO4) a 900ml. de agua destilada. 2. Se diluyen 47g. de sulfato ferroso en varias porciones lentamente agitando vigorosamente el recipiente hasta quedar disuelto. 3. Se agrega el sulfato de manganeso, de la misma forma para diluirlo. 4. Se adiciona de igual manera el ácido bórico agitando suficientemente. 5. Se diluye el sulfato de cobre, agitando hasta que no haya grumos. 6. Se agrega el sulfato de zinc y se agita vigorosamente 7. Se afora a un litro de solución madre de micronutrimentos. Un litro de solución concentrada así preparada sirve para usarse en 10,000 litros de solución nutritiva, es decir, 1ml. de solución madre por cada 10 litros de solución nutritiva. Se debe cambiar periódicamente la solución porque a medida de que el tiempo transcurre en la solución nutritiva se puede presentar: Acumulación de cantidades tóxicas de elementos menores como Cu y Zn por la fontanería, impurezas de fertilizantes y agua. Aceleración de la concentración osmótica de la solución, ocasionado por cantidades tóxicas. Con el aumento de sales aumenta la conductividad eléctrica. Debe haber nutrimentos en total de 1000-1500 ppm (para que la presión osmótica facilite el proceso de absorción de las raíces, registrando en esos niveles de concentración,1.5-3.5 mMohs de conductividad eléctrica). La cantidad total de sólidos solubles (ppm ó mg/l) influye directamente en la conductividad (mMoh/ unidad volumen) Cuando el volumen de agua decrece se concentra la solución porque las plantas absorben mas lento los nutrimentos que el agua. Por ejemplo. En un día claro de verano una planta de jitomate consume 3.3 litros de agua. 29 Cuadro 13. Pesos atómicos (Pa), moleculares o iónicos (Pm) y equivalentes (Pe) para los diferentes elementos y iones presentes en la solución nutritiva o aguas de riego Elemento N Pa 14 Forma iónica NH4+ Pm 18 Valencia 1 Pe 18 NO3- 62 1 62 - P 31 H2PO4 97 1* 97 K 39.1 K+ 39.1 1 39.1 Ca 40 Ca2+ 40 2 20 24 2+ 24 2 12 2- 96 2 48 35.5 1 35.5 23 1 23 60 2 30 61 1 61 1.0 1 1.0 Mg S Cl Na C Mg 32.1 SO4 35.5 - 23 12 Cl + Na 2- CO3 - HCO3 O 16 H 1.0 Fe Mn Zn 55.9 54.9 65.4 B 10.8 Cu 63.6 Mo 95.9 H+ 2+ 3+ Fe , Fe 55.9 2y3 28 y 18.67 2+ 54.9 2 27.5 2+ 65.4 2 32.5 61 116 1 2 61 58 2 31.8 2 80 Mn Zn H3BO3, H2BO3B4O722+ Cu 2- MoO4 160 *Para el intervalo de pH que debe tener la solución nutritiva 2.8. Cálculo de la solución nutritiva en miliequivalentes (meq L-1). Otras formas de expresar la concentración de una solución nutritiva son en milimoles y miliequivalentes o moles de carga, siendo más utilizados estos últimos debido a que en las soluciones nutritivas se considera un balance de carga entre cationes y aniones. En el Cuadro 14 se presenta la relación entre diferentes unidades de concentración de iones en solución, normalmente aportados con las soluciones nutritivas. El sistema de fertirrigación es en la actualidad el método más racional para realizar una fertilización optimizada y respetando el medio ambiente dentro de la denominada agricultura sostenible La idea básica para el estudio de la fertirrigación parte de la hidroponía, basada en el hecho de que la planta toma los nutrimentos de forma óptima si éstos se encuentran en concentraciones y relaciones adecuadas en la solución nutritiva. De esta forma se evitan fenómenos negativos como efectos osmóticos y antagonismos que perturban la absorción de nutrimentos por la planta; lo cual permite desarrollar un cultivo sin los factores limitantes del suelo 30 Cuadro 14. Relación entre concentraciones expresadas en milimoles, miliequivalentes y partes por millón (miligramos/litro) de los principales iones que componen una solución nutritiva. Radical o ion mmol L-1 meq L-1 mg L-1 mg L-1 mg L-1 NO3 1 1 14 N 62 NO3 H2PO497 H2PO41 1 31 P 71 P2O5 SO421 2 96 SO4232 S Cl 35.5 Cl 1 1 35.5 Cl HCO361 HCO31 1 + + K 1 39.1 K 39.1 K 47.1 K2O 1 Ca2+ 40 Ca2+ 56.1 CaO 1 2 40.1 Ca 40.3 MgO Mg2+ 1 24.3 Mg2+ 24.3 Mg 2 NH4+ 18 NH4+ 1 1 14 N Na+ 23 Na+ 1 1 23 Na mmol L-1 x valencia del ion = meq L-1; P(2.2914) = P2O5, K(1.2046) = K2O, Ca(1.3986) = CaO, Mg(1.6578) = MgO Antes de realizar una fertirrigación suele ser necesario aplicar enmiendas para preparar el sustrato con el fin de que la fertilización sea más eficaz, por ejemplo productos orgánicos que aportan humus o el uso de calizas, calizas dolomíticas o azufre para hacer variar el pH del suelo o sustrato, etc. En la fertirrigación, una parte de los elementos esenciales se suministran a las plantas por el suelo y la otra parte se suministra en el agua de riego disolviendo los fertilizantes en ella, para preparar la solución de nutrimentos. La elección de los fertilizantes a usar depende de una gran cantidad de factores. Los diferentes fertilizantes que se pueden usar para la solución de nutrimentos tienen a la vez diferente solubilidad y se busca que ésta sea elevada. Un resumen de las sales fertilizantes que se pueden usar se presentan en el Cuadro 15. Los micronutrimentos pueden obtenerse a partir de preparados comerciales o bien adquirirlos individualmente y hacer los cálculos correspondientes (Cuadro 16). Para calcular la cantidad de fertilizantes que se deben utilizar para llevar a cabo una buena fertirrigación, es necesario conocer en primer lugar las soluciones nutritivas de referencia u optimizadas, denominadas soluciones ideales, adecuadas para el cultivo que se quiere fertirrigar (Cuadro 2). No obstante, hay que tener en cuenta que un mismo cultivo varía en función del agua de riego, el suelo, la etapa fenológica de la planta y las condiciones ambientales. Para calcular la composición de la solución, será necesario definir en primer lugar los moles y equivalentes. El número de moles se calcula dividiendo el número de gramos por el peso molecular. El peso molecular es la suma de pesos atómicos de todos los átomos de la fórmula química de una sustancia. El número de equivalentes, también denominados moles de carga, se obtiene dividiendo el peso de la sustancia en gramos entre su peso equivalente. El peso equivalente se calcula a su vez dividiendo el peso molecular entre la valencia. Finalmente el número de miliequivalentes, que será la unidad de concentración utilizada en las disoluciones de macronutrimentos es igual a mil veces el número de equivalentes. 31 Las expresiones que resumen lo anteriormente expuesto son: M (molaridad) = n.o moles/L; n.o moles = g fertilizante o ion/Pm N (normalidad) = n.o equivalentes/L; n.o equivalentes = g fertilizante o ión/Peq Peq = Pm /valencia (Peq = peso equivalente; Pm = peso molecular) El Pm del fertilizante Am Bn será: (m) ( Pa A) + (n) ( Pa B). (Pa = Peso atómico del elemento) N = M x Valencia. Para preparar una disolución fertilizante determinada serán necesarios los productos fertilizantes correspondientes que se han descrito en el tema anterior. En el Cuadro 15 se indican las composiciones químicas, los pesos moleculares, las valencias y los pesos equivalentes de dichos productos fertilizantes. En el Cuadro 16 los pesos moleculares de los quelatos de hierro se han estimado, considerando que tienen impurezas. Los ácidos se dan como ácidos puros al 100 %. Esto nunca sucede, pues contienen también agua. 2.8.1. Estudio y cálculo de las cantidades de fertilizantes necesarias para preparar la solución ideal u optimizada por hidroponía teniendo en cuenta la calidad del agua de riego La composición ideal de una solución nutritiva no depende solamente de las concentraciones de los nutrientes, sino que también de otros factores relacionados con el cultivo, inclusive del tipo de sistema hidropónico, los factores ambientales, la época del año (duración del periodo de luz), el periodo fenológico, la especie vegetal y el cultivar en consideración. Se han propuesto diferentes soluciones nutritivas y en algunos casos se encuentran diferencias significativas entre ellas, en lo que se refiere a la concentración de macronutrimentos y, en relación a los micronutrimentos, las diferencias son mucho menores. Hewitt citado por Benton Jones (1982) muestra una lista de 160 fórmulas diferentes basadas en los diferentes tipos de sales y combinaciones de fuentes de nitrógeno. Aún así es frecuente encontrar en publicaciones la frase “solución nutritiva de Hogland modificada”, o sea, fórmulas derivadas de la propuesta en 1938 por Hoagland & Arnon (1950), en la cual los valores expresados en mg L-1 son: N-N03 (210), P(31), K (234), Ca (160), Mg (48), S (64), B (0,5), Cu (0,02), Fe (1,0), Mn (0,5), Mo (0,01) y Zn (0,05). Existe también otra versión de esa solución con adición de N-NH4 (14) manteniéndose el N total constante. Esta solución ha sido la más utilizada en investigación de nutrición mineral de plantas y constituye la base de la formulación de numerosas soluciones nutritivas comerciales existentes en el mundo entero. En general, según Barry (1996), las concentraciones de nutrientes se encuentran en los siguientes rangos (mg L-1): nitrógeno (70-250), fósforo (15-80), potasio (150-400), calcio (70-200), magnesio (15-80), azufre (20-200), hierro (0,8-6), manganeso (0,5-2), boro (0,-0,6), cobre (0,050,3), zinc (0,-0,5) y molibdeno (0,05-0,15). En la bibliografía se describen sugerencias de formulaciones y de composiciones de soluciones nutritivas para el crecimiento de plantas (Carrasco & Izquierdo, 1996; Castellane & Araujo, 1994; Furlani, 1997; Martínez & Silva Filho, 1997; Muckle, 1993; Resh, 1993; Sasaki, 1992; Sonneveld & Straver, 1994). 32 Cuadro 15. Composición química, pesos moleculares, valencia y pesos equivalentes de los fertilizantes más utilizados para preparar soluciones nutritivas. Fertilizante Fórmula Química HNO3 Porcentaje de nutrimento 22 N Peso molecular 63 Valencia 1 Peso equivalente 63 Ácido fosfórico H3PO4 32 P 98 1* 98 Ácido sulfúrico H2SO4 32 S 98 2 49 HCl 97 Cl 36.5 1 36.5 Ácido superfosfórico H4P2O7; H6P4O13 33-36 P Nitrato cálcico Ca(NO3)2.4H2O 15.5 N; 19 Ca 236 2 118 Nitrato potásico KNO3 13-14 N; 36-38 K 101.1 1 101.1 Nitrato amónico NH4NO3 33-34 N 80 1 80 Mg(NO3)2.6H2O 11 N; 9.5 Mg 256.3 2 128.2 (NH4)2Sx 20 N; 40-50 S NH4NO3*(NH4)2SO4 30 N; 6.5 S Tiosulfato de amonio (NH4)2S2O3 12 N; 26 S Sulfato de amonio (NH4)2SO4 21 N; 24 S 132 2 66 Amoniaco anhidro NH3 82 N 17 Cianamida de calcio Ca(CN)2 20-22 N; 37 Ca 92 Nitrato de sodio NaNO3 16 N; 27 Na 85 1 85 NH2-CO-NH2 46 N 35 1 35 Ácido nítrico Ácido clorhídrico Nitrato magnésico Polisulfuro de amonio Sulfo-nitrato de amonio Urea NH4OH 20 N NH4H2PO4 11 N; 23 P Fosfato diamónico (NH4)2HPO4 18 N; 21 P Superfosfato simple Ca(H2PO4)2*2H2O+CaSO4 8 P; 20 Ca; 12 S Superfosfato triple Ca(H2PO4)2*2H2O 20 P; 13 Ca Fosfato monopotásico KH2PO4 23 P; 29 K 136.1 1 136.1 Fosfato dipotásico K2HPO4 18 P; 45 K 174.2 2 87.1 Acuamonia Fosfato monoamónico Sulfato de potasio K2SO4 45 K; 18 S 174.3 2 87.2 Cloruro de potasio KCl 51 K; 47 Cl 74.6 1 74.6 Hidróxido de potasio KOH 69 K 56.1 1 56.1 Polifosfato de potasio KH2PO4+K3H2PO7 22 P; 33 K Tiosulfato de potasio K2S2O3 21 K; 17 S Polisulfuro de potasio K2Sx 18 K; 23 S Cloruro de calcio CaCl2 36 Ca; 64 Cl 111 2 55.5 Sulfato de calcio CaSO4 2H2O 18.6 Ca; 15 S 156 Sulfato de magnesio MgSO4.7H2O 9.8 Mg; 13 S 246.3 2 123.2* 33 Cuadro 16. Fertilizantes comerciales más usados para el aporte de micronutrimentos a la solución nutritiva. Contenido (C), peso molecular (Pm), densidad (D), pH de máxima estabilidad para la molécula quelante (Me) e intervalo de pH al que es estable (Ie). Así como algunos productos que suministran la combinación de micronutrimentos más o menos adecuada. Fertilizante Sulfato ferroso Fórmula FeSO4.7H2O C (%) 19 Fe Pm 277.9 D Me Ie Na-Fe-EDTA - 13 Fe 421,1 0,650 4,5 0-8 K-Fe-EDTA - 6 Fe 397,2 1,350 7,0 0-8 H-Na-Fe-DTPA - 11 Fe 468,2 0,750 3,0 0-10 (NH4)2-Fe-DTPA. - 6 Fe 480,2 1,300 6,5 0-10 Fe-HEDTA - 6 Fe 331,1 1,300 7,0 0-10 Na-Fe-EDDHA - 6 Fe 435,2 0,750 6,0 Sulfato de manganeso MnSO4.H2O 32 Mn; 19 S 169 3,258 Sulfato de manganeso MnSO4 4H2O 24 Mn; 14 S 223 Cloruro de manganeso MnCl2 43 Mn; 56 Cl 125.9 - 15 Mn (366) Mn-EDTA Mn-DTPA (1) - 13 Mn 389,1 0,625 6,5 2-14 (1) - 6 Mn 421,4 1,330 6,5 2-14 Na2B4O7.10H2O 11 B; 20 Na 382 H3BO3 17 B 62 ZnSO4.7H2O 23 Zn; 11 S 287.5 EDTA.Mn.Na2 EDTA. Mn K2 Borax Ácido bórico Sulfato de zinc 1,957 Na2-Zn-EDTA 15 Zn 399,6 0,625 6,5 3-11 (NH4)2-Zn-EDTA 10 Zn 389,7 1,300 6,0 3-11 25 Cu; 13 S 249.6 2,284 Cu-Na2-EDTA 15 Cu 397,7 0,625 6,5 0-14 (NH4)2-Cu-EDTA 9 Cu 387,8 1,300 6,0 0-14 3,28 CuSO4.5H2O Sulfato de cobre Molibdato de sodio Na2MoO4.2H2O 40 Mo 241,9 Heptamolibdato de amonio (NH4)6Mo7O24 58 Mo 1163,3 Composición expresada en % Mn 1,12 Zn 0,34 Cu 0,05 B 0,21 Mo 0,04 Dosificación Microcat* Fe 1,71 Mix LHR** 0,82 1,64 1,64 0,25 0,16 0,025 12 L (líquido) Nutrel C* 7,5 3,3 0,6 0,3 0,7 0,2 3-4, 5 kg(3) Trichoquel Mix-Q* 7,5 3,5 0,5 0,2 0,5 0,2 3-4 kg 9 4,5 0,6 0,15 0,03 2,5 1,5-2,5 kg Producto comercial Zipolex Fuente: (1) Catálogo de Akzo Nobel (sin fecha); (2) Liñán (2001); (3) Martínez y García (1993) recomiendan de 2 a 3 kg. * Agente quelante: HEDTA ** Agente quelante: EDTA 34 Las disoluciones nutritivas obtenidas por hidroponía para cada cultivo sirven de referencia para intentar aplicar en la fertirrigación la disolución más próxima a la ideal, considerando los numerosos factores que influyen en cada caso para cada cultivo como: calidad del agua de riego, cultivar, sustrato, condiciones climáticas, entre otras. El agua de riego contiene iones que corresponden a los elementos esenciales para la planta como Ca2+, Mg2+, SO42- y B. Al fabricar la disolución fertilizante se tendrán en cuenta, y en caso de estar contenidos en concentraciones superiores a las ideales se considerarán equilibrios entre iones antagónicos. También el agua de riego contiene elementos nocivos para los cultivos por existir en cantidades superiores a las ideales como C1- y Na+ que pueden originar un aumento de la salinidad del agua e incluso producir fenómenos de salinidad específica como las interacciones C1-/NO3 - o Na+/propiedades físicas. Por último las aguas de riego contienen CO32- y HCO3 - que se neutralizarán con los ácidos correspondientes para llegar al pH más adecuado, normalmente entre 5,5 y 6,0, que corresponde al punto de inflexión de la curva de neutralización del agua. El cálculo de las cantidades de fertilizantes necesarias para preparar la disolución fertilizante se puede separar en dos apartados: El primero consiste en calcular la composición de la disolución de macronutrimentos. En este caso hay que considerar que los fertilizantes aportan siempre dos o más componentes, ya que el aporte de un elemento (catión) siempre va acompañado de otro elemento (anión). Por ejemplo, si añadimos KNO3 para aportar potasio (K), debemos tener en cuenta que aportamos el mismo número de equivalentes de K+ que de NO3 -. El segundo apartado corresponde a la preparación de la disolución de micronutrimentos, que es más fácil de calcular ya que los componentes del fertilizante que acompañan al micronutrimento en cuestión no afectan en absoluto a la composición de macronutrimentos. En este caso, la dificultad estriba en la elección del producto de micronutrimentos más adecuado para las condiciones de pH y Ca del agua y del suelo, ya que la estabilidad y eficacia de los diferentes quelatos varían en función de estos parámetros. Como hemos visto con el ejemplo de KNO3, en un fertilizante simple o binario existirá un equilibrio entre iones (aniones y cationes). Lo mismo sucede en la disolución fertilizante. Este equilibrio no se calcula en base al peso de cada fertilizante, sino en función del peso equivalente. Una disolución nutritiva puede considerarse como una disolución acuosa de iones. La composición química de la misma se determina por las proporciones relativas de cationes y aniones, la concentración total de los iones y por el pH. Un ejemplo de disolución nutritiva sería la disolución de Hoagland n.o 2 (considerando sólo macronutrimentos), cuya composición se presenta en el Cuadro 17. Se puede observar que aparecen todos los elementos nutritivos denominados macronutrimentos. Como ya se ha dicho, el agua de riego contiene iones macronutrimentos como SO4 2- , Ca2+ , Mg2+ Estos iones que contiene el agua serán utilizados por las plantas y por lo tanto deben descontarse de la disolución nutritiva ideal. 35 Aunque el HCO3 - no se considera como nutrimento (la fuente fundamental de C es el CO2 ), se debe tener en cuenta para los cálculos. Esto es debido a que su presencia en grandes concentraciones en el agua incrementa el pH significativamente. Por ello debe ser neutralizado con ácidos. Al adicionarse ácidos (normalmente nítrico y fosfórico aunque a veces también se puede usar sulfúrico) se neutralizan estos bicarbonatos presentes en el agua. Cuadro 17. Disolución de Hoagland n.°2 (Hoagland y Arnon, 1950) Elemento Concentración en Concentración en milimoles/L (mM) miliequivalentes/1(meq/1) Nitrógeno (N) N-Nitrato (N-NO3-) 14 14 + N-Amoniacal (N-NH4 ) 1 1 Fósforo (P) 1 1 Potasio (K) 6 6 Calcio (Ca) 4 8 Magnesio (Mg) 2 4 Azufre (S) 2 4 Por lo tanto, para preparar la disolución nutritiva se debe tener en cuenta la concentración de nutrimentos en el agua de riego. Por ello, el primer paso para diseñar una disolución fertilizante será disponer de un análisis confiable de la composición del agua de riego. Una vez que se conocen los nutrimentos que el agua aporta por sí sola se deben restar a los proporcionados por la disolución nutritiva ideal. La diferencia entre ambos nos proporcionará los aportes previstos. A partir de la disolución base (Cuadro 17) expresada en mM y en meq/l de cada nutrimento, se va a explicar en los apartados siguientes diferentes opciones de cómo se puede preparar en la práctica. 2.8.2. Preparación de la disolución con fertilizantes simples cristalinos y ácidos fertilizantes Se considerará el caso de la solución del Cuadro 17 y un agua de riego con la composición en miliequivalentes/litro (meq/l) del Cuadro 18. Una forma de expresar estos aportes de fertilizantes sería en meq/l de sales binarias. Esto, que va a ser útil para posteriores cálculos, se hace en forma de cuadro de doble entrada, en la que en un eje figuran los aniones y en el otro los cationes. La suma total de aniones en miliequivalentes y la de cationes en miliequivalentes será la misma (18 meq/l totales) (Cuadro 19). Una vez incluidos en las celdas los meq/l totales de cada ion, el siguiente paso consiste en deducir las concentraciones en las casillas internas de forma que la suma de cada fila y de cada columna coincidan con los totales expresados en el Cuadro 19. 36 Los fertilizantes que tendremos que aportar serán por lo tanto las combinaciones de sales binarias que nos den los meq/l totales (lógicamente no consideramos como fertilizantes los cloruros (C1- ) ni el sodio (Na+). Una posibilidad es la que aparece en el Cuadro 20 (Posibilidad 1). El camino a seguir en general y para este caso en concreto es: 1.°) Se incluyen los H+ como HNO32.°) El Ca como Ca(NO3 )2 3.°) El NH4+ como NH4 NO3 4.°) El K+ como KNO3 5.°) El P como KH2PO4 (también podría haberse aplicado como H3PO4 y en caso excepcional como NH4H2PO4 ). 6.°) El resto de K+ como K2SO47°) El Mg2+ como Mg SO4- Cuadro 18. Composición del agua de riego, disolución ideal y aportes previstos para preparar la disolución de Hoagland y Arnon Aniones (meq/l)** NO314.0 14.0 H2PO41.0 1.0 SO421.0 4.0 3.0 HCO33.5 -3.0* C1 1.0 - NH41.0 1.0 Cationes (meq/l)** K+ 6.0 6.0 Ca2+ 2.0 8.0 6.0 Mg2+ Na 2.0 1.5 4.0 2.0 + 2 pH CE(mS cm ) Agua de riego Disolución ideal Aportes previstos * Equivale a añadir 3.0 me/l de H+. Se dejan 0.5 me/l de HCO3- como medida de seguridad para que en el agua haya capacidad tampón por los pequeños errores en la adición de ácidos. Cuadro 19. Cuadro de doble entrada para diseñar la disolución de Hoagland y Arnon Meq/l** NH4+ K+ Ca2+ Mg2+ H+ TOTAL NO3 14.0 1.0 H2PO42SO4 3.0 TOTAL 1.0 6.0 6.0 2.0 3.0 18.0 Cuadro 20. Diseño de la disolución de Hoagland y Arnon (Posibilidad 1) meq/l** NO3H2PO4SO42TOTAL NH4+ 1 1 K+ 4 1 1 6 Ca2+ 6 6 Mg2+ 2 2 H+ 3 3 TOTAL 14 1 3 18 Es decir, la solución nutritiva se prepararía utilizando los gramos de sales fertilizantes correspondientes a los meq/l que aparecen en el Cuadro 20 (los pesos equivalentes Peq de cada sal se indican en el Cuadro 15). 37 Para neutralizar los 3.5 meq/l de HC03- añadimos 3 meq/l de HN03 , dejando 0.5 meq/l de HC03sin neutralizar. Como norma general se dejan 0.5 meq de HC03- para prever ligeros errores en la aplicación de ácido. El cálculo de los mL de HN03 que hay que añadir se haría de la siguiente forma: HN03 : (3 meq/l) (Pe HN03 mg/1meq) (1/HNO3 ml/g) (100/pureza) (1g/1000 mg). Si la densidad δ del HN03 es por ejemplo: = 1.41 g/ml y la pureza es del 70 %, los ml de ácido a añadir serían: (3) (63) (1/1.41) (100/70) (1/1.000) = 0.19 ml de HN03/L. Para las sales fertilizantes los cálculos serían: KN03 = (4 meq/L) (Peq KN03 mg/l meq) (1g/1000 mg) = (4) (101.1) (1/1000) = 0.404 g/L Ca(NO3) 2 = (6 meq/L) (Peq Ca(NO3)24H2O) (1g/1000 mg) = (6)(118) (1/1000) = 0.708 g/L NH4N03 = (1meq/L) (Peq NH4N03) (1g/1000 mg) = (1) (80) (1/1000) = 0.08 g/L. K2S04 = (1meq/L) (Peq K2S04) (1g/1000 mg) = (1) (87.2) (1/1000) = 0.087 g/L. MgSO4 = (2meq/L) (Peq MgSO4 7H20) (1g/1000 mg) = (2) (123.2) (1/1000) = 0.246 g/L. KH2P04 = (1meq/L) (Peq KH2P04) (1g /1000 mg) = (1) (136.1) (1/1000) = 0.136 g/L. Tanto el Ca(N03) 2 como el MgSO4 contienen agua de cristalización que hay que tener en cuenta en los pesos del fertilizante. Existen otras posibilidades para aplicar los miliequivalentes de esta disolución utilizando otros fertilizantes. La elección de una posibilidad u otra estará condicionada por la disponibilidad, compatibilidad, solubilidad y precio de los fertilizantes. Por ejemplo, se podría preparar esa misma solución iónica con las sales siguientes (Posibilidad 2) (Cuadro 21). Cuadro 21. Diseño de la disolución de Hoagland y Arnon (Posibilidad 2) meq/l* NO3H2PO4SO42TOTAL NH4+ K+ 5 Ca2+ 6 Mg2+ H+ 3 1 1 1 6 6 2 2 3 TOTAL 14 1 3 18 Es decir, cambiando 1 meq/L de NH4N03 por 1 meq/L NH4H2P04 y en vez de 1 meq/L de KH2P04 añadir 1 meq/L más KN03 Este cambio implicaría la utilización de NH4H2P04, más soluble que el KH2P04 (según Cuadro 9) aunque el NH4H2P04 puede ser más difícil de conseguir. 38 Los gramos de sales fertilizantes por litro en esta segunda opción serían: Para neutralizar los 3.5meq/L de HC03- añadimos 3 meq/L de HN03 igual que en el caso anterior, es decir 0.19 ml/L si usamos un HN03 del 70 % y densidad de 1.41 g/ml. El H3P04 también se podría utilizar, pero como de H2P04- sólo necesitamos 1meq/L, no podríamos añadir más de 1 meq/L de ese ácido, lo cual no bastaría para neutralizar la alcalinidad de los HC03- y necesitaríamos además añadir 2 meq/L de HN03. KN03 = (5 meq/L) (Peq KN03 mg/l meq) (1g/1000 mg) = 0.505 g/L Ca(NO3) 2 = (6 meq/L) (Peq Ca(NO3)24H2O) (1/1000) = 0.708 g/L K2S04 = (1meq/L) (Peq K2S04) (1/1000) = 0.087 g/L. MgSO4 = (2meq/) (Peq MgSO47H20) (1/1000) = 0.246 g/L. NH4H2P04 = (1meq/L) (Peq NH4H2P04) (1/1000) = 0.115 g/L. La solución fertilizante resultante contendrá además 1 meq/L de C1- y 1.5 meq/L de Na+ que contenía el agua. Además del pH, es necesario controlar la CE de la disolución y considerar su incidencia en el cultivo correspondiente según su sensibilidad a las sales. El método de análisis de la CE se basa en la medida directa con un conductivímetro. De forma aproximada se puede calcular dividiendo el número de miliequivalentes de cationes o aniones por 10 ó 12 (10 para conductividades bajas y 12 para las altas), (García Lozano et al, 1993), o bien los g/L de sales se dividen por 0.7 ó 0.9 para los dos casos considerados anteriormente. El resultado se expresa en mS cm-2 o en dS m-2. 2.8.3. Preparación de la disolución con fertilizantes complejos sólidos. Como se ha indicado en el capítulo anterior, existen en el mercado fertilizantes sólidos complejos que contienen dos o más elementos fertilizantes que proceden de reacciones químicas por lo que todas las partículas de fertilizante tienen la misma composición. Existen en el mercado distintos productos de este tipo que presentan diferentes equilibrios N:P2O5:K2O:CaO:MgO en unidades fertilizantes. El problema en este caso sería saber qué equilibrio en UF se aproxima más al equilibrio en meq/L, que es la unidad de concentración utilizada para las disoluciones ideales. Para ello, la serie de cálculos necesarios sería la siguiente: Considerando la disolución ideal: N(N03-): 14 meq/L; N(NH4+): 1 meq/L; P(H2P04-): 1 meq/L; K: 6 meq/L Ca: 6 meq/L; y Mg: 2 meq/L. Se efectúan los cálculos siguientes: En primer lugar, pasar los meq/L de los nutrimentos a g del nutrimento en 100 g de producto considerando que se va a disolver 1 g de dicho producto en 1 litro de agua. 39 N(N03- ) =(14 meq/g producto) (PeqN mg/l meq) (1g/1000 mg) (100 g) = 19.6 g N/100 g producto N(NH4+) = (1 meq/g) (PeqN) (1/1000) (100) = 1.4 % N-NH4+ P(H2P04-) = (1 meq/g) (PeqP) (1/1000) (100) = 3.1 % P = 7.1 % P205 K = (6meq/g) (Peq K) (1/1000) (100) = 23.4 % K = 28.2 % K2O Ca = (6 meq/g) (Peq Ca) (1/1000) (100) = 12 % Ca = 16.8 CaO Mg = (2meq/g) (Peq Mg) (1/1000) (100) = 2.4 % Mg) = 4 % MgO Necesitaremos por lo tanto un fertilizante con una riqueza N:P2O5:K2O igual a 21:7.1:28.2 (un equilibrio 1:0.34:1.34). Lo complicado, en este caso, sería encontrar un fertilizante complejo que cumpliera exactamente este equilibrio. Esto, como puede verse es un inconveniente de los fertilizantes complejos sólidos. No existen en el mercado productos complejos sólidos “a la carta” que nos proporcionen todos los nutrimentos que deseamos y en la relación adecuada. Normalmente, los fertilizantes complejos comerciales se suelen utilizar en función de los equilibrios de los tres nutrimentos mayoritarios, esto es NPK. Algunos complejos incluyen, además de este NPK, los otros nutrimentos Ca, Mg, S, e incluso suelen llevar también micronutrimentos. Desde el punto de vista práctico, para hacer la disolución descrita con fertilizantes complejos comerciales, deberemos buscar el producto que más se aproxime al equilibrio NPK y que proporcione la relación N03-/NH4+ más cercana a la deseada. Así, podemos usar todo fertilizante sólido complejo que presente un equilibrio NPK proporcional a 1:0.34:1.34. Para este ejemplo un 93 % del N total debe estar en forma de N03- y un 7 % en forma de NH4+. Encontramos en el mercado un fertilizante complejo sólido que presenta un equilibrio 21:7:28 con un 20 % de N-N03- y un 1 % de N-NH4+ aproximadamente. Los miliequivalentes por gramo de producto se calcularían así: N = (21 g de N) (1/100 g) (1eq/14g) (1000 meq/eq) = 15 meq/g de N N-N03-= (19.6 g de N-N03-) (1/100) (l/14) (1000) = 14 meq/g de N-N03N-NH4+ = (1.4 g de N-NH4+ ) (1/100) (l/14) (1000) = 1 meq/g de N-NH4+ P = (7 g de P205) (1/100) (1/71) (1000) = 0.99 meq/g de P K = (28 g de K20) (1/100) (1/47) (1000) = 5.9 meq/g de K Es decir, si añadimos 1 g por litro de agua de este fertilizante sólido complejo 21:7:28, logramos obtener una disolución con una concentración de N (14 meq/l de N-N03- y 1 meq/l de NH4+ ), P 40 (0,99 meq/l) y K (5,9 meq/l), que es la que se desea preparar. Si no se encuentra un equilibrio igual al que queremos utilizaríamos una combinación de 2 fertilizantes sólidos complejos. Si se encuentra un producto con el mismo equilibrio N-P-K pero diferente riqueza, se determinarán los gramos de producto fertilizante dividiendo el % deseado de uno de los nutrimentos por el % encontrado en el comercio. Otro problema tipo sería: a partir de un complejo sólido de una riqueza determinada, fabricar una disolución en meq/l. Se pasaría de % en peso a meq/g y se compararían los meq/l que se desean con los meq/g que tenemos. Dividiendo meq/l: meq/g se obtienen los g/litro para fabricar la disolución deseada. Dado que no existe una solución nutritiva ideal, existen algunas variantes en lo que se refiere a la concentración utilizada en distintos lugares del mundo. Además de lo señalado anteriormente, en los Cuadros 22 y 23 se incluyen las concentraciones usadas en el Instituto Politécnico de Toulouse, Francia y el de la empresa CRESA, en México, respectivamente. Cuadro 22. Concentración de iones para una solución nutritiva. Philippe Morard. IPN de Toulouse, Francia. ANIONES CATIONES -1 ION meq L ION meq L-1 NO315 K+ 7 H2PO4 2 Ca++ 10 ++ SO4 3 Mg 3 TOTAL 20 20 Fuente: Burgueño, 2002 Cuadro 23. Concentración de iones para una solución nutritiva para jitomate. CRESA, México. ANIONES CATIONES ION meq L-1 ION meq L-1 + NO3 10 K 5 H2PO42 Ca++ 7 ++ 3.5 Mg 3.5 SO4 TOTAL 15.5 15.5 Las cantidades de fertilizantes necesarias para cubrir los requerimientos de las plantas, de acuerdo con las concentraciones reportadas por el Instituto Politécnico de Toulouse en Francia se incluyen en Cuadro 25. 41 Cuadro 24. Miliequivalentes aportados por las distintas fuentes de fertilizantes Fuente ANIONES CATIONES mg L-1 NO3- H2PO4- SO4NH4+ K+ Ca++ K NO3 101 1 1 Ca(NO3)2 164 2 2 NH4NO3 80 1 1 NH4H2PO4 115 1 1 K2SO4 174 2 2 KCl 75 1 CaCl2 6H2O 219 2 MgSO4 120 2 MgSO4 7H2O 246.5 2 98 2 H3PO4 KH2PO4 136 1 1 Mg++ 2 2 Cuadro 25. Cantidades de fertilizante necesarias para preparar una solución nutritiva, según requerimientos establecidos por el IPN de Toulouse, Francia ANIONES CATIONES FUENTE PM mol g NO3H2PO4- SO4- K+ Ca++ Mg++ Ca(NO3)2 164 5 820 10 10 KH2PO4 98 2 196 2 2 101 5 505 5 5 K NO3 MgSO4 7H2O 246 3 3 TOTAL 15 2 3 7 10 3 2.9. Manejo de soluciones nutritivas Todos los cálculos señalados deben conocerse perfectamente puesto que las formulaciones de nutrimentos de cualquier cultivo deberán de ser reajustados frecuentemente. A veces se pide una “formulación óptima” para un cultivo en particular, pero las formulaciones no son perfectas porque ellas dependen de muchas variables, las cuales no siempre pueden ser controladas. Una formulación óptima depende, entre otras, de las siguientes variables: Especie y variedad de la planta Estado fenológico de la planta Parte de la planta de interés para la cosecha. Estación del año-duración del día. Clima-temperatura, intensidad de la luz, hora e iluminación del sol Las diferentes variedades y especies de plantas tienen diferentes necesidades de nutrimentos, particularmente nitrógeno, fósforo y potasio. Por ejemplo la lechuga y otras hortalizas utilizadas por sus hojas pueden necesitar más nitrógeno que los tomates y pepinos, mientras que éstos 42 exigen mayores concentraciones de fósforo, potasio y calcio que los anteriores en la solución de nutrimentos. Para las especies que se cultivan para aprovechar sus raíces, el potasio debería ser más alto y para las lechugas, los niveles relativamente bajos de este elemento (K = 150 ppm) favorecen el cierre de las cabezas y así resultan con mayor peso. De acuerdo con Berry (1996), se mencionan diferentes formas de reposición de nutrimentos. Durante el desarrollo del cultivo hidropónico comercial los sistemas de manejo han evolucionado. Inicialmente se intentaba renovar periódicamente la solución nutritiva. Sin embargo esta práctica ocasionaba desperdicios, por lo que se sustituyó por la adición de sales al volumen de agua consumido por las plantas utilizando como criterio los valores de evapotranspiración. Este criterio causaba aumentos en las concentraciones de nutrimentos extraídos en mayores cantidades. Aunque fáciles de utilizar, estos criterios se sustituyeron por el control de la concentración salina de la solución nutritiva por medio del monitoreo con conductivímetro portátil. Aún así, la lectura del conductivímettro no discrimina los nutrimentos por lo que se pueden ocasionar desequilibrios nutricionales. Para resolver este problema, el análisis químico de la solución nutritiva, realizado periódicamente, sería la única manera de reponer las cantidades de nutrimentos que son absorbidos por las plantas. Desde el punto de vista práctico se exige que el análisis sea realizado de forma rápida y con bajo costo lo que no siempre puede conseguirse en el caso de productores distantes de los laboratorios. Recientemente, los esfuerzos se han dirigido al desarrollo de sensores que estiman la concentración de los nutrimentos individualmente. Por ahora no existe nada en uso que sea definitivo y de confianza. Las soluciones nutritivas deben ser formuladas y manejadas para proporcionar de forma equilibrada los nutrientes requeridos por las plantas sin ocasionar ningún daño salino a las raíces debido al aumento del potencial osmótico. La tolerancia al potencial osmótico del medio de crecimiento varía entre especies e incluso entre cultivares dentro de una misma especie, pero la mayoría de las plantas toleran valores situados entre –0.5 y –1.0 atm. Sin embargo, en la práctica, las estimaciones del potencial osmótico son realizadas por las medidas de conductividad eléctrica (CE) expresadas en mS. cm-1 y realizadas con equipamientos portátiles de fácil manejo. Las hortalizas de hojas toleran CE de 1.0 a 2.5 mS cm-1 mientras que hortalizas de frutos toleran CE de 2.5 a 4.0 mS cm-1. Nielsen (1984) sugiere una forma práctica de formular una solución nutritiva y posteriormente reponer los nutrientes absorbidos para atender la demanda de la planta cultivada teniendo en cuenta la relación entre los nutrientes absorbidos. Según este criterio, la reposición de sales se realiza con el fin de mantener constante la concentración salina evaluada por el valor de la conductividad eléctrica. El principal problema de esta metodología reside en la calidad del agua utilizada en el cultivo ya que puede provocarse un desequilibrio nutricional si se utiliza agua con alta concentración de sales. Los sistemas de inyección de fertilizantes ahorran tiempo al reducir el número de preparación de soluciones nutritivas, funcionan bien en la automatización del ajuste de la solución nutritiva utilizando la monitorización e inyección por ordenación de las soluciones stock y se pueden mantener soluciones más exactas y estables. Un inyector o dosificador de fertilizante prepara automáticamente la solución nutritiva, inyectando las cantidades programadas de las soluciones concentradas en el agua de las tuberías de alimentación. De esta manera se consigue una nueva solución de nutrimentos en cada ciclo de riego. Este tipo de sistema se utiliza como sistema “abierto”, haciéndose necesario efectuar una 43 reposición de los stocks de las soluciones concentradas cada semana aproximadamente. Los inyectores se pueden usar también con sistemas de reciclado para ajustar automáticamente la solución nutritiva de retorno. El medidor de la CE y el medidor de pH funcionan como sensores del ordenador monitorizando el estado actual de la solución de nutrimentos, el ordenador puede entonces activar al inyector para ajustar la solución de nutrimentos según los niveles programados almacenados en el ordenador. Las formulaciones de las soluciones de nutrimentos stock y las posiciones de las cabezas del inyector permiten al aperador introducir cambios en la solución nutritiva de salida, para alcanzar los niveles óptimos de nutrimentos de cada ión. Existe una cantidad importante de fabricantes de inyectores y su elección dependerá del volumen de solución a inyectar y un tiempo dado, la precisión requerida para el sistema, la capacidad del sistema y las condiciones económicas del productor. Es importante tomar en cuenta que existe una gran cantidad de factores que influyen en el proceso de fertirrigación y que el considerarlos puede representar el éxito o fracaso en el cuidado de los cultivos. Al momento de la mezcla e inyección se deben tomar las precauciones pertinentes, usando guantes, mascarilla, anteojos, impermeables para evitar intoxicación con alguno de los productos. Se deben cuidar los abejorros e insectos benéficos al hacer aplicaciones con productos químicos fertilizantes y pesticidas. Se debe controlar el pH, por lo general bajándolo entre 5.5. a 6.5 con ácido sulfúrico, ácido nítrico o ácido fosfórico, con ello tendremos la precaución de que se aprovechen adecuadamente los nutrimentos y los pesticidas no pierdan su efectividad debido a alguna precipitación con las sales contenidas en el agua. Particularmente aguas de riego con alto contenido de sulfatos (10 meq/l) y de calcio (5 meq/l) pueden provocar que el agroquímico se precipite, por ello se debe tener cuidado en el contenido de sales del agua y de la solución. Para evitar precipitación se deben inyectar por separado los fertilizantes, como se ha indicado anteriormente y de aplicarse pesticidas, deberán aplicarse por separado. Asimismo, siempre que se termine de inyectar algún agroquímico, es recomendable terminar el riego con agua acidulada, para dejar libre todo el sistema de residuos del último agroquímico. De forma similar se modificarán las disoluciones de fertilizantes aplicadas al suelo o sustratos para otros casos estudiando diverso nutrimentos según el problema del que se trate. Si el suelo es arenoso o los sustratos son inertes la interacción será menor. A medida que el suelo contenga mayor cantidad e materia orgánica o arcilla, las interacciones serán más difíciles de evaluar, aunque siempre se podrán mejorar las disoluciones de fertilizantes por el seguimiento. 44 Bibliografía consultada Adams, P. 1999. Plant nutrition demystified. Acta Horticulturae 481: 34-344. Barry, C. 1996. Nutrients: The handbook to hydroponic nutrient solutions. Narrabeen, NSW, Australia, Casper Publications Ltda. 55p. Bastida, T. A. y I. Miranda V. 2003. Fertigación. Memoria del curso. Centro Universitario del Sur. Universidad Autónoma Chapingo. Chapingo, México. 84 p. Burgueño, C. H. 2002. Dosificación y tiempo de aplicación de los elementos fertilizantes. In: Fertigación. pp. II 59-II 90. Centro de Desarrollo Tecnológico. FIRA, Banco de México. Tezoyuca, Morelos. México. Burgueño, C. H. 2002.Fertigación y precauciones en el manejo de la quimigación. In: Fertigación. pp. II 59-II 90. Centro de Desarrollo Tecnológico. FIRA, Banco de México. 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