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Introducción
En México la superficie de producción con hortalizas en condiciones de agricultura protegida ha aumentado en años recientes (SIAP, 2010), el tomate (Lycopersicum esculentum Mill.) es la hortaliza más cultivada, actualmente experimenta un fuerte desarrollo en diversas regiones y condiciones de clima, suelo, calidad de agua y manejo agronómico (Nieves et al., 2011). Para su producción los sustratos empleados son heterogéneos, basados principalmente en variables climáticas, agronómicas y de fertilización que pueden ayudar a aumentar su eficiencia y rentabilidad (Rucoba et al., 2006; Ortega et al., 2014). Estas variables interactúan con factores ambientales y fisiológicos, de los cuales el productor ejerce un grado de control sobre ellos, pues aplica sus propios esquemas de manejo de acuerdo con su criterio (Bojaca et al., 2009).
Se estima que 80% de la producción hortícola bajo cubiertas plásticas se lleva a cabo en suelo (Castellanos, 2004), sin embargo, éste se maneja como un sustrato inerte, pues no se considera su riqueza y potencialidad productiva por lo que es frecuente y continúa la aplicación de fertilizantes inorgánicos, abonos orgánicos y plaguicidas, con base en las recomendaciones desarrolladas para otras condiciones ambientales y sistemas productivos. Además genera un aumento en los costos de producción así como contaminación ambiental (Alconada et al., 2000; Giuffré et al., 2004). Esto ha sido también reportado en otros sitios del mundo (Moorman, 1998; Karami y Ebrahimi, 2000; Baixauli y Aguilar, 2002).
La elección de cultivar en suelo se basa en ventajas tales como amortiguar interrupciones temporales de agua y la disponibilidad de nutrimentos e incrementar la eficiencia de estos (Villarreal et al., 2002; Castellanos, 2004). No obstante, es ampliamente reconocido que los suelos agrícolas presentan proceso de degradación tales como: salinización, alcalinización, disminución de permeabilidad, desequilibrios nutritivos y desarrollo de enfermedades (Alconada et al., 2011).
Diversos estudios que evalúan rendimientos de tomate en invernadero empleando suelo, muestran diferencias, debido principalmente a los distintos complementos que se utilizan en el sistema como acolchados plásticos, soluciones nutritivas, adición de abonos orgánicos y suelos con distintas propiedades físicas y químicas (Kirda et al., 2004; Ojodeagua et al., 2008; Alconada et al., 2011; Grijalva et al., 2011; Bouzo y Astegiano, 2012).
De la misma forma, se utiliza el sistema hidropónico abierto mediante sustratos inertes como roca volcánica (tezontle), aserrín, compostas y fibra de coco (Gómez, 2003; Moreno y Valdés, 2005; Márquez et al., 2006; Rodríguez et al., 2008; Vargas et al., 2008; Ortega et al., 2010; San Martín et al., 2012). Observándose que uno de los problemas es el rendimiento, el cual varía principalmente por las características físicas y químicas de cada uno de los sustratos empleados; el interés por utilizar distintos sustratos y el suelo está basado en disminuir costos, aumento de rendimiento, calidad de frutos y optimización en el uso de agua y fertilizante (Inden y Torres, 2004).
Para aumentar el rendimiento de tomate en invernadero, han contribuido los cambios en los sistemas de producción, la tecnología, investigaciones y formas de investigar en el mundo, por lo que existe una gran necesidad de investigación local, especialmente en países como México, donde este tipo de tecnología es relativamente nueva para la mayoría de los agricultores (Baeza et al., 2006; Castañeda, 2007; Rico et al., 2007; Vázquez et al., 2007; Acuña, 2009; Ramos et al., 2010; López y Hernández, 2010; Briceño et al., 2011).
El objetivo del presente estudio fue comparar la eficiencia de diferentes sustratos en relación al rendimiento, aprovechamiento de agua y solución nutritiva en el sistema hidropónico y el suelo para la producción de tomate en invernadero.
Materiales y métodos
La investigación se realizó en el municipio de Chignahuapan, en la región morfológica de la Sierra Norte del estado de Puebla en 2013. El clima corresponde a C(w1) templado subhúmedo, temperatura media anual entre 12 y 18 oC. La precipitación total anual en la zona varía de 600 a 1 000 mm (SMRN, 2007). Se consideró un invernadero de 1 000 m-2 para clima templado con ventana cenital de polietileno. Las temperaturas medias máxima y mínima dentro del invernadero fueron de 3 y 31 oC. Se cultivó tomate variedad Suun 7 705 de la empresa Nunhems de crecimiento indeterminado. Se evaluaron en el sistema hidropónico abierto los sustratos piedra volcánica (tezontle rojo), fibra de coco y la mezcla de aserrín-composta de ovino en proporción 1:1. Así como el suelo y suelo con acolchado plástico. En el Cuadro 1 se presenta la caracterización física de cada tratamiento. El diseño experimental fue bloques completamente al azar, se evaluaron 5 tratamientos, con 8 repeticiones, cada unidad experimental estuvo constituida por 15 plantas, con una separación de 30 cm entre ellas; y se utilizó un arreglo topológico a tresbolillo ajustando la distribución, la variable de respuesta fue el rendimiento.
Volumen, densidad aparente y densidad real, determinados mediante el método propuesto por De Boodt et al. (1974). Espacio poroso total (%) (1- Da/Dr) x 100 Agua retenida. Determinados mediante el método propuesto por Martínez (1992). CE conductividad eléctrica determinada por propiedades medidas en extracto saturado, descrito por Warncke (1988) y pH Medidos con un conductimetro/ potenciómetro HI 98312 DIST® Hanna Instrumenst.
Para los tratamientos con sustratos, el volumen por planta fue de 10 L y se depositaron en bolsas de polietileno calibre 70, para el acolchado del suelo, se utilizó polietileno negro/ plateado adicionado con antioxidantes y protectores de rayos ultra violeta, color negro/plata calibre 90. La densidad de plantación fue de 6 m-2. Para el suministro de solución nutritiva se dispuso de una instalación de riego mediante tiempos, que consistió en establecer un calendario con una frecuencia definida para 24 h. que se ajustó de acuerdo al porcentaje de agua retenida. Asimismo, se colectó y cuantificó la solución drenada de los sistemas hidropónicos con sustratos.
Se utilizaron dos soluciones nutritivas para los tratamientos (Cuadro 2) basadas en los resultados de análisis de agua y suelo y se diseñaron a partir de nitrato de calcio, nitrato de potasio, sulfato de magnesio, sulfato de potasio y ácido fosfórico más microelementos.
Se determinó la eficiencia de los sustratos y el suelo mediante los cocientes de cantidad utilizada de agua, fertilizantes y peso de tomate producido por metro cuadrado, rendimiento total, y comercial, y los frutos se clasificaron según su diámetro chicos (4-6 cm), medianos (6-8 cm), grandes (≥ 8 cm). Para fines de este trabajo se separaron del rendimiento comercial total, aquellos frutos con diámetro menor que 4 cm y los que tuvieron alguna fisiopatía. Las variables fueron sujetas a un análisis de varianza (ANOVA) y pruebas de comparación de medias Tukey (α= 0.01) y correlaciones, mediante el paquete estadístico Statistical Package for the Social Sciences (SPSS). También se recabó la información económica de la inversión realizada para cada sustrato, así como los costos de producción y los ingresos obtenidos por la venta local de tomate, posteriormente se determinó la rentabilidad a través del indicador costo beneficio.
Resultados y discusión
El rendimiento de tomate presentó diferencias significativas (α= 0.01) entre tratamientos, destacando el sistema hidropónico empleando el sustrato tezontle con promedio de 25.2 kg m-2, (Cuadro 3), expresando que las características físicas del sustrato impactaron en la capacidad productiva. Estos resultados son superiores a los obtenidos por Ortega et al. (2010) con 19.6 kg m-2 al emplear el mismo sustrato, pero inferiores a los de Ojodeagua et al. (2008) con 34.1 kg m-2 y San Martin et al. (2012) que utilizaron mezcla de tezontle con polvo de fibra de coco en condiciones de invernadero. El suelo con acolchado plástico, mostró un rendimiento de 23.3 kg m-2, mayor al suelo sin acolchar 19.4 kg m-2, aun cuando sus características físicas son equivalentes, estos resultados fueron similares a los reportados por Villarreal (2002) y Macías et al. (2010).
Cuadro 3 Eficiencia de agua y fertilizantes en el rendimiento de tomate.
†Letras distintas en la misma columna indican diferencias significativas según la prueba de Tukey (α= 0.01). C/B= costo beneficio. SN= solución nutritiva.
En relación a la mezcla aserrín-composta resultó estadísticamente menor en rendimiento con respecto al tezontle y suelo con acolchado plástico, resultados que no concuerdan con Burés (1997); Nelson (1991); Strojny y Nowak (2001), quienes mencionan que un material por sí solo es difícil que cumpla con las mejores condiciones físicas y químicas para el desarrollo de las plantas. Por lo que es necesario hacer mezclas de materiales con diferentes propiedades físicas y químicas. Sin embargo, concuerda con los resultados presentados para el tratamiento fibra de coco, que mostró el mayor consumo de agua y solución nutritiva y menor rendimiento (16.8 kg m-2). Este consumo lo pudo ocasionar el uso excesivo de estos fertilizantes como lo menciona Villarreal et al. (2009) provoca, además de un aumento en los costos de producción, desbalances nutricionales en los cultivos y problemas de contaminación ambiental.
Por otra parte, el tratamiento tezontle obtuvo 55% de frutos mayores a 8 cm, seguido del suelo con acolchado plástico 52%, (Figura 1), similares a Ojodeagua et al. (2008), al evaluar tezontle y suelo, ambos tratamientos mostraron la menor cantidad de frutos pequeños, entre 4-6 cm (8%).
Del mismo modo, los resultados del costo beneficio, demuestran que la mayoría de los tratamientos evaluados son rentables a excepción de la fibra de coco (Cuadro 3). No obstante, a pesar de que el tratamiento tezontle presentó los mejores rendimientos, el suelo con acolchado plástico tuvo el mejor beneficio, debido a que por cada peso invertido se obtuvo 0.8 pesos mexicanos. Los costos mayores fueron la mano de obra y el fertilizante, resultados que son similares a los de Rucoba et al. (2006).
Eficiencia de agua y solución nutritiva
El mayor consumo de agua y solución nutritiva por kilogramo de tomate producido se presentó en la fibra de coco (2 708 L - 16.8 kg m-2) y tezontle (2 158 L - 25.2 kg m-2), estos resultados pueden estar influenciados por la poca retención de agua, al mostrar una correlación altamente significativa entre rendimiento y el porcentaje de agua retenida (Cuadro 4). Resultados que coinciden con los obtenidos por Vargas et al. (2008). No obstante, difieren con los obtenidos por Abad et al. (2004); Tahi et al. (2007), los cuales indican que la producción de hortalizas en invernadero es una de las alternativas que se llevan a cabo para alcanzar un uso sustentable del agua, siendo importante señalar que para este estudio el sistema consistió en drenaje libre; es decir un sistema hidropónico abierto, por lo que el agua y la solución nutritiva no se reutilizó, lo que muestra una baja eficiencia.
Cuadro 4 Correlaciones entre rendimiento, agua, solución nutritiva y características físicas de los sustratos.
*La correlación es significante al nivel α= 0.01**. N= nitrógeno; Ca= calcio; K= potasio; P= fósforo; Mg= magnesio; V= volumen; EPT= espacio poroso total.
Para los tratamientos suelo y suelo con acolchado plástico, no se encontraron diferencias significativas en consumo de agua y solución nutritiva, no así en el rendimiento (Cuadro 2). Brouse et al. (2006), mencionan que el acolchado plástico del suelo tiene repercusiones negativas, porque induce a la degradación biológica del suelo, lo que genera un impacto adverso en el ambiente (Peña et al., 2001), contaminación de la atmósfera (Ramanathan et al., 1985), en los suelos (Castellanos y Peña,1990) y los mantos acuíferos, así como la eutrofización de aguas superficiales (Gilliam et al., 1985). Además, el consumo de agua y fertilizantes en ambos tratamientos (suelo y suelo con acolchado plástico), fue significativamente menor, al del tezontle, pero no se consideran sistemas de producción sustentables. Por tal razón productores de diversos países han adaptado prácticas orgánicas al cultivo sin suelo (Inden y Torres, 2004; Grigatti et al., 2007; Jordán et al., 2010). A diferencia de México en donde el suelo es ampliamente utilizado en distintos cultivos (Inzunza et al., 2007; Munguía et al., 2011; Gutiérrez et al., 2010; Cih et al., 2011).
La matriz de correlación del rendimiento (Ren) (Cuadro 4) con el agua aplicada (AP), consumo de solución nutritiva (SN), volumen de sustrato (V), espacio poroso total (EPT) y agua retenida (AR); fue altamente significativa (α= 0.01) e inversamente proporcional de Rencon V, EPT, significativa e inversamente proporcional con AP y AS; y significativa y directamente proporcional con AR, estos efectos son similares a los obtenidos por otros autores (Adams, 1986; FAO, 1990; Chung et al., 1992; Chi y Han,1994; Cadahía, 2005), quienes mencionan que no hay efecto significativo en el rendimiento por el uso de diferentes concentraciones, dentro del intervalo de 10 a 320 mg L-1 de nitrógeno, de 5 a 200 mg L-1 de fósforo y de 20 a 300 mg L-1 de potasio. Cabe hacer notar que estos resultados han sido desarrollados para sistemas hidropónicos cerrados que involucran la recirculación de la solución nutritiva para su posterior uso.
Existe una correlación altamente significativa en el consumo de agua y la eficiencia de fertilizantes, es decir entre mayor sea el gasto de solución nutritiva el uso de fertilizantes aumenta y al ser sistemas donde no se recircula, como mencionan (Volke et al., 1993; Crovetto, 1996), producen degradación física, química y biológica del suelo, debido a la disminución del contenido de materia orgánica, la acumulación residual de sales solubles y la reducción de su población microbiana. Además, el uso de fertilizante nitrogenado en cantidades superiores a los requerimientos de los cultivos provoca altas emisiones de dióxido de nitrógeno hacia la atmósfera, lo cual contribuye al efecto invernadero y a la destrucción de la capa de ozono (Baggs et al., 2003).
La cantidad de agua que se aplicó a las plantas de tomate, en sus diferentes etapas de crecimiento y desarrollo en los tratamientos, aumentó conforme transcurrió el tiempo, la mayor cantidad fue durante los meses julio, agosto y septiembre (Figura 2), aunado al aumento de la radiación solar (Radin et al., 2004). El suelo con acolchado plástico, mostró el mayor coeficiente de uso de agua (63.6 L kg), 50% y 48% menor al gasto de los sustratos fibra de coco y tezontle respectivamente (Cuadro 2), la cantidad aplicada es superior a la recomendada por Albiac, (2004). No obstante, los resultados obtenidos se encuentra dentro del rango de los realizados por otros autores (Ojodeagua et al., 2008; Alconada et al., 2011; Yescas et al., 2011).
Conclusiones
En regiones de clima templado subhúmedo cuyas temperaturas oscilan entre 12 y 18 °C, es importante la producción de tomate bajo invernadero, aun cuando las condiciones ambientales en el interior del mismo pueden llegar a temperaturas más extremas, afectando los rendimientos, la eficiencia del agua y de los fertilizantes. No obstante, los tipos de sustratos que se utilizan son de consideración en la investigación cuyos resultados indican cual es el mejor para beneficio de los productores.
La eficiencia en agua y fertilizante que se logra mediante el cultivo en suelo con acolchado plástico, es del orden de 50% en comparación con los sustratos fibra de coco y tezontle con el hidropónico.
Las diferencias obtenidas en rendimiento entre los tratamientos podrían ser efecto de las propiedades físicas y químicas de los sustratos evaluados, así como por el uso del acolchado plástico.
El rendimiento mostró diferencias significativas, destacando el tezontle, no obstante, el tratamiento suelo con acolchado plástico, mostró el mejor beneficio económico.
