En la Epidermis de las hojas de tomate se desarrolla un tipo especial de células, llamadas tricomas (pelos), que pueden ser lineales y absorbentes. Pueden ser además unicelulares y pluricelulares, fibrosos o jugosos, largos o cortos, abundantes o escasos, glandulares, urticantes. Esta diversidad le confiere importantes respuestas fisiológicas, como la de reducir la transpiración, mejorar la dispersión de la luz y respuesta del fitocromo, reducir el daño por exceso, atraer o repeler el ataque de insectos y microorganismos, mediante la liberación de un complejo de compuestos volátiles orgánicos, principalmente terpenos.
La densidad de estos tricomas o pelos en la epidermis de las hojas es afectada por la disponibilidad del nutriente mineral silicio (Si), el radio de temperatura diurna/nocturna y el fotoperiodo, ocurriendo una mejor densidad de 1,200 tricomas cm2 a una temperatura de 25º C día/ 20º C noche y una cantidad de 16-18 horas de iluminación. Condiciones mayores o menores reducen la densidad en un 30 a 50%.
Es importante mencionar que la epidermis de tallos, flores y frutos también tienen tricomas y es posible que estos controlen las transpiración a través de crear una capa de células altamente humectada. En la Figura 1 se muestra la estructura típica de tricomas presentes en hoja y flores.
Otro tipo de estructuras que apoyan la resistencia al estrés ambiental, son los fitolitos, estructuras sólidas ricas en silicio en la forma de cuarzo (S1O2), las cuales pueden cubrir el 50%-60% de la epidermis, reduciendo la perdida de agua por transpiración, limitando el ataque de insectos y mejorando la asimilación de luz.
En la fotografía de la Figura 2 se muestran fotolitos que se producen en la hoja de maíz.
También en la epidermis de las hojas ocurre otro tipo de células, los estomas, con la función vital del intercambio gaseoso con el medio ambiente. En las hojas de tomate es posible encontrar, 12 estomas mm2 y 130 estomas mm2 en el haz y envés, respectivamente y tienen un tamaño de 13 x 6 µm, permitiendo una respuesta fisiológica caracterizada por una transpiración de 4.60 mmol H2O m-2 s-1 (83 mg H20 m-2 s-1), y una asimilación de bióxido de carbono (CO2) de 16.70 mmol m-2 s-1 (736 mg CO2 m-2 s-1), para una eficiencia del uso del agua de 3.73 mmol CO2 mmol H2O-1 y una producción de 16.9 kg m-2.
La actividad y densidad de los estomas también es afectada por la disponibilidad, en cantidad, oportunidad y calidad de luz solar, agua, nutrientes minerales, potasio (K) y Silicio, y CO2. Normalmente cuando se aportan atmósferas enriquecidas con CO2 (1,000 ppm) a la canopia del cultivo de tomate la densidad de estomas se reduce en 15% y la transpiración en 25% y la eficiencia en el uso del agua se incrementa en 30% (CO2 kg/H2O kg), mientras que la actividad fotosintética o asimilación de CO2 se incrementa de 1.8 a 3.2 g CO2 m-2 de hoja h-1, en condiciones de máxima radiación solar.
A manera de resumen se muestra en las Figuras 3 y 4, la respuesta fisiológica de la hoja a la radiación solar y al enriquecimiento atmosférico con CO2. Aquí también es importante resaltar que el numero de cloroplastos de célula fotosintética varia de 10 a mas de 50, esto dependiendo de la nutrición mineral básicamente de microelementos.
La fertilización lumínica y carbónica
Tomando como base los antecedentes arriba mencionados, se propone la fertilización lumínica y carbónica, como herramientas para mejorar la producción de cosechas en volumen y calidad sanitaria y alimenticia. Las técnicas que se proponen permiten dar valor agregado a los materiales empleados en el cultivo de hortalizas bajo invernadero. Las propuestas tienen como base la amplia respuesta fisiológica y productiva de la planta de tomate (Lycopersicum esculentum). Basta mostrar que es posible producir desde 100 a 700 toneladas por hectárea (t/ha) de tomate en condiciones de cultivo bajo invernadero, aunque experiencias exitosas, realizadas en Japón, muestran que es posible lograr cosechas de 1,000 t/ha. La mejor producción se logra cuando es posible estimular las respuestas fisiológicas de la planta, aunque muchas de ellas no se conocen bien.
En el cuadro 1 se ilustra la producción obtenida bajo diferentes condiciones de cultivo y país. En México, la producción en cultivo tradicional a cielo abierto de promedio es de 28 t/ha, mientras que cuando se aplican el riesgo por goteo y acolchado de suelos con películas plásticas el promedio es de 55 t/ha, y en invernadero con manejo hidropónico la producción esta por debajo de las 200 t/ha. La producción reportada para el cultivo en invernadero en los Estados Unidos, Canadá y Holanda superan en más de doble esta producción. Esto indica una gran demanda de tecnología especifica para las condiciones de climáticas actuales y las mas de 1,500 hectáreas cultivadas actualmente en todo el país.
Los invernaderos se han construido con diferentes formas, destacando los semicirculares con ventilación cenital fija y abatible, y lateral. Los materiales aplicados en las estructuras son de madera, bambú, tubular-metálico.
Por otro lado, también los materiales aplicados en la cubierta son diversos, películas plásticas de polietileno con y sin aditivos térmicos y difusores de luz, y en su diseño no se aplican variables medibles como el flujo de masa de aire (déficit de presión de vapor, recambio de CO2) y energía (intercambio de calor por conducción y convección, radiación solar, directa, difusa). También deben medirse las respuestas fisiológicas del cultivo, como las arriba descritas. Aunque se debe reconocer que pese a esto, se tienen ejemplos de éxito.
En la Figura 5 se muestra un ejemplo del balance de energía que debe considerarse en el diseño de la tecnología de invernadero para la producción de hortalizas. Figura 5.
Fertilización lumínica
Aquí, ahora destacamos la fertilización lumínica, donde es importante aportar cantidad y calidad de radiación solar, en especial la radiación del espectro visible de longitud de onda (k) entre 400 y 700 nm, donde ocurre la mejor respuesta fisiológica de las hojas para la asimilación de CO2, por lo que se conoce como radiación fotosintéticamente activa (PAR, por sus siglas en inglés). De esta radiación en un día claro sin nubes, al medio día es posible recibir 2,000 µmol m-2 s-1 y se ha demostrado que fisiológicamente los cultivos como tomate y pepino se saturan a una radiación PAR por arriba de 1000 µmol m-2 s-1, por lo que de la radiación solar PAR máxima se aprovecha el 50-60%. Algunos cultivos como la lechuga se saturan a más de 350 µmol m-2 s-1, por lo que se pueden cultivar con solo aplicar radiación artificial. (Figura 6).
Lo anterior, permite considerar, de manera general, que los materiales empleados en la cubierta de invernaderos no deben ser totalmente transparentes a PAR, Por ello en las películas de polietileno, se adicionan aditivos sólidos, en tamaño manometrito, para generar sombra de 10 a 25%. Algunos de estos materiales son el óxido de titanio (películas blancas) y minerales especiales de silicio o cuarzo (alta difusión de luz, impermeabilidad térmica). También ya se desarrollan películas con permeabilidad selectiva a la radiación infrarroja caliente, fotocromáticas y las que pueden además transformar la energía solar en energía eléctrica.
A nivel de ejemplo se muestra en la Figura 7, donde se observa la respuesta a PAR de películas plásticas producidas por la empresa Summiplast S.A. de C.V. Estas películas son la térmica difusa (TD), diseñada para climas fríos, ya que cuenta con alta impermeabilidad térmica, reduce la entrada y salida de radiación infrarroja caliente y la antitérmica difusa (ATD) para climas calidos donde ocurre una alta intensidad de radiación solar y alta temperatura.
Propiedades de destacar en la película ATD son la permeabilidad selectiva de radiación del infrarrojo cercano, de 1,500 a 2,500 nm esto permite que el calor del suelo, planta y materiales se libere al exterior para que la temperatura del invernadero no se incremente.
Por otro lado, ya que en el clima calido se tienen buena radiación solar de longitud de onda de 400 nm del color azul se transforma en radiación de 630-700 nm, activando el fitocromo activo (Pfr), induciendo la productividad de los cultivos. Así también, la película, dada la mayor concentración de cuarzo manométrico (activo) en su formulación tiene alta difusión de luz y una sombra PAR del 24% con respecto a una película de PE-natural, sin aditivos (ver el cuadro 2).
Fertilización carbónica
Para la fertilización carbónica e invernaderos existen diferentes técnicas. La pasiva que emplea sistemas de ventilación cenital y lateral propios de la estructura del invernadero, para el recambio de aire con el exterior, su limitante, únicamente aporta las concentraciones del ambiente, 300-400 ppm, mismas que durante la mayor actividad fotosintética no tienen la capacidad de mantener las concentraciones optimas mínimas que demanda el cultivo. Figura 8.
Otras técnicas emplean el proceso de combustión de gas LP, petróleo, diesel o combustóleo. Adecuada, cuando los climas son templados o fríos, ya que además de CO2, generan calor, para calentar el aire y/o agua, que se emplean para mantener la temperatura de la canopia del cultivo. Su mayor limitante, que se supera cada vez más con tecnologías donde se aporta aire rico en oxígeno (O2) para mejorar la combustión y limitar la producción de gases CO y NOX, tóxicos para la planta. (Figura 9)
Una limitante para el aire rico en CO2, es su requerimiento de impulso para mantener un flujo constante y distribución homogénea de gas en la canopia del cultivo, lo que implica el empleo de sistemas de ventilación eléctricos.
Otra técnica es el empleo de CO2gas antropogénico, proveniente de procesos industriales de combustión, el cual es purificado (99.9%), concentrado y licuado, para su almacenamiento y/o transporte en pipas. Este gas liquido se mantiene en tanques especiales de 0.15 a 25 toneladas con requerimientos mínimos de refrigeración. Las técnicas se muestran gráficamente en las Figuras 10 y 11.
La fertilización carbónica con CO2gas liquida antropogénico se puede aplicar a todos los cultivos y tipos de invernaderos, con o sin ventilación cenital, en clima calido, templado o frío. Se puede aplicar directo o mezclado con el agua de riego, a través de sistemas de riego con flujo de agua regulado, como las cintas con goteros compensados, el riego de microaspersion (como se muestra en la Figura 10).
La distribución, concentración y flujo de CO2 en el invernadero se puede regular y automatizar eficientemente. La concentración de CO2 se puede mantener constantemente a una concentración de 800 ppm, aunque las experiencias indican que es mejor la aplicación de pulsos para mantener un gradiente de concentración entre 500 y 1000 ppm (como se muestra en la Figura). Esta practica permite un mejor vaciado y llenado de floela, acorde con el flujo de nutrientes minerales, presentes en una solución nutritiva de 2.0-2.5 dS m-1, mayores concentraciones no mejoran la asimilación fotosintética de CO2, aunque pueden causar mejoras en la calidad de cosecha.
En la practica el CO2gas mezclado con agua de riego se aplica a intervalos de 45 a 60 minutos a partir de las 9 am, cuando la concentración del CO2 del ambiente llega a 400 ppm. Es importante monitorear constantemente la concentración de CO2 en la canopia del cultivo para aprovechar el flujo de CO2 proveniente del intercambio de gases, causado por la ventilación cenital y lateral. Figura 11.
El CO2 cuando se mezcla eficientemente a presiones mayores a 15 libras con el agua de riego, presenta fenómenos químicos importantes. El primero, forma ácido carbónico según la reacción siguiente: CO2gas + H2O ←→H2CO3. El ácido carbónico a un pH entre 6.0 y 7.0, forma especies químicas HCO3- (ion bicarbonato) que solubilizan a los minerales catiónicos contenidos en la solucion nutritiva, mejorando la disponibilidad para la asimilación por las raices.
Ante excesos de la mezcla H2CO3/CO2, los carbonates contenidos en el agua de riego se solubilizan para proporcionar cationes y CO2gas que es liberado a la atmosfera de la canopia del cultivo. En esta condición, el CO2gas mezclado con el agua de riego no forman carbonates.
Las especies H2CO3 y HCO3- son estables, mientras son transportadas a través del sistema de riego y se descomponen cuando el agua enriquecida llega al sustrato y sistema radicular formando nuevamente CO2 gas, el cual fluye por gradiente de concentración a la canopia del cultivo.
Otra reacción importante de considerarse es que del ácido carbónico solubiliza a los minerales ricos en silicio, por lo que mejora la asimilación por las plantas, mejorando adicionalmente los mecanismos de protección y productividad de los cultivos.
A manera de resumen en el Cuadro 3 se presenta, los aportes de radiación solar y consumo de CO2 en cultivo de tomate bajo invernadero.
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