Herramientas agronómicas para optimizar la gestión del N en cultivos hortícolas en invernadero con fertirriego
- Autores: Alejandra Cristina Rodríguez Chaves
- Directores de la Tesis: Rodney Thompson (dir. tes.)
- Lectura: En la Universidad de Almería ( España ) en 2021
- Idioma: español
- Títulos paralelos:
- Agronomic tools to optimize N management in greenhouse horticultural crops with fertigation
- Tribunal Calificador de la Tesis: Elisa M. Suárez Rey (presid.), María Teresa Lao Arenas (secret.), J. J. Magán Cañadas (voc.)
- Programa de doctorado: Programa de Doctorado en Agricultura Protegida por la Universidad de Almería
- Materias:
- Enlaces
- Tesis en acceso abierto en: riUAL
- Resumen
- español
Los sistemas intensivos de producción hortícola bajo invernadero han sido caracterizados por abundantes aplicaciones de fertilizantes nitrogenados y excesivos volúmenes de riego aplicados. Comúnmente las aplicaciones de nitrógeno (N) exceden las necesidades de los cultivos para asegurar altos niveles de producción. Sin embargo, los excesos de N han provocado la contaminación ambiental de acuíferos y cuerpos superficiales de agua debido a las pérdidas por lixiviación de nitratos. Al sureste de España, en los invernaderos de Almería los sistemas de producción hortícolas están asociados a una considerable contaminación de los acuíferos subyacentes con nitratos.
Un factor fundamental para reducir las pérdidas de N al medio ambiente es optimizar las aplicaciones de N según las necesidades de los cultivos. Para esto, es necesario mejorar la gestión del N haciendo uso de herramientas que permitan determinar el estado de N o ajustar el suministro de N en los cultivos. Con el uso de estas herramientas se puede mantener un monitoreo regular en los cultivos, esto facilitará un suministro adecuado para satisfacer la demanda de N, optimizando el estado de N del cultivo mientras se evitan aplicaciones excesivas de N. Una manera de realizar esta monitorización es enfocándose en algunas medidas que pueden hacerse en el suelo o directamente en la planta. Esta tesis ha evaluado el uso de herramientas para optimizar la gestión del estado de N realizando medidas en el suelo y en las plantas de cultivos de pepino, melón y pimiento en invernadero en el sureste de España.
El trabajo experimental se llevó a cabo en la Estación Experimental de la Universidad de Almería en un invernadero con características similares a los usados para la producción comercial del sureste de España. Los datos utilizados para desarrollar esta tesis se obtuvieron de cuatro cultivos de pimiento (Capsicum annuum L.), un cultivo de pepino (Cucumis sativus L.) y dos cultivos de melón (Cucumis melo L.), todos fueron cultivados en suelo con fertirriego y riego por goteo. Durante los cultivos fueron aplicadas soluciones nutritivas en cada riego con todos los nutrientes. En cada cultivo, tratamientos de N fueron aplicados con concentraciones diferentes de N durante el cultivo. Los tratamientos consistieron en concentraciones de N que fueron deficientes, suficientes o excesivas para las necesidades de los cultivos.
En tres cultivos de pimiento (‘Melchor’) cultivados durante los años 2014–2015, 2016–2017 y 2017–2018 se aplicaron cinco tratamientos de N (muy deficiente, deficiente, suficiente, excesivo, muy excesivo). En cultivos individuales se usaron tres cultivares de pepino (‘Strategos’, ‘Pradera’, ‘Mitre’) cultivado en el año 2018, de melón (‘Tezac’, ‘Magiar’, ‘Jacobo’) cultivado en el año 2020, y pimiento (‘Melchor’, ‘Machado’, ‘CLX PLRJ731’) cultivado en los años 2020–2021, se aplicaron tres tratamientos de N (deficiente, suficiente, excesivo). Otro cultivo de melón (‘Bosito’) fue cultivado en el año 2021, también con tres tratamientos con N.
Con los tres primeros cultivos de pimiento, la curva crítica de N (Critical N Curve; CNC) %Nc = 4.71 𝗑 DMP−0.22 se determinó para pimiento en invernadero. Con el desarrollo de la CNC se logró calcular el Índice de Nutrición del Nitrógeno (N Nutrition Index; NNI) como un indicador para determinar si el cultivo de pimiento se encuentra en un estado deficiente, óptimo o excesivo de N. También se desarrollaron recomendaciones para realizar aplicaciones óptimas de N para un crecimiento máximo, examinando la eficiencia en el uso de N y la relación con la cantidad de N total disponible (Total Available N; TAN), considerando todas las fuentes de N, con las pérdidas potenciales por lixiviación de nitratos.
En estos tres cultivos de pimiento se evaluó la relación entre el NNI (para determinar el estado de N de los cultivos) y la concentración de nitrato en la solución del suelo, en el extracto 1:2 suelo:agua y en la savia del peciolo. También, se establecieron valores de suficiencia basados en el crecimiento, para estas tres medidas. La concentración de nitrato medida en la solución del suelo y en el extracto 1:2 suelo:agua estuvo fuertemente relacionada con el NNI durante todo el ciclo de los cultivos de pimiento. Las relaciones entre ambos métodos y el NNI fueron descritas usando regresiones de rectas segmentadas. Las relaciones generales para todo el ciclo del cultivo de pimiento entre el NNI y la concentración de nitrato medida en la solución del suelo fue determinada como y = 0.1116x + 0.7029 (si x < x0) y y = 1.05 (si x ≥ x0), con un R2 de 0.70, y entre el NNI y la concentración de nitrato medida en el extracto 1:2 suelo:agua fue determinada como y = 0.4132x + 0.6588 (si x < x0) y y = 1.04 (si x ≥ x0), con un R2 de 0.68. Se analizó la relación para cada una de las etapas fenológicas (vegetativa, floración y crecimiento temprano de la fruta y cosecha). Ambos métodos fueron sensibles a la aplicación excesiva de N.
Las medidas realizadas en la planta de la concentración de nitrato en la savia estuvieron fuertemente relacionadas con el NNI durante todo el ciclo del cultivo. La relación entre el NNI y la concentración de nitrato en la savia fue descrita usando la regresión polinomial y la regresión de rectas segmentadas. La relación general entre el NNI y la concentración de nitrato en la savia para todo el ciclo del cultivo de pimiento fue determinada como NNI = −1.10E−07 𝗑 Sav2 + 0.000473 𝗑 Sav + 0.5514 con un R2 de 0.84, y NNI = 0.00034 𝗑 Sav + 0.572 (si x < x0) y NNI = 1.04 (si x ≥ x0), con un R2 de 0.83. Además, se analizó la relación para cada una de las etapas fenológicas (vegetativa, floración y crecimiento temprano de la fruta y cosecha). Este método fue sensible a la aplicación deficiente de N.
Las concentraciones de nitrato derivadas como rangos o valores de suficiencia se determinaron analizando estas relaciones. Los rangos de suficiencia para la concentración de nitrato medida en la solución del suelo y en el extracto 1:2 suelo:agua fueron de 5.0−15.0 mmol L−1 y 1.0−2.5 mmol L−1 respectivamente. El valor de suficiencia derivado para la concentración de nitrato en savia en el pimiento fue de 1400 mg NO3−−N L−1 durante todo el cultivo. Estos métodos determinados en suelo y planta usados para derivar rangos y valores de suficiencia fueron buenos indicadores del estado de N y pueden ser usados para mejorar el manejo de N en el cultivo de pimiento.
En los cultivos de pepino, pimiento y melón con tres diferentes cultivares se midió la concentración de nitrato en la savia del peciolo y el contenido de N en las hojas. Se presentaron diferencias significativas entre los cultivares de cada cultivo en los tres tratamientos de N en el melón y cuando el suministro de N fue suficiente y excesivo en el pepino y pimiento. La concentración de nitrato en la savia y el contenido de N en la hoja estuvieron fuertemente relacionados, en cada especie de cultivo y para cada cultivar las relaciones fueron similares. Se determinó que el cultivar podría tener un efecto sobre la concentración de nitrato en la savia del peciolo y el contenido de N en la hoja en estos cultivos hortícolas en invernadero, aunque parece que el comportamiento en la relación entre ambas medidas no se vio afectado. Posiblemente, para ambos parámetros sea necesario derivar valores de suficiencia específicos para los diferentes cultivares.
En un cultivo de pimiento y melón se realizaron diferentes muestreos de los peciolos midiendo la concentración de nitrato en la savia evaluando la hora del muestreo, el almacenamiento de los peciolos y la savia y la hoja muestreada. El efecto de la hora del día se evaluó midiendo a las 08:00, 10:00, 12:00 y 14:00 horas en un solo cultivar de pimiento y melón. La gestión de los peciolos y savia diluida de melón después del muestreo se analizó almacenando las muestras en refrigeración a 5°C y dejando las muestras sin refrigeración a 20°C aproximadamente durante 2, 3, 6 y 24 horas. También se realizó una medida de la savia inmediatamente después del muestreo de los peciolos y se congeló durante 7 días una muestra de peciolos. Además, se muestrearon en el cultivo de melón peciolos ubicados en una posición alta (última hoja completamente expandida), media (cinco hojas por debajo de la posición alta) y baja (diez hojas por debajo de la posición alta) de plantas que recibieron tres concentraciones de N.
Respecto a la hora de muestreo sobre la concentración de nitrato en la savia en los cuatro ensayos, el efecto no fue consistente. Sobre el almacenamiento de las muestras de peciolos y de savia refrigerada o no refrigerada, el efecto en la concentración de nitrato en estas condiciones fue el mismo en ambos casos, aunque se recomienda no almacenar la muestra por más de 3 horas. La posición de la hoja de muestreo parece no ser un factor significativo que afecte la concentración de nitrato en la savia, sin embargo, se presentó una tendencia a incrementar en la posición baja de la hoja en condiciones excesivas de N. Estos análisis sugieren que el muestreo de peciolos se realice siempre a la misma hora del día, principalmente entre las 10:00 h y las 14:00 h para minimizar los posibles efectos.
En general, los resultados de esta tesis muestran que la monitorización de la concentración de nitrato medida en la solución del suelo o en el extracto 1:2 suelo:agua y en la savia son métodos que estuvieron fuertemente relacionados con el NNI. La consistencia de los datos demuestra que estos métodos tienen potencial para evaluar el estado del N en el cultivo de pimiento y los rangos y valores de suficiencia derivados son útiles para mejorar el manejo del N. El efecto del cultivar en el cultivo de pepino, melón y pimiento sobre la concentración de nitrato en la savia y el contenido de N en la hoja sugieren que es importante tomar en cuenta que los valores de suficiencia han sido determinados para un cultivar específico y es posible que sea necesario derivar valores de suficiencia para los diferentes cultivares. En cuanto a los factores que podrían afectar las medidas de la concentración de nitrato en la savia como el efecto de la hora del día, el almacenamiento de la muestra de peciolos o savia y la selección de la hoja muestreada no parecen ser factores que afectan significativamente las medidas, aunque el tiempo de almacenamiento de las muestras podría alterar las medidas. Es recomendable que el procedimiento que se utilice sea en forma consistente para todos los muestreos. Sin embargo, es necesario seguir investigando para demostrar el efecto de los factores sobre las medidas de la concentración de nitrato en la savia en diferentes condiciones de muestreo y almacenamiento
- English
Intensive greenhouse vegetable production systems are commonly characterized by abundant applications of nitrogen (N) fertilizers and of irrigation. Commonly, N applications appreciably exceed what is required to ensure high levels of production. The nitrate (NO3−) leaching losses associated with excessive N application, in these greenhouse production systems, has resulted in NO3− contamination of aquifers and N enrichment of surface water bodies. In Almeria in southeastern (SE) Spain, the greenhouse–based vegetable production system is associated with considerable on–going NO3− contamination of underlying aquifers.
A crucial requirement for reducing N losses to the environment is to optimize N applications according to crop needs. To do so, it is necessary to have approaches and/or tools that provide information of crop N status or on the adequacy of the immediate N supply. Regular monitoring with such approaches/tools will facilitate the provision of a N supply that meets crop N demand thereby optimizing crop N status while avoiding excessive or insufficient N application. Such monitoring can be done in the soil or directly on the plant. This thesis evaluated the use of monitoring procedures to optimize crop N management N of vegetable crops. Different soil and plant monitoring procedures were examined in cucumber, muskmelon and pepper crops grown in greenhouse in Almeria, SE Spain.
The experimental work was carried out at the Experimental Farm of the University of Almeria in a greenhouse with similar characteristics to those used for commercial production in SE Spain. The data used to develop this thesis were obtained from four pepper crops (Capsicum annuum L.), one cucumber crop (Cucumis sativus L.) and two muskmelon crops (Cucumis melo L.). These were grown in soil with fertigation and drip irrigation. During the crops, complete nutrient solutions were applied in each irrigation. In each crop, different N treatments were applied as different N concentrations throughout the crops. The treatments consisted of N concentrations that were deficient, sufficient or excessive for crop N requirements.
Three pepper (cultivar ‘Melchor’) crops were grown during 2014–2015, 2016–2017 and 2017–2018, five N treatments were applied (very deficient, deficient, sufficient, excessive, and very excessive). Three additional individual crops were grown, each with three different N treatments (deficient, sufficient, excessive) applied to three different cultivars of the same species. In a cucumber crop grown in 2018, the three cultivars were 'Strategos', 'Pradera', and 'Miter'. In a muskmelon crop grown in 2020, the three cultivars were 'Tezac', 'Magiar', and 'Jacobo'. In a sweet pepper crop grow in 2020–2021, the three cultivars were 'Melchor', 'Machado', and 'CLX PLRJ731'. Another muskmelon crop (cultivar ‘Bosito’) was grown in 2021, also with three different N treatments.
With the first three pepper crops, the Critical N Curve (CNC) %??=4.71×???−0.22 was determined for greenhouse–grown pepper. The CNC enabled calculation of the N Nutrition Index (NNI), as an indicator of crop N status, to determine whether a pepper crop had deficient, optimal or excessive N status. These crops were also used to (i) develop recommendations for optimal N supply, as Total Available N (TAN) considering all N sources for maximum growth, (ii) to examine the relationship of N Use Efficiency (NUE) with TAN, and (iii) to examine the relationship of potential NO3− leaching loss to TAN.
In these three pepper crops, the relationships between NNI (as an indicator of crop N status) and the NO3− concentration of (i) the root–zone soil solution, (ii) the 1:2 soil:water extract, and (iii) petiole sap were evaluated. Additionally, sufficiency values based on maximum crop growth were established for these three parameters. Nitrate concentration measured in soil solution and in the 1:2 soil:water extract was strongly related to NNI throughout these pepper crops. The relationships between both of these parameters and NNI were described by segmented linear regressions. The general relationship for the entire pepper crop between NNI and soil solution NO3− concentration was ?=0.1116?+0.7029 (?? ?
The plant-based measurement of petiole sap NO3− concentration was strongly related to NNI throughout these three pepper crops. The relationship between NNI and sap NO3− concentration was described by either polynomial regression or segmented linear regression. The general relationship between the NNI and the sap NO3− concentration for the entire pepper crop was determined by NNI=−1.10?−07×???2+0.000473× ???+0.5514 with an R2 of 0.84, and NNI=0.00034×???+0.572 (?? ?
Petiole sap NO3− concentration and leaf N content were measured in cucumber, pepper and muskmelon crops, with three different cultivars, that received three different N treatments. Significant differences were detected between cultivars for a given N treatment, in muskmelon when the N supply was sufficient, and in cucumber and pepper when the N supply was excessive. Sap NO3− concentration and leaf N content were strongly related to one another in each crop species; for each cultivar in each species, this relationship was similar. The results indicated that cultivar can affect the petiole sap NO3− concentration and leaf N content of these species, and that the relationship between the two measures was consistent for different cultivars of a given species. The results suggested that it may be necessary to derive specific sufficiency values for different cultivars or different groups of related cultivars.
In the 2020−2021 pepper and 2021 muskmelon crops, several different methodological studies were conducted to examine the effects of time (hour of the day) of sampling, petiole and sap storage, and leaf position, on petiole sap NO3− concentration. The effect of the time of sampling was evaluated by collecting petioles at 08:00, 10:00, 12:00 and 14:00 hours, two times in each of the pepper and muskmelon crops. On each occasion, only one N treatments and one cultivar was sampled. The effect of storage and refrigeration of petioles and diluted sap (extracted immediately after petiole sampling) was examined by storing samples either in refrigeration at 5°C or un−refrigerated at 20°C, for 2, 3, 6 and 24 hours. The NO3−concentration of petiole sap was also determined immediately after petiole sampling and in petioles that had been frozen for 7 days. The effect of leaf position was assessed by sampling petioles in high (the most recently fully expanded leaf), medium (five leaves below the high position) and low (ten leaves below the high position) positions of plants that three different N treatments (excessive, sufficient and deficient).
The effect of time of sampling on sap NO3−concentration was inconsistent in the four different studies. While, it could not be concluded that the hour of sampling definitely affected the sap NO3− concentration, the results suggested that petiole sampling should be done at the same time of day, between 10:00 h and 14:00 h to minimize possible effects from time of sampling. The effect of time of storage on the NO3− concentration of both petiole and diluted sap samples was very similar. Compared to immediate extraction, the NO3− concentration increased to 6 h, and then decreased between 6 and 24 h. The frozen petiole samples had similar NO3− concentration to that of petioles that were immediately extracted after sampling. The position of the sampled leaf did not significantly affect the sap NO3−concentration; however, there was a tendency to increase in the lower position of the leaf when the N supply was excessive.
In general, the results of this thesis demonstrated that monitoring the NO3− concentration of the root−zone soil solution, of the 1: 2 soil:water extract, and of petiole sap are methods strongly related to the NNI of pepper crops. The consistency of the results obtained in different crops demonstrates that these methods have the potential to evaluate the crop N status and to assess the adequacy of the immediately available N supply of pepper crops. The sufficiency values and ranges determined in this thesis will be useful for improving N management of pepper crops. The effect of cultivar in cucumber, muskmelon and pepper crops on sap NO3− concentration and leaf N content suggests that it is important to consider possible cultivar effects on sufficiency values, and that it may be necessary to derive sufficiency values for different cultivars or groups of cultivars. Regarding measurement factors that could affect sap NO3− concentration, such as the effect of time of day, petiole or sap sample storage and leaf position; it appears that time of day, refrigeration, and leaf position do not significantly affect measurements, but sample storage time can influence measurements. It is recommended that consistent procedures be used for all sampling. However, further research is needed to fully elucidate the effect of different sampling and handling factors on sap NO3− concentration measurement.
- español
