La hidroponía [1] es un tipo de horticultura y un subconjunto de la hidrocultura que implica el cultivo de plantas , generalmente cultivos o plantas medicinales , sin suelo , mediante el uso de soluciones de nutrientes minerales a base de agua en un entorno artificial. Las plantas terrestres o acuáticas pueden crecer libremente con sus raíces expuestas al líquido nutritivo o las raíces pueden estar sostenidas mecánicamente por un medio inerte como perlita , grava u otros sustratos. [2] [3]
A pesar de los medios inertes, las raíces pueden causar cambios en el pH de la rizosfera y los exudados de las raíces pueden afectar la biología de la rizosfera y el equilibrio fisiológico de la solución nutritiva cuando se producen metabolitos secundarios en las plantas. [4] [5] [6] Las plantas transgénicas cultivadas hidropónicamente permiten la liberación de proteínas farmacéuticas como parte del exudado de la raíz en el medio hidropónico. [7]
Los nutrientes utilizados en los sistemas hidropónicos pueden provenir de muchas fuentes orgánicas o inorgánicas diferentes, incluidos excrementos de pescado , estiércol de pato , fertilizantes químicos comprados o soluciones de nutrientes estándar o híbridos artificiales . [8]
A diferencia del cultivo de campo, las plantas se cultivan comúnmente hidropónicamente en un invernadero o ambiente contenido en medios inertes, adaptados al proceso de agricultura en ambiente controlado (CEA). [9] Las plantas que comúnmente se cultivan hidropónicamente incluyen tomates , pimientos , pepinos , fresas , lechugas y cannabis , generalmente para uso comercial, así como Arabidopsis thaliana , que sirve como organismo modelo en la ciencia vegetal y la genética . [10]
La hidroponía ofrece muchas ventajas, en particular una reducción del uso de agua en la agricultura. Para cultivar 1 kilogramo (2,2 libras) de tomates utilizando
Los cultivos hidropónicos producen la mayor biomasa y proteína en comparación con otros sustratos de crecimiento , de plantas cultivadas en las mismas condiciones ambientales y suministradas con cantidades iguales de nutrientes. [13]
La hidroponía no sólo se utiliza en la Tierra, sino que también ha demostrado su eficacia en experimentos de producción de plantas en el espacio . [14]
El primer trabajo publicado sobre el cultivo de plantas terrestres sin suelo fue el libro de 1627 Sylva Sylvarum o 'Una historia natural' de Francis Bacon , impreso un año después de su muerte. Como resultado de su trabajo, el cultivo en agua se convirtió en una técnica de investigación popular. En 1699, John Woodward publicó sus experimentos de cultivo en agua con menta verde . Descubrió que las plantas en fuentes de agua menos puras crecían mejor que las plantas en agua destilada. En 1842, se había compilado una lista de nueve elementos que se creía que eran esenciales para el crecimiento de las plantas, y los descubrimientos de los botánicos alemanes Julius von Sachs y Wilhelm Knop , en los años 1859-1875, dieron como resultado el desarrollo de la técnica de cultivo sin suelo. [15] Citando directamente a von Sachs: "En el año 1860 publiqué los resultados de experimentos que demostraban que las plantas terrestres son capaces de absorber sus materias nutritivas de soluciones acuosas, sin la ayuda del suelo, y que de esta manera es posible no sólo mantener las plantas vivas y creciendo durante mucho tiempo, como se sabía desde hacía tiempo, sino también provocar un aumento vigoroso de su sustancia orgánica, e incluso la producción de semillas capaces de germinar ". [16] El crecimiento de plantas terrestres sin suelo en soluciones de nutrientes minerales se denominó más tarde "cultivo en solución" en referencia al "cultivo del suelo". Rápidamente se convirtió en una técnica estándar de investigación y enseñanza en los siglos XIX y XX y todavía se utiliza ampliamente en la ciencia de la nutrición vegetal . [17]
Alrededor de la década de 1930, los nutricionistas vegetales investigaron las enfermedades de ciertas plantas y, por lo tanto, observaron síntomas relacionados con las condiciones existentes del suelo, como la salinidad . En este contexto, se llevaron a cabo experimentos de cultivo en agua con la esperanza de ofrecer síntomas similares en condiciones de laboratorio controladas. [18] Este enfoque impuesto por Dennis Robert Hoagland condujo a sistemas modelo innovadores (por ejemplo, el alga verde Nitella ) y recetas de nutrientes estandarizadas que desempeñan un papel cada vez más importante en la fisiología vegetal moderna . [19] En 1929, William Frederick Gericke de la Universidad de California en Berkeley comenzó a promover públicamente que los principios del cultivo en solución se utilizaran para la producción de cultivos agrícolas . [20] [21] [22] Primero denominó a este método de cultivo "acuicultura" creado en analogía con "agricultura", pero luego descubrió que el término cognado acuicultura ya se aplicaba al cultivo de organismos acuáticos . Gericke causó sensación al cultivar vides de tomate de veinticinco pies (7,6 metros) de altura en su patio trasero en soluciones de nutrientes minerales en lugar de tierra. [23] Luego introdujo el término hidroponía , cultivo del agua, en 1937, propuesto por WA Setchell, un ficólogo con una amplia formación en los clásicos. [1] [24] Hidroponía se deriva del neologismo υδρωπονικά (derivado del griego ύδωρ=agua y πονέω=cultivar), construido en analogía con γεωπονικά (derivado del griego γαία=tierra y πονέω=cultivar), [25] geoponica , lo que concierne a la agricultura, reemplazando, γεω-, tierra, por ὑδρο-, agua. [15]
A pesar de los éxitos iniciales, Gericke se dio cuenta de que aún no había llegado el momento de aplicar la hidroponía de forma comercial y general para producir cultivos. [26] También quería asegurarse de que todos los aspectos del cultivo hidropónico se investigaran y probaran antes de hacer públicos los detalles. [27] Los informes sobre el trabajo de Gericke y sus afirmaciones de que la hidroponía revolucionaría la agricultura vegetal provocaron una gran cantidad de solicitudes de información adicional. A Gericke se le había negado el uso de los invernaderos de la universidad para sus experimentos debido al escepticismo de la administración, y cuando la universidad intentó obligarlo a publicar sus recetas preliminares de nutrientes desarrolladas en casa, solicitó espacio en el invernadero y tiempo para mejorarlas utilizando instalaciones de investigación adecuadas. Si bien finalmente se le proporcionó espacio en el invernadero, la universidad asignó a Hoagland y Arnon para que reevaluaran las afirmaciones de Gericke y demostraran que su fórmula no tenía ningún beneficio sobre los rendimientos de las plantas cultivadas en el suelo, una opinión sostenida por Hoagland. Debido a estos conflictos irreconciliables, Gericke dejó su puesto académico en 1937 en un clima políticamente desfavorable y continuó su investigación de forma independiente en su invernadero. En 1940, Gericke, cuyo trabajo se considera la base de todas las formas de cultivo hidropónico, publicó el libro Complete Guide to Soilless Gardening . En él, por primera vez, publicó sus fórmulas básicas que involucran las sales de macro y micronutrientes para plantas cultivadas hidropónicamente. [28]
Como resultado de la investigación de las afirmaciones de Gericke por orden del Director de la Estación Experimental Agrícola de California de la Universidad de California , Claude Hutchison , Dennis Hoagland y Daniel Arnon escribieron un boletín agrícola clásico de 1938, The Water Culture Method for Growing Plants Without Soil , uno de los trabajos más importantes sobre cultivo en solución de todos los tiempos, que afirmaba que los rendimientos de los cultivos hidropónicos no eran mejores que los rendimientos de los cultivos obtenidos con suelos de buena calidad. [29] En última instancia, los rendimientos de los cultivos estarían limitados por factores distintos de los nutrientes minerales, especialmente la luz y la aireación del medio de cultivo. [30] Sin embargo, en la introducción a su libro de referencia sobre el cultivo sin suelo, publicado dos años después, Gericke señaló que los resultados publicados por Hoagland y Arnon al comparar los rendimientos de las plantas experimentales en cultivos en arena, suelo y solución, se basaban en varios errores sistemáticos ("...estos experimentadores han cometido el error de limitar la capacidad productiva de la hidroponía a la del suelo. La comparación sólo se puede hacer cultivando un número de plantas tan grande en cada caso como la fertilidad del medio de cultivo pueda soportar"). [28]
Por ejemplo, el estudio de Hoagland y Arnon no valoró adecuadamente que la hidroponía tiene otros beneficios clave en comparación con el cultivo en suelo, incluido el hecho de que las raíces de la planta tienen acceso constante al oxígeno y que las plantas tienen acceso a tanta o tan poca agua y nutrientes como necesitan. [28] [31] Esto es importante ya que uno de los errores más comunes al cultivar plantas es el riego excesivo o insuficiente; la hidroponía evita que esto ocurra ya que grandes cantidades de agua, que pueden ahogar los sistemas de raíces en el suelo, se pueden poner a disposición de la planta en hidroponía, y cualquier agua no utilizada se drena, recircula o airea activamente, eliminando las condiciones anóxicas en el área de la raíz. En el suelo, un cultivador debe tener mucha experiencia para saber exactamente cuánta agua alimentar a la planta. Demasiada y la planta no podrá acceder al oxígeno porque el aire en los poros del suelo se desplaza, lo que puede provocar la pudrición de la raíz ; Si la cantidad de agua es demasiado pequeña, la planta sufrirá estrés hídrico o perderá la capacidad de absorber nutrientes, que normalmente se trasladan a las raíces mientras están disueltos , lo que provoca síntomas de deficiencia de nutrientes como clorosis o quemaduras por fertilizantes . Finalmente, las ideas avanzadas de Gericke llevaron a la implementación de la hidroponía en la agricultura comercial, mientras que las opiniones de Hoagland y el apoyo útil de la Universidad impulsaron a Hoagland y sus asociados a desarrollar varias fórmulas nuevas (recetas) para soluciones de nutrientes minerales, conocidas universalmente como solución de Hoagland . [32]
Uno de los primeros éxitos de la hidroponía se produjo en la isla Wake , un atolón rocoso en el océano Pacífico utilizado como escala de reabastecimiento de combustible para Pan American Airlines . La hidroponía se utilizó allí en la década de 1930 para cultivar verduras para los pasajeros. La hidroponía era una necesidad en la isla Wake porque no había suelo y era prohibitivamente caro transportar verduras frescas por avión. [33]
Entre 1943 y 1946, Daniel I. Arnon sirvió como mayor en el ejército de los Estados Unidos y utilizó su experiencia previa en nutrición vegetal para alimentar a las tropas estacionadas en la estéril isla de Ponape, en el Pacífico occidental, cultivando en grava y agua rica en nutrientes porque no había tierra cultivable disponible. [34]
En la década de 1960, Allen Cooper de Inglaterra desarrolló la técnica de película de nutrientes . [35] El Pabellón Terrestre en el Centro EPCOT de Walt Disney World abrió en 1982 y presenta de manera destacada una variedad de técnicas hidropónicas.
En las últimas décadas, la NASA ha realizado una amplia investigación hidropónica para su Sistema de Soporte de Vida Ecológico Controlado (CELSS). La investigación hidropónica que imita un entorno marciano utiliza iluminación LED para crecer en un espectro de colores diferente con mucho menos calor. Ray Wheeler, un fisiólogo vegetal del Laboratorio de Ciencias de la Vida Espacial del Centro Espacial Kennedy, cree que la hidroponía creará avances en los viajes espaciales, como un sistema de soporte de vida biorregenerativo . [36]
En 2017, Canadá contaba con cientos de acres de invernaderos hidropónicos comerciales a gran escala que producían tomates, pimientos y pepinos. [37]
Debido a los avances tecnológicos dentro de la industria y numerosos factores económicos , se prevé que el mercado global de hidroponía crezca de US$226,45 millones en 2016 a US$724,87 millones en 2023. [38] [ necesita actualización ]
Existen dos variantes principales para cada medio: riego por subsuelo e riego por aspersión [ especificar ] . Para todas las técnicas, la mayoría de los depósitos hidropónicos se construyen actualmente de plástico, pero se han utilizado otros materiales, como hormigón, vidrio, metal, sólidos vegetales y madera. Los recipientes deben excluir la luz para evitar el crecimiento de algas y hongos en el medio hidropónico.
En el cultivo en solución estática, las plantas se cultivan en recipientes con solución nutritiva, como frascos de vidrio Mason (normalmente, para aplicaciones domésticas), macetas , baldes, tinas o tanques. La solución suele airearse suavemente, pero puede no airearse. [13] Si no se airea, el nivel de la solución se mantiene lo suficientemente bajo como para que haya suficientes raíces por encima de la solución para que obtengan el oxígeno adecuado. Se corta (o perfora) un agujero en la parte superior del depósito para cada planta; si es un frasco o tina, puede ser su tapa, pero de lo contrario, se puede colocar cartón, papel de aluminio, papel, madera o metal en la parte superior. Se puede dedicar un solo depósito a una sola planta o a varias plantas. El tamaño del depósito se puede aumentar a medida que aumenta el tamaño de la planta. Se puede construir un sistema casero a partir de recipientes para alimentos o frascos de vidrio para conservas con aireación proporcionada por una bomba de acuario, un tubo de aire de acuario, válvulas de acuario o incluso una biopelícula de algas verdes en el vidrio, a través de la fotosíntesis . Los recipientes transparentes también se pueden cubrir con papel de aluminio, papel de estraza, plástico negro u otro material para eliminar los efectos del fototropismo negativo . La solución nutritiva se cambia según un cronograma, como una vez por semana, o cuando la concentración cae por debajo de un cierto nivel determinado con un medidor de conductividad eléctrica . Siempre que la solución se agote por debajo de un cierto nivel, se agrega agua o solución nutritiva fresca. Se puede usar una botella de Mariotte o una válvula de flotador para mantener automáticamente el nivel de la solución. En el cultivo en solución de balsa, las plantas se colocan en una lámina de plástico flotante que flota en la superficie de la solución nutritiva. De esa manera, el nivel de la solución nunca cae por debajo de las raíces. [39]
En el cultivo en solución de flujo continuo, la solución nutritiva fluye constantemente más allá de las raíces. Es mucho más fácil de automatizar que el cultivo en solución estática porque el muestreo y los ajustes de la temperatura, el pH y las concentraciones de nutrientes se pueden realizar en un gran tanque de almacenamiento que tiene potencial para abastecer a miles de plantas. Una variación popular es la técnica de película nutritiva o NFT, mediante la cual una corriente muy poco profunda de agua que contiene todos los nutrientes disueltos necesarios para el crecimiento de las plantas se recircula en una capa delgada más allá de una estera de raíces desnudas de plantas en un canal hermético, con una superficie superior expuesta al aire. Como consecuencia, se proporciona un abundante suministro de oxígeno a las raíces de las plantas. Un sistema NFT correctamente diseñado se basa en el uso de la pendiente del canal correcta, el caudal correcto y la longitud del canal correcta. La principal ventaja del sistema NFT sobre otras formas de hidroponía es que las raíces de las plantas están expuestas a suministros adecuados de agua, oxígeno y nutrientes. En todas las demás formas de producción, existe un conflicto entre el suministro de estos requisitos, ya que las cantidades excesivas o deficientes de uno dan como resultado un desequilibrio de uno o ambos de los otros. La NFT, debido a su diseño, proporciona un sistema en el que se pueden cumplir al mismo tiempo los tres requisitos para el crecimiento saludable de las plantas, siempre que se recuerde y se practique siempre el concepto simple de la NFT. El resultado de estas ventajas es que se obtienen mayores rendimientos de productos de alta calidad durante un período de cultivo prolongado. Una desventaja de la NFT es que tiene muy poca protección contra las interrupciones en el flujo (por ejemplo, cortes de energía). Pero, en general, es probablemente una de las técnicas más productivas. [40]
Las mismas características de diseño se aplican a todos los sistemas NFT convencionales. Si bien se han recomendado pendientes a lo largo de los canales de 1:100, en la práctica es difícil construir una base para los canales que sea lo suficientemente verdadera como para permitir que las películas de nutrientes fluyan sin encharcarse en áreas localmente deprimidas. En consecuencia, se recomienda utilizar pendientes de 1:30 a 1:40. [41] Esto permite irregularidades menores en la superficie, pero, incluso con estas pendientes, pueden producirse encharcamientos y anegamientos . La pendiente puede ser proporcionada por el piso, bancos o estantes pueden sostener los canales y proporcionar la pendiente requerida. Se utilizan ambos métodos y dependen de los requisitos locales, a menudo determinados por el sitio y los requisitos del cultivo.
Como guía general, los caudales para cada canalón deben ser de un litro por minuto. [ vago ] [42] En la plantación, los caudales pueden ser la mitad de esto y el límite superior de 2 L/min parece ser aproximadamente el máximo. Los caudales más allá de estos extremos a menudo se asocian con problemas nutricionales. Se han observado tasas de crecimiento deprimidas de muchos cultivos cuando los canales superan los 12 metros de longitud. En cultivos de crecimiento rápido, las pruebas han indicado que, si bien los niveles de oxígeno siguen siendo adecuados, el nitrógeno puede agotarse a lo largo del canalón. Como consecuencia, la longitud del canal no debe superar los 10-15 metros. En situaciones en las que esto no es posible, las reducciones en el crecimiento se pueden eliminar colocando otro suministro de nutrientes a la mitad del canalón y reduciendo a la mitad los caudales a través de cada salida. [43] [6]
La aeroponía es un sistema en el que las raíces se mantienen de forma continua o discontinua en un ambiente saturado con gotas finas (una niebla o aerosol ) de solución nutritiva. El método no requiere sustrato y consiste en cultivar plantas con sus raíces suspendidas en una cámara de aire o de crecimiento profunda, humedeciéndolas periódicamente con una niebla fina de nutrientes atomizados . La principal ventaja de la aeroponía es una excelente aireación.
Las técnicas aeropónicas han demostrado ser comercialmente exitosas para la propagación, germinación de semillas, producción de semillas de papa, producción de tomates, cultivos de hojas y microvegetales. [44] Desde que el inventor Richard Stoner comercializó la tecnología aeropónica en 1983, la aeroponía se ha implementado como una alternativa a los sistemas hidropónicos intensivos en agua en todo el mundo. [45] Una limitación importante de la hidroponía es el hecho de que 1 kilogramo (2,2 lb) de agua solo puede contener 8 miligramos (0,12 gr) de aire, sin importar si se utilizan aireadores o no.
Otra ventaja distintiva de la aeroponía sobre la hidroponía es que cualquier especie de plantas se puede cultivar en un verdadero sistema aeropónico porque el microambiente de un sistema aeropónico se puede controlar con precisión. Otra limitación de la hidroponía es que ciertas especies de plantas solo pueden sobrevivir durante un tiempo en el agua antes de quedar anegadas . Por el contrario, las plantas aeropónicas suspendidas reciben el 100% del oxígeno y dióxido de carbono disponibles en su zona de raíces, tallos y hojas, [46] [47] acelerando así el crecimiento de la biomasa y reduciendo los tiempos de enraizamiento. La investigación de la NASA ha demostrado que las plantas cultivadas aeropónicamente tienen un aumento del 80% en la biomasa de peso seco (minerales esenciales) en comparación con las plantas cultivadas hidropónicamente. La aeroponía también utiliza un 65% menos de agua que la hidroponía. La NASA concluyó que las plantas cultivadas aeropónicamente requieren ¼ del aporte de nutrientes en comparación con la hidroponía. [48] [49] A diferencia de las plantas cultivadas hidropónicamente, las plantas cultivadas aeropónicamente no sufren un shock por el trasplante cuando se trasplantan al suelo y ofrecen a los cultivadores la capacidad de reducir la propagación de enfermedades y patógenos. La aeroponía también se utiliza ampliamente en estudios de laboratorio de fisiología y patología vegetal. La NASA ha prestado especial atención a las técnicas aeropónicas, ya que una niebla es más fácil de manejar que un líquido en un entorno de gravedad cero. [48] [6]
La fogponia es una derivación de la aeroponía en la que la solución nutritiva se aerosoliza mediante un diafragma que vibra a frecuencias ultrasónicas . Las gotas de solución producidas por este método tienden a tener un diámetro de 5 a 10 μm, más pequeñas que las que se producen al forzar una solución nutritiva a través de boquillas presurizadas, como en la aeroponía. El tamaño más pequeño de las gotas les permite difundirse por el aire con mayor facilidad y entregar nutrientes a las raíces sin limitar su acceso al oxígeno. [50] [51]
La sub-irrigación pasiva, también conocida como hidroponía pasiva, semi-hidroponía o hidrocultivo , [52] es un método en el que las plantas se cultivan en un medio poroso inerte que mueve agua y fertilizante a las raíces por acción capilar desde un depósito separado según sea necesario, reduciendo la mano de obra y proporcionando un suministro constante de agua a las raíces. En el método más simple, la maceta se asienta en una solución poco profunda de fertilizante y agua o sobre una estera capilar saturada con solución nutritiva. Los diversos medios hidropónicos disponibles, como arcilla expandida y cáscara de coco , contienen más espacio de aire que las mezclas para macetas más tradicionales, lo que proporciona más oxígeno a las raíces, lo que es importante en plantas epífitas como orquídeas y bromelias , cuyas raíces están expuestas al aire en la naturaleza. Las ventajas adicionales de la hidroponía pasiva son la reducción de la pudrición de la raíz.
En su forma más simple, se bombea agua enriquecida con nutrientes a recipientes con plantas en un medio de cultivo como agregado de arcilla expandida. A intervalos regulares, un temporizador simple hace que una bomba llene los recipientes con solución nutritiva, después de lo cual la solución se drena nuevamente hacia el depósito. Esto mantiene el medio regularmente enjuagado con nutrientes y aire. [53]
En un sistema de desecho, se aplica periódicamente una solución de agua y nutrientes a la superficie del medio. El método se inventó en Bengala en 1946; por este motivo, a veces se lo denomina "Sistema Bengala". [54]
Este método se puede implementar en varias configuraciones. En su forma más simple, se aplica manualmente una solución de nutrientes y agua una o más veces al día a un recipiente con un medio de cultivo inerte, como lana de roca, perlita, vermiculita, fibra de coco o arena. En un sistema un poco más complejo, se automatiza con una bomba de suministro, un temporizador y una tubería de irrigación para suministrar la solución de nutrientes con una frecuencia de suministro que se rige por los parámetros clave del tamaño de la planta, la etapa de crecimiento de la planta, el clima, el sustrato y la conductividad del sustrato, el pH y el contenido de agua.
En un entorno comercial, la frecuencia de riego es multifactorial y está gobernada por computadoras o PLC .
La producción hidropónica comercial de plantas grandes, como tomates, pepinos y pimientos, utiliza una forma u otra de hidroponía de aprovechamiento de residuos.
El método hidropónico de producción de plantas consiste en suspender las raíces de las plantas en una solución de agua oxigenada y rica en nutrientes. Los métodos tradicionales favorecen el uso de baldes de plástico y grandes contenedores con la planta contenida en una maceta de red suspendida del centro de la tapa y las raíces suspendidas en la solución nutritiva. La solución se satura de oxígeno mediante una bomba de aire combinada con piedras porosas . Con este método, las plantas crecen mucho más rápido debido a la gran cantidad de oxígeno que reciben las raíces. [55] El método Kratky es similar al cultivo en aguas profundas, pero utiliza un depósito de agua no circulante.
El cultivo en aguas profundas con alimentación superior es una técnica que implica suministrar una solución nutritiva altamente oxigenada directamente a la zona de las raíces de las plantas. Mientras que el cultivo en aguas profundas implica que las raíces de las plantas cuelguen hacia abajo en un depósito de solución nutritiva, en el cultivo en aguas profundas con alimentación superior la solución se bombea desde el depósito hasta las raíces (alimentación superior). El agua se libera sobre las raíces de la planta y luego vuelve al depósito de abajo en un sistema de recirculación constante. Al igual que con el cultivo en aguas profundas, hay una piedra difusora en el depósito que bombea aire al agua a través de una manguera desde el exterior del depósito. La piedra difusora ayuda a agregar oxígeno al agua. Tanto la piedra difusora como la bomba de agua funcionan las 24 horas del día.
La mayor ventaja del cultivo en aguas profundas con alimentación superior sobre el cultivo en aguas profundas estándar es un mayor crecimiento durante las primeras semanas. [ cita requerida ] Con el cultivo en aguas profundas, hay un momento en el que las raíces aún no han llegado al agua. Con el cultivo en aguas profundas con alimentación superior, las raíces tienen fácil acceso al agua desde el principio y crecerán hasta el depósito de abajo mucho más rápido que con un sistema de cultivo en aguas profundas. Una vez que las raíces han llegado al depósito de abajo, no hay una gran ventaja con el cultivo en aguas profundas con alimentación superior sobre el cultivo en aguas profundas estándar. Sin embargo, debido al crecimiento más rápido al principio, el tiempo de crecimiento se puede reducir en algunas semanas. [ cita requerida ]
Un jardín hidropónico rotatorio es un estilo de hidroponía comercial creado dentro de un marco circular que gira continuamente durante todo el ciclo de crecimiento de cualquier planta que se esté cultivando.
Si bien las particularidades del sistema varían, los sistemas suelen rotar una vez por hora, lo que permite que la planta dé 24 vueltas completas dentro del círculo cada período de 24 horas. En el centro de cada jardín hidropónico rotatorio puede haber una luz de cultivo de alta intensidad, diseñada para simular la luz solar, a menudo con la ayuda de un temporizador mecanizado.
Cada día, a medida que las plantas rotan, se riegan periódicamente con una solución de crecimiento hidropónico para proporcionar todos los nutrientes necesarios para un crecimiento robusto. Debido a la lucha continua de las plantas contra la gravedad, las plantas suelen madurar mucho más rápido que cuando se cultivan en tierra u otros sistemas de cultivo hidropónico tradicionales. [56] Debido a que los sistemas hidropónicos rotatorios tienen un tamaño pequeño, permiten cultivar más material vegetal por área de superficie que otros sistemas hidropónicos tradicionales. [57]
Los sistemas hidropónicos rotativos deben evitarse en la mayoría de las circunstancias, principalmente debido a su naturaleza experimental y sus altos costos para encontrarlos, comprarlos, operar y mantenerlos. [58]
Diferentes medios son apropiados para diferentes técnicas de cultivo.
La lana de roca ( lana mineral ) es el medio más utilizado en hidroponía. La lana de roca es un sustrato inerte adecuado tanto para sistemas de desecho como de recirculación. La lana de roca está hecha de roca fundida, basalto o "escoria" que se hila en haces de fibras de un solo filamento y se une a un medio capaz de acción capilar y, de hecho, está protegida de la degradación microbiológica más común. La lana de roca se usa típicamente solo para la etapa de plántula o con clones recién cortados, pero puede permanecer con la base de la planta durante toda su vida. La lana de roca tiene muchas ventajas y algunas desventajas. La última es la posible irritación de la piel (mecánica) durante la manipulación (1:1000). [ cita requerida ] El enjuague con agua fría generalmente brinda alivio. Las ventajas incluyen su eficiencia y efectividad probadas como sustrato hidropónico comercial. La mayor parte de la lana de roca vendida hasta la fecha es un material no peligroso y no cancerígeno, que se clasifica en la Nota Q del Reglamento de Clasificación, Embalaje y Etiquetado (CLP) de la Unión Europea. [ cita requerida ]
Los productos de lana mineral pueden diseñarse para retener grandes cantidades de agua y aire que favorecen el crecimiento de las raíces y la absorción de nutrientes en hidroponía; su naturaleza fibrosa también proporciona una buena estructura mecánica para mantener estable a la planta. El pH naturalmente alto de la lana mineral la hace inicialmente inadecuada para el crecimiento de las plantas y requiere "acondicionamiento" para producir una lana con un pH apropiado y estable. [59]
Los pellets de arcilla cocida son adecuados para sistemas hidropónicos en los que todos los nutrientes se controlan cuidadosamente en solución acuosa. Los pellets de arcilla son inertes, tienen un pH neutro y no contienen ningún valor nutritivo.
La arcilla se forma en bolitas redondas y se cuece en hornos rotatorios a 1200 °C (2190 °F). Esto hace que la arcilla se expanda, como las palomitas de maíz, y se vuelva porosa. Es ligera y no se compacta con el tiempo. La forma de una bolita individual puede ser irregular o uniforme según la marca y el proceso de fabricación. Los fabricantes consideran que la arcilla expandida es un medio de cultivo ecológicamente sostenible y reutilizable debido a su capacidad de limpieza y esterilización, normalmente lavándola con soluciones de vinagre blanco, cloro o peróxido de hidrógeno ( H
2Oh
2) y enjuagar completamente.
Otra opinión es que es mejor no reutilizar las piedras de arcilla, incluso cuando están limpias, debido al crecimiento de raíces que pueden ingresar al medio. Romper una piedra de arcilla después de su uso puede revelar este crecimiento. [ cita requerida ]
Las piedras de crecimiento , fabricadas a partir de desechos de vidrio, tienen más espacio para retener aire y agua que la perlita y la turba. Este agregado retiene más agua que las cáscaras de arroz sancochado . [60] Las piedras de crecimiento por volumen constan de entre un 0,5 y un 5 % de carbonato de calcio [61] – para una bolsa estándar de 5,1 kg de piedras de crecimiento eso corresponde a entre 25,8 y 258 gramos de carbonato de calcio . El resto es vidrio sódico-cálcico. [61]
La fibra de coco , también conocida como turba de coco, es un subproducto natural derivado del procesamiento del coco. La cáscara exterior de un coco consta de fibras que se utilizan comúnmente para hacer una gran variedad de artículos que van desde tapetes hasta cepillos. Después de que las fibras largas se utilizan para esas aplicaciones, el polvo y las fibras cortas se fusionan para crear fibra de coco. Los cocos absorben altos niveles de nutrientes a lo largo de su ciclo de vida, por lo que la fibra de coco debe pasar por un proceso de maduración antes de convertirse en un medio de crecimiento viable. [62] Este proceso elimina la sal, los taninos y los compuestos fenólicos a través de un lavado sustancial con agua. El agua contaminada es un subproducto de este proceso, ya que se necesitan entre trescientos y seiscientos litros de agua por cada metro cúbico de fibra de coco. [63] Además, esta maduración puede tardar hasta seis meses y un estudio concluyó que las condiciones de trabajo durante el proceso de maduración son peligrosas y serían ilegales en América del Norte y Europa. [64] A pesar de requerir atención, plantear riesgos para la salud e impactos ambientales, la fibra de coco tiene propiedades materiales impresionantes. Cuando se expone al agua, el material marrón, seco, grueso y fibroso se expande casi tres o cuatro veces su tamaño original. Esta característica combinada con la capacidad de retención de agua de la fibra de coco y su resistencia a las plagas y enfermedades la convierten en un medio de crecimiento eficaz. Utilizada como alternativa a la lana de roca, la fibra de coco ofrece condiciones de crecimiento optimizadas. [65]
Las cáscaras de arroz vaporizadas (PBH) son un subproducto agrícola que de otro modo tendría poco uso. Se descomponen con el tiempo y permiten el drenaje, [66] e incluso retienen menos agua que las piedras de crecimiento. [60] Un estudio demostró que las cáscaras de arroz no afectaron los efectos de los reguladores del crecimiento de las plantas . [66] [ se necesita una fuente no primaria ]
La perlita es una roca volcánica que se ha sobrecalentado hasta formar guijarros de vidrio expandido muy ligeros. Se utiliza suelta o en fundas de plástico sumergidas en el agua. También se utiliza en mezclas de tierra para macetas para reducir la densidad del suelo. Contiene una gran cantidad de flúor que podría ser perjudicial para algunas plantas. [67] La perlita tiene propiedades y usos similares a los de la vermiculita pero, en general, retiene más aire y menos agua y es flotante.
Al igual que la perlita, la vermiculita es un mineral que se ha sobrecalentado hasta expandirse y convertirse en guijarros ligeros. La vermiculita retiene más agua que la perlita y tiene una propiedad natural de "absorción" que puede absorber agua y nutrientes en un sistema hidropónico pasivo. Si hay demasiada agua y no hay suficiente aire alrededor de las raíces de las plantas, es posible reducir gradualmente la capacidad de retención de agua del medio mezclando cantidades cada vez mayores de perlita.
Al igual que la perlita, la piedra pómez es una roca volcánica liviana extraída que se utiliza en hidroponía.
La arena es barata y se consigue fácilmente, pero es pesada, no retiene muy bien el agua y debe esterilizarse entre usos. [68]
El mismo tipo que se utiliza en los acuarios, aunque se puede utilizar cualquier grava pequeña, siempre que se lave primero. De hecho, las plantas que crecen en un lecho filtrante de grava tradicional, con agua circulada mediante bombas eléctricas, se cultivan en realidad mediante hidroponía de grava, también denominada "nutricultura". La grava es barata, fácil de mantener limpia, drena bien y no se encharca. Sin embargo, también es pesada y, si el sistema no proporciona agua de forma continua, las raíces de las plantas pueden secarse.
La fibra de madera , producida a partir de la fricción de la madera con vapor, es un sustrato orgánico eficaz para la hidroponía. Tiene la ventaja de que mantiene su estructura durante mucho tiempo. La lana de madera (es decir, las virutas de madera) se han utilizado desde los primeros días de la investigación en hidroponía. [28] Sin embargo, investigaciones más recientes sugieren que la fibra de madera puede tener efectos perjudiciales sobre los "reguladores del crecimiento de las plantas". [66] [ se necesita una fuente no primaria ]
La lana de oveja esquilada es un medio de cultivo renovable poco utilizado pero prometedor. En un estudio que comparó la lana con placas de turba, placas de fibra de coco, perlita y placas de lana de roca para cultivar plantas de pepino, la lana de oveja tenía una mayor capacidad de aire del 70%, que disminuyó con el uso a un 43% comparable, y una capacidad de agua que aumentó del 23% al 44% con el uso. [69] El uso de lana de oveja resultó en el mayor rendimiento de los sustratos probados, mientras que la aplicación de un bioestimulante que consistía en ácido húmico, ácido láctico y Bacillus subtilis mejoró los rendimientos en todos los sustratos. [69]
Los fragmentos de ladrillo tienen propiedades similares a las de la grava, pero tienen la desventaja adicional de que pueden alterar el pH y requieren una limpieza adicional antes de su reutilización. [70]
Los poliestirenos para embalaje son económicos, se consiguen fácilmente y tienen un excelente drenaje. Sin embargo, pueden resultar demasiado livianos para algunos usos. Se utilizan principalmente en sistemas de tubos cerrados. Tenga en cuenta que se deben utilizar poliestirenos no biodegradables ; los biodegradables se descompondrán y formarán lodo. Las plantas pueden absorber estireno y pasárselo a sus consumidores, lo que puede suponer un riesgo para la salud. [70]
La formulación de soluciones hidropónicas es una aplicación de la nutrición vegetal , cuyos síntomas de deficiencia de nutrientes reflejan los que se encuentran en la agricultura tradicional basada en el suelo . Sin embargo, la química subyacente de las soluciones hidropónicas puede diferir de la química del suelo en muchos aspectos importantes. Las diferencias importantes incluyen:
Al igual que en la agricultura convencional, los nutrientes deben ajustarse para satisfacer la ley de Liebig del mínimo para cada variedad de planta específica . [71] Sin embargo, existen concentraciones generalmente aceptables para las soluciones nutritivas, con rangos de concentración mínima y máxima para la mayoría de las plantas que son algo similares. [76] La mayoría de las soluciones nutritivas se mezclan para tener concentraciones entre 1000 y 2500 ppm . [28] Las concentraciones aceptables para los iones de nutrientes individuales, que comprenden esa cifra total de ppm, se resumen en la siguiente tabla. Para los nutrientes esenciales, las concentraciones por debajo de estos rangos a menudo conducen a deficiencias de nutrientes, mientras que exceder estos rangos puede conducir a toxicidad de nutrientes. Las concentraciones óptimas de nutrición para las variedades de plantas se encuentran empíricamente por experiencia o por pruebas de tejido vegetal . [71]
Los fertilizantes orgánicos se pueden utilizar para complementar o reemplazar por completo los compuestos inorgánicos utilizados en las soluciones hidropónicas convencionales. [71] [72] Sin embargo, el uso de fertilizantes orgánicos presenta una serie de desafíos que no se resuelven fácilmente. Algunos ejemplos incluyen:
Sin embargo, si se toman precauciones, los fertilizantes orgánicos se pueden utilizar con éxito en hidroponía. [71] [72]
En la siguiente tabla se enumeran ejemplos de materiales adecuados, con sus contenidos nutricionales promedio tabulados en términos de porcentaje de masa seca. [71]
Los micronutrientes también pueden obtenerse de fertilizantes orgánicos. Por ejemplo, la corteza de pino compostada tiene un alto contenido de manganeso y a veces se utiliza para satisfacer ese requerimiento mineral en soluciones hidropónicas. [72] Para satisfacer los requisitos de los Programas Orgánicos Nacionales , también se pueden agregar minerales pulverizados y sin refinar (por ejemplo, yeso , calcita y glauconita ) para satisfacer las necesidades nutricionales de una planta.
Se pueden agregar compuestos tanto en sistemas hidropónicos orgánicos como convencionales para mejorar la adquisición y absorción de nutrientes por parte de la planta . Se ha demostrado que los agentes quelantes y el ácido húmico aumentan la absorción de nutrientes. [85] [72] Además, se ha demostrado que las rizobacterias promotoras del crecimiento de las plantas (PGPR), que se utilizan regularmente en la agricultura de campo y de invernadero, benefician el desarrollo del crecimiento de las plantas hidropónicas y la adquisición de nutrientes. [86] Se sabe que algunas PGPR aumentan la fijación de nitrógeno. Si bien el nitrógeno generalmente es abundante en los sistemas hidropónicos con regímenes de fertilizantes mantenidos adecuadamente, los géneros Azospirillum y Azotobacter pueden ayudar a mantener formas movilizadas de nitrógeno en sistemas con mayor crecimiento microbiano en la rizosfera. [87] Los métodos tradicionales de fertilización a menudo conducen a altas concentraciones acumuladas de nitrato dentro del tejido vegetal en la cosecha. Se ha demostrado que Rhodopseudo-monas palustris aumenta la eficiencia del uso de nitrógeno, aumenta el rendimiento y disminuye la concentración de nitrato en un 88% en la cosecha en comparación con los métodos tradicionales de fertilización hidropónica en verduras de hoja verde. [88] Muchas Bacillus spp., Pseudomonas spp. y Streptomyces spp. convierten formas de fósforo en el suelo que no están disponibles para la planta en aniones solubles al disminuir el pH del suelo, liberando fósforo unido en forma quelada que está disponible en un rango de pH más amplio y mineralizando el fósforo orgánico. [87]
Algunos estudios han demostrado que los inóculos de Bacillus permiten que la lechuga hidropónica supere el estrés salino elevado que, de otro modo, reduciría el crecimiento. [89] Esto puede ser especialmente beneficioso en regiones con alta conductividad eléctrica o contenido de sal en su fuente de agua. Esto podría evitar potencialmente los costosos sistemas de filtración por ósmosis inversa y, al mismo tiempo, mantener un alto rendimiento del cultivo.
Para que la horticultura hidropónica sea exitosa, es esencial controlar las concentraciones de nutrientes, la saturación de oxígeno y los valores de pH dentro de rangos aceptables . Las herramientas comunes que se utilizan para gestionar las soluciones hidropónicas incluyen:
También se pueden utilizar equipos químicos para realizar análisis químicos precisos de soluciones nutritivas. Algunos ejemplos son: [71]
El uso de equipos químicos para soluciones hidropónicas puede ser beneficioso para los cultivadores de cualquier origen porque las soluciones nutritivas a menudo son reutilizables. [90] Debido a que las soluciones nutritivas prácticamente nunca se agotan por completo, y nunca deberían hacerlo debido a la presión osmótica inaceptablemente baja que resultaría, la refortificación de soluciones antiguas con nuevos nutrientes puede ahorrar dinero a los cultivadores y puede controlar la contaminación de fuentes puntuales , una fuente común de eutrofización de lagos y arroyos cercanos. [90]
Aunque los aficionados a la hidroponía y los pequeños productores comerciales suelen comprar soluciones de nutrientes concentradas premezcladas a fabricantes de nutrientes comerciales, existen varias herramientas que ayudan a cualquiera a preparar sus propias soluciones sin tener un amplio conocimiento de química. Las herramientas gratuitas y de código abierto HydroBuddy [91] e HydroCal [92] han sido creadas por químicos profesionales para ayudar a cualquier cultivador de hidroponía a preparar sus propias soluciones de nutrientes. El primer programa está disponible para Windows, Mac y Linux, mientras que el segundo se puede utilizar a través de una sencilla interfaz de JavaScript. Ambos programas permiten la preparación básica de soluciones de nutrientes, aunque HydroBuddy proporciona una funcionalidad adicional para usar y guardar sustancias personalizadas, guardar formulaciones y predecir valores de conductividad eléctrica.
A menudo, mezclar soluciones hidropónicas utilizando sales individuales es poco práctico para los aficionados o los cultivadores comerciales a pequeña escala porque los productos comerciales están disponibles a precios razonables. Sin embargo, incluso cuando se compran productos comerciales, los fertilizantes multicomponentes son populares. A menudo, estos productos se compran como fórmulas de tres partes que enfatizan ciertas funciones nutricionales. Por ejemplo, las soluciones para el crecimiento vegetativo (es decir, alto en nitrógeno), la floración (es decir, alto en potasio y fósforo) y las soluciones de micronutrientes (es decir, con minerales traza) son populares. El momento y la aplicación de estos fertilizantes multicomponentes deben coincidir con la etapa de crecimiento de una planta. Por ejemplo, al final del ciclo de vida de una planta anual , se debe restringir la administración de fertilizantes con alto contenido de nitrógeno a la planta. En la mayoría de las plantas, la restricción de nitrógeno inhibe el crecimiento vegetativo y ayuda a inducir la floración . [72]
Con problemas de plagas reducidos y nutrientes suministrados constantemente a las raíces, la productividad en hidroponía es alta; sin embargo, los productores pueden aumentar aún más el rendimiento manipulando el entorno de una planta mediante la construcción de salas de cultivo sofisticadas . [93]
Para aumentar aún más el rendimiento, algunos invernaderos sellados inyectan CO2 en su entorno para ayudar a mejorar el crecimiento y la fertilidad de las plantas.
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