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UNIVERSIDAD DE ALMERÍA
Departamento de Agronomía
TESIS DOCTORAL
**************
Programa de Doctorado en Tecnología de Invernaderos,
Ingeniería Industrial y Ambiental
“Mejoras en los sistemas de fertirrigación de
hortalizas y ornamentales en cultivos sin suelo”
Autor: Isidro Morales García
Director: Dr. Miguel Urrestarazu Gavilán
Almería España, Mayo 2015
Reconocimientos
Al Consejo Nacional de Ciencia y Tecnologia (CONACyT), de México por la beca
otorgada para poder realizar mis estudios de doctorado.
Los resultados de esta tesis doctoral han sido publicados en:
Morales, I., Urrestarazu, M. 2014. Effect of a Passive Mixing Device on the
Electrical Conductivity and pH Values of a Nutrient Solution. J. Irrig. Drain. Eng. 140
(4): 1-4
Morales, I., Urrestarazu, M. 2013. Thermography Study of Moderate Electrical
Conductivity and Nutrient solution Distribution System Effects on Grafted Tomato
Soilles culture. HortScience 48 (12): 1508-1512
Morales, I., Álvaro, J. E., Urrestarazu, M. 2014. Contribution of thermal imaging
to fertigation in soilless culture. J. Therm. Anal Calorim. 116:1033–1039
Enviado:
Urrestarazu, M., Morales, I., Álvaro, J. E., La Malfa, T., Checa, R., Wamser, A. F.
2015. Effects of fertigation application duration on the pollution, water consumption
and productivity of soilless vegetable cultures. J. of Soil and Water Conservation.
Agradecimientos
A Dios por permitir realizar esta tesis doctoral.
A mi padre y madre por haberme dado la vida y por el apoyo brindado.
A mis hermanos que han compartido grandes momentos conmigo.
A toda mi familia que me han apoyado durante esta etapa de mi vida.
En especial a ti: Raquel Blanco Ruiz que me has apoyado y comprendido en todo
momento, muchas gracias.
A los profesores de la Universidad de Almería que me impartieron clases.
A mi Director de tesis: Dr. Miguel Urrestarazu Gavilán que me fue guiando desde que
le pedí información para realizar el doctorado hasta la culminación de este trabajo, por
*su amistad, tiempo, paciencia, apoyo, orientación y conocimiento, muchas gracias. Es
un honor haber sido estudiante de doctorado de una persona tan reconocida en el área de
agricultura protegida en muchos países.
A todas las personas que de alguna manera participaron en la realización de los trabajos
de investigación, por su tiempo y esfuerzo brindado para poder terminar mi tesis,
también a los compañeros de Ingeniería, grado, máster y doctorandos por compartir su
tiempo, apoyo y conocimientos.
A las instituciones que me han dado la oportunidad de formarme personal y
profesionalmente, Instituto Tecnológico de Valle de Oaxaca (ITVO), Colegio de
Postgraduados (CP), Universidad Autónoma Agraria Antonio Narro (UAAAN),
Universidad de Almería (UAL).
Isidro Morales García Tesis Doctoral: Mejoras en los sistemas de fertirrigación de hortalizas y
ornamentales en cultivos sin suelo
5
Resumen
La fertirrigación en cultivo sin suelo es una tarea que ejerce un efecto sobre los cultivos
muy significativo y que requiere una importante metodología técnica. Se tiene que
realizar de manera adecuada considerando: la frecuencia, el volumen suministrado por
emisor y el tiempo en el que se aplica. El objetivo general es contribuir a la mejora de
técnicas de fertirrigación, determinando si los diversos parámetros de aplicación
convencional del fertirriego en diferentes cultivos hortícolas y ornamentales son
adecuados o se pueden realizar mejoras metodológicas en las técnicas de fertirrigación
que incremente beneficios tanto en el cultivo como en el medioambiente. Para el
cumplimiento del objetivo planteado se realizaron cuatro trabajos independientes:
Experimento 1. Se evaluó la utilidad de un mezclador pasivo en el cabezal de fertirriego
para ajustar los parámetros de pH y Conductividad eléctrica de la solución nutritiva
aplicada. Los resultados mostraron que con el uso del mezclador pasivo se tiene un
mayor ajuste en la variabilidad del pH y la conductividad eléctrica de la solución
nutritiva, disminuyendo la variación de los coeficientes de dispersión entre los valores
máximos y mínimos. Experimento 2. Se estableció un cultivo de tomate injertado para
evaluar el efecto del incremento moderado de la salinidad (2,0 a 2,5 dS m-1
),
distribución del fertirriego (1 y 4 distribuidores del fertirriego en el saco de cultivo por
gotero-emisor) y la utilidad de la termografía en un cultivo sin suelo. Se concluyó que
este incremento moderado de la salinidad no tuvo un efecto significativo en el
rendimiento total, sin embargo la mayor salinidad disminuyó significativamente el
calibre de los frutos. La mejor distribución del fertirriego en el saco de cultivo
incrementó significativamente los frutos de mayor calibre, sin efecto en el rendimiento
total. La termografía mostró ser una herramienta útil en el diagnostico del efecto de la
salinidad sobre la transpiración. Experimento 3. Se estableció un cultivo con plantas
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ornamentales en cultivos sin suelo
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ornamentales con diferentes caudales de fertirriego (2, 3 y 4 L h-1
) y se evalúo la
aplicación de la termografía como un método de diagnostico rápido para una adecuada
fertirrigación en dos ensayos diferentes: 1. En contenedores individuales (macetas) y 2.
En un muro vegetal con unidades de cultivo modulares). En el ensayo 1 los resultados
muestran una correlación directa entre la temperatura de las hojas y el crecimiento
vegetativo a una óptima aplicación del fertirriego. En el ensayo 2 se encontró una
correlación entre la temperatura media de las hojas y el tratamiento de fertirriego
aplicado. Experimento 4. Se estableció un experimento con diferentes tiempos de
aplicación de un mismo volumen de fertirriego para determinar su efecto en el
desarrollo de raíz, crecimiento y producción. Se realizaron tres cultivos independientes
tomate (con y sin injerto) y pimiento. Se midió además de la producción, la absorción
de agua, absorción; emisión de nitratos y potasio. Los resultados mostraron: que la
ralentización de la aplicación del fertirriego mejora la mayoría de los parámetros
evaluados en los cultivos de pimiento y tomate sin injertar, en cultivo de tomate
injertado no mostró diferencias significativas. Los parámetros de calidad de fruto no se
vieron afectados.
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Abstract
Fertigation in soilless culture is a task that has a significant effect on crops and requires
significant technical methodology. It has to be performed properly considering: the
frequency, the volume supplied by the transmitter and the time which it is applied. The
overall objective is to contribute to improving fertigation techniques, determining
whether the various parameters of conventional application of fertigation in different
horticultural and ornamental crops are suitable or methodological improvements can be
made in fertigation techniques to increase benefits both in culture and in the
environment. To comply with the stated goal four separate studies were conducted.
Experiment 1. the usefulness of a passive mixer was evaluated in the head fertigation to
adjust the parameters of pH and electrical conductivity of the nutrient solution applied:
The results showed that with the use of the passive mixer has a greater variability in
adjusting pH and electrical conductivity of the nutritive solution, reducing the variation
of scattering coefficients between the maximum and minimum values. Experiment 2. a
tomato crop grafted was established to evaluate the effect of moderate increase in
salinity (2.0 to 2.5 dS m-1), distribution of fertigation (1 and 4 distributors of fertigation
in the grow bag was established by drip emitter) and usefulness of thermography in
soilless culture. It was concluded that this moderate increase in salinity had no
significant effect on the overall yield, however the higher salinity significantly reduced
fruit size. The better distribution of fertigation in the bag culture increased significantly
the higher size fruit, without effecting on overall yield. Thermography proved to be a
useful tool in the diagnosis of the effect of salinity on perspiration. Experiment 3. A
plant ornamental culture was established with different flow rates fertigation (2, 3 and 4
L h-1
) and the application of thermography was evaluated as a rapid diagnosis method
for proper fertigation in two different tests: 1. in individual containers (pots) and 2. in a
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green wall with modular units culture). In test 1, the results show a direct correlation
between the leaves temperature and vegetative growth to optimal application of
fertigation. In test 2 a correlation between average leaf temperature and the fertigation
treatment applied was found. Experiment 4. An experiment with different times of
application of the same volume of fertigation was established to determine their effect
on root development, growth and production. Three independent cultures were
performed, tomato (with or without grafting) and pepper. Besides the production, water
absorption, absorption; potassium and nitrate emission were measured. The results
showed: the slowdown in the application of fertigation improves most of the parameters
evaluated in pepper and without grafting tomato crops, in grafted tomato crop showed
no significant difference. The fruit quality parameters were not affected.
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Índice
Índice ................................................................................................................................ 9
Índice de tablas .............................................................................................................. 11
Índice de figuras ............................................................................................................ 12
Introducción y objetivo general ................................................................................... 15
Capítulo 1. Efecto de un dispositivo de mezcla pasiva en los valores de
conductividad eléctrica y pH de la solución nutritiva ...................................... 25
Resumen ..................................................................................................................... 26
1. Introducción ............................................................................................................ 26
2. Materiales y métodos .............................................................................................. 28
2.1. Descripción del equipo .................................................................................... 29
3. Resultados y discusión ........................................................................................... 31
4. Conclusiones ........................................................................................................... 34
5. Referencias ............................................................................................................. 34
Capítulo 2. Efecto de la salinidad moderada, distribución del fertirriego y
contribución de la termografía en un cultivo sin suelo de tomate injertado .. 37
Resumen ..................................................................................................................... 38
1. Introducción ............................................................................................................ 39
2. Materiales y métodos .............................................................................................. 41
2.1. Condiciones de cultivo. ................................................................................... 41
2.2. Tratamientos aplicados ................................................................................... 42
2.3. Muestreo en el cosechado ............................................................................... 43
2.4. Muestreo y análisis de las termografías .......................................................... 43
2.5. Diseño experimental y análisis estadístico ...................................................... 45
3. Resultados y discusión ........................................................................................... 45
3.1. Efecto sobre la producción total ...................................................................... 45
3.2. Efecto sobre la distribución de los calibres de los frutos ................................ 46
3.3. Efecto sobre los parámetros de calidad de la producción ............................... 48
3.4. Efecto sobre el balance económico ................................................................. 49
3.5. Papel de las termografía .................................................................................. 52
4. Conclusiones ........................................................................................................... 53
5. Referencias ............................................................................................................. 54
Capítulo 3. Contribución de imágenes térmicas para fertirrigación en cultivos
sin suelo ................................................................................................................. 61
Resumen ..................................................................................................................... 62
1. Introducción ............................................................................................................ 63
2. Materiales y métodos .............................................................................................. 64
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ornamentales en cultivos sin suelo
10
2.1 Experimento 1 .................................................................................................. 64
2.2. Experimento 2 ................................................................................................. 67
3. Resultados y discusión ........................................................................................... 70
3.1. Experimento 1 ................................................................................................. 70
3.2. Experimento 2 ................................................................................................. 73
4. Conclusiones ........................................................................................................... 75
5. Referencias ............................................................................................................. 75
Capítulo 4. Efecto del tiempo de aplicación del fertirriego en cultivos de tomate
y pimiento .............................................................................................................. 79
Resumen ..................................................................................................................... 80
1. Introducción ............................................................................................................ 81
2. Materiales y métodos .............................................................................................. 84
2.1. Experimento 1 ................................................................................................. 84
2.2. Experimento 2 ................................................................................................. 89
2.3. Experimento 3 ................................................................................................. 90
2.4. Diseño experimental y análisis estadístico ...................................................... 90
3. Resultados y discusión ........................................................................................... 90
3.1. Efecto sobre el consumo de agua, otros parámetros de fertirrigación y las
emisiones de contaminantes al medio ambiente. ............................................ 90
3.2. Efecto sobre la distribución de las raíces y el crecimiento vegetativo ............ 93
3.3. Efecto sobre la producción y el tamaño .......................................................... 95
3.4. Efecto sobre la calidad de la producción......................................................... 97
4. Conclusiones ........................................................................................................... 97
5. Referencias ............................................................................................................. 98
Conclusiones generales ................................................................................................ 103
Anexos ........................................................................................................................... 105
Chapter 1. Effect of a passive mixing device on the electrical conductivity and
pH values of a nutrient solution ........................................................................ 105
Chapter 2. Thermography Study of Moderate Electrical Conductivity and
Nutrient Solution Distribution System Effects on Grafted Tomato Soilless
Culture ................................................................................................................ 117
Chapter 3. Contribution of thermal imaging to fertigation in soilless culture ...... 139
Chapter 4. Effects of fertigation application duration on the pollution, water
consumption and productivity of soilless vegetable cultures ......................... 157
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ornamentales en cultivos sin suelo
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Índice de tablas
Capítulo 1. Efecto de un dispositivo de mezcla pasiva en los valores de
conductividad eléctrica y pH de la solución nutritiva .................................. 25 Tabla 1. Conductividad electrical (CE, dS·m
-1) y pH de la solución nutritiva por
método de preparación, con y sin el uso del dispositivo de mezcla pasiva. ...... 32
Capítulo 2. Efecto de la salinidad moderada, distribución del fertirriego y
contribución de la termografía en un cultivo sin suelo de tomate
injertado ........................................................................................................... 37 Tabla 1. Soluciones nutritivas utilizadas en el cultivo de tomate. .......................... 43
Tabla 2. Producción (kg∙m-2
) total y por calibres de un cultivo de tomate con
diferentes conductividades eléctrica (CE) de la solución nutritiva y
suministro del fertirriego con 1 y 4 puntos de distribución por gotero. ............ 46
Tabla 3. Algunos parámetros de los frutos de tomate con diferentes
conductividades eléctrica (CE) de la solución nutritiva y suministro del
fertirriego con 1 y 4 puntos de distribución por gotero. .................................... 49
Tabla 4. Balance económico en función del uso de 1 (DD1) o 4 (DD4)
distribuidores por cada gotero en un cultivo de tomate injertado en sacos de
fibra de coco, considerando solo las producciones y los ingresos de los
tomates de calibre más grueso (De M a MMM). .............................................. 50
Tabla 5. Balance económico en función del uso de la solución nutritiva (NS)
con CE de 2,0 (CE2) y 2,5 dS∙m-1
(CE2,5) en cultivo de tomate injertado en
sacos de fibra de coco, considerando solo las producciones y los ingresos de
los tomates de calibre más grueso (De M a MMM). ......................................... 51
Capítulo 3. Contribución de imágenes térmicas para fertirrigación en cultivos
sin suelo ............................................................................................................ 61 Tabla 1. Parámetros de crecimiento (g planta
-1) en función de régimen de riego.
TC, DR, and ER son el tratamiento control, 1/3 menor, and 1/3 mayor de
riego, respectivamente. ...................................................................................... 71
Capítulo 4. Efecto del tiempo de aplicación del fertirriego en cultivos de tomate
y pimiento ......................................................................................................... 79 Tabla 1. Condiciones de cultivo para los tres experimentos. ................................. 85
Tabla 2. Absorción y emisión de la solución nutritiva al medio ambiente en
cultivo en fibra de coco en función del tiempo empleado para proporcionar
el mismo volumen de fertirrigación. ................................................................. 92
Tabla 3. Parámetros de crecimiento vegetativo en función del tiempo para
proporcionar el mismo volumen de fertirriego en el cultivo de pimiento (g
planta-1
). ............................................................................................................. 95
Tabla 4. Producción y tamaño de fruto en cultivo en fibra de coco en función
del tiempo empleado para proporcionar el mismo volumen de fertirrigación. . 96
Tabla 5. Parámetros de calidad de fruto cultivados en fibra de coco en función
del tiempo empleado para proporcionar el mismo volumen de fertirrigación. . 97
Isidro Morales García Tesis Doctoral: Mejoras en los sistemas de fertirrigación de hortalizas y
ornamentales en cultivos sin suelo
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Índice de figuras
Capítulo 1. Efecto de un dispositivo de mezcla pasiva en los valores de
conductividad eléctrica y pH de la solución nutritiva .................................. 25 Figura 1. Descripción de los métodos de mezclado de la solución nutritiva: (a)
Un tanque de mezcla; (b) inyección directa con sistema Venturi. ................... 29
Figura 2. Dispositivo de mezcla, muestra detalles de los componentes; las
flechas indican la dirección del flujo de agua. .................................................. 30
Figura 3. Porcentaje de coeficiente de variación (% CV, ordenadas) en relación
con la velocidad de flujo (L . h
-1, eje de abscisas) para la conductividad
eléctrica (CE) (panel superior) y el pH (panel inferior), con (T1) y sin (T0)
mezclador pasivo de la solución nutritiva. ........................................................ 33
Capítulo 2. Efecto de la salinidad moderada, distribución del fertirriego y
contribución de la termografía en un cultivo sin suelo de tomate
injertado ........................................................................................................... 37 Figura 1. Curva de liberación de agua desde la fibra de coco en función de la
tensión retención del sustrato en cm de columna de agua (Basado en De
Boodt et al., 1974). ............................................................................................ 42
Figura 2. A es la fotografía de referencia de dos hojas de tomate de los
tratamientos de salinidad, CE2.0 y CE2.5 son las CE de 2,0 y 2,5 dS∙m-1
,
respectivamente. B Termografía de los tratamientos de salinidad. C es un
detalle del método de medida de la temperatura en un foliolo de la hoja. D
es el método aplicado a la totalidad de los foliolos de cada hoja. AVG es la
media de la temperatura considerada en una termografía. ................................ 44
Figura 3. Efecto de la producción (kg∙m-2
) por calibre del diámetro ecuatorial y
total comercial de plantas de tomate en función de la conductividad eléctrica
(dS∙m-1
) de la solución nutritiva de 2,0 (CE2, línea discontinua) y 2,5 (CE2,5,
línea continua), y la distribución de la solución nutritiva con 1 (DD1, línea
discontinua) y 4 (DD4, línea continua) puntos por gotero. *, ns muestran
diferencias significativas en el análisis de la varianza a P ≤ 0,05 y no
significativo, respectivamente. .......................................................................... 47
Figura 4. Temperatura media de hojas de un cultivo de tomate con tratamiento
de la solución nutritiva de la CE de 2,0 y 2,5 dS∙m-1
, respectivamente.
Media de todos los foliolos de tres hojas por tratamiento. Temperaturas
medias medidas por termografía de una superficie de 3 a 5 cm2 de cada
foliolo y hoja. .................................................................................................... 53
Capítulo 3. Contribución de imágenes térmicas para fertirrigación en cultivos
sin suelo ............................................................................................................ 61 Figura 1. es un termógrafo de los tres volúmenes de riego, donde TC es el
control, DR tiene 1/3 menos riego y la ER tiene 1/3 más de riego. El riego se
produce a velocidades de flujo de 2, 3 y 4 L h-1
, respectivamente, en cada
maceta. B Mediciones termográficas, media (Med), mínimo (Min) y
máximo (Max) de las temperaturas de un área foliar representativa. C datos
termográficas de una maceta con el mismo volumen de riego. D es la
fotografía de referencia ..................................................................................... 66
Figura 2. A es un termógrafo de referencia, B es un termógrafo de la pared
vegetativo de plantas aromáticas, y C es una fotografía de una pared de
plantas aromáticas. a, b y c son los espacios que ocupan tres de las unidades
modulares cultivadas que cubre la pared vegetativo; d, e y f son las áreas
que se utilizan para medir las temperaturas en los termógrafos para cada
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ornamentales en cultivos sin suelo
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tratamiento (goteros de 2, 3 y 4 L h-1
). D es un termógrafo de referencia en
que se detuvo el riego durante tres días en una unidad modular cultivada,
centro inferior (g). Los números representan la temperatura media de las
cajas respectivas. E es un termógrafo y F es una fotografía de referencia de
un muro vegetativo de las plantas ornamentales de interior. ............................ 68
Figura 3. Termógrafos correspondientes a los 2, 3 y 4 L h-1
de caudal de riego
en plantas de Philodendron; superior, izquierda y derecha, respectivamente,
en Philodendro y Syngonium. Avg: Temperatura media. ................................. 72
Figura 4. Relación entre la tasa de flujo volumétrico de la fertirrigación (L h-1
) y
la disminución de la temperatura registrada por termografía. A es la
temperatura de las hojas de macetas de Philodendron, B es la temperatura de
las hojas de Anthurium en macetas, C es la pared vegetativa de plantas
aromáticas y D es la pared vegetativa de plantas ornamentales de interior. ..... 74
Capítulo 4. Efecto del tiempo de aplicación del fertirriego en cultivos de tomate
y pimiento ......................................................................................................... 79 Figura 1. Hidrograma del fertirriego. La línea azul continua es el tratamiento
testigo (T0). La línea roja discontinua representa el tratamiento evaluado del
fertirriego, donde el tiempo de suministro es cuatro veces mayor (T1). Las
barras de la derecha indican el volumen total de fertirrigación para cada
riego. .................................................................................................................. 85
Figura 2. Contenido de nitratos (arriba) y potasio (abajo) en los drenajes de un
cultivo de tomate injertado. La línea azul continua es el tratamiento testigo
(T0). La línea roja discontinua representa el tratamiento evaluado del
fertirriego, donde el tiempo de suministro es cuatro veces mayor (T1). Las
barras de la derecha indican los valores medios. ............................................... 87
Figura 3. Esquema de la distribución del muestreo de la raíz en función de la
posición de los goteros y los puntos de drenaje en la unidad de cultivo. .......... 89
Figura 4. Hidrogramas de drenaje de la fertirrigación. La línea azul es el
tratamiento control (T0). La línea roja punteada es el tratamiento evaluado
(T1), que se extendió la duración de la fertirrigación por cuatro veces. Los
valores medios se obtuvieron promediando 4 drenajes diferentes durante el
primer mes en diferentes fechas del cultivo de pimiento (arriba) y el tomate
injertado (abajo). Las barras de la derecha indican el volumen total drenado
en cada fertirrigación. ........................................................................................ 91
Figura 5. Distribucion de las raices de pimiento en sección vertical cerca de un
gotero en cultivo sin suelo con fibra de coco. *, **, y ns indican diferencias
significativas a P < 0.05, P < 0.01 y sin diferencia significativa,
resprectivamente. La linea azul continua es el tratamiento testigo (T0). La
linea roja discontinua es el tratamiento evaluado (T1), que extendió cuatro
veces la duración de la fertirrigación. Las barras indican la superficie total
de las raices. ...................................................................................................... 94
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ornamentales en cultivos sin suelo
15
Introducción y objetivo general
La producción de alimento para satisfacer la demanda de la población cada día se
incrementa, según cifras del banco mundial, ha pasado de 3,02 Mil Millones de
habitantes en los años 60 a 6,84 Mil millones en 2010. En la agricultura como en otras
ciencias se ha tratado de generar técnicas que permitan incrementar los niveles de
producción, optimizando los recursos de que disponen, en especial el recurso agua. En
la horticultura se utilizan diversos métodos de riego, se podría decir que el fertirriego es
uno de los sistemas más precisos en la aplicación de agua y fertilizantes. A continuación
se mencionan algunos parámetros importantes en el manejo del fertirriego:
Uso eficiente del fertirriego
El fertirriego es la técnica de aplicación de los fertilizantes diluidos en el agua de riego
al los cultivos para su nutrición, a esta dilución se le conoce como solución nutritiva. El
pH y la conductividad eléctrica son parámetros de la solución nutritiva que debemos de
tener bien controlados, debido a que la aplicación de una solución nutritiva sin estrictos
márgenes de control puede tener consecuencias negativas en la producción de los
cultivos hortícolas y pérdidas económicas considerables, sobre todo en los cultivos sin
suelo (Sonneveld y Voogt, 2009). El objetivo de un buen control de estos parámetros es
aumentar la eficiencia del uso del agua, macro (Urrestarazu y García, 2000; Urrestarazu
et al., 2008a; Thompson et al., 2013) y micronutrientes (Urrestarazu et al., 2008b). Un
mejor ajuste en los parámetros de fertirrigación (pH y conductividad eléctrica) puede
tener un impacto no sólo por el aumento de la productividad, sino también por la
reducción de la contaminación ambiental.
Isidro Morales García Tesis Doctoral: Mejoras en los sistemas de fertirrigación de hortalizas y
ornamentales en cultivos sin suelo
16
La salinidad en los cultivos sin suelo
La salinidad es uno de los factores más influyentes y estudiado en la horticultura
protegida, el efecto negativo de este factor se ha estudiado desde hace mucho tiempo.
Un adecuado manejo del fertirriego y la salinidad a las condiciones de producción es un
factor altamente influyente en el balance económico, pero también un importante factor
para controlar las emisiones de contaminantes al medio ambiente (Massa et al., 2010;
Urrestarazu et al., 2008a). Se ha descrito dos claros efecto al aumentar la salinidad: 1.
La pérdida de productividad y 2) el incremento de algunos de los parámetros
considerados de calidad en los frutos (E.g. Sólidos totales solubles, contenido en
materia seca, acidez, peso medio de cada fruto, concentración iónica, etc.). La gran
mayoría de la información disponible en la bibliografía se publica bajo unas grandes
diferencias de salinidad en los tratamientos; sin embargo, son pocos los trabajos que
evalúan los efectos usando ligeros incrementos de salinidades.
Distribución del fertirriego en la unidad de cultivo en cultivos sin suelo
En la actualidad se conoce los parámetros importantes para la aplicación del
fertirriego de los diferentes cultivos. La distribución no uniforme de los nutrientes en el
medio de cultivo provoca un significativo efecto en las raíces de las plantas (E.g.
Robinson, 1994; Schwarz et al., 1995). Desde los trabajos de Heinen (1997), Van
Noordwijk (1978) y Van Noordwijk y Raats (1980, 1981), se han elaborado modelos
para determinar la importancia de los puntos de distribución del fertirriego y la
ubicación de los puntos de drenaje en las unidades de contenedores de cultivo, pero son
muy pocos los trabajos que evalúan los beneficios de la producción como los
económicos por una mejor distribución de la solución nutritiva con similares costes de
la infraestructura de riego localizado: goteros y sus distribuidores.
Isidro Morales García Tesis Doctoral: Mejoras en los sistemas de fertirrigación de hortalizas y
ornamentales en cultivos sin suelo
17
La termografía en los cultivos sin suelo
La termografía infrarroja se utiliza en muchos campos de la ciencia (Garner et al., 1995)
y la tecnología (Grinzato et al., 2010), incluyendo la agricultura y la horticultura (Jones
et al., 2002; Inagaki y Nachit, 2012; Moller et al., 2007: Krapez y Olioso, 2011; Prado
et al., 2011; Wang et al., 2013) y fisiología de las plantas (Pearce y Fuller, 2001; Glenn,
2012). La tecnología puede ser utilizada específicamente para monitorear la eficiencia
del uso de los recursos hídricos, tanto para aplicaciones de campo (Antonucci et al.,
2011) y las plantas en macetas en cultivos sin suelo (Fernández-Bregón et al., 2103;
Urrestarazu, 2013a). La temperatura de las hojas de las plantas es el resultado de
factores externos e internos (fisiológicas). Existe una correlación entre la temperatura de
las hojas y el estado del agua, ya que el agua es la principal fuente de absorción de
infrarrojos en el tejido vegetal (Kümmerlen, 1999). La relación entre la transpiración de
la hoja y el estrés hídrico de los cultivos está bien establecido (Cox y Boersma, 1967).
La transpiración está regulado por un mecanismo de control de retroalimentación de los
estomas, que es a su vez influenciado por la falta de agua (Fernández-Bregón et al.,
2103; Kumar et al., 1994); debido a la correlación negativa entre la tasa de transpiración
y la temperatura de la hoja, la termografía infrarroja digital permite la monitorización no
invasiva y visualización indirecta de estrés potencial. Varios estudios anteriores han
empleado la termografía infrarroja digital en la horticultura para el control de las
enfermedades (Nilssona, 1991; Chaerle et al., 1999, 2001, 2004; Oerke et al., 2006;
Wang et al., 2012), pero relativamente pocos estudios han propuesto el uso de la
termografía para el diagnóstico precoz de los problemas con un sistema de distribución
de fertirrigación (Fernández-Bregón et al., 2103), el estrés hídrico (Wang et al., 2013), o
tolerancia a la sal en los cultivos (Urrestarazu, 2013a, Jmes y Sirault, 2012).
Isidro Morales García Tesis Doctoral: Mejoras en los sistemas de fertirrigación de hortalizas y
ornamentales en cultivos sin suelo
18
Tiempo de aplicación del fertirriego en los cultivos y contaminación al medio
ambiente
La distribución del agua y el tiempo de aplicación del volumen a aplicar en los
medios de producción de los cultivos es muy importante para optimizar al máximo su
uso por las plantas. En el sudeste español se estima que los cultivos hortícolas
consumen de 500 a 700 L por metro cuadrado y año. El uso del agua en los cultivos sin
suelo (E.g. Parry et al., 2005; Massa et al., 2010), la eficiencia de este en la producción
(Patané et al., 2011), la absorción de iones nutrientes como nitrato y potasio (E.g.
Cornillon y Fellahi, 1993; Topcu et al., 2007) y la contaminación de los elementos
nutrientes emitidos al medio ambiente, sobre todo de nitratos (E.g. Urrestarazu et al.,
2008d; Gallardo et al., 2009; Min et al., 2012; Thompson et al., 2013) está muy
estudiado.
No existe mucha información disponible sobre el efecto del tiempo de aplicación
de un volumen de fertirriego dado sobre un cultivo en comparación al tiempo estándar
que dura un fertirriego en función de los elementos utilizado en cada instalación de
fertirrigación, es decir la duración de la emisión de un volumen. Esto no variaría el
volumen suministrado, pero si afectaría al tiempo que las raíces estarían sometida a un
menor potencial matricial durante un determinado tiempo y por ello la energía necesaria
para la absorción de agua.
Objetivo
Determinar si los diversos parámetros de aplicación convencional del fertirriego en
diferentes cultivos hortícolas y ornamentales son adecuados o se pueden realizar
mejoras en su instalación como en la solución nutritiva final, así como el uso de la
termografía en el manejo del fertirriego.
Isidro Morales García Tesis Doctoral: Mejoras en los sistemas de fertirrigación de hortalizas y
ornamentales en cultivos sin suelo
19
Referencias
Antonucci, F., Pallottino, F., Costa, C.F., Rimatori, V., Giorgi, S., Papetti, P., Menesatti,
P. 2011. Development of a rapid soil water content detection technique using active
infrared thermal methods for in-field applications. Sensors. 11:10114-28.
Chaerle, L., Caeneghem, W.V., Messens, E., Lamber, H., van Montagu, M., van der
Straeten, D. 1999. Presymptomatic visualization of plant–virus interactions by
thermography. Nat Biotechnology 17:813-6.
Chaerle, L., de Boever, F., van Montagu. M., van der Straeten, D. 2001. Thermographic
visualization of cell death in tobacco and Arabidopsis. Plant Cell Environent 24:15-
25.
Chaerle. L., Hagenbeek, D., De Bruyne, E., Valcke, R., van der Straeten, D. 2004.
Thermal and chlorophyll-fluorescence imaging distinguish plant–pathogen
interactions at an early stage. Plant Cell Physiology 45:887-96.
Cornillon, P., and Fellahi, A. 1993. Influence of root temperature on potassium nutrition
of tomato plant, In Fragoso . Optimization of Plant Nutrition, ed. M.A.C., M.L. van
Beusichem, 213-217. New York: Kluwer Academic.
Cox, L. M., Boersma, L. 1967. Transpiration as a function of soil temperature and soil
water stress. Plant Physiology 42:550-6.
De Rijk, G., and Schrevens, E. 1998. Distribution of nutrients and water in rockwool
slabs. Scientia Horticulturae 72:277-285.
Fernández-Bregón, N., Valera, D., Urrestarazu, M. 2013. Uniformity of fertigation as
diagnosed by infrared thermography under soilless culture. J Food Agricultural
Enviroment 11:981-98.
Gallardo, M., Thompson, R.B., Rodríguez, J. S., Rodríguez, F., Fernández, M. D.,
Sánchez, J. A., and Magan, J. J. 2009. Simulation of transpiration, drainage, N
Isidro Morales García Tesis Doctoral: Mejoras en los sistemas de fertirrigación de hortalizas y
ornamentales en cultivos sin suelo
20
uptake, nitrate leaching, and N uptake concentration in tomato grown in open
substrate. Agricultural Water Management 96:1773-1784.
Garner, D. L., Underwood, H. B., Porter, W. F. 1995. Use of modern infrared
thermography for wildlife population surveys. Environ Manage. 19:233-8.
Glenn, D. M. 2012. Infrared and chlorophyll fluorescence imaging methods for stress
evaluation. HortScience. 47:697-98.
Grinzato, E., Cadelano, G., Bison, P. 2010. Moisture map by IR thermography. J Mod
Opt. 57:1770-8.
Heinen, M. 1997. Dynamics of water and nutrients in closed, recirculating cropping
systems in glasshouse horticulture. With special attention to lettuce grown in
irrigated sand beds. PhD Thesis Wageningen Agricultural University. ISBN 90-
5485-667-X. 270 p.
Inagaki, M. N., Nachit, M. M. 2012. Visual monitoring of water deficit stress using
infra-red thermography in wheat. Sydney University Press. 2008.
http://ses.library.usyd.edu.au/bitstream/2123/3452/1/P181.pdf. Accessed 31 Oct
2012.
James, R. A., Sirault, X. R. R. 2012. Infrared thermography in plant phenotyping for
salinity tolerance. Methods Mol Biol. 913:173-89.
Jones, H. G,, Stoll, M., Santos, T., de Sousa, C., Chaves, M. M., Grant, O. M. 2002. Use
of infrared thermography for monitoring stomatal closure in the yield: application
to grapevine. J Experimental Bot. 53:2249-60.
Krapez, J. C., Olioso, A. 2011. A combination of temperature, vegetation indexes and
albedo, as obtanined by airborne hyperspectral remote sensing, for the evaluation of
soil moisture. Quant Infrared Thermogr J. 8:187-200.
Isidro Morales García Tesis Doctoral: Mejoras en los sistemas de fertirrigación de hortalizas y
ornamentales en cultivos sin suelo
21
Kumar, A., Singh, D. P., Singh, P. 1994. Influence of water stress on photosynthesis,
transpiration, water use efficiency and yield of Brassica juncea L. Field Crops Res.
37:95-101.
Kümmerlen, B., Dauwe, S., Schmundt, D., Schurr, U. 1999. Thermography to measure
water relations of plant leaves. In: Jähne B, editor. Handbook of computer vision
and applications, vol. 3. London: Academic Press, pp. 763-81.
Massa, D., Incrocci, L., Maggini, R., Carmassi, G., Campiotti, C.A., Pardossi, A. 2010,
Strategies to decrease water drainage and nitrate emission from soilless cultures of
greenhouse tomato. Agricultural Water Management 97:971–980.
Min, J., Zhangb, H., Shia, W. 2012. Optimizing nitrogen input to reduce nitrate leaching
loss in greenhouse vegetable production. Agricultural Water Management 111:53-59.
Möller, M., Alchanatis, V., Cohen, Y., Meron, M., Tsipris, J., Naor, A., Ostrovsky, V.,
Cohen, S. 2007. Use of thermal and visible imagery for estimating crop water status
of irrigated grapevine. J Exp Bot. 58:827-38.
Morales, I., Urrestarazu, M. 2013. Thermography study of moderate electrical
conductivity and nutrient solution distribution system effects on grafted tomato
soilless culture. HortScience 48:1508-1512.
Nilssona, H. E. 1991. Hand-held radiometry and IR-thermography of plant diseases in
field plot experiments. Int J Remote Sens. 12:545-57.
Oerke, E.C., Steiner, U., Dehne, H. W., Lindenthal, M. 2006. Thermal imaging of
cucumber leaves affected by downy mildew and environmental conditions. J Exp
Bot. 57:2121-32.
Parry, M. A. J., Flexas, J., Medrano, H. 2005. Prospects for crop production under
drought: research priorities and future directions. Annals of Applied Biology
147:211-226.
Isidro Morales García Tesis Doctoral: Mejoras en los sistemas de fertirrigación de hortalizas y
ornamentales en cultivos sin suelo
22
Patanè, C., Tringali, S., Sortino, H. 2011. Effects of deficit irrigation on biomass, yield,
water productivity, and fruit quality of processing tomato under semi-arid
Mediterranean climate conditions. Scientia Horticulturae 129:590-596.
Pearce, R. S., Fuller, M. P. 2001. Freezing of barley studied by infrared video
thermography. Plant Physiol. 125:227-240.
Prado, A. G. S., Evangelista, S. M., de Souza, J. R., Matos, J. G. S., Souza, M. A. A.,
Oliveira, D. A., Airoldi, C. 2011. Effect of the irrigation with residual wastewaters
on microbial soil activity of the ornamental flowers (Dahlia pinnata) cultures
monitored by isothermal calorimetry. J Therm Anal Calorim. 106:431-6.
Robinson, D. 1994. The responses of plants to non-uniform supplies of nutrients. New
Phytol. 127:635-674.
Schwarz, D., Heinen, M., van Noordwijk, M. 1995. Rooting intensity and root
distribution of lettuce grown in sand beds. Plant and Soil 176:205-217.
Sonneveld, C., Voogt, W. 2009. Plant nutrition of greenhouse crops. Springer,
Dordrecht, The Netherlands, 431.
Thompson, R. B., Gallardo, M., Rodríguez, J. S, Sánchez, J. A., Magán, J. J. 2013.
Effect of N uptake concentration on nitrate leaching from tomato grown in free-
draining soilless culture under Mediterranean conditions. Scientia Horticulturae
150:387–398.
Topcu, S., Kirda, C., Dasgan, Y., Kaman, H., Cetin, M., Yazici, A., Bacon, M. A. 2007.
Yield response and N-fertiliser recovery of tomato grown under deficit irrigation.
European Journal of Agronomy 26:64-70.
Urrestarazu, M. 2004. Tratado de cultivo sin suelo. Mundi-Prensa Libros, Madrid,
Spain, 928.
Urrestarazu M. 2013a. Infrared thermography used to diagnose the effects of salinity in
a soilless culture. Quant Infrared Thermogr J. 10:1-8.
Isidro Morales García Tesis Doctoral: Mejoras en los sistemas de fertirrigación de hortalizas y
ornamentales en cultivos sin suelo
23
Urrestarazu, M. 2013b. State of the art and new trends of soilless culture in Spain and in
emerging countries. Acta Horticulturae 1013:305-312.
Urrestarazu, M., Alvaro, J. E., Moreno, S., Carrasco, G. 2008b. Remediation of iron
chlorosis by the addition of Fe-o,o-EDDHA in the nutrient solution applied to
soilless culture. HortScience 43:1434-1436.
Urrestarazu, M., García, M. 2000. Modeling electrical conductivity management in a
recirculating nutrient solution under semi‐arid conditions. J. Plant Nutrition 23:457-
468.
Urrestarazu, M., Guillén, C., Mazuela, P. C., Carrasco, G. 2008c.. Wetting agent effect
on physical properties of new and reused rockwool and coconut coir waste. Scientia
Horticulturae 116:104-108.
Urrestarazu, M., Salas, M. C., Valera, D., Gómez, A., Mazuela, P. C. 2008d. Effects of
heating nutrient solution on water and mineral uptake and early yield of two
cucurbits under soilless culture. J. Plant Nutrition 31:527-538.
Van Noordwijk, M. 1978. Zout ophoping en beworteling bij de teelt van tomaten op
steenwol (in Deutch , with a summary: Distribution of salts and root development
in the culture of tomatoes on rock wool). Rapport 3-78, Instituut voor
Bodemvruchtbaarheid, Haren, The Netherlands, 21 p.
Van Noordwijk, M., Raats, P. A. C. 1981. Zoutophoping en -uitspoeling in samenhang
met het druppelsysteem bij de teelt op steenwol (in Dutch, with a summary: The
influence of the drip system upon accumulation and leaching of salts in rockwool
cultures). Rapport 9-81, Instituut voor Bodemvruchtbaarheid, Haren, The
Netherlands, 37 p.
Wang, F., Omasa, K., Xing, S., Dong, Y., 2013. Thermographic analysis of leaf water
and energy information of Japanese spindle and glossy privet trees in low
temperature environment. Ecol. Inform. 16:35-40.
Isidro Morales García Tesis Doctoral: Mejoras en los sistemas de fertirrigación de hortalizas y
ornamentales en cultivos sin suelo
24
Wang, M., Ling, N., Dong, X., Zhu, Y., Shen, Q., Guo, S. 2012. Thermographic
visualization of leaf response in cucumber plants infected with the soil-borne
pathogen Fusarium oxysporum f. sp. Cucumerinum. Plant Physiol Biochem.
61:153-61.
Isidro Morales García Tesis Doctoral: Mejoras en los sistemas de fertirrigación de hortalizas y
ornamentales en cultivos sin suelo
25
Capítulo 1. Efecto de un dispositivo de mezcla pasiva en los valores de
conductividad eléctrica y pH de la solución nutritiva
Effect of a passive mixing device on the electrical conductivity and pH
values of a nutrient solution
Isidro Morales1, Miguel Urrestarazu
1
1Departamento de Agronomía, Universidad de Almería, La Cañada de San Urbano s/n,
04120 Almería, España
Cita: Morales, I., Urrestarazu, M. 2014. Effect of a Passive Mixing Device on the
Electrical Conductivity and pH Values of a Nutrient Solution. J. Irrig. Drain. Eng. 140
(4): 1-4
Revista: Journal of Irrigation and Drainage Engineering.
Categoria: Ingeniería Agricola
Factor de impacto (JCR, 2013): 1.09
Cuartil: Q1
Este trabajo fue financiado a través de fondos FEDER AGL-2010-18391.
Isidro Morales García Tesis Doctoral: Mejoras en los sistemas de fertirrigación de hortalizas y
ornamentales en cultivos sin suelo
26
Resumen
El ajuste de la solución nutritiva usando un sistema automatizado para unas
condiciones óptimas de fertirrigación incrementa la productividad y reduce el impacto
ambiental de la horticultura. Una nueva generación de infraestructura para la
automatización en la preparación de la solución nutritiva es cada vez más común en las
zonas de horticultura protegidas de alta tecnología; por ejemplo, en el cabezal de riego
es ampliamente usado la inyección directa de todos los componentes en la solución de
nutritiva utilizando un dispositivo Venturi. El presente estudio evalúa la utilidad de un
dispositivo de mezcla pasiva que se incorporó en el circuito del cabezal de fertigación y
su impacto en los parámetros tales como la conductividad eléctrica (CE) y el pH de la
solución nutritiva. Los resultados sugieren dos efectos importantes: (1) el dispositivo
ayuda en el ajuste de la CE y pH de la solución nutritiva comparados con los valores
establecidos durante la programación, y (2) hay una menor variación en la dispersión
entre el los valores máximos y mínimos.
Palabras clave: Uniformidad, Solución Nutritiva.
1. Introducción
El uso de una solución nutritiva con estrictos márgenes de control en la
horticultura protegida es cada vez más importante, sobre todo en los cultivos sin suelo
(Sonneveld y Voogt, 2009). El objetivo es aumentar la eficiencia del uso del agua y
macro (Urrestarazu y García, 2000; Urrestarazu et al., 2008a; Thompson et al., 2013) y
micronutrientes (Urrestarazu et al., 2008b). Un mejor ajuste en los parámetros de
fertirrigación puede tener un impacto no sólo por el aumento de la productividad, sino
también por la reducción de la contaminación ambiental. Los nutrientes del suelo,
similar a todos los suplementos agrícolas, deben ser manejados adecuadamente para
Isidro Morales García Tesis Doctoral: Mejoras en los sistemas de fertirrigación de hortalizas y
ornamentales en cultivos sin suelo
27
satisfacer las necesidades de nutrientes de los cultivos sin afectar negativamente a la
calidad de los recursos hídricos (Sturgul y Kelling, 2012).
El sureste de España tiene aproximadamente 52 186 hectáreas (Junta de
Andalucía 2013). Más del 90% de los invernaderos en la región, que tienen una
superficie media de 1,5 a 2,0 ha, usan cabezales de fertirrigación automatizados. En
estas áreas y en otras regiones, los sistemas de fertirrigación automatizados son una
técnica agronómica común. La solución nutritiva se hace de una combinación de tres
componentes (Martínez y García, 1993; Urrestarazu, 2004; Van Os et al., 2008): (1) dos
tanques (A y B) o más (A, B, C, etc.) que contiene mezclas concentradas de uno o más
soluciones salinas, (2) un tanque con un ácido concentrado, y (3) agua de riego (Figura
1). La mezcla de las dos primeras soluciones con agua comúnmente se lleva a cabo
usando uno de los dos siguientes métodos: (1) los componentes se mezclan en un
recipiente a presión atmosférica o (2) los componentes se mezclan en un sistema
presurizado (Figura 1b) en la que todos los fluidos se inyectan directamente. En ambos
casos, la solución nutritiva [punto 5 de la figura 1(a y b)] se distribuye, El primer
método tiene la ventaja de una mezcla uniforme antes de su distribución del cultivo. Sin
embargo, en las últimas décadas, el método de inyección directa ha sido la única
comúnmente instalada en las instalaciones modernas de horticultura protegida. Debido a
su propio diseño hidráulico, la mezcla de los componentes básicos de la solución de
nutrientes ya no es tan uniforme con inyección directa como lo es en un tanque de
mezcla; por lo tanto, esto produce una solución nutritiva no uniforme con una
conductividad eléctrica (CE) y pH variable.
El objetivo del presente trabajo es evaluar el efecto de un dispositivo de mezcla
pasiva en la preparación automatizada de la solución de nutritiva. Los parámetros a
estudiados en relación con el flujo son los siguientes: (1) el ajuste de la CE y pH de la
Isidro Morales García Tesis Doctoral: Mejoras en los sistemas de fertirrigación de hortalizas y
ornamentales en cultivos sin suelo
28
solución nutritiva, en comparación con los datos anteriores, y (2) la variación entre los
valores máximos y mínimos.
2. Materiales y métodos
El experimento se realizó en la Universidad de Almería (Almería, España) en un
invernadero tipo Almería durante mayo de 2013. El experimento se basa en un cabezal
de riego en el que se combinan los diferentes componentes de la solución nutritiva. La
inyección directa de los fluidos se realizó con dispositivos presurizados cerrados [Figura
1(b)]. En el experimento se evaluó la mezcla pasiva de los componentes de la solución
nutritiva (T1) y se compararon los resultados con el funcionamiento normal del sistema
como un control (sin el dispositivo) (T0).
La solución nutritiva final se distribuye mediante un sistema de goteo [Figura 1b
(5)] y fue producido por la mezcla de tres componentes básicos, que se mezclaron en el
tubo del cabezal en un sistema presurizado, es decir, sin un recipiente de mezcla [Figura
1(a)]. La mezcla contenía los tres fluidos siguientes: (1) dos soluciones concentradas de
fertilizantes en dos tanques (A y B), (2) una solución de ácido concentrado, y (3) agua
de riego. Los tanques A, B, y C inyectan los fluidos a través de un sistema Venturi y se
conectaron a la presión de succión del sistema de bombeo, que estaba controlada por
válvulas solenoide [Figura 1(b)] que se activa mediante los sensores de control de CE
(tanques A y B) y pH (tanque C). Siguiendo los sistemas de manejo tradicional que se
utilizan en el sur de España, los tanques A y B tuvieron un volumen de 1 000 litros y se
prepararon a una concentración de 100 veces mayor que la solución nutritiva final,
mientras que en otras regiones se utiliza habitualmente una concentración de 200 veces
(Resh, 2012). Del mismo modo, el depósito de ácido se preparó usando ácido nítrico
Isidro Morales García Tesis Doctoral: Mejoras en los sistemas de fertirrigación de hortalizas y
ornamentales en cultivos sin suelo
29
como la fuente de la acidez (Martínez y García, 1993; Urrestarazu, 2004; Alarcón,
2006). La CE del agua de riego fue 0,91 dS.m
-1.
Figura 1. Descripción de los métodos de mezclado de la solución nutritiva: (a) Un
tanque de mezcla; (b) inyección directa con sistema Venturi.
2.1. Descripción del equipo
El dispositivo se muestra en la Figura 2. En la parte interior, los diferentes
fluidos de las soluciones concentradas pueden presentar diferentes densidades entre
ellos y en relación con el agua, que es un portador mayoritario. En el interior del mismo
dispositivo, estos fluidos se ven forzados a mezclarse entre sí. El dispositivo fue
proporcionado por RITEC Riegos y Tecnologias S.L.
Antes de la localización de los sensores de control de CE y pH de la solución nutritiva,
se instaló un bypass en el punto 1 [Figura 1 (b)]. El by-pass incluyó el mezclador pasivo
(T1), mientras que se mantuvo una ruta directa a los sectores agrícolas independientes
(T0).
Isidro Morales García Tesis Doctoral: Mejoras en los sistemas de fertirrigación de hortalizas y
ornamentales en cultivos sin suelo
30
El experimento (T1) se realizó durante 8 días consecutivos, alternando con el
control (T0), mediante la apertura manual de una válvula para los correspondientes
circuitos T0 o T1 una vez al día. La fertirrigación de cada tratamiento se distribuyó en 4
sectores experimentales utilizando válvulas de solenoide [Figura 1 (b)]. Cada sector
tenía un área de superficie de cultivo diferentes, que fueron los siguientes: 25, 148, 156
y 160 m2. Se utilizaron goteros autocompesantes y antidrenantes de un caudal de 3 L
.h
-1
y un gotero por cada metro cuadrado. El número de riegos en cada día de muestreo se
determina por las necesidades de los cultivos de cada sector. El tiempo de riego y la
toma de muestras de la solución nutritiva suministrada al cultivo, se fijó en 4 minutos
durante los 8 días del experimento. Los valores de CE y pH de la solución nutritiva
fueron fijadas en el controlador del ordenador en 1,60 dS.m
-1 y 5,28, respectivamente.
Estos parámetros fueron seleccionados para algunas plantas ornamentales que tienen un
requisito estricto de CE (menos de 1,60 dS.m
-1) y un pH ácido de ≤ 5,80 en comparación
con otros cultivos hortícolas (Sonneveld y Straver, 1994) para determinar las ventajas
del mezclador pasivo.
Figura 2. Dispositivo de mezcla, muestra detalles de los componentes; las flechas
indican la dirección del flujo de agua.
Isidro Morales García Tesis Doctoral: Mejoras en los sistemas de fertirrigación de hortalizas y
ornamentales en cultivos sin suelo
31
La CE (dS.m
-1) y el pH de la solución nutritiva para cada tiempo de riego se
registraron automáticamente con el tratamiento y flujo y se muestran en la Tabla 1 y la
Figura 3.
La separación media entre los tratamientos se calculó utilizando un t-test y un
ajuste cuadrático simple en una ecuación lineal. El valor absoluto del coeficiente de
variación expresado en porcentaje (% CV) se utiliza como una medida de la desviación
estándar relativa. El coeficiente de variación se reporta como un porcentaje y se calcula
a partir de la desviación media y estándar, como sigue:
CV% = (100 * Desviación estándar) / Normal
En este caso, el CV% era la mejor manera de resumir la variación.
3. Resultados y discusión
La Tabla 1 muestra los valores de %CV calculados a partir de los parámetros
medios de la fertirrigación correspondientes a los cuatro sectores con tasas de flujo 25 a
480 L.h
-1. La CE y el pH de la solución nutritiva se vieron influenciados por el
dispositivo de mezcla pasiva. El nivel de ajuste general, particularmente para CE, era
estrecha (variación de menos de 70%) debido a la metodología y la infraestructura
descrita y con bajas tasas de flujo de menos de 450 L.h
-1. Sin embargo, el uso del
dispositivo de mezcla pasiva mejoró el ajuste de la CE programado 3,58 - 2,64 dS.m
-1,
en comparación con 1,60 dS.m
-1. La magnitud de la diferencia entre los valores máximo
y mínimo obtenidos tanto para la CE y el pH fue menor cuando se utilizó el dispositivo
de mezcla pasiva (una disminución de la magnitud de la CV% 3,98 a 3,50 para la CE y
5,12 a 4,38 para pH), lo que indica que una distribución más uniforme de nutrientes y la
presión osmótica constante alcanza la rizosfera del cultivo a través de los goteros. Para
el valor máximo obtenido CE, el mezclador pasivo ha mejorado en más de 1 unidad
Isidro Morales García Tesis Doctoral: Mejoras en los sistemas de fertirrigación de hortalizas y
ornamentales en cultivos sin suelo
32
(6,84 a 5,59 dS.m
-1), que no sólo sugiere un mejor ajuste de la fertigación sino también
una disminución significativa de la contaminación ambiental que normalmente causaría.
Estos resultados son similares a la conclusión de que, cuando se mejoran las
condiciones de fertirrigación, menos contaminantes se liberan al medio ambiente (Hagin
y Lowengart, 1996; Urrestarazu et al., 2008a.). Por el contrario, si los sustratos con
capacidad mínima o nula de intercambio catiónico se usan en combinación con las
plantas sensibles a la salinidad, la pérdida de rendimiento de los cultivos puede ser
significativo (Sonneveld y Voogt, 2009; Sturgul y Kelling, 2012). En consecuencia,
cuando una amplia gama de velocidades de flujo son utilizados por la misma pieza de
cabezal de riego, el uso de un dispositivo de mezcla pasiva se convierte en una
importante herramienta para ajustar el riego de dos maneras: (1) que mejora el ajuste
medio entre los parámetros programados en el cabezal de riego y los valores obtenidos a
través de las tuberías de riego y (2) que mejora la fertirrigación por la disminución de la
variación que se establece entre los valores máximos y mínimos.
Tabla 1. Conductividad electrical (CE, dS·m-1
) y pH de la solución nutritiva por
método de preparación, con y sin el uso del dispositivo de mezcla pasiva.
Nota: ns= sin diferencia significativa
*= representa diferencias significativas entre columnas de los mismos parámetros a, P ≤
0,05
**= representa diferencias significativas entre columnas de los mismos parámetros a, P
≤ 0,01.
Valores obtenidos
Parametro Valores
programados
Media Máximo Mínimo
CE
Con mezclador pasivo 1,60 2,64 ** 5,59 ** 1,23 *
Sin mezclador 1,60 3,58 6,84 1,73
Ph
Con mezclador pasivo 5,28 5,83 ns 7,10 * 3,60 ns
Sin mezclador 5,28 5,81 7,53 3,55
Isidro Morales García Tesis Doctoral: Mejoras en los sistemas de fertirrigación de hortalizas y
ornamentales en cultivos sin suelo
33
Según Aamo y Krstic (2002), el control de caudal implica el control de un
campo de flujo mediante el uso de dispositivos pasivos o activos para causar cambios
deseados en el comportamiento de flujo. Este dispositivo pasivo y los diferentes fluidos
crean un flujo turbulento, que pueden presentar mejores propiedades de mezcla que los
flujos laminares.
La Figura 3 muestra el %CV entre los valores programados y obtenidos para la CE y el
pH de la solución nutritiva, que se presentan en relación con la tasa de flujo utilizado.
Los valores para la tasa de flujo de 25 L.h
-1 no se presentan (datos no mostrados), ya que
los coeficientes de variación superaron 300%. Los mismos resultados se obtuvieron en
experimentos anteriores cuando la concentración en los depósitos de solución nutritiva
era 300 veces la concentración final de la solución nutritiva.
Figura 3. Porcentaje de coeficiente de variación (% CV, ordenadas) en relación con
la velocidad de flujo (L.h
-1, eje de abscisas) para la conductividad eléctrica (CE)
(panel superior) y el pH (panel inferior), con (T1) y sin (T0) mezclador pasivo de la
solución nutritiva.
Los coeficientes de correlación de la CE y el pH (R2) fueron mayores cuando se
usó el dispositivo de mezcla pasiva. El peor ajuste para estos parámetros se registró con
la tasa de flujo más pequeño (444 L.h
-1). Esta falta de ajuste fue mayor para la CE que
Isidro Morales García Tesis Doctoral: Mejoras en los sistemas de fertirrigación de hortalizas y
ornamentales en cultivos sin suelo
34
para pH (128,13 y 6,63, respectivamente). La ventaja del dispositivo de mezcla pasiva
fue mayor con las velocidades de flujo más pequeñas, que fue indicado por la
disminución del ajuste de la CE y el %CV del pH (128 a 126 y 6,63 a 4,08
respectivamente), como una reducción de su correspondientes errores estándar. Para la
CE, se mantuvieron los beneficios de la utilización de dispositivos, incluso para los
caudales superiores a prueba, con un aumento de ajuste de 6,34 a 3,13 el % CV.
4. Conclusiones
Un dispositivo de mezcla pasivo usado para la preparación automática de la
solución nutritiva por inyección directa en el cabezal de riego constituye una importante
herramienta para ajustar la CE y el pH. Este dispositivo también disminuye la diferencia
entre los valores máximos y mínimos que pueden afectar positivamente la horticultura
de alto rendimiento, especialmente para los cultivos afectados por amplios cambios en
la CE y el pH.
5. Referencias
Aamo, O. M., and Krstic, M. 2002. Flow control by feedback: stabilization and mixing.
Springer, London, England, 198.
Alarcón, A. 2006. Cultivo sin suelo. Ediciones de Horticultura S.L. Reus, Spain, 269.
Hagin, J., and Lowengart, A. 1996. Fertigation for minimizing environmental pollution
by fertilizers. Fert. Res. 43(1-3):5-7.
Junta de Andalucia [Andalusian Community]. 2013. “Superficies y producciones.”
Consejeria de Agricultura, Pesca y Medio Ambiente,
<http://www.juntadeandalucia.es/agriculturaypesca/portal/servicios/estadisticas/est
adisticas/agrarias/superficies-y-producciones.html> (Date of access June 18, 2013).
Isidro Morales García Tesis Doctoral: Mejoras en los sistemas de fertirrigación de hortalizas y
ornamentales en cultivos sin suelo
35
Martínez, M., and García, M. 1993. Cultivos sin suelo: hortalizas en clima mediterráneo
[Soilless crops: vegetable cultivation under Mediterranean climate). Ediciones de
Horticultura S.L. (Horticulture Editions S.L.), Reus, Spain, 123.
Resh, H. M. 2012. Hydroponic food production, seventh edition. CRC Press, Boca
Raton, FL, 560.
Sonneveld, C., and Straver, N. 1994. Nutrient solutions for vegetables and flower
growth in water on substrates, tenth edition. Glasshouse Crops Research Station,
Littlehampton, UK, 43.
Sonneveld, C., and Voogt, W. 2009. Plant nutrition of greenhouse crops. Springer,
Dordrecht, The Netherlands, 431.
Sturgul, S. J., and Kelling, K. A. 2012. “Nutrient: best management practices.”
Encyclopedia of Environmental Management, S. E. Jørgensen, ed., Taylor Francis
Inc., Florence, KY, 1805-1816.
Thompson, R. B., Gallardo, M., Rodríguez, J. S, Sánchez, J. A., and Magán, J. J. 2013.
Effect of N uptake concentration on nitrate leaching from tomato grown in free-
draining soilless culture under Mediterranean conditions. Scientia Horticulturae
150:387–398.
Urrestarazu, M. 2004. Tratado de cultivo sin suelo. Mundi-Prensa Libros, Madrid,
Spain, 928.
Urrestarazu, M., Alvaro, J. E., Moreno, S., and Carrasco, G. 2008b. Remediation of iron
chlorosis by the addition of Fe-o,o-EDDHA in the nutrient solution applied to
soilless culture. HortScience 43:1434-1436.
Urrestarazu, M., and García, M. 2000. Modeling electrical conductivity management in
a recirculating nutrient solution under semi‐arid conditions. J. Plant Nutrition
23:457-468.
Isidro Morales García Tesis Doctoral: Mejoras en los sistemas de fertirrigación de hortalizas y
ornamentales en cultivos sin suelo
36
Urrestarazu, M., Salas, M. C., Valera, D., Gómez, A., and Mazuela, M. P. 2008a.
Effects of heating nutrient solution on water and mineral uptake and early yield of
two cucurbits under soilless culture. J. Plant Nutrition 31:527-538.
Van Os, E. A., Gieling, Th. H., Lieth, J. H. 2008. Technical equipment in soilless
production system. Soilless culture, M. Raviv, and H. Leith, eds., Elsevier, London,
UK, 157-209.
Isidro Morales García Tesis Doctoral: Mejoras en los sistemas de fertirrigación de hortalizas y
ornamentales en cultivos sin suelo
37
Capítulo 2. Efecto de la salinidad moderada, distribución del
fertirriego y contribución de la termografía en un cultivo sin suelo de
tomate injertado
Thermography Study of Moderate Electrical Conductivity and
Nutrient Solution Distribution System Effects on Grafted Tomato
Soilless Culture
Isidro Morales1 y Miguel Urrestarazu
1
1Departamento de Agronomía. Universidad de Almería, E-04120, Almería, España.
Cita: Morales, I., Urrestarazu, M. 2013. Thermography Study of Moderate
Electrical Conductivity and Nutrient solution Distribution System Effects on Grafted
Tomato Soilles culture. HortScience 48 (12): 1508-1512.
Revista: HortScience
Categoria: Horticultura
Factor de impacto (JCR, 2012): 0.93
Cuartil: Q1
Isidro Morales García Tesis Doctoral: Mejoras en los sistemas de fertirrigación de hortalizas y
ornamentales en cultivos sin suelo
38
Resumen
La salinidad en el cultivo del tomate es uno de los parámetros más estudiados en
la actualidad y desde hace décadas. El objetivo de este trabajo fue evaluar el efecto de
un incremento moderado de la salinidad, distribución del fertirriego y su control por la
termografía en un cultivo sin suelo de tomate injertado. Se estableció un cultivo de
tomate injertado cv. Ramyle sobre portainjerto cv. Emperador en unidades de cultivo de
fibra de coco en la Universidad de Almería entre los meses de noviembre 2012 a mayo
de 2013. Se llevó a cabo bajo un diseño de parcelas subdividas con cuatro bloques,
donde la salinidad de 2,0 y 2,5 dS∙m-1
se ubicaban en las parcelas principales y la
distribución de 1 (DD1) y 4 (DD4) puntos de suministro de la solución nutritiva en las
subparcelas. Se midió la producción total, comercial y por calibres. También se
evaluaron parámetros de calidad de los frutos del tomate como sólidos totales solubles
(º Brix), pH, concentración osmótica y el contenido en materia seca. Se uitilió la
termografía para medir el control de la transpiración diferencial que ejercía la salinidad.
La diferencia de salinidad no afectó significativamente a la producción total ni
comercial. Sin embargo y a pesar de ser plantas injertadas, cuando la CE de la solución
nutritiva se aumenta de 2,0 a 2,5 dS∙m-1
se produjo un significativo (a P ≤ 0,05) y
notable efecto sobre la distribución de los calibres de los frutos; registrándose una
menor producción (16%) de frutos del tamaño grueso y una mayor producción de frutos
del tamaño menor. DD4 respecto a DD1 aumentó significativamente la producción de
tomates de calibre grueso (22%). Los parámetros de la calidad en los frutos no se vieron
significativamente afectados. Por la mejora en el reparto del calibre de los tomates, la
distribución DD4 compensó económicamente el mayor gasto inicial que requiere en
comparación al DD1. La termografía reveló ser una herramienta robusta, sencilla y
rápida de diagnosticar el efecto de la salinidad sobre la transpiración.
Isidro Morales García Tesis Doctoral: Mejoras en los sistemas de fertirrigación de hortalizas y
ornamentales en cultivos sin suelo
39
Palabra claves. Salinidad moderada, distribuidores de goteros, tomate injertado,
termografía, termometría, métodos no destructivos, cultivo en fibra de coco, calidad de
fruto.
1. Introducción
La salinidad es uno de los factores más influyentes y estudiado en la horticultura
protegida. El efecto negativo de la presión osmótica creciente desde un óptimo, tanto en
el medio de cultivo como la solución nutritiva, se ha estudiado desde tiempos antiguos.
Adecuar el manejo del fertirriego y la salinidad (expresada esta como composición
iónica de la solución nutritiva), a las condiciones de producción es un factor altamente
influyente en el balance económico, pero también un importante factor para controlar
las emisiones de contaminantes al medio ambiente (Massa et al., 2010; Urrestarazu et
al., 2008a). Desde los años 30s y 40s. (E.g. Hayward y Long, 1943; Robbins, 1937)
hasta la actualidad (E.g. Adams, 1991; Adams y Ho, 1989; Cuartero y Fernández-
Muñoz, 1998; Ehret y Ho. 1986; He et al., 2009; Ho y Adams, 1995; Noshadi et al.,
2013; Urrestarazu et al., 2005) se ha descrito dos claros efecto al aumentar la salinidad:
1. La pérdida de productividad y 2) el incremento de algunos de los parámetros
considerados de calidad en los frutos (E.g. Sólidos totales solubles, contenido en
materia seca, acidez, peso medio de cada fruto, concentración iónica, etc.). Para
determinar y cuantificar las pérdidas de producción por el aumento de la presión
osmótica radical se han descrito diversos algoritmos desde los años 70s (E.g. Hoffman,
1985; Jobes et al., 1981; Maas y Hoffman, 1977). Actualmente han sido modificado y
adaptado considerando la salinidad desde 0 dS∙m-1
mediante un ajuste cuadrático
(Sonneveld, 2004a, 2004b, Sonneveld y Vooght, 2009), estos modelos se han utilizado
ampliamente para describir y prever la producción en función de unas condiciones
Isidro Morales García Tesis Doctoral: Mejoras en los sistemas de fertirrigación de hortalizas y
ornamentales en cultivos sin suelo
40
determinadas de salinidad. La gran mayoría de la información disponible en la
bibliografía se publica bajo unas grandes diferencias de salinidad en los tratamientos;
sin embargo, son pocos los trabajos que evalúan los efectos usando ligeros incrementos
de salinidades.
La distribución no uniforme de los nutrientes en el medio de cultivo provoca un
significativo efecto en las raíces de las plantas (E.g. Robinson, 1994; Schwarz et al.,
1995). Desde los trabajos de Heinen (1997), Van Noordwijk (1978) y Van Noordwijk y
Raats (1980, 1981), se han elaborado modelos para determinar la importancia de los
puntos de distribución del fertirriego y la ubicación de los puntos de drenaje en las
unidades de contenedores de cultivo, pero son muy pocos los trabajos que evalúan los
beneficios de la producción como los económicos por una mejor distribución de la
solución nutritiva con similares costes de la infraestructura de riego localizado: goteros
y sus distribuidores.
Las termografía se están utilizando en todas las ramas del conocimiento
científico y tecnológico (Grinzato et al., 2010). Recientemente, se han publicado
estudios de aplicación de la termografía a los cultivos sin suelo en relación al fertirriego
(Fernández-Bregón et al., 2013), o relacionado con la salinidad del fertirriego
(Urrestarazu, 2013).
El objetivo de este trabajo fue doble: 1) evaluar el efecto de una moderada
salinidad y el tipo de distribución del fertirriego sobre un cultivo de tomate, y 2) el
potencial de las termografías como herramienta de diagnóstico en el efecto de la
salinidad moderada expresada a través de la transpiración de las plantas.
Isidro Morales García Tesis Doctoral: Mejoras en los sistemas de fertirrigación de hortalizas y
ornamentales en cultivos sin suelo
41
2. Materiales y métodos
2.1. Condiciones de cultivo.
El cultivo se llevó a cabo en las instalaciones de la Universidad de Almería
(Spain), en un invernadero de plástico de 200 micras de grosor. Se plantaron plántulas
injertadas en el estadio de 6 y 7 hojas verdaderas el día 9 de noviembre de 2012. Se usó
el portainjerto cv. Emperador F1 y el injerto cv. Ramyle F1. El manejo cultural se hizo a
dos brazos y siguiendo métodos comúnmente utilizado en la zona de cultivo. El periodo
de cosecha se extendió desde 14 de marzo al 15 de mayo de 2013.
Para cada tratamiento se establecían dos ubicaciones de control del fertirriego,
consistentes en un gotero de control y una bandeja de drenaje que servían de puntos de
medida y seguimiento del fertirriego suministrado y la respuesta de absorción del
mismo. Diariamente se medía en ellos, el volumen de la solución nutritiva, pH y CE del
fertirriego de entrada y del drenaje. Estos datos retroalimentaba la programación del
fertirriego suministrado.
Cada nuevo riego se realizaba cuando se había agotado el 10 % de agua
fácilmente disponible en el sustrato, más el volumen necesario para provocar entre un
15-25% de drenaje (Urrestarazu, 2004; Urrestarazu et al., 2005; Urrestarazu et al.,
2008b). La duración de cada riego se aplicó ajustando el volumen a suministrar a cada
unidad de cultivo, en función de la curva de liberación de agua obtenida (Figura 1). Para
obtener la curva de liberación de agua del sustrato de fibra de coco utilizado se
calcularon los volúmenes (vol:vol): Porosidad total, volumen de aire (capacidad de
aireación), agua fácilmente disponible, agua de reserva y agua difícilmente disponible
(UNE-EN-13041:2012, 2012). El análisis físico del sustrato se realizó por triplicado. La
unidad de cultivo fue un saco de fibra de coco Pelemix GB1002410TM
de dimensiones
100 x 25 x 10 cm, con un volumen en cultivo de 25 L.
Isidro Morales García Tesis Doctoral: Mejoras en los sistemas de fertirrigación de hortalizas y
ornamentales en cultivos sin suelo
42
Figura 1. Curva de liberación de agua desde la fibra de coco en función de la
tensión retención del sustrato en cm de columna de agua (Basado en De Boodt et
al., 1974).
2.2. Tratamientos aplicados
Dos fuentes de variación fueron consideradas. La primera es la salinidad de la
solución nutritiva a CE de 2.0 y 2.5 dS∙m-1
, respectivamente. La solución nutritiva se
realizó con soluciones concentradas de los macronutrientes en las proporciones
indicadas en la tabla 1. La segunda fuente de variación fue el número de puntos de
emisión de la disolución nutritiva con 1 (DD1) o 4 (DD4) microtubos distribuidores por
goteros. Cada microtubo distribuidor es de 4 mm de diámetro y de 60 cm de longitud.
La distribución de las 3 o 12 piquetas o estabilizadores se repartía uniformemente por la
unidad de cultivo.
Isidro Morales García Tesis Doctoral: Mejoras en los sistemas de fertirrigación de hortalizas y
ornamentales en cultivos sin suelo
43
Tabla 1. Soluciones nutritivas utilizadas en el cultivo de tomate.
(z) Basada en Sonneveld y Straver (1994).
2.3. Muestreo en el cosechado
El cosechado de los tomates individuales se realizaba semanalmente en el estado
de madurez en rojo uniforme. Se calibraban en función de la categoría comercial
vigente de frutos según su diámetro ecuatorial (Reglamento CE 717/2001, 2001).
De cada cosecha se realizaba una submuestra de tres frutos de tomate con los
que se realizaba un homogeneizado y se medían el pH, la CE y los sólidos solubles
totales (Expresados como grados Brix) fueron medidos con un refractómetro de Mano
Digital-Atago PAL-1. La materia seca se obtuvo pesando el peso fresco de tres tomates
con una precisión de centésima de gramo, una vez desecado en una estufa de aire
forzado a 85º C durante 72 horas.
2.4. Muestreo y análisis de las termografías
En plena producción del cultivo de tomate se tomaron tres termografías para
cada tratamiento de CE (Figura 2). Se muestreaba la octava hoja desde el final de la
planta (Figura 2). Se medían la temperaturas medias de una superficie de entre 3 y
5 cm2 de cada foliolo de las hojas, siguiendo el procedimiento descrito por Fernández-
Bregón et al. (2013) y Urrestarazu (2013). Las termografías fueron realizadas el mismo
día y a mediodía siguiendo los criterios de Fernández-Bregón et al. (2013) y Möller et
al. (2007).
CE Macronutrientes Mm Micronutrientes µM
dS m-1
pH NO3- H2PO4
2- SO4
2- K
+ Ca
2+ Mg
2+ Fe Mn Cu Zn B Mo
2,00(z)
5,80 10,25 1,50 1,75 4,75 5,00 1,51 15 10 0,75 5 30 0,5
2,50 5,80 12,81 1,88 2,19 5,95 6,25 1,89 15 10 0,75 5 30 0,5
Isidro Morales García Tesis Doctoral: Mejoras en los sistemas de fertirrigación de hortalizas y
ornamentales en cultivos sin suelo
44
Figura 2. A es la fotografía de referencia de dos hojas de tomate de los
tratamientos de salinidad, CE2.0 y CE2.5 son las CE de 2,0 y 2,5 dS∙m-1
,
respectivamente. B Termografía de los tratamientos de salinidad. C es un detalle del
método de medida de la temperatura en un foliolo de la hoja. D es el método
aplicado a la totalidad de los foliolos de cada hoja. AVG es la media de la
temperatura considerada en una termografía.
Las imágenes termográficas fueron obtenidas con una cámara infrarroja Fluke®
Ti32 Thermal Imaging Scanner (Janesville, WI, USA), con un intervalo de medida del
espectro infrarrojo de 7,3 a 13 µm, y un intervalo de temperatura de -40 a +600 ºC. El
detector permite una resolución de 320 x 240 pixeles, con una mínima distancia focal de
0,3 m, y con una resolución espacial de 0,01 ºC. El tratamiento de las imágenes térmicas
se analizó por el software SmartView 3.2™ Researcher Pro (Fluke Thermography,
Plymouth, MN, USA) que permite la determinación de temperaturas medias máximas y
mínimas de una determinada superficie considerada.
Isidro Morales García Tesis Doctoral: Mejoras en los sistemas de fertirrigación de hortalizas y
ornamentales en cultivos sin suelo
45
2.5. Diseño experimental y análisis estadístico
El experimento se hizo bajo un diseño de parcelas completas subdivididas (Little
y Hill, 1987; Petersen, 1994). La parcela principal se realiza con la fuente de variación
salinidad (CE). La parcela secundaria o sub-parcela fue la distribución de fertirriego
desde el gotero (DD1 y DD4). El número de bloques de parcela y sub-parcela fue de 4.
Se realizó un análisis de la varianza y la correspondiente separación de medias. El
tratamiento matemático de los datos se realizó mediante el programa Statgraphics
Centurion® 16.1.15 y Office Microsoft 2010. La unidad experimental consistía en tres
sacos de cultivo. Cada saco de cultivo contenía tres plantas fertirregado con tres goteros
de 3 L h-1
de caudal nominal. Para la separación de medias de los datos de temperatura
de las termografías se utilizó una prueba simple de t de Student.
3. Resultados y discusión
3.1. Efecto sobre la producción total
La tabla 2 muestra los datos de los tratamientos por producción total, comercial
y por calibres. En la producción total y total comercial no se observaron diferencias
significativas tanto para los tratamientos de salinidad como los de distribución de la
solución nutritiva (DD). No se expresó una mayor producción en el tratamiento menos
salino (CE2) respecto al de mayor salinidad (CE2,5) descrita en la bibliografía (E.g.
Hoffman, 1985; Jobes et al., 1981; Maas y Hoffman, 1977; Sonneveld, 2004a;
Sonneveld y Vooght, 2009).
Isidro Morales García Tesis Doctoral: Mejoras en los sistemas de fertirrigación de hortalizas y
ornamentales en cultivos sin suelo
46
Tabla 2. Producción (kg∙m-2
) total y por calibres de un cultivo de tomate con
diferentes conductividades eléctrica (CE) de la solución nutritiva y suministro del
fertirriego con 1 y 4 puntos de distribución por gotero.
CE=2,0 dS∙m-1
CE=2,5 dS∙m-1
Nº de distribuidores por gotero Nº de distribuidores por
gotero
Calibre(z)
1 4 1 4
M (57-67 mm) 0,65 b 1,03 a 0,91 ab 1,01 a
MM (47-57 mm) 3,69 ab 4,18 a 3,10 b 3,50 ab
MMM (40-47 mm) 2,03 a 1,70 bc 1,94 ab 1,65 c
P (35-40 mm) 1,83 a 1,50 c 1,76 ab 1,71 b
No comercial (< 35
mm)
0,75 c 0,82 bc 0,97 b 1,12 a
Total comercial 8,20 a 8,22 a 7,72 a 7,87 a
Total 8,96 a 9,05 a 8,69 a 9,00 a
Letras distintas entre columnas indican diferencias significativas a P ≤ 0,05.
(z) Fuente: Reglamento CE 717/2001 (2001).
Es bien conocido que el uso del injerto contribuye a un mayor vigor de la planta
y a una mayor tolerancia a las enfermedades (Miguel et al., 2004), salinidad y estrés
hídricos (E.g. Lee, 1994; Fernández-García et al., 2002; Lee y Oda, 2003; Schwarz et
al., 2010). Por tanto, al estar el cultivo de tomate injertado, probablemente influyó en
evitar la pérdida de la producción total.
3.2. Efecto sobre la distribución de los calibres de los frutos
Los diferentes calibres de los frutos de tomate se vieron significativamente afectados
tanto por la salinidad como por la distribución de la solución nutritiva (DD) (Figura 3).
La CE menor (CE2) produjo una significativa (a P ≤ 0,05) mayor proporción de los
frutos del calibre de mayor tamaño (Calibre MM, 16%) y una menor proporción del
calibre P (5%) y el calibre no comercial (34%). Como los calibres de mayor tamaño
suelen tener un mayor valor comercial, significa que un aumento de la CE de 2 a 2,5
dS∙m-1
supone una pérdida de producción. Estos resultados son coincidentes con los
obtenidos en un amplio número de referencias en donde un aumento de la salinidad
Isidro Morales García Tesis Doctoral: Mejoras en los sistemas de fertirrigación de hortalizas y
ornamentales en cultivos sin suelo
47
provoca una reducción del peso medio del fruto (E.g. Hayward y Long, 1943; Ho y
Adams, 1995).
Figura 3. Efecto de la producción (kg∙m-2
) por calibre del diámetro ecuatorial y total
comercial de plantas de tomate en función de la conductividad eléctrica (dS∙m-1
) de la
solución nutritiva de 2,0 (CE2, línea discontinua) y 2,5 (CE2,5 línea continua), y la
distribución de la solución nutritiva con 1 (DD1, línea discontinua) y 4 (DD4, línea
continua) puntos por gotero. *, ns muestran diferencias significativas en el análisis de la
varianza a P ≤ 0,05 y no significativo, respectivamente.
De forma similar, el incremento de puntos de distribución de la solución
nutritiva de 1 (DD1) a 4 (DD4), produjo una variación en el reparto de los calibres de los
frutos de tomate. Los calibres gruesos M y MM aumentaron significativamente (a P ≤
0,05) en una media de 30 y 13%, respectivamente; mientras que también disminuyeron
los calibres pequeños MMM y P en un 16 y 11%, respectivamente. Consecuentemente,
1
2
3
4
5
6
7
8
0.6
1.6
2.6
3.6
ns * ns * * ns
1
2
3
4
5
6
7
8
0.6
1.6
2.6
3.6
M (57-67 mm)
MM (47-57 mm)
MMM (40-47 mm)
P (35-40 mm)
No comercial (< 35 mm)
TOTAL COMERCIAL
* * * * ns ns
CE2,0 CE2,5
CE2
.0
CE2.
5
DD4 DD1
TOTAL
COMERCIAL
Isidro Morales García Tesis Doctoral: Mejoras en los sistemas de fertirrigación de hortalizas y
ornamentales en cultivos sin suelo
48
una mejor distribución del fertirriego en la unidad de cultivo mejoró la producción,
como ocurría con el tratamiento menos salino. Estos resultados son similares a los
publicados por autores como Robinson (1994) quien determina mejoras productivas
cuando se distribuye adecuadamente los nutrientes. También, los trabajos de Sonneveld
y Voogt (1990) en tomate y Sonneveld y de Kreij (1999) en pepino, que aunque no
aumentan el número de puntos de distribución del fertirriego sino que lo distribuyen
desigualmente por la unidad de cultivo, obtienen resultados de mejora de la producción.
El hecho de usar plantas injertadas no evitó que se produjese una pérdida de los
calibres gruesos a favor de los calibres menores. Por tanto el vigor descrito para las
plantas injertadas no se expresó positivamente en la distribución de calibres.
3.3. Efecto sobre los parámetros de calidad de la producción
La tabla 3 muestra algunos parámetros de calidad de los frutos de tomate. Los
diferentes tratamientos no mostraron diferencias significativas en los parámetros de
calidad de fruta evaluados, excepto los sólidos totales solubles en los tratamientos que
disminuyeron al aumentar la distribución. Ante un incremento de la salinidad se ha
descrito un importante aumento de los parámetros: % de materia seca, acidez, sólidos
totales solubles (ºBrix) y concentración osmótica del fruto (E.g. Hayward y Long,
1943), sin embargo en este experimento no se observó dicho incremento de forma
significativa probablemente debido a: 1) el escaso incremento de la CE que fue
considerado, 2) al comportamiento tolerante del cultivo del tomate en comparación a
otros cultivos hortícolas, que ya se describió desde hace mucho tiempo (E.g. Maas y
Hoffman, 1977), y 3) a la potencial contribución del vigor que otorga el portainjerto a la
salinidad (Lee y Oda, 2003). El mayor estrés que provocó un peor reparto del fertirriego
(DD1 frente a DD4), pudo justificar que sean mayores los sólidos totales solubles. Estos
resultados coinciden con la idea sugerida por la reciente revisión que realizan Rouphael
Isidro Morales García Tesis Doctoral: Mejoras en los sistemas de fertirrigación de hortalizas y
ornamentales en cultivos sin suelo
49
et al. (2010) sobre el efecto del injerto de las hortalizas de fruto, quienes indican que
aún hace falta una notable investigación para tener un conocimiento del papel que los
injertos ejercen en la calidad de los frutos.
Tabla 3. Algunos parámetros de los frutos de tomate con diferentes
conductividades eléctrica (CE) de la solución nutritiva y suministro del fertirriego
con 1 y 4 puntos de distribución por gotero.
CE dS∙m-1
Nº de distribuidores por
gotero
2,0 2,5 1 4
pH 4,21 4,27 ns 4,24 4,24 ns
CE 4,38 4,44 ns 4,43 4,39 ns
Sólidos solubles totales (° Brix) 4,92 5,08 ns 5,11 4,89 *
Materia seca (%) 7,08 7,25 ns 7,20 7,13 ns
* indican diferencias significativas entre tratamientos a P ≤ 0,05, ns= no significativo.
3.4. Efecto sobre el balance económico
La tabla 4 muestra el balance económico parcial referente a los gastos de
inversión que se requieren en función de la opción DD1 respecto a la DD4. Se
consideran solo los ingresos de los calibre gruesos que son aquellos que tienen un
mayor valor comercial. Con el valor diferencian de un sólo cultivo de tomate del año
(0,30 €∙m-2
∙cultivo-1
) se habría compensado la mayor inversión inicial (de 0,45
€∙m-2
∙año-1
) que representa la opción DD4 respecto a la DD1.
Isidro Morales García Tesis Doctoral: Mejoras en los sistemas de fertirrigación de hortalizas y
ornamentales en cultivos sin suelo
50
(z) Basado en precios medios de dos casas comerciales y la media de reposición de
goteros prescrita (10 años). (y)
Basado en precios medios que recibe el agricultor en las cooperativas agrícolas en las
mismas fechas de cultivo. Fuente: Frutas y hortalizas de Almería (2013). (x)
Fuente: Reglamento CE 717/2001 (2001).
La tabla 5 muestra el balance económico parcial respecto al gasto económico
que supone fertirregar con una solución media de CE de 2,0 dS∙m-1
respecto a hacerlo
con una de 2,5 dS∙m-1
.
Tabla 4. Balance económico en función del uso de 1 (DD1) o 4 (DD4)
distribuidores por cada gotero en un cultivo de tomate injertado en sacos de fibra de
coco, considerando solo las producciones y los ingresos de los tomates de calibre
más grueso (De M a MMM).
Rendimiento Precio goteros(z) Precio del Ingresos
kg∙m-2∙cultivo-1 €∙m-2∙año-1 tomate(y) €∙m-2∙cultivo-1
Calibres(x) DD1 DD4 DD1 DD4 €∙kg-1 DD1 DD4
M (57-67 mm) 0,78 1,03 0,12 0,42 1,12 0,87 1,15
MM (47-57 mm) 3,40 3,84 0,12 0,42 0,81 2,75 3,11
MMM (40-47 mm) 1,99 1,68 0,12 0,42 0,60 1,19 1,01
Total 6,17 6,55 4,82 5,27
Diferencia DD4 – DD1 0,38 0,30 0,45
Isidro Morales García Tesis Doctoral: Mejoras en los sistemas de fertirrigación de hortalizas y
ornamentales en cultivos sin suelo
51
Tabla 5. Balance económico en función del uso de la solución nutritiva (SN) con
CE de 2,0 (CE2) y 2,5 dS∙m-1
(CE2,5) en cultivo de tomate injertado en sacos de
fibra de coco, considerando solo las producciones y los ingresos de los tomates de
calibre más grueso (De M a MMM).
Rendimiento Precio SN(z) Precio del Ingresos
kg m-2 cultivo-1 €∙m-2∙cultivo-1 tomate(y) €∙m-2∙cultivo-1
Calibres(x) CE2 CE2,5 CE2 CE2,5 €∙kg-1 CE2 CE2,5
M (57-67 mm) 0,84 0,96 0,69 1,10 1,12 0,94 1,08
MM (47-57 mm) 3,93 3,30 0,69 1,10 0,81 3,18 2,67
MMM (40-47 mm) 1,86 1,79 0,69 1,10 0,60 1,11 1,07
Total 6,63 6,05 5,23 4,82
Diferencia CE2–CE2,5 -0,58 -0,41 -0,41
(z) Basado en los precios de cada litro de solución nutritiva y el volumen del ciclo de
cultivo utilizado. (y)
Basado en precios medios que recibe el agricultor en las cooperativas agrícolas en las
mismas fechas de cultivo y en la misma zona. Fuente: Frutas y hortalizas de Almería
(2013). (x)
Fuente: Reglamento CE 717/2001, (2001).
Estos resultados muestran una pérdida de un ingreso del agricultor de 0,41 €∙m-2
(8,5%),
con una mayor proporción de gastos en fertilizantes (0,41 €∙m-2
) si se fertirriga con la
opción CE2,5. Consecuentemente, por el valor de los fertilizantes y el valor de los
tomates en función de su calibre, se obtiene un valor de 0,82 €∙m-2
más de la opción CE2
frente a la CE2,5. Sin embargo, el agricultor a veces elige esta desventajosa opción por
alguna de estas razones: 1) mantener un índice de cosecha adecuado por un moderado
estrés salino (manteniendo un adecuado equilibrio entre la proporción fase vegetativa y
la fase reproductivas del tomate), 2) evitar la mayor susceptibilidad a los problemas
fitosanitarios, 3) aumentar la vida media poscosecha (Mizrahi, 1982; Mizrahi et al.,
1988); y/o 4) aumentar o mejorar de los parámetros de calidad (Sólidos totales solubles,
acidez, aumento de productos que potencian el sabor o nutrientes beneficiosos para la
salud, etc. ), (Cuartero et al., 1996; Sharaf y Hobson, 1986; Rouphael et al., 2010).
En ambas condiciones, ya se elija DD1 frente a DD4 o/y CE2,5 frente a CE2, se
produce una pérdida económica para el agricultor; la proporción de esta pérdida
Isidro Morales García Tesis Doctoral: Mejoras en los sistemas de fertirrigación de hortalizas y
ornamentales en cultivos sin suelo
52
dependerá en ambos casos de la diferencia del valor del mercado de los calibres gruesos
en comparación a los calibres pequeños (Ho y Adams, 1995); siendo esta diferencia en
general mayor en los mercados norteamericanos respecto a los europeos. Sin embargo,
pese a provocar una pérdida económica sustancial, en las fincas comerciales la opción
de CE2,5 frente a CE2 es una práctica muy habitual.
3.5. Papel de las termografía
Las temperaturas medias de las hojas de los tratamientos de las CEs de la
solución nutritiva suministrada se muestran en la figura 4. Aunque existían unas
diferencias muy escasa de temperaturas, menos de 1 ºC (≈2%), las menores
temperaturas registradas estuvieron relacionadas con el tratamiento de menor CE de
forma muy altamente significativa (a P ≤ 0,001). Esta correlación fue muy similar a la
encontrada por Oerke et al. (2006) en melón o en plantas ornamentales por Urrestarazu
(2013). Por tanto, las termografía adecuadamente manejada pueden resultar una
herramienta sencilla, rústica, no destructiva y de uso remoto útil para diagnosticar un
factor limitante de una escasa transpiración en un posible estrés salino o hídrico.
Consecuentemente puede estar incorporada a una red de visión telemática de control y
seguimiento de un cultivo hortícola como ha sido publicado por diversos como Álvaro
et al. (2011) o Fernández-Bregón et al. (2012).
Isidro Morales García Tesis Doctoral: Mejoras en los sistemas de fertirrigación de hortalizas y
ornamentales en cultivos sin suelo
53
Figura 4. Temperatura media de hojas de un cultivo de tomate con tratamiento de
la solución nutritiva de la CE de 2,0 y 2,5 dS∙m-1
, respectivamente. Media de todos
los foliolos de tres hojas por tratamiento. Temperaturas medias medidas por
termografía de una superficie de 3 a 5 cm2 de cada foliolo y hoja.
4. Conclusiones
Un moderado aumento de la salinidad no ejerce un importante efecto sobre la
producción en un cultivo de tomate injertado ni sobre los parámetros de calidad de los
frutos (sólidos totales solubles, contenido en peso seco o concentración osmótico del
jugo del tomate). Sin embargo, su efecto se expresa de una forma notable en el reparto
de los calibres. Disminuyendo significativamente los calibres más gruesos en un 14%
frente a los menores.
Una mejor distribución de la solución nutritiva sobre la unidad de cultivo no
mejora el rendimiento ni los parámetros de calidad de los frutos (sólidos solubles
totales, contenido en peso seco o concentración osmótica del jugo del tomate). Pero
mejora sustancialmente el porcentaje de frutos de mayor calibre en más de un 20%.
La mejora de la distribución y la moderada salinidad óptima (2,0 sobre
2,5 dS∙m-1
) de la solución nutritiva incrementa la rentabilidad del cultivo cuando los
frutos de calibre más grueso tienen un mayor valor comercial.
Isidro Morales García Tesis Doctoral: Mejoras en los sistemas de fertirrigación de hortalizas y
ornamentales en cultivos sin suelo
54
El uso de injerto pudo compensó la pérdida potencial de producción al empeorar
las condiciones de moderada salinidad y/o el peor reparto del fertirriego en la unidad de
cultivo, pero no impidió una pérdida de los calibres de mayor tamaño.
La termografía podría constituir una herramienta robusta, rápida, no destructiva
y de uso remoto para diagnosticar una salinidad moderada.
5. Referencias
Adams, P. 1991. Effects of increasing the salinity of nutrient solution with major
nutrients or sodium chloride on the yield, quality and composition of tomatoes
grown in Rockwool. J. Hort. Sci. 66:201-207.
Adams, P., Ho, L.C. 1989. Effects of constant and fluctuating salinity on the yield,
quality and calcium status of tomatoes. J. Hort. Sci. 64:725-732.
Álvaro, J. E. Valera, D. L., Urrestarazu, M. 2011. Nuevas herramienta de control y
diagnóstico mediante cámaras multiespectrales en la horticultura protegida,
Agrícola vergel: Fruticultura, horticultura, floricultura 30:399-401.
Cuartero, J., Baena, J., Soria, T., Fernández-Muñoz, R. 1996. Evolución de la dureza del
fruto del tomate, como un componente de la calidad, en cultivares de larga
duración y normales cultivados en 5 concentraciones salinas. Actas de
Horticultura. 13:59-65.
Cuartero, J., Fernández-Muñoz, R. 1998. Tomato and salinity. Scientia Horticulturae
78:83-125.
De Boodt, M., Verdonck, O., Cappaert, I. 1974. Method for measuring the water release
curve of organic substrates. Acta Horticulturae 37:2054–62.
Ehret, D.L., Ho, L.C. 1986. The effects of salinity on dry matter partitioning and fruit
growth in tomatoes grown in nutrient film culture. J. Hort. Sci. 61:361-367.
Isidro Morales García Tesis Doctoral: Mejoras en los sistemas de fertirrigación de hortalizas y
ornamentales en cultivos sin suelo
55
Fernández-Bregón, N., Valera, D., Urrestarazu, M. 2013. Uniformity of fertigation as
diagnosed by infrared thermography under soilless culture. J. Food Agr. and
Environ. 11:981-984
Fernández-Bregón, N., Urrestarazu, M., Valera, D. 2012. Algunos usos de la visión
artificial y su aplicación en la horticultura protegida. Vida rural 343:46-48
Fernández-García, N., Martínez, V., Cerda, A., Carvajal M. 2002. Water and nutrient
uptake of grafted tomato plants grown under saline conditions. J. Plant Physiol.
159:899-905.
Frutas y hortalizas de Almería. 2013. Revista Frutas y hortalizas de Almería. 06 agosto
2013. <http://www.fhalmeria.com/subastas.aspx<.
Grinzato, E., Cadelano, G., Bison, P. 2010. Moisture map by IR thermography. J. Mod.
Optics 57:1770–78.
Hayward, H.E., Long, E. M. 1943. Some effects of sodium salts on the growth of the
tomato. Plant Physiology 18:556–569.
He, Y., Zhu, Z., Yang, J., Ni, X., Zhu B. 2009. Grafting increases the salt tolerance of
tomato by improvement of photosynthesis and enhancement of antioxidant
enzymes activity. Environ. Exp. Bot. 66:270-278
Heinen, M. 1997. Dynamics of water and nutrients in closed, recirculating cropping
systems in glasshouse horticulture. With special attention to lettuce grown in
irrigated sand beds. PhD Thesis Wageningen Agricultural University. ISBN 90-
5485-667-X. 270 p.
Ho, L.C., Adams, P. 1995. Nutrient uptake and distribution in relation to crop quality.
Acta Horticulturae 396:33-44.
Hoffman, G.J. 1985. Drainage required to manage salinity. J. Irrig. Drain. Eng.
111:199-206.
Isidro Morales García Tesis Doctoral: Mejoras en los sistemas de fertirrigación de hortalizas y
ornamentales en cultivos sin suelo
56
Jobes, J.A., Hoffman, G. J., Wood, J. D. 1981. Leaching requirement for salinity control
II. Oat, Tomato, and cauliflower. Agricultural Water Management 4:393-407.
Lee, J.M. 1994. Cultivation of grafted vegetables I. Current status, grafting methods,
and benefits. HortScience 29:235–239
Lee, J.M., Oda, M. 2003. Grafting of herbaceous vegetable and ornamental crops.
Horticultural Review 28:61-124.
Little, T.M., Hills, F. J. 1975. Statistical Methods for Agricultural Research. New York:
John Wiley and Sons. 242 p.
Mass, E.V., Hoffman, G. J. 1977. Crop salt tolerance-Current assessment. J. Irr. Drain
Div. Amer. Soc. Chem. Eng. 103:115-134.
Massa, D., Incrocci, L., Maggini, R., Carmassi, G., Campiotti, C. A., Pardossi, A. 2010,
Strategies to decrease water drainage and nitrate emission from soilless cultures
of greenhouse tomato. Agricultural Water Management 97:971–980.
Miguel, A., Maroto, J. V., San Bautista, A., Baixauli, C., Cebolla, V., Pascual, B.,
López-Galarza, S., Guardiola, J. L. 2004. The grafting of triploid watermelon is
an advantageous alternative to soil fumigation by methyl bromide for control of
Fusarium wilt. Scientia Horticulturae 103:9–17.
Mizrahi, Y. 1982. Effect of salinity on tomato fruit ripening. Plant Physiol. 69:966-970.
Mizrahi, Y., Taleisnik, E., Kagan-Zur, V., Zohas, Y., Offenbach, R., Matan, E., Golan,
R. 1988. A saline irrigation regime for improving tomato fruit quality without
reducing yield. J. Am. Soc. Horti. Sci. 113:202-205.
Möller, M., Alchanatis V., Cohen, Y., Meron, M., Tsipris, J., Naor, A., Ostrovsky, V.,
Cohen, S. 2007. Use of thermal and visible imagery for estimating crop water
status of irrigated grapevine. J. Expt. Bot. 58:827–838.
Isidro Morales García Tesis Doctoral: Mejoras en los sistemas de fertirrigación de hortalizas y
ornamentales en cultivos sin suelo
57
Noshadi, M., Fahandej, S., Sepaskhah, A. R. 2013. Effects of salinity and irrigation
water management on soil and tomato in drip irrigation. International Journal of
Plant Production 7:295-312
Oerke, E.C., Steiner, U., Dehne, H. W., Lindenthal, M. 2006. Thermal imaging of
cucumber leaves affected by downy mildew and environmental conditions. J.
Expt. Bot. 57:2121–32.
Petersen, R.G. 1994. Agricultural Field Experiments. Ed. Marcel Dekker, Inc. New
York, USA. 409 p.
Reglamento CE 717/2001, 2001. L 95/24 ES Diario Oficial de las Comunidades
Europeas 15.4.2000. REGLAMENTO (CE) No 790/2000 DE LA COMISIÓN
de 14 de abril de 2000 por el que se establecen las normas de comercialización
de los tomates. 10 agosto 2013. <http://www.boe.es/doue/2000/095/L00024-
00029.pdf.>
Robbins, W.R. 1937. Relation of nutrient salt concentration to growth of the tomato and
to the incidence of blossom en rot of the fruit. Plant Physiology 12:21-50
Robinson, D. 1994. The responses of plants to non-uniform supplies of nutrients. New
Phytol. 127:635-674.
Rouphael, Y., Schwarz, D., Krumbein, A., Colla, G. 2010. Impact of grafting on
product quality of fruit vegetables. Scientia Horticulturae 127:172-179.
Schwarz, D., Heinen, M., van Noordwijk, M. 1995. Rooting intensity and root
distribution of lettuce grown in sand beds. Plant and Soil 176:205-217.
Schwarz, D., Rouphael, Y., Colla, G., Venema, J. H. 2010. Grafting as a tool to improve
tolerance of vegetables to abiotic stresses: Thermal stress, water stress and
organic pollutants. Scientia Horticulturae 127:162–171.
Sharaf, A. R., Hobson, G. E. 1986. Effect of salinity on the yield and quality of normal
and nonripening mutant tomatoes. Acta Horticulturae 190:175-181.
Isidro Morales García Tesis Doctoral: Mejoras en los sistemas de fertirrigación de hortalizas y
ornamentales en cultivos sin suelo
58
Sonneveld, C. 2004a. La nutrición mineral y salinidad en los cultivos sin suelo: su
manejo. En; Tratado de cultivo sin suelo. Ed. M. Urrestarazu, p. 305-367. Ed.
Mundi-Prensa, Madrid. España.
Sonneveld, C. 2004b. Effects of salinity on substrate grown vegetables and ornametals
in greenhouse horticulture. PhD Thesis Wageningen Agricultural University.
The Netherlands. 150 p.
Sonneveld, C., de Kreij, C. 1999. Response of cucumber (Cucumis sativus L.) to an
unequal distribution of salts in the root environment. Plant and Soil 209:47-56.
Sonneveld, C., Straver, N. 1994. Nutrient Solutions for Vegetables and Flower Grow in
Water or Substrates, tenth ed. Proefstation voor tuinbouw onder glas te
Naaldiwjk, Naaldiwijk, The Netherlands. 45 p.
Sonneveld, C., Voogt, W. 1990. Response of tomatoes (Lycopersicon esculentum) to an
unequal distribution of nutrients in the root environment. Plant and Soil
124:251-256.
Sonneveld, C., Voogt, W. 2009. Plant Nutrition of Greenhouse Crops. Dordrecht, the
Netherlands: Springer. 431 p.
Statistical Graphics Corp., 1999. Statgraphics Centurion®
. Statistical Graphics Corp.,
Rockville, MD.
UNE-EN 13041:2012. Mejoradores de suelo y sustratos de cultivo. Determinación de
las propiedades físicas. Densidad aparente seca, volumen de aire, volumen de
agua, valor de contracción y porosidad total. Madrid. 10 agosto 2013.
<http://www.aenor.es/aenor/normas/normas/fichanorma.asp?tipo=N&codigo=N
0049336&pdf=#.UgkKNJIvn9U>.
Urrestarazu, M. 2004. Tratado de cultivo sin suelo. Ed. Mundi-Prensa, Madrid, 914 p.
Urrestarazu, M. 2013. Infrared thermography used to diagnose the effects of salinity in a
soilless culture. Quantitative InfraRed Thermography 10:1–8.
Isidro Morales García Tesis Doctoral: Mejoras en los sistemas de fertirrigación de hortalizas y
ornamentales en cultivos sin suelo
59
Urrestarazu, M., Guillén, C., Mazuela, P. C., Carrasco G. 2008b. Wetting agent effect
on physical properties of new and reused rockwool and coconut coir waste.
Scientia Horticulturae 116:104-108.
Urrestarazu, M., Martínez, G. A.., Salas, M. C. 2005. Almond shell waste: possible
local rockwool substitute in soilless crop culture. Scientia Horticulturae
103:453-460.
Urrestarazu, M., Salas, M. C., Valera, D., Gómez, A., Mazuela, P. C. 2008a. Effects of
heating nutrient solution on water and mineral uptake and early yield of two
cucurbits under soilless culture. J. Plant Nutrition 31:527-538.
Urrestarazu, M., Borges, L., Burés, S., Álvaro, J. E. 2013. Response of Lime Thyme to
Salinity and Ionic Concentration in Nutrient Solution. J. Plant Nutr. 36:562-565.
Van Noordwijk, M. 1978. Zout ophoping en beworteling bij de teelt van tomaten op
steenwol (in Dutch , with a summary: Distribution of salts and root development
in the culture of tomatoes on rock wool). Rapport 3-78, Instituut voor
Bodemvruchtbaarheid, Haren, The Netherlands, 21 p.
Van Noordwijk, M., Raats, P. A. C. 1980. Drip and drainage systems for rockwool
cultures in relation to accumulation and leaching of salts. Proceedings Fifth
International Congress on Soilless Culture, Wageningen, The Netherlands, p.
279-287.
Van Noordwijk, M., Raats P. A. C. 1981. Zoutophoping en -uitspoeling in samenhang
met het druppelsysteem bij de teelt op steenwol (in Dutch, with a summary: The
influence of the drip system upon accumulation and leaching of salts in
rockwool cultures). Rapport 9-81, Instituut voor Bodemvruchtbaarheid, Haren,
The Netherlands, 37 p.
Isidro Morales García Tesis Doctoral: Mejoras en los sistemas de fertirrigación de hortalizas y
ornamentales en cultivos sin suelo
61
Capítulo 3. Contribución de imágenes térmicas para fertirrigación en
cultivos sin suelo
Contribution of thermal images to fertigation in soilless culture
Isidro Morales1, Juan E. Álvaro
1 y Miguel Urrestarazu
1
1Departamento de Agronomía, Universidad de Almería, La Cañada de San Urbano s/n,
04120 Almería, España
Cita: Morales, I., Álvaro, J. E., Urrestarazu, M. 2014. Contribution of thermal
imaging to fertigation in soilless culture. J. Therm. Anal Calorim. 116:1033–1039
Revista: Journal Thermal Analysis Calorimetry
Categoria: Quimica Analitica
Factor de impacto (JCR, 2013): 2.20
Cuartil: Q2
Este trabajo fue financiado a través de fondos FEDER AGL-2010-18391.
Isidro Morales García Tesis Doctoral: Mejoras en los sistemas de fertirrigación de hortalizas y
ornamentales en cultivos sin suelo
62
Resumen
La termografía es una herramienta que se utiliza en muchas disciplinas
científicas, incluyendo la agricultura. En este trabajo se describe la aplicación de la
termografía como método de diagnóstico rápido de riego adecuado. Se realizaron dos
experimentos. En el experimento 1, se trasplantó Philodendron erubescens y Anthurium
andraeum en macetas en un invernadero en Almería (España). Se midieron los
parámetros de crecimiento vegetativo de estas plantas. En el experimento 2, se realizó
sobre dos diferentes cubierts vegetales en muros verdes: uno con combinación de
plantas aromáticas y otra con plantas ornamentales de interior. Las imágenes
termográficas se midieron utilizando una cámara compacta de infrarrojos, que tenía un
rango infrarrojo espectral de 7,3 - 13 µm, microbolómetro de 320 x 240 píxeles, y la
resolución espacial era de 0,01 ºC a 30 ºC. Se aplicaron tres tratamientos de riego en
ambos experimentos, que consistieron en un tratamiento control (TC), un déficit de
riego [1/3 menos volumen, (DR)] de tratamiento, y tratamiento con exceso de riego [1/3
mayor volumen, (ER)]. En ambos experimentos, los muestreos de temperaturas fueron
medidas por termografía para cada tratamiento de riego. En el experimento 1, los
parámetros de crecimiento vegetativo fue mayor en TC respecto a DI o ER. Los datos
de las termógrafías de referencia sobre las hojas de las plantas en macetas se
correlacionaron significativamente con los parámetros de mejor crecimiento bajo un
tratamiento óptimo de riego. En el experimento 2, se formó un dosel vegetal continuo, y
las temperaturas medias se correlacionaron con los tratamientos de riego en este
experimento. Las temperaturas reflejadas en los termografías de referencia permitían
determinar el tratamiento de riego más apropiado. Estos resultados sugieren que la
termografía puede ser un método útil para proporcionar un diagnóstico precoz del estrés
hídrico de las plantas en maceta y muros verdes.
Isidro Morales García Tesis Doctoral: Mejoras en los sistemas de fertirrigación de hortalizas y
ornamentales en cultivos sin suelo
63
Palabras clave: muro verde, termografía, termometría, técnicas de sensores,
fertirrigación, monitorización no invasiva.
1. Introducción
La termografía infrarroja se utiliza en muchos campos de la ciencia (Garner et
al., 1995) y la tecnología (Grinzato et al., 2010), incluyendo la agricultura y la
horticultura (Jones et al., 2002; Inagaki y Nachit, 2012; Moller et al., 2007: Krapez y
Olioso, 2011; Prado et al., 2011; Wang et al., 2013) y fisiología de las plantas (Pearce y
Fuller, 2001; Glenn, 2012). La tecnología puede ser utilizada específicamente para
monitorear la eficiencia del uso de los recursos hídricos, tanto para aplicaciones en
campo (Antonucci et al., 2011) y en plantas en macetas en cultivo sin suelo (Fernández-
Bregón et al., 2103; Urrestarazu, 2013a). La temperatura de las hojas de las plantas es el
resultado de factores externos e internos (fisiológicas). Existe una correlación entre la
temperatura de las hojas y el estado del agua, ya que el agua es la principal fuente de
absorción de infrarrojos en el tejido vegetal (Kümmerlen, 1999). La relación entre la
transpiración de la hoja y el estrés hídrico de los cultivos está bien establecido (Cox y
Boersma, 1967). La transpiración está regulado por un mecanismo de control de
retroalimentación de los estomas, que es a su vez influenciado por la falta de agua
(Fernández-Bregón et al., 2103; Kumar et al., 1994); debido a la correlación negativa
entre la tasa de transpiración y la temperatura de la hoja, la termografía infrarroja digital
permite la monitorización no invasiva y visualización indirecta de un estrés potencial.
Varios estudios anteriores han empleado la termografía infrarroja digital en la
horticultura para el control de la enfermedades (Nilssona, 1991; Chaerle et al., 1999,
2001, 2004; Oerke et al., 2006; Wang et al., 2012), pero relativamente pocos estudios
han propuesto el uso de la termografía para el diagnóstico precoz de los problemas con
Isidro Morales García Tesis Doctoral: Mejoras en los sistemas de fertirrigación de hortalizas y
ornamentales en cultivos sin suelo
64
un sistema de distribución de fertirrigación (Fernández-Bregón et al., 2103), el estrés
hídrico (Wang et al., 2013), o tolerancia a la salinidad en los cultivos (Urrestarazu,
2013a; James y Sirault, 2012).
Existe una necesidad real de técnicas sensibles, fáciles, económicas y robustas
para la detección de estrés de las plantas por agua y otros factores, sobre todo antes de
que estas tensiones se manifiesten como daños a los cultivos.
El presente trabajo investiga el potencial de la termografía infrarroja como una
herramienta para la fertirrigación. El estudio evalúa la capacidad de la termografía
infrarroja como un método temprano, rápido y sencillo para diagnosticar el volumen de
fertigación para cultivo sin suelo en macetas y en condiciones de muro verde.
2. Materiales y métodos
2.1 Experimento 1
Cultivo
El experimento se inició el 25 de febrero de 2013 en un invernadero de la
Universidad de Almería (Almería, España). Plántulas (65 días de edad) de Philodendron
(Philodendron erubescens K. Koch y Augustin cv. rojo Imperial) y anturio (Anthurium
andraeanum Linden Ex André) se transplantaron a macetas de 0,5 L llenados con una
mezcla de turba y fibra de coco (1:2 vol:vol). Cada maceta (unidad de cultivo) fue
fertirrigado con una solución nutritiva estándar (Sonneveld y Straver, 1994) durante 90
días a anthurium y Syngonium, utilizando goteros autocompensantes y antidrenantes,
con una velocidad de flujo de 2, 3, o 4 L h-1
dependiendo de cada tratamiento. Para
todos los tratamientos, una nueva fertirrigación se suministraba cada vez una maceta
había absorbido entre 10 y 20% del agua fácilmente disponible, determinado a partir del
tratamiento control (Urrestarazu, 2004; Urrestarazu et al., 2008). La velocidad de flujo
Isidro Morales García Tesis Doctoral: Mejoras en los sistemas de fertirrigación de hortalizas y
ornamentales en cultivos sin suelo
65
del tratamiento de control (TC) fue de 3 L h-1
, mientras que la tasa de flujo para el
tratamiento de riego deficiente (DR) fue de 2 L h-1
, con un volumen de fertirrigación un
tercio menor que el TC. El caudal para el tratamiento de exceso de riego (ER) fue de 4
L h-1
, con un volumen de fertirrigación un tercio más que el TC.
Mediciones termométricas
Las imágenes termográficas se midieron utilizando una cámara compacta de
infrarrojos, Fluke®
Ti32 Thermal Imaging Scanner (Janesville, WI, USA), con un
rango infrarrojo espectral de 7,3 a 13 micras, un intervalo de temperatura de -40 a 600
ºC, y una precisión de ± 2 %. El detector era un matriz de plano focal (un
microbolómetro no refrigerado de 320 x 240 píxeles), y el campo de visión era 20º, con
una distancia focal mínima de 0,3 m. La resolución espacial fue de 0,01 ºC a 30 ºC. La
emisividad era 0,95. Las mediciones térmicas se obtuvieron al mediodía de acuerdo con
los métodos de Inagaki y Nachit (2008) y Fernández-Bregon et al. (2013). Las
mediciones se tomaron de manera constante en las hojas de la parte media del tallo,
orientación y posición en la planta predeterminada (Fig 1D.) en un área de
aproximadamente 3-5 cm2, de acuerdo con los criterios de Urrestarazu (2013) (Fig. 1b).
La lente se posicionaba perpendicularmente a la superficie de la hoja. Una imagen
termo gráfica fue tomada de cada planta en cada uno de los tres tratamientos al mismo
tiempo (Figuras. 1, 2, 3 y 4).
Isidro Morales García Tesis Doctoral: Mejoras en los sistemas de fertirrigación de hortalizas y
ornamentales en cultivos sin suelo
66
Figura 1. Es un termógrafo de los tres volúmenes de riego, donde TC es el control,
DR tiene 1/3 menos riego y la ER tiene 1/3 más de riego. El riego se produce a
velocidades de flujo de 2, 3 y 4 L h-1
, respectivamente, en cada maceta. B
Mediciones termográficas, media (Med), mínimo (Min) y máximo (Max) de las
temperaturas de un área foliar representativa. C datos termográficas de una maceta
con el mismo volumen de riego. D es la fotografía de referencia
Análisis termométrico
La cámara utilizada en este estudio se apoya en el paquete de software
SmartView 3.2™ Researcher Pro (Fluke termografía, Plymouth, MN, USA) y la
plataforma de Microsoft Windows XP, que ofrece funciones de análisis, incluyendo
puntos de temperaturas, perfiles, histogramas, isotermas, y la determinación de la
temperatura máxima en la imagen (Figuras 1, 2, 3 y 4).
Parámetros de crecimiento
Noventa días después del trasplante, las plantas de cada tratamiento y repetición
se dividieron en raíces, tallos y hojas. Después de la medición de la masa fresca de cada
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ornamentales en cultivos sin suelo
67
porción, se determinó la masa seca de las raíces, tallos y hojas después de secado a 85
ºC e una estufa de aire forzado hasta alcanzar peso constante (Tabla 1).
Diseño experimental y análisis estadístico
Se utilizaron cuatro repeticiones para cada medición y tratamiento. El
experimento se llevó a cabo utilizando un diseño completamente al azar con 8 macetas
por repetición para cada tratamiento. Se utilizó la prueba de rangos múltiples de Tukey
a P ≤ 0,05 para diferenciar las medias. El diseño experimental y el análisis de datos se
basaron en el procedimiento descrito por Little y Hills (1987). Para el procesamiento de
los datos se utilizó el paquete estadístico Statgraphics R_Plus 5.0 (2005).
2.2. Experimento 2
Se realizó un segundo experimento en una pared verde en condiciones similares
en relación con el sistema de medición térmica y procesamiento estadístico de los datos
como el experimento 1. El experimento se llevó a cabo en la Universidad de Almería
(Almería, España). Se construyo un muro de 2,5 m de alto y 3,5 m de largo con bloques
de hormigón. Cada bloque estaba hecho de hormigón prefabricado y medía 200 mm de
alto por 190 mm de ancho por 400 mm de largo.
Muro verde
Se establecieron dos tipos de cubierta vegetal en la pared de bloques de
hormigón: en la cara sur, una cubierta de plantas aromáticas y en la cara norte una
cubierta de plantas ornamentales de interior. La cubierta consistía en unidades
vegetativas modulares (UVM) midiendo 600 mm de largo, 400 mm de alto y 100 mm
de ancho que se fijó a la pared de hormigón por medio de anclajes metálicos, como en
los métodos de Urrestarazu y Burés (2012) (Figura 2).
Isidro Morales García Tesis Doctoral: Mejoras en los sistemas de fertirrigación de hortalizas y
ornamentales en cultivos sin suelo
68
Figura 2. A es un termógrafo de referencia, B es un termógrafo del muro
vegetativo con plantas aromáticas, y C es una fotografía de un muro con plantas
aromáticas. a, b y c son los espacios que ocupan tres de las unidades modulares
cultivadas que cubre el muro vegetativo; d, e y f son las áreas que se utilizan para
medir las temperaturas en los termógrafos para cada tratamiento (goteros de 2, 3 y 4
Lh-1
). D es un termógrafo de referencia en que se detuvo el riego durante tres días
en una unidad modular cultivada, centro inferior (g). Los números representan la
temperatura media de las cajas respectivas. E es un termógrafo y F es una
fotografía de referencia de un muro vegetativo de las plantas ornamentales de
interior.
Este experimento se llevó a cabo de acuerdo con Fernández-Bregon et al. (2013).
Las UVM cultivadas consistían en una combinación de 6 o 10 especies de plantas
aromáticas y de interior, respectivamente.
Plantas de interior:
- P. erubescens K.Koch y Augustin cv. Rojo Imperial
- Ficus benjamina L. cv. Exotica
- Nephrolepis cordata Hort.
- Nephrolepis cordifolia (L.) C. Prel cv. Duffii
- Nephrolepis biserrata (Sw.) Schott. cv. Macho
- Nephrolepis exaltata (L.) Schott cv. Montana
- Nephrolepis exaltata (L.) Schott cv. Ariana
- Nephrolepis exaltata (L.) Schott cv. Teddy Júnior
- Dryopteris erythrosora (D. C. Eaton) Kuntze
- Syngonium podophyllum Schott cv. Robusta
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ornamentales en cultivos sin suelo
69
Plantas aromáticas:
- Helichrysum thianschanicum L.
- Salvia officinalis L.
- Lavandula angustifolia Mill.
- Lavandula stoechas L.
- Rosmarinus officinalis L.
- Thymus vulgaris L.
Las plantas se distribuyen en las UVM basados en criterios estéticos; cuando las
plantas estaban completamente desarrollados, la cubierta vegetal era continua, y no fue
posible identificar la posición específica de cada UVM (Figura 2c). Por lo tanto, cuando
se considera un área mayor que la de una UVM, el análisis incluyó varias de las
especies, como se ve en la Figura 2b y 2c. Las UVM se cultivaron en un invernadero y
se llevaron a la ubicación del experimento para la instalación en el muro. Estas plantas
proporcionaban el 100% de cobertura de las UVM y una altura promedio del dosel de
250 mm. Las UVM se les permitieron aclimatarse en este lugar durante cuatro semanas
antes de tomar las mediciones térmicas. Cada UVM en el muro verde fue considerado
como un circuito independiente de fertirrigación para la cuantificación de los volúmenes
de entradas (riego) y la salida (drenaje) (Urrestarazu y Burés, 2012). La fertirrigación
para cada UVM fue suministrada por un gotero antidrenante con una velocidad de flujo
de cualquiera de las 2, 3, o 4 L h-1
, correspondiente con los tratamientos del
experimento 1. Los tratamientos se distribuyeron verticalmente como columnas de
UVM en el centro del muro verde (Figura 2B), y cada columna de las UVM fue
fertirrigada por un gotero con una velocidad de flujo de cualquiera de las 2, 3, o 4 L h-1
.
Mediciones termométricas
Las imágenes termográficas se midieron de manera similar a los de experimento
1. Las termografías se tomaron (tres repeticiones por tipo de muro) cuando había una
capa vegetativa continua en la que la UVM no pudieron ser identificados
Isidro Morales García Tesis Doctoral: Mejoras en los sistemas de fertirrigación de hortalizas y
ornamentales en cultivos sin suelo
70
individualmente (Figura 2C y 2F). Se midió un área más grande que un grupo de tres
UVM para cada tratamiento (Fig. 2B y 2E).
El resto de los parámetros y métodos fueron similares a los del Experimento 1.
3. Resultados y discusión
3.1. Experimento 1
Casi la totalidad de los parámetros de crecimiento evaluados en los dos cultivos
se vieron afectados significativamente por el volumen de riego (Tabla 1). El
Philodendron se vio afectado en todos sus parámetros de crecimiento. El tratamiento de
déficit de riego (DR) provocó una reducción de más del 15% en todos los parámetros (a
excepción de la altura del tallo) en comparación con el control (TC). Por el contrario, el
tratamiento exceso de riego (ER) no tuvo diferencia significativa para la masa fresca y
seca de las hojas; se observó menor diferencias porcentuales para ER que para DR entre
la masa fresca y seca del tallo. Tendencias similares se encontraron también en el
anturio, para las plantas bajo DR tuvieron un menor crecimiento que el TC o con ER
(excepto para la masa fresca de raíz y el tallo). Sin embargo, las diferencias
porcentuales en anthurium fueron significativamente menor en comparación con los del
Philodendron (5 comparado con el 15%).
Isidro Morales García Tesis Doctoral: Mejoras en los sistemas de fertirrigación de hortalizas y
ornamentales en cultivos sin suelo
71
Tabla 1. Parámetros de crecimiento (g planta-1
) en función de régimen de riego.
TC, DR, and ER son el tratamiento control, 1/3 menor, and 1/3 mayor de riego,
respectivamente.
En cada cultivar, medias con diferentes letras son diferentes significativamente a P ≤
0.05, con la prueba de rangos múltiples de Tukey.
La transpiración media de una hoja está determinada por su temperatura (Cox y
Boersma, 1967; Inoue et al., 1990). Una termógrafía de varias macetas (Figuras 1A y 3)
con diferentes tratamientos de riego mostró una amplia gama de temperaturas de las
hojas. Este amplio rango de temperatura se mantuvo incluso cuando se midieron en
varias hojas de la misma planta bajo el mismo tratamiento de riego (Figura 1C). Sin
embargo, la temperatura está estrechamente correlacionada con el estado del agua
disponible de la maceta cuando se comparan hojas igualmente desarrolladas con la
misma orientación espacial hacia la radiación incidente en la misma planta (Fernández-
Bregón et al., 2013; Urrestarzu, 2013). Los termogramas de la Pilodendron (Figuras 3 y
4A) y la anthurium (Figuras 1B y 4B) tuvieron la temperatura más baja para la tasa de
transpiración más alta, cuando el tratamiento de riego era más apropiado (TC vs. DR y
TC vs ER); este resultado es consistente con las observaciones de Fernández-Bregon et
al. (2013). Una mayor reducción del crecimiento entre DR y TC para el Pilodendron, en
comparación con la diferencia entre el TC y el ER, también fue registrado por el
termógrafo; la diferencia de temperatura entre el DR y TC fue aproximadamente 10
veces mayor que la registrada entre TC y ER.
Masa fresca Masa seca
Planta Tratamiento Hoja Rama tallo Raíz Total Hoja Rama Tallo Raíz Total
Philo-
dendron DR 7.95 b 6.93 c 14.39 b 10.92 c 25.31 c 2.67 b 2.47 a 5.04 c 1.18 b 6.22 c
TC 10.79 a 9.67 b 20.46 a 12.75 b 33.21 b 3.41 a 2.48 a 5.89 b 1.36 ab 7.25 b
ER 11.14 a 10.67 a 21.81 a 15.63 a 37.44 a 3.57 a 3.17 b 6.73 a 1.63 a 8.36 a
Anthu-
rium DR 6.50 b 6.82 a 13.32 b 13.67 a 26.99 a 1.22 b 0.93 a 2.10 b 1.15 a 3.25 b
TC 7.14 a 6.92 a 14.06 a 12.86 a 26.92 a 1.28 b 1.03 a 2.44 a 1.12 a 3.56 a
ER 7.31 a 6.57 a 13.88 ab 12.76 a 26.64 b 1.43 a 1.13 a 2.57 a 1.37 a 3.94 a
Isidro Morales García Tesis Doctoral: Mejoras en los sistemas de fertirrigación de hortalizas y
ornamentales en cultivos sin suelo
72
Figura 3. Termógrafos correspondientes a los 2, 3 y 4 L h-1
de caudal de riego en
plantas de Philodendron; superior, izquierda y derecha, respectivamente, en
Philodendron. Avg: Temperatura media.
En condiciones de transpiración estrechamente controlada, tales como las
empleadas en este experimento, las termografías se correlacionan estrechamente con los
resultados finales de crecimiento vegetativo obtenidos del ciclo de cultivo. Por lo tanto,
la termografía puede ser una herramienta útil, rápida, sensible, fácil, económica y
robusta para el diagnostico del agua y otros factores de estrés de las plantas, sobre todo
antes de que se manifiesten como daños en los cultivos. Este método se basa en la
medición sólo una fracción de la hoja apropiada en condiciones ambientales similares
Fernández-Bregón et al., 2013; Urrestarzu, 2013); por lo tanto, la técnica incurre en
errores en la temperatura estimada cuando la termografía infrarroja incluye superficies
que no sean la zona deseada (Jones et al. 2002; Moran et al., 1994).
Isidro Morales García Tesis Doctoral: Mejoras en los sistemas de fertirrigación de hortalizas y
ornamentales en cultivos sin suelo
73
3.2. Experimento 2
Las muestras de los termógrafos de los muros verdes se muestran en la figura 2.
Las áreas de muestra de las termógrafos d, e y f (Figuras 2B y 2E) son de
aproximadamente 1 metro cuadrado y se corresponden a DR, TC, y al ER,
respectivamente. Las temperaturas medias registradas por los termógrafos fueron
similares a las tendencias mostradas por los mismos tratamientos en el experimento 1.
Sin embargo, las diferencias medias de las temperaturas entre los tratamientos en
comparación con el control (DR vs. TC y ER vs TC) fueron menores en este
experimento, y el error estándar fue mayor (Figura 4). Las siguientes explicaciones se
ofrecen por la variación significativa de las temperaturas registradas en estas grandes
áreas cubierta vegetal:
1. Se observaron diferentes tasas de transpiración para las hojas de la misma planta; en
el experimento 1, se registró una diferencia de temperatura de hasta 5% entre las hojas
de la misma planta bajo el mismo tratamiento de fertirrigación (Figura 1C).
2. Existe una variación de la temperatura entre el tallo y las hojas (Urrestarazu, 2013).
3. La cubierta vegetal incluye varias especies, ya que se compone de la suma de las
superficies foliares de más de 75 plantas (con 4 a 10 especies diferentes).
4. Existe un gradiente de temperatura en la dirección vertical que se refleja claramente
en los termógrafos en la Figura 1.
Isidro Morales García Tesis Doctoral: Mejoras en los sistemas de fertirrigación de hortalizas y
ornamentales en cultivos sin suelo
74
Figura 4. Relación entre la tasa de flujo volumétrico de la fertirrigación (L h-1
) y la
disminución de la temperatura registrada por termografía. A es la temperatura de las
hojas de macetas de Philodendron, B es la temperatura de las hojas de Anthurium
en macetas, C es el muro vegetativo de plantas aromáticas y D es el muro
vegetativo de plantas ornamentales de interior.
Las imágenes térmicas pierden algo de su poder como una herramienta de
diagnóstico cuando hay una variabilidad significativa de la temperatura en el mismo
termógrafo (Jones et al. 2002; Moran et al., 1994). Sin embargo, las imágenes de un
área suficientemente grande con cubierta vegetal completa y continua pueden detectar la
variación media de la temperatura debido a diferentes tratamientos de riego. La
variación de temperatura puede ser claramente detectado (Figura 2D) mediante
imágenes térmicas antes que la marchitez sea evidente, incluso en un área más pequeña
de 0,34 m2 (una UVM). Como resultado, la termometría también se puede utilizar en
paredes verdes para identificar el estrés hídrico temprano por ensayos no destructivos y
por sensores remotos. Resultados similares han sido reportados para la identificación de
la uniformidad de la fertirrigación por termografía infrarroja en cultivo sin suelo en
macetas (Fernández-Bregón et al, 2013) y para el estrés por salinidad (Urrestarazu,
2013). Sugerimos que esta metodología u otros sistemas de análisis térmico y de
Isidro Morales García Tesis Doctoral: Mejoras en los sistemas de fertirrigación de hortalizas y
ornamentales en cultivos sin suelo
75
calorimetría, podrían ser utilizados por las aplicaciones similares en la protección de
cultivos y la horticultura.
4. Conclusiones
Los resultados de este trabajo sugieren que la termografía puede ser un método
de diagnóstico útil para determinar la cantidad adecuada de fertirrigación para plantas
en macetas y paredes verdes de aromáticas y ornamentales.
5. Referencias
Antonucci, F., Pallottino, F., Costa, C. F., Rimatori, V., Giorgi, S., Papetti, P.,
Menesatti, P. 2011. Development of a rapid soil water content detection technique
using active infrared thermal methods for in-field applications. Sensors. 11:10114-
28.
Cox, L. M., Boersma, L. 1967. Transpiration as a function of soil temperature and soil
water stress. Plant Physiology 42:550-6.
Chaerle, L., Caeneghem, W. V., Messens, E., Lamber, H., van Montagu, M., van der
Straeten, D. 1999. Presymptomatic visualization of plant–virus interactions by
thermography. Nat Biotechnol.17:813-6.
Chaerle, L., de Boever, F., van Montagu, M., van der Straeten, D. 2001. Thermographic
visualization of cell death in tobacco and Arabidopsis. Plant Cell Environ. 24:15-25.
Chaerle, L., Hagenbeek, D., De Bruyne, E., Valcke, R., van der Straeten, D. 2004.
Thermal and chlorophyll-fluorescence imaging distinguish plant–pathogen
interactions at an early stage. Plant Cell Physiology 45:887-96.
Isidro Morales García Tesis Doctoral: Mejoras en los sistemas de fertirrigación de hortalizas y
ornamentales en cultivos sin suelo
76
Fernández-Bregón, N., Urrestarazu, M., Valera, D. L. 2012. Effects of a vertical
greenery system on selected thermal and sound mitigation parameters for indoor
building walls. J Food Agric Environ. 10:1025-7.
Fernández-Bregón, N., Valera, D., Urrestarazu, M. 2013. Uniformity of fertigation as
diagnosed by infrared thermography under soilless culture. J Food Agric Environ.
11:981-98.
Garner, D. L., Underwood, H. B., Porter, W.F. 1995. Use of modern infrared
thermography for wildlife population surveys. Environ Manage. 19:233-8.
Glenn, D. M. 2012. Infrared and chlorophyll fluorescence imaging methods for stress
evaluation. HortScience. 2012;47:697-98.
Grinzato, E., Cadelano G., Bison, P. 2010. Moisture map by IR thermography. J Mod
Opt. 57:1770-8.
Inagaki, M. N., Nachit, M. M. 2008. Visual monitoring of water deficit stress using
infra-red thermography in wheat. Sydney University Press.
http://ses.library.usyd.edu.au/bitstream/2123/3452/1/P181.pdf. Accessed 31 Oct
2012.
Inoue, Y., Kimball, B. A., Jackson, R. D., Pinter, P. J., Reginato, R. J. 1990. Remote
estimation of leaf transpiration rate and based on infrared thermometry. Agric For
Meteorol. 51:21-33.
James, R. A., Sirault, X. R. R. 2012. Infrared thermography in plant phenotyping for
salinity tolerance. Methods Mol Biol. 913:173-89.
Jones, H. G., Stoll, M., Santos, T., de Sousa, C., Chaves, M. M., Grant, O. M. 2002. Use
of infrared thermography for monitoring stomatal closure in the yield: application to
grapevine. J Exp Bot. 53:2249-60.
Isidro Morales García Tesis Doctoral: Mejoras en los sistemas de fertirrigación de hortalizas y
ornamentales en cultivos sin suelo
77
Krapez, J. C., Olioso, A. 2011. A combination of temperature, vegetation indexes and
albedo, as obtanined by airborne hyperspectral remote sensing, for the evaluation of
soil moisture. Quant Infrared Thermogr J. 8:187-200.
Kumar, A., Singh, D. P., Singh, P. 1994. Influence of water stress on photosynthesis,
transpiration, water use efficiency and yield of Brassica juncea L. Field Crops Res.
37:95-101.
Kümmerlen, B., Dauwe, S., Schmundt, D., Schurr, U. 1999. Thermography to measure
water relations of plant leaves. In: Jähne B, editor. Handbook of computer vision and
applications, vol. 3. London: Academic Press. pp. 763-81.
Little, T. M., Hills, F. G. 1987. Métodos estadísticos para la investigación en la
agricultura [Statistical methods for agricultural research]. México: Ed. Trillas.
Möller, M., Alchanatis. V., Cohen, Y., Meron, M. Tsipris, J., Naor, A., Ostrovsky, V.,
Cohen, S. 2007. Use of thermal and visible imagery for estimating crop water status
of irrigated grapevine. J Exp Bot. 58:827-38.
Moran, M. S., Clarke, T. R., Inoue, Y., Vidal, A. 1994. Estimating crop water deficit
using the relation between surface-air temperature and spectral vegetation index.
Remote Sens Environ. 49:246-63.
Nilssona, H. E. 1991. Hand-held radiometry and IR-thermography of plant diseases in
field plot experiments. Int J Remote Sens. 12:545-57.
Oerke, E. C., Steiner, U., Dehne, H. W., Lindenthal, M. 2006. Thermal imaging of
cucumber leaves affected by downy mildew and environmental conditions. J Exp
Bot. 57:2121-32.
Pearce, R. S., Fuller, M. P. 2001. Freezing of barley studied by infrared video
thermography. Plant Physiology 125:227-240.
Prado, A. G. S., Evangelista, S. M., de Souza, J.R., Matos, J. G. S., Souza, M. A. A.,
Oliveira, D. A., Airoldi, C. 2011. Effect of the irrigation with residual wastewaters
Isidro Morales García Tesis Doctoral: Mejoras en los sistemas de fertirrigación de hortalizas y
ornamentales en cultivos sin suelo
78
on microbial soil activity of the ornamental flowers (Dahlia pinnata) cultures
monitored by isothermal calorimetry. J Therm Anal Calorim. 106:431-6.
Sonneveld, C., Straver, N. B. 1994. Nutrient solution for vegetables and flowers grown
in water or areas. Voedingspolossingen glastijnbouw. 8:1-33.
Statistical Graphics Corp. 2005. Statgraphics plus for Windows 5.0. Rockville, MD:
Statistical Graphics Corp.
Urrestarazu M. 2013. Infrared thermography used to diagnose the effects of salinity in a
soilless culture. Quant Infrared Thermogr J. 10:1-8.
Urrestarazu, M. 2004. Tratado de cultivo sin suelo. Ed. Mundi-Prensa. P. 914.
Urrestarazu, M., Burés, S. 2012. Sustainable green walls in architecture. J Food Agric
Environ. 10:792-4.
Urrestarazu, M., Guillen, C., Mazuela, P. C., Carrasco, G. 2008. Wetting agent effect on
physical properties of new and reused rockwool and coconut coir waste. Scientia
Horticulturae 116:104-8.
Wang, F., Omasa, K., Xing, S., Dong, Y. 2013. Thermographic analysis of leaf water
and energy information of Japanese spindle and glossy privet trees in low
temperature environment. Ecol. Inform. 16:35-40.
Wang, M., Ling, N., Dong, X., Zhu, Y., Shen, Q., Guo, S. 2012. Thermographic
visualization of leaf response in cucumber plants infected with the soil-borne
pathogen Fusarium oxysporum f. sp. Cucumerinum. Plant Physiol Biochem. 61:153-
61.
Isidro Morales García Tesis Doctoral: Mejoras en los sistemas de fertirrigación de hortalizas y
ornamentales en cultivos sin suelo
79
Capítulo 4. Efecto del tiempo de aplicación del fertirriego en cultivos
de tomate y pimiento
Effects of fertigation application duration on the pollution, water
consumption and productivity of soilless vegetable cultures
Miguel Urrestarazua, Isidro Morales
b, Tommaso La Malfa
a, Ruben Checa
a, Anderson F.
Wamserc Juan E. Álvaro
d
a Departamento de Agronomía. Universidad de Almería, España
b Centro Experimental Bital, Universidad de Almería, Almería, España
c Oficina de Investigación en Agricultura y Extensión Rural, Rodovia Admar Gonzaga,
1347 Barrio Itacorubi, Codigo Postal 502, Florianopolis 88034-901, SC, Brasil
d Pontificia Universidad Católica de Valparaiso, Escuela de Agronomía, Quillota, Chile
Enviado:
Urrestarazu, M., Morales, I., Álvaro, J. E., La Malfa, T., Checa, R., Wamser, A. F.
2015. Effects of fertigation application duration on the pollution, water consumption
and productivity of soilless vegetable cultures. Journal of soil and water conservation.
Revista: Journal of soil and water conservation
Categoria: Recursos Hidricos
Factor de impacto (JCR, 2013): 1.81
Cuartil: Q4
Isidro Morales García Tesis Doctoral: Mejoras en los sistemas de fertirrigación de hortalizas y
ornamentales en cultivos sin suelo
80
Resumen
El manejo del agua e iones nutritivos como los nitratos está siendo estudiado en
profundidad en las últimas décadas. Se han desarrollado modelos cada vez más
eficientes en el uso del agua y nutrientes a través de la automatización de las técnicas de
fertirrigación. El tratamiento evaluado fue la aplicación del volumen de fertirrigación
durante un tiempo cuatro veces superior al testigo. En Almería (España) un cultivo de
pimiento y dos cultivos de tomate, injertado y sin injertar se llevaron a cabo entre
octubre del 2013 y junio del 2014, en sistema sin suelo en fibra de coco. Se midió el
efecto sobre el crecimiento de la raíz, crecimiento de la planta, producción y calidad. Se
midieron los principales parámetros de fertirrigación de la solución nutritiva y de los
drenajes: % volumen de drenaje, CE de la solución nutritiva, pH, y concentración de
Nitratos y Potasio. Se evaluó las emisiones de nitratos de los drenajes. Los resultados
indican un incremento en el volumen de la raíz y una mejor distribución en el saco de
cultivo en los tratamientos aplicados en el cultivo de pimiento. Ralentizar la aplicación
de fertirriego mejoró la absorción de agua, nitratos y la producción en los cultivos de
pimiento y tomate sin injertar, mientras que el cultivo de tomate injertado no se vio
afectado. Las emisiones de nitrato fueron más bajas en el tratamiento evaluado para los
cultivos de pimiento y tomate sin injertar. Los parámetros de calidad de fruto no se
vieron afectados.
Palabras clave: tomate injertado, pimiento dulce, emisión de nitratos,
conductividad eléctrica, absorción de agua, tiempo de riego, caudal de
riego.
Isidro Morales García Tesis Doctoral: Mejoras en los sistemas de fertirrigación de hortalizas y
ornamentales en cultivos sin suelo
81
1. Introducción
Sólo en el sudeste español se estima que existe una superficie de cultivo sin suelo
de unas 5500 ha (Urrestarazu, 2013) que consumen de unos 500 a 700 L por metro
cuadrado y año. El uso del agua en los cultivos sin suelo (E.g. Parry et al., 2005; Massa
et al., 2010), la eficiencia de este en la producción (Patané et al., 2011), la absorción de
iones nutrientes como nitrato y potasio (E.g. Cornillon y Fellahi, 1993; Topcu et al.,
2007) y la contaminación de los elementos nutrientes emitidos al medio ambiente, sobre
todo de nitratos (E.g. Urrestarazu et al., 2008a; Gallardo et al., 2009; Min et al., 2012;
Thompson et al., 2013) está muy estudiado.
En las últimas décadas se están realizando un gran número de estudios que
mejoran los métodos de fertirrigación para la automatización de los sistemas de
fertirrigación en cultivos sin suelo (E.g. Cáceres et al., 2007; Rodríguez et al., 2014;
Steidle et al., 2014). Los métodos de fertirrigación y su automatización están basadas
en: 1. la frecuencia de los riegos (f), 2. la dotación de volumen aplicado en cada nuevo
riego (AV), 3. el ritmo de consumo de agua por el cultivo será función de 1a absorción
de agua por las plantas, 4. las características del sustrato utilizado y 5. los elementos de
fertirriego empleados para el suministro de la solución nutritiva (Urrestarazu, 2004). Un
gran número de estos métodos de fertirriego están basados en reponer en la unidad de
cultivo el 10% del agua fácilmente disponible absorbida por el cultivo (Volumen A, mL
m-2
) más una proporción de volumen extra que es la fracción de lavado (LF) (E.g.
Rodríguez et al., 2014). La fracción de lavado suele variar entre el 0.15 y el 0.25, en
función de la calidad del agua expresada por su salinidad (E.g. Urrestarazu, 2004;
Urrestarazu et al., 2005; Urrestarazu et al., 2008a). La cantidad a suministrar (AV, mL
m-2
) será igual a A + LF.
AV = A + LF
Isidro Morales García Tesis Doctoral: Mejoras en los sistemas de fertirrigación de hortalizas y
ornamentales en cultivos sin suelo
82
El número (n) de fertirriegos a dar en una unidad de tiempo es la frecuencia de
fertirriego (f), que a su vez dependerá de la demanda de fertirriego que requiera el
cultivo. El tiempo (t, en min) necesario para suministrar la cantidad AV (volumen a
suministrar por unidad de superficie, mL m-2
) dependerá del sistema de fertirrigación
disponible y es variable (suele estar comprendido entre 4 y 14 min), es un valor
prefijado en todos los fertirriegos. Consideraremos ti el tiempo en minutos que
transcurre entre dos riegos consecutivos. La frecuencia de fertirriego (f) que se requiere
es variable a lo largo del día y entre días distintos, en función de la demanda del cultivo.
El tiempo en el que una infraestructura de fertirrigación suministra un volumen AV es t,
mientras que en este trabajo se ha determinado un dispositivo que transforma el valor de
t en cuatro veces mayor (td, en min.).
td = 4 * t.
El tiempo td debe ser inferior a ti para que el suministro del fertirriego sea
equivalente en ambos tratamientos y no se superpongan los fertirriegos.
Por otro lado, los valores de Conductividad Eléctrica (CE), pH y la Fracción de
Lavado (FL) en los drenajes del fertirriego son los parámetros frecuentemente utilizados
para el control práctico de los sistemas de cultivo sin suelo (E.g., Hayward y Long,
1943; Urrestarazu et al., 2008b; Gorbe y Calatayud, 2010).
No existe mucha información disponible sobre el efecto del tiempo de aplicación
de un volumen de fertirriego dado sobre un cultivo (td) en comparación al tiempo
estándar que dura un fertirriego en función de los elementos utilizado en cada
instalación de fertirrigación (t), es decir la duración de la emisión de un volumen AV.
Esto no variaría el volumen suministrado, pero si afectaría al tiempo que las raíces
estarían sometida a un menor potencial matricial durante un determinado tiempo y por
ello la energía necesaria para la absorción de agua.
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ornamentales en cultivos sin suelo
83
Por otro lado, la mejora de la distribución espacial del fertirriego en la unidad de
cultivo a su vez mejora la producción (Morales y Urrestarazu, 2013). Este incremento
en la producción se debe a una mejor utilización del volumen de la unidad de cultivo,
causando una mejor disponibilidad de agua y nutrientes (Robinson 1994), dando como
resultado el incremento del volumen radical. Al ocupar todo un mayor volumen, las
raíces pueden acceder a mejores condiciones fisicoquimicas que se distribuyen de forma
desigual, dependiendo del método de fertirrigación (De Rijk and Schrevens 1998;
Sonneveld and Voogt 1990).
El objetivo de este trabajo es evaluar el efecto del tiempo de aplicación de un
volumen de fertirriego aplicado sobre los parámetros de fertirrigación, consumo de
agua, emisión de contaminantes, distribución de la raíz y producción del cultivo de
pimiento y tomate en cultivo sin suelo.
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84
Abreviaturas utilizadas
AV = Volumen (mL) suministrado en cada fertirriego.
A = Volumen consumido (mL m-2
) por el cultivo que corresponde al 10% de agua
fácilmente disponible del sustrato consumida por el cultivo y que se ha de
reponer en las unidades de cultivo
LF = Fracción de lixiviado propuesta. Generalmente variable entre 0,1 y 0,5
N = Número de fertirriegos.
F = Frecuencia de fertirriegos. Número de fertirriegos en una unidad de tiempo.
T = Tiempo (en min) que dura la emisión de un volumen requerido (AV) por un
sistema determinado.
Ti = Tiempo (en min) que transcurre entre dos riegos consecutivos.
Td = Tiempo que se añade a t (min) mediante la interposición de un dispositivo que
reduce el caudal (en cuatro veces) que emite el sistema, se coloca entre el
gotero emisor y la unidad de cultivo.
CE = Conductividad Eléctrica de la solución nutritiva.
2. Materiales y métodos
Se han realizado tres experimentos independientes.
2.1. Experimento 1
El cultivo de pimiento se llevó a cabo en las instalaciones de la Universidad de
Almería (España) en un invernadero de plástico (200 µm de espesor). Las condiciones
de cultivo se muestran en la Tabla 1.
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85
Tabla 1. Condiciones de cultivo para los tres experimentos. Experimento Cultivar Plantas
m-2
Fecha de
trasplante
Fecha
inicio
cosecha
Fecha
termino de
cultivo
1 - Pimiento cv. Padua F1 2 10/14/2013
(28/01/2014)b
01/10/2014 05/16/2014
2 - Tomate injertado cv. Zinac F1
(cv. Maxifort F1)a
1 18/02/2014 22/04/2014 26/05/2014
3 - Tomate sin injertar cv. Caniles F1 1,8 20/08/2013
(28/01/2014)b
05/02/2014 01/04/2014
a Portainjerto.
b Fecha de Inicio experimento.
Tratamientos
El tratamiento testigo (T0) consistió en un fertirriego estándar de 5 minutos de
duración con goteros autocompensantes y antidrenantes de 3 L h-1
. El tratamiento
evaluado (T1) consistía en un contenedor simple con una salida tipo laberíntica como
los usados en un gotero de conectores múltiples (Morales et al., 2014) que aumentaba el
tiempo en el que se incorporaba el fertirriego a la unidad de cultivo en cuatro veces
(Figura 1).
Figura 1. Hidrograma del fertirriego. La línea azul continua es el tratamiento
testigo (T0). La línea roja discontinua representa el tratamiento evaluado del
fertirriego, donde el tiempo de suministro es cuatro veces mayor (T1). Las barras de
la derecha indican el volumen total de fertirrigación para cada riego.
0
50
100
150
200
250
0
10
20
30
40
50
60
0 5 10 15 20
mL
rie
go-1
go
tero
-1
mL
min
uto
s-1 g
ote
ro-1
Minutos
T0 T1
Isidro Morales García Tesis Doctoral: Mejoras en los sistemas de fertirrigación de hortalizas y
ornamentales en cultivos sin suelo
86
Condiciones de fertirrigación y muestreo del fertirriego
Para cada tratamiento se establecían dos puntos de control, consistentes en un
gotero de control y una bandeja de drenaje que servían de puntos de medida y
seguimiento. Diariamente se medía en ellos, el volumen de la solución nutritiva, pH y
CE del fertirriego de entrada y del drenaje. Estos datos se utilizaron diariamente para
ajustar y modificar el programa de planificación de fertirrigación. Se utilizó un sistema
automático para medir el volumen de drenaje según Rodríguez et al. (2015).
El riego se realizó cada vez que se agotaba 10 % del agua fácilmente disponible
en el sustrato, más el volumen necesario para producir un drenaje entre 15% y 25%
(Urrestarazu, 2004; Urrestarazu et al., 2005, 2008b). La duración de cada riego fue
calculada en función del volumen a suministrar a cada unidad de cultivo, según la curva
de liberación de agua obtenida da Morales y Urrestarazu (2013). Las unidades de
cultivo fueron sacos de fibra de coco Pelemix GB1002410 (100 x 25 x 10 cm) con un
volumen de 25 L. La solución nutritiva utilizada fue la recomendada Sonneveld y
Straver (1994). Se utilizaron tres goteros por unidad de cultivo.
El contenido de nitrato y potasio en el drenaje se midió por cromatografía iónica
(Urrestarazu et al., 2008a). Con la concentración y los volúmenes de fertirrigación
drenado se cuantifico la absorción de nitratos y potasio en mmol m-2
y las emisiones de
los mismos en g m-2
.
Durante el ciclo de cultivo, el contenido de nitratos y potasio en la fertirrigación y
de los drenajes fueron monitoreados continuamente. Los datos del primer mes se
muestran en la figura 2.
Isidro Morales García Tesis Doctoral: Mejoras en los sistemas de fertirrigación de hortalizas y
ornamentales en cultivos sin suelo
87
Figura 2. Contenido de nitratos (arriba) y potasio (abajo) en los drenajes de un
cultivo de tomate injertado. La línea azul continua es el tratamiento testigo (T0). La
línea roja discontinua representa el tratamiento evaluado del fertirriego, donde el
tiempo de suministro es cuatro veces mayor (T1). Las barras de la derecha indican
los valores medios.
Muestreo en el cosechado
Desde el inicio de la cosecha, el cultivo se muestreo semanalmente. De cada
cosecha se utilizó una submuestra de tres frutos de pimientos para hacer un solución
homogenea para medir los sólidos totales solubles (Expresados como ºBrix) con un
refractómetro de mano (fabricación de Atago PAL-1). Posteriormente los pimientos
fueron secados en una estufa de aire forzado a 85º C durante 72 horas, la materia seca se
obtuvo mediante el pesaje de tres pimientos con una precisión de 0,01.
0
100
200
300
400
500
600
700
0
100
200
300
400
500
600
700
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45
mg
L-1
Minutos
T0
T1
0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45
mg
L-1
Minutos T0 T1
Isidro Morales García Tesis Doctoral: Mejoras en los sistemas de fertirrigación de hortalizas y
ornamentales en cultivos sin suelo
88
Para cada tratamiento, al final del cultivo se tomaron muestras de cuatro unidades
de cultivo completas, se midió el peso fresco de la raíz, tallos y hojas.
Consecuentemente, se cuantificó el peso de la materia seca de cada muestra usando el
mismo procedimiento de los frutos.
Además, para calcular el índice de cosecha durante deshoje para la poda de
formación y el tutorado, se cuantificaron los pesos frescos y secos del material vegetal
descartado. El índice de cosecha se calculó dividiendo el peso del fruto seco por el peso
seco de toda la planta.
Para cada tratamiento, el muestreo de la raíces en las bolsas consistió en la
extracción de un cilindro de 3,5 cm de diámetro y 20 cm de largo perpendicular a la
unidad de cultivo y a 3 cm de la ubicación del último gotero. Este volumen de sustrato
se divide en tres secciones dependiendo de la profundidad del saco de cultivo (Figura
3). Estas mediciones se realizaron por duplicado. La separación de las raíces desde el
sustrato se realizó manualmente, con la ayuda de la diferencia de color entre el sustrato
y la raíz. Sólo se consideraron las raíces con diámetros de menos de 1 mm. El área de
superficie de la raíz se midió utilizando nuestro programa de análisis de imagen,
expresando los resultados en cm2 de raíces por cm
-3 de sustrato como una unidad de
absorción de la raíz.
Isidro Morales García Tesis Doctoral: Mejoras en los sistemas de fertirrigación de hortalizas y
ornamentales en cultivos sin suelo
89
Figura 3. Esquema de la distribución del muestreo de la raíz en función de la
posición de los goteros y los puntos de drenaje en la unidad de cultivo.
2.2. Experimento 2
Las cosecha fueron semanales y los frutos se cosechaban individuales en el
estado de madurez en rojo uniforme de la piel del tomate. Los tomates fueron calibrados
en función de su diámetro ecuatorial y la categoría de frutos comercial vigente (DO
2000). En las muestras de los frutos de tomate, también se midieron el pH y la CE del
jugo.
Los otros parámetros de cultivo fueron las mismas que en el experimento 1. No se
consideró el muestreo de las raíces.
Isidro Morales García Tesis Doctoral: Mejoras en los sistemas de fertirrigación de hortalizas y
ornamentales en cultivos sin suelo
90
2.3. Experimento 3
El experimento 3 fue similar a los experimentos 1 y 2, pero el período de aplicación del
tratamiento duró sólo dos meses, fue durante el período de máxima producción (Tabla
1). Para los experimentos 2 y 3 no se midió el crecimiento vegetativo.
2.4. Diseño experimental y análisis estadístico
Todos los experimentos se llevaron a cabo utilizando un diseño de parcelas divididas
(Little y Hill 1987; Petersen 1994) con cuatro parcelas por bloque. Se realizó el análisis
de varianza y su correspondiente separación de medias. El tratamiento matemático de
los datos se realizó mediante el programa Statgraphics Centurion 16.01.15 y Microsoft
Office 2010. La unidad experimental consistió en tres sacos de cultivo de fibra de coco.
Se utilizó la prueba t de Student para calcular la separación de medias de los valores
obtenidos a partir del tratamiento
3. Resultados y discusión
3.1. Efecto sobre el consumo de agua, otros parámetros de fertirrigación y
las emisiones de contaminantes al medio ambiente.
La figura 4 muestra los hidrogramas de drenaje de los experimentos 1 y 2. En ambos
casos, se produce un retraso en la salida de los drenajes del tratamiento evaluado con
respecto al control. Sin embargo, para el pimiento, los hidrogramas de ambos
tratamientos duraron un tiempo similar, mientras que para los tomates, el tiempo de
drenaje del control era mucho más bajo.
Isidro Morales García Tesis Doctoral: Mejoras en los sistemas de fertirrigación de hortalizas y
ornamentales en cultivos sin suelo
91
Figura 4. Hidrogramas de drenaje de la fertirrigación. La línea azul es el tratamiento control
(T0). La línea roja punteada es el tratamiento evaluado (T1), que se extendió la duración de la
fertirrigación por cuatro veces. Los valores medios se obtuvieron promediando 4 drenajes
diferentes durante el primer mes en diferentes fechas del cultivo de pimiento (arriba) y el
tomate injertado (abajo). Las barras de la derecha indican el volumen total drenado en cada
fertirrigación.
La figura 2 muestra el contenido de nitrato y potasio de los drenajes del cultivo de
pimiento; Se observó una proporción mucho más baja para ambos en T1. Esta
concentración muy similar en todo el tiempo del drenaje permite que cualquier muestra
tomada permita realizar un diagnóstico del estado nutricional del cultivo.
0
50
100
150
200
250
300
350
400
450
0
20
40
60
80
100
120
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70
mL
de
dre
na
je p
or
saco
de
cult
ivo
-1
mL
po
r sa
co d
e cu
ltiv
o-1
0
50
100
150
200
250
300
0
10
20
30
40
50
60
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45
mL
de
dre
na
je p
or
saco
de
cult
ivo
-1
mL
po
r sa
co d
e cu
ltiv
o-1
Minuto
T0 T1
T0 T1
Isidro Morales García Tesis Doctoral: Mejoras en los sistemas de fertirrigación de hortalizas y
ornamentales en cultivos sin suelo
92
La Tabla 2 muestra los parámetros más significativos para el control de
fertigación: el % de volumen drenado, la CE y el pH de la solución nutritiva. En valores
absolutos, eran similares a los registrados por Urrestarazu et al. (2008b) en
circunstancias similares en cultivo sin suelo en lana de roca y fibra de coco. No se
observaron diferencias significativas, excepto para el porcentaje de drenaje en el cultivo
de pimiento, donde un valor más bajo se registró para el tratamiento que se cuadruplicó
el tiempo durante el cual fue entregado fertigación.
Tabla 2. Absorción y emisión de la solución nutritiva al medio ambiente en cultivo
en fibra de coco en función del tiempo empleado para proporcionar el mismo
volumen de fertirrigación.
Absorción Emisión
Drenaje (%) pH CE (dS·m–
1) Agua (L·m-2) NO3
- (mol·m-2) K+ (mol·m-2) NO3- (g·m-2)
Experimento T0 T1 T0 T1 T0 T1 T0 T1 T0 T1 T0 T1 T0 T1
1. Pimiento dulce 43,26 39,01* 7,1
6 7,26ns
3,2
9 3,30ns
361,1
4 388,12*
4,5
1 4,76* 1,76 1,96*
99,2
3 83,78*
2. Tomate
injertado 14,61 12,56ns
7,4
6 7,27ns
3,9
1 4,09ns
126,9
0
127,57n
s
0,9
0 0,90ns 0,52 0,52ns
7,08 6,83ns
3. Tomate sin
injertar 60,38 58,01ns
7,3
9 7,55ns
3,6
0 3,77ns 60,26 65,02*
0,3
0 0,36* 0,37 0,28*
72,7
2 69,02**
T0 = tratamiento testigo, T1 = cuadruplicando el tiempo de apliación del fertirriego en la unidad de
cultivo. *, **, y ns media con diferencias significativas a P ≤ 0,05 y P ≤ 0,01 y sin diferencia
significativa, respectivamente.
Se registro un incremento de la absorción de agua en un 7% y 8% en los cultivos
de pimiento y tomate sin injertar, respectivamente, a favor del tratamiento T1. Este dato
se puede justificar por el hecho de que durante un periodo de tiempo más largo se
mantiene un menor potencial matricial en el sustrato y consecuentemente se necesita
una menor tensión de succión para absorber agua. En el experimento 2 (tomate
injertado), no se observo un incremento en la absorción de agua. Probablemente se deba
al vigor del portainjerto (e.g., Fernández-García et al 2002; Lee 1994; Lee y Oda 2003;
Schwarz et al., 2010), pueda compensar el beneficio que supone absorber agua a las
menores tensiones de succión (Urrestarazu et al., 2008a).
Isidro Morales García Tesis Doctoral: Mejoras en los sistemas de fertirrigación de hortalizas y
ornamentales en cultivos sin suelo
93
El consumo de nitratos tuvo una tendencia muy similar a la del agua,
aumentando en un 7% y 20% en el tratamiento T1 para los cultivos de pimiento y
tomate no injertado, respectivamente. El potasio no tuvo un claro comportamiento para
el tratamiento T1. Para el cultivo de tomate sin injertar, se redujo en un 11%; sin
embargo, no tuvo un efecto significativo para el cultivo de tomate injertado.
La emisión de nitratos al medio ambiente se redujo notablemente en un 16% y
5% en los cultivos de pimiento y tomate sin injertar, respectivamente. El efecto del
tratamiento sobre el tomate injertado no fue significativo.
Estos resultados son consistentes con los conocidos de que una mejora de las
condiciones de las raíces, mejora la absorción de agua y los iones nutritivos (como
nitratos y potasio), como reportan en cultivo sin suelo en plantas hortícolas al mejorar la
temperatura de las raíces (e.g., Cornillon y Fellahi, 1993; Urrestarazu et al., 2008a), o la
oxigenación de estas raíces (e.g., Urrestarazu y Mazuela, 2005; Ityel et al., 2014).
3.2. Efecto sobre la distribución de las raíces y el crecimiento vegetativo
La importancia de la cantidad y distribución de las raíces en el interior de la
unidad de cultivo es bien conocida. Esto depende de la posición relativa de los goteros
con respecto a los puntos de drenaje y otros parámetros de fertigación como se reporta
en el cultivo de tomate (De Rijk y Schrevens 1998; Van Noordwijk y Raats 1980), tales
como el tipo de sustrato (lana de roca vs fibra de coco) (Cano, 2001). Cuando se midió
la proporción de las raíces a diferentes profundidades de acuerdo a los tratamientos
aplicados, se encontró una gran diferencia significativa (Figura 5). Se observó una
mayor superficie de absorción de las raíces en toda la unidad de cultivo y en todos los
goteros del tratamiento T1. Además, de una mejor distribución de la superficie de
absorción de la raíz, esto también se observó en las capas superiores del sustrato. Se ha
demostrado que una mejor distribución de la fertirrigación del gotero aumenta la
Isidro Morales García Tesis Doctoral: Mejoras en los sistemas de fertirrigación de hortalizas y
ornamentales en cultivos sin suelo
94
productividad del cultivo de tomate en unidades de cultivo de coco (Morales y
Urrestarazu 2013).
Figura 5. Distribucion de las raices de pimiento en sección vertical cerca de un
gotero en cultivo sin suelo con fibra de coco. *, **, y ns indican diferencias
significativas a P < 0.05, P < 0.01 y sin diferencia significativa, resprectivamente.
La linea azul continua es el tratamiento testigo (T0). La linea roja discontinua es el
tratamiento evaluado (T1), que extendió cuatro veces la duración de la
fertirrigación. Las barras indican la superficie total de las raices.
La Tabla 3 muestra el crecimiento y el índice de cosecha del cultivo de pimiento.
El crecimiento de las raíces mostró un aumento significativo (P ≤ 0,01) de 15% y 20%
en el tratamiento T1 para las raíces frescas y secas, respectivamente. Sin embargo, sólo
los brotes frescos fueron afectados significativamente en un 5% (P ≤ 0,05).
Isidro Morales García Tesis Doctoral: Mejoras en los sistemas de fertirrigación de hortalizas y
ornamentales en cultivos sin suelo
95
Tabla 3. Parámetros de crecimiento vegetativo en función del tiempo para
proporcionar el mismo volumen de fertirriego en el cultivo de pimiento (g planta-
1).
T0 T1
Raíz Peso fresco 148,25 175,50**
Peso seco 19,47 26,16**
Tallo Peso fresco 2475,50 2615,40*
Peso seco 252,75 245,46ns
IC 0,48 0,50ns
T0 = tratamiento testigo, T1 = cuatro veces más lenta la apliación del fertirriego en la
unidad de cultivo. *, **, y ns media con diferencias significativas a P ≤ 0,05 y P ≤ 0,01
y sin diferencia significativa, respectivamente. IC es el índice de cosecha (peso seco del
fruto/peso de materia seca total-1
).
3.3. Efecto sobre la producción y el tamaño
La Tabla 4 muestra la producción de los tres cultivos. En el cultivo de pimiento,
hubo un aumento significativo de 11% (P ≤ 0,01) en el número de frutos, favoreciendo
el tratamiento. Cuando el tratamiento T1 se aplicó a tomate no injertado sólo por dos
meses, hubo un aumento significativo tanto en la producción total (11%) y el número de
frutos (5%). Estos resultados se correlacionaron positivamente entre una mayor
absorción de agua y una mayor producción y los datos han sido encontrados en trabajos
como por ejemplo los de Pulupol et al. (1996) en un cultivo de tomate o por Urrestarazu
y Mazuela (2005) en los cultivos de melón y pepino.
Isidro Morales García Tesis Doctoral: Mejoras en los sistemas de fertirrigación de hortalizas y
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96
Tabla 4. Producción y tamaño de fruto en cultivo en fibra de coco en función del
tiempo empleado para proporcionar el mismo volumen de fertirrigación.
Cultivo Calibre kg·m-2
Frutos·m-2
T0 T1 T0 T1
Pimiento 6,05 6,22 248 276**
Tomate injertado
GG (> 82 mm) 2,91 3,02ns 9,83 9,54ns
G (67-82 mm) 2,31 2,10ns 13,29 12,21ns
M (57-67 mm) 1,01 1,01ns 8,58 8,54ns
MM (47-57 mm) 0,52 0,50ns 7,08 6,83ns
MMM (40-47 mm) 0,02 0,05** 0,54 1,33**
Total 6,78 6,68ns 39,33 38,46ns
Tomato sin injertar
M (57-67 mm) 0,42 0,74* 4,28 7,43*
MM (47-57 mm) 1,82 2,33ns 22,52 28,72ns
MMM (40-47 mm) 2,31 2,08* 41,78 36,15ns
Total 4,55 5,15* 68,58 72,30ns
T0= tratamiento testigo T1= cuadruplicando el tiempo de aplicación del fertirriego a la
unidad de cultivo. *, **, ns indican diferencias a P ≤ 0,05, P ≤ 0,01, y no significativo,
respectivamente .
En el cultivo de tomate, al aplicar el tratamiento del caudal más lento, se produjo
un aumento significativo en la producción y el número de frutos del tamaño más grueso
(M: 57-67 mm) en un 43% y 42%, respectivamente. En contraste, en el tratamiento
control, los frutos de menor tamaño (MMM: 40-47 mm) aumentaron significativamente
(p <0.05) en un 11% y 15% para la producción y el número de frutos, respectivamente.
Este aumento en la producción de los frutos de mayor tamaño implica un importante
beneficio económico para los agricultores, como lo demostraron Morales y Urrestarazu
(2013) en un estudio económico al trabajar con fibra de coco y tomate injertado.
Cabe destacar que la producción y el tamaño de fruto en el cultivo de tomate
injertado no se vieron afectados. Por lo tanto, el beneficio de la mejora de la absorción
de agua y nutrientes causado por el tratamiento T1 podría ser compensado por el vigor
del portainjerto (e.g., Fernández-García et al 2002; Lee 1994; Lee y Oda 2003; Schwarz
et al., 2010).
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97
3.4. Efecto sobre la calidad de la producción
La Tabla 5 muestra los parámetros de calidad de frutos de los tres cultivos
evaluados. De todos los parámetros medidos, únicamente la CE de los frutos y la
materia seca del cultivo de tomate no injertado mostraron diferencia significativa (5%),
favoreciendo al tratamiento testigo y del tratamiento de mayor tiempo en la aplicación
del fertirriego, respectivamente. A excepción de estos dos parámetros, todas las otras
mediciones no mostraron diferencias significativas. Resultados similares fueron
obtenidos por Urrestarazu y Mazuela (2005), quienes demostraron que la mejora de la
oxigenación radical benefició la absorción de agua y la producción de los cultivos de
melón y pepino, pero no se encontró una mejora en los parámetros de calidad de los
frutos. Resultados similares fueron encontrados por Morales y Urrestarazu (2013) en un
cultivo de tomate injertado en el que mejoraron el entorno de la raíz con una mejor
distribución de la fertirrigación.
Tabla 5. Parámetros de calidad de fruto cultivados en fibra de coco en función del
tiempo empleado para proporcionar el mismo volumen de fertirrigación.
pH CE (dS m-1
) ° Brix
Materia seca
(%)
Cultivo T0 T1 T0 T1 T0 T1 T0 T1
Pimiento - - - - 2,56 2,59ns 8,17 7,97ns
Tomate injertado 4,45 4,28ns 4,55 4,60ns 4,55 4,53ns 9,11 8,62ns
Tomate sin injertar 3,97 4,00ns 5,84 5,49* 5,98 5,95ns 7,01 7,30*
T0 = tratamiento testigo, T1 = cuadruplicando el tiempo de apliación del fertirriego en
la unidad de cultivo. *, **, y ns media con diferencias significativas a P ≤ 0,05 y P ≤
0,01 y sin diferencia significativa, respectivamente.
4. Conclusiones
El incremento del tiempo de aplicación de la fertigación en el cultivo de pimiento
aumentó el crecimiento de la raíz en un 15% y mejoró su distribución en la unidad de
cultivo.
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98
El aumento de la duración de la fertirrigación afectó positivamente la absorción de agua
en un 7% en el cultivo de pimiento y tomate sin injertar.
Cuando se aumentó el tiempo de aplicación de la fertirrigación, el consumo de nitratos
mejoró en un 7% y 20% para el cultivo de pimiento y tomate sin injertar,
respectivamente. Por consiguiente se observó una reducción de las emisiones
contaminantes en un 16% y 5% de estos cultivos.
Con la aplicación más lento del volumen de fertirrigación, el número de frutos en el
cultivo de pimiento aumentó un 11%, mientras que en el cultivo de tomate, la
producción comercial mejoró en un 13%.
La distribución de tamaños no se vio afectada en el cultivo de tomate injertado, mientras
que en la cosecha del cultivo sin injertar, la mayor duración del tratamiento en
comparación con el control aumentó el tamaño de los frutos en un 43%, con el
consiguiente efecto positivo en la rentabilidad del negocio.
La mayor parte de los parámetros de calidad de la producción no fueron afectados
significativamente por los tratamientos en ninguno de los cultivos.
En el cultivo de tomate injertado, los parámetros medidos no fueron afectados por el
tratamiento debido probablemente a que el vigor de la técnica del injerto provocó que
los beneficios de la mejora de la disponibilidad de fertirriego no se manifestasen.
5. Referencias
Cáceres, R., Casadesús, J. y Marfà, O. 2007. Adaptation of an automatic irrigation-
control tray system for outdoor nurseries. Biosystems Engineering 96:419-425.
Cano, H. 2001. Diseño y evaluación de un sistema de calentamiento de las disolución
nutritiva en cultivo sin suelo [Design and evaluation of a heating system for nutrient
Isidro Morales García Tesis Doctoral: Mejoras en los sistemas de fertirrigación de hortalizas y
ornamentales en cultivos sin suelo
99
solutions in soilless cultur e]. Unpublished work, PhD Dissertation, Universidad de
Almería.
Cornillon, P., Fellahi, A. 1993. Influence of root temperature on potassium nutrition of
tomato plant, In Fragoso . Optimization of Plant Nutrition, ed. M.A.C., M.L. van
Beusichem, 213-217. New York: Kluwer Academic.
De Rijk, G., Schrevens, E. 1998. Distribution of nutrients and water in rockwool slabs.
Scientia Horticulturae 72:277-285.
DO. 2000. Reglamento (CE) No 790/2000 de la Comisión de 14 de abril de 2000 por el
que se establecen las normas de comercialización de los tomates [Regulation (CE)
No 790/2000 of the Commission of 14 April 2000 through which marketing
standards for tomatoes are established]. La Comisión de las Comunidades Europeas.
October 8 2013. Available at: http://www.boe.es/doue/2000/095/L00024-00029.pdf.
Fernández-García, N., Martínez, V., Cerda, A., Carvajal, M. 2002. Water and nutrient
uptake of grafted tomato plants grown under saline conditions. Journal Plant
Physiology 159:899-905.
Gallardo, M., Thompson, R. B., Rodríguez, J. S., Rodríguez, F., Fernández, M. D.,
Sánchez, J. A., Magan, J. J. 2009. Simulation of transpiration, drainage, N uptake,
nitrate leaching, and N uptake concentration in tomato grown in open substrate.
Agricultural Water Management 96:1773-1784.
Gorbe, E., Calatayud, A. 2010. Optimization of nutrition in soilless systems: a review
Advances in Botanical Research 53:193-245.
Hayward, H. E., Long, E. M. 1943. Some effects of sodium salts on the growth of the
tomato. Plant Physiology 184:556-569.
Ityel, E., Ben-Gal, A., Silberbush, M., Lazarovitch, N. 2014. Increased root zone
oxygen by a capillary barrier is beneficial to bell pepper irrigated with brackish water
in an arid region. Agricultural Water Management 131:108-114.
Isidro Morales García Tesis Doctoral: Mejoras en los sistemas de fertirrigación de hortalizas y
ornamentales en cultivos sin suelo
100
Lee, J. M. 1994. Cultivation of grafted vegetables. I: current status, grafting methods,
and benefits. HortScience 29:235-239.
Lee, J. M., Oda, M. 2003. Grafting of herbaceous vegetable and ornamental crops.
Horticultural Review 28:61-124.
Little, T. M., Hill, F. J. 1978. Agricultural experimentation: design and analysis. New
York: Wiley.
Massa, D., Incrocci, L., Maggini, R., Carmassi, G., Campiotti, C. A., Pardossi, A. 2010.
Strategies to decrease water drainage and nitrate emission from soilless cultures of
greenhouse tomato. Agricultural Water Management 97:971-980.
Min, J., Zhangb, H., Shia, W. 2012. Optimizing nitrogen input to reduce nitrate leaching
loss in greenhouse vegetable production. Agricultural Water Management 111:53-59.
Morales, I., Urrestarazu, M. 2013. Thermography study of moderate electrical
conductivity and nutrient solution distribution system effects on grafted tomato
soilless culture. HortScience 48:1508-1512.
Parry, M.A.J., Flexas, J., Medrano, H. 2005. Prospects for crop production under
drought: research priorities and future directions. Annals of Applied Biology
147:211-226.
Patanè, C., Tringali, S., Sortino, H. 2011. Effects of deficit irrigation on biomass, yield,
water productivity, and fruit quality of processing tomato under semi-arid
Mediterranean climate conditions. Scientia Horticulturae 129:590-596.
Petersen, R.G. 1994. Agricultural field experiments. Marcel Dekker, New York.
Pulupol, L.U., Behboudian, H. M., Fisher K. J. 1996. Growth, yield, and postharvest
attributes of glasshouse tomatoes produced under deficit irrigation. HortScience
31:926-928.
Robinson, D. 1994. The responses of plants to non-uniform supplies of nutrients. New
Phytology 127:635-674.
Isidro Morales García Tesis Doctoral: Mejoras en los sistemas de fertirrigación de hortalizas y
ornamentales en cultivos sin suelo
101
Rodríguez, D., Reca, J., Martinez, J., Lopez-Luque, L., Urrestarazu, M. 2015.
Development of a new control algorithm for automatic irrigation scheduling in
soilless culture. Applied Mathematics Information Science 9:1-10.
Schwarz, D., Rouphael, Y., Colla, G., Venema, J. H. 2010. Grafting as a tool to improve
tolerance of vegetables to abiotic stresses: thermal stress, water stress, and organic
pollutants. Scientia Horticulturae 127:162-171.
Sonneveld, C., Straver, N. 1994. Voedingsoplossingen voor groenten en bloemen
geteeld in water of substraten [Nutrient solutions for vegetables and flowers grown in
water or substrates]. 10th ed Proefstation voor Tuinbouw onder Glas, Naaldwijk.
Sonneveld, C., Voogt, W. 1990. Response of tomatoes Lycopersicon esculentum) to an
unequal distribution of nutrients in the root environment. Plant Soil 124:251-256.
Steidle, A. J., Zolnier, S., De Carvalho, D. 2014. Development and evaluation of an
automated system for fertigation control in soilless tomato production. Computer
Electronics Agriculture 103:17-25.
Thompson, R. B., Gallardo, M., Rodríguez, J. S., Sánchez, J. A., Magán, J. J. 2013.
Effect of N uptake concentration on nitrate leaching from tomato grown in free-
draining soilless culture under Mediterranean conditions. Scientia Horticulturae
150:387-398.
Topcu, S., Kirda, C., Dasgan, Y., Kaman, H., Cetin, M., Yazici, A., Bacon, M.A. 2007.
Yield response and N-fertiliser recovery of tomato grown under deficit irrigation.
European Journal of Agronomy 26:64-70.
Urrestarazu, M. 2004. Tratado de cultivo sin suelo. 3rd ed., Madrid: Mundi-Prensa.
Urrestarazu, M. 2013. State of the art and new trends of soilless culture in Spain and in
emerging countries. Acta Horticulturae 1013:305-312.
Isidro Morales García Tesis Doctoral: Mejoras en los sistemas de fertirrigación de hortalizas y
ornamentales en cultivos sin suelo
102
Urrestarazu, M., Guillén, C., Mazuela, P. C. Carrasco, G. 2008a. Wetting agent effect
on physical properties of new and reused rockwool and coconut coir waste. Scientia
Horticulturae 116:104-108.
Urrestarazu, M., Martínez, G. A, Salas M. C. 2005. Almond shell waste: possible local
rockwool substitute in soilless crop culture. Scientia Horticulturae 103:453-460.
Urrestarazu, M., Mazuela, P. C. 2005. Effect of slow-release oxygen supply by
fertigation on horticultural crops under soilless culture. Scientia Horticulturae
106:484-490.
Urrestarazu, M., Salas, M. C., Valera, D., Gómez, A. Mazuela, P. C. 2008b. Effects of
heating nutrient solution on water and mineral uptake and early yield of two
cucurbits under soilless culture. Journal Plant Nutrition 31:527-538.
Van Noordwijk, M., Raats, P. A. C. 1980. Drip and drainage systems for rockwool
cultures in relation to accumulation and leaching of salts. Proceedings of the Fifth
International Congress on Soilless Culture. Wageningen, 1980, 279-
287. International Society for Soilless Culture.
Wamser, A F., Morales, I., Álvaro, J.E., Urrestarazu, M. 2014. The effect of drip flow
rate with multiple manifolds on the homogeneity of the delivered volume. Journal of
Irrigation and Drainage Engineering (In press).
Isidro Morales García Tesis Doctoral: Mejoras en los sistemas de fertirrigación de hortalizas y
ornamentales en cultivos sin suelo
103
Conclusiones generales
De los capítulos 1 y 2: Leves mejoras y cambios en las técnicas de fertirrigación pueden
conducir a un incremento de los beneficios en producción y económicos significativos
en los cultivos ensayados.
De los capítulos 2 y 3: Nuevas herramientas como la termografía puede ayudar a la
mejora y control de las técnicas de fertirrigación de una forma significativa.
De los capítulos 2 y 4: Existe una gran cantidad de parámetros a mejorar en los sistemas
de fertirrigación en cultivos sin suelo en la distribución en el espacio y en el tiempo que
requieren la atención de los investigadores.
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Anexos
Chapter 1. Effect of a passive mixing device on the electrical
conductivity and pH values of a nutrient solution
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Abstract
The adjustment of a nutrient solution using an automated fertigation system for optimal
irrigation conditions increases productivity and decreases the environmental impact of
horticulture. A new generation of infrastructure for automated solution preparation is
becoming more common in high-technological protected horticultural areas; for
example, the direct injection of all components into the nutrient solution using a Venturi
device on the irrigation headpiece is being widely used. The present study evaluates the
utility of a passive mixing device that was incorporated into the circuit of the fertigation
headpiece and its impact on parameters such as the electric conductivity (EC) and pH of
the nutrient solution. The results suggest two important effects, as follows: (1) the
device helps in the adjustment of the EC and pH in the nutrient solution, compared to
values set during programming, and (2) there is a lower variation in the dispersion
between the maximum and minimum values.
Introduction
The use of a nutrient solution with strict margin controls in protected
horticulture is increasingly important, particularly in soilless crops (Sonneveld and
Voogt 2009). The objective is to increase the efficiency of the use of water and macro-
(Urrestarazu and García 2000; Urrestarazu et al., 2008a; Thompson et al., 2013) and
micronutrients (Urrestarazu et al., 2008b). Better adjustment of the fertigation
parameters can have an impact not only by increasing productivity but also by reducing
environmental pollution. Soil nutrients, similar to all agricultural supplements, must be
managed properly to meet the nutrient requirements of the crops without adversely
affecting the quality of the water resources (Sturgul and Kelling 2012).
Southeastern Spain covers approximately 52,186 ha (Junta de Andalucia
[Andalusian Community] 2013). More than 90% of greenhouses in the region, which
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have a mean surface of 1.5 to 2.0 ha, use automated fertigation headpieces. In these
areas and in other regions, automated fertigation systems are a common agronomic
technique. The nutrient solution is made from a combination of three components
(Martínez and García 1993; Urrestarazu 2004; Van Os et al., 2008), as follows: (1) two
tanks (A and B) or more (A, B, C, etc.) containing concentrated mixtures of one or more
salt solutions, (2) a tank with a concentrated acid, and (3) irrigation water (Figure 1).
The mixture of the first two solutions with water is commonly performed using one of
the following two methods: (1) the components are mixed in an atmospheric pressure
container or (2) the components are mixed in a pressurized system (Figure 1B) into
which all fluids are injected directly. In both cases, the nutrient solution (e) is
distributed, see Figures 1A and 1B. The first method has the advantage of a uniform
mixture prior its distribution the crop. However, in recent decades, the direct injection
method has been the only one commonly installed in modern protected horticultural
facilities. Because of its own hydraulic design, the mixture of the basic components of
the nutrient solution is no longer as uniform with direct injection as it is in a mixing
tank; therefore, it produces a non-uniform nutrient solution with a variable electric
conductivity (EC) and pH.
The objective of the present work is to evaluate the effect of a passive mixing
device on the automated preparation of a nutrient solution. The parameters to be studied
in relation to the flow are the following: (1) the adjustment of the EC and pH of the
nutrient solution, compared to previous data, and (2) the variation between the
maximum and minimum values.
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108
Materials and methods
The experiment was performed at the University of Almeria (Almeria, Spain) in
an Almeria-type greenhouse during May 2013. The experiment was based on an
irrigation headpiece in which the different components of the nutrient solution were
combined. The direct injection of the fluids was performed with closed pressurized
devices (Figure 1B).
The experiment evaluated the passive mixing of the components of the nutrient
solution (T1) and compared the results to the normal functioning of the system as a
control (without the device) (T0).
The final nutrient solution was distributed using a dripping system (Figure 1B
(e)) and was produced by the mixture of three basic components, which were mixed in
the headpiece tubing in a pressurized system, that is, without a mixing container (Figure
1A). The mixture contained the following three fluids: (1) two concentrated fertilizer
solutions from two tanks (A and B), (2) a concentrated acid solution, and (3) fresh
irrigation water. The A, B, and C tanks injected the fluids through a Venturi system and
were connected to the pressure suction of the pumping system, which was controlled by
solenoid valves (Figure 1B) that were activated by EC control sensors (tanks A and B)
and pH (tank C). Following the traditional management systems used in Southern
Spain, tanks A and B had a volume of 1000 liters and were prepared at a concentration
that was 100 times higher than the final nutrient solution, while in other regions a 200-
fold concentration is commonly used (Resh 2012). Similarly, the acid tank was prepared
by using nitric acid as the source of the acidity (Martínez and García 1993; Urrestarazu
2004; Alarcón 2006). The EC of the irrigation water was 0.91 dS·m-1
.
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109
Figure 1. Description of the nutrient solution mixing methods. (a) Mixing tank. (b).
Direct injection with venturi system
Device description
The device is shown in Figure 2. In the interior part, the different fluids from the
concentrated solutions can exhibit different densities among them and in relation to the
water, which is a majority carrier. Inside the same device, these fluids are forced to mix
with each other. The device was provided by RITEC Riegos y Tecnologias S.L. [RITEC
Irrigation and Technologies].
Before locating the nutrient solution EC and pH control sensors, a bypass was
installed at point (a) (Figure 1B). The by-pass included the passive mixer (T1), while a
direct route to the independent crop sectors was maintained (T0).
The experiment (T1) was conducted over 8 consecutive days, alternating with
the control (T0), by opening a manual valve for the corresponding T0 or T1 circuits
once a day. The fertigation of each treatment was distributed on 4 experimental sectors
using solenoid valves (Figure 1B). Each sector had a different crop surface area, as
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110
follows: 25, 148, 156 and 160 m2. Auto-compensating and anti-draining drippers were
used with a flow of 3 L·h-1
and one dripper for every square meter. The number of
irrigations on each sampling day was determined by the crop needs of each sector. The
time of irrigation and sampling of nutrient solution supplied to the cultivation, was fixed
at 4 minutes during the 8 days of the experiment. The EC and pH values of the nutrient
solution were fixed at the computer controller at 1.60 dS·m-1
and 5.28, respectively.
These parameters were selected for some ornamental plants that have a stringent
requirement for EC (less than 1.60 dS·m-1
) and an acid pH of ≤ 5.80 in comparison to
other horticultural crops (Sonneveld and Straver 1994) to determine the advantages of
the passive mixer.
Figure 2. Passive mixing device, showing details of the components. Arrows indicate
the direction of the water flow.
A
B
C
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111
The EC (dS·m-1
) and pH of the nutrient solution for each irrigation time were
automatically recorded with the treatment and flow and are shown in Table 1 and Figure
3.
The mean separation among treatments was calculated using a t-test and simple
quadratic adjustment on a linear equation. The absolute value of the coefficient of
variation expressed as a percentage (%CV) is used as a measure of the relative standard
deviation. The coefficient of variation is reported as a percentage and calculated from
the average and standard deviation, as follows:
In this case, the %CV was the best way to summarize the variation.
Results and discussion
Table 1 shows the %CV values calculated from the average fertigation
parameters corresponding to the four sectors with flow rates from 25 to 480 L·h-1
. The
EC and pH of the nutrient solution were influenced by the passive mixing device. The
general adjustment level, particularly for EC, was narrow (less than 70% variation) due
to the methodology and infrastructure described and with low flow rates of less than 450
L·h-1
. However, the use of the passive mixing device improved the adjustment of the
programmed EC from 3.58 to 2.64 dS·m-1
, compared to 1.60 dS·m-1
. The magnitude of
the difference between the maximum and minimum values obtained for both the EC and
pH was smaller when the passive mixing device was used (a decrease in magnitude of
the %CV from 3.98 to 3.50 for the EC and from 5.12 to 4.38 for pH), which indicates
that a more uniform distribution of nutrients and constant osmotic pressure reaches the
crop rhizosphere through the drippers. For the maximum EC value obtained, the passive
mixer was improved by more than 1 unit (from 6.84 to 5.59 dS·m-1
), which not only
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112
suggests a better adjustment of the fertigation but also a significant decrease of the
environmental pollution that it would normally cause. These results are similar to the
finding that, when fertigation conditions are improved, fewer contaminants are released
to the environment (Hagin and Lowengart 1996; Urrestarazu et al., 2008a). Conversely,
if substrates with minimum or null cationic exchange capacity are used in combination
with salinity-sensitive plants, the crop yield loss can be significant (Sonneveld and
Voogt 2009; Sturgul and Kelling 2012). Consequently, when a wide range of flow rates
are used by the same irrigation headpiece, the use of a passive mixing device becomes
an important tool to adjust the irrigation in two ways: (1) it improves the mean
adjustment between the programmed parameters in the irrigation headpiece and the
obtained values through the irrigation pipes and (2) it improves the fertigation by
decreasing the variation established between the maximum and minimum values.
Table 1. Electrical conductivity (EC, dS·m-1
) and pH of the nutrient solution by
preparation method, with and without the use of the passive mixing device.
Obtained values
Parameter Programmed
values
Means Maximum Minimu
m
EC
With passive mixing 1.60 2.64 ** 5.59 ** 1.23 *
Without mixing 1.60 3.58 6.84 1.73
pH
With passive mixing 5.28 5.83 ns 7.10 * 3.60 ns
Without mixing 5.28 5.81 7.53 3.55
**, *, and ns represent significant and not significant differences between columns of
the same parameter at P ≤ 0.99, P ≤ 0.05, respectively.
According to Aamo and Krstic (2002), flow control involves controlling a flow
field by using passive or active devices to cause desired changes in the flow behavior.
This passive device and the different fluids create a turbulent flow, which may exhibit
better mixing properties than laminar flows.
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113
Figure 3 shows the %CV between the programmed and obtained values for the
EC and pH of the nutrient solution, which are presented in relation to the flow rate used.
The values for the 25 L·h-1
flow rate are not presented (data not shown) because the
variation coefficients exceeded 300%. The same result was obtained in previous
experiments when the concentration in the nutrient solution tanks was 300 times the
final concentration of the nutrient solution.
Figure 3. Percent variation coefficient (%CV, ordinate) in relation to the flow rate (L·h-
1, abscissa) for electrical conductivity (EC) [upper panel] and pH [bottom panel], with
(T1) and without (T0) passive mixing of the nutrient solution.
The EC and pH correlation coefficients (R2) were higher when the passive mixing
device was used. The worst adjustment for these parameters was recorded with the
smaller flow rate (444 L·h-1
). This lack of adjustment was higher for the EC than for pH
(128.13 and 6.63, respectively). The benefit of the passive mixing device was higher
with the smaller flow rates, which was indicated by the decrease of the adjustment of
the EC and pH %CV (from 128 to 126 and from 6.63 to 4.08, respectively), as a
reduction of their corresponding standard errors. For the EC, the benefits of the device
use were maintained, even for the higher flow rates tested, with an adjustment increase
from 6.34 to 3.13%CV.
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114
Conclusions
A passive mixing device used for the automatic preparation of the nutrient
solution by direct injection into the irrigation headpiece constitutes an important tool to
adjust the EC and pH. This device also decreases the difference between the maximum
and minimum values that can positively affect high-yield horticulture, especially for
crops affected by wide changes in the EC and pH.
Acknowledgements
This work was financed through FEDER AGL-2010-18391.
References
Aamo, O. M., and Krstic, M. (2002). Flow control by feedback: stabilization and
mixing. Springer, London, England, 198.
Alarcón, A. (2006). Cultivo sin suelo [Soilless crops]. Ediciones de Horticultura S.L.
(Horticulture Editions S.L.), Reus, Spain, 269.
Hagin, J., and Lowengart, A. (1996). “Fertigation for minimizing environmental
pollution by fertilizers.” Fert. Res., 43(1-3), 5-7.
Junta de Andalucia [Andalusian Community]. (2013). “Superficies y producciones.”
Consejeria de Agricultura, Pesca y Medio Ambiente,
<http://www.juntadeandalucia.es/agriculturaypesca/portal/servicios/estadisticas/est
adisticas/agrarias/superficies-y-producciones.html> (Date of access June 18, 2013).
Martínez, M., and García, M. (1993). Cultivos sin suelo: hortalizas en clima
mediterráneo [Soilless crops: vegetable cultivation under Mediterranean climate).
Ediciones de Horticultura S.L. (Horticulture Editions S.L.), Reus, Spain, 123.
Resh, H. M. (2012). Hydroponic food production, seventh edition. CRC Press, Boca
Raton, FL, 560.
Isidro Morales García Tesis Doctoral: Mejoras en los sistemas de fertirrigación de hortalizas y
ornamentales en cultivos sin suelo
115
Sonneveld, C., and Straver, N. (1994). Nutrient solutions for vegetables and flower
growth in water on substrates, tenth edition. Glasshouse Crops Research Station,
Littlehampton, UK, 43.
Sonneveld, C., and Voogt, W. (2009). Plant nutrition of greenhouse crops. Springer,
Dordrecht, The Netherlands, 431.
Sturgul, S. J., and Kelling, K. A. (2012). “Nutrient: best management practices.”
Encyclopedia of Environmental Management, S. E. Jørgensen, ed., Taylor Francis
Inc., Florence, KY, 1805-1816.
Thompson, R. B., Gallardo, M., Rodríguez, J. S, Sánchez, J. A., and Magán, J. J.
(2013). “Effect of N uptake concentration on nitrate leaching from tomato grown in
free-draining soilless culture under Mediterranean conditions.” Sci. Hortic., 150,
387–398.
Urrestarazu, M. (2004). Tratado de cultivo sin suelo [Treaty on soilless crops]. Mundi-
Prensa Libros, Madrid, Spain, 928.
Urrestarazu, M., Alvaro, J. E., Moreno, S., and Carrasco, G. (2008b). “Remediation of
iron chlorosis by the addition of Fe-o,o-EDDHA in the nutrient solution applied to
soilless culture.” HortScience, 43, 1434-1436.
Urrestarazu, M., and García, M. (2000). “Modeling electrical conductivity management
in a recirculating nutrient solution under semi‐ arid conditions.” J. Plant Nutr., 23,
457-468.
Urrestarazu, M., Salas, M. C., Valera, D., Gómez, A., and Mazuela, M. P. (2008a).
“Effects of heating nutrient solution on water and mineral uptake and early yield of
two cucurbits under soilless culture.” J. Plant Nutr., 31, 527-538.
Van Os, E. A., Gieling, Th. H., and Lieth, J. H. (2008). “Technical equipment in soilless
production system.” Soilless culture, M. Raviv, and H. Leith, eds., Elsevier,
London, UK, 157-209.
Isidro Morales García Tesis Doctoral: Mejoras en los sistemas de fertirrigación de hortalizas y
ornamentales en cultivos sin suelo
117
Chapter 2. Thermography Study of Moderate Electrical Conductivity
and Nutrient Solution Distribution System Effects on Grafted Tomato
Soilless Culture
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ornamentales en cultivos sin suelo
118
Abstract. In recent decades, salinity in the culture of tomatoes has been one of the most
studied parameters. This study aimed to evaluate the effect of a moderate increase in
salinity, fertigation distribution, and its control using thermography on a soilless culture
of grafted tomato. A tomato crop (cv. Ramyle) grafted onto tomato rootstocks (cv.
Emperor) was cultivated in coir crop units at the University of Almeria from Nov. 2012
to May 2013. A plot design subdivided with four blocks was used, with salinity values
of 2.0 and 2.5 dS·m-1
in the main plots and fertigation distribution systems with either
one (DD 1) or four (DD 4) drip manifolds in the subplots. The crop productivity was
measured using total crop yield, commercial value, and size. The quality parameters in
the fruits were not significantly affected. Thermographies were used to aid the control of
differential transpiration exerted by salinity. The difference in salinity did not
significantly affect the total or commercial production. However, despite being grafted
plants, there was a statistically significant effect (P £ 0.05) on the fruit size distribution
when the electrical conductivity (EC) of the nutrient solution was increased from 2.0 to
2.5 dS m-1
, with a lower production (16%) of large fruits and an increased production of
smaller fruits. The DD4 system significantly increased large tomato production (22%)
compared with DD1, and the quality parameters in the fruits were not significantly
affected. As a result of the improvement in tomato size, the DD4 distribution system
economically offset the required higher initial expenditure compared with the DD1
system. Thermography was revealed to be a robust, simple, and quick tool for
diagnosing the effect of salinity on transpiration.
Additional index words: coir substrate, distribution nutrient solution, fruit quality,
grafting, moderate salinity, non-invasive method, size tomato, thermography.
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ornamentales en cultivos sin suelo
119
Salinity is one of the most limiting studied factors in protected horticulture. The
negative effect of increased osmotic pressure deviations from an optimal value in the
culture medium and nutrient solution has been studied for a long time. Adapting the
management of fertigation and salinity (expressed as ionic composition of the nutrient
solution) to the production conditions is a highly influential factor in terms of an
economic balance but is also an important factor for controlling the emission of
pollutants into the environment (Massa et al., 2010; Urrestarazu et al., 2008a). From the
1930s and 1940s (Hayward and Long, 1943; Robbins, 1937) to the present (Adams,
1991; Adams and Ho, 1989; Cuartero and Fernández-Muñoz, 1998; Ho and Adams,
1995; Urrestarazu et al., 2005), two clear effects with increasing salinity have been
described as follows: 1) productivity loss and 2) the increase of fruit quality parameters
(e.g., total soluble solids, dry matter content, acidity, average fruit weight, and ionic
concentration). To determine and quantify the production loss resulting from increased
radical osmotic pressure, several experimental protocols have been described since the
1970s (e.g., Hoffman, 1985; Jobes et al., 1981; Maas and Hoffman, 1977). Currently,
these protocols have been modified and adapted by quadratic fit models considering
salinity values starting at 0 dS·m–1
(Sonneveld, 2004a, 2004b; Sonneveld and Voogt,
2009). These models have been widely used to describe and forecast production based
on certain conditions of salinity. The vast majority of the information available in the
literature has been published under conditions of largesalinity differences in the
treatments. However, studies evaluating the effects of using moderate salinities are
scarce.
A non-uniform distribution of nutrients in the culture medium causes a significant effect
on plant roots (Robinson, 1994; Schwarz et al., 1995). From the work of Heinen (1997),
van Noordwijk (1978), and van Noordwijk and Raats (1980, 1981), models have been
developed to determine the importance of the distribution of fertigation drip emitter
Isidro Morales García Tesis Doctoral: Mejoras en los sistemas de fertirrigación de hortalizas y
ornamentales en cultivos sin suelo
120
outlets and the location of drainage points in crop container units, but there are few
studies that evaluate production-related economic benefits by applying a better
distribution of the nutrient solution with similar costs of localized irrigation
infrastructure, including drippers and their manifolds.
Thermography is being used in all areas of scientific and technological research
(Grinzato et al., 2010). Recently, studies on the application of thermography to soilless
cultivation in relation to fertigation (Fernández-Bregón et al., 2013) or in relation to the
salinity of fertigation (Urrestarazu, 2013) have been published. This study had the
following two objectives: 1) to evaluate the effect of moderate salinity and the type of
fertigation distribution on a tomato crop; and 2) to evaluate the potential of
thermography as a diagnostic tool of the effect of moderate salinity expressed through
plant transpiration.
Materials and Methods
Cultivation conditions
Cultivation was performed at the facilities of the University of Almeria (Spain) in a
plastic greenhouse (200 mm thick). Grafted seedlings were planted on 9 Nov. 2012
during a stage in which the plants had six and seven true leaves. We used the Emperor
F1 cv. rootstock and the Ramyle F1 cv. tomato graft. The cultivation management was
made following methods commonly used in the cultivation area. For each treatment,
two controls were established for fertigation control consisting of a control dripper and
a drain pan that served as points of measurement and monitoring of supplied fertigation
and its absorption response. In these locations, the volume of the nutrient solution as
well as the pH and EC of the fertigation input and the drainage was measured on a daily
basis. These feedback data supplied the fertigation scheduling program. Each new
irrigation process was performed when 10% of the readily available water in the
Isidro Morales García Tesis Doctoral: Mejoras en los sistemas de fertirrigación de hortalizas y
ornamentales en cultivos sin suelo
121
substrate had been exhausted plus the volume necessary to produce between 15% and
25% of drainage (Urrestarazu, 2004; Urrestarazu et al., 2005, 2008b). The duration of
each irrigation process was selected by adjusting the volume to be supplied to each
cultivation unit depending on the soil water release curve obtained (Fig. 1). To obtain
the water release curve of the coir substrate, the following volumes were calculated
(vol:vol): total porosity, air volume (aeration capacity), readily available water, reserve
water, and scarcely available water (AENOR, 2012). The physical analysis of the
substrate was performed in triplicate. The cultivation unit was a Pelemix
GB1002410_coir grow bag (100 x 25 x 10 cm) with a cultivation volume of 25 L.
Fig. 1. Water release curve for the coir as a function of the water tension at the
receiving substrate expressed in units of centimeters of water column (based on De
Boodt et al., 1974).
Treatments applied.
Two sources of variation were considered. The first source of variation was the salinity
of the nutrient solution with an EC value of either 2.0 or 2.5 dS·m–1
. The nutrient
solution was prepared with concentrated solutions of macronutrients in the proportions
indicated in Table 1. The second source of variation was the number of supply outlets
delivering the nutrient solution with one (DD1) or four(DD4) microtube drip manifolds.
Isidro Morales García Tesis Doctoral: Mejoras en los sistemas de fertirrigación de hortalizas y
ornamentales en cultivos sin suelo
122
Each microtube was 4 mm in diameter and 60 cm in length. The distribution of the three
or 12 pegs (or stabilizers) was done in a uniform manner throughout the culture unit.
Table 1. Nutrient solution used in the culture of tomato.
(z) Based en Sonneveld y Straver (1994).
Harvest sampling.
The harvest took place during a period spanning from 14 Mar. to 15 May 2012. The
harvest of individual fruits was done on a weekly basis for tomatoes in the state of
maturity corresponding to a uniform red color of the tomato skin. The tomatoes were
sized according to their equatorial diameter and the prevailing commercial fruit
category (DO, 2000). The yield of each size was clustered throughout the culture, and
the median values are shown in Table 2. From each harvest, a subsample of three
tomato fruits was taken and used to make a homogenized solution to measure pH, EC,
and total soluble solids (expressed as ºBrix), which were measured with a digital
handheld refractometer (Atago PAL-1). After drying the tomatoes in a forced-air oven
at 85 ºC for 72 h, the dry matter was obtained by weighing three tomatoes with an
accuracy of one hundredth of a gram.
Sampling and analysis of the thermographies
At full production of the tomato crop, three thermographies for each EC treatment were
taken by sampling the eighth fully expanded leaf located at the end of the plant (Fig. 2).
The average temperatures were measured in an area of between 3 and 5 cm2 for each
leaflet following the procedure described by Fernández-Bregón et al. (2013) and
CE Macronutrientes Mm Micronutrientes µM
dS m-1
pH NO3- H2PO4
2- SO4
2- K
+ Ca
2+ Mg
2+ Fe Mn Cu Zn B Mo
2,00(z)
5.80 10.25 1.50 1.75 4.75 5.00 1.51 15 10 0.75 5 30 0.5
2.50 5.80 12.81 1.88 2.19 5.95 6.25 1.89 15 10 0.75 5 30 0.5
Isidro Morales García Tesis Doctoral: Mejoras en los sistemas de fertirrigación de hortalizas y
ornamentales en cultivos sin suelo
123
Urrestarazu (2013). The thermographies were taken the same day at 1200 HR following
the criteria of Fernández-Bregón et al. (2013) and MÖller et al. (2007).
Fig. 2. (A) Reference image of the two tomato leaves corresponding to the salinity
treatments of EC2.0 and EC2.5 (EC values of 2.0 and 2.5 dS·m–1
, respectively). (B)
Thermography corresponding to the different salinity treatments. (C) Detail of the
method for measuring the temperature in a leaflet. (D) Method applied to all of the
leaflets of each leaf. EC = electrical conductivity; AVG = average temperature
considered in a thermograph.
Infrared thermography images were obtained with a Fluke Ti32 thermal imaging
scanner (Janesville, WI) with an infrared spectrum measuring range of 7.3 to 13 mm
and a temperature range of –40 to +600 ºC. The detector allows a resolution of 320 x
240 pixels with a minimum focal length of 0.3 m and a spatial resolution of 0.01 ºC.
The thermal image processing was analyzed with the SmartView 3.2_ Researcher Pro
soft- ware (Fluke Thermography, Plymouth, MN), which allowed the determination of
mean, maximum, and minimum temperatures in a particular surface area.
Isidro Morales García Tesis Doctoral: Mejoras en los sistemas de fertirrigación de hortalizas y
ornamentales en cultivos sin suelo
124
Experimental design and statistical analysis
The experiment was conducted using a splitplot design (Little and Hill, 1978; Petersen,
1994). The main plot had salinity (EC) as the source of variation. The secondary plot
corresponded to the plot hosting the drip fertigation system (DD1 and DD4). The
number of plot and subplot blocks was four. An analysis of variance and the
corresponding separation of mean values were performed accordingly. The
mathematical treatment of the data were performed using Statgraphics Centurion®
16.1.15 and Microsoft Office 2010 (Microsoft Inc., Redmond, WA). The experimental
unit consisted of three coir grow bags. Each bag contained three plants fertigated with
three dripper outlets with a nominal flow rate of 3L·h–1
. A simple Student’s t test was
used to calculate the mean separation of temperature values obtained from the
thermography imaging data.
Results and Discussion
Effect on total crop productivity
Table 2 shows the treatment data arranged per total productivity, commercial value, and
size. In the total crop yield and total commercial value, no significant differences were
observed for the following treatments: salinity and type of drip manifold (DD) used to
distribute the nutrient solution. An increased production in the lower salinity (EC)
treatment was not found compared with the higher salinity (EC 2.5) treatment described
in the literature (Hoffman, 1985; Jobes et al., 1981; Maas and Hoffman, 1977;
Sonneveld, 2004a; Sonneveld and Voogt, 2009).
Isidro Morales García Tesis Doctoral: Mejoras en los sistemas de fertirrigación de hortalizas y
ornamentales en cultivos sin suelo
125
Table 2. Total tomato crop yield (kg. m2) arranged according to size and electrical
conductivity (EC) of the nutrient solution and fertigation supply with one and four drip
manifolds.
EC=2,0 dS∙m-1
EC=2,5 dS∙m-1
Nº of outlet drip manifolds Nº of outlet drip manifolds
Size(z)
1 4 1 4
M (57-67 mm) 0,65 b 1,03 a 0,91 ab 1,01 a
MM (47-57 mm) 3,69 ab 4,18 a 3,10 b 3,50 ab
MMM (40-47 mm) 2,03 a 1,70 bc 1,94 ab 1,65 c
P (35-40 mm) 1,83 a 1,50 c 1,76 ab 1,71 b
Noncommercial (< 35
mm)
0,75 c 0,82 bc 0,97 b 1,12 a
Total commercial 8,20 a 8,22 a 7,72 a 7,87 a
Total 8,96 a 9,05 a 8,69 a 9,00 a
Different letters between columns indicate significant differences at P ≤ 0.05. zSource: DO (2000).
It is well known that grafting contributes to increased plant vigor and greater tolerance
to diseases (Miguel et al., 2004), salinity and water stress (e.g., Fernández-García et al.,
2002; Lee, 1994; Lee and Oda, 2003; Schwarz et al., 2010). Therefore, grafting may
have helped to prevent the loss of total production of the tomato crop.
Effect on the distribution of fruit sizes
Tomato fruit size was significantly affected by both the salinity and nutrient solution
distribution system (DD) (Fig. 3). The nutrient solution with a lower EC value (EC)
produced a statistically significant (P≤ 0.05) higher proportion of larger fruits (size MM;
16%) and a lower proportion of the smaller fruit size (P; 5%) and noncommercial size
(34%). Because larger sizes tend to have a higher market value, the EC increase from 2
to 2.5 dS·m–1
resulted in a loss of market value. These results were consistent with those
obtained in a large number of studies, in which an increase in salinity has been reported
to cause a reduction in mean fruit weight (Hayward and Long, 1943; Ho and Adams,
1995).
Isidro Morales García Tesis Doctoral: Mejoras en los sistemas de fertirrigación de hortalizas y
ornamentales en cultivos sin suelo
126
Fig. 4. Effect of the electrical conductivity (EC) (dS·m
–1) of the nutrient solution,
namely, 2.0 (EC2.0; dashed line) and 2.5 (EC2.5 solid line) and the distribution of the
nutrient solution with one (DD1; solid line) and four (DD4; solid line) dripper outlets on
tomato plant production size (kg/m2) according to equatorial diameter and total
commercial size. * and NS indicate significant differences in the analysis of variance at P
≤ 0.05 and nonsignificant, respectively.
Similarly, increasing the number of drip outlets of the nutrient solution from one (DD1)
to four (DD4) produced a variation in the distribution of the tomato fruit sizes. The
Mand MMsizes increased significantly (P ≤0.05) by an average of 30% and 13%,
respectively. Moreover, the smaller sizes, namely MMM and P, decreased by 16% and
11%, respectively. Consequently, a better fertigation distribution system in the culture
unit improved the production, as occurred with the lower saline treatment. These results
were similar to those published by Robinson (1994), who reported productivity
1
2
3
4
5
6
7
8
0.6
1.6
2.6
3.6
ns * ns * * ns
1
2
3
4
5
6
7
8
0.6
1.6
2.6
3.6
M (57-67 mm)
MM (47-57 mm)
MMM (40-47 mm)
P (35-40 mm)
No comercial (< 35 mm)
TOTAL COMERCIAL
* * * * ns ns
CE2,0 CE2,5
CE2
.0
CE2.
5
DD4 DD1
TOTAL
COMMERCIAL
Isidro Morales García Tesis Doctoral: Mejoras en los sistemas de fertirrigación de hortalizas y
ornamentales en cultivos sin suelo
127
improvements when nutrients are properly distributed. Similar results have also been
reported by Sonneveld and de Kreij (1999) and Sonneveld and Voogt (1990) about
production of cucumber and tomato, respectively.
The use of grafted plants did not prevent a loss of large tomatoes in favor of smaller
tomatoes. Therefore, the vigor effect described for grafted plants was not positively
expressed in the size distribution.
Effect on the production quality parameters
Table 3 shows some quality parameters of tomato fruits. The different treatments did
not show significant differences in the evaluated fruit quality parameters, except for the
total soluble solids in the treatments that decreased with increasing distribution of
nutrient solution. An increase in salinity values has been related to a significant increase
in the percentage of dry matter, acidity, total soluble solids (ºBrix), and fruit osmotic
concentration (Hayward and Long, 1943). However, in the present experiment, such a
significant increase was not observed, which may have been the result of the following
reasons: 1) the small increase of EC that was considered; 2) the tolerant behavior of
tomato compared with other horticultural crops, as previously described in pioneer
studies (Maas and Hoffman, 1977); and 3) the potential contribution of the vigor
provided by the rootstock against salinity (Lee and Oda, 2003). The higher stress caused
by a worse distribution of fertigation (DD4 vs. DD1) could justify the increased value of
total soluble solids. These results agreed with the idea suggested in the recent review by
Rouphael et al. (2010) on the effect of grafting on fruiting vegetables. These authors
indicated that further research is needed to gain insight into the role that the grafts play
on fruit quality.
Isidro Morales García Tesis Doctoral: Mejoras en los sistemas de fertirrigación de hortalizas y
ornamentales en cultivos sin suelo
128
Table 3. Some parameters of tomato fruits according to the different electrical
conductivity (EC) values of the nutrient solution and fertigation system used (one and
four outlet drip manifolds).
EC dS∙m-1
Nº of outlet drip manifolds
2.0 2.5 1 4
pH 4.21 4.27 ns 4.24 4.24 ns
EC 4.38 4.44 ns 4.43 4.39 ns
Total soluble solid (° Brix) 4.92 5.08 ns 5.11 4.89 *
Dry matter (%) 7.08 7.25 ns 7.20 7.13 ns
*Statistically significant differences between treatments at P ≤ 0.05; NS =
nonsignificant.
Effect on the economic balance.
Table 4 shows the partial economic balance regarding the investment costs required
depending on the selection of the DD1 fertigation distribution system with respect to the
DD4 system. Only the revenues from the large tomatoes, which are those with greater
commercial value, were considered. The differential value of a single year’s tomato
crop (0.30 €/m2/crop) would have offset the higher initial investment (from 0.45)
€/m2/year) representing the DD4 system with respect to the DD1 system.
Isidro Morales García Tesis Doctoral: Mejoras en los sistemas de fertirrigación de hortalizas y
ornamentales en cultivos sin suelo
129
zBased on average prices of two trading houses and the recommended average
replacement time of drippers (10 years). yBased on average prices received by farmers in agricultural cooperatives for the same
culture dates. Source: H y hortalizas de Almería (2013) [Fruits and vegetables of
Almería (2013)]. xSource: DO (2000).
Table 5 shows the partial economic balance regarding the economic cost involved in
fertigation with a solution that has an EC value of 2.0 dS·m–1
with respect to that
performed with a solution that has an EC value of 2.5 dS·m–1
. These results showed a
farmer’s loss of income of 0.41 €/m2 (8.5%) with a higher proportion of expenditure on
fertilizers (0.41 €/m2) if the fertigation was performed with an EC solution.
Consequently, as a function of the value of the fertilizers and the tomato market value
on the basis of size, an extra value of 0.82 €/m was obtained with the EC 2.0 option
compared with the EC 2.5 option. However, the farmer sometimes chose this
disadvantageous option for some of the following reasons: 1) to maintain an adequate
harvest index by a moderate saline stress (maintaining an appropriate balance between
the proportion of the vegetative and reproductive phase of the tomato); 2) to avoid
increased susceptibility to plant healthproblems; 3) to increase the lifetime of
postharvest (Mizrahi, 1982; Mizrahi et al., 1988); and/or 4) to increase or improve the
quality parameters (total soluble solids and acidity) as well as to increase products that
Table 4. Economic balance based on usage of one (DD1) or four (DD4) outlet drip
manifolds for each distribution system for tomato cultures grafted in coir bags
considering only the yield and income generated by the production of larger tomatoes.
Yield Dripper price(z)
Tomato Income
kg∙m-
2∙culture
-1
€∙m-2
∙year-1
price(y)
€∙m-2
∙culture-1
Size(x)
DD1 DD4 DD1 DD4 €∙kg-1
DD1 DD4
M (57-67 mm) 0.78 1.03 0.12 0.42 1.12 0.87 1.15
MM (47-57 mm) 3.40 3.84 0.12 0.42 0.81 2.75 3.11
MMM (40-47 mm) 1.99 1.68 0.12 0.42 0.60 1.19 1.01
Total 6.17 6.55 4.82 5.27
Difference DD4 –
DD1
0.38 0.30 0.45
Isidro Morales García Tesis Doctoral: Mejoras en los sistemas de fertirrigación de hortalizas y
ornamentales en cultivos sin suelo
130
enhance the flavor or health beneficial nutrients (Cuartero et al., 1996; Rouphael et al.,
2010; Sharaf and Hobson, 1986).
Table 2. Economic balance based on nutrient solution selection (NS) with electrical
conductivity (EC) values of 2.0 dS·m–1
(EC2.0) and 2.5 dS·m–1
(EC2.5) for tomato
cultures grafted in coir bags considering only the yield and income generated by the
production of larger tomatoes.
yield Price NS(z) Price Income
kg m-2 culture-1 €∙m-2∙culture-1 tomato(y) €∙m-2∙culture-1
Size(x) CE2 CE2.5 CE2 CE2.5 €∙kg-1 CE2 CE2.5
M (57-67 mm) 0.84 0.96 0.69 1.10 1.12 0.94 1.08
MM (47-57 mm) 3.93 3.30 0.69 1.10 0.81 3.18 2.67
MMM (40-47 mm) 1.86 1.79 0.69 1.10 0.60 1.11 1.07
Total 6.63 6.05 5.23 4.82
Difference EC2–EC2.5 -0.58 -0.41 -0.41
zBased on the prices of each liter of the nutrient solution and the volume of the culture
cycle used. yBased on average prices earned by farmers in the agricultural cooperatives for the same
culture dates and area. Source: Frutas y Hortalizas de Almería (2013) [Fruits and
vegetables of Almería (2013)]. xSource: DO (2000).
In both conditions, choosing DD1 over DD4 and/or EC 2.5 over EC 2.0, there is an
implied economic loss to the farmer. In both cases, the proportion of this loss depends
on the difference in the market value of large tomatoes compared with smaller tomatoes
with this difference being generally higher in North American markets compared with
European markets. However, despite causing substantial economic loss in commercial
farms that choose the EC 2.5 option over EC 2.0, it is a common practice.
Role of thermography.
The average temperatures measured on leaves treated with solutions with different EC
values are shownin Figure 4. This small difference of transpiration vs increment
moderate increase EC of nutrient solution was sufficient to be captured, measured, and
analyzed by thermography through adequate software. Although the temperature
Isidro Morales García Tesis Doctoral: Mejoras en los sistemas de fertirrigación de hortalizas y
ornamentales en cultivos sin suelo
131
differences were small (less than 1 ºC; ≈2%), the lowest recorded temperatures were
significantly correlated with the treatment with the lowest EC value (P ≤ 0.001). This
method is based on an adequate measure of only an appropriate leaf fraction under
similar environmental conditions (Fernández-Bregoón et al., 2013; Urrestarazu, 2013)
avoiding the disadvantages when 1) infrared thermography measures include other
surfaces different from the desired area with consequent errors in estimated temperature
(Jones et al., 2002; Moran et al., 1994); or 2) measuring the temperature of a single
point on a leaf. These correlations and results were similar to that found by Oerke et al.
(2006) in melons or by Urrestarazu (2013) in ornamental plants. Therefore, if
thermography is properly handled, it can serve as a simple, rustic, nondestructive, and
useful remote sensing tool for diagnosing a limiting factor such as poor transpiration
resulting from a possible saline or water stress condition. Consequently, thermography
could be incorporated into a remote sensing network for the control and monitoring of
horticultural crops, as suggested by Álvaro et al. (2011) and Fernández-Bregón et al.
(2012).
Fig. 4. Average temperature of tomato crop leaves with nutrient solution treatments
with electrical conductivity (EC) values of 2.0 and 2.5 dS.m
-1 , respectively (average
data of all three leaflets per treatment). Average temperatures measured by
thermography of a 3 to 5 cm2 surface area of each leaflet and leaf.
Isidro Morales García Tesis Doctoral: Mejoras en los sistemas de fertirrigación de hortalizas y
ornamentales en cultivos sin suelo
132
Conclusion
A moderate increase in EC (from 2.0 to 2.5 dS·m–1
) of nutrient solution did not exert a
significant effect on crop yield in a grafted tomato crop or on fruit quality parameters
(total soluble solids, dry weight content, or osmotic concentration of tomato juice).
However, the effect of increase EC was reflected in the distribution of tomato sizes by
significantly lowering the production of large tomatoes by 14% compared with smaller
tomatoes.
A better distribution, four-outlet drip manifold in comparison with a one-outlet drip
manifold of the nutrient solution on the culture unit did not improve the performance or
the fruit quality parameters (total solids, soluble dry weight content, or osmotic
concentration of tomato juice), but it significantly improved the percentage of larger
fruits by more than 20%.
Distribution improvement and optimal EC in the nutrient solution increased the
profitability of the crop because larger fruits have a higher market value.
Thermography may constitute a robust, fast, and non-destructive remote sensing tool for
diagnosing a moderate salinity condition.
References
Adams, P. 1991. Effects of increasing the salinity of nutrient solution with major
nutrients or sodium chloride on the yield, quality and composition of tomatoes
grown in Rockwool. J. Hort. Sci. 66:201-207.
Adams, P., y L.C. Ho. 1989. Effects of constant and fluctuating salinity on the yield,
quality and calcium status of tomatoes. J. Hort. Sci. 64:725-732.
Isidro Morales García Tesis Doctoral: Mejoras en los sistemas de fertirrigación de hortalizas y
ornamentales en cultivos sin suelo
133
Álvaro, J.E. D.L.Valera, y M. Urrestarazu. 2011. Nuevas herramienta de control y
diagnóstico mediante cámaras multiespectrales en la horticultura protegida,
Agrícola vergel: Fruticultura, horticultura, floricultura 30:399-401.
Cuartero, J., J. Baena., T. Soria, y R. Fernández-Muñoz. 1996. Evolución de la dureza
del fruto del tomate, como un componente de la calidad, en cultivares de larga
duración y normales cultivados en 5 concentraciones salinas. Actas de
Horticultura. 13:59-65.
Cuartero, J., y R. Fernández-Muñoz. 1998. Tomato and salinity. Scientia Hort. 78:83-
125.
De Boodt, M., O. Verdonck, y I. Cappaert. 1974. Method for measuring the water
release curve of organic substrates. Acta Hort. 37:2054–62.
Ehret, D.L., y L.C. Ho. 1986. The effects of salinity on dry matter partitioning and fruit
growth in tomatoes grown in nutrient film culture. J. Hort. Sci. 61:361-367.
Fernández-Bregón, N., D. Valera, y M. Urrestarazu. 2013. Uniformity of fertigation as
diagnosed by infrared thermography under soilless culture. J. Food Agr. and
Environ. 11:981-984
Fernández-Bregón, N., M. Urrestarazu, y D. Valera. 2012. Algunos usos de la visión
artificial y su aplicación en la horticultura protegida. Vida rural 343:46-48
Fernández-García, N., V. Martínez., A. Cerda, y M. Carvajal. 2002. Water and nutrient
uptake of grafted tomato plants grown under saline conditions. J. Plant Physiol.
159:899-905.
Frutas y hortalizas de Almería. 2013. Revista Frutas y hortalizas de Almería. 06 agosto
2013. <http://www.fhalmeria.com/subastas.aspx<.
Grinzato, E., G. Cadelano, y P. Bison. 2010. Moisture map by IR thermography. J.
Mod. Optics 57:1770–78.
Isidro Morales García Tesis Doctoral: Mejoras en los sistemas de fertirrigación de hortalizas y
ornamentales en cultivos sin suelo
134
Hayward, H.E., y E.M. Long. 1943. Some effects of sodium salts on the growth of the
tomato. Plant Physiol. 18:556–569.
He, Y., Z. Zhu., J. Yang., X. Ni and Zhu B. 2009. Grafting increases the salt tolerance
of tomato by improvement of photosynthesis and enhancement of antioxidant
enzymes activity. Environ. Exp. Bot. 66:270-278
Heinen, M. 1997. Dynamics of water and nutrients in closed, recirculating cropping
systems in glasshouse horticulture. With special attention to lettuce grown in
irrigated sand beds. PhD Thesis Wageningen Agricultural University. ISBN 90-
5485-667-X. 270 p.
Ho, L.C. y P. Adams. 1995. Nutrient uptake and distribution in relation to crop quality.
Act a Hort. 396:33-44.
Hoffman, G.J. 1985. Drainage required to manage salinity. J. Irrig. Drain. Eng.
111:199-206.
Jobes, J.A., G.J. Hoffman, y J.D. Wood. 1981. Leaching requirement for salinity control
II. Oat, Tomato, and cauliflower. Ag r. Water Manage 4:393-407.
Lee, J.M. 1994. Cultivation of grafted vegetables I. Current status, grafting methods,
and benefits. HortScience 29:235–239
Lee, J.M., y M. Oda. 2003. Grafting of herbaceous veget able and ornamental crops.
Hort. Rev. 28:61-124.
Little, T.M., y F.J. Hills. 1975. Statistical Methods for Agricultural Research. New
York: John Wiley and Sons. 242 p.
Mass, E.V., y G.J. Hoffman. 1977. Crop salt tolerance-Current assessment. J. Irr. Drain
Div. Amer. Soc. Chem. Eng. 103:115-134.
Massa, D., L. Incrocci., R. Maggini., G. Carmassi., C.A. Campiotti, y A. Pardossi. 2010,
Strategies to decrease water drainage and nitrate emission from soilless cultures
of greenhouse tomato. Agr. Water Manage. 97:971–980.
Isidro Morales García Tesis Doctoral: Mejoras en los sistemas de fertirrigación de hortalizas y
ornamentales en cultivos sin suelo
135
Miguel, A., J.V. Maroto., A. San Bautista., C. Baixauli., V. Cebolla., B. Pascual., S.
López-Galarza, y J.L. Guardiola. 2004. The grafting of triploid watermelon is an
advantageous alternative to soil fumigation by methyl bromide for control of
Fusarium wilt. Scientia. Hort. 103:9–17.
Mizrahi, Y. 1982. Effect of salinity on tomato fruit ripening. Plant Physiol. 69:966-970.
Mizrahi, Y., E. Taleisnik., V. Kagan-Zur., Y. Zohas., R. Offenbach., E. Matan, y R.
Golan. 1988. A saline irrigation regime for improving tomato fruit quality
without reducing yield. J. Am. Soc. Horti. Sci. 113:202-205.
Möller, M. V. Alchanatis., Y. Cohen., M. Meron., J. Tsipris., A. Naor., V. Ostrovsky, y
S. Cohen. 2007. Use of thermal and visible imagery for estimating crop water
status of irrigated grapevine. J. Expt. Bot. 58:827–838.
Noshadi, M., S. Fahandej., A. R. Sepaskhah. 2013. Effects of salinity and irrigation
water management on soil and tomato in drip irrigation. International Journal of
Plant Production 7:295-312
Oerke, E.C., U. Steiner., H.W. Dehne, y M. Lindenthal. 2006. Thermal imaging of
cucumber leaves affected by downy mildew and environmental conditions. J.
Expt. Bot. 57:2121–32.
Petersen, R.G. 1994. Agricultural Field Experiments. Ed. Marcel Dekker, Inc. New
York, USA. 409 p.
Reglamento CE 717/2001, 2001. L 95/24 ES Diario Oficial de las Comunidades
Europeas 15.4.2000. REGLAMENTO (CE) No 790/2000 DE LA COMISIÓN
de 14 de abril de 2000 por el que se establecen las normas de comercialización
de los tomates. 10 agosto 2013. <http://www.boe.es/doue/2000/095/L00024-
00029.pdf.>
Robbins, W.R. 1937. Relation of nutrient salt concentration to growth of the tomato and
to the incidence of blossom en rot of the fruit. Plant Physiol. 12:21-50
Isidro Morales García Tesis Doctoral: Mejoras en los sistemas de fertirrigación de hortalizas y
ornamentales en cultivos sin suelo
136
Robinson, D. 1994. The responses of plants to non-uniform supplies of nutrients. New
Phytol. 127:635-674.
Rouphael, Y., D. Schwarz., A. Krumbein, y G. Colla. 2010. Impact of grafting on
product quality of fruit vegetables. Scientia Hort. 127:172-179.
Schwarz, D., M. Heinen, y M. van Noordwijk. 1995. Rooting intensity and root
distribution of lettuce grown in sand beds. Plant and Soil 176:205-217.
Schwarz, D., Y. Rouphael., G. Colla, y J.H. Venema. 2010. Grafting as a tool to
improve tolerance of vegetables to abiotic stresses: Thermal stress, water stress
and organic pollutants. Scientia Hort. 127:162–171.
Sharaf, A.R., y G.E. Hobson. 1986. Effect of salinity on the yield and quality of normal
and nonripening mutant tomatoes. Acta Hort. 190:175-181.
Sonneveld, C. 2004a. La nutrición mineral y salinidad en los cultivos sin suelo: su
manejo. En; Tratado de cultivo sin suelo. Ed. M. Urrestarazu, p. 305-367. Ed.
Mundi-Prensa, Madrid. España.
Sonneveld, C. 2004b. Effects of salinity on substrate grown vegetables and ornametals
in greenhouse horticulture. PhD Thesis Wageningen Agricultural University.
The Netherlands. 150 p.
Sonneveld, C. and C. de Kreij. 1999. Response of cucumber (Cucumis sativus L.) to an
unequal distribution of salts in the root environment. Plant and Soil 209:47-56.
Sonneveld, C. and N. Straver. 1994. Nutrient Solutions for Vegetables and Flower
Grow in Water or Substrates, tenth ed. Proefstation voor tuinbouw onder glas te
Naaldiwjk, Naaldiwijk, The Netherlands. 45 p.
Sonneveld, C, and W. Voogt. 1990. Response of tomatoes (Lycopersicon esculentum) to
an unequal distribution of nutrients in the root environment. Plant and Soil
124:251-256.
Isidro Morales García Tesis Doctoral: Mejoras en los sistemas de fertirrigación de hortalizas y
ornamentales en cultivos sin suelo
137
Sonneveld, C. and W. Voogt. 2009. Plant Nutrition of Greenhouse Crops. Dordrecht,
the Netherlands: Springer. 431 p.
Statistical Graphics Corp., 1999. Statgraphics Centurion®
. Statistical Graphics Corp.,
Rockville, MD.
UNE-EN 13041:2012. Mejoradores de suelo y sustratos de cultivo. Determinación de
las propiedades físicas. Densidad aparente seca, volumen de aire, volumen de
agua, valor de contracción y porosidad total. Madrid. 10 agosto 2013.
<http://www.aenor.es/aenor/normas/normas/fichanorma.asp?tipo=N&codigo=N
0049336&pdf=#.UgkKNJIvn9U>.
Urrestarazu, M. 2004. Tratado de cultivo sin suelo. Ed. Mundi-Prensa, Madrid, 914 p.
Urrestarazu, M. 2013. Infrared thermography used to diagnose the effects of salinity in a
soilless culture. Quantitative InfraRed Thermography 10:1–8.
Urrestarazu, M., C. Guillén., P.C. Mazuela, and G. Carrasco. 2008b. Wetting agent
effect on physical properties of new and reused rockwool and coconut coir
waste. Scientia Hort. 116:104-108.
Urrestarazu, M., G.A. Martínez., and M.C. Salas. 2005. Almond shell waste: possible
local rockwool substitute in soilless crop culture. Scientia Hort. 103:453-460.
Urrestarazu, M., M.C. Salas., D. Valera, A. Gómez, and P.C. Mazuela. 2008a. Effects of
heating nutrient solution on water and mineral uptake and early yield of two
cucurbits under soilless culture. J. Plant Nutr. 31:527-538.
Urrestarazu, M., L. Borges., S. Burés, and J.E. Álvaro. 2013. Response of Lime Thyme
to Salinity and Ionic Concentration in Nutrient Solution. J. Plant Nutr. 36:562-
565.
Van Noordwijk, M. 1978. Zout ophoping en beworteling bij de teelt van tomaten op
steenwol (in Dutch , with a summary: Distribution of salts and root development
Isidro Morales García Tesis Doctoral: Mejoras en los sistemas de fertirrigación de hortalizas y
ornamentales en cultivos sin suelo
138
in the culture of tomatoes on rock wool). Rapport 3-78, Instituut voor
Bodemvruchtbaarheid, Haren, The Netherlands, 21 p.
Van Noordwijk, M. and P.AC. Raats. 1980. Drip and drainage systems for rockwool
cultures in relation to accumulation and leaching of salts. Proceedings Fifth
International Congress on Soilless Culture, Wageningen, The Netherlands, p.
279-287.
Van Noordwijk, M. and P.A.C. Raats. 1981. Zoutophoping en -uitspoeling in
samenhang met het druppelsysteem bij de teelt op steenwol (in Dutch, with a
summary: The influence of the drip system upon accumulation and leaching of
salts in rockwool cultures). Rapport 9-81, Instituut voor Bodemvruchtbaarheid,
Haren, The Netherlands, 37 p.
Isidro Morales García Tesis Doctoral: Mejoras en los sistemas de fertirrigación de hortalizas y
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139
Chapter 3. Contribution of thermal imaging to fertigation in soilless
culture
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140
ABSTRACT Thermography is a tool used in many scientific disciplines,
including agriculture. This paper describes the application of thermography as a rapid
diagnostic method of adequate watering. Two experiments were conducted. In
experiment 1, Philodendron erubescens and Anthurium andraeum were transplanted to
pots in a greenhouse in Almeria (Spain). The vegetative growth parameters of these
plants were measured. In experiment 2, two areas of vegetative cover were established
on green walls: one with a combination of aromatic plants and another with ornamental
indoor plants. The thermographic images were recorded using a compact infrared
camera, which had a spectral infrared range of 7.3-13 µm, microbolometer of 320 240
pixels, and the spatial resolution was 0.01 ºC at 30 ºC. Three irrigation treatments were
applied in both experiments, consisting of a control treatment (CT), a deficit irrigation
(1/3 less volume, DI) treatment, and an excess irrigation (1/3 greater volume, EI)
treatment. In both experiments, the sample temperatures were recorded by
thermography for each irrigation treatment. In experiment 1, the vegetative growth
parameters were greater under CT than under DI or EI. The data of the reference
thermographs over the leaves of the potted plants were significantly correlated with the
superior growth parameters under the optimal irrigation treatment. A continuous
vegetative canopy was formed on both of the green walls in Experiment 2, and the
average temperatures were correlated with the irrigation treatments in this experiment.
The temperatures reflected in the reference thermographs allowed for the determination
of the most appropriate irrigation treatment. These results suggest that thermography
can be a useful method to provide an early diagnosis of water stress in potted plants and
green walls.
Keywords green wall thermography thermometry sensor techniques fertigation
noninvasive monitoring
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141
Introduction
Infrared thermography is used in many fields of science [1] and technology [2],
including agriculture and horticulture [3-8] and plant physiology [9, 10]. The
technology can be utilized specifically to monitor the efficiency of water resource use
for both field applications [11] and potted plants in a soilless culture [12, 13]. The leaf
temperature of plants is the result of both external and internal (physiological) factors. A
correlation exists between leaf temperature and water status, as water is the primary
source of infrared absorption in plant tissue [14]. The relationship between leaf
transpiration and crop water stress is well-established [15]. Transpiration is regulated by
a stomatal feedback control mechanism, which is in turn influenced by water deficits
[12, 16]; due to the negative correlation between transpiration rate and leaf temperature,
digital infrared thermography allows for the non-invasive monitoring and indirect
visualization of potential stress. Several previous studies have employed digital infrared
thermography in horticulture for disease control [17-22], but relatively few studies have
proposed the use of thermography for the early diagnosis of issues with a fertigation
distribution system [12], water stress [8], or salt tolerance in crops [13, 23].
A real need exists for sensitive, easy, economic, and robust techniques for the
detection of water and other plant stresses, especially before these stresses manifest as
crop damage.
The present work investigates the potential of infrared thermography as a tool for
fertigation. The study evaluates the capability of infrared thermography as an early,
rapid, and simple method for diagnosing the volume of fertigation by soilless culture
under pot and green wall conditions.
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142
Materials and methods
Experiment 1
Crop
The experiment started on 25 February 2013 in a greenhouse at the University of
Almeria (Almeria, Spain). Seedlings (65 days old) of philodendron (Philodendron
erubescens K. Koch & Augustin cv. Imperial red) and anthurium (Anthurium
andraeanum Linden Ex André) were transplanted to 0.5 L pots filled with a mixture of
peat and coir fiber (1:2 vol:vol). Each pot (crop unit) was fertigated with a standard
nutrient solution [24] for 90 days to anthurium and syngonium, using a self-
compensating, non-draining dripper with a flow rate of either 2, 3, or 4 L h-1
. For all
treatments, new fertigation was supplied whenever a pot had absorbed between 10 and
20% of the easily available water, as determined from the control treatment [25, 26].
The flow rate of the control treatment (CT) was 3 L h-1
, while the flow rate for the
deficient irrigation (DI) treatment was 2 L h-1
, with a fertigation volume 1/3 less than
the CT. The flow rate for the excess irrigation (EI) treatment was 4 L h-1
, with a
fertigation volume 1/3 more than the CT.
Thermometric measures
The thermographic images were recorded using a compact infrared camera, the
Fluke® Ti32 Thermal Imaging Scanner (Janesville, WI, USA), which has a spectral
infrared range of 7.3-13 µm, a temperature range of –40 to +600 ºC, and an accuracy of
2%. The detector was a focal plane array (an uncooled microbolometer of 320 240
pixels), and the field of view was 20º, with a minimal focus distance of 0.3 m. The
spatial resolution was 0.01 ºC at 30 ºC. The emissivity was 0.95. The thermal
measurements were obtained at midday according to the methods of Inagaki and Nachit
[5] and Fernández-Bregón et al. [12]. The measurements were taken from leaves on half
of the stem at a constant, predetermined orientation and position in the plant (Fig. 1D)
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143
from an approximately 3 - 5 cm2
area, in agreement with the criteria of Urrestarazu [13]
(Fig. 1B). The lens was perpendicular to leave surface. A thermographic image was
taken from each plant in each of the three treatments at the same time (Fig. 1-4).
Fig. 1 A is a thermograph of the three irrigation volumes, where CT is the control, DI
has 1/3 less irrigation, and EI has 1/3 more irrigation. Dripper irrigation occurs at flow
rates of 2, 3 and 4 L h-1
, respectively, in each pot. B. Thermographic measurement of
the average (Avg), minimum (Min) and maximum (Max) temperatures of a
representative leaf area. C. Thermographic data of a pot with the same irrigation
volume. D is the reference photograph
Thermometric analysis
The camera used in this study is supported by the software package SmartView
3.2™ Researcher Pro (Fluke Thermography, Plymouth, MN, USA) and a Microsoft
Windows XP platform, which offers analytical functions including point temperatures,
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144
profiles, histograms, isotherms, and the determination of the maximum temperature in
the image (Fig. 1-4).
Growth parameters
Ninety days after the transplant, the plants from each treatment and repetition were
divided into roots, stems, and leaves. After the measurement of the fresh mass for each
portion, the dry mass of the roots, stems and leaves were determined after drying at 85
ºC until reaching a constant mass (Table 1).
Experimental design and statistical analysis
Four replicates were used for each measurement and treatment. The experiment was
conducted using a completely randomized design with 8 pots in replicates for each
treatment.
A Tukey’s multiple range test at P ≤ 0.05 was used to differentiate the means.
The experimental design and data analysis were based on the procedure described by
Little and Hills [27]. A Statgraphics R_Plus 5.0 statistical package was used to process
the data [28].
Experiment 2
A second experiment conducted on a green wall under similar conditions in relation to
thermal measurement system and stadistical processing of the data as experiment 1. The
experiment was conducted at the University of Almeria (Almeria, Spain). A wall 2.5 m
high and 3.5 m long was built with concrete blocks. Each block was made of precast
concrete and measured 200 mm high by 190 mm wide by 400 mm long.
Green wall
Two types of vegetative cover were established on the concrete block wall: an aromatic
plant cover on the south face and an indoor ornamental plant cover on the north face.
Isidro Morales García Tesis Doctoral: Mejoras en los sistemas de fertirrigación de hortalizas y
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145
The covering consisted of modular vegetative units (CMU) measuring 600 mm long,
400 mm high, and 100 mm wide that were fastened to the concrete wall by metal
anchors, as in the methods of Urrestarazu and Burés [29] (Fig. 2).
Fig. 2 A is a reference thermograph, B is a thermograph of a vegetative wall of aromatic
plants, and C is a photograph of a wall of aromatic plants. a, b and c are the spaces that
occupy three of the cultivated modular units covering the vegetative wall; d, e and f are
the areas used to measure thermograph temperatures for each treatment (2,3 and 4 Lh-1
drippers). D is a reference thermograph where irrigation was stopped for three days in
one cultivated modular unit, bottom center (g). The numbers represent the average
temperature of the respective boxes. E is a thermograph and F is a reference photograph
of a vegetative wall of ornamental indoor plants
This experiment was conducted according to Fernández-Bregón et al. [30]. The
cultivated CMUs consisted of a combination of 6 or 10 species of aromatic and indoor
plants, respectively.
Indoor plants:
- Philodendron erubescens K.Koch & Augustin cv. Imperial red
- Ficus benjamina L. cv. Exotica
- Nephrolepis cordata Hort.
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146
- Nephrolepis cordifolia (L.) C. Prel cv. Duffii
- Nephrolepis biserrata (Sw.) Schott. cv. Macho
- Nephrolepis exaltata (L.) Schott cv. Montana
- Nephrolepis exaltata (L.) Schott cv. Ariana
- Nephrolepis exaltata (L.) Schott cv. Teddy Junior
- Dryopteris erythrosora (D. C. Eaton) Kuntze
- Syngonium podophyllum Schott cv. Robusta
Aromatic plants:
- Helichrysum thianschanicum L.
- Salvia officinalis L.
- Lavandula angustifolia Mill.
- Lavandula stoechas L.
- Rosmarinus officinalis L.
- Thymus vulgaris L.
The plants were distributed in the CMU based on aesthetic criteria; when the plants
were fully developed, the plant cover was continuous, and it was not possible to identify
the specific position of each CMU (Fig. 2C). Therefore, when considering an area larger
than that of a CMU, the analysis included several of the species, as seen in Fig. 2B and
2C.
The CMUs were grown in a greenhouse and transported to the test location for
installation on the wall. These plants provided 100% CMU coverage and an average
canopy height of 250 mm. The CMUs were allowed to acclimate in this location for
four weeks before the thermal measurements were taken.
Each CMU on the green wall was considered as an independent fertigation
circuit for the quantification of the input (irrigation) and output (drainage) volumes [29].
The fertigation for each CMU was supplied by one non-draining dripper with a flow
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147
rate of either 2, 3, or 4 L h-1, in correspondence with the treatments of experiment 1. The
treatments were vertically distributed as columns of CMUs in the middle of the green
wall (Fig. 2B), and each column of CMUs was fertigated by one dripper with a flow rate
of either 2, 3, or 4 L h-1
.
Thermometric measures
The thermographic images were recorded in a similar fashion to those of
experiment 1. The thermographs were recorded (three replicates per wall type) when
there was a continuous vegetative layer in which the CMUs could not be identified
individually (Fig. 2C and 2F). An area larger than a group of three CMUs was measured
for each treatment (Fig. 2B and 2E).
The rest of the parameters and methods were similar to those of experiment 1.
Results and discussion
Experiment 1
Almost all of the growth parameters evaluated in the two crops were significantly
affected by the irrigation volume (Table 1). The philodendron was affected in all of its
growth parameters. The deficient irrigation (DI) treatment led to a greater than 15%
reduction in all parameters (except for stem height) compared to the control (CT).
Conversely, the excess irrigation (EI) treatment did not yield a significant difference for
the fresh and dry mass of the leaves; a lower percentage differences was observed for EI
than for DI between the fresh and dry nass of the shoot. Similar trends were also found
in the anthurium, for which plants under DI had lower growth than those under CT or EI
(except for the fresh nass of the root and the nass of the stem). However, the percentage
differences in anthurium were significantly less compared to those of the philodendron
(5 compared to 15%).
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148
Within each cultivar, means with different letters are significantly different at P ≤ 0.05 by Tukey’s multiple range.
The average transpiration of a leaf is determined by its temperature [15, 31]. A thermograph of several pots (Fig. 1A, Fig. 3) with different
irrigation treatments indicated a wide range of leaf temperatures. This wide temperature range was maintained even when measured on various
leaves of the same plant under the same irrigation treatment (Fig. 1C). However, temperature is closely correlated with the state of available water
from the pot when comparing equally developed leaves with the same spatial orientation towards incident radiation on the same plant [12, 13]. The
thermographs of the philodendron (Fig. 3, Fig. 4A) and the anthurium (Fig. 1B, Fig. 4B) recorded the lower temperature for the highest
transpiration rate, when the irrigation treatment was most appropriate (CT vs. DI and CT vs. EI); this result is consistent with the observations of
Fernández-Bregón et al. [13]. A higher growth reduction between DI and CT for the philodendron, compared to the difference between CT and EI,
was also recorded by the thermograph; the temperature difference between DI and CT was approximately 10 times greater than that recorded
between CT and EI.
Table 1. Parámeters of growth (g plant-1
) as a function of the volume of applied fertigation. TT, DI, and EI its control treatment, 1/3 less, and 1/3
more irrigation, respectively.
Fresh mass Dry mass
Plant Treatment Leaf Stem Shoot Root Total Leaf Stem Shoot Root Total
Philodendron DI 7.95 b 6.93 c 14.39 b 10.92 c 25.31 c 2.67 b 2.47 a 5.04 c 1.18 b 6.22 c
TT 10.79 a 9.67 b 20.46 a 12.75 b 33.21 b 3.41 a 2.48 a 5.89 b 1.36 ab 7.25 b
EI 11.14 a 10.67 a 21.81 a 15.63 a 37.44 a 3.57 a 3.17 b 6.73 a 1.63 a 8.36 a
Anthurium DI 6.50 b 6.82 a 13.32 b 13.67 a 26.99 a 1.22 b 0.93 a 2.10 b 1.15 a 3.25 b
TT 7.14 a 6.92 a 14.06 a 12.86 a 26.92 a 1.28 b 1.03 a 2.44 a 1.12 a 3.56 a
EI 7.31 a 6.57 a 13.88 ab 12.76 a 26.64 b 1.43 a 1.13 a 2.57 a 1.37 a 3.94 a
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Fig. 3. Thermograph corresponding to 2, 3 and 4 L h-1
irrigation flow rates in
Philodendron plants; top, left and right respectively in philodendron and syngonium.
Avg: Average temperature
Under tightly controlled transpiration conditions, such as those employed in this
experiment, the thermograph is closely correlated with the final vegetative growth
results obtained during the crop cycle. Therefore, the thermograph can be a useful tool
for the rapid, sensitive, easy, economic and robust diagnosis of water and other plant
stresses, especially before they manifest as crop damage.
This method was based on measuring only an appropriate leaf fraction under
similar environmental conditions [12, 13]; therefore, the technique avoided the errors in
estimated temperature incurred when infrared thermography includes surfaces other
than the desired area [3, 32].
Experiment 2
The thermographs of the sampled green walls are shown in Fig. 2. The
thermograph sample areas d, e and f (Fig. 2B and 2E) are approximately 1 square meter
and correspond to DI, CT, and EI, respectively. The average temperatures recorded by
the thermographs were similar to the trends shown for the same treatments in
experiment 1. However, the average differences in the temperatures between treatments
4 cm
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compared to the control (DI vs. CT and EI vs. CT) were lower in this experiment, and
the standard error was higher (Fig. 4). The following explanations are offered for the
significant temperature variability recorded on these large vegetative cover areas:
1. Different transpiration rates were recorded for leaves of the same plant; in experiment
1, a temperature difference of up to 5% was recorded between leaves of the same
plant under the same fertigation treatment (Fig. 1C);
2. Temperature variation also exists between the stem and the leaves [13];
3. The vegetative cover includes several species, as it is composed of the sum of the
foliar surfaces of more than 75 plants (with 4 to 10 different species);
4. A temperature gradient existed in the vertical direction that is clearly reflected in the
thermographs in Fig. 1.
Fig. 3. Thermographs corresponding to 2, 3 and 4 L h-1
irrigation flow rates in
Philodendron plants; top, left and right respectively in philodendron and syngonium.
Avg: Average temperature
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151
Thermal images lose some of their power as a diagnostic tool when there is
significant temperature variability in the same thermograph [3,32]. However, images of
a sufficiently large area with complete and continuous vegetative cover can detect the
average temperature variation due to different irrigation treatments. Temperature
variation can be clearly detected (Fig. 2D) by thermal images before withering is
evident, even in a smaller area of 0.34 m2 (one CMU). As a result, thermometry can also
be used on green walls to identify early water stress by non-destructive testing and
remote sensing. Similar results have been reported for the identification of the
uniformity of fertigation by infrared thermography under the soilless culture of pots [12]
and for salinity stress [13].
We suggest that this methodology or other thermal analysis and calorimetry
systems, could be used by similar applications in crop protection and horticulture.
Conclusion
The results of this work suggest that thermography may be a useful diagnostic
method for determining the adequate supply of fertigation to potted plants and aromatic
and ornamental green walls.
Acknowledgements
We would like to thank the Spanish government for its financial assistance through
FEDER AGL-2010-18391.
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152
References
1. Garner DL, Underwood HB, Porter WF. Use of modern infrared thermography for
wildlife population surveys. Environ Manage. 1995;19:233-8.
2. Grinzato E, Cadelano G, Bison P. Moisture map by IR thermography. J Mod Opt.
2010;57:1770-8.
3. Jones HG, Stoll M, Santos T, de Sousa C, Chaves MM, Grant OM. Use of infrared
thermography for monitoring stomatal closure in the yield: application to grapevine.
J Exp Bot. 2002;53:2249-60.
4. Möller M, Alchanatis V, Cohen Y, Meron M, Tsipris J, Naor A, Ostrovsky V, Cohen
S. Use of thermal and visible imagery for estimating crop water status of irrigated
grapevine. J Exp Bot. 2007;58:827-38.
5. Inagaki MN, Nachit MM. Visual monitoring of water deficit stress using infra-red
thermography in wheat. Sydney University Press. 2008.
http://ses.library.usyd.edu.au/bitstream/2123/3452/1/P181.pdf. Accessed 31 Oct
2012.
6. Krapez JC, Olioso A. A combination of temperature, vegetation indexes and albedo,
as obtanined by airborne hyperspectral remote sensing, for the evaluation of soil
moisture. Quant Infrared Thermogr J. 2011;8:187-200.
7. Prado AGS, Evangelista SM, SouzaDe, JR, Matos, JGS, Souza, MAA, Oliveira DA,
Airoldi C. Effect of the irrigation with residual wastewaters on microbial soil activity
of the ornamental flowers (Dahlia pinnata) cultures monitored by isothermal
calorimetry. J Therm Anal Calorim. 2011;106:431-6.
8. Wang F, Omasa K, Xing S, Dong Y. Thermographic analysis of leaf water and
energy information of Japanese spindle and glossy privet trees in low temperature
environment. Ecol. Inform. 2013;16:35-40.
Isidro Morales García Tesis Doctoral: Mejoras en los sistemas de fertirrigación de hortalizas y
ornamentales en cultivos sin suelo
153
9. Pearce RS, Fuller MP. Freezing of barley studied by infrared video thermography.
Plant Physiol. 2001;125:227-240.
10. Glenn DM. Infrared and chlorophyll fluorescence imaging methods for stress
evaluation. HortScience. 2012;47:697-98.
11. Antonucci F, Pallottino F, Costa CF, Rimatori V, Giorgi S, Papetti P, Menesatti P.
Development of a rapid soil water content detection technique using active infrared
thermal methods for in-field applications. Sensors. 2011;11:10114-28.
12. Fernández-Bregón N, Valera D, Urrestarazu M. Uniformity of fertigation as
diagnosed by infrared thermography under soilless culture. J Food Agric Environ.
2013;11:981-98.
13. Urrestarazu M. Infrared thermography used to diagnose the effects of salinity in a
soilless culture. Quant Infrared Thermogr J. 2013;10:1-8.
14. Kümmerlen B, Dauwe S, Schmundt D, Schurr U. Thermography to measure water
relations of plant leaves. In: Jähne B, editor. Handbook of computer vision and
applications, vol. 3. London: Academic Press; 1999. pp. 763-81.
15. Cox LM, Boersma L. Transpiration as a function of soil temperature and soil water
stress. Plant Physiol. 1967;42:550-6.
16. Kumar A, Singh DP, Singh P. Influence of water stress on photosynthesis,
transpiration, water use efficiency and yield of Brassica juncea L. Field Crops Res.
1994;37:95-101.
17. Nilssona HE. Hand-held radiometry and IR-thermography of plant diseases in field
plot experiments. Int J Remote Sens. 1991;12:545-57.
Isidro Morales García Tesis Doctoral: Mejoras en los sistemas de fertirrigación de hortalizas y
ornamentales en cultivos sin suelo
154
18. Chaerle L, Caeneghem WV, Messens E, Lamber H, van Montagu M, van der
Straeten D. Presymptomatic visualization of plant–virus interactions by
thermography. Nat Biotechnol. 1999;17:813-6.
19. Chaerle L, de Boever F, van Montagu M, van der Straeten D. Thermographic
visualization of cell death in tobacco and Arabidopsis. Plant Cell Environ.
2001;24:15-25.
20. Chaerle L, Hagenbeek D, De Bruyne E, Valcke R, van der Straeten D. Thermal and
chlorophyll-fluorescence imaging distinguish plant–pathogen interactions at an early
stage. Plant Cell Physiol. 2004;45:887-96.
21. Oerke EC, Steiner U, Dehne HW, Lindenthal M. Thermal imaging of cucumber
leaves affected by downy mildew and environmental conditions. J Exp Bot.
2006;57:2121-32.
22. Wang M, Ling N, Dong X, Zhu Y, Shen Q, Guo S. Thermographic visualization of
leaf response in cucumber plants infected with the soil-borne pathogen Fusarium
oxysporum f. sp. Cucumerinum. Plant Physiol Biochem. 2012;61:153-61.
23. James RA, Sirault XRR. Infrared thermography in plant phenotyping for salinity
tolerance. Methods Mol Biol. 2012;913:173-89.
24. Sonneveld C, Straver NB. Nutrient solution for vegetables and flowers grown in
water or areas. Voedingspolossingen glastijnbouw 1994;8:1-33.
25. Urrestarazu. 2004. Tratado de cultivo sin suelo. Ed. Mundi-Prensa. P. 914.
26. Urrestarazu M, Guillen C, Mazuela PC, Carrasco G. Wetting agent effect on
physical properties of new and reused rockwool and coconut coir waste. Sci Hortic.
2008;116:104-8.
Isidro Morales García Tesis Doctoral: Mejoras en los sistemas de fertirrigación de hortalizas y
ornamentales en cultivos sin suelo
155
27. Little TM, Hills FG. Métodos estadísticos para la investigación en la agricultura
[Statistical methods for agricultural research]. México: Ed. Trillas; 1987.
28. Statistical Graphics Corp. Statgraphics plus for Windows 5.0. Rockville, MD:
Statistical Graphics Corp.; 2005.
29. Urrestarazu, M, Burés S. Sustainable green walls in architecture. J Food Agric
Environ. 2012;10:792-4.
30. Fernández-Bregón N, Urrestarazu M, Valera DL. Effects of a vertical greenery
system on selected thermal and sound mitigation parameters for indoor building
walls. J Food Agric Environ. 2012;10:1025-7.
31. Inoue Y, Kimball BA, Jackson RD, Pinter PJ, Reginato RJ. Remote estimation of
leaf transpiration rate and based on infrared thermometry. Agric For Meteorol.
1990;51:21-33.
32. Moran MS, Clarke TR, Inoue Y, Vidal A. Estimating crop water deficit using the
relation between surface-air temperature and spectral vegetation index. Remote Sens
Environ. 1994;49:246-63.
Isidro Morales García Tesis Doctoral: Mejoras en los sistemas de fertirrigación de hortalizas y
ornamentales en cultivos sin suelo
157
Chapter 4. Effects of fertigation application duration on the pollution,
water consumption and productivity of soilless vegetable cultures
Sent to the Journal: Journal of Soil and Water Conservation
Abstract: The management of water and nutrient ions, such as nitrate, has been studied
extensively in recent decades. Increasingly efficient models have been developed for the
use of water and nutrients through the automation of fertigation techniques. The
application of a fertigation volume for a duration four times longer than applied on the
control was evaluated. In Almería (Spain), one pepper crop and two tomato crops – with
and without grafting – were grown between October 2013 and June 2014 in a soilless
system with a coir substrate. The effects on root growth, plant growth, production, and
quality were measured. The following parameters for the fertigation of the nutrient
solution and drainage were recorded: % drainage volume, electrical conductivity of the
nutrient solution, pH, and concentration of nitrates and potassium. The absorption of
potassium and nitrate, and the nitrate emissions of the drainages were estimated. The
results showed an increase in the root volume and an improved distribution in the
cultivation unit for the treatment application in the pepper crop. Slowing the applied
fertigation improved the absorption of water and nitrates, and the production in the
ungrafted tomato and pepper crops, while the grafted tomato crop was not affected.
Nitrate emissions were lower in the evaluated treatment of the pepper, and ungrafted
tomato crops. The fruit quality parameters were not affected.
Keywords: grafted tomato—sweet pepper—nitrate emission—electrical conductivity—
water uptake—irrigation time—irrigation flow rate
Isidro Morales García Tesis Doctoral: Mejoras en los sistemas de fertirrigación de hortalizas y
ornamentales en cultivos sin suelo
158
It is estimated that in the Spanish Southeast, there is a soilless surface of
approximately 5,500 ha (13,590.80 acres), (Urrestarazu 2013) that consumes
approximately 500 to 700 L (109.98 to 153.98 gal) of water per square meter each year.
Water use in soilless culture (Massa et al., 2010; Parry et al., 2005) and its efficiency in
production (Patané et al., 2011), the absorption of nutrient ions, such as nitrate and
potassium (Cornillon and Fellahi 1993; Topcu et al., 2007), and the pollution of
nutrients released into the environment, especially that of nitrates (e.g., Gallardo et al.,
2009; Min et al., 2012; Thompson et al., 2013; Urrestarazu et al., 2008a), are widely
studied. In recent decades, many studies have been conducted to improve fertigation
methods for the automation of fertigation systems in soilless cultures (e.g., Cáceres et
al., 2007; Rodríguez et al., 2015; Steidle et al., 2014). Fertigation methods and their
automation are based on the following: (1) the fertigation frequency (f), (2) the
provision of applied volume in every new fertigation (AV), (3) the rate of water
consumption by the crop, which is a function of the daily primary absorption by the
plants, (4) the characteristics of the substrate used, and (5) the fertigation elements used
for the supply of nutrient solutions (Urrestarazu 2004). A large number of these
fertigation methods are based on each new irrigation process being performed when
10% of the easily available water in the substrate has been exhausted plus the volume
necessary to produce between 15% and 25% of the drainage (Volume A, mL m-2
),
which is the leaching fraction (LF) (e.g., Rodríguez et al., 2015). The leaching fraction
usually varies between 0.15 and 0.25, depending on the water quality expressed by the
salinity (e.g., Urrestarazu 2004; Urrestarazu et al., 2005; Urrestarazu et al., 2008b). The
amount provided in each fertigation (AV, mL m-2
) is equal to A + LF.
AV = A + LF
The number (n) of fertigation applications per unit time is the fertigation
frequency (f), which in turn depends on the fertigation demand that the crop requires.
Isidro Morales García Tesis Doctoral: Mejoras en los sistemas de fertirrigación de hortalizas y
ornamentales en cultivos sin suelo
159
The time (t, in min) required to supply the AV amount (volume delivered per unit area,
mL m-2
) will depend on the available fertigation system and is variable; it is a
predetermined value in all fertigation applications. We will consider ti the time in
minutes between two consecutive irrigations. The time at which the fertigation
infrastructure supplies an AV volume is t, while in this study, a device was determined
that transforms t to a value that is four times greater (td, in min).
td = 4 * t.
The time td must be less than ti for the supply of fertigation to be equal in both
treatments and to not overlap.
The values of electrical conductivity (EC), pH, and leaching fraction LF in
fertigation drainages are frequently used parameters for the practical control of soilless
systems (e.g., Hayward and Long, 1943; Gorbe and Calatayud, 2010; Urrestarazu et al.,
2008b).
No information is available on the effect of the time of application of a
fertigation volume given to a crop compared to the standard time of a fertigation based
on the elements used in each fertigation installation, i.e., the emission duration to
deliver the AV volume. This would not change the delivered volume but would affect
the time that the roots are subject to a lower matric potential for a given time and, thus,
the energy required for water absorption.
Of note, the improvement of the spatial distribution of fertigation in the
cultivation unit in turn improves the production (Morales and Urrestarazu 2013). This
increase in production is due to better utilisation of the substrate unit volume causing
improved availability of water and nutrients (Robinson 1994), which results in increased
root growth. By occupying a greater volume, the roots can access better
physicochemical conditions that are distributed unevenly, depending on the fertigation
method (De Rijk and Schrevens 1998; Sonneveld and Voogt 1990).
Isidro Morales García Tesis Doctoral: Mejoras en los sistemas de fertirrigación de hortalizas y
ornamentales en cultivos sin suelo
160
The aim of the present study was to evaluate the effect of time on the application
of a fertigation volume on the parameters of fertigation, water consumption, emission of
pollutants, root distribution, and production of a pepper and tomato crop in a soilless
culture system.
Abbreviations and concepts used
AV = Volume (mL) delivered in each fertigation.
A = Volume consumed (mL m-2
) by the crop that corresponds to 10% of the readily
available water consumed by the crop and must be replaced in cultivation units.
LF = Proposed leaching fraction. Generally varies between 0.1 and 0.5.
n = Number of fertigation applications.
f = Frequency of fertigation applications. Number of fertigation applications per
unit time.
t = Time (in min) that a required applied volume (AV) lasts for a given system.
ti = Time (in min) elapsed between the start of two consecutive irrigations.
td = Time added to t (min) by interposing a device that reduces the flow (four times)
the system issues; it is placed between the drip emitter and the cultivation unit.
EC = Electrical conductivity of the nutrient solution.
Materials and methods
Three independent experiments were conducted.
Experiment 1
The pepper cultivation was performed at the facilities of the University of Almeria
(Spain) in a thermic plastic greenhouse (200 µm thick). The culture conditions are
shown in table 1.
Isidro Morales García Tesis Doctoral: Mejoras en los sistemas de fertirrigación de hortalizas y
ornamentales en cultivos sin suelo
161
Treatment
The control treatment (T0) consisted of a standard fertigation lasting 5 min with
self-compensating drippers and 3 L h-1
(0.66 gal h-1
) anti-drain valves. The evaluated
treatment (T1) consisted of a simple container with a labyrinthine output similar to
those used in multiple manifolds from a dripper (Morales et al., 2014) that increased the
time during which fertigation was incorporated into the cultivation unit by four times
(figure 1).
Figure 1. Fertigation hydrograph. The solid blue line is the control treatment (T0). The
dashed red line is the evaluated treatment (T1), which extended the fertigation duration
by four times. Right Bars indicate total volume of fertigation to each watering.
Fertigation conditions and fertigation sampling
For each treatment, one fertigation control was established consisting of a control
dripper and a drain pan that served as points of measurement for the monitoring of the
supplied fertigation and its absorption response. In these locations, the volume of the
nutrient solution and the pH, and EC of the fertigation input and the drainage were
measured on a daily basis. These feedback data supplied the fertigation scheduling
program. An automatic system to measure the volume of drainage was used, as reported
by Rodríguez et al. (2015).
50
100
150
200
250
0
10
20
30
40
50
60
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24
mL
wa
teri
ng
-1 d
rip
per
-1
mL
min
ute
-1 d
rip
per
-1
Minute
T0
Isidro Morales García Tesis Doctoral: Mejoras en los sistemas de fertirrigación de hortalizas y
ornamentales en cultivos sin suelo
162
Each new irrigation process was performed when 10% of the readily available
water in the substrate had been exhausted plus the volume necessary to produce
between 15% and 25% of the drainage (Urrestarazu 2004; Urrestarazu et al., 2005,
2008a). The duration of each irrigation process was selected by adjusting the volume to
be supplied to each cultivation unit depending on the substrate water release curve
obtained of the substrate (Morales and Urrestarazu 2013). The cultivation unit was a
Pelemix GB1002410 coir grow bag (100 x 25 x 10 cm, L x H x W), (39.37 x 9.84 x
3.93 in, L x H x W) with a cultivation volume of 25 L (5.5 gal). The nutrient solution
used was recommended by Sonneveld and Straver (1994). Three drippers were used per
cultivation unit.
The nitrate and potassium content in the drainage was measured weekly by ion
chromatography (Urrestarazu et al., 2008b). With the concentration and volume of the
drained fertigation, the absorption of nitrates, and potassium was quantified in mmol m-2
and their emissions were quantified in g m-2
.
During the first month of cultivation, the nitrate and potassium content of the
drainages from daily fertigation were continuously monitored. The data are shown in
figure 2.
Isidro Morales García Tesis Doctoral: Mejoras en los sistemas de fertirrigación de hortalizas y
ornamentales en cultivos sin suelo
163
Figure 2. Nitrate (top) and potassium (bottom) content in the drainages of the pepper
crop. The solid blue line is the control treatment (T0). The dashed red line is the
evaluated treatment (T1), which extended the fertigation duration by four times. Right
Bars indicate mean values.
Vegetative growth and harvest sampling
From the beginning of the harvest, the culture was sampled weekly. From each
harvest, a subsample of three pepper fruits was used to make a homogenised solution to
measure the total soluble solids (expressed as ºBrix), which were measured with a
digital hand-held refractometer (manufactured for Atago PAL-1). After the peppers
were dried in a forced air oven at 85°C (185ºF) for 72 h, the dry matter mass was
obtained by weighing three peppers to an accuracy of 0.01 g (2.2X10-5
lb).
For each treatment, at the end of cultivation, four complete cultivation units per
treatment were sampled. The fresh weights of the roots, stem, and leaves for each
cultivation unit were measured. Subsequently, the dry weights were quantified for each
0
100
200
300
400
500
600
700
0
100
200
300
400
500
600
700
800
0 10 20 30 40 50 60
mg
L-1
0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
0 10 20 30 40 50 60
mg
L-1
Minute T0 T1
T0
T1
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ornamentales en cultivos sin suelo
164
sample using the same procedure as for the fruits.
Furthermore, to calculate the harvest index during deleafing for pruning formation
and tutored management, the dry and fresh weights of the discarded plant material were
quantified. The harvest index was calculated by dividing the dry fruit weight by the dry
weight of the whole plant.
Consistent sampling was performed from the roots of the bags of each treatment
to extract a cylinder of 3.5 cm (1.38 in) diameter and 20 cm (7.87 in) long perpendicular
to the cultivation unit and at 3 cm from the last location of the pick of the dripper. This
substrate volume was divided into three sections depending on the depth of the
container (figure 3). These measurements were performed in duplicate. The separation
of the roots from the substrate was manually performed, aided by the colour difference
between the substrate and the root. Only roots with diameters less than 1 mm were
considered. The root surface area was measured using our image analysis program,
expressing the results in cm2
of the roots, with cm-3
of the substrate as an uptake unit
from root.
Figure 3. Sampling distribution scheme of the roots in a pepper crop as a function of
the position of drippers and drainage points in the cultivation unit.
Isidro Morales García Tesis Doctoral: Mejoras en los sistemas de fertirrigación de hortalizas y
ornamentales en cultivos sin suelo
165
Experiment 2
The harvest of individual fruits was performed on a weekly basis for tomatoes in
the state of maturity corresponding to a uniform red colour of the tomato skin. The
tomatoes were sized according to their equatorial diameter and the prevailing
commercial fruit category (DO 2000).
In the samples of the tomato fruits, the juice pH and EC were also measured.
The other culture parameters were the same as experiment 1. Sampling of the
roots was not considered.
Experiment 3
Experiment 3 was similar to experiments 1 and 2, but the application period of the
treatment lasted only two months during the period of full production (table 1).
For this experiment 2 and 3 vegetative growth did not recorded.
Table 1. Experimental crop parameters.
Date
Experiment Crop Plant m-2
Transplant Start harvest Final crop
1
Sweet pepper cv. Padua
F1 2 10/14/2013 01/10/2014 05/16/2014
2 Tomato cv. Zynac F1
rootstock with graft
Maxifort 1 02/18/2014 04/22/2014 05/26/2014
3 Tomato cv. Caniles F1 1.8 08/20/2013 02/05/2014* 04/01/2014
Note: *Also indicates the date that the treatment was applied for this experiment.
Experimental design and statistical analysis
The experiments were all conducted using a split-plot design (Little and Hill
1987; Petersen 1994) with four plot blocks. Analysis of variance and the corresponding
Isidro Morales García Tesis Doctoral: Mejoras en los sistemas de fertirrigación de hortalizas y
ornamentales en cultivos sin suelo
166
separation of mean values were performed accordingly. The mathematical treatment of
the data was performed using Statgraphics Centurion® 16.1.15 and Microsoft Office
2010. The experimental unit consisted of three coir grow bags. Student’s t-test was used
to calculate the mean separation of the values obtained from the treatment.
Results and discussion
Effect on water consumption, other fertigation parameters and polluting
emissions to the environment
Figure 4 shows drainage hydrographs of experiments 1 and 2. In both cases, there
was delayed output of drainages from the evaluated treatment relative to the control.
However, for the peppers, the hydrographs of both treatments lasted a similar time,
while for the tomatoes, the drainage time of the control was much lower.
Isidro Morales García Tesis Doctoral: Mejoras en los sistemas de fertirrigación de hortalizas y
ornamentales en cultivos sin suelo
167
Figure 4. Fertigation drainage hydrographs. The solid blue line is the control treatment
(T0). The dashed red line is the evaluated treatment (T1), which extended the duration
of the fertigation by four times. The mean values obtained by averaging 4 different
drainages during the first month at different dates of pepper (top) and grafted tomato
(bottom) cultivation.
Figure 2 shows the nitrate and potassium contents of the drainages of the pepper
crop; a much lower proportion for both was observed in T1. The concentration
distribution was very similar throughout the drainage, suggesting that any samples taken
diagnose the nutritional status of the crop.
0
50
100
150
200
250
300
350
400
450
0
20
40
60
80
100
120
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70
mL
w
ate
rin
g c
ult
ure
ba
g-1
mL
c
ult
ure
ba
g-1
0
50
100
150
200
250
300
0
10
20
30
40
50
60
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45
mL
w
ate
rin
g c
ult
ure
ba
g-1
mL
cu
ltu
re b
ag
-1
Minute
T0
T1
T0 T1
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ornamentales en cultivos sin suelo
168
Table 2 shows the most significant parameters for controlling fertigation: the % drained volume and the pH, and EC of the nutrient
solution. In absolute values, they were similar to those recorded by Urrestarazu et al. (2008b) in similar circumstances in soilless culture in rock
wool and coir. No significant differences were observed, excep for the drainage percentage in the pepper crop, where a lower value was recorded
for the treatment that quadrupled the time during which fertigation was delivered.
Table 2. Absorption and release of a nutrient solution into the environment of the coir culture as a function of the time used to provide the same
volume of fertigation.
Uptake Emission
Drainage (%) pH EC (dS·m–1) Water (L·m-2) NO3- (mol·m-2) K+ (mol·m-2) NO3
- (g·m-2)
Experim
ent T0 T1 T0 T1 T0 T1 T0 T1 T0 T1 T0 T1 T0 T1
1. Sweet
pepper 43.26 39.01* 7.16 7.26ns 3.29 3.30ns 361.14 388.12* 4.51 4.76* 1.76 1.96* 99.23 83.78*
2. Grafted
tomato 14.61 12.56ns 7.46 7.27ns 3.91 4.09ns 126.90 127.57ns 0.90 0.90ns 0.52 0.52ns 7.08 6.83ns
3. Ungrafted
tomato 60.38 58.01ns 7.39 7.55ns 3.60 3.77ns 60.26 65.02* 0.30 0.36* 0.37 0.28* 72.72 69.02**
Notes: T0 = control treatment, T1 = quadrupled delivery time of fertigation to the cultivation unit. *, **, and ns mean significant differences at
P ≤ 0.05 and P ≤ 0.01 and differences that are not significant, respectively.
Isidro Morales García Tesis Doctoral: Mejoras en los sistemas de fertirrigación de hortalizas y
ornamentales en cultivos sin suelo
169
Increased water absorptions of 7% and 8% were recorded for the pepper and
ungrafted tomato crops, respectively, favouring treatment T1. These data can be
justified by the fact that a lower matric potential is maintained in the substrate for a
longer period of time, and consequently, a lower suction pressure is required to absorb
water. In experiment 2 (grafted tomato), increased water absorption was not recorded.
This is most likely due to the vigour of the rootstock (e.g., Fernández-García et al.,
2002; Lee 1994; Lee and Oda 2003; Schwarz et al., 2010), which may offset the benefit
of absorbing water at lower suction pressures (Urrestarazu et al., 2008a).
Nitrate uptake had a very similar trend to that of water, increasing by 7% and 20%
in treatment T1 for the pepper and ungrafted tomato crops, respectively. Potassium had
no clear behaviour for treatment T1. For the ungrafted tomato crop, it was reduced by
11%; however, it had no significant effect for the grafted tomato crop.
Nitrate emission into the environment was markedly reduced by 16% and 5% in
the pepper and ungrafted tomato crops, respectively. The effect of the treatment on the
grafted tomato was not significant.
These results are consistent with the known facts that improving the root
conditions improves the absorption of water and nutrient ions (such as nitrates and
potassium), as reported for the soilless tomato culture when improving the temperature
of the roots (e.g., Cornillon and Fellahi 1993; Urrestarazu et al., 2008b) or the
oxygenation (e.g., Ityel et al., 2014; Urrestarazu and Mazuela 2005).
Effect on the distribution of roots and vegetative growth
The importance of the quantity and distribution of the roots inside of the
cultivation unit is well known. This depends on the relative position of the drippers with
respect to drainage points and other fertigation parameters as was reported on tomato
crop (De Rijk and Schrevens 1998; Van Noordwijk and Raats 1980), such as the type of
Isidro Morales García Tesis Doctoral: Mejoras en los sistemas de fertirrigación de hortalizas y
ornamentales en cultivos sin suelo
170
substrate (rock wool vs. coir) (Cano 2001). When the proportion of roots at various
depths was measured according to the treatments used, a large significant difference
was found (figure 5). A greater root absorption surface was recorded throughout the
cultivation unit around the dripper in treatment T1. In addition, better distribution of the
root absorption surface was also recorded in the upper layers of the substrate. It has also
been demonstrated that better a distribution of fertigation from the dripper increases the
productivity of the tomato crop in coir cultivation units (Morales and Urrestarazu 2013).
Figure 5. Sweet pepper root distribution in the vertical section of a coir soilless
cultivation unit near a dripper. *, **, and ns indicate significant differences at P ≤ 0.05
and P ≤ 0.01 and differences that were not significant, respectively. The solid blue line is
the control treatment (T0). The dashed red line is the evaluated treatment (T1), which
extended the fertigation duration by four times. Bars indicate total root surface.
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171
Table 3 shows the vegetative growth and harvest index of the pepper crop. The
root growth showed a significant mean increase (at P ≤ 0.01) of 15% and 20% in
treatment T1 for the fresh and dry roots, respectively. However, only the fresh shoots
were significantly affected by 5% (at P ≤ 0.05).
Table 3. Vegetative growth parameters as a function of the time taken to provide the
same volume of applied fertigation in a pepper crop (g plant-1
).
T0 T1
Root Fresh weight 148.25 175.50**
Dry weight 19.47 26.16**
Shoot Fresh weight 2475.50 2615.40*
Dry weight 252.75 245.46ns
HI 0.48 0.50ns
Notes: T0 = control treatment, T1 = quadrupled delivery time of fertigation to the
cultivation unit. *, **, and ns mean significant differences at P ≤ 0.05 and P ≤ 0.01 and
differences that are not significant, respectively. HI is the harvest index (dry fruit weight
total dry weight-1
).
Effect on production and size
Table 4 shows the production of three crops. In the pepper crop, there was a
significant increase of 11% (at P ≤ 0.01) of the number of fruits, favouring the
treatment. When treatment T1 was applied to ungrafted tomato for only two months,
there was a significant increase in both the total production (11%) and the number of
fruits (5%). These positively correlated results between higher water absorption and
higher production are well known, and data have been collected for examples in studies
such as those by Pulupol et al. (1996) in a tomato crop or by Urrestarazu and Mazuela
(2005) in melon and cucumber crops.
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Table 4. Production and size of the fruits in the coir culture as a function of the time
taken to deliver the same volume of fertigation.
Crop Size kg·m-2
Fruit·m-2
T0 T1 T0 T1
Sweet pepper 6.05 6.22 248 276**
Grafted tomato
GG (> 82 mm) 2.91 3.02ns 9.83 9.54ns
G (67 to 82 mm) 2.31 2.10ns 13.29 12.21ns
M (57 to 67 mm) 1.01 1.01ns 8.58 8.54ns
MM (47 to 57 mm) 0.52 0.50ns 7.08 6.83ns
MMM (40 to 47 mm) 0.02 0.05** 0.54 1.33**
Total 6.78 6.68ns 39.33 38.46ns
Ungrafted tomato
M (57 to 67 mm) 0.42 0.74* 4.28 7.43*
MM (47 to 57 mm) 1.82 2.33ns 22.52 28.72ns
MMM (40 to 47 mm) 2.31 2.08* 41.78 36.15ns
Total 4.55 5.15* 68.58 72.30ns
Notes: T0 = control treatment, T1 = quadrupled delivery time of fertigation to the
cultivation unit. *, **, and ns mean significant differences at P ≤ 0.05 and P ≤ 0.01 and
differences that are not significant, respectively.
When applying the treatment with a slower flow rate, a significant increase in the
production and number of fruits of thicker size (M: 57 to 67 mm) (22.44 to 26.38 in)
were also found at 43% and 42%, respectively. In contrast, in the control treatment,
smaller sized fruits (MMM: 40 to 47 mm) (15.75 to 18.50 in) Increased significantly (at
P < 0.05) by 11% and 15% for the production and the number of fruits, respectively.
This increase in the production of the larger size fruits implies a significant economic
benefit for the farmers, as demonstrated by Morales and Urrestarazu (2013) in their
economic study working with coir and grafted tomato.
Of note, the production and size of the grafted tomato crop was not affected.
Therefore, the benefit of improved water and nutrient absorption caused by treatment
T1 could be offset by the vigour of the rootstock (e.g., Fernández-García et al., 2002;
Lee 1994; Lee and Oda 2003; Schwarz et al., 2010).
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173
Effect on the quality of production
Table 5 shows the quality parameters of fruits of the three crops tested. Of all of
the parameters measured, only the EC of the fruits and the dry matter of the ungrafted
tomato crop showed a significant difference (5%), favouring the control treatment and
longer treatment of applied fertigation, respectively. Except for these two parameters,
all of the other measurements did not show significant differences. Similar results were
obtained by Urrestarazu and Mazuela (2005), who demonstrated that improving the
radical oxygenation benefitted the water absorption and production of melon and
cucumber crops, but no improvement in the quality parameters of the fruits was found.
Similar results were also found by Morales and Urrestarazu (2013) in a grafted tomato
crop in which the root environment was improved with a better distribution of
fertigation.
Table 5. Quality parameters of fruits in the coir culture as a function of the time taken
to deliver the same volume of fertigation.
pH EC (dS m-1
) ° Brix Dry matter (%)
Crop T0 T1 T0 T1 T0 T1 T0 T1
Sweet pepper - - - - 2.56 2.59ns 8.17 7.97ns
Grafted tomato 4.45 4.28ns 4.55 4.60ns 4.55 4.53ns 9.11 8.62ns
Ungrafted tomato 3.97 4.00ns 5.84 5.49* 5.98 5.95ns 7.01 7.30*
Notes: T0 = control treatment, T1 = quadrupled delivery time of fertigation to the
cultivation unit. *, **, and ns mean significant differences at P ≤ 0.05 and P ≤ 0.01 and
differences that are not significant, respectively.
Conclusions
Applying fertigation for a longer time in the pepper crop increased the root growth
by 15% and improved the distribution in the cultivation unit.
The increased duration of fertigation positively affected the water absorption by
7% in the pepper and ungrafted tomato crops.
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174
When the time of fertigation application was increased, the nitrate uptake
improved by 7% and 20% for the pepper and ungrafted tomato crops, respectively. A
consequent reduction in polluting emissions by 16% and 5% was observed for these
crops.
With the slower application of the fertigation volume, the number of fruits in the
pepper crop increased by 11%, while in the tomato crop, the commercial production
improved by 13%.
The distribution of sizes was not affected in the grafted tomato crop, while in the
ungrafted crop, the longer duration of the treatment compared with the control increased
the size of 43% of the fruits, with a consequent positive impact on business profitability.
The most of quality parameters of production were not significant affected by the
treatments in any of the crops.
In the grafted tomato crop, the measured parameters were not affected by
treatment, most likely because the vigour of the grafting technique prevented the
benefits of improving the availability of fertigation from manifesting.
References
Cáceres, R., J. Casadesús, and O. Marfà. 2007. Adaptation of an automatic irrigation-
control tray system for outdoor nurseries. Biosystems Engineering 96:419-425.
Cano, H. 2001. Diseño y evaluación de un sistema de calentamiento de las disolución
nutritiva en cultivo sin suelo [Design and evaluation of a heating system for nutrient
solutions in soilless culture]. Unpublished work, PhD Dissertation, Universidad de
Almería.
Cornillon, P., and A. Fellahi. 1993. Influence of root temperature on potassium nutrition
of tomato plant, In Fragoso . Optimization of Plant Nutrition, ed. M.A.C., M.L. van
Beusichem, 213-217. New York: Kluwer Academic.
Isidro Morales García Tesis Doctoral: Mejoras en los sistemas de fertirrigación de hortalizas y
ornamentales en cultivos sin suelo
175
De Rijk, G., and E. Schrevens. 1998. Distribution of nutrients and water in rockwool
slabs. Scientia Horticulturae 72:277-285.
DO. 2000. Reglamento (CE) No 790/2000 de la Comisión de 14 de abril de 2000 por el
que se establecen las normas de comercialización de los tomates [Regulation (CE)
No 790/2000 of the Commission of 14 April 2000 through which marketing
standards for tomatoes are established]. La Comisión de las Comunidades Europeas.
October 8 2013. Available at: http://www.boe.es/doue/2000/095/L00024-00029.pdf.
Fernández-García, N., V. Martínez, A. Cerda, and M. Carvajal. 2002. Water and
nutrient uptake of grafted tomato plants grown under saline conditions. Journal Plant
Physiology 159:899-905.
Gallardo, M., R.B. Thompson, J.S. Rodríguez, F. Rodríguez, M.D. Fernández, J.A.
Sánchez, and J.J. Magan. 2009. Simulation of transpiration, drainage, N uptake,
nitrate leaching, and N uptake concentration in tomato grown in open substrate.
Agricultural Water Management 96:1773-1784.
Gorbe, E., and A. Calatayud. 2010. Optimization of nutrition in soilless systems: a
review Advances in Botanical Research 53:193-245.
Hayward, H.E., and E.M. Long. 1943. Some effects of sodium salts on the growth of the
tomato. Plant Physiology 184:556-569.
Ityel, E., A. Ben-Gal, M. Silberbush, and N. Lazarovitch. 2014. Increased root zone
oxygen by a capillary barrier is beneficial to bell pepper irrigated with brackish water
in an arid region. Agricultural Water Management 131:108-114.
Lee, J.M. 1994. Cultivation of grafted vegetables. I: current status, grafting methods,
and benefits. HortScience 29:235-239.
Lee, J.M., and M. Oda. 2003. Grafting of herbaceous vegetable and ornamental crops.
Horticultural Review 28:61-124.
Isidro Morales García Tesis Doctoral: Mejoras en los sistemas de fertirrigación de hortalizas y
ornamentales en cultivos sin suelo
176
Little, T.M., and F.J. Hill. 1978. Agricultural experimentation: design and analysis.
New York: Wiley.
Massa, D., L. Incrocci, R. Maggini, G. Carmassi, C.A. Campiotti, and A. Pardossi.
2010. Strategies to decrease water drainage and nitrate emission from soilless
cultures of greenhouse tomato. Agricultural Water Management 97:971-980.
Min, J., H. Zhangb, and W. Shia. 2012. Optimizing nitrogen input to reduce nitrate
leaching loss in greenhouse vegetable production. Agricultural Water Management
111:53-59.
Morales, I., and M. Urrestarazu. 2013. Thermography study of moderate electrical
conductivity and nutrient solution distribution system effects on grafted tomato
soilless culture. HortScience 48:1508-1512.
Parry, M.A.J., J. Flexas, and H. Medrano. 2005. Prospects for crop production under
drought: research priorities and future directions. Annals of Applied Biology
147:211-226.
Patanè, C., S. Tringali, and H. Sortino. 2011. Effects of deficit irrigation on biomass,
yield, water productivity, and fruit quality of processing tomato under semi-arid
Mediterranean climate conditions. Scientia Horticulturae 129:590-596.
Petersen, R.G. 1994. Agricultural field experiments. Marcel Dekker, New York.
Pulupol, L.U., H.M. Behboudian, and K.J. Fisher. 1996. Growth, yield, and postharvest
attributes of glasshouse tomatoes produced under deficit irrigation. HortScience
31:926-928.
Robinson, D. 1994. The responses of plants to non-uniform supplies of nutrients. New
Phytology 127:635-674.
Rodríguez, D., J. Reca, J. Martinez, L. Lopez-Luque, and M. Urrestarazu. 2015.
Development of a new control algorithm for automatic irrigation scheduling in
soilless culture. Applied Mathematics Information Science 9:1-10.
Isidro Morales García Tesis Doctoral: Mejoras en los sistemas de fertirrigación de hortalizas y
ornamentales en cultivos sin suelo
177
Schwarz, D., Y. Rouphael, G. Colla, and J.H. Venema. 2010. Grafting as a tool to
improve tolerance of vegetables to abiotic stresses: thermal stress, water stress, and
organic pollutants. Scientia Horticulturae 127:162-171.
Sonneveld, C., and N. Straver. 1994. Voedingsoplossingen voor groenten en bloemen
geteeld in water of substraten [Nutrient solutions for vegetables and flowers grown in
water or substrates]. 10th ed Proefstation voor Tuinbouw onder Glas, Naaldwijk.
Sonneveld, C., and W. Voogt. 1990. Response of tomatoes Lycopersicon esculentum) to
an unequal distribution of nutrients in the root environment. Plant Soil 124:251-256.
Steidle, AJ., S. Zolnier, and D. De Carvalho. 2014. Development and evaluation of an
automated system for fertigation control in soilless tomato production. Computer
Electronics Agriculture 103:17-25.
Thompson, R.B., M. Gallardo, J.S. Rodríguez, J.A. Sánchez, and J.J. Magán. 2013.
Effect of N uptake concentration on nitrate leaching from tomato grown in free-
draining soilless culture under Mediterranean conditions. Scientia Horticulturae
150:387-398.
Topcu, S., C. Kirda, Y. Dasgan, H. Kaman, M. Cetin, A. Yazici, and M.A. Bacon. 2007.
Yield response and N-fertiliser recovery of tomato grown under deficit irrigation.
European Journal of Agronomy 26:64-70.
Urrestarazu, M. 2004. Tratado de cultivo sin suelo [Treated soilless culture] 3rd ed.,
Madrid: Mundi-Prensa.
Urrestarazu, M. 2013. State of the art and new trends of soilless culture in Spain and in
emerging countries. Acta Horticulturae 1013:305-312.
Urrestarazu, M., C. Guillén, P.C. Mazuela, and G. Carrasco. 2008a. Wetting agent
effect on physical properties of new and reused rockwool and coconut coir waste.
Scientia Horticulturae 116:104-108.
Isidro Morales García Tesis Doctoral: Mejoras en los sistemas de fertirrigación de hortalizas y
ornamentales en cultivos sin suelo
178
Urrestarazu, M., G.A. Martínez, and M.C. Salas. 2005. Almond shell waste: possible
local rockwool substitute in soilless crop culture. Scientia Horticulturae 103:453-460.
Urrestarazu, M., and P.C. Mazuela. 2005. Effect of slow-release oxygen supply by
fertigation on horticultural crops under soilless culture. Scientia Horticulturae
106:484-490.
Urrestarazu, M., M.C. Salas, D. Valera, A. Gómez, and P.C. Mazuela. 2008b. Effects of
heating nutrient solution on water and mineral uptake and early yield of two
cucurbits under soilless culture. Journal Plant Nutrition 31:527-538.
Van Noordwijk, M., and P.A.C. Raats. 1980. Drip and drainage systems for rockwool
cultures in relation to accumulation and leaching of salts. Proceedings of the Fifth
International Congress on Soilless Culture. Wageningen, 1980, 279-
287. International Society for Soilless Culture.
Wamser, A F., I. Morales, J.E. Álvaro, and M. Urrestarazu. 2014. The effect of drip
flow rate with multiple manifolds on the homogeneity of the delivered volume.
Journal of Irrigation and Drainage Engineering (In press).