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RECIRCULACIÓN DE LAS SOLUCIONES NUTRITIVAS. MANEJO Y CONTROL MICROBIOLÓGICO (1ª parte)
Autor: MAGÁN CAÑADAS, J.J.

1. Introducción
2. Sistemas Recirculantes De Cultivo Sin Suelo
2.1. El Sistema De Cultivo Nft (Nutrient Film Technique)
2.1.1. Elementos Constituyentes De Una Instalación De Nft
2.1.2. La Solución Nutritiva En Nft
2.2. Sistemas Recirculantes De Cultivo En Sustratos
2.2.1. Elementos Constituyentes De Una Instalación De Recirculación Con Cultivo En Sustratos

2.2.2. La Solución Nutritiva En Un Sistema Recirculante De Cultivo En Sustrato
2.3. Ventajas E Inconvenientes Del Sistema Nft Frente A La Recirculación En Sustratos
3. Control Microbiológico En Sistemas De Cultivo Con Recirculación
3.1. Introducción
3.2. Patógenos Infecciosos Radiculares Que Pueden Afectar A Los Cultivos Sin Suelo
3.3. Métodos De Control De Patógenos Infecciosos Radiculares En Soluciones Recirculantes
3.3.1. Métodos Culturales
3.3.2. Métodos Biológicos
3.3.3. Tratamientos Físicos
3.3.3.1. Ozonización
3.3.3.2. Ultrafiltración
3.3.3.3. Tratamiento Térmico
3.3.3.4. Radiación Ultravioleta
3.3.4. Métodos Químicos
4. Bibliografía

 
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1. INTRODUCCIÓN

Se estima que en el Sureste peninsular existen unas 2500 ha de cultivos sin suelo, según comentarios de las empresas comercializadoras de sustratos, en base a las ventas que se realizan de éstos. Del global, aproximadamente 1700 ha se encuentran en Almería y unas 800 en Murcia. En Almería la superficie mencionada se reparte, aproximadamente, al 50 % entre lana de roca y perlita, mientras que en Murcia la mayor parte, un 90 %, corresponde a arena y el resto a perlita. Esta superficie parece pequeña si la comparamos con el área global dedicada a cultivos hortícolas en invernadero en la zona (en Almería los últimos datos oficiales, que datan de finales de la campaña 94/95, arrojan una cifra de unas 25000 ha de invernadero; y otras estimaciones no oficiales posteriores hablan de una superficie mayor aún), sin embargo, el ritmo de crecimiento de la superficie dedicada a cultivos sin suelo es elevado y, de hecho, muchas de las nuevas explotaciones que se construyen actualmente en el Poniente almeriense se orientan hacia este sistema de cultivo.

Hay varias razones que explican esta situación, aunque quizás la más importante sea la de reducir los costes de inversión, ya que la superficie que queda de terreno inculto con un suelo original de características apropiadas para el cultivo es cada vez más pequeña. Ello obliga a utilizar terrenos de poca calidad agronómica en los que es necesario aportar tierra exterior, lo que, junto con la incorporación del estiércol y la arena para la ejecución del enarenado tradicional, supone unos costes importantes. Ante ello, el agricultor prefiere muchas veces optar por la simple nivelación del suelo original y la colocación sobre él de un sustrato de cultivo. Junto a ésta razón, también existen otras causas que explican la situación comentada: algunos agricultores tienen graves problemas de suelo, bien fitopatológicos (nematodos, fusariosis, etc.), que es lo más frecuente, o por acumulación de sales; finalmente existen algunos productores que han optado por este sistema para conseguir un mejor control del cultivo y mayores productividades. Del mismo modo, en el Campo de Cartagena se crea un importante problema para los cultivos de pimiento y melón en suelo con la prohibición del bromuro de metilo, ya que este desinfectante se aplica anualmente en la zona para poder controlar de manera eficaz los graves problemas fitopatológicos existentes; ante ello los cultivos sin suelo pueden ser una buena alternativa. Por tanto, éstos van a cobrar cada vez más importancia en el Sureste peninsular.

Sin embargo, hasta ahora el cultivo en sustratos en esta zona se ha venido realizando a solución perdida. De esta forma, el drenaje se elimina directamente al suelo y en él percola hacia horizontes profundos, lo que provoca la contaminación de los acuíferos, ya que de todos es conocido el elevado contenido en nitratos y otros iones de estas aguas. Esto a pequeña escala no llega de ser grave pero, conforme se incremente la superficie de cultivos sin suelo, el problema se irá acentuando hasta alcanzar niveles preocupantes. Por ello, esta forma de trabajar, con drenaje libre, aunque más sencilla, no parece la más adecuada a largo plazo. De hecho, se espera que en pocos años la Unión Europea legisle en contra de este sistema y lo prohiba, obligando así a la recirculación del drenaje como ocurre en Holanda.

Además de un menor impacto medioambiental, la recirculación tiene otro aspecto de interés, que es el ahorro de agua y fertilizantes que conlleva. Sin embargo esto no quiere decir que sea más rentable desde un punto de vista económico pues, lógicamente, la acumulación de ciertos iones en el drenaje puede afectar negativamente a la producción y, además, la instalación de un sistema de cultivo sin suelo recirculante resulta, en general, más cara, al tener que recoger el drenaje y desinfectarlo.

En definitiva, sea o no más rentable, hay que plantearse ya la necesidad de trabajar en recirculación, con el fin de conocer este sistema y adaptarlo para transferirlo posteriormente al agricultor en el momento en el que estemos obligados a utilizarlo.

2. SISTEMAS RECIRCULANTES DE CULTIVO SIN SUELO

Podemos distinguir dos tipos de sistemas de cultivo sin suelo que integran la recirculación como forma de trabajo.

El primero es el NFT que, dentro de estos sistemas recirculantes, es el más típico por ser el que en primer lugar se empezó a utilizar allá por los años 70. Consiste en mantener las raíces del cultivo inmersas en una corriente de solución nutritiva, continua o intermitente de muy alta frecuencia, sin que exista ningún sustrato de sostén.

En cuanto al segundo, se trata del cultivo en un sustrato cualquiera (perlita, lana de roca, arena, etc.) con recogida del drenaje, para su posterior mezcla con agua de aporte exterior e inyección de fertilizantes hasta alcanzar un nivel nutricional concreto. En este último sistema, a diferencia del primero, el riego no es continuo y ni siquiera intermitente a intervalos periódicos, sino puntual, en función de las necesidades del cultivo a lo largo del día, aportando una determinada dosis de agua cada vez para conseguir la rehidratación del sustrato y la renovación de la solución en él contenida.

Sobre la base de lo anteriormente expuesto, ambos sistemas, aunque mantienen la misma filosofía, presentan un manejo de la solución nutritiva diferente, como a continuación se pretende reflejar.

2.1. El sistema de cultivo NFT (Nutrient Film Technique)

El NFT se basa en la circulación continua o intermitente de una fina lámina de solución nutritiva a través de las raíces del cultivo, sin que éstas por tanto se encuentren inmersas en sustrato alguno, sino que simplemente quedan sostenidas por un canal de cultivo, en cuyo interior fluye la solución hacia cotas más bajas por gravedad.

El agua se encuentra muy fácilmente disponible para el cultivo, lo que representa una de las mayores ventajas del sistema, al ser mínimo el gasto de energía que debe realizar la planta en la absorción, pudiendo aprovechar ésta en otros procesos metabólicos. La renovación continua de la solución nutritiva en el entorno de la raíz permite un suministro adecuado de nutrientes minerales y oxígeno, siempre, claro está, que se realice un correcto manejo del sistema.

2.1.1. Elementos constituyentes de una instalación de NFT

Como puede observarse en la figura 1, que representa un esquema sencillo de una instalación de NFT, en ella pueden distinguirse los siguientes elementos principales:

a)Tanque colector

b)Bomba de impulsión

c)Tuberías de distribución

d)Canales de cultivo

e)Tubería colectora

 

Figura 1:Esquema de una instalación de NFT

Fuente: Cooper(1979)




El tanque colector es el elemento encargado de almacenar el drenaje procedente de los canales de cultivo que escurre hasta aquél por gravedad, por lo que resulta conveniente que se encuentre en la parte más baja de la explotación. El material de fabricación puede ser polietileno, PVC o fibra de vidrio, aunque también puede ser de metal tratado interiormente con pintura epóxica.

En lo que se refiere a su volumen, éste vendrá determinado fundamentalmente por la superficie de cultivo. En muchas instalaciones la capacidad del tanque sólo representa entre el 10 y el 15 % del volumen total de solución que circula en el sistema, ya que el resto se encuentra contenido en las tuberías y canales. Sin embargo, cuando se realiza riego intermitente, el volumen disponible tiene que ser bastante mayor para acumular toda el agua en el momento de parada.

El tanque colector debe incorporar una boya que cierre la tubería de aporte de agua exterior al sistema, con el fin de mantener constante el nivel en el depósito y evitar su desbordamiento. De este modo, al producirse el consumo hídrico por parte del cultivo y bajar dicho nivel, a su vez descenderá la boya, permitiendo así que entre agua exterior a la instalación.

En cuanto a la inyección de fertilizantes, ésta se realiza directamente al tanque a partir de unos depósitos de soluciones madre en base a las lecturas tomadas por unas sondas que controlan la conductividad eléctrica y el pH de la solución que se aporta al cultivo. De esta forma, unas electroválvulas permiten la caída por gravedad de los fertilizantes al tanque, hasta que las lecturas se igualan con las consignas introducidas en el equipo electrónico encargado de controlar la apertura y cierre de dichas electroválvulas. También se pueden utilizar bombas inyectoras para incorporar las soluciones madre.

La bomba de impulsión se encarga de verter la solución nutritiva, del tanque colector, en el extremo superior de los canales de cultivo. Dado que normalmente la diferencia de cotas a superar es pequeña, el requerimiento de potencia resulta mínimo, aunque hay que tener en cuenta que funcionará permanentemente durante un largo periodo de tiempo, por lo que debe integrar componentes sólidos y de calidad.

Con el fin de hacer frente a posibles averías de la bomba o fallos en el suministro eléctrico, resulta conveniente instalar en paralelo un equipo de bombeo accionado por un motor diesel, que entre en funcionamiento en caso de ser necesario.

Las tuberías de distribución son las encargadas de conducir la solución nutritiva desde el tanque hasta la parte superior de los canales de cultivo. Serán de PVC y/o polietileno y su diámetro estará en función del caudal que deba circular por ellas, teniendo en cuenta que debe existir un caudal por cada canal de 2-3 litros por minuto para así establecer una oferta adecuada de oxígeno, agua y nutrientes.

Los canales de cultivo constituyen el medio de sostén de las plantas y además la base sobre la que fluye la solución nutritiva. Dado que es necesario que la altura de la lámina de agua en el interior del canal no supere los 4 ó 5 mm con el fin de conseguir una adecuada oxigenación de las raíces, resulta muy conveniente utilizar canales de sección plana y no cóncava.

En lo que se refiere a su longitud, ésta no debe superar los 15 m para asegurar unas condiciones adecuadas y homogéneas en todo el canal y evitar la falta de oxígeno disuelto en la parte final del mismo. Por último, la pendiente longitudinal debe estar entre el 1 y el 2 % ya que, si resulta inferior, queda dificultado el retorno de la solución al tanque colector y la altura de la lámina de agua puede ser excesiva. Por otro lado, no es conveniente que sea mayor del 2 %, ya que entonces se dificultaría la absorción de agua y nutrientes, especialmente cuando las plantas son pequeñas, por una excesiva velocidad de circulación de la solución en el canal.

La tubería colectora es la que se encarga de recoger la solución nutritiva al final de los canales de cultivo y llevarla hasta el tanque colector por gravedad. Suele ser de PVC y debe tener una pendiente suficiente para asegurar la evacuación.

2.1.2. La solución nutritiva en NFT

Cuando se empezó a desarrollar la técnica del NFT en los años 70, lo primero que se pensó fue que, al no existir un medio sólido con capacidad tampón, la formulación de la solución nutritiva debería ser alterada de acuerdo con la etapa de desarrollo del cultivo, y que se requerirían distintas formulaciones para diferentes cultivos, lugares y épocas del año, de forma que la técnica no sería práctica para producción comercial, ya que se necesitaría la elaboración de análisis químicos frecuentes en los que poder basar los ajustes del aporte nutricional.

Sin embargo, pronto se vio que esto no era así, sino que, al existir una recirculación continua de la solución nutritiva a través de las raíces del cultivo, el rango de tolerancia a la concentración de nutrientes era muy grande, no obteniéndose diferencias significativas en cuanto a crecimiento del cultivo, cosecha e incluso absorción de nutrientes en amplias bandas de concentraciones iónicas. Así, por ejemplo, no se observaron diferencias trabajando en un intervalo de nitrógeno de 10 a 320 ppm, y se consiguieron resultados similares con el fósforo entre 5 y 200 ppm y con el potasio entre 20 y 375 ppm (Cooper, 1979). No obstante, a nivel práctico, no es aconsejable trabajar con niveles muy bajos de nutrientes, ya que entonces apenas existiría una reserva disponible, de la que poder nutrirse la planta, en el caso de estar utilizando un equilibrio desajustado para algún ion. En la tabla 1 se presentan las concentraciones nutritivas mínimas, óptimas y máximas para el cultivo de tomate en NFT ofrecidas por Winsor et al. (1979).

Tabla 1: Concentraciones de nutrientes para tomate en NFT

Concentración (mg×l-1)

Elemento

Mínima

Óptima

Máxima

NO3-N

50

150-200

300

P

20

50

200

K

50

300-500

600

Ca

125

150-300

400

Mg

25

50

150

Fe

1.5

3

6

Mn

0.25

1

5

Cu

0.01

0.1

1

Zn

0.05

0.1

5

B

0.1

0.2

2

Mo

0.01

0.05

0.1

Na

-

-

250

Cl

-

-

400

Fuente: Winsor et al. (1979)

En definitiva, cuando se trabaja con NFT, hay que mantener unas relaciones adecuadas entre los distintos iones presentes en la solución para que no haya competencia entre ellos, especialmente en lo que se refiere a los de más difícil absorción como el calcio o el magnesio, aunque las concentraciones absolutas de los diferentes elementos pueden ser muy variables. Esto es lo que diferencia fundamentalmente al NFT frente a los sistemas en sustrato recirculantes.

Por otro lado, los nutrientes incorporados por los fertilizantes más los que lleva el agua de aporte exterior deben ajustarse a los coeficientes de absorción del cultivo para cada uno de dichos elementos (el coeficiente de absorción de un elemento es la cantidad del mismo que es absorbida por el cultivo por cada litro de agua que éste a su vez absorbe) ya que, si no es así, aunque en un principio la solución final esté bien balanceada, se producirá una acumulación progresiva de los iones que se suministran a una concentración mayor que su absorción y una disminución de los que se aportan a menor concentración, desequilibrándose finalmente dicha solución. Por tanto, se entiende que es necesario conocer los coeficientes de absorción del cultivo para la etapa de desarrollo y época del año que correspondan, y éste es un trabajo importante a realizar a nivel de investigación.

Un caso extremo de lo anteriormente comentado se presenta cuando se emplean aguas salinas de baja calidad, en las que la presencia de sodio y cloruros es elevada y muy superior a la capacidad de absorción del cultivo. En tal caso, la presencia relativa de estos iones es mucho mayor que la del resto de nutrientes y su acumulación se produce rápidamente, de forma que en pocos días gran parte del valor de la conductividad eléctrica de la solución, que se ha marcado como consigna, viene determinado por estos elementos y el resto está casi ausente, al ser cada vez menor el aporte que se realiza de fertilizantes. Es esto último, principalmente, lo que produce una fuerte depresión del cultivo, ante la imposibilidad de nutrirse adecuadamente, y obliga a una renovación del agua en recirculación por otra nueva exterior.

Las dificultades que se plantean en NFT con el uso de aguas salinas es uno de los mayores problemas que tiene este sistema. Sin embargo, pueden paliarse en gran medida mediante la incorporación de ciertas modificaciones. Así, por ejemplo, se puede hacer entrar al tanque colector solución nutritiva previamente preparada en lugar de agua sola conforme se produce el consumo hídrico, lo que asegura el mantenimiento de unos niveles mínimos de los distintos iones que necesita la planta. En cualquier caso, a partir de aquí, conforme se lleve a cabo la recirculación y tenga lugar la acumulación de los elementos en exceso, se producirá un aumento progresivo de la conductividad eléctrica. La renovación total o parcial del agua presente en el sistema por solución nutritiva nueva cuando se alcancen ciertos niveles indeseados, permitirá rebajar la salinidad y evitar que se superen tales niveles.

Otra modificación del sistema que podrá ser factible en un futuro no lejano gracias al avance de la instrumentación química, será la incorporación de electrodos de medida en continuo de iones selectivos. De este modo, los valores medidos servirán como datos de entrada de un programa informático capaz de calcular continuamente las necesidades de aporte de las diferentes soluciones madre para alcanzar unos niveles deseados que previamente se habrán introducido como consigna. En este caso lo más lógico parece que es utilizar distintas soluciones madre de abonos líquidos de calidad con una riqueza constante conocida. Con todo ello mantendremos los niveles deseados de nutrientes, aunque igualmente se seguirá produciendo una acumulación de los iones que estén en exceso en el agua y esto obligará a realizar una renovación parcial de la solución nutritiva periódicamente.

2.2. Sistemas recirculantes de cultivo en sustratos

Los sistemas de cultivo en sustratos (lana de roca, perlita, arena, etc.) originalmente surgieron como sistemas con solución pérdida, tal y como se siguen empleando en el Sureste peninsular, de manera que el drenaje producido no es reutilizado en el riego del cultivo, sino eliminado al medio. Esta forma de actuar resulta más sencilla que hacer recirculación, ya que se dispone de un agua de entrada de composición más o menos constante a la que sólo hay que aportar ciertas cantidades de fertilizantes para alcanzar el equilibrio nutricional deseado. Se controla el drenaje para que no se produzcan incrementos bruscos de la conductividad eléctrica y el pH, y para saber que se mantienen unos niveles adecuados de los distintos iones que eviten la competencia de unos sobre otros.

Sin embargo, la legislación medioambiental restrictiva que se ha empezado a aplicar en el norte de Europa, principalmente Holanda, en los últimos diez años, ha motivado que los productores de esta zona adapten sus sistemas de cultivo en sustratos, que conocen perfectamente, a las nuevas exigencias, no habiendo prosperado los sistemas recirculantes clásicos como el NFT.

2.2.1. Elementos constituyentes de una instalación de recirculación con cultivo en sustratos

En un sistema de cultivo en sustratos con recirculación del drenaje podemos distinguir los siguientes elementos principales:

a)Sistema de mezcla del drenaje y el agua de aporte exterior
b)Bomba de impulsión
c)Sistema de inyección de fertilizantes
d)Tuberías de distribución y goteros
e)Sustrato de cultivo
f)Canales de recogida del drenaje
g)Depósito intermedio de acumulación del drenaje
h)Sistema de desinfección del drenaje
i)Depósito de acumulación final del drenaje

En la figura 2 se refleja el esquema básico de una instalación de recirculación con cultivo en sustratos.



Figura 2: Esquema de una instalación recirculante de cultivo en sustratos.

La mezcla del agua de aporte exterior y el drenaje puede realizarse en un depósito al que se añaden unos volúmenes determinados de los mismos en función del porcentaje de drenaje al que se esté funcionando. Estos volúmenes pueden establecerse mediante la colocación en el depósito de sondas de nivel a una altura adecuada.

También se puede llevar a cabo mediante una válvula motorizada que permita el paso de una mayor o menor cantidad de drenaje para que, en su mezcla con el agua de aporte exterior, se alcance un determinado valor de conductividad eléctrica, el cual se habrá previamente establecido en función del porcentaje de drenaje que se pretende recircular.

La bomba de impulsión es la que se encarga de aspirar la mezcla formada por el drenaje y el agua de aporte exterior, haciéndola pasar por el sistema de inyección de fertilizantes y, una vez obtenida la solución nutritiva final, impulsándola a los goteros a la presión necesaria.

El sistema de inyección de fertilizantes tiene por objeto mezclar, de forma homogénea, los fertilizantes de aporte exterior con el agua de riego. Este sistema puede utilizar tanque de mezclas o inyección directa, y a su vez la incorporación de las soluciones madre se puede hacer con venturis o con bombas inyectoras.

Las tuberías de distribución se encargan de llevar la solución nutritiva final desde el cabezal de riego hasta el cultivo. Deben estar dimensionadas en función del caudal y la presión del agua que vaya a circular por ellas. Los goteros deben ser autocompensantes y antidrenantes.

El sustrato de cultivo puede ser cualquiera de los utilizados en sistemas con solución perdida. Deberá ser el productor quién elija aquél que más le interesa en función de su precio, facilidad de manejo, etc.

Los canales de recogida del drenaje conducen a éste desde el sustrato de cultivo hasta el depósito intermedio de acumulación. Debe tratarse de un sistema barato para que resulte asequible al agricultor. Las bandejas metálicas suelen ser costosas y es necesario acudir a algún soporte de polipropileno o poliestireno expandido cubierto por una lámina de plástico.

El depósito intermedio de acumulación del drenaje no debe ser de gran capacidad, ya que únicamente sirve para acumular un cierto volumen de agua, de forma que sea suficiente para hacerlo pasar a través del equipo de desinfección.

Hay varios sistemas de desinfección del drenaje: radiación ultravioleta, por calor, ozonización o ultrafiltración. No es imprescindible su instalación, pero sí aconsejable para reducir el riesgo de un ataque generalizado por parte de alguna especie fitopatógena. En Holanda casi todas las explotaciones agrícolas cuentan con uno u otro sistema

Por último, el depósito de acumulación final del drenaje es el que va a almacenar éste hasta que se vuelva a utilizar en mezcla con el agua de aporte exterior. Debe tener un volumen suficiente como para contener al menos todo el drenaje que se va a producir entre riegos sucesivos, aunque es conveniente disponer de un cierto volumen adicional de seguridad.


 

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