Reflectancia de cubierta como indicador del estado nutricional de N en un cultivo de espinaca C. Giménez

Dpto. de Agronomía, Universidad de Córdoba, Campus Rabanales, 14071 Córdoba. cgimenez@uco.es

Resumen El manejo adecuado de la fertilización nitrogenada es importante tanto para la

producción de cultivos como para la conservación del medio ambiente. En la actualidad se están desarrollando técnicas no destructivas, rápidas e integradoras que faciliten y mejoren la fertilización nitrogenada, entre ellas el uso de sensores que miden la reflectancia de la cubierta vegetal a ciertas longitudes de onda. En este trabajo se presentan datos preliminares de un ensayo de espinaca que indican que índices basados en medidas de reflectanciaen la región del rojo-infrarrojo discriminan entre tratamientos de N y están correlacionados con el contenido de clorofila (CHL) en hojas, siendo éste un indicador tradicional del estado nutricional de N. Sin embargo, y a diferencia de lo encontrado en otras cultivos, el índice SPAD no se presenta como una alternativa adecuada para caracterizar dicho estado nutricional, debido a la baja relación con el CHL.

Palabras clave: Reflectancia, fertilización nitrogenada, clorofila, índice SPAD

INTRODUCCIÓN La fertilización nitrogenada es una de las prácticas de manejo con mayor incidencia

tanto en la productividad de cultivos si se realiza de forma adecuada, como sobre el medio ambiente si es excesiva. La determinación del estado nutricional de un cultivo se ha realizado tradicionalmente analizando el contenido de N en sus tejidos, mediante análisis químicos. Uno de los compuestos analizados ha sido la clorofilaya que se ha encontrado una buena correlación entre ésta y el estado nutricional de N del cultivo (Wood et al., 1992). Además de los métodos analíticos en laboratorio, se han usado medidores portátiles en campo, encontrándose buenas correlaciones entre el contenido en clorofila medido con estos medidores portátiles y el estado nutricional de N en gran numero de cultivos, lo que ha generalizado su uso para diseñar una fertilización adecuada o realizar aplicaciones correctoras en caso de detectar deficiencias (Markwell et al., 1995; Johnkutty and Palaniappan, 1996; Wu et al., 1998; Gianquinto et al., 2003; Westerweld et al., 2004; Uddling et al., 2007; Varinderpal-Singh et al., 2010).

La concentración de clorofila afecta a la reflectanciade la cubierta en las regiones del azul y rojo del espectro electromagnético (Gates et al., 1965). Por tanto la medida de la reflectancia de cultivos es una nueva alternativa no destructiva, rápida e integradora para caracterizar el estado nutricional de un cultivo. En cultivos con deficiencias de N la reflectanciade la cubierta se incrementa en la región del rojo y se reduce en la del infrarrojo respecto a las de un cultivo similar sin deficiencia. Algunos de los índices de vegetación basados en reflectancia usan combinaciones de longitudes de onda que parecen ser mejores indicadores del estado nutricional de N que los valores de reflectancia a una única longitud de onda (Ma et al., 1996).

El objetivo de este trabajo se centró en el estudio de la capacidad de diferentes índices de reflectancia en la zona del rojo-infrarrojo para detectar deficiencias de nitrógeno en un cultivo de espinaca y su relación con indicadores tradicionales del estado nutricional del cultivo, como el contenido de clorofila en hojas. Asimismo, se evaluó el comportamiento del medidor Minolta SPAD-502 como herramienta rápida de análisis en este cultivo.

MATERIAL Y MÉTODOS El ensayo experimental se desarrolló en una parcela del término municipal de

Almodóvar del Río (Córdoba), en colaboración con la empresa Aranda FreshTrade SLU. Se sembró un cultivo de espinaca (Spinaciaoleracea, var. Racoon) el 31 de octubre de 2013 y se cosechó el 17 de enero de 2014. Se establecieron 3 tratamientos de N: N0, sin aplicación de N, N con una aplicación de 37,7 kg N/ha (11,7 kgN/ha alos 21 días después de siembra (dds) y 26 kgN/ha a los 31 dds) y el tratamiento N+ en el que además se aplicaron 39 kg/ha a los 61 dds. La aplicación de N se fraccionó debido a las intensas lluvias durante la mayor parte del ciclo del cultivo. El diseño experimental fue de bloques al azar con 3 repeticiones. Cada parcela elemental estaba compuesta por dos bancadas de 1,30 m de ancho y 10 m de longitud, separadas entre sí 30 cm.La densidad de plantas fue de 310 plantas/m2 en surcos separados 6,5 cm. El manejo del cultivo lo realizó la empresa colaboradora excepto la fertilización nitrogenada y la cosecha, y se realizó de forma idéntica al de la parcela comercial. El riego fue por aspersión y se aplicaron 96,5 mm de agua durante los periodos de ausencia de lluvias, especialmente al comienzo del ensayo para asegurar una buena nascencia (Fig. 1). La pluviometría durante el ciclo del cultivo fue de 138,6 mm.

Se realizaron 6 muestreos a lo largo del ciclo del cultivo, a los 25, 40, 48, 61, 69 y 76 dds. En cada fecha de muestreo se realizaron las determinaciones que se describen a continuación.

Crecimiento del cultivo. Se caracterizó el crecimiento del cultivo mediante la biomasa producida, el índice de área foliar (IAF) y la fracción de cobertura de suelo. La biomasa se determinó cosechando una longitud de 2 m de tres filas de plantas, secándolas en estufa y determinando su peso seco. Se determinó el área foliar de una submuestra de las hojas recogidas con el software ImageProPlus. Esta submuestra se secó independientemente y se determinó el AF de la muestra mediante la relación superficie/peso seco. El IAF se calculó a partir de los datos de AF y de superficie muestreada. La fracción de cobertura de suelo se determinó colocando sobre el cultivo una cuadrícula de 20x20 cm y tomando fotografías perpendicularmente al suelo. La superficie ocupada por plantas en la cuadrícula se determinó asimismo con el software ImageProPlus, calculándose la fracción de cobertura. En cada parcela elemental se tomaron tres fotografías. Al ser un cultivo de hoja de consumo en fresco, se calculó el peso fresco (PF) al 93,5% de humedad.

El estado nutricional en N del cultivo se caracterizó mediante el índice SPAD, el contenido de clorofila y el %N en hoja.En cada fecha de muestreo se realizaron medidas del índice SPAD con un medidor de clorofila Minolta SPAD-502, en 20 hojas por repetición y tratamiento. El contenido de clorofila en hoja se determinó mediante extracción con acetona (80% vol) y realizando lecturas en un espectrofotómetro a 663,6 y 646,5 nm, según el procedimiento descrito en Porra et al. (1989). El %N total se determinó sobre las muestras usadas para la determinación de la biomasa una vez secadas y molidas, usando un analizador elemental (Eurovector EA3000). Se calculó la extracción de N por el cultivo a partir de los datos de biomasa y %N.

Medidas de Reflectancia. Se determinó la reflectancia de la cubierta con un reflectómetro Rapid SCAN CS45 (Holland Scientific). Este reflectómetro es un sensor activo

con una fuente de luz modulada que permite realizar mediciones independientemente del nivel de radiación solar existente. Cada medida abarca una superficie de suelo de 0,145h2 cm2, siendo h (cm) la altura a la cual se posiciona el sensor y se realizan simultáneamente a 670 nm (rojo), 730 nm (rojo lejano) y 780 nm (infrarrojo cercano). Se realizaron en cada fecha de medida dos pases por parcela elemental (uno en cada bancada) desplazando el sensor sobre las filas centrales de la misma, integrando de tal forma la longitud total de la parcela excepto un metro en cada extremo que se dejó como borde. Cada pase se compuso de aproximadamente unas 140 medidas, tomadas de forma continua por el sensor colocado a una altura aproximada de 1 m sobre el suelo. Con las lecturas a estas tres longitudes de onda se calcularon los siguientes índices: NDVI (Normalized Difference Vegetation Index; Rouse et al., 1973; Vouillot et al., 1998), uno de los índices más utilizados para caracterizar el crecimiento de cultivos y su estado nutricional, NDRE (Normalized Difference Red Edge; Barnes et al., 2000), similar al anterior pero que utiliza la reflectancia en el rojo lejano en vez de en el rojo, CCCI (Canopy Chlorophyll Concentration Index; Fitzgerald et al., 2010) sensible al estado nutricional de N, RVI (Relative Vegetation Index) que es el cociente entre la reflectancia en NIR y la del rojo, y SAVI (Soil Adjusted Vegetation Index; Huete, 1988) que normaliza el NDVI para diferencias de reflectancia de suelo.

La cosecha se realizó en dos zonas por bancada en cada parcela elemental. Se cosecharon aproximadamente entre 2,5-3 m2 en cada repetición. El rendimiento comercial se cuantificó mediante el peso fresco a humedad constante (93,5%). En cosecha también se extrajeron las raíces de las plantas para determinar su PF y %N. La producción comercial se refirió a peso fresco (kg/ha) al 93,5% de humedad.

Además de los muestreos descritos anteriormente, se realizó un muestreo inicial y otro final de suelo para determinar el contenido de N mineral (N-NO3 y N-NH4) a dos profundidades: 0-25 cm y 25-50 cm. En las muestras se realizó la extracción del nitrógeno mineral con una solución de KCl 2M. El N-NO3 se determinó mediante un sistema de análisis de flujo continuo (ASTM, 1991) y el N-NH4 por el método del salicilato (Kempers and Zweers, 1986).

RESULTADOS Y DISCUSIÓN Los tres parámetros usados para caracterizar el crecimiento del cultivo, biomasa total,

cobertura suelo e IAF,se vieron afectados en el tratamiento N0 a partir de los 61 dds, no encontrándose diferencias significativas entre los tratamientos N y N+ (Fig. 2). El efecto del déficit de N no se manifestó con anterioridad debido al contenido de N en el suelo al inicio del cultivo (68,4 kgN/ha en los primeros 25 cm de suelo, principalmente como N-NO3). Debido a las intensas lluvias a partir de los 49 dds una fracción elevada del N en el suelo podría haberse lavado, manifestándose a partir de entonces los efectos del déficit de N.No se encontraron diferencias significativas entre los tratamientos N y N+, lo cual indica que el último aporte de N en el tratamiento N+ a los 61 dds no produjo ningún efecto sobre el crecimiento del cultivo. Puede incluso que tuviera un efecto negativo si hubiese aumentado el contenido de nitratos en hoja. Estos resultados están aún pendientes de análisis.

El contenido de clorofila del tratamiento N0 fue significativamente inferior al de los otros dos tratamientos de N a partir de los 48 dds, siguiendo una tendencia similar a la del crecimiento del cultivo (Fig. 3a). No se encontraron diferencias significativas entre los tratamientos fertilizados. Aunque numerosos trabajos publicados durante las dos últimas décadas muestran relaciones significativas entre el índice SPAD, determinado con el medidor Minolta SPAD 502,y el contenido de N y clorofila en hoja, en este ensayo el índice

SPAD no discriminó entre tratamientos de N en ningún momento del ciclo del cultivo, no encontrándose una relación consistente entre el índice SPAD y el contenido de clorofila en hoja (Fig. 3b).Estos resultados indican que, al menos en este cultivo de espinaca, el índice SPAD no es un buen indicador del contenido en clorofila en hoja, discrepando con los resultados obtenidos por otros autores en otras especies cultivadas.

Las reflectancias a 670 nmy a730 nm disminuyeron a lo largo del ciclo del cultivo, aumentando la reflectancia del infrarrojo cercano (NIR, 780 nm), siendo este incremento o descenso significativamente menor en el tratamiento N0 que en los tratamientos fertilizados. El NDVI es considerado un buen indicador del crecimiento del cultivo. Como el déficit de N en el tratamiento N0 afectó al crecimiento del cultivo mostrando valores inferiores de IAF (Fig. 2) se calculó la relación entre el NDVI y el IAF para el tratamiento N0 y para los tratamientos fertilizados de forma conjunta (N y N+) (Fig. 4) ya que el aporte final de N en el tratamiento N+ no mostró ningún efecto en la reflectancia del cultivo a ninguna de las longitudes de onda medidas. Aunque el valor máximo de IAF alcanzado en el tratamiento N0 fue de 1,37, muy inferior a los de los tratamientos N y N+ (2,29 y 2,72, respetivamente), para un mismo valor de IAF a partir de 0,5 el NDVI del tratamiento N0 fue inferior al de los tratamientos N y N+, detectando diferencias en estado nutricional, independientemente del grado de desarrollo del cultivo. Todos los demás índices calculados discriminaron de forma similar entredichos tratamientos para un mismo valor de IAF. Asimismo se observó una alta correlación entre los índices calculados (RVI incluido aunque no aparezca en la figura por tener un valor muy alto en relación a los demás índices) y el contenido en clorofila de hoja (Fig. 5), mostrando el NDRE el coeficiente de correlación más alto (R2=0,851). Para estudiar la capacidad de los índices para detectar el inicio y la intensidad del déficit de N se calculó para cada índice la relación entre los de los tratamientos N0 y N+ para cada fecha de medida (Fig. 6). A partir de la segunda fecha de muestreo (40 dds) el RVI fue el que mostró mayor pendiente,seguido del NDRE a partir de los 48 dds. Los resultados sugieren que estos dos índices parecen ser los que detectan el estrés de nitrógeno de forma más precoz en el cultivo de espinaca estudiado. Estos resultados habrán de contrastarse con próximos ensayos de campo.

CONCLUSIONES Los resultados preliminares obtenidos en un ensayo de espinaca indican que tanto el

contenido de clorofila en hoja determinado analíticamente, como los índices de reflectancia calculados discriminaron el tratamiento no fertilizado (N0) de los que recibieron aportaciones de N. Sin embargo, el índice SPAD no parece ser un buen indicador del estado nutricional de N en este cultivo, dada la baja relación con el contenido de clorofila en hoja. Tanto el RVI como el NDRE parecen ser los indicadores más sensibles al déficit de N en este cultivo.

Agradecimientos Este trabajo está financiado por el proyecto AGL2012-39036-C03-03.

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Fig. 1. Riego y precipitación a lo largo del ciclo del cultivo

Fig. 2. Evolución a lo largo del ciclo del cultivo de: a) biomasa del cultivo (PS), b) fracción de cobertura de suelo y c) Indice de área foliar (IAF).

Fig. 3. a) Contenido en clorofila (a+b) en hoja a lo largo del ciclo del cultivo para los diferentes tratamientos de nitrógeno. b) Relación entre el contenido de clorofila en hoja y el índice SPAD

Fig. 4. Relación entre el índice NDVI y el IAF para el tratamiento N0 y los tratamientos fertilizados. Las líneas representan las curvas ajustadas, de ecuaciones: NDVI=0,659*(1-exp(-3,205*IAF)); R2=0,957 para el tratamiento N0; NDVI=0,8896*(1-exp(-1,914*IAF)); R2=0,989 para los tratamientos N y N+

Fig. 5. Relación entre el contenido de clorofila en hoja determinado analíticamentey los índices de vegetación NDRE, NDVI, SAVI y CCCI.

Fig. 6. Evolución a lo largo del tiempo de la relación entre el índice de vegetación para el tratamiento N0 y el promedio de los tratamientosfertilizados, para los índices indicados en la figura.