Introducción

En México, en el año 2016 se sembraron 64 466 ha de papa (42 027 ha de riego y 22 439 ha de temporal), de las cuales 13 635 ha de riego fueron sembradas en Sinaloa, con rendimiento promedio de 26.42 t ha^-1, consolidándose como el primer productor a nivel nacional (^{SIAP, 2016}). En Sinaloa, el cultivo de papa se realiza en campo abierto, donde las plantas están expuestas a limitantes físicas, químicas y biológicas del suelo y a condiciones ambientales, que afectan el rendimiento.

En contraste, la agricultura protegida ofrece ventajas, respecto a la producción a campo abierto como: cierta independencia del clima, el uso de sustratos como sustitutos del suelo, mayor eficiencia en el uso del agua y de los nutrimentos (^{Sánchez et al., 2014}), entre otras, lo que permite obtener mayores rendimientos. En México, el cultivo de papa en invernadero se limita a la obtención de tubérculo-semilla, en la cual la progenie de material prenuclear (prebásico I), obtenida in vitro, es indispensable que sea multiplicada en ambiente protegido, en sustrato y diagnosticada libre de plagas y enfermedades (^{DOF, 2003}).

En ese sentido, se desconoce si la producción de papa en invernadero puede ser una alternativa viable para el mercado nacional. En el cultivo de papa, el N es el nutrimento más limitante del crecimiento (^{Errebhi et al., 1998}), mientras que el K es el más absorbido (^{Panagiotopoulos, 1995}), cantidades inadecuadas de N y K reducen la materia seca del tubérculo, característica importante en la calidad de la papa (^{Alison et al., 2001}) y un suministro inapropiado de N afecta el número de tubérculos (^{O’Brien et al., 1998}). La aplicación conjunta de N y K es importante para obtener altos rendimientos de papa; ^{Sifuentes et al. (2013)} reportan que para producir 1 t ha^-1 de papa se requiere una extracción total de 6.3 kg N ha^-1 y 7 kg K ha^-1, mientras que ^{Berstch (2009)}, mediante recopilación de información a nivel mundial, menciona promedios de 6.2 y 8.7 kg N y K ha^-1.

Una práctica común de los productores de papa de Sinaloa es aplicar cantidades excesivas de N y K, porque generalmente no se utilizan los análisis químicos del suelo y del agua de riego para conocer los aportes de estos nutrimentos en la demanda del cultivo y se desconoce los porcentajes de eficiencia de la fertilización con N y K en los distintos suelos de Sinaloa. Por ello, excesos de N y K pueden reducir los rendimientos, incrementar los costos de producción y contaminar con N las aguas superficiales y las subterráneas (^{Vitosh y Jacobs, 1990}). Una forma de reducir el impacto negativo en el ambiente de los excesos de N y de otros nutrimentos (P principalmente) es utilizar sistemas hidropónicos cerrados donde la solución nutritiva drenada se recoge para volverse a usar en el cultivo, previa medición y ajuste, si fuera necesario, de pH y CE (^{Sánchez et al., 2014}).

La interacción N-K se presenta en los ecosistemas agrícolas (^{Johnston y Milford, 2009}), aunque la mayoría de las interacciones son complejas, ya que un nutrimento al interactuar con otro puede inducir deficiencias, toxicidades, modificar la respuesta en el crecimiento y alterar la concentración de nutrimentos en las plantas. En general los experimentos de nutrición vegetal realizados se investigó el efecto de un nutrimento en el crecimiento, por lo que estudios de interacción realizados con más de un nutrimento en el mismo experimento son limitados (^{Fageria, 2001}). En los cultivos hidropónicos una forma de evaluar el efecto del N, K y de la interacción NxK es mediante el uso de relaciones relativas de iones en la solución nutritiva, donde una concentración alta de NO₃ ^-, respecto a los aniones H₂PO₄ ^- y SO₄ ^2-, y una baja concentración de K⁺, respecto a los cationes Ca²⁺ y Mg²⁺, indica una relación alta de NO₃ ^-/K⁺, mejor conocida como la relación N/K.

En México y en Latinoamérica no hay estudios en papa, utilizando relaciones NO₃ ^-/aniones y K⁺/cationes en la solución nutritiva, ya que para definir estas relaciones es necesario considerar la metodología propuesta por ^{Steiner (1984)}; sin embargo, esta técnica no es de conocimiento usual o no tiene una aceptación general, por ello los objetivos de este estudio fueron determinar la interacción de tres relaciones porcentuales [NO₃ ^-/aniones (NO₃ ^-, H₂PO₄ ^- y SO₄ ^2-)] y tres relaciones porcentuales [K⁺/cationes (K⁺, Ca²⁺ y Mg²⁺)] en la solución nutritiva en la composición mineral y el rendimiento de papa cultivada en un sistema hidropónico cerrado.

Materiales y métodos

El experimento se llevó a cabo en 2014 en un invernadero, con ventilación lateral y mallas antiáfidos en las paredes, ubicado en Culiacán, Sinaloa, México, a 24° 37’ 24.40” y 38 m de altitud, las temperaturas mínima y máxima promedio fueron 15.2 y 29.6 °C, respectivamente. Se utilizó papa variedad Agatha, cultivada en un sistema hidropónico de subirrigación en circuito cerrado, integrado por 72 recipientes de plástico con capacidad de 20 L cada uno, conectados cada par de recipientes con manguera de hule de 1.25 cm de diámetro. Uno de los recipientes contenía 15 L de fibra de coco como sustrato y en el otro 10 L de la solución nutritiva (SN) correspondiente. En los recipientes que contenían la fibra se colocaron los tubérculos, a 10 cm de profundidad, uno por recipiente. La separación entre las hileras fue 1 m y entre plantas en cada hilera fue 0.3 m, con una densidad de siembra de 33 333.3 plantas ha^-1.

El diseño experimental fue bloques completos al azar con arreglo factorial de tratamientos 3² y cuatro repeticiones para un total de 36 unidades experimentales, donde cada unidad consistió de una planta de papa. Los factores y niveles evaluados fueron: 1) tres relaciones (40/100, 60/100 y 80/100) porcentuales NO₃ ^-/aniones (NO₃ ^-, H₂PO₄ ^-, SO₄ ^2-); y 2) tres relaciones (15/100, 35/100 y 55/100) porcentuales K⁺/cationes (K⁺, Ca²⁺, Mg²⁺) (Cuadro 1). Al combinar las tres relaciones porcentuales NO₃ ^-/aniones con las tres relaciones porcentuales K⁺/cationes resultaron nueve SN, las cuales se diseñaron a partir de modificaciones de la solución universal de ^{Steiner (1984)}, cuya relación porcentual entre los aniones NO₃ ^-, H₂PO₄ ^- y SO₄ ^2-, es 60, 5 y 35 y entre los cationes K⁺, Ca²⁺ y Mg²⁺ es 35, 45 y 20 y consistieron en variar la concentración de NO₃ ^- con relación a H₂PO₄ ^- y SO₄ ^2-, así como la concentración de K⁺ con respecto a Ca²⁺ y Mg²⁺ (Cuadro 1).

Las SN se prepararon con agua de riego con una CE de 0.3 dS m^-1 y pH de 7, clasificada C1S1 (riesgo bajo de salinización y sodificación) (^{Ayers y Westcot, 1985}), considerando en la formulación de las SN los nutrimentos presentes en el agua. Como fuentes de macronutrimentos se usaron fertilizantes: nitrato de calcio, nitrato de potasio, sulfato de potasio, sulfato de magnesio, fosfato monopotásico. Los micronutrimentos se aportaron como reactivos químicos (ácido bórico, sulfato de zinc, sulfato de manganeso, sulfato de cobre y quelato de hierro).

A las SN se les añadieron las concentraciones de micronutrimentos (mg L^-1) siguientes: Fe 2.5, Mn 0.5, B 0.5, Cu 0.02 y Zn 0.05 (^{Parra et al., 2010}). Las SN se ajustaron a un potencial osmótico de -0.072 MPa (Cuadro 2), de acuerdo con ^{Steiner (1984)}. Se aplicó un riego diario a la fibra de coco y diariamente se repuso el agua evapotranspirada, mediante aforo con agua de riego, sin ajustar el pH de las SN, las cuales se renovaron cada 15 d, utilizando como criterio de cambio una reducción del 50% de la CE inicial de las SN. A los 85 d después de la siembra se evaluó: rendimiento (kg ha^-1), número y diámetro de tubérculos (diámetros menores de 12 mm no fueron contabilizados), materia seca de tubérculos (MST) y la concentración nutrimental en hojas, tallos y frutos.

La MST se cuantificó considerando los pesos frescos y secos del tubérculo, los cuales se obtuvieron al secar los tubérculos frescos a 100 °C durante 48 h. La biomasa fue separada en sus componentes: hojas, tallos y tubérculos, los cuales se secaron a 70 °C hasta peso constante, se molieron y se pasaron por un tamiz de 0.5 mm de diámetro. El N se determinó por el procedimiento semi-micro Kjeldahl (^{Etchevers, 1987}) modificado para incluir nitratos. El fósforo se cuantificó por el método amarillo vanadato molibdato (^{Rodríguez y Rodríguez, 2002}), calcio y magnesio por titulación con EDTA (^{Chavira y Castellanos, 1987}) y el potasio por flamometría (^{Alcántar y Sandoval, 1999}). El análisis de varianza y de correlación de las variables consideradas se realizó para los factores principales y para su interacción, con el paquete estadístico SAS, versión 9.4 (^{SAS, 2013}). Para la comparación de medias se utilizó la prueba de Tukey (α≤ 0.05).

Resultados y discusión

Análisis nutrimental en hojas. La interacción entre NO₃ ^-/aniones y K⁺/cationes fue significativa para las concentraciones de P, K, Ca y Mg y la relación NO₃ ^-/aniones afectó (p≤ 0.01) la concentración de N (Cuadro 3).

Los porcentajes de P obtenidos con las tres relaciones K⁺/cationes fueron diferentes para las relaciones 40 y 60/100 NO₃ ^-/aniones. En la relación 40/100 NO₃ ^-/aniones la mayor concentración de P (0.47%) se obtuvo con 55/100 K⁺/cationes y al aumentar la relación a 60/100 NO₃ ^-/aniones la concentración de P (0.11%) se redujo significativamente (Cuadro 4), posiblemente por la menor proporción de P (5%) en la relación 60/100 NO₃ ^-/aniones, comparado con 40/100 NO₃ ^-/aniones (7.5% de P) (Cuadro 1). ^{Dechassa et al. (2003)} mencionan que concentraciones bajas de P limitan el transporte de este elemento a las raíces reduciendo la absorción. Los resultados de ^{Soratto et al. (2015)} en papa (Solanum tuberosum L.) coinciden con lo encontrado en este estudio, debido a que ellos también reportaron mayor concentración de P en las hojas con los aumentos de P en la SN.

Con la combinación 80/100 NO₃ ^-/aniones y 15/100 K⁺/cationes se obtuvo la mayor concentración de K (6.5%) y al incrementar a 35 y 55/100 K⁺/cationes la concentración fue reducida 18.5 y 32.3% al obtener 5.3 y 4.4% de K, lo que puede atribuirse al mayor porcentaje de Ca (58.85%) en la combinación 80/100 NO₃ ^-/aniones y 15/100 K⁺/cationes, ya que el Ca estimuló la absorción de K al estabilizar el pH de la solución (^{Marschner, 1995}). Este resultado coincide parcialmente con lo reportado por ^{Kavvadias et al. (2012)}, quienes obtuvieron menor concentración de K (3.7%) en las hojas de papa con aplicaciones de 450 kg de K₂O ha^-1, respecto a 112 y 225 kg de K₂O ha^-1 (5.6 y 4% de K en hojas, respectivamente).

Referente al Ca, con la combinación 40 NO₃ ^-/aniones y 15/100 K⁺/cationes se obtuvo la mayor concentración de Ca (6.3%) y la menor (0.6% de Ca) con 60/100 NO₃ ^-/aniones y 55/100 K⁺/cationes (Cuadro 4). Con la combinación 60/100 NO₃ ^-/aniones y 15/100 K⁺/cationes se obtuvo la mayor concentración de Mg (2.3%) y la menor (0.6%) con 60/100 NO₃ ^- /aniones y 55/100 K⁺/cationes (Cuadro 4).

Las reducciones en las concentraciones de Ca y de Mg en hojas obtenidas con la relación 55/100 K⁺/cationes son atribuidas al antagonismo del K sobre el Ca (^{Kavvadias et al., 2012}) y el Mg (^{Fageria, 2001}), porque a mayor proporción de K en la solución nutritiva (SN), menores concentraciones de Ca y Mg en las hojas. Con la relación 80/100 NO₃ ^-/aniones en la SN se obtuvo la mayor concentración de N (6%), mientras que la menor (4.3% de N) con 40 NO₃ ^-/aniones (Cuadro 3). ^{Geary et al. (2015)} reportaron concentraciones de 3.1 a 6.5% de N en hojas de papa cultivar Russets Burbanks al usar 20 a 320 mg N L^-1 de solución en un sistema hidropónico cerrado, concentraciones de N parecidas a las obtenidas en el presente trabajo. Los promedios de las concentraciones nutrimentales en hojas tuvieron el orden K> N> Ca> Mg> P y las concentraciones de Ca y K variaron más que las concentraciones de N, Mg y P, basado en sus desviaciones estándares (Cuadro 3).

^{Kavvadias et al. (2012)} reportaron promedios de N> K> Ca> Mg> P en hojas de papa cultivar Spunta, cultivada en suelo, valores muy parecidos a los obtenidos en el presente trabajo, además estos autores indican que K y N tuvieron mayor variación respecto a Ca, Mg y P. El N en la hoja fue positiva y significativamente correlacionado con la relación NO₃ ^-/aniones (r= 0.73^**) y negativamente con la concentración de P en la hoja (-0.38^*). Esta correlación positiva indica que al aumentar la concentración de NO₃ ^- en la SN aumentó la concentración de N en hoja, lo que coincide con ^{Kavvadias et al. (2012)} y con ^{Geary et al. (2015)}, mientras que la correlación negativa encontrada en la concentración de P en hojas se explica porque la concentración de P fue reducida con los aumentos de NO₃ ^- en la SN. La relación K⁺/cationes en la SN tuvo una correlación negativa y significativa con las concentraciones de Ca en las hojas (-0.58^**) y de Mg (-0.65^**), ya que incrementos en la relación K⁺/cationes en la SN redujeron las concentraciones de Ca y Mg en las hojas.

Análisis nutrimental en tallos aéreos. Las concentraciones de K, Ca y Mg fueron afectadas (p≤ 0.01) por la interacción NO₃ ^-/aniones x K⁺/cationes (Cuadro 5). Los mayores valores de K (8.4 y 9%) se obtuvieron con las combinaciones 60/100 y 80/100 NO₃ ^-/aniones con 55/100 K⁺/cationes y la menor concentración de K (4.7%) con 60/100 NO₃ ^-/aniones y 15/100 K⁺/cationes (Cuadro 6), lo que puede deberse a que estos órganos acumulan K para cubrir la demanda de K de las hojas y de los tubérculos, ya que el cultivo de papa absorbe mayor cantidad de K que de N y P (^{Panagiotopoulos, 1995}). Respecto al Ca, la mayor concentración (2.7%) fue obtenida con la relación 15/100 K⁺/cationes combinada con 40/100, y la menor concentración (0.5% de Ca) con la mezcla 60/100 NO₃ ^-/aniones y 55/100 K⁺/cationes (Cuadro 6).

La concentración de Mg en tallos tuvo un patrón similar al de Ca, ya que la mayor concentración (1.7% de Mg) se obtuvo con la relación 15/100 K⁺/cationes y la menor (0.3%) con la relación 55/100 K⁺/cationes (Cuadro 6). Las reducciones en las concentraciones de Ca y Mg obtenidas con la combinación 55/100 K⁺/cationes y 60/100 NO₃ ^-/aniones es un reflejo del antagonismo del K sobre el Ca y Mg (^{Fageria, 2001}; ^{Kleiber et al. 2012}); por ello, la relación K⁺/cationes en la solución nutritiva tuvo una correlación negativa y significativa con las concentraciones de Ca en tallos (-0.5^**) y de Mg (-0.51^**).

En contraste, la relación K⁺/cationes tuvo una correlación positiva y significativa (0.46^**) con la concentración de K en los tallos, ya que al aumentar dicha relación las concentraciones de este elemento en los tallos fueron incrementadas. Las concentraciones de N y de P en los tallos fueron afectados (p≤ 0.05) por las relaciones NO₃ ^-/aniones y K⁺/cationes en la SN, las mayores concentraciones de N (3.7%) y de P (0.39%)se obtuvieron con la relación 80/100 NO₃ ^-/aniones y con 40/100 NO₃ ^-/aniones, respectivamente (Cuadro 5), atribuido a las mayores concentraciones de N y P en estas SN (Cuadro 2). Debido a la falta de investigaciones realizadas a nivel mundial sobre el análisis nutrimental en tallos de papa no fue posible comparar con otros trabajos científicos los resultados obtenidos en el presente estudio, ya que en la totalidad de los estudios consultados solo se analizan hojas y tubérculos.

Análisis nutrimental en tubérculos. La interacción NO₃ ^-/aniones x K⁺/cationes fue significativa (p≤ 0.01) para las concentraciones de Ca y Mg, mientras que la relación porcentual NO₃ ^-/aniones afectó la concentración de N y la relación porcentual K⁺/cationes fue diferente para la concentración de K (Cuadro 7).

El mayor valor de Ca (2.3%) se obtuvo con la combinación 60/100 NO₃ ^-/aniones y 15/100 K⁺/cationes y los menores (0.4 y 0.3% de Ca) con 55 y 35/100 K⁺/cationes. La mayor concentración de Mg (1.7%) fue obtenida con 60/100 NO₃ ^-/aniones y 15/100 K⁺/cationes y los menores, los cuales fueron estadísticamente iguales entre sí (0.3 y 0.2% de Mg) con 35 y 55/100 K⁺/cationes (Cuadro 8).

Las menores concentraciones de Ca y Mg obtenidas por las combinaciones NO₃ ^-/aniones con 55/100 K⁺/cationes se atribuyen principalmente al antagonismo del K con el Ca y el Mg (^{Kleiber et al., 2012}) debido a la alta proporción de K⁺ (55%) en la SN respecto al Ca²⁺ (31.15%) y al Mg²⁺ (13.85%), lo que genera mayor disponibilidad de K y menor de Ca y de Mg en la SN (Cuadro 1), por ello la relación K⁺/cationes en la SN tuvo una correlación significativa y negativa con las concentraciones de Ca (-0.53^**) y Mg (-044^**) en los tubérculos. Las relaciones 60 y 80/100 NO₃ ^-/aniones aumentaron estadísticamente la concentración de N en el tubérculo, respecto a 40/100 NO₃ ^-/aniones (Cuadro 7), lo que coincide con ^{Özturk et al. (2010)}, quienes mencionan que aplicaciones crecientes de N aumentaron la concentración de N en los tubérculos y difiere de ^{Kavvadias et al. (2012)} y de ^{Biemond y Vos (1992)} quienes reportaron que las aplicaciones crecientes de N no aumentaron la concentración de este nutrimento en el tubérculo. La relación 15/100 K⁺/cationes en la SN aumentó (p≤ 0.05) la concentración de K en el tubérculo, respecto a 35 y 55/100 K⁺/cationes, posiblemente a que las concentraciones de K en estas dos relaciones fueron excesivas, lo que contribuyó a generar un desbalance nutrimental, que se manifestó con concentraciones menores de K, Ca y Mg en los tubérculos (Cuadro 7).

Rendimiento y sus componentes. El análisis de varianza no mostró efectos significativos de las relaciones NO₃ ^-/aniones y K⁺/cationes, ni la interacción NO₃ ^-/aniones x K⁺/cationes en el rendimiento, la materia seca del tubérculo, el diámetro y el número de tubérculos. Sin embargo, los factores NO₃ ^-/aniones y K⁺/cationes afectaron (p≤ 0.05) el índice de cosecha (IC) (Cuadro 9). Las relaciones 60 y 80/100 NO₃ ^-/aniones en la SN redujeron significativamente el IC comparado con la relación 40/100 NO₃ ^-/aniones, atribuido a un retraso en la formación del tubérculo y a una disminución en su crecimiento (^{Allison et al., 2001}), provocado por una elevada fertilización nitrogenada (^{Vos, 1997}), lo que redujo la translocación de C a las hojas y tubérculos y aumentó el flujo de este elemento a las hojas jóvenes, en lugar de los tubérculos (^{Mohamed et al., 2017}).

Con las relaciones 35 y 55/100 K⁺/cationes se obtuvieron los mayores IC (0.4 y 0.38), mientras que el menor IC (0.3) fue obtenido con 15/100 K⁺/cationes, lo cual implica que las plantas desarrolladas con 35 y 55/100 K⁺/cationes en la SN destinaron una mayor proporción de asimilados al tubérculo, lo que coincide con ^{Singh y Lal (2012)}. La materia seca del tubérculo (MST) es importante para el destino de la producción, porque un alto contenido de MST favorece la industrialización de papa (^{Pritchard y Scanlon, 1997}). Con la relación NO₃ ^-/aniones se obtuvo un promedio 16% de MST y con la relación K⁺/cationes 14% de MST; estos valores son bajos, considerando los criterios de calidad propuestos por ^{Cacace et al. (1994)}, por lo que el uso más adecuado de estos tubérculos es para su consumo en fresco y no para deshidratar o freir.

^{Kavvadias et al. (2012)} reportaron 9 y 16.8% de MST, mientras que ^{Badillo et al. (2004)} obtuvieron 25.9 y 26.9% de MST y ^{Özturk et al. (2010)} reportaron 20 a 20.6% de MST. Las variaciones en la MST están relacionadas con los materiales genéticos usados, condiciones ambientales prevalecientes, fertilización utilizada y el manejo agronómico. ^{Allison et al. (1998)} y ^{Sharma y Arora (1987)} mencionan que el número de tubérculos no fue afectado por la fertilización nitrogenada ni por la potásica, lo que coincide con el presente estudio. Con la relación 60/100 NO₃ ^-/aniones se obtuvo el mayor rendimiento de tubérculo fresco (37.15 t ha^-1), valor estadísticamente (p≤ 0.05) similar a los obtenidos con las relaciones 40 y 80/100 NO₃ ^-/aniones (31.43 y 30.95 t ha^-1, respectivamente).

Respecto a la relación K⁺/cationes el mayor rendimiento (35.27 t ha^-1) se obtuvo con 15/100 K⁺/cationes, valor igual (p≤ 0.05) a los conseguidos con 35/100 K⁺/cationes (33.01 t ha^-1) y con 55/100 K⁺/cationes (30.74 t ha^-1) (Cuadro 9). ^{Kang et al. (2014)} reportaron que aplicaciones crecientes de K no aumentaron el rendimiento, lo que coincide con el presente estudio; mencionan que la absorción de K por las plantas aumentó con los incrementos de K, lo que sugiere que el cultivo de papa absorbe más K que el requerido cuando la disponibilidad de K es alta.

Generalmente se considera que el cultivo de papa responde a la fertilización potásica, por lo que se aplican altas cantidades de este elemento (^{Kavvadias et al., 2012}). Los datos de este estudio indican que, para las condiciones en que se desarrolló este trabajo, la relación 15/100 K⁺/cationes es la más adecuada, por lo que relaciones mayores de K⁺/cationes no son necesarias. El máximo rendimiento (40.36 t ha^-1) se obtuvo con la combinación 60/100 NO₃ ^-/aniones y 15/100 K⁺/cationes, valor no significativo respecto a las otras combinaciones, mientras que el menor (27.79 t ha^-1) fue obtenido con la combinación 80/100 NO₃ ^-/aniones y 55/100 K⁺/cationes (Figura 1).

Figura 1 Efecto de las relaciones porcentuales NK en la solución nutritiva en el rendimiento de tubérculo. 

Conclusiones

Las relaciones NO₃ ^-/aniones y K⁺/cationes y la interacción NO₃ ^-/aniones x K⁺/cationes no afectaron el rendimiento, la materia seca del tubérculo, el diámetro y el número de tubérculos. La interacción NO₃ ^-/aniones x K⁺/cationes redujo las concentraciones de Ca y Mg en hojas, tallos y tubérculos por antagonismo del K con estos elementos. Para reducir los costos de fertilización en la producción de papa, en un sistema hidropónico cerrado y fibra de coco como sustrato la relaciones NO₃ ^-/aniones y K⁺/cationes deben ser 40/100 y 15/100, respectivamente.