Agronomía
Costarricense 46(2): 29-45. ISSN:0377-9424 / 2022
www.mag.go.cr/rev_agr/index.html www.cia.ucr.ac.cr
EVALUACIÓN
DE METODOLOGÍAS PARA DETERMINAR LAS CARACTERÍSTICAS FÍSICAS DE UN SUSTRATO DE
FIBRA DE COCO
Freddy Soto-Bravo1/*,
Alejandro Betancourt-Flores2
Palabras
clave: Cultivo sin suelo;
capacidad de contenedor; capacidad de aireación; agua total disponible.
Keywords: Soilless crops; container capacity; aeration capacity; total available water.
Recibido:
03/11/2021 Aceptado:
22/02/2022
RESUMEN
Introducción. El incremento en la demanda de sustratos
como medio de cultivo alternativo a suelos contaminados con complejos de
fitopatógenos, plantea la necesidad de validar metodologías para la evaluación
agronómica de sus características físicas y químicas. Aunque existen diferentes
métodos, la falta de validación y homologación entre y dentro de países,
dificulta el control de calidad de materiales nacionales e importados, lo que
limita el éxito de cultivos en sustrato. Objetivo. Evaluar 3 distintas
metodologías para determinar las características físicas de un sustrato de
fibra de coco. Materiales y métodos. Se evaluaron los métodos de porómetro, contenedor “in situ” y caja de arena para
determinar la densidad aparente (DA) y los porcentajes de componente sólido
(CS), de humedad (θ) a capacidad de contenedor (θCC),
de capacidad de aireación (CA) y de porosidad total (PT). Adicionalmente, la
caja de arena permitió determinar los contenidos de humedad a diferentes
potenciales mátricos desde θCC
hasta punto de marchitez permanente (PMP). Resultados. Los valores de
CA, θCC, PT y CS no fueron
estadísticamente diferentes (p>0,05) entre métodos, y únicamente la DA fue
ligeramente inferior (p<0,05) en el método del porómetro.
Conforme incrementó la θCC desde
74,9% en el método de contenedor hasta 77,18% en la caja de arena, al mismo
tiempo la CA tuvo un comportamiento inverso al disminuir desde 16,33% hasta
15,13%. Consecuentemente, la PT y el CS fueron similares entre métodos, con
valores promedio de 91,67% y 8,47%, respectivamente. El método de caja de
arena, a diferencia de los otros, permitió construir la curva de desorción de agua:aire y así determinar los
contenidos de agua fácilmente disponible (AFD: 23,6%), de agua de reserva (AR:
2,3%) y de agua no disponible (AND: 49,9%). Conclusión. Todos los
métodos permitieron determinar las características físicas de DA, CA, θCC, PT y CS de la fibra de coco. Los
métodos de porómetro y contenedor “in situ”,
presentan las ventajas de ser muy prácticos a un bajo costo, sin embargo, en
comparación al método de caja de arena no permiten la elaboración de la curva
de liberación de agua y aire y la determinación de los diferentes tipos de agua
en el sustrato.
ABSTRACT
Evaluation
of methodologies to determine the physical characteristics of a coconut fiber
substrate. Introduction. The increase in the demand for substrates as an alternative growing
medium to soils contaminated with phytopathogen complexes, raises the need to
validate methodologies for the agronomic evaluation of their physical and
chemical characteristics. Although there are different methods, the lack of
validation and standardization between and within countries makes it difficult
to control the quality of national and imported materials, which limits the
success of substrate crops. Objective. To evaluate 3 different
methodologies for the evaluation of the physical characteristics of coconut
fiber substrate. Materials and methods. The porometer, “in situ”
container and sandbox methods were evaluated to determine apparent density (AD)
and the percentages of solid component (SC), volumetric water content (θ)
at container capacity (θCC),
aeration capacity (AC) and total porosity (TP). Additionally, the sandbox
method allowed determining moisture contents at matric potentials from θCC to permanent wilting point (PWP). Results.
The values of AC, θCC, TP and SC
were not statistically different (p>0.05) between methods, and only DA was
slightly lower (p<0.05) in the porometer method. As the θCC
increased from 74.9% in the container method to 77.18% in the sandbox, and at
the same time the AC had an inverse behavior decreasing from 16.33% to 15.13%.
The PT and CS were very similar in the three methods, with average values of
91.67% and 8.47%, respectively. The sandbox method, unlike the others, made it
possible to construct the water:air
desorption curve and to determine the contents of readily available water (AFD:
23.6%), reserve water (AR: 2.3%) and water not available (AND: 49.9%). Conclusion.
All the methods allowed to determine the physical characteristics of AD, AC, θCC, PT and CS of the coconut fiber. The
“in situ” porometer and container methods have the advantages of being very
practical at a low cost, however, compared to the sandbox method, they did not
allow the elaboration of the water and air release curve and the determination
of the different types of water in the substrate.
* Autor para correspondencia. Correo
electrónico: freddy.sotobravo@ucr.ac.cr
1 Universidad de
Costa Rica, Estación Experimental Agrícola Fabio Baudrit Moreno, Alajuela,
Costa Rica.
0000-0003-1959-9597.
2 Universidad de
Costa Rica, Estación Experimental Agrícola Fabio Baudrit Moreno, Alajuela,
Costa Rica.
0000-0002-7757-5967.
INTRODUCCIÓN
Un sustrato
es todo material sólido distinto del suelo “in situ”, natural de síntesis o
residual, mineral u orgánico, que colocado en un
contenedor en forma pura o en mezcla, tiene funciones de anclaje radicular como
sostén, protege las raíces y almacena el aire, el agua y los nutrientes
necesarios para la planta (Ansorena 1994, Rivière y Caron
2001, Castro et al. 2019).
La
aplicación excesiva o el déficit de agua en el sustrato afectan con igual
magnitud el crecimiento del cultivo, el rendimiento y calidad de frutos. El
exceso de riego favorece la contaminación ambiental con nitratos y metales
pesados e incrementa los costos de producción. De aquí se desprende la premisa
de que para una óptima nutrición del cultivo es indispensable realizar un
manejo preciso del riego, para lo cual es imprescindible conocer las
características físicas del sustrato (Chamindu Deepagoda et al. 2013a).
En cultivos
sin suelo, antes de sembrar, es muy importante asegurarse que el sustrato tenga
las características físicas óptimas, ya que una vez establecido no es posible
mejorarlas. Por tanto, uno de los principales factores que determinan el éxito
de un cultivo sin suelo es la calidad física del sustrato, lo cual permite una
correcta dosificación y programación del riego y la nutrición del cultivo. Por
el contrario, la mayoría de las propiedades químicas es posible enmendarlas.
Por ejemplo, un exceso de sales se puede corregir mediante lavado; altos o
bajos niveles de uno o varios nutrientes puede solucionarse al ajustar las
concentraciones en la solución nutritiva (Carlile et
al. 2015).
En los
últimos años a nivel mundial, el uso de sustratos para la producción agrícola
ha incrementado sustancialmente, desde pequeños huertos familiares de
autoconsumo hasta unidades productivas comerciales (Bracho et al. 2009).
En algunos sistemas de producción convencional en suelo bajo invernadero, como
es el caso de la fresa en Costa Rica, el mal manejo nutricional y fitosanitario
del suelo trae como consecuencia su agotamiento nutricional y la contaminación
con complejos fitopatógenos, lo que ha conllevado a un aumento en la aplicación
de pesticidas, que, junto al monocultivo, promueve un círculo vicioso que
agrava la problemática y hace imposible la producción. Lo anterior ha provocado
que productores emigren hacia el cultivo hidropónico, quienes utilizan
principalmente la fibra de coco como sustrato (González et al. 2015).
Para el
cultivo de plantas sin suelo se pueden utilizar diferentes tipos de materiales
importados como el peatmos y la fibra de coco o
locales como arena, piedra pómez, carbón vegetal, fibra de coco y cascarilla de
arroz, entre otros. Sin embargo, la variabilidad en cuanto a la naturaleza, el
origen y la granulometría de los diferentes materiales, genera una alta
inestabilidad en las propiedades físicas e hídricas tanto de materiales
comerciales o como de los preparados en finca. El desconocimiento de las
características físico-hídricas de los sustratos dificulta el manejo del riego,
principalmente cuando se cambia a nuevos lotes de sustratos, ya que la
variabilidad físico-hídrica dificulta la estandarización del volumen y la
frecuencia de riegos. Por el contrario, un sustrato con una selección
estandarizada de tamaños de partículas permite mayor estabilidad en las
características físicas del sustrato, lo cual consecuentemente facilita el
manejo del riego (Quesada y Méndez 2005, Ortega et al. 2016).
La necesidad
de conocer las características físico-hídricas de un sustrato con el objetivo
de realizar un adecuado manejo del riego y por tanto de la nutrición de los
cultivos sin suelo, crea la necesidad de contar con metodologías estandarizadas
que permitan una correcta evaluación agronómica de estos. Por tal razón, en
algunos países como por ejemplo la Unión Europea, se han estandarizado
metodologías mediante la norma UNE-EN-13041 (2007) que permite una homologación
de criterios entre países miembros para una correcta interpretación de la
información técnica de materiales importados o locales.
La
problemática actual es que, en Costa Rica, actualmente no existen metodologías
validadas y homologadas, para evaluar las características físicas y así el
control de calidad de sustratos agrícolas. Esto limita el éxito del cultivo sin
suelo y hace que los productores incurran en pérdidas durante la curva de
aprendizaje.
En este
estudio se evaluaron 3 distintas metodologías para determinar las
características físicas de un sustrato: i- el porómetro
(Fonteno y Harden 2003), iii-
la caja de arena y ii- un método local denominado
contenedor ¨in situ¨. Diversos estudios han evaluado las características
físicas mediante la comparación de diferentes tipos de sustratos (Cayosso-Rodríguez et al. 2018, Acuña et al.
2013, Castro et al. 2019, López-Baltazar et al. 2013), sin
embargo, la variabilidad entre referencias metodológicas dificulta la
estandarización y homologación de métodos. Por tanto, el objetivo del presente
estudio fue evaluar 3 distintas metodologías para determinar las características
físicas de un sustrato de fibra de coco, con el fin de disponer de metodologías
alternativas sencillas y estandarizadas, para los productores de cultivos en
sustratos.
MATERIALES Y
MÉTODOS
El estudio
se realizó en la Estación Experimental Fabio Baudrit Moreno (EEFBM), ubicada en
San José de Alajuela, Costa Rica (10º 01’ N y 84º 16’ W, 840 msnm), con valores
promedios de precipitación anual, temperatura y humedad relativa de 1940 mm,
22°C y 78%, respectivamente.
Análisis
granulométrico. Para
realizar el análisis granulométrico se utilizó una columna de tamices (Geotech) que consta de un soporte plástico con escala
porcentual (1 a 100), 4 frascos con sus respectivas cribas de > 2,0 mm (72
OPN), > 1,0 - < 2,0 mm (40 OPN), > 0,5 - < 1,0 mm (20 OPN) y >
0,25 - < 0,5 mm (9 OPN), respectivamente, y un último frasco que recoge las
partículas finas de < 0,25 mm (Figura 1). Para el análisis granulométrico se
utilizaron 8 repeticiones de la fibra de coco, que se colocaron en el primer
cilindro con la criba de 2,0 mm, la cual se agitó manualmente hasta obtener la
separación de partículas en cada uno de los 5 frascos. Seguidamente, se
determinó para cada fracción de tamaño de partículas, la distribución porcentual
en base a volumen (v.v-1) según la escala del texturómetro.
Además, cada fracción fue pesada por separado para determinar su distribución
porcentual en base a peso (p.p-1).
Figura 1. Columna de tamices formada por soporte plástico
con escala porcentual (1 a 100) y 5 frascos con sus respectivas cribas,
utilizado para determinar distribución de tamaños de partículas en sustratos.
Metodologías
de análisis físico. Para
determinar la DA, PT, CS, CA y el contenido de θCC
se utilizaron 3 distintas metodologías: i- el porómetro,
ii- el contenedor ¨in situ¨ y iii-
caja de arena. La recolección de las muestras del sustrato de fibra de coco se
realizó con el procedimiento de la norma europea UNE-EN 12579 (2000).
El porómetro. En este estudio se hizo una adaptación al método de North Caroline State University descrito por Fonteno y Harden (2003), el cual consistió en un recipiente
plástico de aproximadamente 500 mL y con una
proporción altura y diámetro 1:1. En la parte inferior del recipiente se
hicieron 5 perforaciones, donde se insertaron microtubos (4 mm) sellados con
silicón y con tapones de goma que permitieron cerrar y abrir los orificios
(Figura 2a).
Se
utilizaron 16 repeticiones colocadas cada una en su respectivo porómetro (Figura 2b). Seguidamente, se procedió a saturar
con agua destilada hasta alcanzar la marca de aforo, cuando se observó el
brillo metálico del agua (Figuras 2c, 2d), sin que haya excesos sobre la
superficie del sustrato.
El proceso
de saturación para cada repetición consistió en 3 ciclos de saturación y
drenaje con agua destilada, con el fin de mejorar la capacidad de hidratación,
desplazar burbujas de aire en el interior del sustrato y obtener una saturación
más homogénea. Se cuantificó el peso del sustrato saturado e inmediatamente se
quitaron los tapones de los agujeros ubicados en la base del porómetro para proceder a cuantificar el volumen de agua
drenada (Vd) hasta cesar completamente el drenaje
(Figura 2e). La duración del proceso de humectación y drenaje puede variar
según la granulometría y tipo de material. Para el caso de la fibra de coco se
presentó una duración de aproximadamente 30 minutos.
A cada porómetro se le midió el volumen a rellenar con sustrato
(Vs: 350 mL) y se cuantificó su peso (g) sin sustrato
(Pp) con una balanza analítica (BOECO, BPS 40 plus).
Después de cesar el drenaje, se cuantificó el peso (g) del porómetro
con sustrato húmedo (PpSh). A continuación, las
muestras de PpSh se secaron en estufa a 105°C hasta
alcanzar peso seco constante, para obtener así el peso del porómetro
con sustrato seco (PpSs). Finalmente, se determinó el
peso del sustrato húmedo (PSh) y el peso del sustrato
seco (PSs) según las ecuaciones:
Ecuación 1
Ecuación 2
Figura 2. Recipiente plástico utilizado como porómetro con una proporción 1:1 de altura y diámetro (a),
colocación de muestras en el recipiente (b), saturación de muestras (c), brillo
metálico del agua (d) y recolección y medición de drenajes (e).
La DA, CA, θCC, PT y CS de la fibra de coco, se
determinaron según el procedimiento descrito a continuación, según normas UNE-EN-13041
(2007). Para determinar el porcentaje de θ (V.V-1) a
diferentes potenciales mátricos, primero se determinó
el contenido de humedad gravimétrica (g.g-1) con la ecuación:
Seguidamente
se calculó el porcentaje de θ volumétrica como el producto de la θg por la DA por 100.
El
porcentaje de CA se obtuvo al dividir el volumen drenado (Vd)
entre el Vs según la ecuación:
La DA (g.cm-3)
se obtuvo como el cociente entre el peso seco de sustrato (PSs)
a 105ºC y el volumen total de la muestra del sustrato (Vs) según la ecuación:
La DR se
obtuvo por el método del picnómetro según Ansorena (1994), ya que dicho método
considera únicamente la porosidad efectiva, la cual es un factor determinante
para efectos de manejo del riego en los cultivos. Otros métodos como el de las
cenizas, considera la porosidad ocluida o cerrada, que no interfiere en la
dinámica de desorción de agua y aireación en el sustrato.
Para el
cálculo de la porosidad total se utilizó la Ecuación PT = (1 – DA.DR-1) x 100, según la recomendación de
Ansorena (1994). La DA depende de la granulometría y de la naturaleza del
sustrato, mientras que la DR puesto que no considera el volumen de poros
totales, depende básicamente del tipo y naturaleza de las partículas de
material. Finalmente, el porcentaje CS fue obtenido como la resta entre 100 menos
la PT.
Método de
contenedor “in situ”.
Este método es útil para evaluar DA, CA, θCC,
PT y CS de un sustrato “in situ”, colocado directamente en el contenedor de
cultivo antes de sembrar, independientemente del tipo de contenedor. Los
orificios de drenaje en el fondo del contendor de cultivo deben ser
impermeabilizados o sellados temporalmente para poder saturar el sustrato.
En este
estudio, el sustrato de fibra de coco tenía una presentación en tablas
comprimidas, que una vez hidratadas alcanzaron dimensiones de 14,5 cm de alto
por 13 cm de ancho y 100 cm de largo, para un volumen de 18,2 L, las cuales se
colocaron en recipientes (repeticiones) de acero inoxidable con las mismas
medidas. A cada contenedor se le realizaron 3 perforaciones en la parte
inferior a un lado, donde se colocaron llaves de paso plásticas (1/2”) selladas
en su base con silicón para evitar fugas. A cada contenedor se le midió el
volumen real con agua (Vc) y se le cuantificó el peso
sin sustrato (Pc) (Figura 3).
Figura 3. Recipiente metálico con sus respectivos
drenajes (a) que contiene una tabla de fibra de coco saturada de un volumen
aproximado de 18,2 L (b).
Se
seleccionaron al azar 16 tablas de fibra de coco dentro de un lote de 408
tablas. A cada una se les removió el empaque plástico, se colocaron en el
contenedor y se hidrataron mediante riegos cortos y frecuentes hasta alcanzar
el tamaño equivalente al volumen de 18,2 L. Una vez hidratado el sustrato, se
procedió al proceso de saturación, mediante el mismo procedimiento descrito
para el porómetro, y se cubrió la superficie con
plástico para evitar la evaporación de agua. Seguidamente, se determinó el peso
del sustrato saturado (PSs). Posteriormente, se
abrieron las llaves de drenaje y se midió el volumen drenado. A continuación,
después de cesar el drenaje, se cuantificó el peso del contenedor con el
sustrato húmedo (PcSh), las cuales se secaron en
estufa a 105°C hasta peso constante, para obtener así el peso de contenedor con
sustrato seco (PcSs). La determinación de la DA, DR,
CA, θCC, PT y CS de la fibra de coco, se
realizó por medio del mismo procedimiento descrito para el porómetro.
Método de
caja de arena. Este
método se basa en el principio de la dinámica hídrica en la planta, que extrae
agua del sustrato mediante una succión o potencial mátrico
(ψm), por medio de la columna de
transpiración que fluye desde las raíces hasta las hojas en la interacción
sustrato-planta-clima. Dicha dinámica hídrica puede ser representada a través
de la curva de desorción de agua, al someter submuestras de sustrato a ψm crecientes, en las cuales se determina el
contenido de θ respectivo.
Para ello se
utiliza un equipo denominado “caja de arena” (Figura 4), compuesto por un
reservorio con arena sílica, un depósito de agua
destilada, tuberías internas interconectadas a una manguera transparente (12,5
mm) que funge como columna de agua ajustable entre 0 y 100 cm (ψm = 0 a 10 kPa), lo que permite someter las
muestras de sustrato a diferentes succiones (ψm).
Figura 4. Equipo de “caja de arena” sílica,
con una columna de agua ajustable (0-100 cm) que permite someter muestras de
sustrato a diferentes succiones (ψm).
Para extraer
las muestras de fibra de coco se utilizó un tubo metálico (52,5 mm) con bordes
afilados (Figura 5a), el cual se hacía girar de forma circular y constante para
cortar las fibras más largas y evitar su compactación y disturbación.
La muestra se tomó horizontalmente en la parte media del perfil del sustrato
(Figura 5b).
En este
método se recolectaron 16 muestras de fibra de coco que se colocaron en
cilindros estándar de 52,5 mm de diámetro y 46 mm de alto con un volumen de
97,691 mL, se enrasaron a la altura de cada cilindro
con una navaja, y se cubrió con una malla 45 mesh
sujetada con una liga en la base de los cilindros, para evitar la pérdida de
sustrato durante el pesado (Figura 5c). Los cilindros con las muestras se
colocaron en una bandeja de plástico donde se realizaron 3 ciclos de saturación
y drenaje (Figura 5d) para llenar los micro, meso y macroporos
y así desplazar burbujas de aire. Finalmente, las muestras se dejaron con
drenaje durante un periodo de 24 horas.
Después de
saturar y drenar las muestras, se colocaron en la caja de arena, para hacer
coincidir la columna de agua a 100 cm (10 kpa) con la
altura media de los cilindros (23 mm) y se dejó estabilizar por una hora
(Figura 6). Las succiones de la columna de agua de 0 a 100 cm se expresaron en
kPa (10 a 100 cmca = 1 a 10 kPa).
Figura 5. Equipo de muestreo (a), toma de muestra (b),
colocación de la muestra en el cilindro (c) y saturación de la muestra (d).
Figura 6. Estabilización de las muestras en la caja de arena,
que coinciden con la columna de agua a 100 cm y la altura media de los
cilindros.
Las muestras
fueron progresivamente sometidas a 10 diferentes succiones (ψm):
0,25 kPa; 0,5 kPa; 1,0 kPa; 1,5 kPa; 2,0 kPa; 2,5 kPa; 3,0 kPa; 5,0 kPa; 7,5
kPa y 10 kPa, coincidente con un día por cada ψm para
un periodo de evaluación de 10 días. Para cada ψm
se utilizaron 16 repeticiones. Cada día las muestras se pesaban en una balanza
analítica (BOECO, BPS 40 plus), se ajustaba la columna de agua al siguiente ψm y se dejaban en estabilización para al día siguiente
volver a determinar el peso húmedo, y así sucesivamente hasta completar los 10
puntos de ψm a los 10 días.
Al finalizar
el periodo de 10 días de pesado de las muestras de sustrato húmedo sometidas a
las diferentes succiones, estas fueron secadas en estufa (105°C) hasta peso
constante. Seguidamente se determinó la DA, PT, CS y los porcentajes de θ
volumétrica (V.V-1) de las muestras sometidas a las 10 diferentes ψm desde 2,5 hasta 10 kPa, con el procedimiento
descrito para el porómetro. La CA para cada ψm se obtuvo a partir de la diferencia entre PT
(saturado a 0 kPa) menos el respectivo contenido de θ en cada ψm.
Para
determinar los distintos tipos de agua en el sustrato, se asumió que el
contenido de θ a 1 kPa correspondió a la θCC
y la θ a 10 kPa al punto de marchitez permanente (θPMP).
Adicionalmente, para verificar si el contenido de θ a ψm de 1 kPa correspondió a la θCC del sustrato, se colocaron 6
cilindros con muestras de sustrato dentro de la caja de arena sin ser sometidas
a succión, al evitar el contacto de las muestras con la arena sílica.
El agua
fácilmente disponible (AFD) se obtuvo a partir de la resta entre θCC menos la humedad a 5 kPa (θ5)
mientras que el agua de reserva (AR) se estimó por la diferencia entre θ5
menos θPMP. La sumatoria de AFD más
el AR totalizan el agua total disponible (ATD) para la planta (ATD = AFD + AR).
Los datos
obtenidos fueron sometidos a un análisis de homogeneidad y heterocedasticidad y
si se cumplían dichos supuestos, se procedió a realizar un análisis de
varianza. Cuando se detectaron diferencias significativas entre métodos, se
procedió a la prueba de medias de Tukey a un nivel de significancia de 0,05.
Para los análisis se utilizó el programa estadístico InfoStat
Di Rienzo et al. (2008).
RESULTADOS Y
DISCUSIÓN
Granulometría. El porcentaje acumulado de partículas
gruesas según la escala porcentual de la columna de tamices basada en volumen
(> a 2 mm) fue superior (54,2% v.v-1) que la distribución basada
en peso (28,1% p.p-1; Figura 7). Consecuentemente, se presentó un
comportamiento similar con el IG (tamaño > 1 mm), que fue mayor con base a
volumen (80% v.v-1) y menor en base a peso (55% p.p-1).
El
comportamiento anterior, probablemente se debió a que el sustrato es una mezcla
de partículas granulares y fibras de diferente longitud que como mezcla tiene
características propias. Sin embargo, al agitar el material y separar las
fibras del material granular, estas por ser largas no atraviesan fácilmente los
tamices y se quedan en la primera criba. Dicho comportamiento en cuanto a la
variabilidad en la longitud de las fibrillas en sustratos a base de fibra de
coco ha sido descrito por Sengupa y Basu (2016).
Al separar
las fibras largas y el material granular en las diferentes cribas, la sumatoria
de sus volúmenes individuales es mayor que cuando estos se encuentran en
mezcla, debido al reacomodo de partículas de menor tamaño entre las fibras
largas. Lo anterior sugiere que la distribución de partículas según escala de
la columna de tamices (%V.V-1), según el
tipo de sustrato, puede ser una medición subjetiva y consecuentemente inducir a
interpretaciones erróneas. Por tanto, en el caso particular de la fibra de
coco, sería recomendable utilizar la distribución porcentual en base al peso de
los diferentes tamaños de partículas que quedan en las cribas.
Figura 7. Distribución de tamaños de particulas
en base a peso (%p.p-1) y según escala del texturómetro (%v.v-1) de un sustrato de fibra de
coco (n = 8). Alajuela, Costa Rica.
Un IG alto,
indica un mayor porcentaje de partículas gruesas que incrementa el contenido de
macroporos y disminuye los microporos, lo que
consecuentemente aumenta la CA y el drenaje, al disminuir la retención de θ.
Por otra parte, un bajo IG implica mayor porcentaje de partículas finas lo cual
afecta drásticamente la CA y aumenta la retención de agua hasta afectar las
raíces por hipoxia (Vargas-Tapia et al. 2008).
Un IG de 55%
(p.p-1) en la fibra de coco, evidencia que hay un aceptable
contenido de macroporos que le proveen una buena CA,
aspecto importante para una adecuada oxigenación y el reacomodo de una gran
masa de raíces en un contenedor con volumen reducido de sustrato,
característico del sistema de cultivo sin suelo. Simultáneamente, una óptima CA
favorece un adecuado drenaje de los aportes excesivos de agua. Sin embargo,
aunque el IG permite visualizar la capacidad potencial de aireación y de
drenaje del sustrato, este parámetro no permite conocer las cualidades
hídrico-físicas tales como la capacidad de retención de agua (θCC) y los diferentes tipos de agua
(Gayosso-Rodríguez et al. 2018).
Otro
parámetro que depende directamente de la granulometría es la capilaridad, la
cual favorece el movimiento horizontal y vertical del agua que permite una
distribución homogéneamente en todo el volumen del sustrato colocado en el
contenedor. Para un sustrato grueso el agua aplicada drena por gravedad sin
llegar a humedecer horizontalmente los bordes del sustrato; mientras que para un sustrato de una granulometría adecuada, la
humedad se distribuye a lo ancho y profundo del contenedor para garantizar una
buena uniformidad de humedecimiento y por tanto una buena colonización de las
raíces en todo el volumen del sustrato (Martínez y Roca 2011).
Propiedades
físico-hídricas. Los 3
métodos evaluados para el análisis físico del sustrato de fibra de coco, presentaron
valores similares (p<0,05) de Da, CA, CC, PT y CS, que a la vez fueron
comparados con valores óptimos (Tabla 1).
Tabla 1. Valores promedio de las variables evaluadas
con los 3 métodos de análisis de características físicas de sustratos. 2020,
Alajuela, Costa Rica.
1Abad et al. (1993), 2Ansorena
(1994).
Únicamente,
el método de caja de arena obtuvo una θCC
ligeramente superior (±1,62%) a los otros métodos, pero sin diferencias
estadísticas (p>0,05), lo cual desde el punto de vista práctico no tendrían
mayor efecto sobre el manejo del riego del cultivo. Las variaciones observadas
pueden ser atribuidas a una mayor evaporación desde la superficie húmeda y
expuesta de las muestras de sustrato en el porómetro
y contenedor in “situ” donde la evaporación no es totalmente controlable. En la
caja de arena al ser un sistema cerrado con tapa, la pérdida de agua por
evaporación es mínima.
Por otra
parte, deben tenerse en cuenta i- la forma y tamaño del contendor y ii- la alteración de la estructura del sustrato al
recolectar la muestra, ya que el potencial hídrico total (ψt)
de un sustrato es la suma de ψ matricial de las partículas sólidas (ψm), ψ osmótico (ψo), ψ de
presión (ψp) y ψ gravitacional (ψg).
En un sustrato estabilizado después de cesar el drenaje, bajo condiciones
atmosféricas y calidad de agua equivalente, el ψo y
el ψp es similar en todas las muestras independiente
de la forma del recipiente, mientras que, por el contrario, el ψg incrementa a mayor altura del contenedor (Fonteno 1993, Cannavo y Michel
2013).
Diferentes
estudios han demostrado que la morfología del recipiente puede afectar la θCC (Arguedas et al.
2006, Gómez et al. 2019), debido al efecto de la gravedad sobre el
contenido de agua en el perfil del sustrato conforme varía la forma del
contenedor. Para un mismo tipo y volumen de sustrato, hay un mayor ψg conforme incrementa la altura del sustrato en el
contenedor, lo anterior se evidencia en un gradiente de mayor θ desde el
estrato superior hacia las capas inferiores, hasta alcanzar una zona saturada
en el estrato más bajo.
Dicha
saturación ocurre debido a que, en el cultivo en contenedor, a diferencia de
suelo, se corta la columna de agua al tener un límite del contenedor en la
parte inferior. La altura del perfil saturado es prácticamente constante, por
lo que al pasar de un contenedor alto y angosto a otro más bajo y ancho, el
contenido de agua almacenada incrementa (Handreck y
Black 2002).
En este
estudio, la forma de los recipientes utilizados en cada uno de los 3 métodos
probablemente tuvo poco efecto sobre los resultados de las propiedades físicas
de los sustratos, ya que la proporción entre altura y ancho se mantuvo
constante en 1:1. Sin embargo, es un factor esencial para considerar cuando se
evalúan las características físicas de un sustrato, ya que puede inducir a
errores importantes cuando al renovar un cultivo se cambia el tipo de
contendor.
Adicionalmente,
es imprescindible tener un protocolo definido para la toma de la muestra, ya
que una fuerte manipulación del sustrato puede afectar los parámetros físicos
del sustrato. En el método de caja de arena al utilizar cilindros estándar (Eijkelkamp Soil & Water 2019), la recolección y posterior colocación de
muestra en los cilindros, implica mayor manipuleo, lo que podría alterar la
estructura del sustrato. En el caso del contendor in situ, la tabla de coco
comprimida se colocó entera en el contenedor y se hidrató sin manipular el
sustrato.
La DR
obtenida (1,45 g.cm-3) por el método del picnómetro (Ansorena
(1994), relaciona el peso seco de las partículas sólidas con el volumen del CS
de la fibra de coco, sin incluir, el volumen total de poros (macroporos + microporos + ultramicroporos),
por lo cual es característica según la naturaleza del sustrato. El valor
obtenido (1,45 g.cm-3) fue similar a otros valores para fibra de
coco reportados por Abad et al. (1993) y Vargas-Tapia et al.
(2008) y a otros valores reportados por la marca comercial (Fico) de las tablas
de fibra de coco utilizadas en este estudio.
La DA
representa la relación entre el peso seco y el volumen total del sustrato que
incluye la PT y el CS. Los valores de DA de la fibra de coco evaluada fueron
bajos, con variaciones leves (p>0,05) desde 0,075 g.cm-3 con el porómetro hasta 0,096 g.cm-3 con la caja de
arena (Tabla 1). Por tanto, indistintamente del método, los bajos valores de DA
afectaron directamente la proporción entre PT y CS, que favoreció el incremento
del contenido de macroporos (> aireación) y una
reducción en el CS. Además, valores bajos de DA, representan una ventaja desde
el punto de vista práctico, ya que está directamente relacionada con un menor
peso del sustrato, lo que facilita su manipulación durante el establecimiento
del cultivo (Gayosso-Rodríguez et al. 2018), sobre todo cuando son
grandes áreas de cultivo. Cabe mencionar que la DA obtenida mediante los 3
métodos fue muy similar a la reportada en otros estudios para este tipo de
material orgánico (Rhie y Kim 2017).
Al ser un
material liviano como consecuencia de una baja DA, no hubo diferencias
estadísticas (p>0,05) entre métodos en los valores de PT, CA y CS, con
variaciones < 1% entre CA y de < 1,5% en PT (Tabla 1). Esto demuestra que
los 3 métodos son fiables para evaluar dichas variables. La PT promedio de los
3 métodos (91,5%) incluyó el volumen total de poros (macroporos,
mesoporos, microporos y ultramicroporos)
correspondientes a los componentes promedio de aireación (15,64%) y de agua
(75,91%).
Cuando el
sustrato alcanzó progresivamente la saturación, el aire que ocupaba los poros
grandes entre partículas fue desplazado por el agua, la cual posteriormente
drena por efecto de la gravedad mediante desalojo progresivo de los macroporos, y así nuevamente al aire pasa a ocupar dichos
poros, hasta cesar el drenaje. En ese momento, el agua almacenada a capacidad
de contenedor (θCC) en los
mesoporos, microporos, ultramicroporos, alcanzó un
promedio de 75,91%.
Para
realizar un buen manejo del riego es importante el equilibrio entre capacidad
de aireación y retención de agua, ya que facilita el manejo del riego y
minimiza los efectos de aplicaciones deficientes o excesivas de agua. Para
determinar esta relación, se utilizan la curva de liberación de aire-agua en el
sustrato (Figura 8), la cual relaciona la succión de retención del agua (kPa)
con el contenido de θ (%) en el sustrato (Soto 2018).
El dato de
agua total almacenada en un sustrato (θCC)
no es suficiente información para realizar un manejo eficiente del riego, y por
tanto se requiere conocer su distribución en los diferentes tipos de agua. Al
respecto, el método de caja de arena, comparado con los otros métodos, permitió
construir la curva de desorción de agua y de aire del sustrato desde θCC (77,18%) hasta θPMP
(52,35%) y con ello determinar los diferentes tipos de agua en el sustrato
(Figura 2). De esta forma se obtuvo el AFD (23,62%) para la planta almacenada
en los mesoporos, el AR (2,37%) que se aloja en los microporos y el AND
(51,28%) para la planta retenida con alta succión en los ultramicroporos.
Altos contenidos de AND se presentan en sustratos muy finos, los cuales, a
pesar de retener mucha agua, la mayor parte no es disponible para la planta,
aunado a una condición de hipoxia que induce a la muerte de las raíces (Drzal et al. 1999, Gayosso-Rodríguez et al. 2018).
Figura 8. Curva de liberación de agua y aire de un
sustrato de fibra de coco, evaluado mediante el método de "caja de
arena". Alajuela, Costa Rica, 2020.
La θCC de la fibra de coco (77,18%, Figura
8) fue superior al rango óptimo (50 - 70%) según Ansorena (1994). El contenido
de agua total disponible (ATD= 25,9%) para la planta, almacenada entre θCC (1 kPa) y θPMP
(10 kPa) se distribuyó en AFD (23,6%= θCC
- θ5) y AR (2,37%= θ5 – θ10).
A continuación,
se describe la dinámica de agua en la interacción sustrato-planta-atmósfera
según una curva de liberación de θ y aire obtenido por el método de caja
de arena (Figura 8). Durante el proceso de saturación del sustrato, el agua
desplazó el aire que ocupa los espacios entre partículas (macroporos)
hasta alcanzar la saturación completa. En este punto, el contenido de agua es
equivalente a la PT (92,25%) y ocupó la totalidad de poros (macro, meso y
microporos y ultramicroporos), por lo que la CA es 0%
mientras que el CS (7,75%) se mantuvo constante.
Posteriormente,
inició el proceso de drenado por efecto del potencial gravitacional (ψg), el cual cesó a un ψm
de 1 kPa, donde el total de agua que quedó almacenada correspondió a la θCC (77,18%) con una CA de 15,13%. La θCC del sustrato obtenida (77,18%) fue
corroborada al colocar 4 muestras testigo dentro de la caja de arena, que
drenaron libremente sin ser sometidas a succión al aislarlas del contacto
directo con el lecho de arena sílica. Dichas muestras
mantuvieron un contenido de θ ligeramente constante (77,18%) al final de
los 10 días de evaluación, el cual fue muy similar al contenido de θCC obtenido en la fibra de coco (77,18%)
con el método de caja de arena (Figura 9).
Figura 9. Evolución del contenido de humedad de muestras
de sustrato de fibra de coco después de saturación y drenaje, sin someter a
succión en el método de caja de arena (n= 6).
A partir de
la descripción de la dinámica del agua según la Figura 8, una vez que el
drenaje cesa y se estabiliza el contenido de θ en el sustrato a θCC (77,18%), las plantas para extraer
agua al sustrato aplican una succión por medio del flujo de transpiración desde
las raíces hasta las hojas. Después del amanecer, conforme incrementa la
radiación solar aumenta progresivamente la demanda hídrica del cultivo y
simultáneamente el sustrato se seca poco a poco como resultado de la extracción
que realiza la panta. Conforme este proceso de transpiración y secado avanza
durante el día, la planta paulatinamente tiene que ejercer cada vez mayor
succión para abastecer el flujo de transpiración requerido. Sino se repone agua
mediante el riego, el ψm con que las
partículas sólidas retienen el agua aumenta gradualmente hasta alcanzar el PMP,
en el cual el agua no es disponible para la planta (AND), ya que el ψm con que las partículas sólidas retienen el
agua es superior al que la planta es capaz de ejercer para extraer agua del
sustrato (Noguera et al. 2000, Martínez y Roca 2011, Gohardoust
et al. 2020).
En el
presente estudio, la θCC del
sustrato (77,18%) fue ligeramente superior al máximo valor dentro del rango
óptimo (70%) según Ansorena (1994), del cual una alta proporción es AND
(52,35%). Esto probablemente estuvo relacionado con el hecho de que este
sustrato posee casi un 45% de partículas de tamaño inferior a 1 mm, de las
cuales hay un 20% de partículas finas < a 0,5 mm.
La fracción de tamaño de partículas comprendidas entre 0,1 y 1,0 mm es la más
determinante en las propiedades físicas de los sustratos, lo cual
consecuentemente se reflejó en una retención de θ ligeramente superior
al óptimo (Prasad y Chualáin
2004, Anicua et al. 2009).
No obstante,
aunque la θCC de la fibra de coco
evaluada fue alta (77,18%), al mismo tiempo la CA (15,3%) fue óptima, ya que se
mantuvo dentro de los rangos recomendados (15 a 30%) según Ansorena (1994). La
CA (macroporos) es una característica esencial en un
sistema de cultivos sin suelo, ya que el sistema radical tiene una alta demanda
de oxígeno debido a una alta actividad metabólica y de crecimiento. Además,
dicha propiedad es lo que permite que un gran volumen de raíces de una planta
pueda acomodarse en un pequeño volumen de sustrato confinado en un pequeño
espacio en contenedor (Abad et al. 2004, Chamindu
Deepagoda et al. 2013b).
De acuerdo
con lo investigado, cabe destacar que el paradigma de “sustrato ideal” es
difícil de obtener, sin embargo, es aceptable afirmar que “no hay sustrato
malo”, ya que si se conocen sus características
físicas, se puede implementar una adecuada estrategia de manejo del riego
adaptada a las características del sustrato y así evitar problemas derivados de
déficit o de excesos de riego.
CONCLUSIONES
No hubo
diferencias entre los métodos evaluados, en los valores de densidad aparente,
capacidad de aireación, contenido de humedad a capacidad de contenedor,
porosidad total y de componente sólido del sustrato de fibra de coco. Por
tanto, cualquiera de estos métodos podría ser utilizado para determinar las
características físicas de un sustrato. No obstante, los métodos de porómetro y contenedor “in situ” por su sencillez,
practicidad y bajo costo serían muy recomendables para utilizar a nivel de
finca. Sin embargo, estos no permiten la elaboración de la curva de liberación
de agua y de aire y la determinación de los diferentes tipos de agua en el
sustrato.
Por su
parte, el método de caja de arena tiene la ventaja adicional de que permite
construir la curva característica de desorción de agua y de aire y con ello
determinar los diferentes tipos de agua en el sustrato. Esta información es
útil para diseñar diferentes estrategias de manejo del riego, basado en la
determinación del volumen de riego a partir de un porcentaje de agotamiento del
agua total disponible.
AGRADECIMIENTO
Al técnico
especializado Julio Vega por su valioso apoyo en el proceso de investigación.
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