Roca volcanica, un nuevo sustrato alternativo sostenible para los cultivos sin suelo

Estos ensayos pretenden caracterizar fisica, fisico-quimica y quimicamente un sustrato de roca volcanica local sostenible, y evaluarlo agronomicamente con tres hortalizas comparandola con la fibra de coco como sustrato comercial actualmente en expansion en España y en todo el mundo. Para la evaluacion agronomica se han realizado tres cultivos independientes en las instalaciones de la Universidad de Almeria en invernaderos de plastico. Todas las operaciones se realizaron siguiendo el manejo cultural comercial de la zona.

Judith Pozo (1), Isidro Morales (1), Josefa Requena (1), Tommaso La Malfa (1), Juan E. Alvaro (2) y Miguel Urrestarazu (1).

1 Departamento de Agronomia, Universidad de Almeria, España.

2 Escuela de Agronomia, Pontificia Universidad Catolica de Valparaiso, Chile

Los cultivos sin suelo en roca volcanica con una extension considerable se realizan sobre los años 40 (Gericke, 1940). Historicamente han tenido un interes vital en el abastecimiento de puntos estrategicos como es el caso de la Isla Wake, situada en mitad del Pacifico, que tuvo una indudable importancia en mitad del siglo XX. En Hawai se ha cultivado ampliamente en estos materiales donde es uno de los metodos mas extendidos comercialmente en los cultivos sin suelo (McCall y Nakagawa, 1979).

Figura 1. A. Localizacion de las zonas volcanicas en la Peninsula Iberica de potencial para su uso agricola. B. Volcan de la Garrinada y Montsacopa, Olot (Girona). C. Cantera de Lafarge en el Volcan de Cerro Gordo, Campo de Calatrava (Ciudad Real). D. Volcan Majada Redonda, Cabo de Gata (Almeria), (Fuente: Google Earth, 2014).

En los paises donde existe una gran cantidad de estos materiales volcanicos como en Mesoamerica se estan extendiendo con cierta importancia. Por ejemplo se estan utilizando en Costa Rica, Guatemala y sobre todo en Mexico donde se denomina tezontle (San Martin-Hernandez et al., 2012; Rodriguez Diaz et al., 2013; Urrestarazu, 2013; Ponce Lira et al., 2013), tambien se han realizado estudios en ciertas localizaciones europeas como Grecia (Gizas y Savvas, 2007).

Los cultivos en España en roca volcanica tampoco son recientes. Se pueden encontrar referencias de sus comienzos antes de la decada de los 70 en el Centro Internacional para la Hidroponia de Las Palmas en las Islas Canarias (Blesa y Luque, 1972). Se cultivaba en parterres de 1 m de ancho con subirrigacion y usando como sustrato lapilli volcanicos, o puzolana, que localmente se conoce como picon. Algunos de estos cultivos se llevaron a cabo en invernaderos de cristal en Lanzarote (Islas Canarias, España) con diversas hortalizas como pepino, melon y tomate (Aran, 1977, 1978a, 1978b). Estos medios de cultivo se han extendido hasta la actualidad (Baixauli y Aguilar, 2002; Santos y Rios, 2013), tanto en cultivo de hortalizas como en ornamentales.

Los sistemas de cultivo sin suelo en roca volcanica se realizaban tanto en parterres o grandes contenedores alargados de ancho variable (en torno a 0,5 o 1 m de ancho y varios metros de largo), como en contenedores individuales que cultivan una o varias plantas. En las Islas Canarias se estima una superficie de cultivo en roca volcanica de unas 225 hectareas (Baixauli y Aguilar, 2002).

Cuadro I. Variacion de algunas caracteristicas de las puzolanas utilizadas en sistemas de cultivo sin suelo en todo el mundo

En el resto de España este material no es muy usado en comparacion a otros sistemas de cultivo sin suelo mas extendidos como lana de roca, perlita y fibra de coco que ocupan una superficie aproximada de unas 5.000 a 5.500 ha (Urrestarazu, 2013).

Este material volcanico natural y granular (puzolanas) ha sido descrito ampliamente en diversas localidades en muchas partes del mundo y España (cuadro I). En la Peninsula Iberica existen tres grandes localizaciones con potencial para la extraccion de rocas volcanicas susceptibles de ser usadas como sustrato horticola (figura 1).

En la actualidad se evalua el potencial comercial de estos materiales volcanicos por la empresa internacional Lafarge en el centro de España (figura 2). La salida de estos materiales volcanicos fue descrita por Gonzalez et al., (2008), originados en las facies Laharicas en los depositos de oleadas piroclasticas del Barranco Varondillo (Campo de Calatrava, España), geologicamente originado por una erupcion freatomagmatica. El deposito de estos materiales susceptibles para su uso como sustrato horticola se ha estimado en 5.360.419 t lo cual garantizaria un suministro constante y suficiente para los fines agricolas.

Figura 2. Localizacion de la cantera, A. en la Peninsula Iberica, B. en la provincia de Ciudad Real. C. Plano D. Vista aerea de la cantera de Lafarge en el volcan del Cerro Gordo.

Por otro lado, en el proceso de molienda y cribado no se genera ningun residuo o subproducto desechable, ya que casi la totalidad de la composicion litica es utilizada. Su ubicacion en el centro de la Peninsula Iberica supone ademas una importancia estrategica clave para el transporte con la menor huella ecologica y de carbono posible. Un ejemplo de utilizacion de un sustrato alternativo sostenible donde el origen esta tambien cercano a la explotacion que la usa se puede observar en la figura 3.

En España se ha descrito una gran cantidad de materiales susceptibles de ser utilizados como sustrato horticola (Abad et al., 2001). Gran parte de esta informacion esta disponible en la hoja del Ministerio de Agricultura, Alimentacion y Medio Ambiente (Magrama, 2014); por otro lado tambien se ha propuesto la necesidad de usar materiales locales sostenibles (Urrestarazu et al., 2005) que minimizan la huella ecologica y emisiones de CO2, debidas al transporte.

Figura 3. Ejemplo de uso local de sustrato alternativo sostenible. La zona productora de 10 ha (abajo a la derecha) esta muy cercana al origen del suministro de la roca volcanica en la falda del volcan Jumay (Guatemala). Corresponde a la explotacion de la foto 2. (Fuente: Google Earth).

La localizacion de la cantera se puede considerar adecuada para suministrar a la Peninsula Iberica por su escasa necesidad de transporte, especialmente cuando se compara con el uso de la fibra de coco que es transportada desde la India o Sri Lanka y cuyo consumo final se produce en el centro o sur de Europa. Similar consideracion cabe argumentar para otros productos que se generan ex profeso como la lana de roca o perlita que requieren muy altas temperaturas en su fabricacion lo que implica un importante consumo de energia y sus emisiones de CO2.

Estos ensayos pretenden caracterizar fisica, fisico-quimica y quimicamente un sustrato de roca volcanica local sostenible, y evaluarlo agronomicamente con tres hortalizas comparandola a la fibra de coco como sustrato comercial actualmente en expansion en España y todo el mundo.

Materiales y metodos utilizados

Condiciones de cultivo

Para la evaluacion agronomica se han realizado tres cultivos independientes en las instalaciones de la Universidad de Almeria en invernaderos de plastico. Todas las operaciones se realizaron siguiendo el manejo cultural comercial de la zona. El cuadro II muestra los parametros principales de los tres cultivos.

Cuadro II. Diversos parametros de los ciclos de cultivo llevados a cabo.

El tratamiento a evaluar fue una puzolana (PV) en unidades tipo saco de cultivo (100 x 25 x 10 cm) de 25 l, suministrado por la compañia Lafarge España. El sustrato horticola evaluado es una roca volcanica de origen natural de forma granular e irregular. Las caracteristicas de textura y su distribucion particular se muestran en el cuadro III.

Cuadro III. Distribucion de particulas del sustrato puzolana (% en peso) ensayado.

Este material es el resultado de la extraccion directa de la cantera y su posterior molienda y cribado controlado. Esta textura se mantuvo de forma homogenea en cada unidad de cultivo, consideracion de suma importancia a la hora de obtener un resultado contrastable, siempre que se haya verificado previamente la uniformidad de riego. La unidad de cultivo esta envuelta con una lamina de plastico coextruida de 115 µm de grosor similar a la que envuelve la unidad comercial testigo.

El tratamiento testigo (FC) fue una unidad comercial muy similar (Pelemix GB1002410) de unos 100 x 25 x 10 cm y un volumen de 25 l.

Condiciones de fertirrigacion

Para cada uno de los tratamientos se establecieron sistemas de control consistentes en un gotero de control y una bandeja de drenaje. Mediante estos dispositivos de seguimiento se controlaba diariamente el pH, la CE y el porcentaje de drenaje. Se registraba tambien mediante analisis por cromatografia ionica las concentraciones en el fertirriego y en los drenajes de los iones nitrato y potasio.

Cada nuevo fertirriego se realizaba cuando se habia agotado el 10% de agua facilmente disponible desde la unidad de cultivo, adicionalmente se suministraba un exceso de fertirrigacion para obtener entre un 15-25% de drenaje (Urrestarazu, 2004; Urrestarazu et al., 2005, 2008b). De todo el sistema de fertirrigacion y del drenaje obtenido se realizaba un seguimiento pormenorizado mediante sistemas automatizado de control volumetrico desarrollado en la propia Universidad de Almeria (Rodriguez et al., 2015).

La duracion de cada fertirriego resultante se determino segun la curva de liberacion de agua mediante una caracterizacion del sustrato con los resultados indicados en la figura 4. Los tiempos de duracion de los riegos con unidades de cultivos individuales suele variar de un minimo de 2 a unos 7-8 minutos.

Algunos ejemplos variando ciertos parametros del sistema de fertirriego y condiciones de programacion del mismo se muestran a modo de ejemplo en el cuadro IV. En general los equipos de fertirrigacion en determinadas ocasiones de caudal definido requieren un numero de minutos alto para estabilizar los parametros de pH y CE programado (Morales y Urrestarazu, 2014) y por ello suele ser recomendable que se apliquen tiempos superiores a 2 minutos y consecuentemente serian deseables las condiciones del cuadro IV que originen tiempos mayores de esos 2 minutos.

Cuadro IV. Algunos ejemplos de los resultados del tiempo necesario de encendido de un equipo de fertirrigacion en funcion de diversos parametros de fertirriego para una unidad de cultivo con roca volcanica de un volumen de 25 l y un agua facilmente disponible (AFD) de un 10%.

Parametros de produccion

Se ha evaluado la produccion total comercial mas algunos parametros de calidad de los frutos. La recoleccion de los frutos se realizo semanalmente cuando alcanzaban el estado de madurez y tamaño necesario para su comercializacion. La clasificacion comercial para el caso del tomate se realizo con arreglo a los reglamentos de la Union Europea (DO, 2000). Mediante el pertinente submuestreo semanal de la cosecha, se cuantificaron los grados Brix (por refractometria) como medida de los solidos solubles totales, asi como el peso seco de los frutos. Tambien se registro el pH y la CE de los jugos de los frutos. Todas las medidas se realizaron por cuadruplicado.

Los cultivos fueron llevados a cabo con un diseño experimental de bloques completos al azar, con tres bloques por tratamiento y experimento. La unidad experimental estaba constituida por tres sacos de cultivo (Little y Hill, 1978; Petersen, 1994).

Caracterizacion de los sustratos

Las medidas de la caracterizacion de cada uno de los sustratos del ensayo se realizaron segun las regulaciones y normativas europeas de caracterizacion de sustrato como medios de cultivo recogidos en bibliografia (AENOR, 2008-2012). Los valores obtenidos para el resto de los parametros de su caracterizacion de la puzolana se muestran el cuadro IV.

Resultados y discusion

La figura 4 muestra como las caracteristicas de la curva de liberacion de agua se ajustan sustancialmente a los materiales de picon y otras puzolanas volcanicas utilizadas tanto en las Islas Canarias en España (Baixauli y Aguilar, 2002), como en otros paises como el tezontle en Mexico (Ponce Lira et al., 2013), o pumita en Grecia (Gizas y Savvas, 2007).

Figura 4. Comparacion de la curva de liberacion de agua para una fibra de coco y puzolana (basado en De Boodt et al., 1974). ADD: Agua dificilmente disponible. AR: Agua de reserva. AFD: Agua facilmente disponible. CA: Capacidad de aireacion. MS: Materia solida.

El valor de la capacidad de aireacion (31,81%) de la roca volcanica es similar al de la fibra de coco (32%). Sin embargo, todos los valores de la retencion del agua en el sustrato fueron sustancialmente menores en la roca volcanica en comparacion a la fibra de coco (valores de 10,0, 0,2 y 12,2% para el agua facilmente disponible –AFD–, agua de reserva –AR– y el agua dificilmente disponible –ADD–, respectivamente).

Esta gran diferencia sustancial en la proporcion, sobre todo de AFD, hace que el tratamiento de fertirriego arroje una importante diferencia en los tiempos de aplicacion que por esta razon es la mitad en la puzolana (en minutos), que en la fibra de coco.

El cuadro V mostraba algunas de las principales caracteristicas fisicas, fisico-quimicas y quimicas de la roca volcanica. Ninguno de los parametros medidos es un factor limitante para el crecimiento de las hortalizas. El valor de la densidad real (1,37 kg l-1) superaba el valor de la fibra de coco utilizada (0,06 kg l-1, Morales y Urrestarazu, 2013).

Cuadro V. Parametros seleccionados de las caracteristicas fisicas, fisico-quimicas y quimicas del sustrato de roca volcanica (Puzolana).

El valor de la densidad aparente es dependiente de la granulometria (cuadro VI) y esta baja ligeramente al disminuir los elementos mas finos, sin embargo estos valores siguen siendo superiores a los numeros deseables () y esta baja ligeramente al disminuir los elementos mas finos, sin embargo estos valores siguen siendo superiores a los numeros deseables (< 0,10 kg l-1). Este alto valor constituye un importante inconveniente al compararlo a otros sustratos como perlita o lana de roca que tienen valores hasta diez veces mas livianos, con la consiguiente facilidad de manejo que esto implica.Cuadro VI. Densidad aparente (no comprimida) de puzolana en funcion de su granulometria media

La estabilidad de este material es una de las principales ventajas agronomicas del sustrato como medio de cultivo. Tras seis años de uso la estabilidad de los principales parametros de interes que caracterizan a un sustrato horticola se mantiene relativamente estable (cuadro VII), propiedad que se mantiene tras sucesivas desinfecciones sostenibles como la solarizacion.

Cuadro VII. Evolucion algunos parametros en funcion de la edad en uso del sustrato de roca volcanica

La propia estabilidad de la textura con los sucesivos cultivos constituye una buena aptitud agronomica, ya que la perdida de la estructura de materiales, por ejemplo de la lana de roca, provoca que esta pierda sus propiedades de aireacion e hidrofisicas convenientes, y consecuentemente deba ser remplazada por otra nueva. Por otro lado, que esta estabilidad se mantenga en los sucesivos cultivos permitira tanto la necesaria desinfeccion entre ellos, como la amortizacion de su valor economico (Rodriguez Diaz et al., 2013). Esta alta estabilidad y durabilidad de sustrato durante varios ciclos de cultivo, permite la proporcional y potencial reduccion por cada cultivo de la huella ecologica y de carbono que se produjo en su transporte.

Efecto sobre los parametros de fertirrigacion

El cuadro VIII muestra el comportamiento de los principales parametros de fertirrigacion empleados para el control de la correcta aplicacion de la solucion nutritiva. En todos los parametros de fertirrigacion de los drenajes se encontraron diferencias significativas entre los dos sustratos ensayados salvo para la conductividad electrica (CE) de los drenajes en el cultivo de tomate. Sin embargo, cuando se adaptan los sistemas de fertirriego a los sustratos y al cultivo, los resultados sobre en la absorcion y emision, no muestran una tendencia clara.

Cuadro VIII. Principales parametros de control de fertirriego en los drenajes, absorcion de agua, nitratos y potasio, y las emisiones al medio ambiente en un cultivo en puzolana (PV) en comparacion al cultivo en fibra de coco (FC)

Los valores de las cantidades de absorcion de los nutrientes medidos fueron similares a los obtenidos de otros sustratos locales alternativos como describieron en tomate con cascara de almendra (Urrestarazu et al., 2005; Urrestarazu et al., 2008c); en sustrato a base de compost (Urrestarazu et al., 2008c); y en fibra de coco en cultivo de melon y pepino (Urrestarazu et al., 2008b). Comparando la absorcion diferencial entre PV respecto a la FC, se encontro una diferencia significativa a favor de FC (en un 30%) en el cultivo de pimiento, pero no fue significativa en el cultivo de tomate.

Efecto sobre las emisiones contaminantes

Los niveles de emision de nitrato son similares a otros cultivos horticolas (Urrestarazu et al., 2008a), sin embargo una proporcion mucho menor se registro para el cultivo de tomate, probablemente debido a que no fue necesario un porcentaje de drenaje superior al 15%, ya que la CE se mantuvo en valores inferiores en este caso a 4 dS m-1 y un menor tiempo de cultivo. Las emisiones de nitrato fueron mayores en el sustrato PV en un 23 y 8% para el cultivo de pimiento y tomate, respectivamente.

Efecto sobre la produccion

El cuadro IX muestra la produccion y numero de frutos de los cultivos de pimiento, tomate y melon. No se registro ninguna diferencia significativa en los tres cultivos entre los dos sustratos. Algunas investigaciones de otros potenciales sustratos alternativos locales tampoco encontraron diferencias significativas con los sustratos comerciales, por ejemplo al comparar la cascara de almendra usada como sustrato horticola comparada con lana de roca en cultivo de tomate y melon en España (Urrestarazu et al., 2005), el bagazo de maguey comparado con fibra de coco en el cultivo de pepino y melon en Mexico (Martinez et al., 2012), o los trabajos con plantas de tomate usando fibra de madera de Gruda y Schnitzler (2004) en Alemania.

Cuadro IX. Parametros de calidad de los frutos de la produccion de un cultivo en sustrato de puzolana (PV) y fibra de coco (FC)

Efecto sobre el calibre de los frutos

Al comparar los dos sustratos se registro una mayor proporcion (del 15%) en los tomates de mayor calibre a favor del PV (cuadro X). Esto supone un importante beneficio para el agricultor ya que estos tienen un mayor precio en los canales de comercializacion (Morales y Urrestarazu, 2013). Sin embargo en el calibre siguiente en tamaño, se encontro la mayor proporcion en el sustrato FC. En el calibre de menor tamaño fue tambien registrada una diferencia significativa a favor del PV.

Cuadro X. Produccion (kg m-2) por calibres en un cultivo de tomate en funcion del sustrato de cultivo utilizado: puzolana (PV) y fibra de coco (FC).

Efecto sobre los parametros de calidad

El cuadro XI muestra los datos de la calidad medidos. En el cultivo de pimiento se registro una mayor proporcion en los ºBrix y la materia seca en un 7 y 10% a favor del sustrato VR. En el cultivo de tomate no se registraron diferencias significativas para ninguno de los parametros medidos. Similares resultados se encontraron en un cultivo de tomate cuando se aplicaban diferentes CEs en sustrato de fibra de coco donde registro un efecto importante sobre el reparto de calibres de la fruta, mientras que la produccion total y los parametros de calidad no se veian afectados (Morales y Urrestarazu, 2013).

Cuadro XI. Parametros de calidad de los frutos de la produccion de un cultivo en sustrato de puzolana (PV) y fibra de coco (FC).

Conclusiones

Los parametros de caracterizacion de la roca volcanica ensayada no presentan ningun valor o medida que pueda ser considerado factor limitante para su uso como sustrato horticola. Cuando la fertirrigacion se adapta a las caracteristicas fisicas y fisico-quimicas de la roca volcanica, las producciones comerciales y sus calidades son similares a las obtenidas por otros sustratos comercialmente mas extendidos.

Por tanto puede ser utilizado como sustrato local alternativo y sostenible. Su consideracion como sustrato o medio de cultivo, no exige un alto insumo de energia en su fabricacion ni necesita un largo transporte que suponga una importante huella ecologica ni de anhidrido carbonico, a lo que contribuye que es un sustrato muy estable que se puede usar durante largo periodo de cultivo. Tampoco en su fabricacion desde su origen en la cantera, genera ningun subproducto que pueda considerarse un desecho minero. l

Agradecimientos

Los autores agradecen a la empresa Lafarge el soporte dado para la realizacion de este trabajo.